System grzewczy z pompą ciepła. Jaką pompę ciepła wybrać?

Na etapie projektowania domu musimy podjąć decyzję o wyborze źródła ciepła. Spośród dostępnych rozwiązań największym zainteresowaniem w segmencie urządzeń wykorzystujących OZE cieszą się pompy ciepła. Należy przeanalizować, kiedy warto je zastosować i jaki rodzaj urządzenia wybrać.

Spis treści

1. Dolne źródła ciepła
2. Dobór mocy
3. Kiedy warto wybrać pompę ciepła
4. Ogrzewanie klimatyzatorem
5. Wydajność powietrznych pomp ciepła

Zasada działania pompy ciepła nie jest niczym nowym – w największym uproszczeniu cały proces polega na przekazywaniu do instalacji grzewczej budynku (zwanej źródłem górnym) energii cieplnej dostępnej w jego otoczeniu (źródło dolne) – w wodzie, gruncie oraz w powietrzu. Pompa ciepła nie wytwarza zatem energii cieplnej w sposób bezpośredni, ale pośredniczy w jej transporcie między źródłem dolnym a górnym. Dzięki wykorzystaniu przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego może powodować wzrost temperatury wody grzewczej nawet do 60°C.

Tradycyjny obieg pompy ciepła składa się z czterech podstawowych elementów: parownika, sprężarki, skraplacza i zaworu rozprężnego. Najważniejsza jest sprężarka, która z definicji odpowiada za sprężanie czynnika chłodniczego. To dzięki niej pompa może przekazywać ciepło z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze.

Obecnie na rynku możemy spotkać dwa rodzaje sprężarek: pracujące na zasadzie on-off oraz inwerterowe. Te drugie cechują się płynną regulacją prędkości obrotowej i wynikającej z tego mocy w zakresie np. od 30 do 100%, co pozwala na dostosowanie wydajności pompy ciepła do aktualnych potrzeb cieplnych budynku.

Dolne źródła ciepła

Dolne źródło ciepła ma za zadanie dostarczyć odpowiednią ilość energii cieplnej niezbędnej do odparowania parownika. Z tego względu najlepszym dolnym źródłem dla pomp ciepła jest środowisko naturalne, czyli:

• powietrze (zewnętrzne lub wywiewane);
• wody powierzchniowe;
• grunt;
• wody gruntowe;
• ścieki.

Zwróćmy uwagę, że w budownictwie jednorodzinnym mamy ograniczone możliwości wyboru wszystkich dostępnych dolnych źródeł ciepła. Dlatego spośród wymienionych najczęściej możemy spotkać te wykorzystujące powietrze zewnętrzne (pompy ciepła powietrze-woda i powietrze-powietrze) albo grunt (solanka-woda i glikol-woda).

Wybór odpowiedniego źródła ciepła jest zdeterminowany położeniem domu, w którym zlokalizowane będzie ogrzewanie pompą ciepła, oraz naturalnymi warunkami środowiskowymi panującymi wokół niego. Aby podjąć decyzję o wyborze najkorzystniejszego rodzaju dolnego źródła ciepła, na etapie projektowania budynku warto zlecić projektantowi branżowemu przeprowadzenie analizy techniczno-ekonomicznej porównującej różne rozwiązania. Może ona zawierać nie tylko koszty eksploatacyjne, ale również szacowane nakłady inwestycyjne, które w wielu przypadkach mogą mieć decydujący wpływ na wybór urządzenia. Przyjrzyjmy się dokładniej poszczególnym dolnym źródłom ciepła i sprawdźmy, czym się charakteryzują.

Powietrze atmosferyczne

Najłatwiejsze do wykonania i najmniej kosztowne w ujęciu jest wykorzystanie powietrza zewnętrznego jako dolnego źródła pompy ciepła. Jest ono dostępne dla każdej inwestycji, dlatego to rozwiązanie cieszy się największą popularnością. Instalowanie pomp powietrznych jest mało kłopotliwe – wymaga wykonania postumentu, na którym ustawia się agregat zewnętrzny, oraz orurowania chłodniczego do jednostki wewnętrznej zlokalizowanej w budynku. Dzięki temu bez znacznych przeróbek w instalacji możemy zastosować powietrzne pompy ciepła także w istniejących domach z instalacją grzejnikową.

Obecnie na rynku znajdziemy powietrzne pompy ciepła, które bez problemu radzą sobie z uzyskaniem temperatury wody grzewczej rzędu 60°C przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego. Warto wspomnieć, że jako dolne źródło może też być wykorzystane powietrze wewnątrz domu. Takie rozwiązanie jest stosowane zwykle przy zasobnikach na ciepłą wodę użytkową z wbudowaną pompą ciepła małej mocy, zwaną potocznie pompą ciepła do c.w.u. Należy jednak liczyć się z tym, że możemy znacznie wychłodzić budynek oraz wywołać efekt podciśnienia w pomieszczeniach. Przy pompach ciepła powietrze-powietrze, powszechnie nazywanych klimatyzatorami, możemy bez problemu wykorzystać powietrze wewnętrzne do ogrzewania pomieszczeń, np. przy wykorzystaniu klimatyzatora kanałowego, który zasysa powietrze, ogrzewa je i wypuszcza z powrotem.

Przeczytaj również:

• Czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła - rodzaje i właściwości
• Czy warto zamontować pompy ciepła w budynkach istniejących? Czy trzeba wymienić grzejniki?

Grunt

Jest bardzo dobrym akumulatorem ciepła, ponieważ przejmuje energię promieniowania słonecznego i magazynuje ją na małych głębokościach. W głębszych warstwach ziemi, poniżej 20 m, zakumulowana jest również energia pochodząca z jej gorącego wnętrza. Grunt jest bardzo dobrym źródłem ciepła do ogrzewania pomieszczeń, ponieważ w okresie największego zapotrzebowania na ciepło (od października do marca) jego temperatura jest wyższa od temperatury powietrza. Jednak do pozyskiwania jego energii potrzebne są dość kosztowne instalacje – kolektor gruntowy poziomy lub pionowy.

Najprostszym sposobem pozyskiwania energii z gruntu jest wykonanie kolektora poziomego, który jest stosunkowo łatwy w realizacji, ale wymaga dużej powierzchni czynnej – niezabudowanej i nieutwardzonej. Wykonuje się go z rur z polietylenu wypełnionych roztworem glikolu, układanych pod powierzchnią przemarzania gruntu. Grunt musi mieć zdolność do regeneracji, dlatego powinien mieć kontakt z promieniowaniem słonecznym. W przeciwnym razie spada jego pojemność cieplna, a tym samym wydajność pompy ciepła, co skutkuje większym zużyciem energii elektrycznej.

Alternatywą dla kolektora poziomego są odwierty pionowe. Wykonuje się je, gdy na działce brakuje miejsca na kolektor poziomy. Takie odwierty mają głębokość od 50 do nawet 150 m. W praktyce robi się ich zwykle kilka o mniejszej głębokości. Odległość między nimi nie powinna być mniejsza niż 5 m. Odwiert powyżej 100 m wymaga zatwierdzenia projektu robót geologicznych, a to wiąże się z dodatkowym kosztem i wydłuża czas trwania inwestycji. W odwiertach umieszczane są pionowe odcinki rur polietylenowych łączone na dole U-kształtką. Niezależnie od rodzaju wymiennika, jego rury są wypełnione roztworem glikolu, który krążąc w nich, odbiera ciepło od gruntu.

Wadą tego rozwiązania jest duży koszt realizacji robót. Do tego wydajność wymiennika zależy od warunków gruntowych. Największą zdolność do akumulacji ciepła wykazuje grunt o największej wilgotności. Suchy, piaszczysty nie ma wystarczającej pojemności cieplnej.

Woda

Bardzo dobrym nośnikiem energii cieplnej są wody gruntowe. Charakteryzują się stałą średnioroczną temperaturą rzędu 5–12°C. Dzięki temu, że zimą woda ma stosunkowo wysoką temperaturę, pompa ciepła uzyskuje większą moc, a co za tym idzie – zwiększa się współczynnik COP oraz zmniejszają się koszty pracy pompy ciepła.

Z tym rodzajem dolnego źródła ciepła mogą współpracować wyłącznie pompy ciepła woda-woda. By wykorzystać wody gruntowe, musimy mieć co najmniej dwie studnie głębinowe – studnię czerpalną, z której pobierana jest woda do parownika, oraz studnię zrzutową – do której odprowadzana jest woda schłodzona przez pompę ciepła. Takie studnie trzeba wykonać w sporej odległości od siebie, aby zapobiec mieszaniu się wody ciepłej i schłodzonej.

Alternatywą dla wód gruntowych są powierzchniowe: rzeki, stawy oraz jeziora. W takim rozwiązaniu kolektor poziomy wypełniony czynnikiem chłodniczym układa się na dnie zbiornika wodnego. Można to zrobić w okresie zimowym, kiedy tafla stawu jest zamrożona – układa się na niej pętle kolektora poziomego. W czasie topnienia lodu kolektor zapada się na dno stawu, przy czym trzeba zadbać, żeby zachował kształt zbliżony do pierwotnego.

Z uwagi na kłopotliwość montażu oraz duże koszty inwestycyjne związane z realizacją tego rodzaju przedsięwzięcia wodne dolne źródła ciepła nie są często stosowane w budownictwie mieszkaniowym. Dobrym dolnym źródłem ciepła mogą być też ścieki, jednak w gospodarstwie domowym ilość wyprodukowanych ścieków jest niewystarczająca, aby wykorzystywać je w procesie technologicznym do odbioru energii.

Dobór mocy

Wybierając pompę ciepła na potrzeby domu jednorodzinnego, w pierwszej kolejności musimy oszacować, jakiej mocy urządzenie będzie potrzebne do jego ogrzewania. Taką informację można znaleźć w charakterystyce energetycznej budynku, która jest załącznikiem do każdego projektu budowlanego. Znajdziemy tam wymagane potrzeby cieplne budynku w minimalnej temperaturze zewnętrznej występującej na danym obszarze, np. –20°C. Zapotrzebowanie na moc cieplną jest podawane w kW i zależy od powierzchni ogrzewanej w budynku, jego izolacji, rodzaju okien i typu wentylacji.

Przeglądając kartę produktową wybranej pompy cieplnej, możemy zauważyć, że producenci podają nominalną moc pompy ciepła zgodnie z wymaganiami normy EN 14511. Oznacza to, że moc powietrznych pomp ciepła jest podawana dla kryterium obliczeniowego A2/W35 (temperatura powietrza zewnętrznego 2°C, temperatura podgrzewanej wody 35°C). Gdy wynosi ona np. 9 kW, oznacza to, że w temperaturze powietrza zewnętrznego 2°C oraz dla nastawionej temperatury wody w instalacji grzewczej 35°C – wydajność grzewcza urządzenia wynosi 9 kW.

Inne kryteria, z jakimi możemy się spotkać, to A7/W35 oraz A-7/W35. Oznaczają one odpowiednio temperaturę powietrza zewnętrznego –7 i 7°C. W przypadku gruntowej pompy ciepła może być podawane oznaczenie B0/W35. Informuje o temperaturze czynnika chłodniczego 0°C oraz wody grzewczej 35°C. Te określenia warto znać, aby właściwie porównywać wydajność pomp ciepła dla określonej temperatury.

W przypadku powietrznych pomp ciepła należy pamiętać, że moc grzewcza wraz z niższą temperaturą powietrza zewnętrznego wyraźnie spada. Takie pompy wybiera się w oparciu o punkt temperatury biwalentnej. Jest to punkt przecięcia się krzywej mocy pompy ciepła z krzywą zapotrzebowania budynku na ciepło. Im niższa temperatura punktu biwalentnego, tym większy udział pompy ciepła w bilansie grzewczym budynku.

Pozostałe potrzeby grzewcze zapewnia inne urządzenie, np. grzałka elektryczna wbudowana w jednostkę wewnętrzną pompy ciepła. Opcjonalnie zamiast grzałki można wykorzystać dodatkowe źródło ciepła, np. kominek.

Kiedy warto wybrać pompę ciepła

Zawsze wtedy, gdy naszym priorytetem jest budowa domu w standardzie energooszczędnym, o możliwie niskich kosztach eksploatacji. Po pierwsze, zyskujemy bezobsługowe rozwiązanie grzewcze, które nie wymaga naszej ingerencji – oprócz ustawienia temperatury, jaka ma być utrzymywana w pomieszczeniach. Po drugie, energię potrzebną do napędu pompy ciepła możemy mieć za darmo – z własnej instalacji fotowoltaicznej. Pozwoli nam to również w dłuższej perspektywie uniezależnić się od rosnących cen paliw i energii, co w najbliższej przyszłości będzie nieuniknione.

Pompę ciepła warto wybrać wtedy, gdy w sąsiedztwie projektowanej inwestycji nie mamy możliwości podłączenia się do sieci gazowej lub ciepłowniczej, a także wtedy, gdy mamy dom ogrzewany kotłem na paliwo stałe i chcemy przejść na bezemisyjne źródło ciepła. W tym drugim przypadku warto wykonać audyt energetyczny, który określi opłacalność termomodernizacji i wymiany kotła na pompę ciepła. Wówczas możemy odpowiednio przygotować się do takiej inwestycji oraz dobrać urządzenie, które zapewni optymalne pokrycie potrzeb grzewczych budynku z uwzględnieniem istniejącej instalacji grzewczej. 

Ogrzewanie klimatyzatorem

Klimatyzatory powszechnie przyjęto traktować jako urządzenia chłodnicze, tymczasem z powodzeniem znajdują one zastosowanie także w rozwiązaniach grzewczych. Jeśli mamy do czynienia z budynkiem rekreacyjnym, do jego ogrzewania może posłużyć klimatyzator typu split, który będzie pracował w funkcji nadmuchu ciepłego powietrza. W swojej budowie klimatyzatory zasadniczo nie różnią się od pomp ciepła. Składają się z parownika i ze sprężarki w jednostce zewnętrznej oraz ze skraplacza w jednostce wewnętrznej. Ponieważ grzeją, nawiewając ogrzane powietrze, są w stanie w ciągu kilku minut podnieść temperaturę w pomieszczeniu do wybranej wartości.

W przypadku większych budynków, gdzie konieczne jest ogrzanie kilku pomieszczeń naraz, warto rozważyć wykonanie klimatyzatora kanałowego. Po podłączeniu do niego izolowanych, antybakteryjnych przewodów możemy rozprowadzić ogrzewane powietrze do wszystkich pomieszczeń. Przewody można zabudować w suficie podwieszonym, a króćce zakończyć nawiewnikami okrągłymi albo szczelinowymi. Najważniejszą zaletą zastosowania klimatyzatorów do ogrzewania jest możliwość chłodzenia pomieszczeń latem, co może być bardzo przydatne w domu letniskowym.

Wydajność powietrznych pomp ciepła

Im niższa temperatura powietrza, z którego pompa odbiera ciepło, tym mniejsza jest jej moc grzewcza. W skrajnym przypadku niska temperatura powietrza może spowodować wyłączenie urządzenia. Przed skutkami zmian mocy grzewczej ma chronić dodatkowe źródło ciepła w pompach powietrznych, np. grzałka trójstopniowa (np. 3/6/9 kW), która uruchamia się, gdy pompa przekroczy tak zwany punkt biwalentny.

Warto wiedzieć, że pompa ciepła osiąga tym wyższą sprawność grzewczą, im niższa jest temperatura wody w instalacji. Dlatego powinna być ona zaprojektowana jako niskotemperaturowa – o temperaturze zasilania do 55°C. Z tego względu najlepiej, gdy ciepło jest rozprowadzane w budynku przez ogrzewanie podłogowe lub ścienne, maty kapilarne, klimakonwektory bądź grzejniki niskotemperaturowe. Im większa różnica pomiędzy temperaturą zewnętrzną a temperaturą wody grzewczej w instalacji, tym niższy współczynnik efektywności COP pompy ciepła, a to oznacza wyższe koszty eksploatacji. Warto wspomnieć, że niektóre modele dostępne na rynku mogą pracować bez wspomagania grzałką elektryczną nawet w temperaturze do –28°C.