Powietrzna pompa ciepła - zasada działania

Czego dowiesz się z artykułu?

• Na czym polega działanie powietrznej pompy ciepła?
• Co oznaczają często spotykane określenia split i monoblok?
• Czy pompa ciepła typu powietrze/woda może być jedynym urządzeniem grzewczym w budynku?
• Czy powietrzną pompę ciepła można zamontować w każdym domu?
• Czy powietrzne pompy ciepła można stosować do chłodzenia domu?
• Na co należy zwrócić uwagę, wybierając powietrzną pompę ciepła?

Na czym polega działanie powietrznej pompy ciepła?

Powietrzna pompa ciepła (czy też ściślej - pompa typu powietrze/woda) to pompa ciepła, która jako dolne źródło - a więc środowisko, z którego pozyskiwane jest ciepło - wykorzystuje dostępne bez ograniczeń powietrze atmosferyczne. Podobnie jak inne pompy ciepła, w domowej instalacji grzewczej może pełnić taką samą rolę, jak kocioł węglowy, gazowy czy elektryczny, a więc służyć do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania (c.o.) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

Wiele modeli pomp powietrze/woda można zastosować również do chłodzenia budynku w okresie letnim - pełnią wtedy rolę klimatyzatora. Ponadto w ostatnim czasie szybko rośnie popularność powietrznych pomp ciepła o małej mocy, służących wyłącznie do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W tym przypadku, oprócz powietrza atmosferycznego dostępnego na zewnątrz budynku, jako źródło ciepła dość często wykorzystuje się powietrze odprowadzane z domu przez system wentylacji wywiewnej. Stanowi to konkurencyjny wobec rekuperacji sposób spożytkowania energii cieplnej zawartej w tym powietrzu.

Zdalne sterowanie powietrzną pompą ciepła PCWB Hewalex

Powietrzna pompa ciepła PCWB Hewalex ma funkcję zdalnego sterowania przez moduł WiFi i aplikację mobilną. Warunek? Należy zakupić na stronie producenta moduł wi-fi.

Jednostka zewnętrzna (1) jest połączona z jednostką wewnętrzną (2) przewodami z czynnikiem chłodniczym (np. R410A). Ciepło odbierane w parowniku (4) podnosi temperaturę czynnika chłodniczego, który poprzez zawór 4-drogowy kierowany jest do sprężarki (3). Czynnik chłodniczy o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu oddaje ciepło w skraplaczu (7) i poprzez elektroniczny zawór rozprężny (5) powraca do parownika (4). Woda grzewcza odbiera ciepło ze skraplacza (7) i w razie potrzeby jest dogrzewana w montowanym opcjonalnie przepływowym podgrzewaczu elektrycznym (9). Pompa obiegowa (8) kieruje wodę grzewczą poprzez zawór 3-drogowy rozdzielający (10) do instalacji grzewczej budynku (c.o.) lub na wężownicę podgrzewacza wody użytkowej (c.w.u.) (rys. Hewalex)

Jednostka zewnętrzna (1) zawiera wszystkie elementy pompy ciepła typu monoblok. W przewodach pomiędzy pompą ciepła a systemem grzewczym budynku krąży czynnik niezamarzający (potrzebny jest wtedy dodatkowy wymiennik ciepła na styku z obiegiem wody grzewczej w instalacji c.o.), albo należy zapewnić pełną ochronę przed zamarzaniem wody grzewczej na odcinku budynek-pompa ciepła (np. w razie awarii pompy lub przy braku zasilania elektrycznego). Ciepło odbierane w parowniku (3) podnosi temperaturę czynnika chłodniczego, który poprzez zawór 4-drogowy (5) kierowany jest do sprężarki (2). Czynnik chłodniczy o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu oddaje ciepło w skraplaczu (6) i poprzez elektroniczny zawór rozprężny (4) powraca do parownika (3). Woda grzewcza odbiera z czynnika chłodniczego ciepło w skraplaczu (6). Pompa obiegowa (7) kieruje wodę grzewczą do instalacji grzewczej budynku (c.o.) lub na wężownicę podgrzewacza wody użytkowej (c.w.u.) (rys. Hewalex)

Czy powietrzna pompa ciepła może sprawdzać się w naszym klimacie?

Nowoczesne pompy ciepła tego rodzaju mogą pracować efektywnie (przez co należy rozumieć, że ilość ciepła dostarczanego do instalacji grzewczej jest większa od zużytej energii elektrycznej) przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej, w zależności od konstrukcji, -15, -20, a nawet -25°C. Co więcej, w temperaturze ok. -10°C współczynnik efektywności energetycznej COP większości nowoczesnych modeli wynosi od 2 do 3, co oznacza, że pompa przekazuje dwa, trzy razy więcej ciepła, niż wynikałoby to ze zużycia prądu.

Nie są to może wskaźniki tak korzystne, jak w przypadku gruntowych czy wodnych pomp ciepła, ale nie wolno zapominać, że dla nas jako użytkowników najważniejsza jest ekonomiczna efektywność inwestycji w pompę, a ta jest zupełnie inna niż sprawność urządzenia wynikająca ze wskaźników fizycznych i parametrów technicznych.

Pompa powietrzna nie wymaga budowy dolnego źródła ciepła, jej montaż nie jest więc uwarunkowany posiadaniem odpowiednio dużej działki (nie trzeba też jej rujnować) czy dostępu do nadających się do wykorzystania wód podziemnych lub powierzchniowych, ponadto nie trzeba wykonywać kosztownych robót ziemnych. Nie ma ryzyka niewłaściwego zwymiarowania dolnego źródła bądź popełnienia błędów wykonawczych. Montaż urządzenia trwa zaledwie 1-2 dni, a całkowite koszty (urządzenie plus robocizna) kształtują się obecnie na poziomie 20-40 tys. zł.

Może cię zainteresować

Monoblokowe, powietrzne pompy ciepła do nowych i modernizowanych budynków Dlaczego warto wybrać pompę ciepła do ogrzewania domu? Pompa ciepła gruntowa czy powietrzna - która jest lepsza? Oszczędzaj z pompą ciepła! Jakie są dotacje na pompę ciepła 2023 roku? Jak zabezpieczyć monoblokową pompę ciepła powietrze-woda przed zamarzaniem? Rola zaworu przecizamrożeniowego O co chodzi z tymi pompami ciepła? Powietrze-powietrze, powietrze-woda? Cykl defrost w powietrznej pompie ciepła. Dlaczego jest tak niezbędny? Sposób na tanią ciepłą wodę - pompa ciepła Ecodan QUHZ CO2 Kiedy pompa ciepła się opłaca? Czy pod pompę ciepła potrzebny jest fundament? Hybrydowa pompa ciepła - wszystko, co musisz o niej wiedzieć Pompa ciepła do cwu i kocioł na pellet - jak sprawdzi się ten duet? Bufor ciepła 1000 l - kiedy warto stosować, a kiedy nie?

Zobacz więcej Zwiń

Oprócz efektywności, ogromne znaczenie ma również aspekt trwałości inwestycji. W przypadku powietrznej pompy ciepła nie występuje zagrożenie rozszczelnieniem ani zamuleniem przewodów dolnego źródła, nie trzeba także obawiać się pogorszenia jego parametrów w czasie (na skutek np. obniżenia poziomu wód gruntowych albo powierzchniowych). Odpadają też wszelkie problemy związane z jego regeneracją. Powietrza mamy zawsze pod dostatkiem!

Co oznaczają często spotykane określenia split i monoblok?

Pompy ciepła typu powietrze/woda można podzielić na dwie grupy, zasadniczo różniące się pod względem konstrukcyjnym.

Pompy typu monoblok to urządzenia kompaktowe, które w jednej obudowie zawierają wszystkie istotne komponenty: sprężarkę, skraplacz, parownik z wentylatorem, zawór rozprężny oraz pompę obiegową. Przeznaczone są zwykle do instalacji na zewnątrz budynku, z którym łączy się je rurami przekazującymi ciepło do instalacji centralnego ogrzewania (możliwe jest również rozwiązanie polegające na tym, że pompa znajduje się w budynku, a powietrze jest zasysane, a następnie wyrzucane odpowiednimi przewodami na zewnątrz, ale znajduje ono zastosowanie głównie w przypadku pomp małej mocy, służących do przygotowania c.w.u.). W budynku montuje się ewentualnie zbiornik buforowy ciepła.

Jako konstrukcje typu monoblok wykonywane są małe pompy powietrzne służące do przygotowania c.w.u.. Montuje się je wewnątrz budynku, a powietrze z zewnątrz doprowadza przewodami. Można też odzyskiwać ciepło z powietrza odprowadzanego przez system wentylacyjny (fot. Stiebel Eltron)

Pompy typu split to urządzenia, w których elementy składowe rozdzielone są pomiędzy dwie jednostki: zewnętrzną i wewnętrzną. W tej pierwszej znajdują się wentylator, parownik, sprężarka i zawór rozprężny. W drugiej - skraplacz i pompa obiegowa c.o.

Oba rozwiązania mają swoje wady i zalety. Pompy typu monoblok są bardzo łatwe w instalacji, ponieważ napełniane są czynnikiem chłodniczym już w fabryce. Instalator nie musi więc posiadać odpowiednich kwalifikacji i uprawnień (tzw. świadectwo kwalifikacji w zakresie substancji kontrolowanych, potocznie zwane uprawnieniami chłodniczymi), na dobrą sprawę nie musi się nawet znać na urządzeniach chłodniczych. Jego zadanie sprowadza się do posadowienia pompy na zewnątrz budynku i przeprowadzenia przewodów transportujących ciepło do instalacji c.o.

Inna zaleta pomp monoblokowych to bezproblemowe odmrażanie parownika. Jeśli dojdzie do jego oblodzenia, zawór 4-drogowy w module chłodniczym kieruje gorący czynnik roboczy bezpośrednio ze sprężarki do parownika, co sprawia, że rozmrażanie trwa bardzo krótko i skutkuje niewielkimi tylko stratami energii.

Jedyny poważniejszy problem wynika z konieczności zabezpieczenia przewodów wodnych (przenoszących ciepło do budynku) przed zamarznięciem w sytuacji, gdy podczas mrozów dojdzie do zatrzymania pracy pompy, wynikającego na przykład z przerwy w dopływie energii elektrycznej. Problemu tego nie dostrzega wielu producentów, ale w polskim klimacie stanowi on realne zagrożenie. Jego najczęstszym rozwiązaniem jest napełnianie obiegu grzewczego pompy płynem niezamarzającym (zwykle roztwór glikolu) i montaż dodatkowego płytowego wymiennika ciepła między obiegiem grzewczym pompy ciepła a wodną instalacją c.o.

Pompy ciepła typu split muszą zostać napełnione czynnikiem chłodniczym podczas instalacji, co wymaga znacznie większych kwalifikacji od ekipy montującej. Za to łatwiej je transportować i nie ma zagrożenia zamarznięcia przewodów łączących obie jednostki, bo krąży w nich czynnik chłodniczy. Dodatkowo nieco mniejsze są zwykle straty ciepła, gdyż przechodzi ono niemal bezpośrednio ze skraplacza do instalacji c.o., czy też zasobnika ciepła.

W jakim celu pompy ciepła wyposaża się w grzałkę elektryczną?

Grzałka elektryczna (lub zamiennie elektryczny podgrzewacz przepływowy) służy do wspomagania odmrażania oblodzonego parownika oraz pracy pompy w trybie grzewczym w skrajnie niekorzystnych warunkach atmosferycznych.

Odmrażanie parownika przy użyciu grzałki pozwala na szybki powrót pompy do normalnej pracy, co w konsekwencji zwiększa jej efektywność. Poza tym działa ona wtedy, gdy ilość ciepła dostarczanego przez pompę nie zaspokaja potrzeb energetycznych budynku lub w sytuacji dużego zapotrzebowania na c.w.u. (wychłodzenia zasobnika). Odpowiednia konfiguracja regulatora nadzorującego włączanie i wyłączanie grzałki (podgrzewacza) ma kluczowe znaczenie dla ekonomicznej pracy pompy. Udział grzałki w zaspokajaniu zapotrzebowania na ciepło nie powinien przekraczać 10% w skali roku, w przeciwnym wypadku trudno będzie mówić o znaczących zyskach z wykorzystania pompy ciepła.

Czy pompa ciepła typu powietrze/woda może być jedynym urządzeniem grzewczym w budynku?

Tak, ale nie jest to rozwiązanie wskazane, i to nawet pomijając fakt, że uzależnianie się od jednego urządzenia grzewczego (które zawsze może się popsuć) jest w naszym klimacie ryzykowne.

Zdecydowana większość producentów rekomenduje instalowanie pompy powietrznej o mocy sięgającej 80% maksymalnego zapotrzebowania na ciepło (mocy wymaganej podczas największych mrozów) i zapewnienie jej wsparcia ze strony innego źródła ciepła - kotła gazowego, olejowego lub węglowego, albo nawet kominka. Dzięki odpowiedniej parametryzacji sterowników urządzeń grzewczych albo świadomym działaniom użytkownika (np. napalenie w kominku) można w takiej sytuacji ogrzewać dom przy użyciu tego źródła ciepła, które jest w danym momencie najtańsze (przy uwzględnieniu chwilowej, rzeczywistej efektywności pompy ciepła).

W zależności od sposobu wykorzystania pompy ciepła, wyróżnia się cztery tryby jej pracy.

Tryb monowalentny oznacza, że pompa pokrywa w 100% zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku, nie jest więc potrzebne żadne inne urządzenie grzewcze. W taki sposób pracują zazwyczaj pompy ciepła typu grunt/woda (woda/woda) w nowych budynkach o wysokim standardzie energetycznym. W przypadku pompy powietrze/woda rozwiązanie takie jest właściwie nierealne, ze względu na duże zmniejszenie mocy grzewczej pompy w okresie mrozów.

Jeżeli chcemy pozostać przy samej pompie tego rodzaju, decydujemy się na tzw. tryb monoenergetyczny, w którym pompa wspierana jest przez wbudowaną grzałkę (podgrzewacz przepływowy) bądź osobny kocioł elektryczny. Jak już wspomniano, rozwiązanie takie jest efektywne, gdy pompa pokrywa przynajmniej ok. 90% rocznego zapotrzebowania na ciepło.

Znacznie lepsze efekty ekonomiczne zapewnia tryb biwaletny alternatywny. Oznacza on, że kiedy sprawność pompy wyraźnie spada, zostaje ona zastąpiona przez inne, efektywniejsze w takiej sytuacji źródło ciepła. O pracy w tym trybie mówimy zwykle w przypadku wspomagania pompy kotłem gazowym, olejowym lub zasilanym paliwem stałym. W takiej sytuacji, pompa pokrywa zwykle od 60 do 80% rocznego zapotrzebowania na ciepło.

Jeszcze korzystniejszy jest tryb biwaletny równoległy, który jednak wchodzi w rachubę wyłącznie w sytuacji wsparcia pompy przez urządzenie grzewcze elastycznie dostosowujące moc grzewczą do potrzeb, np. przez gazowy kocioł kondensacyjny. W tym trybie od określonej temperatury zewnętrznej oba urządzenia pracują równolegle, przy czym im niższa temperatura, tym udział kotła jest większy (sięga on 100%, kiedy koszty energii cieplnej z pompy przekraczają koszty ciepła pozyskiwanego z kotła).

W trybie biwalentnym moment włączenia drugiego źródła ciepła określany jest przez sterownik w zależności od wymaganej mocy grzewczej i efektywności pracy pompy ciepła przy określonej temperaturze zewnętrznej. Nowoczesne sterowniki mogą uwzględniać przy tym bieżące ceny energii elektrycznej w różnych strefach czasowych oraz - na przykład - cenę paliwa gazowego.

Cztery modele pracy pompy ciepła (rys. Hewalex)

Czy powietrzną pompę ciepła można zamontować w każdym domu?

Inwestycja będzie w najwyższym stopniu uzasadniona, kiedy spełnione są dwa warunki:

• budynek jest ocieplony w stopniu odpowiadającym przynajmniej obecnym normom budowlanym;
• zainstalowano w nim wodne ogrzewanie płaszczyznowe, czyli w praktyce zazwyczaj podłogówkę.

Pierwszy z nich nie podlega dyskusji i z tego powodu pompy ciepła montuje się najczęściej w domach nowych bądź termomodernizowanych. W źle ocieplonych nie ma to sensu - na pewno lepiej zacząć od ograniczenia zapotrzebowania na ciepło, a dopiero po tym dostosować instalację grzewczą do nowej sytuacji.

Drugi warunek należy traktować fakultatywnie. W przypadku nowego domu, najlepszym sposobem działania jest na pewno dopasowanie go do ogrzewania pompą ciepła już na etapie budowy. Oznacza to nie tylko montaż ogrzewania płaszczyznowego, lecz także takie jego wykonanie, by już zasilanie wodą grzewczą o temperaturze do 40°C pozwalało za bezproblemowe zapewnienie komfortu cieplnego. Będzie to kosztowało trochę więcej niż instalacja standardowej podłogówki, liczona zwykle na zasilanie wodą o temperaturze w granicach 45-50°C, ale w przypadku eksploatacji pompy ciepła, w szczególności powietrznej, dodatkowe koszty szybko zwrócą się z nawiązką.

Z drugiej strony - zastrzeżenie dotyczy przede wszystkim modernizacji istniejących budynków - współpraca pompy z systemem ogrzewania podłogowego nie jest bezwzględnie konieczna. Po pierwsze - są już modele pomp pozwalające na zasilanie grzejników (choć z natury działania pompy ciepła wynika, że system taki nie może być tak efektywny, jak w przypadku ogrzewania płaszczyznowego).

Po drugie - problem braku podłogówki można rozwiązać na kilka sposobów, m.in. montując płaszczyznowe ogrzewanie sufitowe (powoduje to obniżenie sufitu tylko o ok. 3 cm) lub ścienne, albo wykorzystując klimakonwektory, czyli grzejniki konwektorowe z wymuszonym przez wentylator obiegiem powietrza, które potrafią oddać do otoczenia dużo ciepła nawet przy niskiej temperaturze wody grzewczej.

Czy powietrzne pompy ciepła można stosować do chłodzenia domu?

Tak, wynika to bezpośrednio z ich konstrukcji - wystarczy tylko odwrócić kierunek przepływu ciepła, do czego z technicznego punktu widzenia wystarczy zawór czterodrogowy, by pompa stała się klimatyzatorem. Większość producentów oferuje modele na to pozwalające. W takim trybie pracy, czynnik chłodniczy zabiera ciepło z wody w instalacji grzewczej, następnie jest ono rozpraszane w powietrzu na zewnątrz budynku. Chłodna woda w instalacji chłodzi pomieszczenia, oczywiście pod warunkiem, że jest to instalacja płaszczyznowa bądź wyposażona w klimakonwektory. Jeżeli pompa ciepła zasila grzejniki, nawet o dość dużej powierzchni, to w trybie chłodzenia nie ma raczej szans na to, by było ono wystarczająco efektywne.

Jednostka zewnętrzna (1) jest połączona z jednostką zewnętrzną (2) przewodami z czynnikiem chłodniczym (R410A). W porównaniu z trybem grzewczym, w trybie chłodzenia zmienia się kierunek przepływu czynnika chłodniczego i następuje zamiana funkcji między parownikiem i skraplaczem, tzn. parownik staje się skraplaczem (4), a skraplacz parownikiem (7). Woda chłodząca (np. z klimakonwektorów lub chłodnicy powietrza) oddaje ciepło w parowniku (7) i jest schładzana przez czynnik chłodniczy. Czynnik podnosząc temperaturę w parowniku (7), odparowuje i przez zawór 4-drogowy (6) przepływa do sprężarki (3). Po podniesieniu temperatury i ciśnienia, czynnik zostaje schłodzony w skraplaczu (4) i rozprężony w zaworze rozprężnym (5) powraca do parownika (7) w celu ponownego odebrania ciepła z wody chłodzącej (rys. Hewalex)

W porównaniu z trybem grzewczym, w trybie chłodzenia zmienia się kierunek przepływu czynnika chłodniczego i następuje zamiana funkcji między parownikiem i skraplaczem, tzn. parownik staje się skraplaczem (3), a skraplacz parownikiem (6). Woda chłodząca (np. z klimakonwektorów lub chłodnicy powietrza) oddaje ciepło w parowniku (6) i jest schładzana przez czynnik chłodniczy, który podnosząc temperaturę, odparowuje i przez zawór 4-drogowy (5) przepływa do sprężarki (2). Po podniesieniu temperatury i ciśnienia, zostaje schłodzony w skraplaczu (3) i rozprężony w zaworze rozprężnym (4) powraca do parownika (6) w celu ponownego odebrania ciepła z wody chłodzącej (rys. Hewalex)

Na co należy zwrócić uwagę, wybierając powietrzną pompę ciepła?

Przy wyborze pompy ciepła typu powietrze/woda najważniejsze są moc grzewcza i sprawność urządzenia, ale także stosunek tych wartości do ceny, czyli koszt kilowata mocy i koszt jednostkowy COP. Te dwa wskaźniki decydować będą bowiem o ekonomicznej efektywności inwestycji. To jednak nie wszystko.

Przed doborem pompy należy bezwzględnie przemyśleć planowany sposób jej wykorzystania, bo od tego zależy, jak ważna dla nas będzie minimalna temperatura pracy oraz zdolność do współpracy z innymi źródłami ciepła. Jeśli urządzenie ma pracować w trybie monoenergetycznym, to wbudowana grzałka elektryczna będzie na pewno wskazana, z kolei jeśli będzie działać w trybie biwalentnym, to grzałka jest zbędna, za to kluczowe znaczenie ma automatyka odpowiadająca za prawidłowe współdziałanie z kotłem czy kominkiem.

Ważną kwestią są też wymagania co do zasilania w energię elektryczną. Pompy ciepła mogą być zasilane prądem jednofazowym bądź trójfazowym. Mocniejsze (od ok. 15 kW) zwykle wymagają trójfazowego, natomiast mniejsze bywają dostępne w obu wersjach. Choć teoretycznie lepszym wyborem jest pompa trójfazowa, to jeśli zamierzamy korzystać z urządzenia w rejonie, w którym często występują problemy z zasilaniem, to praktyczniejsza będzie jednofazowa (bo wystarczy tylko jedna faza, by dom był ogrzewany, poza tym mniejsze jest prawdopodobieństwo awarii czy zatrzymania urządzenia na skutek tzw. zaniku fazy).

Na co należy zwrócić uwagę podczas montażu pompy powietrze/woda?

Jest on dużo prostszy niż w przypadku gruntowych pomp ciepła, ponieważ instalacja dolnego źródła sprowadza się do zamontowania jednostki zewnętrznej z parownikiem i wentylatorem. Tym niemniej warto pamiętać o kilku podstawowych kwestiach.

Do prawidłowego działania pompa potrzebuje swobodnego dostępu do powietrza atmosferycznego. Moduł zewnętrzny wymaga montażu ściennego, bądź ustawienia na równej i poziomej powierzchni, najlepiej na fundamencie, w pobliżu ściany budynku. Zalecane jest ustawienie go od "słonecznej" strony. Należy zadbać o to, by drgania nie przenosiły się do wnętrza budynku.

W przypadku montażu ściennego pompy nie powinno się mocować jej na ścianie np. sypialni. Sposób montażu powinien poza tym gwarantować swobodny dostęp podczas prac konserwacyjnych. Trzeba bezwzględnie zachować odległości od budynku podane w instrukcji instalacji. Dobrze jest też zbudować daszek chroniący pompę przed śniegiem i deszczem.

Podczas pracy w trybie grzania dochodzi do schładzania powietrza w jednostce zewnętrznej, w związku z czym na parowniku skrapla się wilgoć, co w temperaturze poniżej zera prowadzi do powstawania szronu. Warstwa szronu stawia dodatkowy opór cieplny oraz utrudnia przepływ powietrza, dlatego parownik jest co pewien czas odszraniany, co skutkuje spływaniem dużych ilości wody. Należy zapewnić jej odprowadzanie, np. za pomocą właściwego drenażu (podsypka ze żwiru). Inny sposób to odprowadzenie wody rurą kanalizacyjną, musi ona mieć jednak odpowiednio dużą średnicę (min. 100 mm) i powinna być wyposażona w kabel grzewczy.

Adam Jamiołkowski
fot. otwierająca: Vaillant