Budowa

Ogród

Wnętrza

Design

Architektura

DIY

HGTV

Trendy budowlane

Jak pompy ciepła działają zimą? Ile kosztuje ich eksploatacja?

Tekst: Stefan Żuchowski
Jak pompy ciepła działają zimą? - Fot. Vaillant

Czy w naszych warunkach klimatycznych montaż pompy ciepła powietrznej bądź gruntowej jest uzasadniony ekonomicznie? Czy w czasie mrozów urządzenia te skutecznie ogrzeją budynek i przygotują ciepłą wodę do mycia, nie rujnując domowego budżetu? Wyjaśniamy, na co zwrócić uwagę i jakie warunki należy spełnić, aby wybrany model pompy ciepła spełnił nasze oczekiwania.

W ostatnim czasie mogliśmy spotkać się z wieloma artykułami przedstawiającymi technologię pomp ciepła jako rozwiązanie kosztowne, awaryjne i nieprzystosowane do polskiego klimatu. Dodatkowo w niektórych tego typu publikacjach wprowadzano czytelników w błąd sugerując, że bez termomodernizacji budynku możliwe jest uzyskanie niskich kosztów ogrzewania za pomocą innych technologii grzewczych opartych o wykorzystanie energii elektrycznej. W praktyce, to czy koszty ogrzewania będą racjonalnie niskie, a instalacja komfortowa i bezobsługowa, zależy od bardzo wielu czynników. W niniejszym artykule przybliżymy charakterystykę pracy pompy ciepła w sezonie zimowym oraz wpływ różnych elementów na koszty ogrzewania domu jednorodzinnego z wykorzystaniem tej technologii.

Jak to możliwe, że pompa ciepła - nawet w trakcie silnych mrozów - pobiera ciepło z otoczenia, a potem przekazuje je do systemu grzewczego?

W przyrodzie ciepło przepływa wyłącznie z ośrodka o wyższej temperaturze do ośrodka o niższej temperaturze. W naturalny sposób, nie może więc dojść do przekazania ciepła z zimnego powietrza wokół budynku do wnętrza domu. Dopiero zastosowanie dodatkowego obiegu czynnika ziębniczego między tymi ośrodkami i spowodowanie, by temperatura tego czynnika była bardzo niska, gdy jest on na zewnątrz i wysoka, gdy trafia do budynku pozwala na pobieranie ciepła z zewnątrz i oddawanie energii do wody w instalacji.

Identyczna sytuacja występuje w lodówce czy zamrażarce. Urządzenia te nie „wytwarzają chłodu”. One jedynie pobierają ciepło z wnętrza obudowy i przekazują je na zewnątrz.

Jest to możliwe dzięki temu, że w obiegu lodówki, zamrażarki czy pompy ciepła znajduje się:

Dzięki takiej konstrukcji w trakcie pracy pompy ciepła pozyskujemy określoną ilość energii z otoczenia, która na dalszym etapie zostaje przekazana do instalacji wewnętrznej, wraz z dodatkową ilością ciepła powstałą na skutek przemiany energii elektrycznej zasilającej sprężarkę na pracę i później ciepło.

Pompa ciepła – nawet w czasie mrozów – pobiera ciepło z otoczenia, a potem przekazuje je do systemu grzewczego - Fot.: NOWATERMIA

Powietrzna pompa ciepła – jak działa w okresie grzewczym?

Od 15-12 do 6oC. Początek sezonu grzewczego

W sezonie grzewczym sterownik pompy ciepła wylicza wymaganą temperaturę wody w instalacji grzewczej i jeśli w danej chwili nie zostanie ona osiągnięta, następuje uruchomienie wentylatora, pompy obiegowej oraz sprężarki urządzenia grzewczego. Dzięki temu pozyskuje ono ciepło z otoczenia i wraz z energią jaką pobiera sprężarka przekazuje do wody w instalacji dążąc do uzyskania wymaganej temperatury. W modelach z płynną regulacją mocy, z tzw. intwerterem, automatyka pompy ciepła stara się regulować prędkość sprężarki, a przez to i moc pompy ciepła tak, aby dostarczała ona do budynku tyle energii, ile ten traci do otoczenia. W efekcie uzyskuje się długie cykle pracy pompy ciepła. Oczywiście nie zawsze jest to możliwe, na początku i na końcu sezonu grzewczego straty ciepła budynku są z reguły niższe od minimalnej mocy pompy ciepła. Z tego powodu urządzenie cyklicznie włącza się i wyłącza. Częstotliwość załączeń jest mniejsza, gdy pompy ciepła współpracuje z ogrzewaniem podłogowym, czy zasila zbiornik buforowy o dużej pojemności.

Oczywiście w tym okresie pompa ciepła samodzielnie zasila instalację i nie wymaga wspomagania za pomocą dodatkowego źródła ciepła, np. grzałki elektrycznej.

Od 5 do nawet –10oC. Praca w trakcie chłodnych i wilgotnych dni 

Pod koniec listopada lub na początku grudnia z reguły temperatura zewnętrzna spada wyraźnie poniżej +5oC, a powietrze jest bardzo wilgotne. Pompa ciepła pracuje wówczas w długich cyklach, intensywnie pobiera ciepło z otoczenia schładzając przepływające przez nią powietrze. W takich warunkach na powierzchni wymiennika ciepła w jednostce zewnętrznej wytrąca się wilgoć, która zamarza. Dlaczego zamarza, skoro temperatura powietrza wynosi, np. +3 czy + 4oC. Jest tak dlatego, że powierzchnia wymiennika ciepła musi być wyraźnie chłodniejsza, aby możliwe było odbieranie ciepła od powietrza. Powstający szron powoli ogranicza możliwość przepływu powietrza przez wymiennik ciepła. W związku z tym po pewnym czasie automatyka pompy ciepła wymusza proces jej odladzania, co wiąże się z krótkotrwałym odwróceniem pracy urządzenia. W jego wewnętrzu dochodzi do zmiany pozycji tzw. zaworu czterodrogowego i przez kilka minut ciepło jest pobierane z instalacji wewnętrznej i przekazywane do jednostki zewnętrznej, gdzie dochodzi o intensywnego rozgrzania powierzchni wymiennika ciepła i rozpuszczenia nagromadzonego szronu i lodu. Powstająca woda szybko spływa z pompy ciepła. Najczęściej spływa ona dodatkową rurą do żwirowego złoża chłonnego wykonanego pod pompą ciepła (poniżej warstwy przemarzania gruntu). Bywa również tak, że woda jest odprowadzana na powierzchnię złoża żwirowego znajdującego się pod pompą ciepła i wsiąka w wierzchnią warstwę gruntu (dopóki pozwala na to temperatura zewnętrzna). W trakcie mrozów spływająca woda może rozlewać się pod pompą ciepła i zamarzać.

W tym okresie (do około –5oC w cieplejszej części kraju i do około –10 czy –12oC w Polsce północno-wschodniej i na terenach podgórskich) pompa ciepła pracuje praktycznie cały czas, a jej moc jest wyraźnie wyższa. Można to zauważyć również po intensywniejszym przepływie powietrza i wyższym poziomie hałasu. Z reguły pompa ciepła nadal pracuje samodzielnie i nie wymaga wspomagania ze strony grzałki szczytowej.

Charakterystyczną cechą każdej powietrznej pompy ciepła jest spadek mocy urządzenia wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej. Dlatego okresowo wymaga ona wspomagania przez szczytowe źródło ciepła – najczęściej przez grzałkę elektryczną - Fot.: GALMET

Poniżej –5 lub –10oC (w zależności od regionu kraju). Praca w szczycie sezonu grzewczego 

Dalszy spadek temperatury zewnętrznej powoduje, iż moc pompy ciepła staje się niższa od aktualnych strat ciepła budynku. Chociaż urządzenie pracuje przez cały czas, a ponadto osiąga najwyższą moc, to i tak nie jest w stanie samodzielnie zasilać instalacji c.o. i utrzymać wymaganej temperatury w budynku. W związku z tym automatyka pompy ciepła uruchamia dodatkowe źródło ciepła, np. grzałkę szczytową. Oczywiście grzałka nie pracuje od razu z pełną mocą. Zazwyczaj pompy ciepła są wyposażone w wielostopniową grzałkę, której moc jest płynnie dostosowywana do aktualnych potrzeb domu. Dzięki temu system działa płynnie i stabilnie oraz utrzymuje wymaganą temperaturę zasilania instalacji, a przez to i temperaturę w pomieszczeniach.

Oczywiście nadal w trakcie pracy dochodzi o obladzania się wymiennika ciepła jednostki zewnętrznej i cyklicznego uruchamiania się procesu odladzania. Przy czym, im niższa jest temperatura zewnętrzna, tym dłuższe są okresy między procesami odladzania, ponieważ pompa ciepła pobiera mniej energii z otoczenia, a powietrze zewnętrzne zawiera znacznie mniej wilgoci.  

Powietrzną pompę ciepła najczęściej dobiera się tak, aby jej moc i charakterystyka pozwoliła na ograniczenie ilości energii dostarczanej okresowo przez grzałkę szczytową do 2-3% w skali roku - Fot.: VAILLANT

Poniżej –15oC. Czy pompa ciepła dostarczy wystarczającą ilość energii czy wyłączy się?

Każda pompa ciepła charakteryzuje się zakresem temperatury zewnętrznej, w którym może pracować. Najniższa wartość, przy której urządzenie jeszcze działa, jest także uzależniona od wymaganej wysokości temperatury zasilania instalacji grzewczej w domu.

Obecnie większość pomp ciepła dostępnych na rynku ma możliwość zasilać instalację podłogową, aż do temperatury zewnętrznej –20oC, a duża część modeli również do –25oC. Z kolei we współpracy z grzejnikami zasilanymi wodą mającą nie więcej niż 55oC, część pomp ciepła może pracować, gdy na dworze jest –12oC, inne do –20oC, zaś urządzenia o specjalnej konstrukcji nawet, gdy jest –25oC.

Do czasu, gdy temperatura zewnętrzna nie spadnie poniżej podanego w instrukcji instalacji limitu, sprężarka pracuje i pobierana jest określona ilość ciepła z otoczenia. Oczywiście jest ona coraz niższa - kłamstwem jest jednak to, że w trakcie mrozów pompa ciepła pobiera więcej energii elektrycznej, niż przekazuje ciepła do instalacji grzewczej. Byłoby to zaprzeczeniem zasady zachowania energii. Pompa ciepła nadal pozyskuje pewną ilość ciepła z otoczenia, a do tego dochodzi ilość energii dostarczonej przez sprężarkę. Suma tych strumieni ciepła jest dostarczana do instalacji wewnętrznej.

W trakcie zasilania instalacji podłogowej współczynnik COP, czyli stosunek ilości ciepła przekazywanego do instalacji grzewczej w stosunku do pobieranej ilości prądu spada z reguły z około 2,5-2,7 dla –10oC do około 2 dla –20oC na zewnątrz.

Poniżej dolnego limitu pracy tj.-12, - 20, czasem –25oC (w zależności od modelu pompy i parametrów instalacji).

Zimą podczas dużych mrozów sprężarka pompy ciepła wyłącza się, a instalację zasila wyłącznie dodatkowe źródło ciepła, np. grzałka szczytowa. W ostatnich latach warunki takie występowały dość rzadko. Dłuższe okresy z szczególnie niskimi wartościami temperatury występowały w roku 2012 i wcześniej w 2006. Zgodnie z zapisami prawa budowlanego system grzewczy należy zaprojektować tak, aby był w stanie dostarczyć co najmniej taką ilość ciepła jaką budynek traci do otoczenia dla tzw. zewnętrznej temperatury projektowej. W zależności od regionu kraju może ona wynosić od -16oC nad morzem do –24oC na Suwalszczyźnie i na terenach podgórskich. Zatem łączna moc pompy ciepła i źródła szczytowego powinna być co najmniej równa stratom ciepła budynku.

Ile prądu zużywa powietrzna pompa - jaki będzie koszt użytkowania? 

Rotenso - R ROTENSO Aquami Split 4-16kW_PNG

De Dietrich - HPX2 SPLIT PICTURE

Oczywiście pompa ciepła - szczególnie powietrzna - zużywa tym więcej, energii im niższa jest temperatura zewnętrzna. Wzrost zużycia wynika z:

W poniższej tabeli przedstawiono wyniki oszacowania dobowego zużycia energii elektrycznej przez powietrzną pompę ciepła zastosowaną w różnych sytuacjach. Pod uwagę wzięto zlokalizowany w centralnej części Polski dom o powierzchni około 150 m2, zamieszkały przez 4 osoby. Oszacowania dokonano dla trzech rodzajów budynków:

Jak wynika z oszacowania w domu, który nie został poddany termomodernizacji dobowe zużycie energii elektrycznej do zasilania pompy ciepła może być nawet czterokrotnie wyższe od zużycia energii w obiekcie dobrze izolowanym. Następstwem tego są bardzo wysokie opłaty za ogrzewanie. Najważniejszą przyczyną tego stanu rzeczy są oczywiście wysokie straty ciepła oraz wymagana podwyższona temperatura zasilania instalacji. Przy czym zdarzają się przypadki, w których instalacja wymaga zasilania temperaturą wyższą od 55oC. Oznacza to wówczas wzrost udziału pracy grzałki i wzrost rocznych kosztów eksploatacji.

Pompy ciepła typu split składają się z jednostki zewnętrznej (agregatu) oraz modułu hydraulicznego do montażu wewnątrz budynku. Te modele mają wbudowaną grzałkę tacy ociekowej. Dostępna moc w typoszeregu to 4-16 kW - Fot.: ROTENSO
Pompa ciepła typu powietrze-woda split inverter do wspomagania centralnego ogrzewania w układzie hybrydowym z gazowym kotłem kondensacyjnym. Klasa efektywności energetycznej do A++ (temperatuta zasilania 35°C) dla c.o. - Fot.: DE DIETRICH

W budynku o wysokich stratach ciepła pierwszą czynnością jaką należy wykonać jest zawsze przeprowadzenie termomodernizacji. W przeciwnym razie niezależnie od wybranego rodzaju źródła ciepła właściciel domu przez lata będzie ponosił bardzo wysokie koszty eksploatacji. Niezależnie czy do ogrzewania wykorzystamy pompę ciepła, kocioł gazowy czy kocioł na pelety będziemy mieli do czynienia z prawdziwym rachunkiem grozy.

Ile prądu zużywa powietrzna pompa – jaki będzie koszt użytkowania? - Fot. Red.

Ile prądu zużywa gruntowa pompa - jaki będzie koszt użytkowania?

Wielu inwestorów zastanawia się, czy zastosowanie gruntowej pompy ciepła znacząco zmienia dobowe zużycie energii elektrycznej i roczne koszty eksploatacji.

W poniższej tabeli dokonano analogicznego oszacowania dobowego zużycia energii elektrycznej oraz rocznego kosztu eksploatacji dla obecnych cen energii elektrycznej dla tych samych budynków. Oczywiście należy pamiętać o tym, że współczynnik wydajności w danym dniu, przy określonej temperaturze zewnętrznej zależy również od aktualnej temperatury dolnego źródła. Zatem jej wydajność będzie różna w zależności od tego czy współpracuje ona z sondami pionowymi czy też z kolektorem poziomym oraz aktualnego stanu dolnego źródła. Najniższa temperatura dolnego źródła, w okolicy 0oC występuje w szczycie sezonu grzewczego, w trakcie kilkudniowej fali mrozów. W poniższej tabeli uwzględniono współczynnik wydajności pompy ciepła właśnie dla temperatury dolnego źródła równej 0oC. Przyjęto również, że pompa ciepła nie wymaga wspomagania przez grzałką szczytową, chociaż w instalacji z pompą gruntową taki wariant może wystąpić.

Oczywiście współpraca pompy ciepła z dolnym źródłem o stałej temperaturze oznacza niższe zużycie energii w trakcie szczególnie chłodnych dni. Za to w końcowej części sezonu grzewczego dobowe zużycie energii dla pompy gruntowej może być nieco wyższe w porównaniu do wyników pompy powietrznej. Jest to naturalne i wynika z faktu utrzymywania się temperatury glikolu w sondach pionowych czy kolektorze na poziomie niższym od aktualnej temperatury powietrza zewnętrznego.

Oczywiście niezależnie od tego czy zastosujemy gruntową czy powietrzną pompę ciepła nie ma możliwości uzyskania niskich kosztów eksploatacji w przypadku budynku, który cechuje się wysokim zapotrzebowaniem na ciepło. Co prawda roczny koszt eksploatacji pompy gruntowej jest w tym przypadku niższy od kosztów eksploatacji pozostałych urządzeń, ale mimo wszystko montaż gruntowej pompy ciepła wysokiej mocy i wykonywania rozbudowanej instalacji dolnego źródła na potrzeby ogrzewania domu przed termomodernizacją byłoby zwykłym marnotrawstwem zasobów i stanowiło bardzo wysoki wydatek.

Roczne opłaty związane z użytkowaniem gruntowej pompy ciepła są nieco niższe z pompy powietrznej, zarówno z uwagi na jej nieco wyższą efektywność, jak i niższe koszty przeglądów technicznych, czy też mniejszą częstotliwość przeprowadzania przeglądów.

Nawet jeśli zastosujemy najwyżej klasy pompę gruntową, a straty ciepła w domu będą wysokie, rachunki za ogrzewnie nie będą niskie - Fot.: VIESSMANN
Ile prądu zużywa gruntowa pompa – jaki będzie koszt użytkowania? - Fot. Red.

Specyfika pracy powietrznej pompy ciepła 

Co zrobić, aby zapewnić długą żywotność powietrznej pomy ciepła oraz jej wysoką efektywność i komfort pracy? Poniżej prezentujemy najważniejsze informacje związane z tymi zagadnieniami.

Rezygnacja z zastosowania regulacji pogodowej, eksploatacja pompy ciepła ze stałą temperatura zasilania i cykliczne włączanie i wyłączanie urządzenia za pomocą termostatu pokojowego oznacza mniej efektywną pracę systemu i wyższe zużycie prądu.

W czasie sezonu grzewczego powstające w jednostce zewnętrznej skropliny mogą być odprowadzane do chłonnego podłoża żwirowego lub do opaski drenażowej wokół domu bądź zbiornika wody opadowej - Fot.: BUDOTOM
Producenci gruntowych i powietrznych pomp ciepła zalecają, aby przegląd urządzeń odbywał się raz w roku. Powinien on być przeprowadzony przez autoryzowany serwis, który ma stosowną wiedzę, umiejętności oraz doświadczenie - Fot.: IMMERGAS
Komfortowe sterowanie pompą ciepła na podstawie krzywej grzewczej i pakiet niezbędnych funkcji zapewnia intuicyjny panel sterujący i coraz częściej aplikacja w telefonie - Fot.: GALMET

Specyfika pracy gruntowej pompy ciepła 

Wielu użytkowników gruntowych pomp ciepła regularnie obserwuje parametry pracy instalacji i czasami niepokoi się ich zmianami. W szczególności dotyczy to temperatury glikolu w instalacji dolnego źródła. Należy pamiętać, iż w ciągu roku parametry te ulegają zmianom, ponieważ dolne źródła jest swego rodzaju sezonowym/całorocznym magazynem energii, który jest powoli napełniamy, a zimą szybko rozładowywany. Z tego powodu temperatura glikolu krążącego:

Zmiany te są naturalne i wynikają ze zmienności procesu pobierania energii z instalacji dolnego źródła.

O efektywności pracy gruntowej pompy ciepła również decyduje różnica między temperaturą górnego i dolnego źródła. Z tego powodu w tej instalacji również należy stosować regulację pogodową.

Najczęstsze błędy w trakcie eksploatacji 

Uwaga! Próba wielokrotnego wymuszenia samodzielnej pracy pompy ciepła z temperaturą spoza dopuszczalnego zakresu pracy może skończyć się uszkodzeniem obiegu ziębniczego i kosztowną naprawą. Później, w trakcie normalnej eksploatacji instalacji również nie można nadmiernie redukować temperatury w budynku. Dotyczy to zwłaszcza współpracy pompy ciepła z instalacją podłogową. Wyjeżdżając na ferie nie powinniśmy w obniżać oczekiwanej temperatury wewnętrznej poniżej 15-17oC. W przeciwnym razie temperatura wody w instalacji może spaść poniżej 20oC i praca sprężarki pompy ciepła, jej ponowne uruchomienie nie będą możliwe bez interwencji serwisu lub bez ponownego wykorzystania grzałki szczytowej do rozgrzania instalacji.

Dokonując doboru pompy ciepła, poszukuje się wariantu optymalnego, czyli urządzenia, które zapewni niski koszt eksploatacji przy racjonalnie niskich kosztach inwestycji - Fot.: DE DIETRICH
Nadwyżka prądu generowana przez fotowoltaikę może być bezpośrednio wykorzystywana przez pompę ciepła do ogrzewania lub chłodzenia. Taka współpraca pozwala także zmniejszyć pobór prądu z sieci - Fot.: VIESSMANN

Jak zmniejszyć koszty eksploatacji pompy ciepła?

Pierwsza opcja to wykorzystanie dostępnych na rynku taryf strefowych. Szczególnie wygodną jest taryfa G12w, w której niższe ceny

obowiązują w tygodniu każdej nocy oraz w południe, a w weekendy są dostępne już od 22.00 w piątek do 6.00 w poniedziałek. Obecnie szacuje się, że wykorzystanie taryfy G12w pozwala zredukować koszt eksploatacji pompy ciepła o około 15 %. W przyszłości, po zakończeniu mrożenia cen energii różnice między taryfą G12w, a typową taryfą G11 będą jeszcze wyższe.

Kolejna możliwość to bardziej intensywna eksploatacja powietrznej pompy w ciągu dnia, gdy temperatura zewnętrzna jest wyższa. Większość sterowników pomp ciepła pozwala precyzyjnie zaprogramować działanie urządzenia. Dzięki temu możemy zintensyfikować jego pracę w ciągu dnia, gdy temperatura jest wyższa i w ten sposób zmagazynować ciepło w konstrukcji budynku. Wiosną i jesienią korzystające z tego rozwiązania osoby potrafią nawet wyeliminować potrzebę odladzania jednostki zewnętrznej, a przez to utraty części energii.

Ważne wnioski 

Pompy ciepła, jak każde inne urządzenie grzewcze cechują się najwyższą wydajnością w określonych warunkach. Decydując się na zastosowanie tego rozwiązania należy zadbać o optymalne wykonanie całego procesu rozpoczynając od oceny potrzeb energetycznych budynku, oceny możliwości i potrzeby modernizacji budynku i/lub instalacji poprzez wybór odpowiedniej mocy pompy, niskotemperaturowych odbiorników ciepła, a skończywszy na profesjonalnym wykonaniu i uruchomieniu instalacji oraz rozsądnej eksploatacji.

Jak każda technologia grzewcza pompa ciepła zapewni wysoki komfort i niskie koszty eksploatacji w przypadku zadbania o ograniczenie strat ciepła z budynku i uzyskanie wysokiej efektywności pracy instalacji. Na każdych z tych etapów wiele zależy od decyzji podjętych przez inwestora, profesjonalizmu wykonawcy systemu, jakości urządzeń i sposobu eksploatacji instalacji. W przypadku jakichkolwiek niepokojących sygnałów konsultujmy się z projektantem i wykonawcą instalacji oraz producentem urządzenia.

Udostępnij

Przeczytaj także

Innowacyjny sposób ogrzewania wreszcie w ofercie marki Blaupunkt
Stal na dachu i elewacji stanowi idealną kompozycję
Dział Sprzedaży i kontakt z klientem w FORMEE w Miedzyrzeczu.

Polecane

Jak pompy ciepła działają zimą? Ile kosztuje ich eksploatacja?
Pompa ciepła – wybór najlepszej oferty
Jakie źródło ogrzewania wybrać, gdy myślimy o naszym budżecie i zdrowiu?

Skomentuj:

Jak pompy ciepła działają zimą? Ile kosztuje ich eksploatacja?

Ta strona używa ciasteczek w celach analitycznych i marketingowych.

Czytaj więcej