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.

Tym­cza­sem koszt insta­la­cji pompy cie­pła jest porów­ny­walny do kosztu budowy komina i zakupu kotła węglo­wego, a cena ener­gii przez nią pozy­ska­nej może być o połowę niż­sza niż z efek­tyw­nego spa­la­nia węgla w kotle podajnikowym.

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 — odwrot­nie 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 brać 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, ale nie wszyst­kiemu można wierzyć.

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 odla­dza­nie 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 wcze­śniej wspo­mnia­nym 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 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 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. 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.

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 –25st.C bar­dziej opłaca się włą­czyć grzałkę niż pró­bo­wać wyłu­skać ener­gię z powietrza.

Koszty insta­la­cji i użytkowania

Koszt insta­la­cji powietrz­nej pompy cie­pła o mocy 8kW to ok. 20 tys. zł. Grun­towa pompa cie­pła “na gotowo” kosz­tuje ok. 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).

Kotłow­nia węglowa wymaga budowy komina (kilka 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.

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. 0,35–0,40zł.

Pompa z wymien­ni­kiem grun­to­wym jest bez­kon­ku­ren­cyjna pod wzglę­dem kosztu użyt­ko­wa­nia. 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.

Kiedy pompa cie­pła spraw­dzi się najlepiej

Naj­le­piej zde­cy­do­wać się na pompę cie­pła już na eta­pie pro­jektu domu. Pozwoli to unik­nąć kosz­tów budowy komina i zop­ty­ma­li­zo­wać ogrze­wa­nie pod pompę ciepła.

Pompa cie­pła naj­le­piej spraw­dza się gdy:

  • masz do ogrza­nia dobrze zaizo­lo­wany, nie­duży dom
  • ogrze­wa­nie jest wyłącz­nie podłogowe
  • w oko­licy nie ma więk­szych pro­ble­mów z dosta­wami prądu zimą
  • masz wolny kawa­łek działki pod kolek­tor gruntowy

Taka sytu­acja pozwoli uzy­skać naj­więk­szą wydaj­ność pompy cie­pła przy naj­niż­szym kosz­cie inwe­sty­cji. Oczy­wi­ście możesz mieć grzej­niki jeśli chcesz lub musisz, ale będzie to wyma­gało pod­nie­sie­nia tem­pe­ra­tury źró­dła gór­nego, co obniży nieco wydaj­ność. Dla jed­nego grzej­nika w łazience nie opłaca się tego robić. Taniej wyj­dzie zain­sta­lo­wać tam grzej­nik elek­tryczny do susze­nia ręcz­ni­ków, a wła­ściwe grza­nie zosta­wić podłogówce.

Nie można pomi­jać kwe­stii nie­za­wod­no­ści. Pompa cie­pła działa w opar­ciu o prąd elek­tryczny, 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 nagminne), ale trzeba się mądrze zabez­pie­czyć na wypa­dek 20. poziomu zasi­la­nia. W kra­jach skan­dy­naw­skich (gdzie pompy cie­pła są bar­dzo popu­larne) obo­wiąz­kowe jest posia­da­nie awa­ryj­nego źró­dła cie­pła (np. kominka czy pie­cyka — “kozy”).