Pompy ciepła są relatywnie nowym rozwiązaniem w systemie ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej. W związku innowacyjnością urządzeń często pojawia się wiele pytań i wątpliwości czy spełnią one swoją funkcję i usatysfakcjonują użytkownika obiektu. W celu ich rozwiania zachęcamy do zapoznania się z tym rozdziałem.

W jaki sposób pompa ciepła wykorzystuje energię odnawialną?


Dobrze wszystkim znane kotły wszelkiego typu (gazowe, olejowe, węglowe) wytwarzają ciepło poprzez wykorzystanie energii elektrycznej i/lub zawartej w paliwie. Pompa ciepła natomiast działa jako ‘urządzenie transportowe’ i przetłacza energię z otoczenia do instalacji wewnętrznej. Zrozumienie schematu w jakim się to odbywa jest bardzo proste i opiera się na podstawowych zasadach termodynamiki. Naturalnie w środowisku, temperatury obiektów zawsze dążą do wyrównania się a więc ciepło przepływa z obiektu o wyższej temperaturze do tego o obniżonej jej wartości. Pompa ciepła, ma za zadanie zmianę kierunku tego przepływu. Ponadto, umieszczona w niej sprężarka dzięki energii napędowej powoduje gwałtowny skok ciśnienia, a więc i wzrost temperatury, pobranego czynnika. Ciepło to może zostać wykorzystane do ogrzania budynku lub przygotowania ciepłej wody. Na tej samej zasadzie opiera się praca lodówek i chłodziarek, z ich wnętrza odprowadzane jest ciepło z produktów i wyprowadzane na zewnątrz w postaci ciepłych ‘pleców’ urządzenia.

 

Co może być źródłem ciepła dla pompy ciepła?

Pompa ciepła pobiera ciepło z otoczenia a więc jego źródłem może być powietrze, woda i grunt. Każde z nich charakteryzuje się innymi cechami i możliwościami zastosowania.

Grunt

Grunt charakteryzuje się względnie stabilną temperaturą na przestrzeni roku stąd też jest chętnie wykorzystywanym źródłem ciepła (i chłodu w okresie letnim). Odbieranie energii z gruntu może odbywać się na 2 sposoby: poprzez sondy pionowe lub kolektory poziome. To, które rozwiązanie można zastosować zależy ściśle od rodzaju gruntu oraz wielkości i sposobu zagospodarowania działki. Sondy pionowe sięgają dużo głębiej (50-200m) a więc odbierają z gruntu znacznie wyższą temperaturę jednak ich wykonanie wymaga pracy ciężkiego sprzętu oraz wiąże się z wysokimi nakładami inwestycyjnymi i jest wręcz niemożliwe jeśli głębokie warstwy gruntu stanowi podłoże skaliste. Prace takie obarczone są również większym ryzykiem popełnienia błędu ze względu na utrudnienia w kontroli dokładności obsypania odwiertu na dużych głębokościach. Problemy te nie występują w przypadku kolektorów poziomych. Są to pętle rur ułożone poniżej poziomu przemarzania gruntu ale nadal na tyle płytko aby zarówno prace montażowe jak i kontrola poprawności ułożenia kolektora nie przysparzały kłopotu. Konieczna jest natomiast odpowiednio duża powierzchnia działki, która dodatkowo nie powinna być pokryta nawierzchnią utwardzoną (chodnikiem, podjazdem, asfaltem) i mocno zacieniona.

Charakterystyka gruntu jako dolnego źródła ciepła w pigułce:
• Stabilna temperatura w ciągu roku
• Niewielkie wahania ilości pozyskiwanej energii w ciągu roku
• Brak konieczności rozmrażania parownika
• Możliwość chłodzenia w okresie letnim
• Inwestycja wymagająca rozbudowanych prac ziemnych
• Wymagana duża powierzchnia działki (kolektor poziomy)
• Wymagane pozwolenie wodno prawne (sondy pionowe)

Powietrze

Powietrze zewnętrzne, pomimo mniejszej stabilności temperaturowej i znacznych jej wahań w ciągu roku jest najczęściej wybieranym źródłem ciepła. Jego dostępność jest niewyczerpalna, niezależna od lokalizacji, rozmiaru działki, nie wymaga pozwoleń ani prowadzenia prac ziemnych. Nowoczesne pompy ciepła radzą sobie z ogrzewaniem budynków nawet przy temperaturach zewnętrznych sięgających -20°C,a jeśli rozpatrujemy wariant pompy uwzględniający przygotowanie ciepłej wody w okresie letnim to system wykorzystujący powietrze zewnętrzne jest bezkonkurencyjny – osiągane są te same efekty co w przypadku pomp gruntowych przy minimalnych nakładach inwestycyjnych.
Charakterystyka powietrza jako dolnego źródła ciepła w pigułce:
• Niestabilna temperatura w ciągu roku
• Ilość pozyskiwanej energii obniża się wraz ze spadkiem temperatury otoczenia
• Konieczne odmrażanie parownika
• Brak konieczności wykonania prac ziemnych
• Niezależna od wielkości działki i rodzaju gruntu
• Nie wymaga zezwoleń
• Najlepsze rozwiązanie w przypadku modernizacji obiektów na zagospodarowanych działkach

Woda

Wody gruntowe czy powierzchniowe są najstabilniejszym i najkorzystniejszym energetycznie źródłem ciepła. Niestety ich wykorzystanie jest wyjątkowo trudne. Konieczne jest posiadanie zbiornika wodnego o odpowiednio dużej powierzchni dna na własnej działce a w przypadku wykorzystania wód gruntowych uzyskanie pozwoleń oraz kosztowne wiercenia. Wysoka mineralizacja wody może doprowadzić do uszkodzenia (zamulenia) wymiennika czy przewodów a zastosowanie wymienników pośrednich znacznie obniża efektywność pracy układu. To rozwiązanie jest zdecydowanie najrzadziej wybieraną formą dolnego źródła ciepła.

Tradycyjne kotły kontra nowoczesne pompy ciepła

Ogrzewanie budynku za pomocą tradycyjnych kotłów, nawet tych nowoczesnych, poza zakupem i montażem samego urządzenia zawsze będzie wiązało się z doprowadzeniem przyłącza (gaz) lub dostawami, składowaniem i podawaniem materiału opałowego. Wygodniejszą, prostszą, bezpieczniejszą i coraz częściej wybieraną alternatywą są pompy ciepła. Nie wykorzystują one żadnego materiału opałowego a więc nie odbywa się tu proces spalania przez co eliminowane jest ryzyko związane z pożarem lub wyciekiem oleju czy gazu. Ponadto, nie ma konieczności budowy komina co warunkuje obniżenie nakładów inwestycyjnych jeśli pompa ciepła zostanie wybrana już na etapie projektu. Dodatkowo zauważalna jest oszczędność miejsca – zarówno ze względu na kompaktowe wymiary urządzenia jak i rezygnację ze zbiornika na paliwo. Urządzenie pracuje wyjątkowo cicho, jest bezobsługowe, nie wymaga przeglądów, charakteryzuje się estetycznym wyglądem i czystą pracą

Pompa ciepła a modernizacja

Wieloletnie obiekty wyposażone w przestarzałą, wysokotemperaturową instalację centralnego ogrzewania wbrew pozorom mogą być zasilane pompą ciepła! Nawet jeśli nie planuje się zmian w samej instalacji (wymiana grzejników) to już docieplenie budynku czy wymiana stolarki okiennej i drzwiowej zapewnia zmniejszenie strat ciepła przez przenikanie do tego stopnia, że zastosowane grzejniki będą miały wystarczającą powierzchnię do ogrzania pomieszczenia nawet przy obniżeniu ich temperatury zasilania. Jeżeli jednak mimo modernizacji konieczne jest uzyskanie czynnika o wysokiej (70°C) temperaturze rozwiązaniem są pompy wysokotemperaturowe, które są często wybierane przy przebudowach wielkopowierzchniowych wyspecjalizowanych obiektów. Przy modernizacji zawsze jednak zalecane jest rozważenie dostosowania instalacji wewnętrznej do pracy z pompą ciepła. Najprostszym sposobem (nie wymagającym prac budowlanych związanych z ułożeniem niskotemperaturowego ogrzewania płaszczyznowego) jest zastosowanie grzejników konwektorowych z wentylatorem w miejsce tych istniejących, tradycyjnych. Pozwala to na zachowanie wymaganych temperatur w pomieszczeniach przy obniżonej temperaturze czynnika zasilającego. Ma to ogromny wpływ na spadek kosztów eksploatacyjnych pracy systemu na poziomie 2,5% oszczędności przy obniżeniu temperatury dopływu o 1°C.

Czy latem pompa ciepła umożliwi chłodzenie domu?

Tak! Zimą pobierane jest ciepło z otoczenia i dostarczane do instalacji natomiast w okresie letnim można je odebrać z wnętrza budynku ‘wyrzucając’ na zewnątrz. W zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła chłodzenie może być aktywne lub pasywne. Aktywne polega na odwróceniu obiegu pracy pompy ciepła i stosuje się je w rewersyjnych pompach powietrznych. W tym przypadku, ze względu na wysoką temperaturę powietrza zewnętrznego w okresie letnim, nie ma możliwości rezygnacji z pracy sprężarki jednak odprowadzane ciepło może zostać wykorzystane na potrzeby podgrzania ciepłej wody użytkowej czy tez basenu. Rezygnacja z aktywnego załączania sprężarki pojawia się w przypadku pomp wodnych i gruntowych. Czynnik krążąc odbiera ciepło z wnętrza pomieszczenia i, omijając sprężarkę, trafia bezpośrednio do kolektora wodnego/gruntowego gdzie to ciepło oddaje i ulega schłodzeniu. Oba wyżej wymienione systemy są korzystniejsze niż chłodzenie aktywne przy tradycyjnym źródle ciepła – nie wymagają zastosowania urządzeń klimatyzacyjnych w każdym z pomieszczeń oraz budowy dodatkowego, kosztownego systemu.

Samodzielna i wspomagana praca pompy ciepła.

Każda pompa ciepła może pracować samodzielnie jednak nie zawsze jest to wymagane. Przy modernizacjach często pozostawia się dotychczasowe źródło ciepła jako alternatywne natomiast przy nowych obiektach, szczególnie przy pompach powietrznych, zaleca się dobór pompy na 80% zapotrzebowania na energię budynku ze względu na stosunkowo rzadkie występowania najniekorzystniejszych obliczeniowych warunków zewnętrznych oraz w celu zbilansowania nieznacznie wyższych kosztów eksploatacyjnych obniżonymi nakładami inwestycyjnymi na urządzenie o mniejszej mocy.

Monowalentny tryb pracy

Przy tym rozwiązaniu pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania na ciepło budynku i nie wymaga dodatkowego wspomagania. Zwyczajowo, pompy gruntowe i wodne używane są w monowalentnym trybie pracy ze względu na większą stabilność temperaturową dolnego źródła ciepła w skali roku. Powietrzne pompy ciepła również mogą pracować w tym trybie jednak nie zawsze jest to najrozsądniejsze i najbardziej ekonomiczne rozwiązanie.

Monoenergetyczny tryb pracy

W tym trybie pompa ciepła jest wiodącym źródłem energii cieplnej. W momencie wystąpienia najniekorzystniejszych warunków pogodowych wspomagana jest pracą grzałki elektrycznej. W dalszym ciągu, oba generatory zasilane są jedną formą energii, prądem – stąd nazwa monoenergetyczne. Rozwiązanie to jest szczególnie polecane w powietrznych pompach ciepła ze względu na występowanie skrajnie niskich temperatur otoczenia jednak jedynie w ciągu kilkunastu dni w skali roku a więc montaż urządzenia większej mocy byłby nieopłacalny. Wieloletnie badania pokazują, że dodatkowa grzałka pokrywa jedynie poniżej 5% rocznego zapotrzebowania na ciepło obiektu.

Tryb biwalentny

W tym trybie praca pompy ciepła w najniekorzystniejszych okresach wspomagana jest przez alternatywne źródło ciepła. Rozwiązanie to ma zastosowanie najczęściej w modernizowanych obiektach gdzie istniejący kocioł jest sprawny i zostaje wykorzystany do współpracy z pompą ciepła.

Modernizacja instalacji i montaż pompy ciepła – czy to się opłaca?

Tak! Jeśli rozpatrujemy modernizację z pewnością obecnie pracująca instalacja jak i kocioł nie są najnowocześniejsze co oznacza zwiększone zużycie paliwa oraz straty energii w niezaizolowanych rurociągach. Należy również pamiętać, że niezależnie od tego czy posiadamy kocioł olejowy, gazowy czy na paliwo stałe jesteśmy uzależnieni od jego dostaw i cen narzucanych przez dystrybutorów. Pompa ciepła natomiast gwarantuje wykorzystanie energii z niewyczerpalnych i niezależnych źródeł dodatkowo chroniąc środowisko. Jeśli decydujemy się na modernizację tylko samego źródła ciepła doskonałym rozwiązaniem będzie wysokotemperaturowa pompa ciepła jednak wartym rozważenia jest docieplenie budynku i wymiana jego stolarki. Nie dość, że zmniejszy to straty ciepła przez przenikanie to dodatkowo sprawi, że nawet tradycyjne grzejniki (nie niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe) będą miały powierzchnię wystarczającą do ogrzania pomieszczeń nawet przy wykorzystaniu pompy ciepła dającej czynnik zasialjący o temperaturze 35-50°C. W dużym stopniu przełoży się to na obniżenie kosztów eksploatacyjnych systemu ogrzewania.

Co należy uwzględnić przy modernizacji system ogrzewania?

Prawidłową pracę pompy ciepła zapewni dopasowanie do niej instalacji grzewczej. Często, już niewielkie zmiany jak wymiana pompy obiegowej na instalacji, usprawnia współpracę systemów. W niektórych przypadkach układu z pompą ciepła standardowe, istniejące grzejniki mogą być nadal używane jeśli budynek zostanie odpowiednio zaizolowany a stolarka okienna i drzwiowa wymieniona na taką o korzystniejszych współczynnikach przenikania ciepła. Najbardziej polecanym rozwiązaniem jest jednak wymiana grzejników na ogrzewanie płaszczyznowe (jeśli można pozwolić sobie na znaczny zakres robot budowlanych) lub konwektory wentylatorowe (wstawiane w miejsce obecnych grzejników). Jest to układ idealnego dopasowania parametrów instalacji do pracy pompy ciepła i dzięki temu całość będzie działała najefektywniej. Należy pamiętać, że mimo pozornie wysokich nakładów inwestycyjnych (nowe grzejniki, pompa ciepła) przy długoterminowej eksploatacji odnotowane zostaną znaczne oszczędności gdyż obniżenie temperatury zasilania o 1°C to obniżenie kosztów o 2,5%!