Pompy ciepła - drogie dziś na tanie jutro

Tekst: Krzysztof Gnyra

Chociaż pompa ciepła kosztuje znacznie więcej niż nowoczesny kocioł gazowy, gwarantuje niskie rachunki za ogrzewanie domu i wody.

Pompa ciepła z widocznym panelem sterowniczym, który zapewnia regulację systemu grzewczego
Fot. JUNKERS
Szukając komfortowego i taniego w eksploatacji ogrzewania, coraz częściej zastanawiamy się nad zastosowaniem pompy ciepła. Dlaczego?

Odpowiedź jest prosta. Dwie trzecie kosztów utrzymania domu związane jest z jego ogrzewaniem. Stosując więc tanie w eksploatacji źródło ciepła, możemy zapewnić sobie niskie rachunki. A rosnąca popularność pompy ciepła i konkurencja firm je produkujących wpływa na obniżenie ceny tych urządzeń.

Jak działa pompa

Pompa ciepła czerpie darmową energię ze środowiska naturalnego: gruntu, wody gruntowej i powietrza - są to dolne źródła ciepła. Następnie przekształca ją w ciepło grzewcze i dostarcza do domowej instalacji centralnego ogrzewania (górne źródło ciepła). W trakcie pracy zużywa jednak energię elektryczną, która służy do napędu sprężarki, czyli głównego elementu pompującego energię cieplną.

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. Kiedy odbiera ciepło dostarczone do pompy (z gruntu, wody lub powietrza), wówczas paruje, zamieniając się w gaz. Gaz ten jest sprężany przez sprężarkę, co powoduje podniesienie jego temperatury i ciśnienia. Następnie ulega on schłodzeniu i skropleniu. W czasie skraplania wydzielają się duże ilości ciepła, które można wykorzystać do ogrzewania instalacji centralnego ogrzewania. Po rozprężeniu i oddaniu ciepła czynnik roboczy przechodzi do fazy ciekłej i cały proces zaczyna się od początku.

Uwaga! Jeśli planujemy ogrzewać dom pompą ciepła, nie musimy budować komina, ani przewidywać miejsca na skład opału.

Co lepsze - grunt, woda czy powietrze

Decydując się na pompę ciepła, należy wybrać rodzaj dolnego źródła ciepła. Uwzględnia się przy tym między innymi takie czynniki, jak: strefę klimatyczną, w jakiej znajduje się nasz dom, wielkość działki, poziom i skład chemiczny wód gruntowych, zapotrzebowanie domu na ciepło oraz możliwości finansowe inwestora.

Grunt. Energia z gruntu może być pobierana przez wymiennik poziomy lub pionowy (sondy gruntowe). Są to ułożone w ziemi rury z tworzyw sztucznych (zwykle z polietylenu PE), przez które przepływa mieszanina wody i glikolu, zwana solanką. Odbiera ona ciepło z gruntu i transportuje do parownika pompy ciepła.

Kolektor gruntowy. Gdy zdecydujemy się na kolektor poziomy, rury układa się poziomo na głębokości 1,2-1,5 m poniżej poziomu gruntu. Poszczególne, jednakowe pętle powinny mieć długość nieprzekraczającą 100 m. W przeciwnym razie opory przepływu byłyby zbyt duże. Odstępy pomiędzy pętlami zależą od średnicy przewodów i wynoszą zazwyczaj od 50 do 100 cm. Taka odległość gwarantuje równomierny odbiór ciepła z gruntu.

Właściwości akumulacyjne gruntu zależą od jego wilgotności i struktury. Będą one tym większe, im bardziej jest on nasycony wodą, im więcej znajduje się w nim składników mineralnych i im mniejsza jest jego porowatość. Zatem lepsze są grunty gliniaste, wilgotne (odbiór ciepła z 1 m2 wynosi wtedy 25-35 W/m2) niż suche piaszczyste (tylko 10-15 W/m2). Poziomy kolektor gruntowy jest stosunkowo tani w realizacji, ale wymaga działki o odpowiedniej wielkości.

Przykład. Dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10 kW oraz średniej wydajności poboru ciepła z gruntu w wysokości 25 W/m2 potrzebna powierzchnia gruntu dla ułożenia kolektora gruntowego wyniesie około 340 m2.

Sondy gruntowe. Są to odwierty, zwykle na głębokość do 100 m. Aby móc je wykonać, inwestor musi uzyskać pozwolenie Urzędu Gospodarki Wodnej. Jeśli będą potrzebne głębsze (powyżej 100 m), powinien mieć zgodę Urzędu Górniczego.

Najczęściej po zrobieniu pierwszego odwiertu można dokładnie określić rodzaj oraz strukturę gruntu. Następnie na tej podstawie sprawdza się, czy obliczeniowa długość sondy będzie wystarczająca, czy też konieczne stanie się wykonanie głębszego odwiertu. Liczba i głębokość odwiertów zależy od zapotrzebowania budynku na ciepło. Przyjmuje się, że z jednego metra kolektora można uzyskać 50-55 W wydajności cieplnej. Niewątpliwą zaletą kolektora pionowego jest to, że można go zmieścić nawet na małej działce. Jego wykonanie jest jednak droższe niż poziomego.

Przykład. Aby móc zamontować pompę ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy założeniu średniej wydajności 50 W/m długości sondy, potrzebne będą dwie sondy gruntowe (dwa odwierty) - każda o głębokości 85 m.

Woda gruntowa. Ten sposób pobierania energii charakteryzuje się wysoką efektywnością, ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę wód gruntowych - na poziomie 7-12°C, nawet zimą.

Woda gruntowa pobierana jest ze studni czerpalnej i tłoczona do parownika pompy ciepła. Następnie schłodzona woda odprowadzona zostaje do studni chłonnej - inaczej zrzutowej.

Taki układ działa właściwie i bezawaryjnie, jeśli będzie zapewniony dostęp do wody o odpowiednim składzie chemicznym. Często się jednak zdarza, że woda po pewnym czasie zmienia swój skład (wzrasta ponad dopuszczalną wielkość zawartość żelaza lub manganu). Może to doprowadzić do uszkodzenia parownika pompy. Dlatego, aby go ochronić, stosuje się dodatkowy, pośredni wymiennik ciepła.

Innym utrudnieniem związanym z pozyskaniem ciepła z wód gruntowych jest też konieczność znalezienia warstwy wodonośnej o odpowiednio dużej wydajności - około 210 l na godzinę na każdy kilowat mocy grzewczej.

Przykład. Pompa ciepła o mocy 10 kW musi mieć zapewniony minimalny przepływ wody gruntowej na poziomie około 2100 l/h.

Powietrze zewnętrzne. To najtańsze w instalacji (nie wymaga ponoszenia kosztów wykonania dolnego źródła ciepła) i najbardziej dostępne źródło energii.

Najczęściej całą pompę ciepła umieszcza się na zewnątrz domu. Najpierw powietrze zasysane jest kanałem, potem w parowniku odbiera się zawarte w nim ciepło, a na końcu odprowadza je znów na zewnątrz. Nowoczesne pompy ciepła mogą wytwarzać ciepło grzewcze nawet przy temperaturze zewnętrznej sięgającej -20°C. Jednak w takich warunkach nie pokrywa się całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Konieczne będzie dogrzewanie wody grzewczej do wymaganej temperatury, na przykład przez grzałkę elektryczną lub kominek.

Ważne parametry

Dobierając i porównując pompy ciepła, posługujemy się parametrami podawanymi przez producentów. Są to najczęściej moc grzewcza i współczynnik sprawności.

Moc grzewcza. Najlepiej, aby moc pompy ciepła określił projektant instalacji grzewczej. Wstępnie można jednak oszacować jej wielkość na podstawie jednostkowego zapotrzebowania budynku na ciepło i przemnożyć je przez powierzchnię domu. W uproszczeniu przyjmuje się:

- 40 W/m2 - w domu niskoenergetycznym,

- 50 W/m2 - w domu z izolacją cieplną lepszą niż wymaga się w normach,

- 70 W/m2 - w domu z dobrą izolacją cieplną,

- 120 W/m2 - w starszych, gorzej izolowanych domach.

Przykład. Dla domu jednorodzinnego o powierzchni ogrzewanej 180 m2 z dobrą izolacją cieplną zapotrzebowanie na ciepło wyniesie 180 m2×70 W/m2 = 12 600 W = 12,6 kW.

Jeśli pompa ciepła będzie również ogrzewała wodę użytkową, jej moc można zwiększyć o około 0,25 kW na każdego mieszkańca. Zatem, gdy w domu z ciepłej wody korzystają cztery osoby, moc pompy ciepła zwiększy się o 1 kW.

Niektórzy fachowcy uważają, że pompa ciepła może być "niedowymiarowana". Dobierają więc niższą moc urządzenia, niż wynika to z zapotrzebowania domu na ciepło, zakładając z góry, że brakującą moc podczas srogich mrozów uzupełni dodatkowe źródło ciepła, na przykład grzałka elektryczna. Wpłynie to jednak, niestety, na zwiększone koszty ogrzewania.

Ponadto pompa ciepła o mniejszej mocy będzie pracować bez przerwy, obciążając znacznie dolne źródło ciepła (kolektor poziomy lub sondy gruntowe), dla którego praca z przerwami jest zdecydowanie bardziej korzystna - sprzyja bowiem szybszej regeneracji dolnego źródła.

Zatem moc grzewcza pompy ciepła czerpiącej energię z gruntu lub z wody gruntowej powinna odpowiadać wielkości zapotrzebowania budynku na ciepło.

Jedynie powietrzną pompę projektuje się o mniejszej mocy, niż to wynika z obliczeń - na70-80% zapotrzebowania na ciepło przez dom. Pompa dobrana na 100% byłaby nie tylko bardzo droga, ale przede wszystkim pracowałaby nieekonomicznie. Dlatego zakłada się, że podczas silnych mrozów brakującą moc uzupełni grzałka elektryczna.

Współczynnik efektywności COP (ang. coefficient of performance). Wykorzystuje się go do oceny sprawności pompy ciepła. Wyraża stosunek mocy grzewczej pompy ciepła do ilości pobranej przez nią energii elektrycznej. Jeśli parametry instalacji zostaną właściwie dobrane, COP osiąga wartość na poziomie 4. Oznacza to, że z każdej dostarczonej kilowatogodziny energii elektrycznej możemy uzyskać 4 kWh energii cieplnej.

Współczynnik COP ulega znacznym wahaniom ze względu na zmienne warunki pracy pompy ciepła. Jego wartość zależy przede wszystkim od temperatury dolnego źródła ciepła i od temperatury wody grzewczej na wyjściu z pompy ciepła. Z tego względu, wybierając górne źródło, najlepiej zdecydować się na systemy o niskiej temperaturze zasilania, na przykład ogrzewanie podłogowe.

Przykład. Obliczmy, jaki będzie koszt 1 kWh ciepła grzewczego, jeśli producent podał sprawność pompy na poziomie COP = 4.

Płacąc 35 gr za 1 kWh pobranej energii elektrycznej, otrzymujemy 4 kWh ciepła grzewczego. Zatem 1kWh ciepła grzewczego kosztuje nas około 9 gr.

Uwaga! Przy ocenie rzeczywistych kosztów ogrzewania uwzględnia się również współczynnik efektywności całej instalacji COPIN. Określa on stosunek dostarczonego ciepła grzewczego dopoboru energii elektrycznej wszystkich urządzeń pracujących w instalacji: pompy ciepła, pomp obiegowych i grzałki elektrycznej. Jego wartość jest więc niższa niż współczynnika COP samej pompy ciepła.

Jakie są koszty eksploatacji

Zasadność stosowania pompy ciepła przeanalizujemy na podstawie konkretnego domu. Przedstawimy, jaką dobrano pompę ciepła, jakie otrzymano wartości współczynnika COP w poszczególnych miesiącach oraz jakie koszty poniesiono na ogrzewanie domu i wody użytkowej.

Założenia. Analizę wykonano dla domu jednorodzinnego o powierzchni około 200 m2 znajdującego się pod Opolem. Mieszkają w nim cztery osoby.

- Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło wynosi 11,3 kW.

- Jedynym źródłem ciepła zasilającym instalację centralnego ogrzewania jest pompa ciepła o mocy grzewczej 10,8 kW. Pobiera ona energię z gruntu przez wymiennik gruntowy pionowy - sondy gruntowe. Wykonano dwa odwierty, każdy o głębokości 91 m.

- Producent podał współczynnik efektywności COP na poziomie 4,5, a pobór energii elektrycznej 2,4 kW.

- Maksymalna temperatura wody grzewczej to55°C. W instalacji zastosowano zasobnik akumulacji ciepła o pojemności 600 l.

- Przy ogrzewaniu wody użytkowej pompę ciepła wspomaga grzałka elektryczna umieszczona w podgrzewaczu o pojemności 300 l.

- Zamontowano dwutaryfowy licznik energii elektrycznej.

Wyniki. Ilość ciepła dostarczonego przez pompę ciepła określono na podstawie wskazań zamontowanego w domu licznika ciepła. Natomiast zużycie energii elektrycznej przez wszystkie urządzenia pracujące w instalacji (pompę ciepła, pompy obiegowe i grzałkę elektryczną) odczytano ze stanu licznika energii elektrycznej.

- Koszt ogrzewania domu i wody użytkowej między 01.09.2006 r. a 01.09.2007 r. wyniósł 1076 zł brutto. W tym okresie zużycie energii elektrycznej wyniosło:

- w taryfie dziennej 178,9 kWh,

- w taryfie nocnej 4094,3 kWh.

- W sezonie grzewczym 2007/2008 zanotowano wydatki na energię elektryczną w poszczególnych miesiącach (tabela poniżej). Po zsumowaniu tych wartości łączny koszt ogrzewania domu i wody użytkowej wyniósł 1160 zł brutto.

Zauważono, że ponad 70% ciepła potrzebnego do ogrzewania pobierane jest z gruntu, a udział energii elektrycznej nie przekracza 30%. Pompa ciepła pracowała zwykle od 7 do 10 godzin w ciągu doby (również przy temperaturach zewnętrznych dochodzących do -10°C). Tak krótki czas pracy jest możliwy dzięki bardzo dobrej izolacji cieplnej całego domu oraz wykorzystaniu własności akumulacji ciepła przez ogrzewanie podłogowe i zastosowaniu zasobnika buforowego wody grzewczej o dużej pojemności. Poza tym na tak niskie koszty eksploatacji ma wpływ również i to, że pompa ciepła pracuje i pobiera energię elektryczną wyłącznie w tańszej taryfie nocnej (w godzinach 13.00-15.00 oraz 22.00-06.00). Z kolei długie przerwy w pracy pompy ciepła w ciągu doby sprzyjają szybszej regeneracji gruntu.

Szacunkowe koszty ogrzewania tego domu innymi źródłami ciepła (gazem, olejem, paliwem stałym bądź energią elektryczną) przedstawiono w tabeli powyżej. Do ich opracowania wykorzystano ceny paliw z marca 2008 roku.

Dla kogo polecana

Pompę ciepła można montować zarówno w nowych, jak i modernizowanych domach. Szczególnie polecana jest jako alternatywa dla ogrzewania olejem opałowym czy gazem płynnym.

Warto rozważyć to rozwiązanie również wtedy, gdy koszt wykonania przyłącza gazu ziemnego będzie bardzo wysoki (ze względu na znaczną odległość od sieci gazowej). Pompa ciepła najlepiej sprawdzi się w domach energooszczędnych, o małym zapotrzebowaniu na ciepło. Im budynek będzie cieplejszy, tym niższe będą koszty jego ogrzewania i tańsza instalacja (zakup pompy o większej mocy jest droższy).

Jak wiadomo, sprawność pompy ciepła, a zatem koszty jej eksploatacji, zależy w znacznym stopniu odróżnicy temperatury między górnym a dolnym źródłem. Dla zminimalizowania tej różnicy w domu, który będzie ogrzewany pompą ciepła, powinno się zastosować niskotemperaturowy system grzewczy, czyli ogrzewanie podłogowe.

Choć pompa ciepła może również współpracować z grzejnikami, to aby taki układ pracował w miarę efektywnie, temperatura wody na ich zasileniu nie powinna przekraczać 50-55°C (w ogrzewaniu tradycyjnym ma zwykle 75°C). Wiąże się to ze zwiększeniem ich wielkości (muszą mieć odpowiednią moc, żeby zapewnić żądaną przez użytkownika temperaturę w pomieszczeniu). A jeśli to niemożliwe, należy zaprojektować kilka grzejników w danym pomieszczeniu zamiast jednego, co oczywiście zwiększa koszty systemu.

Nie można powiedzieć, że pompa ciepła jest dobrym rozwiązaniem na wszystko. Samo jej zastosowanie bowiem nie gwarantuje niskich kosztów ogrzewania domu. Trzeba to policzyć dla każdego budynku indywidualnie. Nie ulega jednak wątpliwości, że wraz ze wzrostem cen paliw ogrzewanie pompami będzie coraz bardziej opłacalne.

Rodzaje pomp ciepła

W zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła (pierwszy człon w nazwie pompy) i zakładając, że instalacja grzewcza w domu wykonana będzie jako wodna (odpowiednio drugi człon nazwy), pompy ciepła można podzielić na:

- solanka-woda - pobierają energię z gruntu przez czynnik pośredniczący (solankę) i oddają ją do systemu centralnego ogrzewania;

- woda-woda - pobierają energię z wody gruntowej i przekazują ją do systemu grzewczego;

- powietrze-woda - energia odbierana jest z powietrza i następnie oddawana do układu grzewczego.

Nie tylko do ogrzewania

Pompy ciepła służą nie tylko do ogrzewania domu. Mogą również przygotować ciepłą wodę lub ochłodzić budynek latem.

Ciepła woda. Często jest przygotowywana w oddzielnym zasobniku, którego pojemność zwykle waha się od 300 do 500 l. Ustawienie takiego oddzielnego i dużego zasobnika wymaga jednak miejsca. Dlatego coraz więcej firm oferuje urządzenia kompaktowe, w których pompa i zasobnik mają wspólną obudowę.

Chłodzenie. Może być zrealizowane na dwa sposoby. W pierwszym odwraca się sposób pracy pompy ciepła, by działała ona jak chłodziarka. W drugim wykorzystuje się niską temperaturę gruntu lub wody gruntowej do chłodzenia pomieszczeń, na przykład za pomocą instalacji ogrzewania podłogowego.

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



Skomentuj:

Pompy ciepła - drogie dziś na tanie jutro