Pompy ciepła, czyli tanie grzanie

Tekst: Alfred Adamczewski, Grzegorz Dudek

Chociaż pompy ciepła są znacznie droższe od kotłów, instaluje się je coraz częściej - także w polskich domach. Perspektywa taniego ogrzewania domu przez lata wydaje się warta poczynienia sporego jednorazowego wydatku.

Najważniejszą różnicę między kotłem i pompą ciepła stanowi źródło energii, którą te urządzenia przetwarzają. W kotle są nim paliwa: gaz, olej, węgiel lub drewno, za które trzeba płacić. Pompa zużywa natomiast darmową energię zgromadzoną w gruncie, wodach podziemnych bądź w powietrzu. Jednak aby tę energię pozyskać i przetworzyć, trzeba też dostarczyć pewną ilość energii samej pompie (do zasilania sprężarki i pompy obiegowej). Stosunek mocy grzewczej pompy do ilości pobieranej przez nią energii elektrycznej jest miarą efektywności, czyli sprawności pompy. Wysokosprawne pompy z każdego kilowata dostarczonej do nich energii elektrycznej "produkują" ponad 4 kW mocy grzewczej. Ta wydajność obniża się jednak wraz ze wzrostem różnicy temperatury między źródłem a odbiornikiem ciepła, czyli domową instalacją grzewczą. Dlatego zastosowanie pompy ciepła przynosi największe korzyści wtedy, gdy udaje się pozyskać ciepło ze źródła o jak najwyższej temperaturze i zasilać instalacje c.o. o jak najniższej temperaturze czynnika grzewczego, czyli tzw. systemy ogrzewania niskotemperaturowego (np. ogrzewanie podłogowe lub ścienne).

Źródła ciepła

Dobre źródło ciepła to jeden z podstawowych warunków efektywnej pracy systemu grzewczego z pompą ciepła. W Polsce jako źródło ciepła najczęściej wykorzystuje się wody gruntowe lub grunt, znacznie rzadziej powietrze.

Wody gruntowe. To najlepsze zasoby energii, gdyż przez cały rok mają jednakową temperaturę - w granicach od 7,5 do 12°C, zapewniają więc wysoką efektywność układu grzewczego przez cały rok.

Aby można było pozyskiwać ciepło z wód gruntowych, konieczne jest wykonanie dwóch studni - eksploatacyjnej, z której pompa pobiera ciepło, oraz zrzutowej, przez którą schłodzona woda powraca do gruntu. Odległość między studniami powinna wynosić minimum 15 metrów.

Z pozyskaniem ciepła z wód gruntowych wiążą się jednak pewne utrudnienia, jak chociażby konieczność znalezienia warstwy wodonośnej o odpowiednio dużej wydajności czy wykonanie - zgodnie z tym, co nakazują przepisy - dokumentacji, zwanej operatem wodno-prawnym.

Grunt. Do pozyskiwania ciepła z gruntu służą tzw. kolektory gruntowe, czyli ułożone w ziemi rury z PE, w których krąży niezamarzający płyn (np. glikol). Kolektory gruntowe mogą być trojakiego rodzaju:

- poziome - z rur ułożonych na głębokości od 1,5 do 2 m. Taki kolektor jest względnie tani, ale zajmuje dość dużą powierzchnię, około 1,5-2 razy większą niż powierzchnia, jaką pompa ma ogrzewać (kolektor dla domu o powierzchni 200 m2 zajmuje od 300 do 400 m2). Kolektor poziomy jest też podatny na zmiany temperatury zewnętrznej, co podczas długotrwałych mrozów może powodować spadek efektywności pracy pompy ciepła;

- spiralne - bardzo podobne do poziomych, ale z rurami w układzie spirali, przez co wykopy są nieco głębsze, ale za to krótsze;

- pionowe - są to kolumny rur zapuszczone w grunt na głębokość do 20 m, chociaż zdarzają się i głębsze. Liczba odwiertów zależy od zapotrzebowania budynku na ciepło. Zaletami takiego kolektora są: wysoka efektywność i mała podatność na zmiany temperatury zewnętrznej (na głębokości 10 m i poniżej temperatura jest stała przez cały rok i wynosi 10°C), a także stosunkowo niewielka powierzchnia gruntu, jaką zajmuje. Wykonanie kolektora pionowego jest jednak znacznie droższe niż poziomego czy spiralnego.

Powietrze zewnętrzne. To niewątpliwie najtańsze i najłatwiejsze do pozyskania źródło ciepła, zwłaszcza gdy działka jest mała. Najnowsze pompy ciepła mogą pozyskiwać ciepło z powietrza zewnętrznego nawet, gdy jego temperatura spada do -20°C.

Instalacje grzewcze

Efektywność pompy ciepła staje się tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury między źródłem a odbiornikiem ciepła, którym jest domowa instalacja grzewcza. Dlatego zastosowanie pompy ciepła przynosi największe korzyści, gdy współpracuje ona z systemem ogrzewania niskotemperaturowego - podłogowego lub ściennego. Można co prawda wykonać również niskotemperaturową instalację grzejnikową, ale wówczas grzejniki musiałyby mieć stosunkowo dużą powierzchnię, przez co byłyby droższe i zajmowałyby sporo miejsca w domu.

Dobór pompy ciepła

Moc pompy. Przy wyborze pompy najważniejszy jest właściwy dobór jej mocy grzewczej. Pompa zbyt mała nie będzie w stanie zapewnić komfortu cieplnego. Pompa zbyt duża to z kolei nie tylko niepotrzebne koszty, ale również droższa eksploatacja (większy pobór prądu), co mogłoby postawić opłacalność całej inwestycji pod znakiem zapytania. Ponieważ dobór wielkości pompy wymaga dużego doświadczenia, najlepiej powierzyć go firmie zajmującej się produkcją lub montażem pomp. Warto jednak wiedzieć, że moc pompy można dobierać na trzy sposoby:

- moc odpowiadająca dokładnie wielkości zapotrzebowania na ciepło w okresie największych spadków temperatury (najczęściej przyjmuje się -20°C);

- moc mniejsza niż zapotrzebowanie szczytowe: wtedy z góry zakłada się, że brakujące ciepło będzie okresowo uzupełniane z innych źródeł, takich jak kominek, kocioł lub grzejniki elektryczne;

- moc większa niż obliczone zapotrzebowanie: wtedy pompy używa się tylko w okresie, gdy obowiązuje II taryfa opłat za energię elektryczną.

Rodzaj sprężarki. Podstawowym elementem każdej pompy jest sprężarka. Od niej zależy bowiem trwałość pompy. Do wyboru są pompy ze sprężarkami spiralnymi - typu "scroll" - lub tłokowymi. Każda z nich sprawdza się w innych warunkach, dlatego o tym, która będzie lepsza, powinien zdecydować fachowiec.

Z zasobnikiem czy bez. Opłacalność pomp ciepła znacznie wzrasta, jeżeli oprócz tego, że ogrzewają dom, są też wykorzystane do przygotowania ciepłej wody (podgrzanie wody dla czterech osób pompą ciepła kosztuje tyle, ile przygotowanie wody dla jednej osoby grzałką elektryczną). Do tego potrzebne jest zastosowanie podgrzewacza ciepłej wody użytkowej z wężownicą.

Jeśli dom jest niewielki (do 200 m2), a rodzina trzy- lub czteroosobowa, wtedy w zupełności wystarczy zasobnik o pojemności 150-200 l. Niektórzy producenci pomp umieszczają zbiorniki o takiej pojemności w tej samej obudowie co pompa. Jeśli zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest większe, wtedy lepiej kupić samą pompę i do niej dokupić zbiornik o pojemności 300, a nawet 400 litrów.

Czy to się opłaca

Pompy ciepła to źródło najtańszego ciepła. Nie trzeba płacić za paliwo, przeglądy kotła, czyszczenie komina. Jedyne koszty eksploatacyjne to opłaty za energię elektryczną, która zasila pompę ciepła. Dzięki temu koszty ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody są średnio o połowę niższe od kosztów ogrzewania gazem ziemnym. Jeśli ogrzewanie za pomocą pompy ciepła porównamy z ogrzewaniem droższymi paliwami, takimi jak olej opałowy czy gaz ziemny, różnice te będą jeszcze większe.

Jednak za przyszłe "zyski" wcześniej trzeba zapłacić - instalacja grzewcza z pompą ciepła kosztuje znacznie więcej niż kotłownia gazowa czy olejowa. Dlatego zanim się na nią zdecydujemy, wcześniej warto sprawdzić, czy to nam się faktycznie opłaci. Żeby się o tym przekonać, trzeba policzyć, po jakim okresie oszczędności wynikające z mniejszych rachunków za ogrzewanie pokryją różnicę nakładów inwestycyjnych pomiędzy instalacją z pompą ciepła a tradycyjną kotłownią lub innym źródłem ciepła - na przykład kominkiem z systemem dystrybucji ciepłego powietrza.

Przykład. Jeśli przyjmiemy, że koszty projektu, materiałów i wykonania kotłowni gazowej (kocioł stojący + zasobnik c.w.u), przyłącza gazowego i komina wyniosą 20 000 zł, a odpowiadające im koszty instalacji z pompą ciepła (z wymiennikiem gruntowym poziomym lub spiralnym bądź studniami i zasobnikiem c.w.u. o pojemności 300 litrów) zamkną się w kwocie 30 000 zł, to różnica w nakładach inwestycyjnych wynosi 10 000 zł. Jeśli następnie przyjmiemy, że ogrzewanie domu o powierzchni około 180-200 m2 gazem ziemnym kosztuje rocznie 2000 zł, a pompą ciepła o połowę taniej, czyli 1000 zł, to okaże się, że dodatkowe koszty, jakie ponieśliśmy, decydując się na instalację z pompą ciepła, zwrócą się już po 10 latach.

Jeśli instalacja z pompą ciepła będzie nas kosztowała więcej (kupimy droższą pompę albo będziemy zmuszeni do wykonania drogich kolektorów pionowych) lub zapotrzebowanie na ciepło w domu będzie mniejsze (tak jest w domach o mniejszej powierzchni albo w domach bardzo dobrze ocieplonych), wówczas okres zwrotu nakładów inwestycyjnych może się znacznie wydłużyć (nawet do 30-40 lat). Ale jeśli zapotrzebowanie na ciepło będzie większe niż w opisanym przykładzie (np. dom jest duży lub rodzina liczna, a więc zużywa znaczne ilości ciepłej wody), albo jeśli alternatywą dla pompy ciepła jest paliwo droższe niż gaz ziemny, wtedy pieniądze zainwestowane w pompę ciepła mogą się zwrócić już po kilku latach.

Jak działa pompa

Zasada działania pompy ciepła podobna jest do działania lodówki. Opiera się na wykorzystaniu właściwości specjalnego płynu - tzw. czynnika roboczego, który krążąc w instalacji wewnętrznej pompy ulega okresowym przemianom fazowym. Można tu wyróżnić następujące etapy:

- odparowanie czynnika roboczego po odebraniu ciepła dostarczonego do pompy (z gruntu, wody lub powietrza) - przejście do fazy gazowej,

- sprężenie gazu w sprężarce w wyniku czego następuje wzrost jego ciśnienia i temperatury,

- oddanie ciepła do instalacji grzewczej,

- rozprężenie czynnika roboczego - przejście do fazy ciekłej.

Kolektor tylko według projektu

Właściwy dobór i zwymiarowanie kolektora jest jednym z podstawowych i najważniejszych warunków prawidłowej pracy pompy ciepła. W szczególności trzeba pamiętać, że:

1. Niedowymiarowanie kolektora prowadzi do obniżenia temperatury krążącego w nim płynu, co obniża sprawność pompy. Ponadto ujemna temperatura płynu może powodować oblodzenie rur i zmniejszenie ich przekroju, a w konsekwencji zdławienie przepływu w kolektorze.

2. Dobranie za małej powierzchni kolektora płaskiego może powodować znaczne wychłodzenie gruntu oraz opóźnienie wegetacji posadzonych nad kolektorem roślin.

3. Dobranie zbyt małego kolektora pionowego może prowadzić do ciągłego obniżania się temperatury gruntu (po każdej zimie o kolejne stopnie), co prowadzi do spadku efektywności układu.

Pompy wielofunkcyjne

Wśród pomp ciepła są też takie, dla których źródłem ciepła może być ogrzane powietrze usuwane z domu kanałami wentylacyjnymi. A ponieważ ogrzane powietrze jest najbardziej wydajnym źródłem ciepła, to i efektywność tych urządzeń jest bardzo wysoka. Tym bardziej, że poza ogrzewaniem domu i przygotowaniem ciepłej wody użytkowej (niektóre modele mają wbudowany duży zasobnik, na 160 lub 200 l wody) pompa taka pełni również rolę centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła.

O wydajność pompy nie trzeba się martwić. W razie gdyby zapotrzebowanie energetyczne było większe niż ilość ciepła, którą pompa jest w stanie wytworzyć, automatycznie załączą się zamontowane w urządzeniu grzałki elektryczne.

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład



Skomentuj:

Pompy ciepła, czyli tanie grzanie