pompy ciepła

W temperaturze pokojowej przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym czynnik roboczy jest gazem. Z punktu widzenia termodynamiki stosowane w pompach ciepła czynniki to gazy lub ich mieszaniny powinny mieć jak najmniejszą temperaturę wrzenia i jak największy punkt krytyczny (temperatura w której czynnik występuje wyłącznie jako gaz, nie można go skroplić). Zasada działania pompy ciepła polega na przechodzeniu czynnika ze stanu ciekłego do gazowego. To właśnie zjawisko ogrzewania się sprężanego czynnika i ochładzanie się rozprężanego tkwi u podstawy działania pompy ciepła.

Technologicznie to sprężarka (w praktyce również pompy obiegowe i elektronika sterowania) jest tą częścią układu, który zużywa energię. Z tej perspektywy aby uzyskać jak najwyższą sprawność pompy ciepła COP czynnik powinien mieć możliwie niską pojemność cieplną i dobrze dobraną gęstość. Pojemność cieplna decyduje o stratach energii podczas skraplania i rozprężania czynnika. Gęstość decyduje o sprawności pracy sprężarki i oporze przepływu czynnika. Im większa gęstość tym większe opory przepływu czynnika, z drugiej strony mała gęstość powoduje spadek wydajności tłoczenia czynnika przez sprężarkę.

Bezpieczeństwo dla użytkowników i środowiska to kolejny decydujący o wyborze czynnika parametr. Popularne niegdyś freony np. R-12 albo R-22 mimo dobrych parametrów termodynamicznych nie są stosowane ze względu na niszczący wpływ jaki wywierają na środowisko. Ze względów bezpieczeństwa ograniczone jest zastosowanie jako czynnika propanu R-290 i izobutanu R-600a ze względu na łatwopalność a w odpowiednim stężeniu wybuchowość. Amoniak R-717 również jest palny i wybuchowy a do tego jeszcze bardzo toksyczny.

W praktyce w domowych instalacjach z pompą ciepła jako czynnik roboczy są wykorzystywane następujące gazy:

• R-134a,
• R-404A,
• R-407C,
• R-410A.

R-134a to czynnik jednorodny – tetrafluoroetan, R-404A, R-407C, R-410A to mieszaniny różnych gazów przy czym R-404A i R-407C to mieszaniny zeotropowe (wszystkie składniki mieszanki mają identyczną temperaturę skraplania i parowania) a R-410A to mieszanina azeotropowa (składniki parują i skraplają się w różnych temperaturach).

Stosowane obecnie czynniki zapewniają bezpieczeństwo zarówno ludziom jak i środowisku a parametry termodynamiczne są równie dobre jak w wycofanych z użycia freonach.

Pompa ciepła powietrze – woda sprawdza się w polskich jedynie jako wspomagające źródło ogrzewania. Dzieje się tak dlatego, że źródło ciepła jakim jest w tym przypadku powietrze atmosferyczne słabo spełnia swoje zadanie gdy temperatura spada poniżej zera. Odpada więc wykorzystanie pompy ciepła jako jedynego źródła ogrzewania podczas chłodnych miesięcy gdyż jej skuteczność spada gwałtownie właśnie wtedy kiedy najbardziej potrzebujemy ciepła. Realnie niski koszt wytworzenia ciepła przez pompę ciepła dla której źródłem ciepła jest powietrze możemy uzyskać gdy temperatura powietrza na dworze znajduje się w przedziale 0 – 10 °C.

Warto zwrócić uwagę na klimatyzatory z funkcją grzania. Z punktu widzenia termodynamiki zmieniany jest kierunek tłoczenia czynnika a parownik i skraplacz zamieniają się rolami. Taki układ musi posiadać dwa zawory dławiące przy czym tylko jeden spełnia rolę kapilary w danym momencie zależnie od tego czy urządzenie ustawione jest na tryb grzania czy chłodzenia. W praktyce producenci stosują różne rozwiązania techniczne.

Wykorzystując klimatyzację do ogrzewania możemy zaoszczędzić na kosztach wytworzenia ciepła o ile na dworze nie ma mrozu. Podczas mrozów COP klimatyzatora ustawionego na grzanie spada gwałtownie i ogrzewanie powinno zostać przejęte przez podstawowy system co.

Użytkowanie pompy ciepła jako domowego źródła energii służącego do ogrzewania domu i/albo podgrzania ciepłej wody użytkowej ma – poza bezobsługowym działaniem – tę zaletę, że wytworzenie jednostki ciepła jest stosunkowo tanie. To właśnie tanie ciepło pozwala wierzyć, że spory wydatek jakim jest instalacja pompy ciepła opłaci się w dłuższym okresie czasu. Rozważając długoletnie skutki finansowe podjętej decyzji o wyborze instalacji takiego a nie innego systemu ogrzewania musimy wziąć pod uwagę koszt energii elektrycznej.

Obecnie zależnie od dostawcy cena za 1 kWh mieści się w przedziale 0,25 – 0,3 zł dla taryfy jednostrefowej. Jak widać różnice są znaczne, dlatego warto pamiętać, że mamy możliwość wyboru dostawcy energii elektrycznej. Zainteresowani z pewnością bez trudu znajdą odpowiednią porównywarkę ofert dostawców energii.

Potencjalnie moglibyśmy uzyskać spore oszczędności dzięki korzystaniu z dwustrefowej taryfy. Dostawcy energii muszą pokrywać znacznie większe zapotrzebowanie na energię w określonych szczytowych godzinach. Dlatego możemy płacić za 1 kWh prądu już od 0,14 zł jeśli pobór nastąpi poza godzinami szczytu. Zwykle tańsze godziny zawierają się w przedziałach: 13:00 – 15:00 i 22:00 – 6:00. Takie rozwiązanie wydaje się dobre jeśli nasze domowe źródło ciepła zasilane jest prądem elektrycznym. Niestety specyfika pompy ciepła utrudnia korzystanie z taryfy dwustrefowej. Pompa ciepła pracuje wydajnie jedynie wówczas kiedy podgrzewa wodę do niskiej temperatury. Najlepiej gdy woda w instalacji co ma 35 stopni Celsiusza. Każdy stopień cieplej kosztuje nas coraz więcej. Dlatego nie jest opłacalne podgrzanie wody niejako “na zapas” w godzinach tańszej energii elektrycznej. Stosowane zasobniki ciepła dodatkowo podnoszą i tak spory koszt instalacji a ich sprawność nie jest dostateczna. Z tego powodu taryfa dwustrefowa pozostaje atrakcyjna raczej dla posiadaczy pieców akumulacyjnych.

Kto myśli o instalacji pompy ciepła musi również wziąć pod uwagę perspektywy zmiany cen energii elektrycznej w przyszłości. ”Zmiana cen” w praktyce oznacza jej podwyżkę. Zobowiązania wynikające z członkostwa w UE powodują, że krajowi producenci energii korzystający z węgla będą musieli ponosić dodatkowo znaczne koszty przez wysoką emisję dwutlenku węgla. Producenci przesuną koszt emisji CO2 na odbiorców co może spowodować nawet 30% wzrost cen prądu.

COP jest współczynnikiem określającym efektywność pracy pompy ciepła analogicznym do sprawności podawanej dla innych urządzeń grzewczych. Zastosowanie sprawności ułatwiłoby porównanie kosztu po jakim wytwarzane jest ciepło przez różne urządzenia grzewcze. Specyfika działania pompy ciepła przedstawiona w artykule wyjaśniającym działanie pompy ciepła powoduje, że dostarcza ona znacznie więcej ciepła niż pobiera energii. Przykładowo współczynnik COP 4,5 oznacza, że za 1 kW pobranego z sieci prądu pompa dostarczy 4,5 kW ciepła grzewczego. Podana wielkość COP równa 4,5 jest przeciętną wielkością podawaną przez producentów. Niestety jest to tylko część prawdy. COP spada wraz ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy wymiennikiem gruntowym a temperaturą grzania. Mówiąc prościej im większa różnica między temperaturą gruntu a temperaturą podgrzewanej wody tym droższe jest dostarczenie ciepła. Przykładowo pompa powietrze – woda przy temperaturze -5 stopni Celsiusza osiąga COP ok. 2. Właśnie ta zależność COP od różnicy temperatur źródła i grzania powoduje, że najbardziej wskazane do współpracy z pompą ciepła ogrzewanie podłogowe pracujące przy stosunkowo niskich temperaturach. Drugim efektem tej właściwości jest w naszych warunkach klimatycznych różnica w opłacalności instalowania pomp ciepła powietrze – woda zależnie od rejonu kraju. Rejony o najniższej liczbie dni w roku o temperaturach poniżej -5  i najwyższej średniej temperaturze są pod tym względem uprzywilejowane. Konkretnie jest to pas wzdłuż zachodniej granicy począwszy od Wrocławia i wybrzeże Bałtyku.

Dokładny dobór mocy oraz rodzaju pompy ciepła jest niezmiernie ważny a nawet decydujący dla opłacalności inwestycji. Pompa o zbyt dużej mocy to nie tylko większy koszt urządzenia i wymiennika gruntowego. Będzie ona dość szybko osiągać zadaną temperaturę grzania i wyłączać się. Częste i krótkie okresy włączenia/wyłączania pompy spowodują skrócenie żywotności urządzenia. Paradoksalnie im większe straty ciepła tym szybciej zwróci się instalacja co z pompą ciepła. Informacje dotyczące strat energii przez dach, okna i ściany znajdują się w  projekcie dla nowych inwestycji. Ponadto łatwo dostępne są zasady obliczania zapotrzebowania na energię budynków, dlatego skupię się na innych istotnych kwestiach.

Zależnie od lokalnych warunków klimatycznych i wodnych możliwe są różne warianty wykorzystania pompy ciepła.

Wody gruntowe. Odpowiednie parametry wód gruntowych mogą obniżyć koszt gruntowego wymiennika ciepła pozwolą na instalację otwartego wymiennika pompy ciepła. Kluczowe będzie czy studnie mogą dostarczyć/zaabsorbować ilość wody konieczną do pracy pompy oraz czy woda nie zawiera nadmiernej ilości żelaza i manganu, które to jony wytrącając się wewnątrz instalacji w zapychają ją.

Strefy klimatyczne. Różnice rzędu 3 – 4 stopni Celsiusza wydają się niezbyt duże. Jednak jeśli weźmiemy pod uwagę przedział temperatur 0/ -5 °C mogą być to istotne wielkości dla opłacalności montażu pompy ciepła powietrze – woda. Szczególnie zachęcająco wyglądają dane dla pasa zachodniego Wrocław – Szczecin oraz wzdłuż wybrzeża Bałtyku. Poniżej dane dla najzimniejszego w Polsce stycznia.

Poza średnimi temperaturami należy wziąć pod uwagę ilość dni w roku z temperaturą poniżej -5 °C graniczną dla opłacalności pompy ciepła powietrze – woda.

Klimatyczna warunki lokalne. Nie należy lekceważyć lokalnych uwarunkowań wpływających na ekonomikę ogrzewania. Wystawienie na działanie wiatrów zależne od ukształtowania terenu i sąsiedniej zabudowy i zadrzewienia może skutecznie oddziaływać na poziom strat ciepła zwłaszcza przez wentylację grawitacyjną. Interesujący acz zwykle pomijany jest wpływ miejskiego środowiska. Zjawisko opisywane jako miejska wyspa ciepła polega na lokalnym podwyższeniu średniej temperatury spowodowane emisją emisja ciepła antropogenicznego. Źródła ciepła takie jak budynki a zwłaszcza ich wentylacja, kanalizacja, silniki samochodowe czy przemysł w zimie potrafią podwyższyć temperaturę 0 1,1 do 1,6 °C w stosunku do przedmieścia. Dane te tracą jednak na znaczeniu dla budownictwa jednorodzinnego dla którego centra miast są niedostępne.

Podstawowym problemem z jakim przychodzi się zmierzyć planując instalację z pompą ciepła to jej wysoki koszt a przez to długi okres zwrotu z inwestycji. Znaczne ograniczenie kosztu realizacji instalacji grzewczej z pompą ciepła możemy uzyskać rezygnując z wymiennika gruntowego na rzecz pompy ciepła powietrze – woda. Ciepło do ogrzania domu lub wody użytkowej jest pobierane z powietrza atmosferycznego na zewnątrz domu. Nie trzeba prowadzić robót ziemnych i wkopywać dziesiątek metrów rur. Nasuwa się pytanie: gdzie jest haczyk? Pompy powietrze – woda są mniej efektywne a przy kilkunastu stopniach mrozu nie pracują wcale. Współczynnik COP pompy ciepła powietrze – woda przy temperaturze 20 stopni Celsjusza wynosi około 4,3 i praktycznie nie różni się od pompy z wymiennikiem gruntowym. Jeśli temperatura powietrza spadnie do 0 COP wyniesie 3,2 a przy -15 stopniach COP spadnie do 2. Czyli im bardziej potrzebujemy pompy ciepła tym gorzej pracuje. Mimo to warto rozważyć dwa sposoby jej wykorzystania.

1. Do zasilania ciepłej wody użytkowej.  Ciepłej wody potrzebujemy cały rok dzięki temu pompa niewielkiej mocy może być źródłem taniego ogrzania wody.
2. Do instalacji co wraz z kotłem gazowym. Znaczna część okresu grzewczego przypada na dni o temperaturze powietrza powyżej -5 stopni Celsjusza powyżej której pompa ciepła zachowuje opłacalność działania. W zimniejsze dni jest zastępowana a przez kocioł gazowy.

Zarówno przy zastosowaniu pompy powietrze – woda do wytwarzania ciepłej wody użytkowej jak i w instalacji centralnego ogrzewania warto obliczyć szczegółowo przy jakiej temperaturze powietrza rolę dostarczyciela powinien przejąć piec gazowy (w przypadku co) lub grzałka elektryczna (w przypadku cwu). Będzie to zależało od ceny prądu i gazu u naszego dostawcy. Warto zwrócić też uwagę na lokalne uwarunkowania jak strefa klimatyczna, osłonięcie/wystawienie na działanie podmuchów wiatru. Przykładowo średnia temperatura powietrza w styczniu wynosi: Wrocław -0,4 °C , Warszawa -2 °C, Rzeszów -3,5 °C. Nie są to wielkie różnice ale poruszamy się w pobliżu granicy ekonomiki pracy pompy powietrze – woda. Ponadto centra dużych miast są cieplejsze od przedmieść czy obszarów wiejskich nawet o klika stopni (tzw. miejskie wyspy ciepła). Przy korzystnym splocie okoliczności pompa powietrze – woda mimo pewnych ograniczeń może okazać się dobrym rozwiązaniem dzięki niskiej cenie.

Instalacja centralnego ogrzewania i/lub ciepłej wody użytkowej działająca w oparciu o pompę ciepła to najbardziej kosztowne rozwiązanie dla inwestora. Koszt kompletnej instalacji co woda-woda/cwu dla domu jednorodzinnego trudno byłoby zbić poniżej 40 000 zł. Kiedy porównamy to z kosztem instalacji elektrycznych pieców akumulacyjnych i bojlera może się okazać, że płacimy dziesięciokrotnie więcej. Oczywiście pompa ciepła wytwarza ciepło znacznie taniej dlatego po pewnym czasie mamy szansę “wyjść na swoje” dzięki mniejszym kosztom wytwarzania ciepła. Pozostając w terminologii budowlanej tutaj zaczynają się schody. Po jakim czasie poniesione ma instalację nakłady się zwrócą i będziemy cieszyć się z zaoszczędzonych pieniędzy?

Dla jasności postaram się wypunktować najistotniejsze kryteria konieczne dla oszacowania opłacalności instalacji pompy ciepła.

• Właściwe określenie zapotrzebowania na ciepło. Wybierając rodzaj zasilania – gaz, paliwo stałe, pompa ciepła – pamiętajmy, że im lepiej ocieplony dom tym dłuższy czas zwrotu z inwestycji w pompę ciepła. Moc pompy ciepła i związana z nią wielkość wymiennika gruntowego muszą być dobrane tak aby zapewnić komfort i powinna być oszacowana w oparciu o właściwe normy. Nadmiar mocy “na wszelki wypadek” pompuje koszty i zarobek firmy instalacyjnej.
• Uwarunkowania wodne i glebowe. Instalacja pompy ciepła to rzadki przypadek gdy płytkie wody gruntowe okażą się zaletą. Woda znakomicie ułatwia wymianę ciepła przez wymiennik gruntowy. Przy odpowiednich parametrach wody gruntowej możemy korzystać z otwartego wymiennika pompy ciepła.
• Bezobsługowość. Pompa ciepła nie wymaga nadzoru jak kotły na paliwo stałe. Jeżeli nie możemy lub nie chcemy zajmować się uzupełnianiem opału odpadają stosunkowo tanie w eksploatacji ale wymagające obsługi kominki i kotły na węgiel, pellet czy eko-groszek.
• Długość okresu eksploatacji. Jeśli pompa ciepła w perspektywie czasu ma się okazać opłacalną inwestycją musi pracować wiele lat. Dwuletni okres gwarancji to zdecydowane za mało. Producenci zwykle żywotność urządzenia oceniają na 20 do 25 lat. Pamiętajmy, że każdy rok pracy pompy ciepła po jej amortyzacji to dla nas czysty zysk. Dlatego warto poświęcić wiele uwagi trwałości urządzenia jak i staranności wykonania instalacji, zwłaszcza wymiennika gruntowego.

Na koniec ku rozwadze przeinwestowanie na przykładzie zaopatrzenia w ciepło domu 150 m2 powierzchni użytkowej.

Instalacja  pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym + ogrzewanie podłogowe: 50 000 zł.

Rekuperator z wymiennikiem gruntowym 22 000 zł.

Kolektor słoneczny 7 500 zł.

Poniesione nakłady 80 000 zł przy zapotrzebowaniu na ciepło ok. 60 kWh/m2 rocznie (dom dobrze ocieplony) zwrócą się za 100 lat przy założeniu bezawaryjnej pracy urządzeń.

Nasza pompa ciepła żeby ogrzewać musi najpierw pobrać z zewnątrz ciepło które odda ogrzewając dom. Najczęściej elementem spełniającym to zadanie jest gruntowy wymiennik ciepła; jak sama nazwa wskazuje pobiera on ciepło z gruntu. Wymiennik musi być zakopany na głębokości, która odizoluje go od wierzchniej zamarzającej w zimie warstwy gruntu. Im głębiej zakopiemy wymiennik tym oszczędniej będzie pracować pompa ciepła dzięki stabilnej temperaturze otoczenia niewrażliwego na zmiany pogody z którego pobierane jest ciepło. W naszych warunkach klimatycznych wymiennik powinien być zakopany na głębokości nie mniejszej niż 1,5 m.

Na typ gruntowego wymiennika ciepła pompy gruntowej ma wpływ kilka czynników zależnych od miejscowych uwarunkowań oraz parametrów technicznych instalacji. Usystematyzujmy:

• koszt robót ziemnych i instalacji wybranego typu wymiennika,
• wody gruntowe zwiększają do ok. 50% skuteczność wymiany ciepła w stosunku do suchego gruntu,
• powierzchnia działki jaką możemy oddać pod wymiennik,
• zadrzewienie/zabudowanie działki.

Technologia stosowana przez producentów armatury jest rozmaita i ciągle udoskonalana. Zawsze istotną częścią kosztu wykonania wymiennika są konieczne roboty ziemne i z tej perspektywy przedstawiam możliwe rozwiązania techniczne z zastrzeżeniem, że nie są one w pełni wyczerpujące.

1. System zamknięty pionowy. Rury wymiennika są umieszczone w wąskich wykopach. Typ instalacji rzadziej wykonywany w Polsce, stąd nazwa “pionowy” zwykle jest u nas stosowana do wymiennika otworowego przedstawionego w punkcie 2.

2. System zamknięty otworowy. W tym przypadku rury wymiennika są umieszczane w wywierconych pionowych otworach. Rozwiązanie to wymaga stosunkowo niewielkiej powierzchni działki pod wymiennik.

3. System poziomy zamknięty. Takie ułożenie instalacji wymaga zdjęcia gruntu na całej powierzchni przeznaczonej na wymiennik co jest tańsze niż wiercenie otworów ale wymaga większej powierzchni.

4. Wymiennik otwarty. W tym przypadku czynnikiem jest woda gruntowa (w wymienniku zamkniętym jest to tzw. solanka czyli wodny roztwór glikolu). Woda jest pobierana ze studni oddaje ciepło w wymienniku pompy a następnie jest oddawana do studni zrzutowej. Rozwiązanie o niewielkim koszcie wykonania jednak konieczna jest woda gruntowa o odpowiednim składzie fizykochemicznym.

Na początek 2 łyki: pierwszy termodynamiki i drugi techniki.

Ciepło przepływa z cieplejszego do chłodniejszego otoczenia. Na przykład, jeśli masz szklankę pełną lodu i umieścisz ją na stole, lód topi się, jeśli temperatura w pomieszczeniu gdzie stoi stół jest wyższa niż 0 stopni Celsjusza. Ciepło z pomieszczenia przepływa do lodu w szklance, podnosząc jego temperaturę. Pozostawiony sam sobie lód i pokoju osiągną równowagę termodynamiczną czyli wyrównają temperatury.

Pompa ciepła odwraca ten proces powodując przepływ ciepła z otoczenia o niższej temperaturze do otoczenia o wyższej temperaturze. Dzięki temu możemy tłoczyć ciepło w zimie z poza domu do jego wnętrza lub wykorzystać je do ogrzewania ciepłej wody użytkowej.

Interesując się tematem pomp ciepła z pewnością natknąłeś się na porównanie do lodówki która jest w pompą ciepła i schematyczny rysunek pompy ciepła.

Nie daje to jednak intuicyjnego wyjaśnienia o istocie działania pompy ciepła. Mam zatem taką ilustrację ułatwiającą zrozumienie tematu. Bierzemy pojemnik pod ciśnieniem np. dezodorant w sprayu (mężczyźni będą woleli pojemnik pianki poliuretanowej) i wypsikujemy wszystko. Pojemnik wyraźnie się ochładza. Dzieje się tak dlatego, że czynnik (dezodorant czy pianka) pod wysokim ciśnieniem gwałtownie się rozpręża przechodząc przez dyszę sprayu (w pompie ciepła dyszę nazywa się zaworem dławiącym, rozprężnym lub kapilarą). Wyobraźmy sobie teraz, że dołączamy pompkę, która wtłacza czynnik z powrotem do sprayu, dzięki czemu ciśnienie wewnątrz nie spada. Spray pozostanie zimny tak długo jak będzie psikał a my zbudowaliśmy właśnie pompę ciepła poznając przy okazji termodynamiczne podstawy centralnego ogrzewania opartego o pompę ciepła.