Oszczędzaj nieodnawialne źródła energii - inwestuj w pierwsze paliwo, część 8 - pompy ciepła

Tekst Ludomir Duda, Wiesław Rudolf

W naszych rozważaniach na temat optymalnego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania domu tym razem zajmiemy się urządzeniami grzewczymi na prąd. Niestety, wadą energii elektrycznej w Polsce, w której panuje węglowa monokultura, są środowiskowe koszty jej produkcji.

Fot. Shutterstock
Potęga lobby energetycznego potrafiła sprawić, że w rozporządzeniu o certyfikacji budynków zrównano środowiskowe oddziaływania gazu i węgla, to w rzeczywistości tak nie jest, a ogromne koszty skażenia wyliczane są na prawie połowę ceny sprzedawanego prądu. Fakty te mogłyby zniechęcać do korzystania z prądu jako źródła ciepła, gdyby nie perspektywy zmian w tym zakresie.

Pompy ciepła

Coraz częściej do ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody stosuje się pompy ciepła. Jak sama nazwa wskazuje, urządzenia te "pompują ciepło", co oznacza odebranie ciepła od ośrodka o niższej temperaturze (na przykład powietrza zewnętrznego, gruntu czy wody) i przekazanie do ośrodka, którego temperatura jest wyższa (na przykład powietrze w pomieszczeniu czy woda w instalacji).

Tę technologię każdy z nas zna z własnego domu, gdyż według tej samej zasady działają domowe lodówki. Odbierają ciepło od powietrza wewnątrz lodówki (które ma niską temperaturę) i przekazują ciepło do powietrza w pomieszczeniu.

Oczywiście, w przyrodzie nie występuje samoistne zjawisko przekazania ciepła z ośrodka chłodniejszego do cieplejszego. Transport ciepła dokonywany przez pompę ciepła wymaga więc dostarczenia energii. Z reguły jest to prąd elektryczny do napędu sprężarki.

Mimo że jest to drogi nośnik energii, pompy ciepła są bardzo tanie w eksploatacji, ponieważ urządzenia te, pobierając 1 kWh energii elektrycznej, dostarczają 3--4 kWh energii cieplnej do instalacji. Te 2-3 kWh różnicy, to ciepło pobierane z otoczenia budynku. W ten sposób 1 kWh energii przeznaczonej do ogrzania domu jest 3-4 razy tańsza niż przy bezpośrednim wykorzystania prądu, na przykład do zasilania grzejników elektrycznych.

Po przeliczeniu okazuje się, że energia dostarczana przez pompę ciepła do instalacji jest tańsza, niż ciepło produkowane przez kocioł kondensacyjny zasilany gazem ziemnym. Jednak, jak zawsze, żeby zaoszczędzić, trzeba najpierw zainwestować. W odniesieniu do pomp ciepła ta inwestycja jest dość kosztowna.

Efektywność pomp ciepła

W danych technicznych pomp ciepła podawana jest ich efektywność w postaci wskaźnika COP. Jest to iloraz ilości ciepła przekazanego do instalacji do ilości energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę.

W praktyce, dzielimy sumę ilości energii pobranej z otoczenia (powietrza, wody czy gruntu) i mocy sprężarki przez moc sprężarki. Przykładowo, jeśli pompa ciepła pobiera 6 kW energii z gruntu, a moc sprężarki to 2 kW, wówczas współczynnik COP wynosi (6+2)/2 = 4.

Wartość COP nie jest stała; zmienia się w zależności od temperatury dolnego źródła i wymaganej temperatury w instalacji grzewczej. W zależności od temperatury i rodzaju dolnego źródła, COP może wynosić od nieco ponad 2, aż do 5,5 i więcej.

Podane wartości COP zakładają zastosowanie w całym domu instalacji podłogowej, w której maksymalna temperatura wody nie przekroczy zimą 35°C. Przy instalacji z grzejnikami sprawność spadnie nawet o 1-1,5. Na tej podstawie można powiedzieć, że najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie w całym domu ogrzewania podłogowego. Inwestycja nie będzie dużo droższa, niż przy zastosowaniu grzejników. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę to, że przy pompie ciepła należałoby zastosować dużo większe grzejniki, które będą w stanie ogrzać dom przy temperaturze wody 55°C lub niższej.

Sprawność całej instalacji będzie wysoka tylko przy starannym doborze zarówno samej pompy ciepła, jak i dolnego źródła oraz instalacji grzewczej.

Mało racjonalny wydaje się zakup pompy ciepła, wykonanie na przykład sond gruntowych i zastosowanie w domu grzejników wymagających podgrzania wody zimą do 55°C. Stosując niewiele tylko tańszą instalację z grzejnikami zamiast instalacji podłogowej, znacznie obniżamy sprawność instalacji grzewczych z pompą ciepła.

Pompy ciepła a ekologia

Wokół pomp ciepła toczy się dyskusja na temat ich wpływu na środowisko. Z jednej strony są to urządzenia pozwalające w dużym stopniu wykorzystać energię odnawialną. Z drugiej - 25% energii konwencjonalnej, wykorzystywanej do ich zasilania, to energia elektryczna.

W Polsce jest ona w głównej mierze produkowana w elektrowniach węglowych o sprawności, po uwzględnieniu strat przesyłowych, nie większej niż 25-30%. Zastosowanie pomp ciepła zwiększa więc zużycie prądu, którego produkcja jest dużym obciążeniem dla środowiska.

Sytuacja jest prosta w krajach, w których energia elektryczna w większości produkowana jest w energetyce odnawialnej. Stosując tam pompy ciepła, zużywamy zieloną energię i jednocześnie pozyskujemy ciepło z otoczenia domu.

W Polsce zastosowanie pomp ciepła można traktować jako poprawę sprawności systemu energetycznego. Jeśli energetyka wykorzystuje energię zawartą w paliwie tylko w 25%, a w pompie zużywając 1 kWh prądu możemy dostarczyć do instalacji około 4 kWh energii cieplnej, to tak, jakby w 100% wykorzystać energię zawartą w paliwie.

Z pewnością stosowanie pomp ciepła przestanie być kontrowersyjne, gdy będzie możliwość produkcji (i sprzedaży) prądu we własnym domu, na przykład przez wykorzystanie turbin wiatrowych czy ogniw fotowoltaicznych. Dzięki nim część energii do napędu sprężarki będzie wyprodukowana w sposób ekologiczny.

Te kontrowersje sprawiły, że dopiero w 2009 roku w dyrektywie unijnej pompy ciepła zostały wymienione wśród urządzeń wykorzystujących energię odnawialną. Znając zasadę działania pomp ciepła, nie powinniśmy się zastanawiać nad ich klasyfikowaniem, tylko nad tym, jak produkcję energii elektrycznej uczynić bardziej efektywną i przyjazną środowisku.

Rodzaje pomp i dolnych źródeł ciepła

W kwestii kosztów inwestycyjnych wiele zależy od rodzaju pompy ciepła. Obecnie na rynku mamy do dyspozycji dużą ilość rozwiązań. Pompy ciepła przede wszystkim dzieli się w zależności od tego, z jakim rodzajem dolnego źródła współpracują. Trzy najważniejsze ich rodzaje, to urządzenia wykorzystujące ciepło zakumulowane w gruncie, wodzie i powietrzu.

POMPY CIEPŁA TYPU SOLANKA-WODA. Są to urządzenia czerpiące energię z gruntu. W tym celu w ziemi umieszcza się rury z polietylenu, w których krąży niezamarzający płyn. Materiał rur odbiera ciepło od gruntu i przekazuje je do płynu. Następnie pompa ciepła schładza roztwór glikolu o 2-4°C i przekazuje ciepło do instalacji. Choć może się to wydawać abstrakcją, zimą pompa ciepła odbiera energię od gruntu, który ma często temperaturę w okolicy 0°C lub niższą i przekazuje ją do wody w instalacji, która może mieć nawet 55-60°C (na przykład podczas ładowania zasobnika ciepłej wody).

Umieszczona na zewnątrz budynku instalacja do pozyskiwania ciepła z gruntu, nazywana jest dolnym źródłem ciepła. Może ona być wykonana na kilka sposobów; najbardziej popularne to pionowe sondy gruntowe oraz płaski kolektor meandryczny.

Sondy pionowe. W odwiertach o długości około 100 m umieszcza się rurę polietylenową w kształcie litery U. Dla rozpatrywanego przez nas budynku trzeba by wykonać 1 lub 2 odwierty (w zależności od wariantu domu i rodzaju gruntu). Zaletą tego rodzaju dolnego źródła jest możliwość wykonania instalacji nawet na działce o małej powierzchni. Wadą pionowych sond gruntowych jest ich znaczny koszt; średnia cena 1 m odwiertu to 100-120 zł, a więc łącznie nasze odwierty mogą kosztować od 10 000 do 24 000 zł.

Kolektor płaski. To popularne i nieco tańsze rozwiązanie, niewymagające wykonywania głębokich odwiertów. Rury umieszcza się na działce poziomo, na niewielkiej głębokości. Wadą kolektora płaskiego jest, niestety, potrzeba wygospodarowania miejsca. Wymagana powierzchnia zależy od mocy pompy i od rodzaju gruntu; przy gruntach suchych jest ona nawet 2-3 większa niż przy wilgotnych spoistych. Przyjmując średnie warunki dla naszego budynku, będziemy potrzebowali na kolektor płaski od 200 do 400 m2 powierzchni. Jednak koszt takiej instalacji może być prawie 2 razy niższy niż przy pionowych odwiertach.

POMPY CIEPŁA TYPU WODA-WODA. Jest to rozwiązanie mniej popularne, w którym odbierane jest ciepło nie z gruntu, a z wód gruntowych. Najczęściej w tym celu wykonuje się dwie studnie - czerpalną i chłonną (zrzutową). Podczas pracy pompy ciepła, uruchamia się pompa głębinowa, która dostarcza wodę ze studni czerpalnej. Pompa ciepła ochładza ją o około 2-4°C, po czym jest ona odprowadzana do studni chłonnej.

Teoretycznie, rozwiązanie to ma ogromne zalety. Po pierwsze, średnia temperatura pobieranej wody jest wyższa od temperatury gruntu (8-10°C zamiast od 0 do 5°C). Ta wydawałoby się niewielka różnica powoduje wzrost sprawności pompy ciepła z około 3-4 do 5-5,5, więc spadają koszty eksploatacji instalacji. Dodatkowo, wykonanie studni czerpalnej i chłonnej jest często niedrogim rozwiązaniem, porównywalnym z kosztami wykonania kolektora płaskiego. Zależy to oczywiście od warunków hydrogeologicznych na działce.

Główną wadą wykorzystania wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła, jest ryzyko spadku wydajności lub zablokowania się po pewnym czasie instalacji.

W wielu regionach Polski skład chemiczny wód sprawia, że już po roku, a czasem nawet kilku miesiącach eksploatacji, studnia zrzutowa traci swoją wydajność. Ścianki studni zarastają i nie jest ona w stanie na bieżąco odbierać schłodzonej wody. Skutkiem jest brak przepływu wody i awaryjne wyłączenie pompy lub pojawianie się źródełka na naszej działce, gdy studnia zrzutowa nie jest w stanie wchłonąć wody.

Z tego powodu, przed wykonaniem takiej instalacji należy koniecznie wykonać badania właściwości wody, w celu oszacowania ryzyka zanieczyszczenia instalacji.

Warto również sprawdzić, czy w okolicy znajdują się podobne instalacje, i czy nie dochodzi w nich do zarastania studni zrzutowej. Zjawisko to sprawia, że ten rodzaj dolnego źródła nie jest popularny w Polsce.

POMPY CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA. Jak wskazuje nazwa, jako dolne źródło ciepła wykorzystywane jest tu powietrze otaczające budynek (w niektórych sytuacjach możemy też wykorzystać ciepłe powietrze usuwane z budynku).

Podczas pracy pompy ciepła, znacznych rozmiarów wentylator przetłacza powietrze przez wymiennik. Po schłodzeniu jest ono usuwane na zewnątrz. Największą zaletą tego rozwiązania jest brak potrzeby wykonywania sond gruntowych, kolektora płaskiego czy studni czerpalnej i zrzutowej. Koszt inwestycyjny jest więc niższy.

Nie można jednak powiedzieć, że oszczędność jest równa kosztom dolnego źródła w postaci sond czy studni, bo z uwagi na inny, droższy i większy wymiennik ciepła, pompa ciepła powietrze-woda kosztuje więcej niż modele solanka-woda czy woda-woda. Mimo wszystko, gdybyśmy taką pompę zastosowali w naszym "cyklowym" domu, to koszty inwestycji moglibyśmy zmniejszyć o 5000 do 10 000 zł.

Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że średnia temperatura dolnego źródła w postaci powietrza jest w sezonie grzewczym dużo niższa niż temperatura gruntu czy wód gruntowych. W związku z tym, sprawność pompy ciepła w tym przypadku jest niższa i wynosi jedynie około 2,8-3.

Wprawdzie niektóre modele mogą pozyskiwać ciepło nawet z powietrza o temperaturze -20, czy nawet -25°C, to z reguły dla dostarczenia w tym okresie odpowiedniej ilości ciepła do budynku, pompa ciepła musi być wspomagana przez grzałkę elektryczną, co oczywiście obniża sprawność roczną instalacji.

Mimo to pompy ciepła typu powietrze-woda są coraz bardziej popularne. Co ciekawe, rozwiązanie to jest bardzo popularne w Szwecji i Norwegii, czyli krajach o ostrym klimacie. W Polsce pompy ciepła typu powietrze-woda są często stosowane, jako źródło wspomagające klasyczną instalację, na przykład z kotłem gazowym. W takim systemie pompa ciepła pracuje wtedy, gdy jej koszty eksploatacji są niższe od konwencjonalnego źródła ciepła. W ten sposób można zredukować roczne koszty eksploatacji instalacji, przy czym różnica może być znaczną, bo redukcja zużycia gazu może wpłynąć na zmianę taryfy, według której jesteśmy rozliczani. Dzięki temu same koszty stałe spadną w stosunku rocznym o kilkaset złotych.

Dobór pomp ciepła do poszczególnych wariantów domów

Prawidłowy dobór mocy pompy ciepła i ewentualnego źródła wspomagającego powinien zapewniać ogrzanie budynku i przygotowanie ciepłej wody w całym sezonie grzewczym oraz zachowanie odpowiednich parametrów dolnego źródła ciepła.

Przykładowo, z punktu widzenia kosztów inwestycyjnych, można byłoby zastosować pompę ciepła o mocy około 20% niższej od obliczeniowych strat ciepła. Będzie to oznaczało, że w okresie silnych mrozów pompa ciepła będzie wspomagana przez konwencjonalne źródło ciepła (na przykład grzałkę elektryczną).

Teoretycznie, w ten sposób oszczędzamy przy zakupie pompy ciepła i podczas wykonywania dolnego źródła ciepła. Koszty eksploatacji instalacji będą jednak nieco wyższe z uwagi na potrzebę okresowego wykorzystania grzałki elektrycznej.

Trzeba dodatkowo pamiętać, że pompa ciepła o mocy mniejszej niż zapotrzebowanie na ciepło dla budynku, będzie musiała pracować bardzo długo. Jeśli rocznie przekroczy 2200-2400 godzin, możemy się spodziewać, że z roku na rok temperatura dolnego źródła będzie spadała.

To samo będzie się działo ze sprawnością pompy ciepła. Szukając wiec oszczędności na etapie budowy domu, rzeczywiście moglibyśmy zastosować pompę ciepła o nieco mniejszej mocy, ale wówczas należy przewymiarować dolne źródło ciepła. Dzięki temu temperatura dolnego źródła nie będzie gwałtownie spadała.

W celu uniknięcia nieprawidłowego doboru, należy zsumować moc potrzebną do ogrzania budynku z mocą niezbędną do przygotowania ciepłej wody. Dla niskiego zużycia ciepłej wody zakłada się 0, 25 kW/osobę, dla wyższego - 0,5 kW/osobę. Dodatkowo, na koniec warto podzielić łączne zapotrzebowanie na energię do ogrzania budynku i przygotowania ciepłej wody przez moc pompy ciepła, by określić jej roczny czas pracy. Nie powinien on przekraczać 2000-2200 godzin na rok.

My dobierzemy pompy ciepła tak, by zapewniły odpowiednią ilość energii zarówno na potrzeby ogrzewania, jak i przygotowanie ciepłej wody. Zależeć to będzie od wariantu domu.

WARIANT I. Dla domu "normowego", o stratach ciepła na poziomie 9,9 kW, dodajemy moc niezbędną do przygotowania ciepłej wody 4 × 0,25 kW, czyli 1 kW; łącznie będzie to 10,9 kW. Idealna byłaby tu pompa ciepła o mocy 11-12 kW. Z uwagi na to, że większość producentów ma pompy ciepła o mocy około 10 kW i potem od razu 14 kW, ostatecznie przyjmujemy moc 10,5 kW.

Koszty zakupu i montażu instalacji to: pompa ciepła 10,5 kW - 38 500 zł; dolne źródło (około 200 m odwiertów) - około 20 000-24 000 zł; robocizna i drobny pozostały osprzęt - 3000-5000 zł.

Łącznie wyniosą one: 61 500-67 500 zł.

WARIANT II. W domu bardzo dobrze ocieplonym zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania budynku wynosi około 6,5 kW; z naddatkiem na potrzeby przygotowania ciepłej wody będzie nam potrzebna moc na poziomie 7,5-8 kW. Zastosujemy model o mocy około 8 kW.

Na koszty inwestycyjne składają się: pompa ciepła z wbudowanym zasobnikiem ciepłej wody - 36 800 zł; dolne źródło (ok. 150 m odwiertów) - 15 000-18 000 zł; robocizna i drobny pozostały osprzęt - 3000-5000 zł.

Łącznie wyniosą one: 54 800-61 800 zł.

WARIANT III. Dla domu dobrze ocieplonego z wentylacją mechaniczną całkowite koszty inwestycyjne to: najmniejsza dostępna pompa ciepła o mocy około 5,9 kW - 34 400 zł; dolne źródło (około 100 m odwiertów) - 10 000-12 000 zł; robocizna i drobny pozostały osprzęt - 3000-5000 zł.

Łącznie wyniosą one: 47 400-51 400 zł.

W tabeli (zobacz) porównaliśmy koszty eksploatacyjne pompy ciepła dla poszczególnych wariantów naszego domu, z kosztami eksploatacyjnymi kotła kondensacyjnego, którym zajmowaliśmy się w sierpniowym numerze; wynosiły one od 2375 do 5434 zł.

Wynika z niej, że koszty eksploatacyjne przy pompach ciepła są o wiele niższe, ale wiele osób przerażają wysokie koszty inwestycyjne takiego rozwiązania. Nie ma co ukrywać, że porównując pompy z kotłami, czas zwrotu różnicy nakładów inwestycyjnych jest dość długi. Z tych powodów w rejonach wypo- sażonych w gaz ziemny bardziej racjonalnym wydaje się na razie zastosowanie kotła, a nie pompy ciepła.

Natomiast przy drogich nośnikach energii, takich jak gaz płynny czy olej opałowy, kotły warto zastąpić pompą ciepła. Koszty eksploatacji instalacji będą bowiem kilkukrotnie niższe.

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



Skomentuj:

Oszczędzaj nieodnawialne źródła energii - inwestuj w pierwsze paliwo, część 8 - pompy ciepła