Pompa ciepła

Pom­pa ciepła to rozwiązanie mało znane jak i uważane za kosz­towne. Na prąd dzi­ała, więc musi być dro­gie, a do tego niepewne: awaria ener­gety­ki i zamarzniem – usłyszysz od szwa­gra. Sąsi­ad pos­traszy, że zna­jo­mi zain­stalowali pom­pę ciepła i dosta­ją rachun­ki jak­by grza­li wodę grza­łka­mi. A prze­cież fold­ery reklam­owe mówią, że to urządze­nie ma grzać taniej od kotła węglowego. Gdzie leży praw­da?

I tu, i tam. Dobrze wyko­nana insta­lac­ja z pom­pą ciepła jest dość drogą inwest­y­cją, ale koszt pro­dukowanego przez nią ciepła fak­ty­cznie będzie zbliżony do kosztów pra­cy kotła węglowego (pom­pa powi­etrz­na) a nawet będzie je bić na głowę (pom­pa grun­towa). Nieste­ty poprawne wyko­nanie insta­lacji z pom­pą ciepła nierzad­ko przekracza zdol­noś­ci wielu pol­s­kich januszy insta­la­torstwa, zatrzy­manych men­tal­nie w lat­ach 80. XX wieku. Tak pow­sta­ją pot­wor­ki, które słono kosz­tu­ją, są nieefek­ty­wne i nietr­wałe – szarga­jąc niesłusznie opinię tej tech­nologii.

Ten artykuł ma z pozy­cji neu­tral­nej naświ­etlić zasadę dzi­ała­nia, plusy dodat­nie i ujemne pomp ciepła oraz kwest­ie, które decy­du­ją o opła­cal­noś­ci i sen­sie insta­lacji takiego urządzenia.

Jak działa pompa ciepła

Dla niew­ta­jem­nic­zonych pom­pa ciepła wyda­je się być tech­nologią dopiero co wykradzioną z lab­o­ra­toriów NASA. Tym­cza­sem pom­pę ciepła więk­szość z nas ma w domu i trzy­ma w niej wczo­ra­jsze kotle­ty. Jest nią każ­da domowa lodówka czy zam­rażar­ka.

Zasa­da dzi­ała­nia pomp ciepła jest całkiem pros­ta. Opiera się na dwóch zjawiskach: parowa­niu (które pobiera ciepło z otoczenia) i skra­pla­niu (które odd­a­je ciepło do otoczenia). Tym sposobem ener­gia cieplna może być przenos­zona z miejs­ca zimniejszego do cieple­jszego – w kierunku prze­ci­wnym niż to się dzieje samorzut­nie w naturze.

Na pom­pę ciepła skła­da się:

  • parown­ik (wymi­en­nik, w którym zachodzi parowanie)
  • skraplacz (wymi­en­nik, w którym zachodzi skra­planie)
  • sprężar­ka
  • rur­ki łączące to wszys­tko
  • zwęż­ka między parown­ikiem a skraplaczem
  • czyn­nik chłod­niczy (spec­jal­ny gaz)

pompa-ciepla-schemat

Pod­czas pra­cy sprężar­ki po stron­ie źródła dol­nego pow­sta­je niskie ciśnie­nie. Dzię­ki temu czyn­nik chłodzą­cy paru­je, pobier­a­jąc ciepło z otoczenia. W formie gazu jest pom­powany do skraplacza. Tam ciśnie­nie jest wysok­ie, dlat­ego czyn­nik zamienia się w ciecz, odd­a­jąc przy okazji ciepło do otoczenia. Kluc­zowym ele­mentem tej układan­ki jest zwęż­ka między skraplaczem a parown­ikiem. To ona powodu­je różnicę ciśnień przy pra­cy sprężar­ki, a dzię­ki tej różni­cy zachodzą w/w pro­cesy.

Pom­pa ciepła w swej zasadzie dzi­ała­nia ma wpisaną dwukierunk­owość. Wystar­czy, by sprężar­ka pom­powała w drugą stronę, a parown­ik i skraplacz zamienią się rola­mi. Nie zawsze jest to pożą­dane i np. w lodów­ce nie ma wajchy, która pozwalała­by przestaw­ić ją z chłodzenia na grzanie. Ale już w grzew­czej wer­sji pompy ciepła może ist­nieć opc­ja chłodzenia domu latem.

Skąd pompa ciepła bierze ciepło

Najważniejszym ele­mentem pompy ciepła jest źródło dolne. Tak jak najlep­sza pom­pa wod­na nie wskóra nic w wyschniętej lub mało wyda­jnej studni, tak samo pom­pa ciepła musi mieć do dys­pozy­cji zasob­ne, odnaw­ia­jące się i nieza­wodne źródło ciepła.

Z powietrza

Powi­etrz­na pom­pa ciepła jest naj­tańsza w zakupie i insta­lacji. Źródłem ciepła jest powi­etrze zewnętrzne, a właś­ci­wie zawarta w tym powi­etrzu wilgoć. Rozwiązanie jest proste i tanie, ale nie ide­alne.

Prob­le­my zaczy­na­ją się gdy tem­per­atu­ra na zewnątrz spa­da poniżej -5st.C. Obniża się wtedy wilgo­t­ność i pom­pa musi przepuś­cić więcej powi­etrza przez wymi­en­nik dla uzyska­nia jed­nos­t­ki energii – czyli rośnie zuży­cie prą­du, a male­je wyda­jność pompy. Jak duży jest to spadek? Porad­nik dot. pomp ciepła pow­stały na zlece­nie rzą­du Kanady poda­je, że przy tem­per­aturze -20st.C na zewnątrz i tem­per­aturze zasi­la­nia insta­lacji grzew­czej rzę­du 35st.C wyda­jność powi­etrznej pompy ciepła (COP) wyniesie ok. 2,0–2,2. W kat­a­lo­gach pro­du­cen­tów zna­jdziesz o wiele ład­niejsze licz­by skalku­lowane zapewne pod bardziej optymisty­czne warun­ki.

Kwes­t­ia wyda­jnoś­ci powi­etrznych pomp ciepła w więk­sze mrozy to mar­ketingowe pole minowe. Pro­du­cen­ci kom­bin­u­ją jak mogą, aby zawyżyć COP, np. nie wlicza­jąc do zuży­cia energii prą­du potrzeb­ne­go na okre­sowe odszra­ni­an­ie wymi­en­ni­ka.
W naj­gorszym razie może się okazać, że pom­powanie powi­etrza będzie mniej wyda­jne ener­gety­cznie niż włącze­nie zwykłej grza­ł­ki. Dlat­ego powi­etrzne pompy ciepła mają wbu­dowane grza­ł­ki, które są włączane zami­ast pompy gdy tem­per­atu­ra na zewnątrz spad­nie prze­ważnie poniżej -25st.C.

Mimo tych niedo­god­noś­ci powi­etrz­na pom­pa ciepła może być świet­nym sposobem ogrze­wa­nia małego, dobrze docieplonego domu, gdzie brak jest miejs­ca na wymi­en­nik grun­towy. Śred­nia tem­per­atu­ra zimowa w Polsce to oko­lice 0st.C. Zgod­nie z w/w kanadyjskim porad­nikiem, powi­etrz­na pom­pa ciepła zasi­la­ją­ca ogrze­wanie podło­gowe wodą o temp. 35 stop­ni osiąg­nie COP ~3,8. Ale nawet gdy­by śred­nioroczny COP nie przekroczył 3,0, w stan­dar­d­owej tary­fie G11 przy cenie 0,6zł/kWh i dogrze­wa­niu czystym prą­dem przez kil­ka najz­imniejszych dni, roczny koszt ogrze­wa­nia (ok. 0,20zł/kWh) będzie niższy niż przy ogrze­wa­niu gazem ziem­nym (~0,28zł/kWh) i tylko kilka­naś­cie pro­cent wyższy niż dla węgla (~0,17zł/kWh). Nie będzie tak tanio jak przy wymi­en­niku grun­towym (~0,10zł/kWh), ale oszczędza się na jego wyko­na­niu, plus odpa­da konieczność budowy kom­i­na, wydzie­le­nia kotłowni, tar­ga­nia opału czy wyko­na­nia przyłącza gazowego.

Z wody

Tan­im a dobrym źródłem dol­nym mogą być dwie studnie. W odległoś­ci min. 15m budu­je się dwie zwykłe studnie o głębokoś­ci 10–15m. Woda jest czer­pana z jed­nej z nich z głębokoś­ci min. 6m, prze­puszczana przez pom­pę ciepła i po schłodze­niu zrzu­cana do drugiej studni (waż­na jest odległość i lokaliza­c­ja obu studni, by woda zim­na nie wracała przez grunt do studni czer­pal­nej).
Rozwiązanie jest tanie (koszt budowy obu studni zamknie się w kwocie ~4000zł), ale woda musi speł­ni­ać para­me­try określone przez pro­du­cen­ta pompy ciepła, aby nie doszło z cza­sem do uszkodzenia pompy. Z kiep­ską wodą też moż­na sobie poradz­ić, ale trze­ba nieco skom­p­likować układ.
Prob­le­mem może być ilość czer­panej wody. Przy przekrocze­niu 15m3/dobę wyma­gane jest poz­wole­nie wodno­prawne. W tej grani­cy zmieś­ci się pom­pa ciepła o mocy do ~8kW.

Z gruntu

Grunt jest świet­nym, sta­bil­nym źródłem ciepła: nieza­leżnie od mrozów, tem­per­atu­ra grun­tu poniżej stre­fy prze­marza­nia jest stała, a więc wyda­jność pompy ciepła w tęgie mrozy pozosta­je wyso­ka (COP w okoli­cach 5–6). W ten sposób koszt 1kWh ciepła potrafi spaść do ~0,10zł/kWh, tj. praw­ie o połowę taniej jak przy efek­ty­wnym grza­niu węglowym kotłem poda­jnikowym, co czyni grun­tową pom­pę ciepła jed­nym z naj­tańszych w uży­ciu sposobów ogrze­wa­nia.

Ale nie ma nic za dar­mo. Sama budowa wymi­en­ni­ka grun­towego kosz­tu­je kil­ka — kilka­naś­cie tysię­cy zło­tych. Jest kil­ka opcji:

  • wymi­en­nik płas­ki poziomy — wyma­ga ułoże­nia w grun­cie kiluset metrów rur wypełnionych glikolem na głębokoś­ci ok. 2m. To oznacza, że trze­ba wykopać dwumetrowy dół o powierzch­ni dwa do cztery razy więk­szej niż metraż ogrze­wanego budynku (im bardziej glini­asty i wilgo­t­ny grunt tym mniej). Koszt robo­cizny i samego wymi­en­ni­ka to oko­lice 5–10 tys. zł, ale dobrze wyko­nany nie wyma­ga ser­wisu i mało co jest w stanie mu zaszkodz­ić.
    Najważniejszą sprawą przy takim wymi­en­niku jest posi­adanie odpowied­nio dużej dzi­ał­ki i właś­ci­we oblicze­nie jego powierzch­ni. Co istotne, nad wymi­en­nikiem nie moż­na sadz­ić drzew czy krzewów, zbu­dować szopy czy garażu. Teren ten musi być stale nasłoneczniony, bo w końcu ze słoń­ca pochodzi to ciepło, które potem pom­pą ciepła usiłu­je­my wydobyć.
  • wymi­en­nik spi­ral­ny poziomy — wbrew pozorom zaj­mu­je praw­ie tyle miejs­ca co płas­ki, ale jest łatwiejszy w wyko­na­niu: kopie się kil­ka rowów zami­ast odkry­w­ki na dużej powierzch­ni.
  • wymi­en­nik pio­nowy — skła­da się z kilku odwiertów o głębokoś­ci 30–150m (zależy od warunk­ów geo­log­icznych) z zain­stalowany­mi rura­mi z glikolem. Zaj­mu­je mniej miejs­ca na dzi­ałce, ale wyższy jest koszt wyko­na­nia (oko­lice 10–15 tys. zł) a przez głębokość odwiertów wyma­gane jest zez­wole­nie.

Efektywność pompy ciepła

Pom­pa ciepła nie pro­duku­je energii lecz trans­portu­je ją z jed­nego miejs­ca w drugie, dlat­ego jej efek­ty­wnoś­ci nie opisu­je się klasy­cznym poję­ciem sprawnoś­ci o nieprzekraczal­nej wartoś­ci maksy­mal­nej 1 (100%). Zami­ast tego sto­su­je się współczyn­nik wyda­jnoś­ci (COP, ang. coef­fi­cient of per­for­mance). Jego znacze­nie jest takie samo jak sprawnoś­ci (sto­sunek energii otrzy­manej do energii włożonej), tyle że wartoś­ci powin­ny być zawsze dużo więk­sze od 1 (ener­gia otrzy­mana nie jest wypro­dukowana przez pom­pę, lecz przez nią trans­portowana).

COP równy 1 ma zwykła grza­ł­ka elek­trycz­na. Pompy ciepła, zależnie od rodza­ju i warunk­ów pra­cy, osią­ga­ją COP w zakre­sie 2 do 6. Granice wyda­jnoś­ci wyz­nac­zone prawa­mi fizy­ki się­ga­ją nawet wartoś­ci 8 do 12, co oznacza, że pole do ulep­szeń wciąż jest duże i coraz nowsze pompy są coraz wyda­jniejsze (choć nigdy tych granic w pełni nie wyko­rzys­ta­ją).

COP pompy zależy od tego, ile pra­cy musi ona wykon­ać, by prze­trans­portować jed­nos­tkę ciepła. Nakład pra­cy rośnie wraz z różnicą tem­per­atur między źródłem dol­nym a górnym. Na tę różnicę z jed­nej strony wpły­wu nie mamy (tem­per­atu­ra zewnętrz­na przy pom­pie powi­etrznej), a z drugiej strony wpływ jest (tem­per­atu­ra wody grzew­czej). Dlat­ego pom­pa ciepła najlepiej sprawdza się w insta­lac­jach grzew­czych niskotem­per­atur­owych (duże grze­jni­ki, podłogówka, ogrze­wanie ści­enne), gdzie pod­grze­wa wodę tylko do 30–40st.C.

Najwyższy i stały COP mają grun­towe pompy ciepła, ponieważ tem­per­atu­ra pod ziemią jest niemal stała i nieza­leż­na od mrozów. Gorzej wyglą­da sytu­ac­ja w przy­pad­ku powi­etrznych pomp ciepła. Im więk­szy mróz, tym ich wyda­jność jest mniejsza, aż w końcu w okoli­cach -20st.C bardziej opła­ca się włączyć grza­łkę niż próbować wyłuskać energię z powi­etrza.

Koszty instalacji

Koszt insta­lacji powi­etrznej pompy ciepła o mocy 8kW to ok. 20 tys. zł. Grun­towa pom­pa ciepła “na gotowo” kosz­tu­je w okoli­cach 30 tys. zł. To nieco więcej niż alter­naty­wne rozwiąza­nia, ale w zami­an otrzy­mu­je się całkowicie bezob­słu­gowe ogrze­wanie zimą oraz chłodze­nie latem (jeśli wybierze się pom­pę ciepła z taką opcją).

Koszt pompy ciepła wyda­je się dużo wyższy niż np. kotła węglowego. Ale to głównie dlat­ego, że do kosz­tu ogrze­wa­nia węglowego zwyk­liśmy wliczać tylko­cenę kotła, pod­czas gdy kosztem jest także kotłow­n­ia i komin – których, nie instalu­jąc kotła, nie trze­ba by budować.

Kotłow­n­ia węglowa wyma­ga budowy kom­i­na (kilka(naście) tysię­cy zło­tych), wydzielonego pomieszczenia, miejs­ca na skład­owanie opału, kotła za 7–10 tys. zł, armatu­ry hydraulicznej itp. Mimo że kocioł poda­jnikowy może być niemal bezob­słu­gowy, to do czys­toś­ci i bezob­słu­gowoś­ci pompy ciepła sporo mu braku­je. Konkuren­cyjny kosz­towo był­by kocioł zasy­powy z buforem ciepła, ale ten z kolei wyma­ga więcej obsłu­gi. Pomysł wstaw­ia­nia “śmieci­ucha” bez bufo­ra do nowego domu litoś­ci­wie przemil­czmy.
Kotłow­n­ia gazowa wyma­ga mniej miejs­ca i niekoniecznie potrzeb­ny jest komin (kocioł kon­den­sacyjny może odprowadzać spaliny rurą przez ścianę), ale trze­ba mieć możli­wość podłączenia gazu, która to usłu­ga również kosz­tu­je kil­ka tysię­cy. Wraz z kotłem oraz osprzętem inwest­y­c­ja niechyb­nie pochłonie kilka­naś­cie tysię­cy.

Dom bez kom­i­na wyda­je się w Polsce herezją. Każdy najpierw staw­ia dom z kominem i kotłown­ią a potem szuka­jąc do niego kotła węglowego przy­pad­kiem dowie się o ist­nie­niu pomp ciepła. Nawet jeśli tem­at go zaciekawi, poniósł już kosz­ty budowy kom­i­na oraz wydzie­le­nia kotłowni, więc siłą rzeczy bliżej mu wtedy do kotła niż do pompy ciepła.

Koszt grzania

Cena energii uzyskanej przez pom­pę ciepła (zakłada­jąc cenę prą­du 0,6zł/kWh) waha się od 0,3zł/kWh przy COP = 2 do 0,1zł/kWh przy COP = 6. Jeszcze niższe kosz­ty osiąg­nie pom­pa z wymi­en­nikiem grun­towym pracu­ją­ca w tary­fie noc­nej, gdy 1kWh prą­du kosz­tu­je ok. 0,26zł.

Pom­pa z wymi­en­nikiem grun­towym jest bezkonkuren­cyj­na pod wzglę­dem kosz­tu użytkowa­nia. Dobrze wyko­nana utrzy­mu­je stale COP ~ 5–6, więc cena za 1kWh to oko­lice 10 groszy. Śred­ni COP pompy powi­etrznej będzie niższy, w okoli­cach 2,5–3, a więc cena 1kWh uzyskanego ciepła wyniesie ok. 20–25 groszy. To nieco mniej niż koszt grza­nia gazem ziem­nym, ale za to kosz­ty inwest­y­cji są nieporów­nanie mniejsze niż dla pompy grun­towej.

Sposobem na obniże­nie kosztów pra­cy powi­etrznej pompy ciepła w oko­lice zera jest zain­stalowanie na budynku fotowoltai­ki podłąc­zonej do sieci. Taka insta­lac­ja latem wypro­duku­je nad­mi­ar prą­du, który zakład ener­gety­czny zapisu­je w swoim “zeszy­cie”, a następ­nie zimą korzys­tasz z tego zapa­su dar­mowego (w przy­bliże­niu) prą­du. Koszt insta­lacji fotowoltaicznej, która pokry­je zuży­cie prą­du gospo­darst­wa domowego i samej pompy ciepła, to kwoty podob­ne do kosztów grun­towej pompy ciepła wraz z wyko­naniem wymi­en­ni­ka.

Grzanie i chłodzenie jednym urządzeniem

Zależnie od posi­adanego rodza­ju pompy ciepła i insta­lacji grzew­czej oraz wenty­la­cyjnej, moż­na zapewnić sobie chłodze­nie latem na kil­ka sposobów:

  • Pom­pa z grun­towym wymi­en­nikiem i ogrze­waniem podło­gowym może służyć do schładza­nia wnętrza budynku nawet bez włącza­nia sprężar­ki. Wystar­czy, że uru­cho­mi się pompy obiegowe w wymi­en­niku grun­towym i w insta­lacji grzew­czej a woda w niej zostanie schłod­zona do tem­per­atu­ry ~10st.C, jaka panu­je pod ziemią. Chłod­na podło­ga nie zapewni jed­nak dowol­nie niskiej tem­per­atu­ry w domu. Znacznie lep­iej do chłodzenia latem nada­je się powi­etrze.
  • Pom­pa typu powietrze/powietrze nada­je się tutaj najlepiej, gdyż może po pros­tu zimą rozsyłać po domu powi­etrze ciepłe a latem – chłodne. Cała sztu­ka to wybrać “odwracal­ną” pom­pę ciepła.
  • Uży­wa­jąc pompy ciepła do pod­grze­wa­nia wody w kranie moż­na za jed­nym zamachem chłodz­ić dom pro­dukowanym przy tej okazji chłod­nym powi­etrzem. Najlepiej da się to wykon­ać mając w domu wenty­lację mechan­iczną z rozprowadze­niem powi­etrza po budynku lub sys­tem dys­try­bucji ciepłego powi­etrza z komin­ka – wystar­czy nieco zmody­fikować insta­lację powi­etrzną, aby latem powi­etrze dostar­czane do budynku mogło prze­chodz­ić wpierw przez pom­pę ciepła. Jedyny haczyk w tym rozwiąza­niu to konieczność czyszczenia i dezyn­fekcji wymi­en­ni­ka pompy przed latem, by nie wyrosły tam (w wilgo­ci i cieple) żadne nieprzy­jazne drob­nous­tro­je. Pon­ad­to jeśli powi­etrze wpada­jące do budynku, czyli trafi­a­jące na wymi­en­nik pompy, nie jest fil­trowane w insta­lacji wenty­la­cyjnej, to przed pom­pą potrzeb­ny jest stosowny fil­tr klasy G4.

Kiedy pompa ciepła sprawdzi się najlepiej

Najlepiej świadomie zde­cy­dować się na pom­pę ciepła już na etapie pro­jek­towa­nia domu. Poz­woli to uniknąć kosztów budowy kom­i­na i zop­ty­mal­i­zować insta­lację grzew­czą.

Pom­pa ciepła najbardziej się opłaci gdy:

  • masz do ogrza­nia dobrze zaizolowany, zwłaszcza nieduży dom
  • ogrze­wanie jest niskotem­per­atur­owe – najlepiej wyłącznie podło­gowe
  • w okol­i­cy nie ma więk­szych prob­lemów z dostawa­mi prą­du zimą
  • masz wol­ny kawałek dzi­ał­ki pod kolek­tor grun­towy lub przewiewne miejsce na pod­wórku, w którym odgłosy pra­cy czegoś na ksz­tałt dużej lodów­ki nie będą przeszkadzać tobie ani sąsi­adom nawet w nocy

Taka sytu­ac­ja poz­woli uzyskać najwięk­szą wyda­jność pompy ciepła przy najniższym kosz­cie inwest­y­cji. Oczy­wiś­cie możesz mieć grze­jni­ki jeśli chcesz lub musisz, ale będzie to wyma­gało ich pow­ięk­szenia celem obniże­nia tem­per­atu­ry pra­cy oraz – nawet przy najwięk­szych grze­jnikach – pod­niesienia tem­per­atu­ry pra­cy pompy ciepła wzglę­dem tego, co było­by możli­we przy ogrze­wa­niu podło­gowym, co obniży wyda­jność. Dla jed­nego grze­jni­ka w łazience nie opła­ca się tego robić. Taniej wyjdzie zain­stalować tam grze­jnik elek­tryczny do suszenia ręczników, a właś­ci­we grzanie zostaw­ić ogrze­wa­niu podło­gowe­mu.

Nie moż­na pomi­jać kwestii nieza­wod­noś­ci. Pom­pa ciepła kon­sumu­je prąd, a jego dostawy zimą w niek­tórych rejonach kra­ju mogą być niepewne. Nie oznacza to, że należy skreślać ten rodzaj ogrze­wa­nia (chy­ba że w okol­i­cy prob­le­my z prą­dem są naprawdę nag­minne), ale trze­ba się mądrze zabez­pieczyć na wypadek 20. stop­nia zasi­la­nia. W kra­jach skan­dy­naws­kich (gdzie pompy ciepła są bard­zo pop­u­larne) obow­iązkowe jest posi­adanie awaryjnego źródła ciepła (np. komin­ka czy piecy­ka — “kozy”), by nawet w razie klęs­ki nat­u­ral­nej i braku prą­du uniknąć zamarznię­cia.

Jak z pompy ciepła zrobić porażkę

Oto niek­tóre ze sposobów:

  • podłącza­jąc pom­pę ciepła do insta­lacji przys­tosowanej uprzed­nio pod kocioł węglowy (wysok­ie tem­per­atu­ry pra­cy rzę­du 60st.C i więcej) – efek­tem będzie utra­ta efek­ty­wnoś­ci i skró­cony żywot urządzenia; to m.in. stąd biorą się ludowe poda­nia o wyso­kich kosz­tach pra­cy pompy ciepła
  • budu­jąc grun­towy wymi­en­nik zbyt mały, zbyt płytko, na prze­ważnie zacienionym grun­cie lub w zbyt lekkiej glebie – otrzy­mu­jąc tym samym zbyt mało wyda­jne źródło ciepła, które skończy się jeszcze nim nas­taną sro­gie mrozy. Dobrze wyko­nane źródło ciepła powin­no zasi­lać budynek bez prob­le­mu przez całą zimę.