|
Niektórzy mogą dopatrywać się bardzo skomplikowanego działania ogrzewania pompą ciepła. A tu trzeba potraktować dosłownie ów mechanizm – pompa ciepła, bo pobiera z wnętrza ziemi ciepło i dostarcza je do instalacji grzewczej domu. Wychodzi tanio w eksploatacji, a inwestycja wcale nie musi być tak droga, jak to się często uważa. Pompa ciepła jest urządzeniem energetycznym, które wykorzystuje ciepło ziemi, wody, ścieków lub powietrza do ogrzewania budynków. Istotą wynalazku jest możliwość pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej (np. 10°C temperatura gruntu) i przekazywania do instalacji grzewczej wewnątrz domu o temperaturze wyższej (np. 30°C). Zatem ciepło jest pompowane „pod górkę” – od temperatury niższej do wyższej. Chociaż pompa ciepła opiera się na wykorzystaniu energii naturalnej, to samo urządzenie do pracy potrzebuje energii elektrycznej. Obalamy stereotypy O pompach ciepła pisze się, że są znane i popularne od dawna (choć jeszcze nie w Polsce), że są ekologiczne, a eksploatacja jest tania (znamy w BD domy 200-300-metrowe, których roczny koszt ogrzewania wynosi ok. 1000 zł), że dom nie musi mieć instalacji... kominowej. Jednak wszystkie pozytywne argumenty przytłacza stereotypowy pogląd, że taka inwestycja jest bardzo kosztowna. A my twierdzimy, że inwestycja nie musi być droga, a ogrzewanie wyjdzie nam nie tanio, a rewelacyjnie tanio. Trzeba tylko spełnić kilka warunków, które sprawią, że będzie to najbardziej optymalne rozwiązanie. Ogrzewanie wodą gruntową, czyli tzw. system woda-woda jest najłatwiejszy i najtańszy inwestycyjnie. Zapewnia też uzyskanie wysokiej sprawności, a to za sprawą względnie wysokiej temperatury źródła ciepła, czyli wody gruntowej o temperaturze około 10°. To warunek uzyskania wysokiej sprawności systemu, gdyż zasadnicze znaczenie dla sprawności ma minimalizowanie różnicy temperatur między odbiornikiem a źródłem energii cieplnej. W przypadku niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego, różnica między temperaturą wody w rurach ogrzewania podłogowego (30°C) a temperaturą wody gruntowej dostarczającej ciepło (10°C) wynosi tylko 20°C. Gdybyśmy zastosowali ogrzewanie kaloryferami z temperaturą wody 60°C, ta różnica wyniesie aż 50°C i sprawność będzie dużo niższa. Jeśli myślimy o zastosowaniu pompy ciepła, to zapomnijmy o grzejnikach, a już zupełnym absurdem jest stosowanie (jakże częste) mieszanego systemu – ogrzewanie podłogowe na parterze, a kaloryfery na piętrze. Konstrukcja budynku, a w szczególności podłogi, powinna się charakteryzować dużą bezwładnością (pojemnością) cieplną, co pozwoli korzystać z poboru energii elektrycznej głównie w tańszej taryfie nocnej. Duża bezwładność cieplna oraz dobra termoizolacyjność budynku zapewnią stały komfort cieplny przy niskiej temperaturze grzania. Akceptując powyższe założenia, nie zważajmy na zasłyszane opinie i przeczytane gdzieś informacje o maksymalnie wysokich kosztach takiego przedsięwzięcia, skontaktujmy się z profesjonalną firmą wyspecjalizowaną w systemach grzewczych z zastosowaniem pomp ciepła. Dopiero analiza projektu naszego domu i powierzchni działki oraz poziomu wód gruntowych pozwolą na oszacowanie rzeczywistych kosztów. Przedtem nie zaszkodzi poznać kilka szczegółów i aspektów systemu ogrzewania pompą ciepła. Tanie „paliwo” Systemy grzewcze z wykorzystaniem pomp ciepła bazują w zasadzie na energii słonecznej, zbieranej i magazynowanej w doskonałym naturalnym kolektorze, jakim jest ziemia. Woda gruntowa, na głębokości większej niż 6 m, ma w zasadzie stałą temperaturę, niezależnie czy jest zima czy lato. Wynosi ona w Polsce około 10°C, chociaż należy liczyć się ze zmianami w przedziale 7-12°C. Najrozsądniejszym, najtańszym inwestycyjnie sposobem pobierania ciepła z gruntu jest pompowanie wody z głębokości poniżej 6 m – lustro wody gruntowej może być na poziomie wyższym, np. 1 lub 2 m pod powierzchnią gruntu. System grzewczy oparty na wodzie gruntowej jako źródle ciepła, jest nazywany systemem woda-woda. Ciepło pobierane z wody gruntowej jest przekazywane w pompie ciepła wodzie, krążącej w układzie zamkniętym ogrzewania podłogowego. Trzeba zbudować dwie studnie – jedną do poboru wody, drugą do odprowadzenia (zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z pompy ciepła (patrz schemat przy tytule). W typowych warunkach geologicznych, gdy woda jest czerpana z warstwy wodonośnej na głębokości 6-30 m, koszt budowy takich dwóch studni wynosi około 2000 zł. Odległość między tymi dwiema studniami powinna być jak największa – co najmniej 15 m. Chodzi o to, żeby chłodna woda zrzucana nie mieszała się z wodą czerpaną i nie obniżała jej temperatury. Zwykle przyjmuje się, że wymagana wydajność studni czerpalnej powinna wynosić 1,5-3 m3/h. Analizując obliczenia w ramce na następnej stronie zorientujemy się, jakiej ewentualnie pompy wodnej będziemy potrzebować. Wydajność ok. 30 l/min zapewni malutka pompka samozasysająca o mocy rzędu 200 W. Przewymiarowanie pompy spowoduje, że za prąd zużywany na czerpanie wody zapłacimy tyle samo, co za energię elektryczną zużywaną przez pompę ciepła. Podobnie nieoptymalne jest korzystanie ze wspólnej pompy wodnej – do wody użytkowej i do studni czerpalnej dla ogrzewania pompą ciepła. Zazwyczaj pompa wykorzystywana do wody użytkowej ma moc około 1 kW, a więc o wiele za dużą dla potrzeb systemu grzewczego z pompą ciepła. |
|
Zasada działania Działanie pompy ciepła polega na cyklicznej zmianie stanu fizycznego czynnika (najczęściej jest to freon) krążącego w obiegu termodynamicznym – sprężanie, skraplanie, rozprężanie, parowanie. Sprężarka zasilana prądem elektrycznym spręża parę freonu, w wyniku czego wzrasta temperatura tej pary. W skraplaczu gorąca para oddaje swoje ciepło wodzie krążącej w instalacji grzewczej i w wyniku ochładzania para ulega skropleniu. Następnie ciekły, sprężony freon przepływa przez zawór rozprężny i następuje jego gwałtowne schłodzenie. Zimny freon, przepływając pod niskim ciśnieniem przez parownik, ogrzewa się pobierając ciepło z czynnika roboczego (woda lub solanka) dolnego źródła. W wyniku ogrzania, freon odparowuje i gorąca para jest zasysana przez sprężarkę. Cały cykl się powtarza. Opis może wydawać się trudny, a przecież każdy ma z nim do czynienia na co dzień! Tak działa bowiem lodówka. Z jej wnętrza, czyli z produktów żywnościowych, jest „wypompowywane” ciepło i oddawane na zewnątrz – do pomieszczenia. Zatem lodówka grzeje pomieszczenie zabierając ciepło z jej chłodnego wnętrza. Wyobraźmy sobie teraz, że do wnętrza lodówki w ciągłym obiegu wpływa ze studni woda o temperaturze 10°C i wypływa po schłodzeniu do 5°C a następnie jest „zrzucana” do innej studni. Wówczas cały czas woda dostarcza do wnętrza lodówki ciepło, które jest z niej zabierane i oddawane na zewnątrz lodówki. Oczywiście, żeby pobrać ciepło z „zimniejszego” i przenieść do „cieplejszego” trzeba dostarczyć energię elektryczną do sprężarki, która jest najważniejszym elementem lodówki (pompy ciepła). Ogrzewanie niską temperaturą Ogrzewanie pompą ciepła ma sens wtedy, gdy zastosujemy w całym domu niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe. Współczynnik sprawności pompy ciepła, czyli stosunek dostarczanej energii cieplnej Q do pobranej energii elektrycznej Qe, jest wyrażony zależnością:
gdzie T1 i T2 są wyrażonymi w Kelwinach temperaturami źródła (T1) i odbiornika ciepła (T2), a hp jest wewnętrzną sprawnością pompy ciepła wyrażoną w procentach (60%). Wraz ze zmniejszaniem różnicy temperatur (T2-T1) odbiornika (źródła górnego) i źródła ciepła (źródła dolnego) sprawność systemu ogrzewania z pompą ciepła silnie rośnie. Ze wzoru na COP wynika, że największe korzyści uzyskujemy przy niskotemperaturowym ogrzewaniu podłogowym (nastawionym na ok. 28-30°C) i zastosowaniu wody gruntowej jako dolnego źródła ciepła (ok. 10°C). W tej konfiguracji różnica między T2-T1 przyjmuje najmniejsze wartości (20-25 K), czyli współczynnik COP osiąga wartości największe, rzędu 800%. Rzeczywista sprawność całego systemu grzewczego jest nieco niższa, ze względu na konieczność zasilania urządzeń pomocniczych (pompa wodna i pompy obiegowe). Zdecydowanie należy odradzić stosowanie ogrzewania z pompą ciepła wraz z kaloryferami lub w systemie mieszanym kaloryferowo – podłogowym. Minimalna temperatura źródła górnego (c.o. z kaloryferami) musi wynieść wówczas 50°C, współczynnik COP spada do wartości ok. 4. Jeśli dolnym źródłem będzie nie woda gruntowa (ok. 10°C) lecz solanka w kolektorze (ok. 0°C), to współczynnik COP spada do jeszcze niższych wartości 2,5-3. Przepada w ten sposób podstawowy walor pompy ciepła, jakim są niskie koszty ogrzewania. Ogrzewanie podłogowe o temperaturze czynnika grzewczego ok. 28-30°C może być niewystarczające w łazience. Tutaj dobrym rozwiązaniem jest uzupełnienie wodnego ogrzewania podłogowego dodatkowym ogrzewaniem elektrycznym, włączanym jedynie w chwili korzystania z niej. Zastosowanie niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego do 30°C (z wodą gruntową ok. 10°C) zapewnia nie tylko najwyższą sprawność COP, ale również najwyższą moc pompy ciepła. Trzeba o tym wiedzieć, aby nie przewymiarować pompy ciepła i osiągnąć jak najniższe koszty ogrzewania. Pamiętajmy, że często w katalogach określa się moc pompy ciepła dla parametrów 50/0°C, czyli przy założeniu ogrzewania domu grzejnikami zasilanymi wodą o temperaturze 50°C i pobierania ciepła z gruntu za pośrednictwem solanki o temperaturze 0°C. Przy takich parametrach współczynnik sprawności pompy ciepła o mocy na przykład 7,3 kW wyniesie COP=3,1. Ta sama pompa dla parametrów 35/10°C (ogrzewanie ścienne o temperaturze zasilania 35°C oraz woda gruntowa o temperaturze 10°C) osiąga moc 11,3 kW oraz COP=5,4. Zarówno osiągana moc jak i COP będą jeszcze wyższe dla parametrów 28/10°C. Dobierając pompę ciepła zwróćmy szczególną uwagę, by jej moc nie była za duża dla naszych konkretnych warunków, tj. dla temperatur T2, T1 – źródła górnego i dolnego. |
Niedogodności do pokonania
Nie zawsze warunki gruntowo-wodne będą korzystne dla wyboru tego systemu. Podstawowym przeciwwskazaniem może być niski poziom lustra wody gruntowej, co wymusi zastosowanie droższych rozwiązań. Będą wówczas konieczne głębokie wiercenia i pompy głębinowe.
Możemy również obawiać się o zbyt krótką żywotność studni – zarówno czerpalnej, której wydajność z czasem może się obniżyć, jak też zrzutowej, której chłonność może nie być wystarczająca po pewnym czasie.
Ewentualnej degradacji studni wierconej nie należy spodziewać się wcześniej niż po 15-20 latach. A jeżeli to wcześniej czy później nastąpi nie będzie wielkim problemem finansowym ani technicznym wywiercenie nowych studni. Zatem tym ograniczeniem nie powinniśmy się nadmiernie przejmować.
Innym kłopotem w systemie woda-woda może być jakość wody. Niekorzystna jest wysoka zawartość w niej żelaza oraz manganu, jak również zbyt duża twardość. Do producenta pompy ciepła będzie należała ocena, czy parametry jakościowe wody mogą istotnie wpłynąć na zniszczenie lub złą pracę urządzenia.
Jeśli wskazane ograniczenia uniemożliwiają budowę systemu ogrzewania woda-woda, to pozostaje jeszcze rozwiązanie powietrze-woda lub grunt-woda, w których trzeba zastosować specjalne kolektory. W naszym klimacie, gdzie w zimie występują temperatury -20°C, system powietrze-woda jest całkowicie nieracjonalny. Natomiast system grunt-woda wymaga zastosowania kolektora ziemnego jako źródła dolnego. Kolektorem jest rura długości około 100-300 m, wypełniona solanką. Gdy jest ułożona płasko, spiralnie lub pionowo, odpowiada to określeniu jej jako kolektora płaskiego, spiralnego lub pionowego. Te alternatywne rozwiązania są, oczywiście, droższe inwestycyjnie od systemu woda-woda – przynajmniej o 10-20 tysięcy złotych.
Dom jak termos
Bardzo istotne znaczenie dla kosztów ogrzewania domu pompą ciepła mają właściwości termiczne domu. W źle izolowanym domu zastosowane niskotemperaturowe ogrzewanie o dużej bezwładności może okazać się całkowicie niewydajne w kontekście oszczędności kosztów eksploatacyjnych. Niemożliwe też stanie się korzystanie głównie z tańszej, nocnej taryfy energii elektrycznej.
Poza dobrą termoizolacyjnością potrzebna jest również duża pojemność (bezwładność) cieplna domu. Można ją osiągnąć przez zaprojektowanie ścian wewnętrznych z materiałów o dużej gęstości (pełna cegła ceramiczna lub silikatowa, beton i inne). Masywna powinna być też płyta fundamentowa, zaizolowana termicznie od ziemi, spełniająca równocześnie rolę wylewki grzejnej. Wbrew często głoszonym poglądom, wysoka pojemność termiczna nie powoduje strat ciepła. Jest bardzo korzystna, ponieważ zapewnia stabilność temperatury wewnątrz domu – ściany oraz podłoga dobrze nagrzewają się, długo magazynują ciepło i można dzięki temu zmniejszyć intensywność pracy pompy.
Trzeba też starannie zaprojektować i wykonać wylewkę grzejną, by miała dużą pojemność termiczną. Wylewka o dużej pojemności, wykonana z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym (np. beton) dobrze odbiera i magazynuje ciepło przekazywane przez niskotemperaturowy czynnik grzewczy. Przy wylewce o dużej pojemności cieplnej możliwe jest ogrzewanie jedynie w czasie nocnej taryfy energii elektrycznej, bez odczuwalnych wahań temperatury.
Optymalny system ogrzewania domu pompą ciepła wymaga konstrukcji domu charakteryzującej się nie tylko bardzo dobrą izolacyjnością ścian, podłóg i dachu. Dobra izolacja cieplna to również szczelne okna, co może przemawiać za celowością zastosowania wentylacji mechanicznej. Jeśli już mamy zastosować wentylację mechaniczną to najlepiej z rekuperatorem, do którego powietrze pobierane jest przez czerpnię gruntową.
Wiktor Marcinkowski
