Szacuje się, że około 70% kosztów utrzymania budynków stanowią wydatki związane z ogrzewaniem i przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Nieustannie poszukiwane są więc rozwiązania pozwalające na zmniejszenie tych kosztów. Jednym ze sposobów są pompy ciepła, których popularność w ostatnich latach znacznie wzrasta. W 2016 roku w Polsce ich udział wśród wszystkich systemów grzewczych wynosił około 10%. Pompy ciepła nie są nowością, ponieważ pierwsze z nich były znane w naszym kraju już w latach 90. XX wieku. Od 2009 roku są traktowane jako źródło energii odnawialnej. W naszej świadomości często są jednak postrzegane jako rozwiązanie bardzo kosztowne o niejasnym sposobie działania.
Zasada działania pompy ciepła
Pompa ciepła jest urządzeniem składającym się ze sprężarki, parownika, skraplacza, zaworu rozprężnego oraz czynnika roboczego (chłodniczego) krążącego w obiegu zamkniętym pompy ciepła. Pompa ciepła działa na takiej samej zasadzie jak lodówka- tylko na odwrót. Jest to urządzenie, które przy pomocy energii elektrycznej, przenosi ciepło z dolnego źródła ciepła o niskiej temperaturze do górnego źródła ciepła o wyższej temperaturze. Dolne źródło ciepła mogą stanowić: grunt, woda lub powietrze, a górne źródło ciepła powietrze lub woda w instalacji centralnego ogrzewania. W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł ciepła takich jak kocioł gazowy czy węglowy, które wytwarzają ciepło, pompa ciepła przenosi je tylko z jednego miejsca na drugie.
Współczynnik wydajności
Bardzo ważnym wskaźnikiem określającym efektywność pompy ciepła jest współczynnik wydajności COP. Chcąc obliczyć ten współczynnik należałoby podzielić energię cieplną (moc pompy ciepła) przez energię elektryczną zużytą przez sprężarkę. W praktyce oznacza to więc, że jeżeli nasza pompa ciepła ma moc 12 kW, a jej współczynnik COP=4 to pompa ciepła zużywa 3 kW energii elektrycznej aby wytworzyć 4 razy więcej energii cieplnej. Najczęściej projektowana efektywność wskaźnika COP podawana jest dla określonych parametrów oznaczonych jako B0/W30, czyli dla temperatury 0˚C na dolnym źródle ciepła i 30˚C na górnym źródle ciepła. Tak niska temperatura na górnym źródle ciepła oznacza, że pompa powinna współpracować z instalacjami niskotemperaturowymi (ogrzewanie podłogowe, ścienne, sufitowe). Temperatura zasilania instalacji centralnego ogrzewania powinna wynosić max 55˚C a najlepiej 30-35˚C. Głównym czynnikiem wpływającym na efektywność pompy ciepła jest różnica temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła.
Rodzaje pomp ciepła
Najprostszą, pod względem konstrukcji i montażu, jest powietrzna pompa ciepła. Przez wzgląd na to, że nie wymaga ona budowy dolnego źródła ciepła nie jest wymagana odpowiednio duża działka. Pompy ciepła powietrze/woda mogą być stosowane po przeróbkach również do chłodzenia budynków w okresie letnim jako klimatyzator. Efektywność pomp ciepła powietrznych znacznie maleje jednak przy bardzo niskich temperaturach, czyli wtedy gdy potrzeba najwięcej ciepła do ogrzewania domu. Im zimniej tym pompa zużywa więcej energii elektrycznej, potrzebnej również do odszraniania parownika. W czasie dużego mrozu w ogóle nie będzie pracować. Uruchamia się wówczas wbudowana w nią grzałka elektryczna lub elektryczny podgrzewacz przepływowy. Odpowiednia regulacja regulatora nadzorującego włączanie i wyłączanie grzałki ma więc kluczowe znaczenie dla ekonomicznej pracy pompy. Dopuszczalny udział pracy grzałki wynosi do 10% w skali roku.
Inną z pomp jest pompa wykorzystująca ciepło zgromadzone w wodzie gruntowej, która ma stosunkowo wysoką temperaturę przez całą zimę (8-10˚C). Do jej działania potrzebne są dwie studnie głębinowe: czerpna- do czerpania wody, z której pompa odbiera ciepło i zrzutowa- odprowadzająca wodę, która oddała ciepło. Można również skorzystać ze stawu lub innego zbiornika, do którego mamy dostęp. Nie trzeba wówczas wiercić studni. Pompy te są jednak czasami kłopotliwe w eksploatacji, ponieważ woda czerpana ze stawu jest zanieczyszczona i wymaga filtrowania oraz okresowej wymiany elementów instalacji transportującej wodę, które dość szybko korodują.
Ostatnią z pomp jest gruntowa pompa ciepła. Mamy tu możliwość montażu pompy z pionowym lub poziomym wymiennikiem ciepła. W przypadku pionowego polega to na umieszczeniu wymiennika gruntowego w głębokich odwiertach (od kilku do kilkudziesięciu metrów). Należy pamiętać, że przy odwiertach powyżej 30 metrów należy posiadać pozwolenie wodnoprawne, a powyżej 100 metrów zezwolenie z Urzędu Górniczego. Najczęściej zamiast jednego głębokiego odwiertu wykonuje się kilka płytszych, które powinny być od siebie oddalane o co najmniej 5 metrów. Wymiennik pionowy zapewnia najbardziej stabilną pracę i korzystne parametry, ale koszt jego budowy jest co najmniej o połowę większy niż wymiennika poziomego. Gruntowy poziomy wymiennik ciepła składa się z elastycznych rur z tworzyw sztucznych lub miedzianych. Powinien on być ułożony tam gdzie temperatura gruntu jest najwyższa. W praktyce, aby obniżyć koszt prac ziemnych, montowany jest na głębokości nieco większej niż strefa przemarzania gruntu. W przypadku gruntu gliniastego jego powierzchnia może być zdecydowanie mniejsza niż w przypadku gruntu suchego (piaski). Teren nad wymiennikiem nie może być zacieniony, nie mogą na nim występować żadne zabudowania, większe rośliny o dużych korzeniach ani wybetonowanie terenu. Zalecane jest w tym miejscu założenie trawnika.
Tryb pracy pompy ciepła
Pompy ciepła mogą pracować w czterech trybach pracy i od jego wyboru zależy ostateczny efekt ekonomiczny ogrzewania naszego domu. W pierwszym z nich pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła, które pokrywa 100% zapotrzebowania na ogrzewania budynku. Ten tryb pracy ma sens w przypadku zastosowania gruntowych pomp ciepła w nowych domach o wysokim standardzie izolacyjności. W przypadku powietrznych pomp ciepła to rozwiązanie jest praktycznie nierealne. W drugim z trybów pompa wspierana jest przez wbudowaną w nią grzałkę elektryczną lub osobny kocioł elektryczny. Rozwiązanie to jest efektywne, gdy pompa pokrywa przynajmniej około 90% rocznego zapotrzebowania na ciepło. W kolejnym trybie pracy występują dwa źródła ciepła. W sytuacji kiedy sprawność pompy wyraźnie spada zostaje ona zastąpiona przez inne źródło ciepła efektywniejsze w danym momencie. Pompa pokrywa wówczas 60-80% rocznego zapotrzebowania na ciepło, resztę natomiast inne źródło ciepła: kocioł gazowy, olejowy lub na paliwo stałe. W ostatnim trybie pracy mamy dwa źródła ciepła dostosowujące moc grzewczą w zależności do potrzeb. W tym trybie pracy od określonej temperatury zewnętrznej oba urządzenia pracują równolegle, im niższa jest temperatura zewnętrzna tym wyższy udział kotła na paliwa konwencjonalne.
Problem poboru energii elektrycznej i hałasu
Największymi obawami, które budzi wybór pompy ciepła jest energia elektryczna pobierana przez sprężarkę i pompy obiegowe górnego i dolnego źródła ciepła. Nasuwa się tu pomysł zastosowania paneli fotowoltaicznych zasilających pompę ciepła. Teoretycznie ich produkcja bez problemu pokryłaby zapotrzebowanie na energię elektryczną, ale jak wiadomo okresy produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej i czas intensywnej pracy pompy ciepła zupełnie się mijają. Obecnie przepisy pozwalają na przesłanie nadmiaru energii elektrycznej wyprodukowanej przez instalację do sieci elektroenergetycznej, aby przez kolejne 365 dni od ostatniego rozliczenia z zakładem energetycznym móc z niej korzystać. Odprowadzając energię do sieci można jednak wykorzystać tylko 80% (w instalacji do 10 kWp) lub 70% (10-40 kWp) tego co wyprodukowaliśmy. Kolejnym aspektem pracy pompy ciepła jest hałas wytwarzany przez jej elementy mechaniczne. Dotychczas nie ma przepisów prawa, które wprowadzałyby dopuszczalny poziom emitowanego przez nie hałasu. Jest on oczywiście zależny od rodzaju pompy, ale istnieje ryzyko przekraczania norm, szczególnie w godzinach nocnych na terenach mieszkaniowych. Można go zmniejszyć stosując np. ekrany akustyczne.
Od czego zależy wybór pompy ciepła?
Wybór rodzaju pompy ciepła zależy oczywiście w największej mierze od naszych możliwości finansowych. O ile koszt powietrznej pompy ciepła nie odbiega znacząco od kosztu zakupu kotła gazowego (wraz z pracami towarzyszącymi takimi jak wybudowanie komina czy obróbki blacharskie dachu) to koszt pompy gruntowej z wymiennikiem pionowym jest kilkukrotnie wyższy niż montaż tradycyjnych źródeł ciepła. Poza tym warto wziąć pod uwagę rozmiar działki czy rodzaj gruntu. Na małej działce nie będzie możliwości zamontowania wymiennika poziomego gruntowej pompy ciepła. Warto zwrócić uwagę na strefę klimatyczną, w której zlokalizowany jest nasz dom, rozważając instalację powietrznej czy też gruntowej pompy ciepła. W przypadku gruntowej przy większej głębokości strefy przemarzania konieczne będzie zlokalizowanie wymiennika głębiej, co automatycznie zwiększy koszt prac ziemnych. Wybierając natomiast pompę powietrzną lepsza będzie jej efektywność i mniejszy koszt poboru energii elektrycznej w regionach, w których występują generalnie wyższe temperatury niż w regionach zimnych.. Po wybraniu rodzaju pompy ciepła należy zastanowić się czy będzie ona jedynym źródłem ciepła czy też będzie ona współpracowała w połączeniu z innym źródłem ciepła. Będzie to miało bezpośredni wpływ na moc potrzebnej nam pompy ciepła. Podczas jej wyboru pod uwagę należy wziąć projektowane obciążenie cieplne budynku, zależne od wielu czynników takich jak powierzchnia budynku, budowa ścian, ilość i rozmieszczenie otworów okiennych i drzwiowych itp.
Podsumowanie
Globalnym efektem wybrania przez nas do ogrzewania domu źródła ciepła odnawialnego będzie zmniejszenie emisji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych. Nam, jako potencjalnym użytkownikom, wiadomo, że chodzi jednak przede wszystkim o kwestie finansowe i wygodę wybranego rozwiązania. Pompy ciepła są montowane dotychczas głównie przez inwestorów nowo budowanych domów. Ich efektywne działanie gwarantowane jest w przypadku budynków dobrze ocieplonych, w których wykorzystywany jest system ogrzewania niskotemperaturowego- podłogowego, ściennego lub sufitowego. W budynkach istniejących wiązałoby się to najczęściej z koniecznością całkowitej przebudowy instalacji wewnętrznej centralnego ogrzewania. Eksploatacja pompy ciepła, szczególnie powietrznej, w naszych warunkach klimatycznych jest opłacalna jeżeli mamy do dyspozycji również inne źródło ciepła, działające w warunkach skrajnie niekorzystnych. Najbardziej blokującym inwestycje czynnikiem jest jej koszt, w porównaniu z okresem jego zwrotu. Dlatego warto skorzystać z dofinansowania, które oferowane jest między innymi w ramach Programu Czyste Powietrze, ulgi termomodernizacyjnej lub z różnych programów gminnych.
Dominika Jałocha