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 części osób tym się parających, a 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 możliwie neutralnej naświetlić zasadę działania, plusy dodatnie i ujemne pomp ciepła oraz super istotne detale, 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. 10-20 tys. zł. Gruntowa pompa ciepła "na gotowo" kosztuje w okolicach 30-40 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 - a więc ładne kilkadziesiąt tysięcy złotych.

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 (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.

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.