Nowoczesny sposób na ogrzewanie domu. Przegląd pomp ciepła

Pompa ciepła to urządzenia grzewcze, które podobnie jak kocioł służy do ogrzewania domu, chociaż zasada jej działania jest zupełnie odmienna. Stale rosnące zainteresowanie pompami ciepła sprawia, że coraz więcej firm je produkuje i sprzedaje.

Trudno wyobrazić sobie pobieranie ciepła z otoczenia - zwłaszcza z gruntu, którego temperatura wynosi zimą zaledwie kilka stopni - a tym bardziej ogrzewanie tym ciepłem całego domu. Na tym właśnie polega praca pompy ciepła. Pompa ciepła musi współpracować z tak zwanym dolnym i górnym źródłem ciepła. Z dolnego źródła, czyli wody, gruntu lub powietrza, pozyskuje ciepło. Niekiedy dolnym źródłem nazywany jest cały układ pozyskiwania ciepła.
Podobnie jak kocioł w tradycyjnej instalacji, pompa oddaje wytworzone (pozyskane) ciepło wodzie płynącej do grzejników lub układu ogrzewania podłogowego, nazywanych w systemie górnym źródłem. Tak jak w wypadku dolnego źródła i tu czasem górnym źródłem nazywany jest cały układ oddający ciepło.
Często, aby scharakteryzować pompę, mówi się o niej w skrócie, na przykład: układ woda-woda - co oznacza, że ciepło odbierane jest wodzie (dolne źródło), następnie jest przetworzone przez urządzenie i dalej przekazane wodzie w systemie grzewczym w domu (górne źródło).

Podstawowe elementy instalacji z pompą ciepła. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Jak działa pompa ciepła?

Pompy ciepła mniejszej mocy, stosowane w domach jednorodzinnych są sprężarkowe. Przekazywanie ciepła odbywa się za pośrednictwem czynnika roboczego, który krąży w obiegu, zmieniając stan skupienia (z gazowego na ciekły i odwrotnie), wskutek czego pobiera i oddaje energię.
Dwa główne elementy urządzenia to parownik i skraplacz. Między nimi są jeszcze dwa: sprężarka i zawór rozprężny. Źródło o niskiej temperaturze (grunt, woda, powietrze) ogrzewa czynnik krążący w układzie (woda, solanka), który przepływając przez parownik, doprowadzany jest do wrzenia, na skutek czego paruje. Para sprężana jest w sprężarce i jej temperatura gwałtownie rośnie. Gorąca - trafia do skraplacza. Odbierane tam od niej ciepło jest przekazywane do górnego źródła, na przykład ogrzewa wodę krążącą w instalacji grzewczej. Skroplona para przez zawór rozprężny i parownik powraca do dolnego źródła. Proces rozpoczyna się od początku.

Czynnik roboczy w pompie ciepła

Czynnik roboczy stosowany w systemach z pompą ciepła powinien być bezpieczny, czyli niepalny i nietrujący. W najbliższej przyszłości będą dopuszczone do stosowania tylko bezchlorowe czynniki robocze. Dziś do takich należą R134a, R407C oraz propan.

Dolne źródło

W Polsce ciepło pobierane jest najczęściej:
- z gruntu - za pośrednictwem przewodów zakopanych pod powierzchnią gruntu, poniżej strefy przemarzania, tworzących tak zwany kolektor gruntowy;
- z wody podziemnej poprzez układ dwóch studni.
Powietrze zewnętrzne może być wykorzystywane jako dolne źródło tylko od temperatury wyższej niż -5°C, dlatego pompy pobierające ciepło z powietrza są rzadko stosowane (choć są urządzenia, które dobrze sprawują się w temperaturze bliskiej -20°C). Rodzaj dolnego źródła zależy przede wszystkim od warunków na działce, gdzie ma być zainstalowana pompa ciepła. Decyzję najlepiej powierzyć specjaliście zajmującemu się projektowaniem układów grzewczych z pompą ciepła.

Górne źródło

Górnym źródłem w układach pompy ciepła jest najczęściej woda zasilająca instalację grzewczą, czyli grzejniki lub wodne ogrzewanie podłogowe, rzadziej - powietrze w systemach ogrzewania powietrznego.
Uwaga! Pompy ciepła najlepiej współpracują z instalacjami niskotemperaturowymi, w których temperatura czynnika grzewczego nie przekracza 50-55°C. W praktyce projektuje się je na jeszcze niższą temperaturę: 30-35°C. Aby możliwe było zastosowanie do ogrzewania domu pompy ciepła, trzeba w nim zrobić taki właśnie system ogrzewania.

Efektywność układu
Wydawałoby się, że ciepło odbierane od wód gruntowych czy gruntu nie zaspokoi potrzeb energetycznych domu jednorodzinnego. Wiele zależy jednak od efektywności procesu przetwarzania ciepła przez urządzenie.
Pompy ciepła mają najwyższy współczynnik efektywności spośród wszystkich urządzeń grzewczych.
Współczynnik efektywności jest wartością chwilową i zależy od różnicy między temperaturą źródła ciepła a temperaturą rozdziału (czyli zasilania instalacji). Im ta różnica jest mniejsza, tym efektywniej pracuje pompa ciepła.

Współczynnik efektywności i sprawność
Współczynnik efektywności to stosunek energii wytworzonej (w wypadku urządzeń grzewczych - cieplnej) do energii pobranej. Dla pomp ciepła współczynnik ten waha się między 3 a 5 - zależnie od rodzaju pompy, producenta, zastosowanych rozwiązań i przyjętych założeń eksploatacyjnych. Pompa o współczynniku efektywności wynoszącym 4 wytwarza czterokrotnie więcej energii, niż pobiera. Oznacza to, że z 1 kWh energii elektrycznej może uzyskać 4 kWh energii cieplnej. Pompa ciepła nie potrzebuje tradycyjnego paliwa, chociaż aby działała, musi czerpać prąd, czyli trzeba ją podłączyć do instalacji elektrycznej. Sprawność kotłów podaje się w procentach. Jest to inaczej zapisany współczynnik efektywności. Najbardziej wydajne kotły mają sprawność 95-97%. Sprawność pomp ciepła to 300-500%. Dzięki wysokiej sprawności pompa ciepła jest jednym z najtańszych w eksploatacji źródeł ciepła.

Dzięki pompie ciepła 75% potrzebnej energii uzyskuje się za darmo (z wody, powietrza lub ziemi). Trzeba zapłacić jedynie za 25% energii zużytej do napędu sprężarki. Autor: SECESPOL

Układ grunt-woda

Jednym z najpopularniejszych rodzajów pomp ciepła stosowanych w naszym klimacie są pompy typu grunt-woda, potocznie zwane gruntowymi. Dolnym źródłem ciepła jest system przewodów ułożonych w gruncie. Górnym - na przykład instalacja z grzejnikami. Przewody muszą być ułożone poniżej strefy przemarzania, czyli od 1,5 do 1,8 m pod powierzchnią terenu. Zależnie od wielkości działki przewody układa się spiralnie, płasko: poziomo lub pionowo.
Kolektor spiralny wygląda jak rozciągnięta w gruncie i ułożona na płasko sprężyna. Rów przygotowany pod kolektor spiralny musi być dość szeroki - około 2 m. Zwykle musi go przygotować koparka. Jest to dość wygodne rozwiązanie.
Wykonanie kolektora poziomego płaskiego jest czasami bardziej pracochłonne. Rury układa się zwykle w wąskich rowach i nie krzyżuje się ich ze sobą.

Pompa ciepła typu grunt-woda z kolektorem poziomym płaskim. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Najrzadziej projektanci wybierają kolektor pionowy. Przewody układa się wtedy pionowo w otworze o głębokości od 10 do 25 m, zależnie od potrzeb systemu.
W przewodach kolektora gruntowego krąży czynnik roboczy, który ogrzewa się od gruntu. Przyjmuje się, że uzyskanie 1 kW energii cieplnej w kolektorze poziomym wymaga od 30 do 100 m² powierzchni. Dzięki tej informacji można w przybliżeniu określić, czy dysponujemy wystarczająco dużym terenem, aby zainstalować gruntową pompę ciepła.
Im bardziej wilgotny grunt, tym mniejsza powierzchnia konieczna jest do uzyskania takiego samego efektu energetycznego.

Pompa ciepła typu grunt-woda z kolektorem pionowym. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Kolektory gruntowe są niewidoczne, bo są ukryte pod ziemią. To ich ważna zaleta. Teren nad przewodami można zagospodarować pod ogród lub plac zabaw dla dzieci. Trzeba jednak pamiętać, by rośliny, które zostaną tam posadzone, nie miały bardzo rozgałęzionych albo bardzo głębokich systemów korzeniowych.
Uwaga! Na terenie, gdzie ułożony jest kolektor, nie należy stawiać stałych budowli, na przykład garażu czy altany. W razie uszkodzenia systemu konieczna byłaby rozbiórka takiego obiektu.

Dolnym źródłem ciepła w pompie woda-woda jest układ dwóch studni. Taka studnia z daleka wygląda jak dziura w ziemi. Autor: Irena Walczak		Wewnątrz betonowej obudowy studni czerpalnej widoczna jest rura, którą czerpana jest woda. Podobnie wygląda studnia zrzutowa. Autor: Irena Walczak		W obudowie pompy ciepła znajdują się: sprężarka, skraplacz, parownik i zawór rozprężny. Autor: Irena Walczak

Układ woda-woda

W układzie woda-woda ciepło odbierane jest wodzie powierzchniowej lub podziemnej i przekazywane wodzie w przewodach grzewczych w domu.
Dolnym źródłem w pompie woda-woda jest najczęściej układ studni: czerpalnej i zrzutowej. Z pierwszej pobierana jest woda, która następnie przepływa przez wymiennik, gdzie odbierane jest od niej ciepło. Następnie woda - już schłodzona - jest odprowadzana do studni zrzutowej i wraca do tego samego poziomu wodonośnego, z którego została pobrana. Często jest jedna studnia czerpalna, a kilka zrzutowych.
Wydajność studni czerpalnej wynosi od 1,5 do 2,5 m³/h. Studnie nie powinny mieć więcej niż 30 m głębokości, bo na głębsze konieczne jest pozwolenie wodnoprawne (specjalne korzystanie z wód gruntowych). Przy tym budowa tak głębokich odwiertów jest nieekonomiczna. W praktyce studnie mają głębokość zwykle około 15 metrów. Zanim inwestor zdecyduje się na budowę studni jako dolnego źródła, musi jeszcze przeprowadzić badania jakości wody. Woda nie może być agresywna chemicznie ani zbyt twarda, bo wtedy niszczy urządzenia czerpalne i pompę ciepła.

Pompa ciepła typu woda-woda z układem dwóch studni. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Pompa ciepła typu powietrze-woda. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Ważne decyzje
Co lepsze: grunt, woda czy powietrze? Na to pytanie nie da się udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Dwa elementy inwestycji - koszty i efektywność powinny być zbilansowane w projekcie.
Zakładając, że koszt wybudowania kolektora gruntowego jest taki sam jak układu dwóch studni, lepiej zdecydować się na studnie. Powód jest prosty - temperatura wody podziemnej (5-8°C) jest nieco wyższa niż temperatura gruntu zimą (2-4°C), a co za tym idzie - więcej ciepła można z niej odzyskać.
Niektórzy fachowcy twierdzą, że zimy w ostatnich latach były dość łagodne i możliwe, że temperatura gruntu poniżej strefy przemarzania nie spada drastycznie. Aura jest jednak kapryśna, a układ z pompą ciepła instalowany jest na kilkanaście lat, więc po co ryzykować.
Mała popularność systemów powietrznych wynika przede wszystkim z ich małego współczynnika efektywności w naszej szerokości geograficznej (zimą panuje u nas niska temperatura). Co prawda część z tych systemów przystosowana jest do pracy w temperaturze -18°C, ale są to zwykle warunki ekstremalne dla urządzenia. Zaleca się, by powietrzna pompa ciepła pracowała w temperaturze nie niższej niż -5°C.

Co wybrać: tylko pompę ciepła, pompę i kocioł czy pompę i ogrzewanie elektryczne? Jeszcze parę lat temu instalacja z pompą ciepła z trudem zaspokajała potrzeby energetyczne budynku. Dziś systemy te są tak efektywne, że nawet podczas najtęższych mrozów zapewniają komfort cieplny w ogrzewanym domu. Ale nie musimy zdawać się wyłącznie na ogrzewanie pompą ciepła. Oprócz pompy można zainstalować jeszcze dodatkowe źródło ciepła, wspomagające instalację w okresach dużego zapotrzebowania na ciepło.
Systemy ogrzewania instalowane w domach jednorodzinnych mogą być:
- monowalentne, czyli takie, w których jedynym urządzeniem grzewczym jest pompa ciepła;
- biwalentne, czyli wyposażone w pompę ciepła i współpracujący z nią kocioł;
- monoenergetyczne, czyli takie, w którym układ grzewczy budynku tworzony jest przez pompę ciepła i ogrzewanie elektryczne.

Koszty. Mimo niskich kosztów eksploatacji pomp ciepła, ich cena jest dość wysoka i niekiedy zakup może się zwrócić dopiero po wielu latach.

Większość pomp ciepła wymiarami i kształtem przypomina kotły. Wewnątrz znajduje się między innymi panel elektryczny sterujący pracą urządzenia. Autor: HIBERNATUS		Pompa ciepła może, podobnie jak kocioł, współpracować z zasobnikiem przygotowującym ciepłą wodę. Autor: ECOTHERM

Miejsce na pompę ciepła

Większość pomp ciepła wymiarami i kształtem przypomina kotły. Podobnie jak kotły, ustawia się je w pomieszczeniach gospodarczych. Są jednak urządzenia, które można ustawić na zewnątrz, a nawet zakopać pod ziemią. Kto zaprojektuje i wykona instalację z pompą ciepła?

Powinien to zrobić projektant instalacji grzewczej. Dobrze jednak, gdy ma za sobą doświadczenie w projektowaniu instalacji z pompą ciepła i współpracuje z konkretną firmą lub grupą firm. Wówczas możemy mieć pewność, że dobierze urządzenie odpowiednie dla naszych potrzeb, zarówno pod względem kosztów, jak i efektywności.
Pompę ciepła dobiera się do zapotrzebowania budynku na ciepło. Wielkość zapotrzebowania powinna być obliczona przez projektanta instalacji grzewczej.
Upatrzoną firmę warto zapytać o liczbę przeprowadzonych inwestycji - jeśli zostały one prawidłowo zaprojektowane i zrealizowane, wykonawca na pewno się nimi pochwali, pokaże zdjęcia, a czasem nawet umówi z użytkownikami (o ile oczywiście wyrażą zgodę na takie spotkanie). Poszukując firmy, można się zgłosić do producentów - ci skierują inwestora do zaufanego instalatora lub współpracującej firmy wykonawczej.
Ważne, by porównać kilka ofert, zapytać, co wchodzi w skład systemu, jakie elementy trzeba dokupić i jakie prace wykonać. Dobrze jest sprawdzić, jakie notowania na rynku ma wybrany producent pomp ciepła, czy działa ogólnopolski serwis i czy łatwo skontaktować się z przedstawicielami producenta. Jeśli firma nie ma stałych punktów serwisowych,  a w jej siedzibie na telefony odpowiada zwykle automatyczna sekretarka lub faks - warto zastanowić się, czy w razie kłopotów nie będziemy musieli właśnie z tymi urządzeniami rozmawiać.

Od zamówienia, do realizacji

Gdy inwestor zdecyduje się już na konkretny model urządzenia i wybierze firmę wykonawczą, powinien podpisać umowę. Jest w niej określony czas zrealizowania inwestycji. Na oddanie gotowej instalacji (jednak bez górnego źródła, czyli instalacji centralnego ogrzewania w domu) niektóre firmy potrzebują dwóch, trzech dni, wliczając w to prace ziemne, ale nie wliczając czasu oczekiwania na sprowadzenie urządzenia. W niektórych firmach na urządzenie czeka się ponad miesiąc. Należy się więc uzbroić w cierpliwość.

Ważne pytanie – koszty

Pompy ciepła są urządzeniami drogimi. Koszt całości instalacji pompy ciepła (dolne źródło ciepła, samo urządzenie, górne źródło ciepła) jest około 30% wyższy od kosztu dobrej jakości instalacji kotłowej z kotłem gazowym lub olejowym, a około 70% - od instalacji ogrzewania elektrycznego.
Koszt ogrzewania domu pompą ciepła to 1/4-1/3 kosztów ogrzewania elektrycznego, około 1/2 kosztów ogrzewania olejem opałowym i 2/3 - gazem ziemnym.


Ciepło zimą, chłodno latem

Gdy pompa ciepła jest dobrze dobrana, może zaspokoić potrzeby cieplne całego budynku, nawet zimą.
Jeśli w systemie grzewczym zastosuje się grzejniki konwektorowe, najlepiej z wentylatorem wymuszającym przepływ powietrza, budynek będzie nie tylko ogrzewany zimą, ale również klimatyzowany (ochładzany) latem. W niektórych pompach ciepła można bowiem odwrócić obieg i wówczas w przewodach, w których zimą płynie ciepła woda, latem płynąć będzie zimna.

W układzie z pompą ciepła można zamiast zwykłych grzejników zainstalować konwektory z wentylatorem wymuszającym przepływ powietrza. Autor: AERMEC

Za i przeciw
Pompy ciepła mają równie wielu zwolenników, co przeciwników. Oto najczęściej pojawiające się argumenty za i przeciw.
Układ z pompą ciepła:
- dostarcza prawie darmową energię, odbierając ją z naturalnych źródeł;
- nie wymaga instalacji komina, doprowadzania i składowania paliwa, jest wygodny i czysty;
- jest przyjazny środowisku;
- zmiany cen paliw energetycznych wpływają na niego jedynie w niewielkim stopniu (do zasilania pompy potrzebny jest prąd);
- jego sprawność nie zmniejsza się w miarę upływu lat;
...ale, z drugiej strony:
- brak zasilania i instalacji wspomagającej (agregat prądotwórczy, baterie słoneczne) powodują przerwanie pracy układu;
- kosztuje około 30% więcej od tradycyjnego układu kotłowego;
- trudno znaleźć fachowców, którzy potrafią go zaprojektować tak, aby w pełni zaspokajał potrzeby domowników - dostarczał ciepłą wodę i zapewniał komfort cieplny w pomieszczeniach.         

Oferta firm

CLIMA KOMFORT (NEURATHERM)

Autor: CLIMA KOMFORT

Pompa ciepła Neuratherm PRO typu woda-woda lub grunt-woda.
Kraj produkcji: Austria.
Moc cieplna: 5-40 kW.
Moc pobierana: 0,61-6,7 kW.
Współczynnik efektywności: 5,2.
Wymiary (śr. x wys.): 70-80 x 70-80 cm.
Czynnik roboczy: Propan R290.
Gwarancja: rok.
Cena: od 15 400 zł.

ECOTHERM (WATER FURANCE INTERNATIONAL)

Autor: ECOTHERM

Pompa ciepła PK 16 typu grunt-powietrze lub woda-powietrze.
Kraj produkcji: USA.
Moc cieplna: 15,5 kW.
Moc pobierana: 4 kW.
Współczynnik efektywności: 3,9.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 148 x 65 x 79 cm.
Czynnik roboczy: R22.
Gwarancja: 2 lata.
Cena: 25 800 zł.

HIBERNATUS

Autor: HIBERNATUS

Pompa ciepła W6WO typu woda-woda.
Kraj produkcji: Polska.
Moc cieplna: 17,75-18,73 kW.
Moc pobierana: 3,89-5,31 kW.
Współczynnik efektywności: 3,34-4,82.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 92 x 65 x 50 cm.
Czynnik roboczy: R22.
Gwarancja: 2 lata od daty sprzedaży.
Cena: 21 500 zł.

OCHSNER

Autor: OCHSNER

Pompa ciepła GMSW 11 typu grunt-woda.
Kraj produkcji: Austria.
Moc cieplna: 8,2 kW.
Moc pobierana: 1,85 kW.
Współczynnik efektywności: 4,4.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 115 x 40 x 65 cm.
Czynnik roboczy: R407C.
Gwarancja: 3 lata (pod warunkiem uruchomienia przez firmowy serwis).
Cena: 13 320 zł.

SECESPOL

Autor: SECESPOL

Pompa ciepła CETUS 16  typu woda-woda lub grunt-woda.
Kraj produkcji: Polska.
Moc cieplna: woda-woda 16,4 kW, grunt-woda 11 kW.
Moc pobierana: woda-woda 4,9 kW, grunt-woda 4 kW.
Współczynnik efektywności: 2,4-5,2.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 100 x 50 x 60 cm.
Czynnik roboczy: R22.
Gwarancja: 2 lata.
Cena: 16 100 zł.

THERMOGOLV (Megatherm)

Autor: THERMOGOLV

Pompa ciepła ZIRIUS GVP 25 (parownik w ziemi, skraplacz w podłodze).
Kraj produkcji: Szwecja.
Moc cieplna: 2,5 kW.
Moc pobierana: 0,85 kW.
Współczynnik efektywności: 3,3.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 35 x 35 x 35 cm.
Czynnik roboczy: R-507.
Gwarancja: 5 lat.
Cena: 7000 zł.

STIEBEL ELTRON POLSKA

Autor: STIEBEL ELTRON

Pompa ciepła WPL 30 kW typu powietrze-woda.
Kraj produkcji: Niemcy.
Moc cieplna: 30 kW.
Moc pobierana: 5,0-9,3 kW.
Współczynnik efektywności: 3,6.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 99,5 x 106 x 154 cm.
Czynnik roboczy: R-290.
Gwarancja: 3 lata.
Cena: 34 133 zł (zawiera koszt montażu i uruchomienia urządzenia).

VIESSMANN

Autor: VIESSMANN

Pompa ciepła VITOCAL 300 typu woda-woda, grunt-woda lub powietrze-woda.
Kraj produkcji: Niemcy.
Moc cieplna: 4,8-43 kW.
Moc pobierana: 1,1-7,4 kW.
Współczynnik efektywności: do 5,9.
Wymiary (wys. x szer. x gł.): 97 x 61 x 72,7 cm.
Czynnik roboczy: R407C.
Gwarancja: 2 lata.
Cena: 19 370-50 720 zł.