Pompa ciepła mroźną zimą

Tekst Tomasz Walczak

Sprawność większości pomp ciepła zależy od tego, jak zimno jest na dworze. Jednak nie należy obawiać się, że w mroźne dni możemy zostać bez ogrzewania.

Pompa powietrzna jest najtańsza spośród wszystkich pomp ciepła. Opłacalność jej zakupu zależy od miejsca, w którym ma być zamontowana.
Fot. Vaillant
Pompa ciepła to urządzenie, którego działanie można porównać do pracy lodówki - odbiera ciepło z jednego (dolnego) źródła, by je przekazać do drugiego (górnego). Nasz dom ogrzewa górne źródło (na przykład wodne ogrzewanie podłogowe lub grzejniki) ciepłem pobieranym przez pompę z dolnego źródła, którym jest najczęściej grunt, woda lub powietrze.

Żaden odpowiedzialny fachowiec nie dobierze pompy ciepła bez poznania warunków, w jakich będzie ona funkcjonować. Zanim podejmie decyzję, powinien wiedzieć między innymi: jakie są w okolicy możliwości poboru energii cieplnej ze środowiska (powietrza, wody, gruntu), w którym znajduje się dom, jakie jest zapotrzebowanie na ciepło i czy pompa będzie jedynym źródłem ogrzewania zapewniającym odpowiednią temperaturę w domu. Dopiero po analizie tych informacji może wybrać pompę ciepła optymalną pod kątem opłacalności inwestycji i późniejszych kosztów eksploatacyjnych.

Efektywność działania pompy ciepła

Do oceny sprawności pompy ciepła wykorzystuje się współczynnik COP. Jego wartość określa, ile energii cieplnej przekaże pompa do budynku w stosunku do energii pobranej z sieci elektrycznej.

Wartość COP ulega znacznym wahaniom ze względu na zmienne warunki pracy pompy i zależy od różnicy pomiędzy temperaturą dolnego i górnego źródła ciepła. Im jest ona większa, tym mniejsza sprawność pompy. Jej moc spada także wraz z obniżaniem się temperatury dolnego źródła, którym jest najczęściej powietrze, woda lub grunt.

Przykładowo, jeden z producentów podaje, że jego pompa ma moc około 10 kW i sprawność COP równą 4,5 przy temperaturze dolnego źródła +5°C i temperaturze górnego +35°C. Oznacza to, że z każdej dostarczonej kilowatogodziny energii elektrycznej możemy uzyskać 4,5 kWh energii cieplnej. Natomiast przy temperaturze odpowiednio dolnego i górnego źródła -10°C i +50°C jej moc wyniesie około 5,8 kW, a COP spadnie poniżej 3.

Innym ważnym parametrem mającym wpływ na efektywność pracy pompy, jest temperatura górnego źródła ciepła. Jeśli jest ona zbyt wysoka, skutkuje to spadkiem opłacalności stosowania pompy.

Energia z gruntu

Możemy ją wykorzystać poprzez wykonanie kolektora poziomego lub pionowego.

Kolektor poziomy robi się z rur ułożonych spiralnie albo równolegle do siebie w ziemi. Rury wypełnione są roztworem glikolu lub gazu, który odbiera ciepło z gruntu i transportuje je do pompy ciepła. Takie dolne źródło wymaga działki o odpowiedniej wielkości, często nawet dwukrotnie większej niż powierzchnia ogrzewanego domu.

Kolektor poziomy układa się poniżej strefy przemarzania, czyli na głębokości 1,2-1,8 m. Narażony jest zatem na duże wahania temperatury w ciągu roku.

Na początku sezonu grzewczego, gdy grunt jest rozgrzany, temperatura dolnego źródła może sięgać nawet +15°C. Wtedy pompa ciepła pracuje znakomicie. Na przykład jej sprawność COP może sięgać około 5 (przy temperaturze zasilania górnego źródła na poziomie 35°C). Jednak już pod koniec sezonu grzewczego - zwłaszcza gdy powierzchnia kolektora była zrobiona bez żadnego zapasu - temperatura dolnego źródła może spaść nawet poniżej -10°C i wtedy COP pompy będzie wahało się w okolicach 2 lub nawet mniej. A jeśli jeszcze do tego zima jest mroźna, to może wystąpić zmrożenie gruntu, co spowoduje awaryjne wyłączenie się pompy ciepła. Poza tym taki grunt będzie znacznie dłużej się regenerował.

Jak zatem widać, kolektor poziomy charakteryzuje się dużą zmiennością mocy oraz sprawności pompy ciepła, dlatego decydując się na niego, należy go znacznie przewymiarować.

Kolektor pionowy to odwierty wykonane nawet na głębokość 150 m, w które wpuszczane są rury zakończone kształtką w formie litery U i wypełnione roztworem glikolu. Ten rodzaj dolnego źródła charakteryzuje się dużą stabilnością temperatury. W dobrze wykonanych odwiertach glikol ma stałą temperaturę (wynosi ona +2°C), niezależnie od pory roku.

Poza tym nie jest wymagana duża powierzchnia działki. Jedyna wada tego rozwiązania to większe koszty wykonania niż kolektora poziomego.

Pompa ciepła zasilana kolektorem pionowym ma zatem stałą moc i wysoką sprawność przez cały sezon grzewczy - wartość współczynnika COP przekracza nieco 4.

Energia z wód gruntowych

To jeden z najefektywniejszych sposobów odbioru odnawialnej energii cieplnej. Wody gruntowe mają bowiem wysoką temperaturę niezależnie od pory roku. W zależności od regionu kraju waha się ona od +8 do +12°C.

Woda jest bezpośrednio przepompowywana przez wymiennik w pompie ciepła, zatem nie ma strat temperatury na ściankach rur ułożonych w gruncie, jak ma to miejsce na przykład przy kolektorach poziomych. Dzięki temu COP pompy ciepła może dochodzić nawet do 5.

Aby pobierać energię z wody gruntowej, zazwyczaj wierci się dwie studnie. Z pierwszej czerpie się wodę, a do drugiej zrzuca się ją ochłodzoną o kilka stopni. Studnie powinny znajdować się w odległości co najmniej 20 m od siebie oraz sięgać tej samej warstwy wodonośnej.

To rozwiązanie ma niestety szereg ograniczeń, związanych z dostępnością wody oraz stałością jej parametrów chemicznych. Jeżeli pokłady wody znajdują się głęboko (poniżej 30 m), koszt energii elektrycznej związanej z pracą pompy obiegowej obniża sprawność całego układu, a i koszt wykonania samej studni będzie znaczący. Kolejny problem to zmienność składu chemicznego wody. Często zdarza się, że po pewnym czasie wzrasta w niej ponad dopuszczalną wielkość zawartość żelaza, wapnia i innych minerałów. Powoduje to zatkanie studni zrzutowej oraz wymiennika w pompie ciepła, a przez to unieruchomienie urządzenia. Dlatego choć wody gruntowe mogą być najtańszym źródłem ciepła, są też najbardziej ryzykowną inwestycją.

Energia z powietrza

To źródło energii wciąż jest niedoceniane, mimo że należy do najtańszych (nie wymaga żadnych prac ziemnych). Obawy inwestorów wynikają z tego, że wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej spadają moc i sprawność pompy ciepła.

To niewątpliwie bardzo niekorzystne zjawisko. Im niższa temperatura powietrza zewnętrznego, tym więcej mocy potrzebujemy do ogrzania domu, a pompa ma wtedy mniejszą wydajność. Nie jest to jednak cecha dyskwalifikująca to rozwiązanie.

Producenci podają moc swoich urządzeń dla temperatury zewnętrznej 7°C (jest to moc nominalna). W tych warunkach mają one sprawność nawet ponad 4,5. Nowoczesne urządzenia tego typu pracują nawet do temperatury -20°C. Oczywiście ich sprawność jest wtedy niewielka - bliska 1 - i ich moc wyniesie jedynie 25% mocy nominalnej. Ale już przy temperaturze zewnętrznej na poziomie -10°C pompa będzie działała z COP wahającym się w okolicach 2 i pracowała z połową swojej mocy nominalnej. Przy typowej temperaturze sezonu zimowego, która oscyluje w okolicach 0°C, pompa ciepła będzie już dawała około trzy razy więcej energii niż pobiera z sieci elektrycznej, a jej moc będzie jedynie kilkanaście procent mniejsza od wymaganej.

Z tych względów tego typu pompy ciepła muszą być zawsze stosowane z dodatkowym źródłem ciepła. Najczęściej jest to po prostu grzałka elektryczna.

Pompa powietrzna a inne pompy ciepła

Załóżmy, że dom znajduje się w województwie mazowieckim i ma powierzchnię około 150 m2. Jego ściany zewnętrzne i podłoga na gruncie zostały ocieplone 20-centymetrową warstwą styropianu, a dach - 30-centymetrową warstwą wełny mineralnej. Zamontowane w nim okna mają współczynnik przenikania ciepła U = 1,1 W/(m2K). Zastosowano w nim ogrzewanie podłogowe zasilane wodą o temperaturze 35°C i wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła. Zapotrzebowanie domu na ciepło do ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody wynosi 6,5 kW. Postanowiono go ogrzewać powietrzną pompą ciepła.

Wpływ lokalizacji. Jak wiadomo, koszty ogrzewania domu zależą bezpośrednio od sprawności pompy ciepła, a ta z kolei od temperatury górnego i dolnego źródła. Aby ocenić zasadność stosowania pompy ciepła w domu, fachowcy muszą między innymi odnieść się do temperatury określanej jako obliczeniowa. W środkowej części Polski wynosi ona -20°C, w górach -24°C, a nad morzem -16°C.

Sprawność pomp ciepła. Porównując sprawności różnych pomp przy temperaturze na dworze -20°C, powietrzna wypadnie zdecydowanie najgorzej. Osiągnie ona bowiem COP na poziomie około 1. Natomiast w tych warunkach COP dla modeli czerpiących energię z wody lub kolektora pionowego wyniesie ponad 4.

Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że tak mroźnych dni jest zwykle niewiele. Zgodnie z 30-letnimi średnimi pomiarami temperatury, w centrum Polski podczas zimy godzin z mrozem większym niż -15°C jest ledwie kilkadziesiąt, a z -10°C - kilkaset.

Koszt ogrzewania pompą powietrzną. Jeśli do ogrzewania tego domu użyjemy powietrznej pompy ciepła o mocy nominalnej 10 kW, to póki temperatura na zewnątrz nie spadnie poniżej -10°C, urządzenie nie będzie korzystało z grzałki elektrycznej. Za taką pompę trzeba zapłacić około 20 tys. zł, koszty tego typu ogrzewania podczas mroźnej zimy wyniosłyby 2 tys. zł.

Porównanie z pompą gruntową. Gdybyśmy pompę powietrzną zastąpili gruntową z odwiertami pionowymi, zapłacilibyśmy około 45 tys. zł, a wydatki na ogrzewanie spadłyby do 1100 zł. Widać z tego, że za różnicę w cenie pomiędzy oboma urządzeniami moglibyśmy ogrzewać dom pompą powietrzną przez ponad 12 lat [ (45 tys. zł - 20 tys. zł)/2 tys. zł = 12,5 roku].

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



Skomentuj:

Pompa ciepła mroźną zimą