Pompy ciepła

Jak działa pompa ciepła?

Pompy ciepła to urządzenia grzewcze, pracujące jednak zupełnie inaczej niż kotły. Przede wszystkim same nie wytwarzają ciepła. Czerpią je z otoczenia – z ziemi, powietrza lub wody – przetwarzają do użytecznej postaci i przekazują do instalacji grzewczej budynku. Miejsce, z którego pompa pobiera ciepło, nazywa się źródłem dolnym, zaś to, gdzie je oddaje źródłem górnym.

Problem polega na tym, że temperatura źródła dolnego jest niższa niż źródła górnego. Przepływ ciepła nie może więc odbywać się w sposób naturalny – żeby był możliwy, konieczna jest praca sprężarki i naprzemienne sprężanie i rozprężanie gazowego czynnika roboczego. Temperatura gazu rośnie bowiem przy sprężaniu. Z kolei przejście z postaci płynnej do gazowej wiąże się z pochłonięciem znacznych ilości ciepła z otoczenia. Gaz krąży w obiegu zamkniętym, jego parowanie odbiera ciepło z otoczenia, a skraplanie umożliwia przekazanie energii do instalacji ogrzewającej budynek.

Dokładnie taki sam proces zachodzi w lodówkach i klimatyzatorach, z tą różnicą, że w ich przypadku chodzi nam o wykorzystanie chłodzącej, a nie grzejącej części obiegu. Zysk polega na tym, że choć pompa zużywa prąd, to około 3/4 oddawanego ciepła i tak pochodzi ze źródła dolnego.

Zasada działania pompy ciepła. Stale sprężany i rozprężany czynnik roboczy przenosi ciepło ze źródła dolnego do górnego.

Jakie dolne źródło ciepła?

Miejsce, z którego pompa odbiera ciepło, nazywane jest źródłem dolnym. Może to być grunt, woda gruntowa lub powierzchniowa albo powietrze.

• Grunt

Ziemia, zasilana promieniowaniem słonecznym, jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej. Można ją pozyskać na różne sposoby. Najtańszym rozwiązaniem jest gruntowy kolektor poziomy, czyli zakopane zazwyczaj na głębokości ok. 1,5 m wężownice z rur wypełnionych niezamarzającym wodnym roztworem glikolu etylowego lub propylowego. Płyn ten, krążąc w rurach, odbiera ciepło z gruntu, a następnie przez wymiennik ciepła przekazuje je pompie ciepła. Innym wariantem są kolektory pionowe.

Działają na takiej samej zasadzie jak poziome, ale umieszczone są w pionowych odwiertach, głębokich na przynajmniej kilkadziesiąt metrów. Wymaga to użycia specjalistycznego sprzętu wiertniczego, co podraża inwestycję, ale kolektory pionowe – w przeciwieństwie do poziomych – praktycznie nie zajmują powierzchni na posesji. Ciepło z gruntu można też pozyskać układając w ziemi kolektor ziemny w systemie z bezpośrednim odparowaniem. Są to miedziane rury, w których zamiast glikolu krąży czynnik roboczy pompy ciepła. Rurociąg pełni funkcję parownika, dzięki czemu wyeliminowany jest jeden wymiennik ciepła – pomiędzy płynem niezamarzającym w kolektorze ziemnym a czynnikiem roboczym pompy. Taki układ ma większą sprawność energetyczną.

• Woda gruntowa lub powierzchniowa

Woda bardzo dobrze akumuluje ciepło – temperatura wód podziemnych wynosi zwykle ok. 10°C. Aby pozyskać energię z gruntu, potrzebne są dwie studnie – czerpna i zrzutowa. Woda zasysana z pierwszej przepływa przez wymiennik pompy ciepła i ochłodzona trafia do studni zrzutowej. Mankamentem tego rozwiązania jest to, że wody gruntowe często zawierają duże ilości żelaza i manganu, które zatykają filtry i wymiennik pompy ciepła. Bardzo wydajne są też kolektory poziome na dnie zbiornika wodnego (stawu, rzeki). Działają analogicznie do gruntowych kolektorów poziomych, ale woda jest znacznie lepszym nośnikiem ciepła niż grunt. Dodatkowo w tym przypadku nie ma problemu z nadmierną ilością minerałów.

• Powietrze

Nie jest najlepszym akumulatorem ciepła, ale urządzenia powietrzne (składające się z wymiennika i wentylatorów wymuszających ruch powietrza) są tańsze i łatwiejsze w montażu od gruntowych. Ponadto w tym przypadku nie ma znaczenia wielkość działki, rodzaj gruntu czy jakość wody gruntowej. Jednak ze względu na mniejszą efektywność ich pracy, często w okresie dużych mrozów wymagają wspomagania ze strony tradycyjnych instalacji grzewczych (kocioł, kominek).

Pompa ciepła może pozyskiwać energię na różne sposoby: z gruntu za pomocą kolektora poziomego (a) lub pionowego (b), z wody gruntowej bądź powierzchniowej (c) z powietrza (d).

Jakie źródło górne?

Drugim kluczowym elementem systemu jest źródło górne, czyli ta część domowej instalacji grzewczej, która przekazuje ciepło do pomieszczeń. Ze względu na niską temperaturę wody w obiegu w instalacji z pompą i duże powierzchnie grzejne, najlepsze jest ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe, ścienne). Może ono pracować przy temperaturze wody nie przekraczającej 40°C. Znacznie mniej polecane, bo wymagające znacznie wyższej temperatury wody w obiegu, są grzejniki ścienne, dlatego stosuje się je w ostateczności, np. w remontowanych domach. Decydując się na ten wariant trzeba pamiętać, aby grzejniki były odpowiednio duże i były dostosowane do pracy z wodą o niższej temperaturze.

Na co zwracać uwagę przy wyborze pompy?

Najważniejszym parametrem określającym skuteczność działania pompy ciepła jest COP (ang. Coefficient of Performance). Jest to stosunek otrzymanej ilości ciepła do zużytej energii napędowej. Zależy on od dwóch czynników:

1. różnicy temperatury między źródłem dolnym, czyli miejscem, z którego pompa pobiera ciepło, a źródłem górnym, czyli instalacją grzewczą.

2. sprawności samej pompy ciepła.

Przykładowo, gdy COP = 5, to przy pobranej z sieci elektrycznej mocy 1 kW, ogrzejemy dom z mocą 5 kW, z czego 4 kW pozyskamy za darmo z otoczenia. W domowych instalacjach współczynnik COP pompy ciepła wynosi zazwyczaj 3–5. Sprawność tego typu urządzeń zdecydowanie przewyższa więc inne, tradycyjne urządzenia produkujące ciepło.

Pompa ciepła Maxima fot. Galmet

Kiedy pompa ciepła się opłaca?

Pompy ciepła to urządzenia bezobsługowe, przyjazne dla środowiska i tanie w eksploatacji. Choć w ostatnich latach ich ceny wyraźnie spadły, planując zakup wciąż trzeba się liczyć z poważnym wydatkiem. Na model o mocy 7–10 kW trzeba przeznaczyć przynajmniej 20 000 zł. Do tego dochodzi koszt zakupu zasobnika c.w.u. (2000–6000 zł) i wykonania źródła dolnego.

Za studnię zapłacimy ok. 3000 zł, choć koszty znacznie wzrosną, gdy potrzebne będą głębsze odwierty, a woda będzie wymagała uzdatniania. Nieco droższy jest kolektor poziomy. Najdroższe rozwiązanie to kolektor pionowy – koszt drążenia sond pionowych może dojść nawet do 30 000 zł. Do tego dochodzą oczywiście koszty eksploatacyjne, choćby opłaty za prąd potrzebny do pracy pompy.

Znając już orientacyjne koszty takiej inwestycji, można zastanowić się nad jej opłacalnością. Pomp ciepła nie stosuje się raczej tam, gdzie doprowadzony jest gaz ziemny. Co prawda decydując się na to paliwo trzeba doliczyć koszt wybudowania komina i kotłowni, których nie potrzeba przy pompie ciepła, ale i tak jego cena jest obecnie bardzo konkurencyjna. Zatem pompy ciepła stanowią najczęściej alternatywę dla kotłów na paliwo stałe oraz ogrzewania domu drogim olejem opałowym bądź gazem płynnym. Nie tylko ze względu na znacznie niższe koszty eksploatacyjne, ale także wygodę. W przeciwieństwie do kotłów węglowych, pompa jest praktycznie bezobsługowa. Dochodzi jeszcze kwestia ekologii, która ma znaczenie dla coraz większej liczby inwestorów. Szacuje się, że zasilane prądem pompy korzystają w ok. 70% z energii pochodzącej z otoczenia.