Pompa ciepła – najpierw drogo ale potem tanio

Pompa ciepła – jeszcze kilka lat temu egzotyczne urządzenie dla bogaczy, dziś ogrzewa coraz więcej zwykłych polskich domów. Rozwój technologii pomp ciepła (szczególnie powietrznych) obniżył ich koszty i poprawił osiągi, dzięki czemu pompa ciepła jest już konkurencyjna kosztowo nawet względem kotła na ekogroszek. Co więcej, w połączeniu z instalacją fotowoltaiczną jest w stanie zaoferować niemal bezkosztowe ogrzewanie (przy okazji jest to jedno z dwóch najbardziej ekologicznych [zarazem odnawialnych i bardzo czystych] źródeł ciepła, obok nowoczesnych kotłów i pieców na drewno).

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

Jak działa pompa ciepła

Pompę ciepła większość z nas ma od zawsze w domu i trzyma w niej wczorajsze kotlety. Jest nią każda domowa lodówka czy zamrażarka. Jak również klimatyzator. Pompa ciepła działa na identycznych zasadach – tylko w drugą stronę: zamiast chłodzić, grzeje (ale chłodzić też może).

Dokładniej: jest to odwrócony cykl Carnota, o którym uczyliśmy się w szkole w kontekście maszyny parowej:

  • W maszynie parowej ciepło wytwarza ciśnienie, które następnie jest zamieniane na energię mechaniczną; sprawność jest tu raczej kiepska, od kilku do może 30%.
  • Pompa ciepła robi na odwrót: energia mechaniczna (sprężarka napędzana prądem) wytwarza ciśnienie, które pozwala transportować ciepło z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o temperaturze wyższej (odwrotnie niż ono samo w naturze płynie); sprawność też jest "odwrócona": z jednostki prądu uzyskuje się kilka jednostek ciepła.

To jest właśnie "magia" pompy ciepła: dostarcza kilka razy więcej ciepła niż zużywa prądu. Nie jest to bynajmniej gwałt na podstawach fizyki – ciepło nie jest produkowane w pompie ciepła, lecz transportowane "skądś" (o tym za chwilę). Stąd też nazwa: pompa ciepła – gdyż działanie jest analogiczne do pompy wody.

pompa-ciepla-schemat

Pół-inżynierski schemat działania pompy ciepła

Inżynierskich terminów użyłem, ale się nie cieszyłem. I tak są powszechnie stosowane, więc warto je kojarzyć:

  • Źródło dolne – stąd pompa ciepła pobiera energię cieplną.
  • Źródło górne – to instalacja grzewcza w ogrzewanym budynku.

Skąd pompa ciepła bierze ciepło

Źródłem energii dla pompy ciepła (źródłem dolnym) może być:

  • woda – studnia lub odpowiednio duży akwen wodny
  • sam grunt
  • powietrze

Z punktu widzenia fizyki (tego jakie ilości energii cieplnej są dostępne w danej materii) najlepszym źródłem ciepła jest woda, dalej jest grunt a powietrze wydaje się w tej roli zupełnie beznadziejne. Ale nie same właściwości fizyczne grają tu rolę. Istotniejsza jest dostępność i koszt pozyskania ciepła z danego źródła. Gdy to wziąć pod uwagę, hierarchia się odwraca.

Powietrze

Stale zyskującym na popularności dolnym źródłem dla pomp ciepła jest powietrze. Wydaje się ono kiepskie do tej roli:

  • energii cieplnej w metrze sześciennym tyle co kot napłakał,
  • jego temperatura mocno się waha zimą.

A jednak na tle wad gruntu i wody okaże się najczęściej optymalnym wyborem, bo jest dostępne wszędzie, za darmo i bez większych problemów.

Głównym problemem powietrznej pompy ciepła jest spadek efektywności wraz ze spadkiem temperatury (powietrze staje się coraz uboższe w energię cieplną). Przy skrajnych mrozach typu -20 stopni powietrzna pompa ciepła wyłącza się, aby nie katować sprężarki i przechodzi na zasilanie zapasowe (najczęściej grzałki elektryczne, ale może to być niemal dowolne inne źródło ciepła).

Mimo tego średniosezonowa efektywność współczesnych powietrznych pomp ciepła w nowoczesnym domu (niskotemperaturowe ogrzewanie) jest wysoka i czyni te urządzenia ekonomicznie sensownymi – z jednej kWh prądu uzyskuje się spokojnie od 3 do 4 kWh ciepła średniorocznie.

Grunt

Ziemia, w przeciwieństwie do powietrza, jest stabilnym i zasobnym źródłem ciepła. Niestety – czerpanie z tego źródła jest bardzo kosztowne i nie wszędzie możliwe.

Dla czerpania ciepła z gruntu trzeba w nim zakopać wymiennik:

  • poziomy – w formie paruset metrów rury typu wodociągowego; potrzebne jest parę arów wolnego podwórka i spory nakład pracy.
  • pionowy – coś podobnego, ale upchane w pionowy odwiert o głębokości rzędu 100m (czasem jest to więcej niż jeden taki odwiert).

Gruntowa pompa ciepła jest bardzo efektywna (bez trudu daje pięć razy więcej ciepła niż zużywa prądu) i działa równie dobrze niezależnie od temperatur za oknem. Niestety, zważywszy na zazwyczaj bardzo wysokie koszty wykonania gruntowego wymiennika i postęp w powietrznych pompach ciepła, jest to opcja coraz słabiej konkurencyjna względem pomp powietrznych.

Woda gruntowa

Woda jest najlepszym magazynem energii cieplnej. Jednak z jakiegoś powodu pompy ciepła wykorzystujące wodę gruntową są totalną niszą. Niewiele konkretnego można o nich przeczytać a jeśli już można, to często są to ostrzeżenia samych wykonawców pomp ciepła, aby się w to nie pakować. O co tu chodzi?

Zacznijmy od początku. Wystarczy mieć studnię zasobną w wodę. Ta woda ma zawsze co najmniej 8-10 stopni, a że woda ma bardzo wysokie ciepło właściwe – siedzi w niej o wiele więcej energii niż w gruncie czy tym bardziej powietrzu. Wydaje się proste i przyjemne, póki nie zapoznać się z listą problemów:

  • Wody trzeba pompować bardzo duże ilości. Ekwiwalentem 1 kilograma węgla jest ~500 litrów wody. Spalasz dziennie worek (20kg) ekogroszku – tyle samo energii uzyskasz z 10 ton wody.
  • Studnia musi zapewnić odpowiednią wydajność dzień w dzień – nie wszędzie są ku temu warunki. Mogłeś ze studni korzystać latami dla potrzeb własnych, ale pobory gospodarstwa domowego są śmiesznie małe wobec potrzeb pompy ciepła. Nie wiadomo, czy nagle po jakimś czasie wody nie zabraknie, choć początkowo było pięknie. Niby jest to obieg niejako zamknięty, woda wraca do gruntu, ale kto wie, jak się sprawy pod ziemią toczą.
    Samo pompowanie wody nie jest wielkim wydatkiem energetycznym, ale potrzebne jej ilości są źródłem dalszych problemów.
  • Istotna jest także jakość wody: im bardziej zmineralizowana, tym więcej problemów. Minerały będą się stopniowo wytrącać w wymienniku pompy ciepła i spowodują stopniowy spadek sprawności, aż do konieczności czyszczenia. Zapobiega się temu stosując dodatkowy wymiennik pośredni – ale to tylko przeniesienie problemu poza pompę ciepła, bo ten wymiennik pośredni i tak trzeba będzie okresowo czyścić.
  • Nie mniejszym problemem jest zrzut wody "zużytej". Jeśli da się zrzucać wodę do jakiegoś stawu, potoku, rzeczki – wygrałeś życie, masz ogromną szansę na sukces. Jeśli nie masz takich warunków, musisz wodę rozsączyć w gruncie. I tu zaczyna się strome podejście. Zazwyczaj mówi się, że do tego celu potrzebna jest druga studnia analogiczna do czerpalnej. Tak by było najlepiej (choć można też wykonać odpowiednio rozległy drenaż), ale to nie koniec atrakcji.
  • Nawet jeśli wykonasz studnię zrzutową, to za czas jakiś może ona się zatkać. Czym? Ano minerałami wytrącającymi się ze zrzucanej wody. Nawet gdy woda jest krystalicznie czysta, zawiera w sobie nieco rozpuszczonych minerałów, które wytrącają się z niej pod wpływem natlenienia. Owo "nieco" przemnożone przez tysiące litrów, miesiące i lata – może w końcu dać wiele kilogramów mułu, który uniemożliwi dalsze wsiąkanie wody. W studniarskim światku nazywa się to kolmatacja. Można z tym walczyć, ale nie jest łatwo, prościej może być wykonać nową studnię.

Sprzyjające warunki pod każdym wymienionym względem występuje dosyć rzadko. Nawet gdy wydaje się, że wszystko jest OK na starcie – po jakimś czasie pompa może odmówić posłuszeństwa. Dlatego jest to ryzykowny sport i rzadko wybierane rozwiązanie. Aczkolwiek może się świetnie sprawdzić jeśli akurat jesteś tym farciarzem, który ma warunki pod każdym względem korzystne.

Efektywność pompy ciepła

Raczej nie mówi się o sprawności pompy ciepła, bo to pojęcie odnosi się do urządzeń produkujących energię i bezwzględnie maksymalną możliwą sprawnością zawsze jest 100%. Pompa ciepła wymyka się tej definicji, dlatego dla odróżnienia stosowany jest tu współczynnik wydajności (COP). Jego znaczenie jest takie samo jak sprawności (stosunek energii dostarczonej przez pompę w postaci ciepła do energii włożonej w postaci prądu), z tym że wartości zawsze są dużo wyższe od 1 (100%).

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.

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.

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. Podzielmy więc cenę 1 kWh prądu przez 3,8 albo chociaż przez 3 – i otrzymujemy koszt konkurencyjny względem gazu i bliski ogrzewaniu węglowemu. A co dopiero gdy pokombinować z taryfami G12. Już nie mówiąc o fotowoltaice...

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 10kW to min. 20 tys. zł. Gruntowa pompa ciepła to koszt w okolicach 30-40 tys. zł na spory wpływ ma gruntowy wymiennik. A i niewiele mniejsze kwoty można wydać na najdroższe powietrzne pompy ciepła – na tej najwyższej półce o dziwo jest gęsto od polskich producentów. Czy za cenami idzie stosowna jakość? Pojęcia nie mam.

Czy to są kwoty zaporowe? Chyba już nie, ale też nielekkie dla portfela zwykłego Polaka. Chociaż w ostatnich latach koszt montażu jakiegokolwiek źródła ciepła podskoczył do kwot min. 10 tys. zł po tym jak zniknęły z rynku najtańsze kotły.

Dla niektórych pompa ciepła będzie jedyną lub jedno z niewielu sensownych opcji np. w przypadku braku gazu lub chorej uchwały antysmogowej zakazującej ogrzewania drewnem i pelletem. Ma swoje duże plusy:

  • Oszczędność pieniędzy. Pompa ciepła oferuje ciepło w cenie konkurencyjnej względem kotła węglowego a w połączeniu z fotowoltaiką koszty ogrzewania mogą bilansować się do zera.
  • Oszczędność miejsca. Wewnętrzna jednostka pompy ciepła jest wielkości kotła gazowego. Nie potrzebuje osobnej kotłowni.
  • Bezpieczeństwo. Nic nie jest spalane więc odpada zagrożenie zaczadzeniem albo wybuchem.

Największą przeszkodą jest niestety koszt instalacji. Miłośnikom ciszy mogą przeszkadzać także odgłosy pracy pompy. Poza tym trudno znaleźć istotne wady tego sprzętu.

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 - a więc ładne kilkadziesiąt tysięcy złotych.

O czym się nie mówi

Tajemnice pompiarskiego poliszynela. Ci, co z pomp ciepła żyją, raczej unikają tych spraw – tak jakby nadmierne uświadomienie klienta miało im go spłoszyć. Taak, lepiej niech się znienacka zderzy z problemem – na pewno się nie zrazi i nie zniechęci 10 innych osób.

Przeglądy gwarancyjne

Pięcioletnia gwarancja na powietrzną pompę ciepła nie jest czymś niespotykanym. To co może zaskoczyć to jej warunki, w szczególności fakt, że dla jej utrzymania konieczne są rokroczne przeglądy, oczywiście płatne. Koszt takiego przeglądu zależy od konkretnego instalatora. Zwykle będą to okolice 300zł.

  • Zła wiadomość jest taka, że nawet te 300zł może zjeść znaczną część oszczędności, jakie pompa ciepła powoduje.
  • Dobra wiadomość jest taka, że innych "ukrytych" kosztów już nie ma.

Różnie można do tej sprawy podejść. Jedni płacą. Inni nie płacą, tracą gwarancję, ale biorą na siebie ryzyko kosztów ew. napraw w razie braku gwarancji. Trzeba jeszcze pamiętać, że nawet przy braku gwarancji obowiązuje dwuletnia rękojmia, za którą nic się nie płaci, bo wynika z przepisów prawa.

Hałas

Decydując się na pompę ciepła trzeba brać pod uwagę, że jest to urządzenie "generujące dźwięki". Trudno to zgrabnie opisać, aby nie przesadzić w żadną stronę. Nie można powiedzieć, żeby było "hałaśliwe" – ale też nie jest bezgłośne.

Uciążliwość odgłosów pracy pompy ciepła może być bardzo różna, od niezauważalnej po powodującą trudności ze snem i zgrzyty międzyludzkie. Zależy:

  • gdzie i jak pompę zamontujesz
  • jakie będzie otoczenie i jak będzie się niósł dźwięk
  • czysto subiektywnie, na ile jesteś wrażliwy – ty, żona, sąsiad – na dźwięki.

Producenci podają głośność swoich pomp – zwykle ok. 50 dB – ale zwykłemu człowiekowi to nic nie mówi. Subiektywny odbiór tych 50 dB może być bardzo różnych w różnych warunkach i dla różnych osób.

Po internetach można znaleźć filmiki mające dokumentować głośność pracy pomp ciepła – i to niestety też jest kiepskie źródło odniesienia, bo to, co nagrała kamerka i odtwarza komputer, ma się nijak do poziomu głośności w rzeczywistości.

Jak ocenić uciążliwość hałasu pompy ciepła? Jedyna rzetelna metoda: na żywo, stojąc w pobliżu pompy ciepła pracującej na możliwie dużych obrotach. To będzie wariant pesymistyczny. Poziom hałasu można istotnie zmniejszyć np. montując pompę w odpowiednim miejscu. Pompy mają też programowalne tryby cichszej pracy np. na noc. Istnieją też specjalne modele o bardzo niskim poziomie hałasu, niestety zwykle odpowiednio droższe.

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 (im mniejsza moc urządzenia, tym całość jest tańsza)
  • 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
  • pompa została ściśle dobrana mocą do potrzeb budynku - co prawda współczesne pompy ciepła modulują w szerokim zakresie moc z jaką pracują, ale mają swoje minimum, poniżej którego będą się wyłączać - a tego trzeba unikać, bo na tym najbardziej urządzenie się zużywa.

Dopilnowanie wszystkich tych kwestii 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. W Polsce również możemy zastosować takie podejście: kominek świetnie sprawdzi się jako rezerwowe źródło energii w razie "w".

Jak z pompy ciepła zrobić porażkę

Oto niektóre ze sposobów, aby zepsuć pompę ciepła i zrobić czarny PR tej technologii za własne pieniądze:

  • montując pompę ciepła w starej instalacji w starym budynku, bez pomyślunku – stara instalacja najczęściej jest obliczona pod bardzo wysokie temperatury zasilania a ponadto może być zamulona. Jedno i drugie jest bardzo niekorzystne. Brud w instalacji osiądzie w wymienniku pompy, w skrajnym przypadku może go zatkać. Z tym można sobie poradzić przeprowadzając na wstępie gruntowne płukanie instalacji i montując stosowne filtry (czasem są wbudowane w pompę).
    Jednak najważniejsza rzecz to temperatura pracy instalacji. Jeśli w największe mrozy grzejniki nie muszą być cieplejsze niż 40-45 stopni, aby dogrzać dom – wtedy można do takiej instalacji montować pompę ciepła. Jeśli instalacja musi się kręcić na temperaturach rzędu 60 stopni albo więcej – przed montażem pompy ciepła trzeba wymienić grzejniki na większe, aby obniżyć temperaturę pracy instalacji. Wyższe temperatury to niższa efektywność pompy ciepła i krótsza jej żywotność.
  • 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.