Pompy ciepła wykorzystuje się do ogrzewania i chłodzenia domów oraz przygotowywania ciepłej wody użytkowej. W budynkach o niskim zapotrzebowaniu na energię radzą sobie szczególnie dobrze. I co ważne, da się je zastosować na każdej posesji.
Każdy dom, nawet najbardziej energooszczędny, potrzebuje ciepła do ogrzewania i zapewnienia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Coraz częściej okazuje się, że do utrzymania komfortowych warunków w sezonie letnim potrzebne jest też chłodzenie. To wszystko, i to niewielkim kosztem, może zapewnić pompa ciepła. Charakterystyczną cechą domów energooszczędnych jest niewielkie zapotrzebowanie na ciepło w przeliczeniu na 1 m² powierzchni. Dla pompy to idealna sytuacja.
Pompa ciepła, inaczej niż kocioł, sama nie wytwarza ciepła. Ona jedynie umożliwia pozyskanie go z otoczenia i przetworzenie na użyteczną dla nas postać. Przykładowo, ochładza powietrze zewnętrzne o temperaturze -10°C o kolejne 4°C i odebraną w ten sposób energię wykorzystuje do podgrzania wody w obiegu centralnego ogrzewania z 30 do 35°C. Czyli ochładzamy coś co już jest bardzo zimne, a podgrzewamy rzecz względnie ciepłą.
To sprzeczne z naszą intuicją, bo wokół siebie obserwujemy naturalny przepływ ciepła od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Ruch w drugą stronę jest jednak jak najbardziej możliwy, jednak wymaga pracy, którą wykonuje sprężarka pompy ciepła. Dlatego do działania potrzebuje ona zasilania energią elektryczną. Jednak bilans i tak jest korzystny, bo pompa ostatecznie przekazuje do domu w postaci ciepła 2-4 razy więcej energii niż pobrała z sieci elektrycznej. Jej większość pozyskała z otoczenia. Ciepło oddane do instalacji grzewczej jest sumą pobranej energii elektrycznej i ciepła z otoczenia.
Zwykle się nad tym nie zastanawiamy, ale ten sam mechanizm działania wykorzystują klimatyzatory i lodówki. Tyle że wykorzystujemy chłodzącą część układu. W lodówce ciepło zostaje odebrane z produktów włożonych do jej wnętrza i oddane do otoczenia, dlatego umieszczony z tyłu obudowy skraplacz czasem robi się wręcz gorący.
Działanie pompy ciepła polega na naprzemiennym sprężaniu i rozprężaniu czynnika roboczego, czyli gazu o bardzo niskiej temperaturze parowania. Przy odparowywaniu pobiera on ciepło z otoczenia domu (tzw. źródło dolne), przy sprężaniu zaś jego temperatura rośnie i ciepło trafia do domowej instalacji grzewczej (tzw. źródło górne).
Jak widać sama pompa jest tylko środkowym z trzech elementów niezbędnych do działania systemu. To od temperatury i innych parametrów źródeł dolnego i górnego zależy jej działanie, ilość i koszt pozyskiwanego ciepła.
Główna część energii (ciepła) oddawanego przez pompę ciepła pochodzi z otoczenia domu. Reszta to energia elektryczna czerpana z sieci. Element otoczenia, z którego czerpiemy ciepło nazywa się żargonowo źródłem dolnym. Może to być:
Pamiętajmy, że wielkość instalacji po stronie źródła dolnego, a więc i koszty jego wykonania, zależą od zapotrzebowania naszego budynku na ciepło. Jeśli jest energooszczędny wystarczy mniej odwiertów czy mniejsza powierzchnia kolektora poziomego. Z drugiej jednak strony, energooszczędność budynku oznacza, że ciepła do ogrzewania nie potrzebujemy wiele. A w takiej sytuacji inwestowanie dużych sum np. w kosztowne odwierty może nie mieć ekonomicznego uzasadnienia.
Dlatego w ostatnich latach coraz większą popularnością cieszą się urządzenia powietrze/woda. Pracują wprawdzie nieco mniej ekonomicznie niż pompy grunt/woda i woda/woda, ale w domach o małym zapotrzebowaniu na energię i tak nie przekłada się to na odczuwalny wzrost rachunków. Ich atutem jest za to łatwość montażu, bo nie potrzebują wykonania instalacji po stronie źródła dolnego.
Pompę musimy zasilać energią elektryczną. Tu dla każdego, kto myśli o środowisku naturalnym pojawia się pewien zgrzyt. Prąd w naszym kraju pochodzi głównie z elektrowni węglowych. A jeżeli uwzględnimy niską sprawność jego wytwarzania i przesyłu, okaże się, że do nas trafia ostatecznie tylko 1/3 energii zawartej w spalonym węglu. W takiej sytuacji zużycie energii pierwotnej (wskaźnik EP) i tak będzie bardzo wysokie. Rozwiązaniem może być montaż paneli fotowoltaicznych.
Zaznaczmy od razu, że nie wystarczą one do bezpośredniego zasilania pompy ciepła, przyłącze do sieci energetycznej i tak będzie potrzebne. Jednak możemy rozliczać się bilansowo - oddając nadmiar energii z paneli do sieci, a następnie czerpiąc z niej bez kosztów w późniejszym czasie. W ten sposób możemy osiągnąć standard tzw. budynku zeroenergetycznego netto. W skali roku ilości energii pobranej i oddanej do sieci się równoważą. Oddawanie większej ilości nie ma zaś sensu, bo za to już nikt nam nie zapłaci.
Inne rozwiązanie to zakup prądu od producenta w specjalnej taryfie z gwarancją, że pobrana energia ma pokrycie w źródłach odnawialnych. Takie oferty już są na rynku.
Współczynnik COP (Coefficient of performance), nazywany niekiedy współczynnikiem efektywności, określa sprawność działania pompy. To stosunek ilości energii (ciepła) oddanej do instalacji grzewczej oraz ilości energii elektrycznej pobranej z sieci. Im jest wyższy tym lepiej. COP równe 3 oznacza, że pompa na za każdy 1 kW mocy pobranej z sieci oddaje 3 kW w postaci ciepła.
Obecnie wprawdzie pompy, podobnie jak i kotły, lodówki itd., opatrzone są etykietą energetyczną określającą ich klasę (np. A++), ale metoda jej wyznaczania jest zawikłana na tyle, że nie niesie konkretnej, użytecznej informacji. W praktyce dużo więcej o urządzeniu mówią nam wartości COP, wyznaczone dla różnych temperatur po stronie źródeł dolnego i górnego. To ostatnie zastrzeżenie jest bardzo ważne, bo np. pompa wykorzystująca powietrze zewnętrzne będzie miała znacznie niższą sprawność przy -15°C niż przy +7°C. Znaczny spadek sprawności odnotujemy również podgrzewając wodę w obiegu c.o. nie do 35°C lecz do 45°C. W przypadku kotła nie byłaby to istotna zmiana, tu jest kluczowa.
Dlatego, jeżeli zechcemy porównywać pompy, pamiętajmy żeby sprawdzić czy COP wyznaczono dla takich samych temperatur źródeł dolnego i górnego. Na szczęście energooszczędne domy da się ogrzewać skutecznie bazując na tzw. systemach niskotemperaturowych, czyli z niską temperaturą wody w obiegu. Po prostu przy niskich stratach ciepła przez przegrody i wentylację, nie potrzebujemy dużej mocy grzejników lub ogrzewania płaszczyznowego.
Znajomość COP w różnych warunkach temperaturowych ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu ogrzewania. Pompy wykorzystujące powietrze zewnętrzne działają przecież w skrajnie różnych warunkach w ciągu jednego sezonu. Pozostałe źródła dolne mają w miarę stałą temperaturę.
Z kolei w instalacji grzewczej wewnątrz budynku pożądane jest utrzymanie jak najniższej temperatury wody w obiegu. Z tej racji najpopularniejsze grzejniki płytowe nie są dobrym wyborem w przypadku pomp ciepła. Z tego względu najczęściej wybiera się ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe) lub specjalne grzejniki dostosowane do niskiej temperatury zasilania.
Pompa może być jedynym źródłem ciepła w domu, albo współpracować z innym, np. kotłem gazowym. Takie układy, z dwoma źródłami ciepła, nazywamy biwalentnymi. To rozwiązanie szczególnie popularne w przypadku pomp powietrznych, których sprawność wyraźnie spada w niskiej temperaturze. Układ biwalentny może wyglądać różnie, a i odmienne są motywacje żeby go w ogóle zrobić.
Dawniej sprawność większości pomp powietrznych drastycznie spadała w niskiej temperaturze, albo w ogóle nie mogły pracować np. poniżej -15°C. Części urządzeń zresztą to nadal dotyczy. W takiej sytuacji biwalencja to po prostu konieczność. Najprostszy wariant to wówczas pompa wyposażona dodatkowo w grzałki elektryczne. W razie potrzeby przejmują one ogrzewanie. Wbrew pozorom taki układ może i tak działać bardzo ekonomicznie, bo grzałki nie pracują często.
Drugim źródłem ciepła może też być kocioł, np. na gaz płynny. Częściej to osobne urządzenie, lecz producenci oferują też hybrydy - centrale z kotłem i pompą ciepła. Automatyka dba w nich o to by akurat to urządzenie, które w danych warunkach taniej daje ciepło. Drugie źródło ciepła może też być traktowane jako zabezpieczenie na wypadek awarii jednego z nich. W naszym klimacie warto coś takiego mieć.
Jak na razie mamy więc pracę alternatywną - albo jedno, albo drugie. Ale źródła ciepła mogą też pracować równocześnie, tak żeby ich moce cieplne się sumowały. Wspomaganiem dla pompy może być np. elektryczna nagrzewnica powietrza w systemie wentylacji mechanicznej, kominek z DGP, dodatkowe elektryczne grzejniki, tam gdzie wymagamy wyższej temperatury, choćby w łazienkach.
Co ważne, zarówno moc pompy jak i drugiego źródła ciepła może być wyraźnie niższa od strat ciepła budynku. Do pewnej temperatury zewnętrznej (np. -7°C), działa tylko pompa, potem włącza się wspomaganie. Taki układ można polecić np. gdy zakup pompy o większej mocy wiązałby się z dodatkowymi wysokimi kosztami, np wykonaniem dodatkowych odwiertów.
Dwa źródła ciepła mogą się też uzupełniać ze względu na swoje specyficzne cechy. Dobrym uzupełnieniem z natury wolno reagującej podłogówki będzie nagrzewnica powietrza wentylacyjnego, ciepło z której odczujemy natychmiast. Dlatego warto się zastanowić nad wykonaniem układu biwalentnego, nawet jeżeli nie jest bezwzględnie konieczny.
Energooszczędne domy mogą mieć naprawdę znikome zapotrzebowanie na ciepło. Jednak dość często okazuje się, że dla zapewnienia komfortu wymagają chłodzenia (klimatyzacji) w okresie letnim. Szczególnie jeżeli mają bardzo duże przeszklenia na nasłonecznionych elewacjach i dość lekką konstrukcję, która nie jest w stanie pochłonąć nadmiernych zysków ciepła poza sezonem grzewczym. Typowa klimatyzacja to zaś spore koszty zarówno inwestycyjne jak i eksploatacyjne. Tu z pomocą może przyjść właśnie pompa ciepła jako część naszej instalacji grzewczej. Dom można chłodzić wówczas na dwa sposoby.
Pasywne polega na tym, że źródłem chłodu w instalacji jest sam grunt, ewentualnie woda podziemna. Jego temperatura nawet w największe upały wynosi około 10°C. Precyzyjniej mówiąc, ciepło z wnętrza domu, gdzie mamy np. 25°C, trafia do gruntu, który ma 10-15°C.
Dlaczego takie chłodzenie nazywamy pasywnym? Bo do jego działania nie jest potrzebna praca sprężarki w pompie ciepła. Włączone są tylko pompy obiegowe górnego i dolnego źródła. Wszystko dlatego, że ciepło płynie w naturalny dla siebie sposób - od ciała cieplejszego (dom) do chłodniejszego (grunt). Potrzebny jest tylko wymiennik ciepła pomiędzy obiegami górnego i dolnego źródła. Zużycie prądu w tym trybie pracy jest niewielkie, znikome w porównaniu z działaniem typowych klimatyzatorów.
Jeżeli zamierzamy korzystać z takiego chłodzenia, sprawdźmy, czy pompa oferuje funkcję chłodzenia pasywnego w standardzie, trzeba kupić do niej dodatkowy moduł, czy może producent w ogóle tej funkcji nie przewiduje.
Aktywne jest zaś odpowiednikiem pracy klimatyzatora. Tu pracuje sprężarka i zużycie prądu jest znacznie wyższe. W ten sposób działają pompy powietrzne, odwracając po prostu obieg. Oszczędność względem typowej instalacji klimatyzacyjnej polega więc na tym, że nie dublujemy urządzeń. Pompa do ogrzewania jest i tak potrzebna, więc zapłaćmy tylko za nią.
Chłodzenie z wykorzystaniem pompy ciepła wymaga szczególnie starannego zaprojektowania po stronie górnego źródła. Jeżeli z projektu wynika, że funkcja chłodzenia będzie często używana, warto pomyśleć o systemie powietrze/powietrze, z nadmuchowymi jednostkami wewnętrznymi, analogicznymi do tych stosowanych w klimatyzatorach. Do chłodzenia nadają się świetnie, a w domu o bardzo małych stratach ciepła dynamicznie działające ogrzewanie nadmuchowe też się sprawdzi.
Dobrym rozwiązaniem są również klimakonwektory, czyli grzejniki z cichymi wentylatorami, wymuszającymi intensywny ruch powietrza. A więc i szybką wymianę ciepła, zarówno w trybie grzania jak i chłodzenia. Taką funkcję może pełnić np. grzejnik kanałowy. Umieszczony tuż poniżej dużego przeszklenia tarasowego będzie lepiej chronił resztę pomieszczenia przed przegrzaniem.
Spośród rodzajów ogrzewania płaszczyznowego, do chłodzenia najlepiej nadaje się wersja sufitowa. Z chłodną powierzchnią nie mamy bezpośredniego kontaktu, zaś zimne powietrze samoczynnie opada ku podłodze, łagodnie mieszając się z tym rozgrzanym.
Coraz większą popularność zyskują małe pompy ciepła przeznaczone tylko do przygotowywania c.w.u. To one ciągną ku górze statystyki sprzedaży pomp ciepła. Traktuje się je przede wszystkim jako alternatywę dla kolektorów słonecznych, bo najlepiej sprawdzają się poza sezonem grzewczym, pracując na ciepłym wówczas powietrzu zewnętrznym.
Większość z nich nie może pracować gdy na zewnątrz jest mróz. Dlatego, jeżeli mamy już i tak pompę ciepła ogrzewającą budynek to zakup drugiej - tylko do c.w.u. nie ma sensu. Wprawdzie w pewnych okolicznościach, np. w środku lata może działać nawet z wyższą sprawnością niż pompa gruntowa, ale ze względu na koszty i tak nie będzie to uzasadniona inwestycja.
Największą zaletą pomp ciepła do c.w.u. - w porównaniu z kolektorami słonecznymi - jest łatwość instalacji. Ponadto, warunki pogodowe są tu znacznie mniej ważne. Oby tylko było ciepło. Zachmurzenie, noc lub deszcz w niczym nie przeszkadza.
Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Nibe-Biawar
10
