Pompa ciepła − jak działa i jak wygląda montaż pompy ciepła?

Pompa ciepła może przybrać jedną z 3 form: wodną, powietrzną lub gruntową. W zależności od wybranej metody pozyskiwania energii, całkowite koszty pozyskania energii cieplnej mogą się różnić. Niewątpliwą zaletą, jaką posiada pompa ciepła, jest jej ekologiczność. Wykorzystywanie odnawialnej energii pomaga ograniczyć postępujące w zastraszającym tempie wyniszczenie środowiska. W artykule podajemy informacje na temat tego, jak działa pompa ciepła, na czym polega instalacja jej poszczególnych rodzajów oraz jakie są zalety i wady tego systemu grzewczego. 

Pompa ciepła – ekologiczny system ogrzewania domu

Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, które wyposażone jest w zamknięty obieg wypełniony czynnikiem roboczym. Budowa pompy ciepła jest w zasadzie niezmienna. Składa się ona z 3 elementów: dolnego źródła ciepła, górnego źródła ciepła i pompy ciepła. Dolne źródło ciepła dostarcza ciepła, które następnie przekazywane jest przewodami z czynnikiem do górnego źródła ciepła.

Prawidłowo wymiarowane pompy ciepła pozwalają nie tylko zapewnić energię do ogrzewania wody, ale również prawidłowego działania klimatyzacji czy wentylacji. W przypadku niewielkiego budynku mieszkalnego, spełniającego potrzeby standardowej rodziny, dobrze dobrana pompa ciepła może stanowić jedyne urządzenie grzewcze, które dostarczy energię cieplną cały rok.

Zazwyczaj największą inwestycją jest montaż pomp i prace z tym związane. Decydując się na montaż pompy ciepła, musisz liczyć się z większym wydatkiem na samym początku. Koszty eksploatacji są niewielkie, zwłaszcza w przypadku urządzeń grzewczych, które opierają się na działaniu na pozyskiwanie energii gruntowej albo powietrznej. Wystarczy regularna konserwacja elementów, zwłaszcza sprężarki czy filtrów, w które wyposażona jest pompa ciepła. W ogólnym rozrachunku, w zależności od eksploatacji instalacji, założenie tego systemu grzewczego spłaca się w ciągu kilku lat. 

Ogrzewanie pompą ciepła oparte jest na prawach fizyki − każdy rodzaj pompy działa nieco inaczej, o czym przekonasz się w akapicie poniżej. Ogólną regułą działania pompy jest odbiór ciepła z dolnego źródła − może pochodzić z ziemi, zbiornika wodnego lub powietrza. Następnie przekazywane jest ono przez pompę do ogrzewanego budynku i rozprowadzane górnym źródłem ciepła, czyli np. instalacją centralnego ogrzewania i wody. 

Co jednak najważniejsze – pompa ciepła to forma ogrzewania, która jest znacznie bardziej ekologiczna, aniżeli ogrzewanie surowcami takimi jak gaz, węgiel czy olej. Dobrze dobrana instalacja nie pochłania też dużych pokładów energii elektrycznej, co stanowi dodatkowe źródło oszczędności w gospodarstwie domowym i nie ucierpi na tym rachunek za prąd.

Parametry pomp ciepła − COP i SCOP

W sytuacji, gdy wybierana jest pompa ciepła, budowa urządzenia wraz z umiejscowieniem dolnego źródła ciepła jest parametrem, na który zwraca się najwięcej uwagi. Tymczasem istnieją dwie wartości równie istotne.

Pierwszą z nich jest COP, obliczana za pośrednictwem normy EN 255-3, zwana współczynnikiem efektywności. Za pomocą tego parametru określa się stosunek pozyskanego ciepła do energii, która została wykorzystana do jego uzyskania. Oznacza to w skrócie, że im wyższa jest ta wartość, tym tańsza w eksploatacji jest pompa.

Drugą wartością jest SCOP. Jego obliczanie przebiega zgodnie z normami PL-EN 12309-2 oraz PL-EN 14825. Parametr ukazuje dokładnie te same proporcje, jednakże na przestrzeni pełnego sezonu grzewczego. W tym przypadku, podobnie jak w poprzednim, im wyższy jest współczynnik, tym niższe dla Ciebie będą koszty jego eksploatacji.

Oprócz tych 2 współczynników, zwróć uwagę na poziom poboru energii elektrycznej niezbędnej do zasilenia i pracy pompy, a także wartość Pg, za pomocą której określa się moc grzewczą pompy. Moc ta powinna być wyliczona jak najdokładniej, aby dobrać urządzenie adekwatne do potrzeb danego budynku.

Pompa ciepła − jak działa?

Choć pompy ciepła różnią się od siebie, głównie dolnym źródłem ciepła, jej działanie opiera się o prawa fizyki, a właściwie termodynamiki − przemiany stanu materii z cieczy w parę i nad odwrót. 

Najprościej mówiąc, dolne źródło o niskiej temperaturze przekazuje ciepło do górnego źródła o temperaturze wysokiej. W obiegu pompy ciepła znajduje się płyn, który w niskiej temperaturze zamienia się w gaz, przez co pobiera ciepło z otoczenia. Następnie ten gaz wtłaczany jest do sprężarki, a jego temperatura rośnie. Do tego ostatniego etapu potrzebna jest właśnie energia elektryczna. To właśnie to ciepło wykorzystywane jest do ogrzewania pomieszczeń oraz wody. 

To jednak nie koniec cyklu. Ponieważ gaz oddaje ciepło, zaczyna się skraplać i na powrót staje się płynem. Następnie jego temperatura zostanie znacznie obniżona i zostaje wykorzystany ponownie, jako nośnik w kolejnym cyklu. 

Pompy ciepła − rodzaje instalacji

Rodzaje pomp ciepła najczęściej wyróżnia się ze względu na źródło, z którego pozyskiwana jest energia. W tym przypadku mowa o urządzeniach:

• wodnych,
• powietrznych,
• gruntowych.

Wszystkie mają swoje zalety i wady, a także preferowane miejsce wykorzystania. Sprawdź, który typ urządzenia sprawdzi się najlepiej w Twoim przypadku.

Pompy ciepła wodne

Wodne pompy ciepła mogą być wykorzystywane jako podstawowe źródło ogrzewania w budynku mieszkalnym. Z uwagi na czerpanie energii z wody gruntowej instalacja takiego systemu wymaga nie tylko odpowiednich zezwoleń, ale również wynajęcia profesjonalnej firmy odwiertniczej, co niestety bardzo podnosi koszt instalacji systemu grzewczego. 

Woda gruntowa utrzymuje się zazwyczaj na poziomie od 7 do 12 stopni i wtedy nie wymaga dodatkowego testowania pod względem korozyjności. Jednocześnie konieczna jest stała analiza czynnika wodnego w aspekcie zawartości żelaza i manganu, które mogłyby prowadzić do powstania ochry żelazowej.

Miej na względzie to, że system wodny wymaga wyposażenia w dwie studnie, z czego jedna musi być głębinowa – do poboru energii. Drugi zbiornik wodny przeznaczony jest do oddawania wody zrzutowej.

Pompy ciepła powietrzne

W ramach tych urządzeń energia pobierana jest z powietrza. I ten rodzaj urządzeń dzieli się na 2 kategorie. Są to urządzenia typu:

• pompy ciepła powietrze-powietrze – oddają ciepło do systemu klimatyzacji bądź wentylacji;
• pompy ciepła powietrze-woda – oddają ciepło do systemu grzewczego wody w danym budynku.

Budowa pompy ciepła, w której źródłem jest powietrze, pozwala na dwa typy instalacji. Możesz zastosować bardziej wytrzymałe urządzenia, które montowane są na zewnątrz. W takim przypadku dopuszczalne jest również używanie ich do podgrzewania wody użytkowej na działce, na przykład w basenach ogrodowych. Drugi typ to mniejsza, prosta w podłączeniu pompa ciepła wewnętrzna, którą zazwyczaj montuje się przy ścianie zewnętrznej, z wychodzącymi na zewnątrz przewodami.

Warto zaznaczyć, że w przypadku klimatu umiarkowanego, kiedy temperatura powietrza spada poniżej 0 stopni C i utrzymuje się na minusie przez dłuższy czas, wykorzystywane są urządzenia biwalentne. Są to zazwyczaj instalacje grzewcze dwojakiego rodzaju, w których znajduje się również powietrzna pompa ciepła. Budowa w takim przypadku obejmuje dodatkowy kocioł grzewczy gazowy bądź grzałkę elektryczną, co ma zapewnić efektywność pracy systemu grzewczego.

Uznaje się, że powietrzne pompy ciepła są najmniej problematyczne. Nie wymaga on odwiertów, a dolne źródło ciepła najczęściej stanowi powietrze z zewnątrz. Temperatura wody grzewczej uzyskiwana z takiej instalacji sięga nawet 60 stopni C − szczególnie przy niskich temperaturach na zewnątrz. Do powietrznych pomp ciepła może być wykorzystywane także powietrze z wnętrza budynku, jednak uznaje się to rozwiązanie za mniej efektywne. 

Pompy ciepła gruntowe

Obecnie te rodzaje pomp ciepła należą do najpopularniejszych w Polsce. W ich przypadku wykorzystuje się energię, która zgromadzona jest w gruncie. Możliwe jest zastosowanie dwóch typów instalacji, w których źródłem dolnym są:

• kolektory gruntowe – zwane też systemem poziomym, czyli sieć orurowania ułożonego na powierzchni praktycznej całej działki;
• sondy gruntowe – zwane też systemem pionowym, czyli sondy ustawione w głębokich odwiertach.

W tym przypadku wykorzystywany jest fakt, że temperatura gruntu utrzymuje się na w miarę stałym poziomie od 0 do 8 stopni, zależnie od tego, o którym typie montażu mowa. To z kolei zapewnia prawidłową pracę pompy, jeśli dobór instalacji nie jest przewymiarowany. Takie instalacje są również, niezależnie od typu, niewidoczne dla osób trzecich.

Poziome wymienniki gruntowe, które odbierają ciepło, umieszcza się zwykle w miejscu, w którym grunt ma najwyższą temperaturę. W Polsce poziom ten uzyskuje się od 80 cm do 140 cm pod poziomem gruntu. To, ile energii można uzyskać, zależy przede wszystkim od typu gleby oraz nasłonecznienia terenu. Gliniaste podłoże wyprodukuje nawet 30 W/m2, a piaszczyste − 10 W/ m2 − różnice są więc znaczne. Dlatego właśnie dla jednych gospodarstw domowych pompa ciepła będzie bardziej opłacalnym systemem grzewczym, a dla innych mniej. Na wytworzenie energii w mniej energodajnych gruntach potrzebna jest spora powierzchnia. 

Sondy pionowe są nieco bardziej opłacalne, jednak są znacznie droższe. Odwiert, który ma dać 1 kW, powinien być głęboki na 20 m. Częstą praktyką jest wykonanie kilku nieco płytszych odwiertów pionowych. 

Jak zbudowana jest pompa ciepła?

Jest jedna rzecz, która pozostaje praktycznie niezmienna – konstrukcja pompy ciepła. Rodzaje urządzenia nie różnią się pod tym względem w praktycznie żaden sposób prócz miejsca zamontowania dolnego źródła pompy.

Pompa ciepła składa się z:

• parownika będącego dolnym źródłem energii; w nim czynnik roboczy odparowuje w niskiej temperaturze, co prowadzi do wzrostu ciśnienia,
• sprężarki, która – jak sama nazwa wskazuje – pod wpływem wzrostu ciśnienia powoduje sprężenie gazu i zwiększenie jego temperatury,
• skraplacza będącego górnym źródłem energii; jest to kolejny wymiennik, który tym razem oddaje ciepło do płynu czy powietrza przepływających przez instalację,
• rozprężacza, czyli zaworu, do którego spływa czynnik roboczy ze skraplacza i jest ponownie oddawany do użytku w ramach cyklu grzewczego pompy.

W ten sposób zbudowana jest praktycznie każda, oparta na ekologicznych źródłach energii, pompa ciepła. Zasada działania jest prosta i tożsama z odwróconym obiegiem Carnota. Ponadto warto mieć na uwadze, że pompa wymaga zasilania energią elektryczną. Na wypadek awarii sieci zaopatrz się w alternatywne źródła energii, na przykład generatory, albo inne źródła ciepła. W przeciwnym wypadku instalacja nie będzie pracować. 

Sprawdź także, jakie elementy pompy ciepła mogą ulec awarii. 

Pompa ciepła – zalety i wady urządzenia

Pompa ciepła, jeśli jest dostosowana do możliwości gruntu, na którym osadzony jest budynek, a także odpowiednio wyliczona pod względem wymiarów, z powodzeniem zapewnia energię grzewczą dla domów jednorodzinnych i większych budynków. Co jednak istotne, klimat umiarkowany nakłada również pewne ograniczenia oraz sprawia, że konkretne systemy mają zarówno wady, jak i zalety.

Chętnie wykorzystywana instalacja gruntowa pompy ciepła wiąże się z konkretnymi wymogami. Obie metody pozyskiwania energii wymagają dość poważnych prac na starcie. W przypadku kolektorów istotne jest, aby rury obejmowały jak największą powierzchnię, przynajmniej około 40 metrów kwadratowych, jeżeli pompa ma być jedynym źródłem ciepła dla domu jednorodzinnego standardowych rozmiarów. Zaletą jest niewielka głębokość kopania rur, dochodząca do lekko ponad półtora metra.

Z kolei w przypadku sond głębinowych mowa o głębokościach odwiertów nawet do stu metrów, dla uzyskania odpowiedniego efektu. To z kolei poważna i dość kosztowna inwestycja. Oczywiście jeśli tak głębokie odwierty nie są możliwe, zastąp je właściwie rozplanowaną, większą liczbą płytszych wierceń w gruncie. Nadal wiąże się to z dużymi kosztami, jest jednak również plus tego rozwiązania. W przypadku, gdy wykorzystywane są gruntowe pompy ciepła, budowa sond głębinowych może zapewnić wystarczający i kompletny system grzewczy dla dużych budynków gospodarczych i użytkowych.

W przypadku stosowania urządzeń biwalentnych zyskuje się gwarancję efektywnej pracy przez cały rok. Powietrze jest najbardziej ekologicznym źródłem ciepła, bo jego dostępność w żaden sposób nie maleje, a podłączenie nie wymaga dodatkowych testów dotyczących jakości. Jednocześnie kocioł gazowy albo grzałka elektryczna pomagają w pracy systemu grzewczego wówczas, gdy pompa ciepła ze źródłem powietrznym staje się nieefektywna, na przykład przy długo utrzymujących się mrozach. Zwróć uwagę na to, jak działa pompa ciepła i jakie dodatkowe koszty utrzymuje. W chłodniejszych obszarach mogą być one bowiem dość wysokie, zwłaszcza w sezonie zimowym, gdy również zapotrzebowanie na energię grzewczą jest wyższe.

Poznaj także sposoby na ogrzewanie hybrydowe zimą i latem. 

System wodnej pompy ciepła może być nad wyraz korzystny w przypadku działek, na których znajdują się stawy czy inne zbiorniki wodne. W ich przypadku montowane źródło dolne jest znacznie mniejsze, a jednocześnie pozwala pobierać energię o dużej efektywności. W przypadku rozwiązania z dwiema studniami montaż pompy ciepła i uzyskanie wszystkich niezbędnych dokumentów jest dużą inwestycją początkową, wymagającą zarówno nakładów finansowych, jak i czasu oraz zaangażowania. Jest jednak korzystna w eksploatacji.

Przeczytaj także, jakie są najczęstsze objawy złego dopasowania pompy ciepła. 

Warto też wiedzieć, że zmiany w prawie budowlanym doprowadziły do znacznego ograniczenia możliwości instalacji grzewczych wykorzystujących paliwa kopalne. Pompa ciepła to jedno ze źródeł energii cieplnej, która jest ogólnie respektowana, ekologiczna, a inwestycja ją przewidująca z pewnością uzyska zezwolenie na budowę. 

Pompa ciepła – czy to rozwiązanie dla Ciebie?

Dobrze dostosowana do potrzeb danego budynku pompa ciepła może być jedyną instalacją grzewczą, jakiej potrzebujesz − pozwala na ogrzanie pomieszczeń oraz wody. Szeroki wybór ekologicznych źródeł energii ogranicza zanieczyszczenie powietrza, a jednocześnie pomaga zyskać energię niezbędną do ogrzania wody, pracy systemu wentylacji czy klimatyzacji. Choć jest to początkowo znaczna inwestycja, to jednak zwraca się w kontekście wieloletniego planu wydatków, zwłaszcza w porównaniu z systemami grzewczymi opartymi na zastosowaniu paliw, energii elektrycznej albo gazu.