Pompy ciepła

domek jednorodzinny z pompą ciepła

 

Źródła ciepła

Jakie źródło górne?

Jest to pytanie o sposób ogrzewania domu. Do wyboru mamy następujące możliwości:
  • podłogówka (ew. ścienne lub sufitowe)
  • grzejniki
  • mieszane: podłogówka + grzejniki
Ze wzoru na COP wynika, że największą sprawność uzyskujemy przy niskotemperaturowym ogrzewaniu podłogowym (ok. 28-35°C). Jeśli już stosujemy grzejniki, to ich temperatura pracy powinna być jak najniższa, tj. 50 do 55°C, maksymalnie 65°C. W nowo budowanym domu trzeba się zdecydować na zastosowanie w całym domu niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego. O grzejnikach można mówić tylko wtedy, gdy jest to modernizacja ogrzewania i chcemy zastąpić kocioł pompą ciepła, zostawiając starą instalację c.o.

Zdecydowanie należy odradzić stosowanie systemu mieszanego podłogowo-grzejnikowego. Niekiedy, szczególnie w systemach powietrze-powietrze, stosuje się klimakonwektory, które zimą pracują jako względnie niskotemperaturowe źródło ciepła, a latem jako klimatyzatory.

Jakie źródło dolne?

Ciepło można pobierać z wody, gruntu lub powietrza, pomijając rzadkie możliwości wykorzystania wody w rzece, jeziorze lub ściekach. Mamy kilka sposobów „wyciągania” ciepła z gruntu 3:
  • system woda-woda, czyli dwie studnie
  • system solanka-woda, przy czym solanka (roztwór glikolu) krąży w kolektorze, który może być
    - płaski - spiralny - pionowy
  • system bezpośredniego odparowania – woda.

schematy pomp ciepła
Dwie studnie

To najprostsze rozwiązanie. Grunt, a więc również woda gruntowa, na głębokości większej niż 6 m ma w zasadzie stałą temperaturę, która wynosi w Polsce ok. 10°C, niezależnie czy jest zima, czy lato (można się liczyć ze zmianami w przedziale 7-12°C).

Najtańszym inwestycyjnie sposobem pobierania ciepła z gruntu jest pompowanie wody z głębokości poniżej 6 m (oczywiście, lustro wody gruntowej może być na poziomie wyższym, np. 1 lub 2 m pod powierzchnią gruntu).

Budujemy 2 studnie – jedną do poboru wody, drugą do odprowadzenia (zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z pompy ciepła. W typowych warunkach geologicznych, gdy woda jest czerpana z warstwy wodonośnej na głębokości 6 ÷ 15 m, koszt budowy takich dwóch studni wynosi ok. 2000 zł. Odległość między studnią czerpalną i studnią zrzutową powinna być jak największa (co najmniej 15 m), żeby chłodna woda zrzucana nie mieszała się z wodą czerpaną, niekorzystnie obniżając jej temperaturę.

Wydajność pompowania wody gruntowej powinna wynosić 1,5÷2 m³/h, do czego wystarcza pompa samozasysająca o mocy 200 W (jeśli lustro wody jest nie głębiej niż 6 m). Nie zawsze warunki gruntowo-wodne są korzystne dla tego rozwiązania.

Podstawowym przeciwwskazaniem może być głęboki poziom lustra wody gruntowej, co zmusza do stosowania droższych rozwiązań – pomp głębinowych i głębokich wierceń. Uwaga – na studnie o głębokości większej niż 30 m wymagane jest pozwolenie wodnoprawne. Jest też drugi warunek (nie zawsze przestrzegany), że trzeba niezależnie od głębokości studni mieć pozwolenie wodnoprawne na czerpanie wody w ilości większej niż 15 m³/dobę.

Często wyrażane są obawy o niedługi czas życia studni – zarówno czerpalnej, której wydajność z czasem może się obniżyć, jak też zrzutowej, której chłonność może nie być wystarczająca po pewnym czasie. Jednak ewentualnej degradacji studni wierconej nie należy spodziewać się wcześniej niż po 15÷20 latach. Jeśli już tak się stanie, to nie będzie wielkim problemem finansowym ani technicznym wywiercenie nowych studni, zatem tym ograniczeniem nie powinniśmy się nadmiernie przejmować.

Innym kłopotem systemu woda – woda może być jakość wody – duża zawartość żelaza i manganu jak również bardzo wysoka twardość.

Do producenta pompy ciepła należy ocena, czy złe parametry jakościowe wody mogą istotnie wpłynąć na zniszczenie lub złą pracę pompy ciepła. Groźne i, niestety, dość często występujące w naszych warunkach jest nadmierne zażelazienie wody.

Żelazo nie jest szkodliwe dopóki się nie utleni. Osad tlenku żelaza może „zatkać” wymiennik, a także studnię chłonną. Dlatego w przypadku mocno zażelazionej wody niezmiernie ważne jest, by cały układ od poboru wody w studni czerpalnej do zrzutu w studni chłonnej był szczelny i nie „nabierał” powietrza.

Kolektor płaski

Wykonuje się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5÷ 0,8 m z jednego m² gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10-40 W, w zależności od rodzaju gleby.

Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty, suchy. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m², kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 800 m² dla domu o powierzchni netto ok. 200 m², jeśli grunt jest piaszczysty).

Kolektor spiralny

Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to można zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm.

Jednak jest to twierdzenie błędne – w istocie, kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m.

Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła jest grunt, a nie rura, więc niezależnie od sposobu jej ułożenia (rzędami, czy spiralnie) dla pobrania określonej ilości ciepła z gruntu wymagana jest określona powierzchnia „pracującego” gruntu.

Kolektor pionowy

Najskuteczniejszym rozwiązaniem w przypadku ograniczonej ilości miejsca jest kolektor pionowy. Do odwiertów o głębokości 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U. Z 1 m odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 100 W energii cieplnej.

Na przykład dla domu o powierzchni 200 m² potrzebną moc cieplną (200 m² x 50 W/m² = 10 kW) otrzymamy przy łącznej długości odwiertów ok. 200 m, czyli mogą to być 4 odwierty o głębokości 50 m każdy. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.

System bezpośrednie parowanie–woda

Popatrzmy na rysunek w ramce „Schemat działania pompy ciepła” i wyobraźmy sobie, że lewą połowę obiegu termodynamicznego – od zaworu rozprężnego do sprężarki – wydłużamy o kilkaset metrów kolektora (poziomego lub pionowego). To znaczy, że rezygnujemy z wymiennika ciepła między obiegiem solanki w kolektorze poziomym lub pionowym a obiegiem pompy ciepła. W takim wydłużonym obiegu termodynamicznym krąży specjalny czynnik (np. propan R 290 lub R 407C), który odparowuje w kolektorze, pobierając ciepło z gruntu. Rury kolektora wykonuje się z miedzi pokrytej warstwą PE. Wyeliminowanie wymiennika ciepła i pompy obiegowej (wymuszającej obieg solanki w kolektorze) pozwala na zwiększenie sprawności COP o ok. 20%.

System powietrzny

Pompa ciepła może się obyć bez źródła dolnego, jeśli ciepło będzie pobierane z powietrza – zewnętrznego lub wewnętrznego. To ciepło może być przekazywane do wody krążącej w obiegu grzejnym podłogówki lub do powietrza wdmuchiwanego np. przez klimakonwektory.

Minusy

Moc grzewcza i sprawność COP spada wraz ze spadkiem temperatury powietrza. Najlepiej działa w lecie, gdy jest niepotrzebna. Podczas srogiej zimy, przy temperaturach -10°C ÷ -25°C (czy jeszcze będą takie zimy?) sprawność pompy ciepła wynosi zaledwie 2 ... 3. Wynika to z fizyki, we wzorze na COP w mianowniku występuje (T2 – T1), zatem im niższa jest temperatura źródła T1, tym mniejsza wartość COP. Sprawność COP = 2 oznacza, że koszt eksploatacyjny ogrzewania pompą ciepła jest tylko 2 razy mniejszy od bezpośredniego ogrzewania elektrycznego (najdroższego ze wszystkich systemów ogrzewania).

Spadek mocy i sprawności pompy ciepła w okresach szczególnie mroźnych wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła. Zwykle jest to grzałka elektryczna zamontowana w zbiorniku wody. Może też być inne źródło ciepła już istniejące w domu (np. kocioł).

Szczególnie odnosi się to do domów poddawanych modernizacji przez zainstalowanie ogrzewania pompą ciepła bez likwidacji istniejącej instalacji c.o. Biorąc pod uwagę polskie realia klimatyczne, w ciągu roku ilość energii cieplnej dostarczonej przez źródła wspomagające pompę ciepła wynosi zaledwie 5-10% energii dostarczanej przez pompę ciepła.

Plusy

Oczywistym plusem jest brak nakładów inwestycyjnych na dolne źródło ciepła. Aby pobierać ciepło z otaczającego powietrza nie trzeba budować kosztownych kolektorów czy studni, jak to jest w przypadku pompy ciepła czerpiącej energię cieplną z gruntu. To oszczędność kilku do kilkunastu tysięcy złotych na kosztach inwestycyjnych. Z ulgą należy również powitać brak robót inżynieryjnych w ogródku, a nawet w ogóle można się obyć bez ogródka.

Chyba że chcemy wspomóc pompę ciepła przez gruntowy wymiennik ciepła, służący również jako czerpnia powietrza do wentylacji i klimatyzacji. Są takie koncepcje, żeby mroźne powietrze (np. o temperaturze -20°C) wstępnie ogrzewać do ok. 0°C, przepuszczając je przez złoże żwiru umieszczonego w gruncie. Brak konieczności budowy dolnego źródła znakomicie ułatwia zainstalowanie pompy ciepła w zamieszkałym domu, w ramach modernizacji już istniejącej instalacji ogrzewania. Pompę ciepła można zainstalować na zewnątrz lub wewnątrz budynku.

Mity nie mity

Zwolennicy kategorycznych poglądów twierdzą, że pompa ciepła czerpiąca ciepło z powietrza nie wchodzi w ogóle w rachubę w surowym klimacie. Twierdzą, że to rozwiązanie jest dobre dla Kalifornii, ale nie dla Polski. Z kolei adwokaci tego rozwiązania (reprezentanci firm oferujących takie pompy ciepła) przytaczają szereg zdroworozsądkowych argumentów.

Po pierwsze, pompy ciepła powietrze-woda są stosowane nawet na północy Szwecji, gdzie klimat na pewno jest surowszy niż w Polsce. Zimy są u nas łagodne i coraz cieplejsze. W najchłodniejszym miesiącu roku – styczniu, średnia temperatura w centralnej Polsce dla ostatnich 30 lat wynosi ok. -1° C, a pompy ciepła działają do -20°C, a niektóre nawet do -25°C. To prawda, ale nie pocieszy nas średnia statystyczna dla wielu lat, gdy w danym roku przez parę tygodni będzie mróz poniżej -15°C.

Trzeba będzie dogrzewać dom z innego źródła ciepła lub przetrzymać dyskomfort życia w wychłodzonym domu. Dłużej trwające niskie temperatury mogą też ujawnić za małą moc pompy ciepła. Można, oczywiście, kupić pompę ciepła o mocy przewymiarowanej, zdecydowanie za dużej w łagodnych warunkach eksploatacji. No cóż, za pompę o dużej mocy trzeba też dużo zapłacić i wówczas może się okazać, że pieniądze zaoszczędzone na dolnym źródle ciepła (a ta oszczędność jest najbardziej wyrazistą zaletą tego rodzaju pomp) zostaną wydane na pompę ciepła o znacznie większej mocy. Zatem twierdzenie, że w mroźne dni nie da się dogrzać domu do znośnej temperatury, bo pompy ciepła powietrze-woda mają za małą moc, to typowy mit-nie-mit.

Można sobie wprawdzie sprawić pompę z wystarczającym naddatkiem mocy, ale to będzie sporo więcej kosztowało. Obrońcy tego rozwiązania bagatelizują też niską sprawność COP, spadającą poniżej 3 w mroźne dni. Mają trochę racji, bo przy rocznych kosztach ogrzewania domu 200m² pompą ciepła woda-woda (o wartości COP ponad 5) wynoszących ok. 1500 zł, w przypadku pompy o COP = 3 zapłacimy 400 zł – 600 zł więcej za rok ogrzewania. Dopiero po ok. 20 latach straty finansowe na ogrzewanie zrównałyby się z ewentualnym kosztem budowy dolnego źródła w gruncie.

Sensowne zastosowania

Pompy czerpiące ciepło z powietrza szczególnie nadają się do następujących zastosowań.

  • Do wytwarzania c.w.u. Pompa małej mocy, np. 1,6 kW, czerpiąc wewnątrz domu ciepło z powietrza o temperaturze 15°C może podgrzewać wodę do +55°C ze sprawnością COP ok. 3,6. Zwykle taką pompę wyposaża się w dodatkową wężownicę do podłączenia kolektorów słonecznych o S = 2,7 m². Ilość powietrza potrzebna do prawidłowej pracy pompy ciepła – 550 m³/h odpowiada kubaturze małego domu. Jeśli taka pompa ciepła będzie pracowała w piwnicy, to zapewni doskonałą wentylację i osuszanie tej piwnicy.
  • Do wentylacji z odzyskiem ciepła. Są to pompy pobierające ciepło z powietrza usuwanego kanałem wentylacji wywiewnej. Spełniają więc funkcję rekuperatora, odzyskując ciepło z wywiewanego powietrza. Wentylując wspomagają ogrzewanie, mogą też być wykorzystywane do wytwarzania c.w.u.
  • Do ogrzewania służą pompy czerpiące ciepło z powietrza zewnętrznego, nawet gdy temperatura spadnie do -20°C. Oczywiście, to rozwiązanie ustępuje sprawnością pompom czerpiącym ciepło z gruntu, ale nie wymaga budowy źródła dolnego, jest więc idealne do modernizacji starego c.o., lub gdy nie ma możliwości wykonania kolektorów czy studni.