Pompa ciepła powietrzna i gruntowa - zalety obu systemów

Czego dowiesz się z artykułu?

• Jak wybierać pompy ciepła?
• Jak działa pompa ciepła?
• Jaka jest najważniejsza różnica między pompami ciepła powietrznymi i gruntowymi?
• Jak działa powietrzna pompa ciepła?
• Jak działa gruntowa pompa ciepła?
• Czy wybór źródła dolnego w ogrzewaniu pompy ciepła zależy od rodzaju działki, jaką dysponujemy?
• Jak dużego źródła dolnego potrzebujemy?
• Jakie źródło górne wybrać przy ogrzewaniu pompą ciepła?
• Co określa współczynnik COP?
• Ogrzewanie pompą ciepła: jakiej mocy potrzebujemy?
• Czy wykorzystanie pompy ciepła do chłodzenia ma znaczenie przy wyborze jej rodzaju?

Fenomen pomp ciepła

Pompy ciepła to swoisty fenomen - w żadnej innej grupie urządzeń grzewczych zróżnicowanie nie jest aż tak duże. Bo chociaż ogólna zasada działania jest zawsze taka sama to zasadniczo różni je budowa, moc, sprawność i cena, a ponadto wymagania montażowe. Jeśli chodzi o ten ostatni punkt, nie są to tylko cechy instalacji, którą trzeba wykonać wewnątrz budynku, chociaż i pod tym względem zróżnicowanie jest ogromne. Zasadniczą sprawą są wymogi odnośnie działki - jej wielkości, sposobu zagospodarowania, zakresu niezbędnych prac.

W tym tekście zajmiemy się właśnie pompami działającymi w dwóch najczęściej spotykanych systemach.

Najczęściej spotykane systemy pomp ciepła, to:

• powietrzne, czyli czerpiące ciepło z powietrza (najczęściej zewnętrznego);
• gruntowe, co faktycznie oznacza kilka dość odmiennych rozwiązań, wykorzystujących ciepło zgromadzone w ziemi.

Wykres: Sprzedaż pomp ciepła do c.o. w Polsce w 2010 i 2020 r.

Osiedle Piotrowice pod Jaworem na Dolnym Śląsku. W każdym z domów jest gruntowa pompa ciepła szwedzkiej firmy NIBE.

 

Postaramy się odpowiedzieć na pytanie w jakiej sytuacji każdy z tych systemów sprawuje się dobrze, lepiej od konkurencyjnego, a kiedy natomiast ujawniają się jego słabości. Wiedząc o tym, zanim zdecydujemy się kupić pompę określonego rodzaju, będziemy mogli dokonać optymalnego wyboru, uwzględniającego cechy budynku i działki, nasze zasoby finansowe itd. Siłą rzeczy, nieco inne kryteria będą obowiązywać na małej miejskiej parceli niż na posesji, gdzie mamy do zagospodarowania kilka tysięcy m2.

Działka może być przy tym od lat zagospodarowana i raczej nie zechcemy rozkopywać z takim trudem wypielęgnowanego ogrodu, albo jest to dopiero surowy kawałek pola, po którym i tak będą jeździć koparka, spychacz i betoniarka. Czego innego będziemy oczekiwać w domu z dopiero budowaną instalacją grzewczą, gdzie zaczynamy od zera, ale mamy swobodę wyboru, niż w budynku, w którym już jest jakaś instalacja grzewcza, którą najpewniej warto wykorzystać do współpracy z pompą ciepła.

Tego rodzaju przykłady można mnożyć niemal w nieskończoność, ale nawet ta skromna próbka ma na celu pokazanie, że wyboru konkretnej pompy ciepła trzeba dokonać uwzględniając mnóstwo czynników, z których wiele (jeśli nie większość) dotyczy nie cech samych urządzeń, lecz budynków i działek, gdzie mają one pracować. Bo czego by nam nie próbowali wmówić sprzedawcy, to nie ma rozwiązania idealnego.

Jeśli słyszymy, że coś jest lepsze, to powinniśmy od razu pytać, pod jakim względem i w jakich warunkach lepsze. Jeśli tego zaniedbamy, może się okazać, że wydaliśmy kilkadziesiąt tysięcy złotych na technicznie naprawdę dobrą pompę, ale marnie dopasowaną do naszego domu. A wówczas będziemy mieli szczęście, jeżeli będzie ona działać poprawnie, a nie całkiem źle. To trochę tak, jakbyśmy kupili sportowy samochód i próbowali nim jeździć po leśnych, nieutwardzonych duktach.

Jednak wiedza o tym, w jakich warunkach dobrze sprawdza się dany rodzaj pompy, przyda się również tym, którzy już pompę kupili. Bo nie zawsze wiedzą jak się z nią obchodzić i jakie parametry pracy ustawić, żeby wykorzystać maksimum możliwości urządzenia.

Działanie pompy ciepła jest uzależnione od tego skąd czerpie ona ciepło (źródło dolne) oraz tego jak wykonano instalację c.o. w budynku (źródło górne). (fot. Galmet)

Dlaczego pompa grzeje?

Pompa ciepła to bardzo dziwne urządzenie grzewcze. Bo tak naprawdę nie wytwarza ona ciepła. Chociaż brzmi to paradoksalnie, to tak właśnie jest i odróżnia to pompy od kotłów. W przypadku tych ostatnich sprawa jest jasna - zużywają one paliwo lub energię elektryczną, zamieniając je na ciepło oddawane do instalacji grzewczej. Zaś pompa ciepła zużywa wprawdzie pewną ilość energii elektrycznej, ale zupełnie w innym celu. Ona czerpie ciepło z otoczenia - najczęściej właśnie z powietrza lub gruntu - przetwarza je na bardziej użyteczną dla nas postać, a następnie przekazuje je do instalacji grzewczej.

Może cię zainteresować

Cykl defrost w powietrznej pompie ciepła. Dlaczego jest tak niezbędny? Pompa ciepła do cwu i kocioł na pellet - jak sprawdzi się ten duet? Kiedy pompa ciepła się opłaca? O co chodzi z tymi pompami ciepła? Powietrze-powietrze, powietrze-woda? Bufor ciepła 1000 l - kiedy warto stosować, a kiedy nie? Jakie są dotacje na pompę ciepła 2023 roku? Oszczędzaj z pompą ciepła! Czy pod pompę ciepła potrzebny jest fundament? Jak zabezpieczyć monoblokową pompę ciepła powietrze-woda przed zamarzaniem? Rola zaworu przecizamrożeniowego Hybrydowa pompa ciepła - wszystko, co musisz o niej wiedzieć Dlaczego warto wybrać pompę ciepła do ogrzewania domu? Wybór pompy ciepła do domu jednorodzinnego Sposób na tanią ciepłą wodę - pompa ciepła Ecodan QUHZ CO2 Pompa ciepła czy kocioł pelletowy?

Zobacz więcej Zwiń

Mamy więc układ złożony z trzech elementów:

• otoczenie domu jako źródło ciepła, czyli tzw. źródło dolne;
• sama pompa;
• instalacja grzewcza budynku, żargonowo nazywana źródłem górnym.

Pompa jest środkowym elementem w tym łańcuchu. Jednak to ile ciepła będzie w stanie dać nie zależy tylko od niej samej oraz pobranej ilości prądu. Najważniejsze są dwa pozostałe ogniwa - to ile energii można wyciągnąć ze źródła dolnego i jaką ma ono temperaturę, oraz jak bardzo trzeba podnieść temperaturę po stronie źródła górnego. Uprzedźmy od razu, że najkorzystniejsza jest jak najmniejsza różnica temperatury pomiędzy źródłem dolnym i źródłem górnym. Wówczas pompa ma łatwiejszą pracę do wykonania i zużywa mniej prądu dostarczając taką samą ilość ciepła.

Innymi słowy wtedy osiąga najwyższą sprawność, czyli działa w sposób najbardziej ekonomiczny. Bywa to porównywane z pompą studzienną, która przepompowuje wodę ze studni do położonego na pewnej wysokości zbiornika. Każdy kto miał z tym do czynienia wie, że wydajność pompy spada, jeśli poziom wody w studni się obniża, albo trzeba ją przepompować na większą wysokość.

Wszystkie pompy ciepła to urządzenia przyjazne dla środowiska, bo większość oddawanego ciepła pozyskują z otoczenia - swojego źródła dolnego. (fot. Sas)

Najważniejsza różnica między pompami ciepła powietrznymi i gruntowymi

Analizując cechy powietrza i gruntu jako źródeł dolnych łatwo dostrzeżemy najważniejszą różnicę pomiędzy nimi. Pompy wykorzystujące powietrze działają w bardzo zmiennych warunkach. Powietrze może mieć przecież wiosną lub jesienią +15°C, ale za to w środku zimy spada nawet do -20°C. Czyli, trzymając się analogii ze studnią - poziom wody sięga prawie poziomu terenu, albo obniża się o kilka metrów. To porównanie jest też o tyle dobre, że tak jak poziom wody w studniach obniża się właśnie w porze suszy w środku lata, czyli w czasie największego zapotrzebowania na wodę, tak i największe zapotrzebowanie na ciepło występuje w czasie dużych mrozów, kiedy to najtrudniej je pozyskać.

Pompy gruntowe czerpią zaś ze znacznie stabilniejszego źródła dolnego. Różnica temperatury gruntu wynosi od kilku do kilkunastu stopni, zależnie od tego na jakiej głębokości ułożono instalację (odwierty pionowe lub kolektor poziomy). Co najważniejsze, nawet w trakcie srogich mrozów temperatura gruntu pozostaje mniej więcej stała. Rzutuje to bardzo mocno na sposób działania pompy oraz zasady projektowania instalacji, dobór mocy urządzenia itd. Musimy bowiem zdawać sobie sprawę, że sprawność i moc pompy będą zmieniać się bardzo znacznie w zależności od temperatury źródła dolnego i górnego, nie są to wartości stałe.

Pompa ciepła czerpiąca energię z powietrza

Powietrze zewnętrzne jako źródło ciepła (źródło dolne) ma wiele zalet, ale niestety, również kilka istotnych wad. Te drugie przez długi czas utrudniały rozwój powietrznych pomp ciepła oraz ich upowszechnienie się na rynku. Na szczęście, udało się przezwyciężyć ograniczenia i obecnie pompy powietrzne zdecydowanie dominują w statystykach sprzedaży. Trzeba od razu przestrzec przed postrzeganiem współczesnych pomp typu powietrze/woda tak samo jak urządzeń dostępnych kilkanaście lat temu. Technologia nie stała w miejscu i akurat w tej grupie zmiany są najbardziej widoczne.

Powietrzne pompy ciepła obecnie zdominowały rynek. (fot. Bosch Thermotechnik)

Zasadnicza zaleta powietrza to jego powszechna dostępność, i to w dowolnej ilości. Z tego względu pompę powietrzną można założyć właściwie na każdej działce, niezależnie od jej wielkości i warunków gruntowych. Czasem mała parcela może jednak być źródłem ograniczeń. Problemem jest hałas, który nie powinien być uciążliwy ani dla nas, ani dla sąsiadów. Generuje go przede wszystkim wentylator pompy, który przetłacza bardzo duże ilości powietrza (tysiące m3/h). W pompach typu monoblok dodatkowym źródłem hałasu będzie dla otoczenia również sprężarka. Na małej działce, w gęstej zabudowie, np. szeregowej, to istotny czynnik. Dlatego trzeba dobrze przemyśleć lokalizację pompy, a przed zakupem warto sprawdzić jak głośno ona pracuje.

Wentylator pompy typu powietrze/woda nieco hałasuje. Umieszczenie jej nieco dalej od budynku może być dobrym rozwiązaniem tego problemu. (fot. Vaillant)

Dla wielu osób zaletą nie do przecenienia będzie to, że nie ingerujemy w działkę. Na zagospodarowanej posesji, z wypielęgnowanym ogrodem będącym dumą właścicieli za żadne skarby nie zgodzą się oni na prowadzenie prac ziemnych. To jedna z przyczyn popularności pomp powietrze/woda w modernizowanych domach.

Pompa powietrzna jest bezkonkurencyjna, jeśli chodzi o koszty inwestycyjne liczone wraz z instalacją po stronie dolnego źródła. Bo takiej instalacji po prostu nie potrzebuje. W związku z tym, chociaż za samo urządzenie zapłacimy podobnie jak za jednostkę gruntową, to odpada koszt prac ziemnych, wynoszący zwykle od kilku do kilkunastu tysięcy zł. W związku z tym nawet w niejednym nowym domu, pompa powietrze/woda wygrywa z gruntową - choćby techniczne możliwości wykonania instalacji dolnego źródła były nie najgorsze. Tym bardziej, że nowe domy są mniej energochłonne niż kiedyś, a więc inne są proporcje pomiędzy kosztami inwestycji i późniejszej eksploatacji.

Trzeba jednak lojalnie uprzedzić, że powietrze zewnętrzne jako źródło dolne ma bardzo istotne wady. Przede wszystkim jego temperatura w ciągu sezonu grzewczego zmienia się w sposób skrajny. A to odbija się na sprawności i mocy urządzenia. Przy czym w poszczególnych modelach pomp ten wpływ będzie odczuwalny w bardzo różnym stopniu.

Niektóre modele potrafią utrzymać stałą nominalną moc grzewczą nawet do -15 czy -20°C. Oczywiście, praw fizyki nie zmienimy i sprawność takiej pompy będzie znacznie niższa w czasie silnych mrozów. Ale poradzi sobie ona z ogrzewaniem domu w każdych warunkach, bez wspomagania w postaci drugiego źródła ciepła albo grzałek elektrycznych wbudowanych w pompę.

Jednak w większości przypadków spadek mocy i sprawności będzie bardzo odczuwalny. Pompa może np. osiągać nominalną moc 8 kW przy +2°C, lecz przy -20°C odda już tylko 4 kW. Czyli w czasie dużych mrozów, kiedy potrzeba najwięcej ciepła, jej możliwości drastycznie spadną. Na jedyne źródło ciepła nie będzie się więc nadawać, powinna mieć wspomaganie w postaci kotła, grzejników lub grzałek elektrycznych.

Czy taką pompę należy z góry skreślić? Nie, jeżeli jej cena będzie atrakcyjna, a my i tak planujemy układ z dwoma źródłami ciepła, albo nawet już go mamy, a pompa ciepła jest nowym nabytkiem w ramach termomodernizacji. Trzeba przy tym przestrzec, że znając moc i sprawność pompy w jednej temperaturze, np. +2°C nie można wnioskować jakie one będą przy -5 czy -15°C. Tu już trzeba dysponować konkretnymi danymi od producenta. Mogą one być udostępniane w formie tabel lub wykresów i nie zawsze są publikowane w powszechnie dostępnych materiałach dla konsumentów. Mogą być za to dostępne w instrukcjach i katalogach przeznaczonych dla projektantów i instalatorów. Natomiast, jeśli producent nigdzie ich nie ujawnia, to traktujmy to raczej jako sygnał ostrzegawczy, że najpewniej nie ma się czym chwalić.

Pompa ciepła czerpiąca energię z gruntu

Gruntowe pompy ciepła to tak naprawdę urządzenia współpracujące z dość odmiennie zbudowanymi instalacjami dolnego źródła. Warto znać ich rodzaje, bo wybór pomiędzy nimi determinuje koszty i zakres prac ziemnych oraz przyszłe warunki pracy pompy.

Kolektor poziomy to pętle z rur zakopanych poziomo na głębokości 1,5-2 m, czyli nieco poniżej strefy przemarzania. Krąży w nich płyn niezamarzający, tradycyjnie nazywany solanką. To on odbiera ciepło z gruntu i przekazuje je pompie. Rury bywają układane na różne sposoby, np. zamiast prostych odcinków formuje się z nich spirale układane w szerokich rowach albo w dużych okrągłych wykopach. Takie mniej typowe ułożenie bywa stosowane często na zagospodarowanych już działkach, żeby ograniczyć obszar prac ziemnych. Za to na nowych posesjach, gdzie dopiero trwa budowa domu zwykle nikt się nie patyczkuje i koparko-spycharka robi jeden duży wykop na powierzchni kilkuset metrów. Potem, po ułożeniu rur, wszystko się zasypuje i wyrównuje.

Jednak pamiętajmy o rzeczy podstawowej - to nie rury są źródłem ciepła, lecz otaczający je grunt. Dlatego samo ich zagęszczenie niekoniecznie zapewni większą ilość ciepła. Bywa zaś, że jest przyczyną kłopotów, bo gęsto ułożone rury mogą tak skutecznie przemrozić dany obszar, że nie jest w stanie wrócić do normalnej temperatury (zregenerować się) pomiędzy kolejnymi sezonami.

Kolektor poziomy w systemie z bezpośrednim odparowaniem układa się wedle tych samych zasad co opisane powyżej, ale są to rury miedziane, które zamiast solanki wypełnia czynnik roboczy pompy (tzw. freon). W ten sposób zostaje wyeliminowany jeden wymiennik ciepła wymiennik ciepła, a sprawność energetyczna pompy rośnie. Bo tu nie mamy wymiennika pomiędzy solanką i parownikiem pompy, cała instalacja dolnego źródła to właśnie bardzo rozwinięty parownik. Ponadto same rury miedziane też lepiej przewodzą ciepło niż wykonane z tworzywa (zwykle polietylenu - PE). System z bezpośrednim odparowaniem jest bardziej wydajny od kolektorów poziomych z solanką i zajmuje od nich mniej miejsca. Jest jednak droższy.

Na obie wersje kolektora poziomego mogą sobie pozwolić tylko właściciele dużych działek. Potrzebne jest kilkaset metrów terenu, który nie będzie zabudowany, utwardzony, ani obsadzony wysoką (dającą cień) roślinnością. A do tego nasłoneczniony. Wszystko po to żeby do gruntu bez przeszkód docierała woda deszczowa i słońce. To one regenerują zapas ciepła z którego czerpiemy. Na etapie układania kolektora trzeba grunt rozkopać, tak więc najwygodniej to zrobić, gdy teren wokół budynku nie jest jeszcze zagospodarowany. Potem mało kto zdecyduje się przecież na zniszczenie wypielęgnowanych rabat z kwiatami.

Instalacja pompy gruntowej wymaga poważnej ingerencji w działkę. Dla wielu osób to rzecz nie do przyjęcia. (fot. Nibe-Biawar)

Dla porządku należy jeszcze dodać, że kolektor poziomy może mieć jeszcze jedną odmianę - to rury ułożone na dnie stawu lub rzeki. Tylko na niewielu działkach to rozwiązanie wchodzi w grę. Jednak warto z niego skorzystać. Oferuje bowiem świetne parametry energetyczne przy niewielkiej powierzchni. Woda jest bowiem rewelacyjnym nośnikiem ciepła - doskonale je gromadzi i przewodzi. Zaś rury leżące na dnie głębszego zbiornika wodnego, który nie zamarza zimą do dna, mają nawet w największe mrozy temperaturę ok. +4°C. Bo właśnie woda o takiej temperaturze ma największą gęstość i samoczynnie opada ku dnu zbiornika. To dodatkowa korzyść, bo przy projektowaniu zwykłego kolektora ziemnego przyjmuje się, że solanka ma 0°C. W przypadku pompy ciepła zaś nawet kilka stopni różnicy to naprawdę dużo.

Odwierty pionowe, nazywane też sondami pionowymi to rozwiązanie na tyle odmienne co do sposobu wykonania i swych parametrów, że trzeba je wyraźnie odróżnić od kolektorów poziomych. W tym przypadku drąży się głębokie odwierty (najczęściej kilkadziesiąt metrów), a w nich umieszcza rury wypełnione solanką. Ma się rozumieć, że wymaga to użycia zupełnie innego sprzętu - profesjonalnych wiertnic. Tym bardziej, że generalnie korzystniejsze jest wykonanie mniejszej liczby głębokich drążeń niż wielu płytkich. Bowiem temperatura gruntu rośnie wraz z głębokością. Standardowo przyjmuje się, że płyn niezamarzający ogrzewa się w głębokich odwiertach do ok. 10°C.

To dużo więcej niż w przypadku kolektorów poziomych. I co bardzo ważne temperatura głębokich warstw gruntu pozostaje stała, niezależnie od pory roku. W tym przypadku czerpiemy bowiem ciepło pochodzące z samego wnętrza Ziemi, nie to trafiające na jego powierzchnię wraz z deszczem i promieniami słonecznymi. W związku z tym odwierty nie tylko nie zajmują wiele miejsca, ale ponadto ich okolica może być utwardzona, pokryta roślinnością, właściwie nawet zabudowana.

Sondy pionowe są więc bardzo dobrym rodzajem instalacji po stronie źródła dolnego. Ich wykonanie wymaga jednak użycia specjalistycznego sprzętu i jest kosztowne - trzeba się liczyć z wydatkiem kilkunastu tysięcy zł. Dlatego zanim się na nie zdecydujemy, warto zlecić wstępne badanie gruntu i odwiert próbny. Fachowcy będą wówczas w stanie ocenić potencjał gruntu na działce, niezbędny zakres prac i związany z tym stopień trudności. Może się okazać, że wykonanie kolektora poziomego jest jednak bardziej uzasadnione. Bo chociaż nie ma on aż tak dobrych parametrów to jednak jest zwykle znacznie tańszy. Ale i tu wszystko zależy od specyfiki gruntu - z 1 m2 dobrze nawodnionego, gliniastego gruntu uzyskamy 30-40 W, a z piaszczystego i raczej suchego zaledwie 8-15 W.

Wykorzystanie sond pionowych gwarantuje uzyskanie stałej mocy grzewczej i sprawności nawet w czasie największych mrozów. (fot. De Dietrich)

Przy okazji warto zauważyć, że uznawane zwykle za mało atrakcyjne, podmokłe i zabagnione działki są akurat świetne z punktu widzenia instalacji gruntowego źródła dolnego. Jeśli się na nie decydujemy, to warto nad kolektorem poziomym wykonać drenaż rozsączający przydomowej oczyszczalni ścieków i właśnie tam odprowadzać wodę z rynien.

Temperatura źródła dolnego

Wybór źródła dolnego - powietrza lub któregoś z wariantów gruntowych - zwykle uzależniony jest od tego jaką działką dysponujemy, na jaki zakres i koszt prac się godzimy. Jednak nie zapominajmy, że wybierając je determinujemy sposób pracy pompy ciepła i całej instalacji grzewczej. Bo akurat w tym przypadku kilka stopni robi naprawdę wielką różnicę. Z technicznego punktu widzenia im wyższa temperatura źródła dolnego, tym lepiej. Niższe będą koszty eksploatacji przez dziesiątki lat. A jeśli temperatura źródła dolnego jest stabilna to nie musimy się martwić o wspomaganie pompy innym źródłem ciepła w czasie większych mrozów. Dlatego warto sobie uporządkować, jaka jest typowa temperatura źródła dolnego.

Na potrzeby projektowania zwykle przyjmuje się następujące wartości:

• +10°C - głębokie odwierty pionowe;
• +4°C - kolektory poziome ułożone na dnie stawu;
• 0°C - poziome kolektory gruntowe;
• +2°C - powietrze zewnętrzne.

Trzeba jednak od razu zastrzec, że w przypadku pomp powietrznych trzeba uwzględniać faktyczną zmienność, czyli nawet spadek temperatury do ok. -20°C. Dobry projektant wykorzysta dane o temperaturze zewnętrznej charakterystycznej dla danego regionu kraju.

Natomiast w pełni wiarygodną informację o temperaturze gruntu dają dopiero odwierty próbne. Część firm dysponuje także sprzętem pozwalającym ocenić przewodność i pojemność cieplną gruntu. Trzeba jednak pamiętać, że temperatura gruntu oraz jego wilgotność (która ma ogromny wpływ na właściwości cieplne) nie są niezmienne. Szczególnie w płytkich warstwach - do 25 m od poziomu terenu - zmieniają się w zależności od pory roku i wahań poziomu wód gruntowych.

Zapamiętajmy, że im wyższa temperatura źródła dolnego, tym pompa musi wykonać mniejszą pracę i działa w sposób bardziej ekonomiczny. A w jej przypadku 5°C to już kolosalna różnica.

Jakie mamy źródło górne?

Wspominaliśmy już, że pompa to jakby środkowe ogniwo, położone pomiędzy źródłem dolnym i górnym. Dlatego nie możemy zapominać, że temperatura po stronie źródła górnego, czyli temperatura wody w instalacji c.o., ma podobne znaczenie jak temperatura źródła dolnego. Jeśli będzie musiała być bardzo wysoka, żeby zapewnić komfort cieplny w pomieszczeniach, to może się okazać, że zakładanie pompy ciepła jest zupełnie bez sensu - będzie ona pracować w sposób bardzo nieekonomiczny, albo nawet w ogóle nie zdoła wystarczająco ogrzać domu w czasie większych mrozów. Tu nie chodzi o samą moc urządzenia, lecz o temperaturę do jakiej jest ono w stanie podgrzewać wodę.

Dla bardzo wielu modeli górną granicą jest ok. 55°C. Zaś nawet tzw. pompy wysokotemperaturowe, z założenia przewidziane do zastosowania w starszych, modernizowanych budynkach, osiągają około 70°C. Przy czym działanie na granicy możliwości temperaturowych bardzo negatywnie odbija się na sprawności, a więc i ekonomii pracy. W przypadku pompy różnica pomiędzy 40 i 55°C na zasilaniu to ogromna różnica. Dla kotła nie byłoby to zaś większy problem i różnica sprawności nawet kotła kondensacyjnego wyniosła by zaledwie kilka punktów procentowych.

Pamiętając o tych zależnościach łatwo zrozumiemy, dlaczego w przypadku nowych budynków z pompą ciepła projektuje się ogrzewanie płaszczyznowe - najczęściej podłogowe. Po prostu w takich systemach grzewczych da się utrzymać naprawdę niską temperaturę wody w obiegu, np. 35°C. Tu niską temperaturę podłogi czy sufitu oddającego ciepło rekompensuje bardzo duża powierzchnia wymiany ciepła. Natomiast przy niskiej temperaturze wody w obiegu, około 40°C, efektywnie działają tylko specjalne grzejniki tzw. niskotemperaturowe.

Grzejniki w systemie z pompą ciepła powinny być specjalnego rodzaju, przystosowane do zasilania wodą o niskiej temperaturze. (fot. Hewalex)

Piszemy o tym dlatego, że sprawność pompy zależy przede wszystkim od różnicy temperatury pomiędzy źródłem dolnym i górnym. Płynie stąd wniosek, że jeżeli potrzebujemy wysokiej temperatury po stronie źródła górnego, to znacznie korzystniejszy energetycznie będzie układ odwiertami (+10°C nawet w największe mrozy), czy nawet kolektorami poziomymi (0°C) niż pompa typu powietrze/woda. Jednak w praktyce i tak przeważyć mogą inne względy, choćby łatwość montażu pompy powietrznej i jej niższa cena. Warto jednak zdawać sobie sprawę z tych zależności i dokonać świadomego wyboru, niż potem dziwić się dlaczego ogrzewanie domu staje się niewydolne przy np. -10°C.

Ogrzewanie płaszczyznowe to dobre, bo niskotemperaturowe źródło górne. (fot. Rehau)

COP, czyli sprawność

Sprawność urządzeń grzewczych to parametr pokazujący jaki procent energii zawartej w dostarczonym paliwie lub jaka część pobranej energii elektrycznej zostaje efektywnie wykorzystana, czyli przekazana do instalacji c.o. W przypadku kotłów sprawa jest prosta - nie ma sposobu, żebyśmy uzyskali więcej energii niż było jej w paliwie. W rzeczywistości dostajemy zawsze nieco mniej. Wyjątkiem od tej zasady mogą wydawać się kotły kondensacyjne, bo w ich przypadku podaje się sprawność nieco ponad 100%. Jednak to tylko pozory, bo rzecz wynika wyłącznie ze sposobu liczenia - dawniej w rachunkach od razu nie uwzględniano ilości ciepła zmarnowanego na odparowanie pary wodnej zawartej w spalinach. Kotły kondensacyjne to ciepło odzyskują, tak więc jeśli zachowujemy stary sposób liczenia to sprawność przekracza 100%.

Natomiast pompy ciepła przy analogicznym sposobie liczenia, uwzględniającym tylko energię elektryczną pobraną z sieci uzyskują sprawność po kilkaset procent. Wszystko dlatego, że przekazują do instalacji głównie ciepło pobrane z zewnątrz.

Dlatego w przypadku pomp przyjęło się podawanie sprawności w postaci współczynnika COP. Określa on stosunek ilości energii oddanej przez pompę, do ilości energii elektrycznej pobranej przez nią z sieci. Przy COP wynoszącym 3, pobierając 1 kWh prądu z sieci pozyskujemy 3 kWh ciepła w instalacji (1 z sieci + 2 z otoczenia). Im więc COP wyższe tym eksploatacja pompy kosztuje mniej.

Jednak COP jest wartością bardzo zmienną, uzależnioną od temperatury zarówno po stronie dolnego, jak i górnego źródła. To szczególny problem w przypadku pomp typu powietrze/woda, bo temperatura ich źródła dolnego jest bardzo zmienna.

Dlatego zawsze sprawdzajmy dla jakich warunków podano COP. Jeżeli są one odmienne, COP przestaje być zdatne do porównań. Ponadto nie można z jednej wartości, np. dla temperatury zewnętrznej +7°C oraz wody w instalacji +35°C, wnioskować jaka będzie sprawność urządzenia, np. przy -10°C, albo gdy temperaturę zasilania podniesiemy do +45°C. Dlatego solidni producenci podają w dokumentacji wykresy lub tabele wartości współczynnika COP dla różnych temperatur po stronie źródła górnego i dolnego. To najlepszy sposób oceny efektywności energetycznej pompy i rzecz niezbędna dla projektanta.

Współczynnik COP jest głównym wskaźnikiem tego na ile ekonomicznie działa pompa. Ale zasilanie jej prądem z własnej instalacji PV może bardzo obniżyć ostateczne koszty eksploatacji. (fot. OZE Projekt)

Jakiej mocy potrzebujemy?

Pytanie o zapotrzebowanie na moc bardzo ściśle wiąże się właśnie z rodzajem pompy ciepła i jej współczynnikiem COP. Przecież, skoro moc nie jest wartością stałą, to najpierw musimy określić w jakich warunkach - czyli przy jakiej temperaturze zewnętrznej i jakiej temperaturze źródeł dolnego i górnego określamy zapotrzebowanie na moc.

Nominalna moc pompy może być znacznie inna, jeżeli producent określił ją dla innych warunków pracy - tzn. odmiennej temperatury źródeł dolnego i górnego. Szczególnie trzeba na to uważać w przypadku pomp powietrze/woda, których moc bywa podawana np. dla +2 i dla +7°C po stronie dolnego źródła. W oczywisty sposób ma się to nijak do maksymalnego zapotrzebowania domu na ciepło, które określa się dla temperatury zewnętrznej ok. -20°C. Może się okazać, że jeśli pompa ma samodzielnie ogrzewać dom, to jej moc nominalna musi być znacznie większa niż maksymalne zapotrzebowanie budynku na ciepło. Bo po prostu każdą z tych wartości wyznaczono w zupełnie innych warunkach.

Powietrzne pompy ciepła charakteryzuje zmienna moc i sprawność - rewelacyjna wiosną i jesienią, przy wysokiej temperaturze powietrza - zaś znacznie słabsza w środku zimy. (fot. De Dietrich)

Tu pojawia się jeszcze jeden bardzo istotny czynnik. Mianowicie w wielu domach pompa ciepła nie jest jedynym źródłem ogrzewania. W szczególności dotyczy to obiektów modernizowanych, ale nie tylko. Drugie źródło ciepła, w postaci kotła, kominka czy grzejników elektrycznych, może wspomagać działającą pompę lub całkowicie przejmować na siebie ciężar ogrzewania poniżej pewnej temperatury zewnętrznej.

Taki układ nazywamy biwalentnym, a tę graniczną temperaturę - temperaturą biwalencji. Dawniej taki układ był wręcz standardem w przypadku powietrznych pomp ciepła, które nie bardzo radziły sobie z ogrzewaniem przy temperaturze np. -7°C. Jednak i obecnie układy biwalentne wcale nie są rzadkością i pod względem technicznym i ekonomicznym mogą być bardzo uzasadnione. Szczególnie w domach poddawanych modernizacji.

Chłodzenie z pompy

Jest jeszcze jeden aspekt, który może mieć niebagatelny wpływ na wybór pomiędzy pompą powietrzną i gruntową. Jest nim wykorzystanie pompy do chłodzenia, czyli klimatyzacji. Warto uświadomić sobie, że pompy ciepła i klimatyzatory to urządzenia co najmniej blisko spokrewnione. Zaś w przypadku pomp typu powietrze/powietrze oraz klimatyzatorów z funkcją grzania różnica jest umowna. Opiera się wyłącznie na założeniu, która z funkcji - grzanie czy chłodzenie - będzie tą dominującą. Pomiędzy pompami powietrznymi i gruntowymi mamy tu jednak zasadniczą różnicę, dwa zupełnie inne systemy chłodzenia.

Granica pomiędzy pompami ciepła działającymi w systemie powietrze/powietrze i klimatyzatorami jest umowna. Zależy, którą funkcję traktujemy jako główną. (fot. Viessmann)

Chłodzenie aktywne polega na wykorzystaniu sprężarki i jedynie odwróceniu kierunku ruchu ciepła. Teraz odbywa się on z domu na zewnątrz. Zasada działania i koszty eksploatacji są takie same (lub przynajmniej bardzo podobne), jak w przypadku wykorzystania klimatyzatorów. Tylko w trybie chłodzenia aktywnego mogą działać pompy typu powietrze/woda.

Powietrzne pompy ciepła mogą działać tylko w trybie chłodzenia aktywnego. Jeśli planujemy wykorzystanie ich do klimatyzacji, to powinniśmy ustawić je w miejscu przewiewnym, ale zacienionym. (fot. Netsu)

Chłodzenie pasywne to zaś zupełnie inny system, w którym wykorzystuje się naturalną pojemność cieplną gruntu i fakt, że jego temperatura nawet w czasie upałów jest znacznie niższa od temperatury powietrza. Tu nie działa sprężarka lecz jedynie pompy obiegowe górnego i dolnego źródła. Wszystko dlatego, że ruch ciepła odbywa się w sposób naturalny - od ciała cieplejszego (wnętrze domu), do chłodniejszego (grunt). Tak mogą działać tylko pompy gruntowe i stanowi to ich niebagatelny atut. Bo chłodzenie pasywne jest bardzo mało energochłonne (nie zasilamy bowiem sprężarki).

Redaktor: Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Nibe-Biawar