Jak działa pompa ciepła?
Pompy ciepła powietrze-woda to jedno z najpopularniejszych rozwiązań wśród systemów grzewczych opartych na odnawialnych źródłach energii. Są stosunkowo proste w montażu, ekonomiczne i efektywne. Możemy wyróżnić pompy ciepła: powietrze/woda, solanka/woda oraz powietrze/powietrze.
Zanim skupimy się bardziej szczegółowo na powyższych rodzajach pomp ciepła, poruszymy ogólne informacje dotyczące tych urządzeń.
W przeszłości, wiele pomp było pompami typu ON/OFF – uruchamiały się z zadaną mocą, po osiągnięciu zadanych temperatur wyłączały się. Z czasem zaczęły pojawiać się pompy inwerterowe. Technologia inwerterowa w pompach ciepła umożliwia płynną regulację mocy urządzenia w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło. Zamiast działać w trybie włącz/wyłącz, jak konwencjonalne urządzenia, pompy inwerterowe mogą dostosowywać swoją moc, co zapewnia:
Niższe zużycie energii – ponieważ urządzenie nie pracuje na pełnej mocy przez cały czas.
Większy komfort cieplny – płynna regulacja temperatury bez gwałtownych skoków.
Dłuższą żywotność sprężarki – dzięki eliminacji częstego uruchamiania i wyłączania.
Kolejnym tematem, który pojawia się przy pompie ciepła to ich sprawność. To z jaką mocą pracuje pompa ciepła, ma wpływ kilka czynników. Istotnymi kwestiami są: temperatura zasilania instalacji oraz temperatura zewnętrzna. Im wyższa temperatura zasilania, tym sprawność urządzenia jest niższa. Natomiast wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, spada również wydajność urządzenia. Podczas wyboru pompy ciepła należy zwrócić uwagę na jej efektywność energetyczną, którą określają dwa kluczowe współczynniki:
COP (Coefficient of Performance) – określa chwilową sprawność pompy ciepła, np. jeśli COP=4, oznacza to, że z 1 kW energii elektrycznej uzyskujemy 4 kW ciepła.
SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) – uwzględnia sezonowe zmiany temperatury i pokazuje średnią efektywność pompy ciepła w skali całego sezonu grzewczego.
Im wyższe wartości COP i SCOP, tym bardziej efektywna pompa ciepła. Dlatego instalacja płaszczyznowa (popularnie podłogówka) jest dla pompy lepszym odbiornikiem ciepła – niższa temperatura zasilania, w porównaniu do grzejników.
Pompa ciepła powietrze/woda
Ten rodzaj pomp ciepła zdobył ogromną popularność w ostatnich latach. Pompa ciepła powietrze-woda działa na zasadzie pobierania energii cieplnej z powietrza zewnętrznego i przekazywania jej do instalacji grzewczej budynku. Bez zagłębiania się w fizykę, proces ten można podzielić w skrócie na kilka etapów:
Pobór ciepła z powietrza – wentylator w jednostce zewnętrznej zasysa powietrze, z którego energia cieplna przekazywana jest do czynnika chłodniczego.
Sprężanie czynnika chłodniczego – w sprężarce czynnik zostaje sprężony, co powoduje wzrost jego temperatury.
Przekazanie ciepła do instalacji – gorący czynnik oddaje ciepło do wody w instalacji centralnego ogrzewania lub zbiornika ciepłej wody użytkowej.
Rozprężenie i powrót do cyklu – czynnik chłodniczy wraca do pierwotnej postaci i cykl rozpoczyna się od nowa.
Rodzaje pomp ciepła powietrze/woda
W zależności od konstrukcji możemy wyszczególnić pompy ciepła powietrze/woda typu monoblok oraz split. Nie można wskazać różnicy wydajności między jednostkami split i monoblok – porównując urządzenia tych samych producentów.
Pompy ciepła monoblok – charakteryzują się jedną jednostką, w więc cały układ znajduje się w jednej jednostce. Takie rozwiązanie przyspiesza i ułatwia montaż, a także eliminuje ryzyko nieszczelności czynnika chłodniczego. Podłączamy się bezpośrednio instalacją centralnego ogrzewania do pompy ciepła. W przypadku wyboru pompy ciepła monoblok, należy pamiętać o tym, że należy ją zabezpieczyć przed zamarznięciem. Taka sytuacja może wystąpić w mroźne dni, kiedy budynek nie będzie zasilany energią elektryczną. Najpopularniejszym sposobem są zawory antyzamrożeniowe. Często także stosuje się roztwór glikolu czy „by-pass” z pompą obiegową i UPS. Problemem może być także lokalizacja jednostki – tutaj prowadzenie instalacji przez budynek nie zawsze jest możliwe.
Pompy ciepła split – składa się z jednostki zewnętrznej oraz wewnętrznej. Jednostki te połączone są ze sobą instalacją chłodniczą – miedziane rury w izolacji. W tym przypadku instalator musi posiadać uprawnienia F-GAZ do wykonania takiej instalacji. Instalację centralnego ogrzewania podłączamy do jednostki wewnętrznej (w której jest wymiennik). Urządzenia nie musimy zabezpieczać przed zamarznięciem. Zyskujemy również większą możliwość lokalizowania jednostki zewnętrznej – instalacja chłodnicza jest łatwiejsza do poprowadzenia w budynku.
Pompa ciepła solanka/woda – gruntowa
W porównaniu do pomp ciepła powietrze/woda, jak nazwa wskazuje, pompa ciepła solanka/woda pobiera ciepło z dolnego źródła – gruntu. Dolnym źródłem może być pionowy odwiert lub kolektor poziomy. Skrócony proces składa się z kilku etapów:
Pobór ciepła z gruntu – glikol (solanka) przepływa przez kolektor gruntowy i pochłania ciepło z ziemi.
Sprężanie czynnika chłodniczego – energia pobrana z gruntu powoduje odparowanie czynnika chłodniczego, który następnie jest sprężany, co zwiększa jego temperaturę.
Oddawanie ciepła do instalacji – gorący czynnik chłodniczy przekazuje ciepło do wody w instalacji grzewczej.
Rozprężenie i powrót do cyklu – czynnik chłodniczy ulega rozprężeniu i proces rozpoczyna się od nowa.
Rodzaje dolnego źródła
Możemy powiedzieć o dwóch dostępnych rozwiązaniach, jeśli chodzi o dolne źródła dla gruntowych pomp ciepła:
Kolektor poziomy – system rur umieszczony na głębokości ok. 1,2-1,5 m (poniżej strefy przemarzania). Wymaga dużej powierzchni działki, ale jest tańszy w wykonaniu niż odwierty. Decydując się na to rozwiązanie w domu, należy również wziąć pod uwagę plany związane z ogrodem.
Odwierty pionowe – głębokie odwierty (nawet do 100 m), które umożliwiają uzyskanie stabilnej temperatury przez cały rok. Są bardziej efektywne, ale droższe w wykonaniu. Rozwiązanie to uzależnione jest od warunków gruntowych – dobrze jest wykonać badania przed przystąpieniem do prac. Ilość i głębokość uzależniona jest od mocy urządzenia. Mogą wystąpić dodatkowe koszty np. w postaci konieczności wykonania studni.
Porównanie pomp ciepła powietrze/woda i solanka/woda
| Parametr | Powietrze-Woda | Solanka-Woda |
|---|---|---|
| Efektywność (COP, SCOP) | Niższa w zimie, waha się w zależności od temperatury zewnętrznej | Wyższa i bardziej stabilna przez cały rok |
| Koszt inwestycyjny | Niższy, brak konieczności wykonywania odwiertów | Wyższy, konieczność instalacji dolnego źródła |
| Montaż | Szybszy i prostszy | Wymaga prac ziemnych i większej przestrzeni |
| Wpływ temperatury zewnętrznej | Wydajność spada w niskich temperaturach | Niezależna od warunków atmosferycznych |
| Żywotność | Średnia, większa liczba cykli pracy sprężarki | Dłuższa, stabilne warunki pracy |
Mimo przewagi w postaci efektywności i niezależności od czynników zewnętrznych na pracę pompy ciepła gruntowej nad powietrze/woda okres zwrotu nie zawsze jest korzystniejszy. Wynika to z dość mocno odczuwalnej różnicy kosztów inwestycyjnych między tymi urządzeniami. Oba rozwiązania mają swoich zwolenników i przeciwników.
Pompy ciepła powietrze/powietrze
Pompa ciepła powietrze/powietrze to nic innego, jak znana i popularna klimatyzacja. Podobnie jak pompy ciepła powietrze/woda w większości posiadają funkcję chłodzenia, tak klimatyzacją można również ogrzewać pomieszczenia. Popularne rozwiązanie jako jedyne źródło ciepła w domkach pod wynajem terminowy. Popularność zwiększa się również biorąc pod uwagę okresy przejściowe: jesień czy wiosna – gdzie nie ma konieczności uruchamiania jeszcze instalacji centralnego ogrzewania. Zasada działania jest taka sama jak w przypadku pompy ciepła powietrze/woda, z tą różnicą, że ciepło oddawane jest przez jednostkę wewnętrzną – nawiew w pomieszczeniu. Koszt inwestycyjny jest dość niski w porównaniu do innych rodzajów pomp ciepła. Należy jednak zwrócić uwagę na pomieszczenia typu łazienka – gdzie nawiew nie do końca jest akceptowalny. Inną kwestią jest rozprowadzenie ciepła po budynku lub montaż jednostek wewnętrznych w poszczególnych pomieszczeniach. Istotnym czynnikiem jest również zapewnienie źródła podgrzewania ciepłej wody użytkowej w budynku.
Podsumowanie
Wydajność pomp zależy m.in. od temperatury zewnętrznej i zasilania, a ich sprawność określają współczynniki COP i SCOP.
Gruntowe pompy solanka-woda są bardziej efektywne i stabilne, ale droższe w instalacji i wymagają dolnego źródła (kolektor lub odwiert). Mimo wyższej sprawności pomp gruntowych, ich wyższe koszty inwestycyjne mogą wydłużać czas zwrotu.
Pompy powietrze-powietrze to inaczej klimatyzatory z funkcją grzania, tanie w instalacji, lecz ograniczone pod względem komfortu i dystrybucji ciepła w budynku.
Typy pomp: powietrze–woda, solanka–woda (gruntowe), powietrze–powietrze (klimatyzacja z funkcją grzania).
Powietrze–woda:
Tańszy montaż, wersje monoblok (prostsze) i split (bardziej elastyczne).Solanka–woda:
Stabilna sprawność przez cały rok, wyższe koszty inwestycyjne, wymaga dolnego źródła (kolektor/odwiert).- Powietrze–powietrze:
Tanie i proste rozwiązanie (np. do domków letniskowych), ograniczona dystrybucja ciepła.
Porównanie: pompy gruntowe są bardziej efektywne, ale droższe; powietrzne – tańsze, lecz mniej stabilne zimą.
