Pompa ciepła. Ciepło z ziemi, wody lub powietrza

Pompa ciepła. Ciepło z ziemi, wody lub powietrza

Pompa ciepła to jedna z najbardziej obiecujących technologii energooszczędnych stosowanych do ogrzewania domu, jej konstrukcja umożliwia pozyskanie energii cieplnej z różnych źródeł, np. ziemia, powietrze, woda. Źródła te z racji niskiej temperatury nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania, ale właśnie dzięki pompie ciepła możliwe jest pozyskanie tej energii w sposób ekonomicznie opłacalny.

Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła w domowym systemie grzewczym pełni takie same zadanie, jak kocioł węglowy, gazowy czy elektryczny, służy do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania (c.o) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Między kotłem a pompą ciepła jest jedna zasadnicza różnica, kocioł wytwarza ciepło wykorzystując paliwa stałe, płynne lub gazowe. Pompa ciepła „przetłacza” do instalacji grzewczej budynku energię cieplną dostępną w otoczeniu – więc zadaniem pompy ciepła nie jest produkcja, ale przenoszenie energii cieplnej. Nie jest to żadna nowość, pompa ciepła opiera się na zasadach termodynamiki, a pierwsze urządzenia tego rodzaju uruchomiono ponad 70 lat temu. Dzisiaj ta technologa jest powszechna, i posiadamy ją w każdym domu (lodówka, klimatyzatory, agregaty chłodnicze).

Schemat pracy pompy ciepła

Rys 1. Schemat pracy sprężarkowej pompy ciepła

Pracę pompy ciepła możemy podzielić na tzw. trzy obiegi: obieg dolnego źródła, obieg właściwy (pompa ciepła), obieg górnego źródła. W pompie ciepła, zupełnie tka samo jak w urządzeniach chłodniczych (bo to właściwie jest urządzenie chłodnicze) płynie czynnik roboczy. W obiegu dolnego źródła czynnik wpływa do pierwszego wymiennika ciepła zwanego parownikiem, gdzie odparowuje, pobierając przy tym ciepło z otoczenia. Następnie trafia do sprężarki (obieg właściwy) napędzanej energią elektryczną – następuje gwałtowny wzrost cienienia i temperatury czynnika (ok. 90°C). W postaci przegrzanej pary wpływa od do drugiego wymiennika znajdującego się w obiegu górnego źródła, zwanego skraplaczem. Tam czynnik kondensuje, zmieniając stan skupienia z gazu do cieczy – oddając ciepło do instalacji grzewczej budynku. Schłodzony czynnik trafia do zaworu rozprężnego, na skutek spadku ciśnienia gwałtownie się oziębia. Czynnik kierowany jest do parownika – cyk zaczyna się od nowa. pionowe i kolektory poziome. Roztwór ten odbiera ciepło lub zimno z ziemi, powietrza czy wody i transportuje odebraną energię do parownika pompy ciepła. W parowniku znajduje się czynnik chłodniczy, który pobiera ciepło z roztworu glikolu, następnie czynnik ten przechodzi do skraplacza i tam oddaje energię do układu grzewczego, a schłodzony roztwór glikolu wraca do instalacji w gruncie i cały proces zaczyna się od nowa.

Dla działania pompy ciepła istotne są więc dwa wymienniki: dzięki parownikowi pobieramy ciepło ze źródła dolnego, z kolei skraplacz przekazuje je do górnego źródła – instalacji grzewczej. Istnieją trzy odmiany pomp ciepła różniące się rodzajem dolnego źródła – czyli środowiska z którego odbierają ciepło, a może nim być powietrze, woda lub grunt.

Powietrzna pompa ciepła (powietrze-woda)

Powietrzna pompa ciepła pozyskuje ciepło z powietrza. Ogrzewanie domu powietrzną pompą ciepła wynosi tyle, ile ogrzewanie domu kotłem na gaz ziemny. Koszty uzyskanej energii cieplnej zależą od warunków, w jakich pracuje pompa (od temperatury ośrodka, z którego odbiera ciepło). Choć jest dość tania, to niestety jej wydajność spada wraz ze spadkiem temperatury. Pompa może się wyłączyć nawet poniżej -10°C. Obecne modele producentów umożliwiają pracę powietrznej pompy ciepła nawet w warunkach 15°C. Pompa ciepła wymaga zasilania energią elektryczną, lecz jest to bilans szczególnie korzystny, na każdy 1 kW energii pobranej z sieci elektroenergetycznej przypada 2–5 kW pobrane z otoczenia. W rezultacie,
przy poborze mocy wynoszącym 1 kW, uzyskujemy aż 4 kW użytecznej mocy cieplnej. Taką efektywność pracy pompy oznaczamy współczynnikiem COP (stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę).

Powietrzna pompa cieplna nie potrzebuje dodatkowych instalacji do odbioru ciepła, ale nie osiąga tak dużej efektywności jak pompy gruntowe i wodne, bo temperatura powietrza zimą jest stosunkowo niska. Uzyskane ciepło może służyć do ogrzewania wody albo powietrza. Popularne są pompy typu powietrze-powietrze sprzedawane jako klimatyzatory z pompą ciepła (rewersyjne), z możliwością odwrócenia kierunku obiegu czynnika, które latem chłodzą, a zimą grzeją.

Na ceny pomp ciepła wpływa ich moc grzewcza. Instalacja do domu o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło (o mocy do 10 kW) jest kilkadziesiąt razy tańsza niż do domu, w którym potrzebna jest moc powyżej 20 kW. Dlatego przed zakupem pompy ciepła warto zastanowić się nad dodatkowym dociepleniem domu. Ponieważ sprawność urządzenia zależy bezpośrednio od temperatury wody grzewczej, będzie ono pracować lepiej, gdy musi ogrzać duży dom o zapotrzebowaniu na ciepło na poziomie 50W/(m2·K), niż wtedy gdy ogrzewa budynek dwa razy mniejszy, za to wymagający 100 W/(m2·K).

Pompa ciepła III

Rys. 2. Powietrzna pompa ciepła typu split

Jak przygotować się do inwestycji w powietrzną pompę ciepła?

Gruntowa pompa ciepła (solanka-woda)

W przypadku pomp ciepła wykorzystujących ciepło z gruntu, do doprowadzenia ciepła do parownika pompy jest potrzebna specjalna instalacja nazywana gruntowym wymiennikiem ciepła (z kolektorem pionowym lub poziomym). W rurach zwykłego kolektora, czy to poziomego, czy pionowego, krąży czynnik roboczy. Wydajność kolektora poziomego jest silnie zależna od rodzaju gruntu oraz stopnia jego nasycenia wodą. Najlepiej gdy jest on gliniasty i mocno nasączony – 1 m2 takiego gruntu ma wydajność cieplną na poziomie 30–40 W/m2. W przypadku gruntu suchego, wydajność pada do 10 W/m2. Do wykonana kolektora poziomego, wymagana jest sporej wielkości działa – dla planowanej gruntowej pompy ciepła o mocy 10 kW, współczynniku COP 4 – na kolektor powinno się przeznaczyć ok. 500 m2 działki. Dlatego koszt takiej instalacji dla domu o standardowej powierzchni około 200 m² wynieść może nawet 50 tys. zł. 

Kolektory to zestaw elastycznych rur umieszczonych w gruncie w jednej lub dwóch płaszczyznach, bądź w formie spirali. Aby uzyskać jak najwięcej ciepła, wymiennik należy umieścić na głębokości, na której temperatura gruntu jest najwyższa. Ze względu na koszty i opłacalność inwestycji układa się go poniżej strefy przemarzania gruntu (w zależności od regionu Polski znajduje się ona od 0,8 do 1,4 m poniżej poziomu terenu).

Pompa ciepła II

Rys. 3. Pompa ciepła z kolektorem poziomym

W przypadku kolektora pionowego wykonuje się odwierty przekraczające 40 m, w którym umieszcza się sondę gruntową. Temperatura gruntu na takiej głębokości jest niezależna, i może wynosić około 10°C. Kolektor pionowy jest więc znacznie sprawniejszy energetycznie od poziomego, jednak wymaga większych nakładów finansowych (wykonanie odwiertów).

Niezwykle trudno jest jednoznacznie określić okres zwrotu samego gruntowego wymiennika ciepła. Oczywiście, istnieją programy pozwalające na szybkie obliczenie, ile energii zaoszczędzimy dzięki pracy pompy gruntowej, są to jednak dane, które wiele mówią specjalistom i audytorom energetycznym, niewiele jednak przeciętnym użytkownikom. Jeśli więc weźmiemy pod uwagę dane prezentowane przez producentów pomp ciepła- zwraca się ona po 8-10 latach. Jednak jest to kwestia indywidualna, wiele zależy od  tego, w jakich warunkach została zainstalowana pompa, sprawności pompy oraz ile energii cielnej zużywa budynek. Gruntowa pompa ciepła to maksymalnie kilkadziesiąt tysięcy w całkowitym koszcie budowy domu. Niższe koszty ogrzewania na pewno zrekompensują kilkuprocentowe wzrosty raty kredytu.

pompa ciepła I

Rys. 4. Pompa ciepła z kolektorem pionowym

Gruntowa pompa ciepła – najważniejsze informacje dla inwestora

Wodna pompa ciepła (woda-woda)

Kolejnym typem pompy ciepła jest urządzenie, którego dolne źródło stanowi woda. Pompy ciepła służące do pobierania energii z wody gruntowej są konstrukcyjnie zbliżone do pomp gruntowych. Jedyna różnica polega na tym, że w tego typu instalacjach krąży woda gruntowa. Zatem do jej zainstalowania wywierca się dwie studnie — z jednej pobiera się wodę, z której pobiera się ciepło, a do drugiej wlewa się wodę po ochłodzeniu. Układy kontrolne pompy muszą więc czuwać, aby urządzenie zostało awaryjnie wyłączone w przypadku, gdyby woda dopływająca do pompy ciepła miała temperaturę niższą od dozwolonej.

W przypadku dużego zapotrzebowania na ciepło opłaca się je pozyskiwać z wód gruntowych lub powierzchniowych. Zimą ich temperatura waha się między 0 a 10°C, więc wskaźniki energetyczne takiego rozwiązania są jeszcze korzystniejsze niż dla pomp gruntowych. Efektywność pompy jest tym większa, im niższa temperatura jej skraplacza, czyli czynnika grzewczego. Trzeba jednak brać pod uwagę dodatkowe koszty i problemy wynikające z zanieczyszczenia wody – konieczność jej filtrowania i wymiany korodujących elementów instalacji.

Pompa ciepła – energooszczędny luksus?

Zanim zdecydujemy się na zainstalowanie w naszym domu pompy ciepła, warto wiedzieć że na wybór pompy wpływ ma nie tylko strefa klimatyczna, w której mieszkamy, lecz również poziom i skład chemiczny wód gruntowych na działce. Firmie wykonującej instalację pomp ciepła, należy wcześniej zlecić wykonanie odwiertu próbnego w gruncie, wykonanie obliczeń zapotrzebowania na ciepło budynku i dobranie odpowiedniego rodzaju pompy do naszego budynku. 

Najczęściej domy zaopatrywane są w powietrzne pompy ciepła typu powietrze-woda, dzięki którym można najwięcej zaoszczędzić na energii elektrycznej. Powietrze jest źródłem ciepła o bardzo niestabilnej temperaturze, ale ze względu na łatwość jego wykorzystania pompy typu powietrze-woda szybko zyskują na popularności. W tym przypadku wykonanie dolnego źródła sprowadza się właściwie do ustawienia urządzenia przy domu. W rzeczywistości pompy te są najbardziej efektywnym i ekologicznym urządzeniem jakie można wybrać, w najmniejszym stopniu wpływającym na dotychczasową instalację, a co za tym idzie – na naszą kieszeń. Powietrzna pompa ciepła to inwestycja zamykająca się w kwocie kilkunastu tysięcy złotych – co gwarantuje szybki zwrot inwestycji. Pompa jako źródło ciepła dla naszego budynku uniezależnienia nas od dostaw jakiegokolwiek z paliw tradycyjnych. Do jej pracy wystarczy jedynie zasilanie jej energią elektryczną i prawidłowo wykonane dolne źródło. Dla pomp ciepła warto polecić ogrzewanie podłogowe. Z racji dużej powierzchni oddawania ciepła wystarczy w nim woda o temperaturze 30–40°C.

W przypadku pomp ciepła, w których dolnym źródłem jest gleba i woda – instalację powinni rozważyć zwłaszcza Ci, którzy są na etapie budowy nowego domu i których stać na zainwestowanie sporych kwot w instalację grzewczą. Istotną zaletą pomp ciepła czerpiących energię z wody i gruntu jest to, że nie wymagają wydzielonej kotłowni. Mogą stanąć na przykład w spiżarni czy pralni. Jednak wykorzystanie tego typu pomp ciepła do ogrzewania całego domu to ogromna inwestycja. Ich zakup jest opłacalny w zasadzie tylko na etapie budowy nowego domu. Jednak istnieją dofinansowania np. z NFOŚiGW, które udzielają dotacji na zakup pompy ciepła – dotacje są bezzwrotne i mogą sięgać aż kilkadziesiąt procent całej inwestycji.

Jak uzyskać dotację na OZE?

Podsumowanie

  • Pompa ciepła pozwala całkowicie uniezależnić się od zewnętrznych dostawców energii cieplnej. Odpowiednio rozplanowana i zainstalowana pompa ciepła zakup zwraca się całkowicie w ciągu 10 lat.
  • Szacunkowe koszty ogrzewania pompą ciepła powinny stanowić około 1/3 wydatków na ogrzewanie tradycyjnym kotłem gazowym lub olejowym. Poza tym pompa ciepła nie wymaga żadnej dodatkowej obsługi ze strony użytkownika (oprócz sezonowej kontroli technicznej).
  • Powietrzna pompa ciepła wypada bardzo korzystnie w porównaniu z najmodniejszym obecnie produktem do bezpośredniego odzysku energii cieplnej, czyli kolektorem słonecznym.
  • Jedyną wadą gruntowej pompy ciepła w stosunku do tradycyjnego źródła ciepła są wyższe koszty inwestycyjne. Cena zależy od ich mocy i funkcji, z reguły oscyluje wokół 30-45 tys. zł. Do tego trzeba jeszcze doliczyć koszt montażu.
  • Rozwój rynku pomp ciepła w naszym kraju hamuje brak odpowiednich przepisów prawnych, norm technicznych oraz brak odpowiedniej wiedzy ze strony inwestorów.

Zdjęcie: fotolia.pl

Rysunki: myabccoolimages.com

Damian Czernik

Absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, projektant instalacji sanitarnych, autor bloga

10 komentarzy na temat “Pompa ciepła. Ciepło z ziemi, wody lub powietrza”

  1. Panie Damianie,

    Ciekawy artykul, brakuje mi statystyk, zeby miec pelny obraz ( moze to moja fobia do numerow?)

    Pytanie – czy wydaje sie Panu, ze ktoras z opcji mogla by sie sprawdzic w cieplych krajach? Mam na mysil Brazylie.

    Jesli tak, to ktora opcja?

    Pozdrawiam!

    1. Witaj Marcinie, zdecydowanie ogrzewanie elektryczne ze względu na niewielkie zapotrzebowanie budynku na ciepło. Wybierając spośród pomp – powietrzna pompa ciepła ze względu na wysokie średnioroczne temperatury, oraz niewielką ilość miejsca wymaganego do montażu. Pozdrawiam

  2. Witam

    Szukam na necie jaka jest maksymalna temp. w mieszkaniu ogrzewanym pompą ciepła gruntową (pionową)
    Trochę o tym poczytałem, ale to co znalazłem to zazwyczaj podają 22-23 stopnie. Czy jest możliwość uzyskania 25? Zastanawiam się nad połączeniem pompy ciepła z ogniwami fotowoltaicznymi by obniżyć koszty poboru prądu. Widziałem, że w moim rejonie teraz rusza dofinansowanie właśnie na panele i myślę, że nawet by to się kalkulowało. Kolejne moje pytanie odnosi się ilości odwiertów. Jedni podają, że zrobić np jeden odwiert 150m inni zaś, że 3 po 50m. I kto tu ma rację? Jak powinno być optymalnie?

    pozdrawiam

    1. Witaj Tomaszu,
      maksymalna temperatura w mieszkaniu ogrzewanym pompą ciepła nie zależy od pompy ciepła – ale od parametrów wodnej instalacji grzewczej. Projektując ogrzewanie podłogowe, możemy założyć taki odstęp rur oraz temperaturę wody zasilającej – aby temperatura w pomieszczeniu spełniała warunki komfortu cieplnego (w naszym przypadku 25 stopni). Adekwatnie do takiej instalacji – dobieramy moc pompy ciepła. W kwestii fotowoltaiki, ogniwa fotowoltaiczne pracują z niską wydajnością w okresie zimowym, kiedy pompa ciepła pracuje najintensywniej – i pobiera najwięcej energii elektrycznej. To rozwiązanie sprawdzi się w okresie letnim – wspomagając pracę pompy ciepła przy produkcji c.w.u. Kwestia odwiertów – wszystko zależy od parametrów gruntu – uzysk energii z dolnego źródła może być w wielu wariantach taki sam (3x – 50 m lub 1x – 150 m). Projektant powinien podjąć decyzję o ilości odwiertów, na podstawie wykonanego badania geologicznego gruntu. Pozdrawiam!

  3. Witam,
    Podsumowując Pański artykuł jak i inną literaturę odnośnie c.o. i c.w.u. najkorzystniejszym systemem jest pompa ciepła gruntowa najlepiej z kolektorem poziomym (regeneracja gruntów) oczywiście przy odpowiednio dużej działce. Chodzi mi o zastosowanie tylko i wyłącznie jednego źródła zasilania, które kompleksowo zasili dom zarówno w ogrzewanie jak i w ciepłą wodę. Pozostaje tylko odpowiedni dobór mocy pompy oraz prawidłowe wykonanie. Jeśli się mylę proszę mnie wyprowadzić z błędu.

  4. panie Damianie
    napisal pan ze wzrost popularnosci pomp ciepla w naszym kraju hamuje poziom wiedz ze strony inwestorow, otoz jest pan w bledzie, ponizej moje wyliczenia
    ponizej koszty ogrzewania domu 220m2, ocieplonego welna mineral. 15 cm, ogrzewanie gazowe 24kW kociola z zasobnikiem, usredniajac roczny koszt gazu to 4 tys zl, czyli po 20 latach to 80 tys zl,

    koszt pomp ciepla to 50 tys zl+30% koszty utrzymania czyli 75 tys zl, czyli system pomp ciepla zwraca sie najwczesniej po ok 20 latach przy zalozeniu ze gaz nie stanieje a pompy sie nie zepsuja.

    jednak gwarantuje panu ze najpozniej za 10 lat technologia pozwoli na pozyskiwanie ciepla duzo tansza metoda, wtedy poniesione koszty nigdy sie nie zwroca, no chyba ze zainwestujemy w nowy super system…

    zycze milego dnia

  5. Czesc,
    prepraszam za zly polski -jestem z Litwy. Co pan myszli o wykozystaniu ciepla wody, powracającej z miejskiej sieci cieplowniczej – (temp. ok. +35-+45 stopni C). Jestem instaliatorem, mieszkam w jednorozinnym domu (180m2), ktory jest ogrzewany i ma cieplą wodę z miejskiej sieci cieplownizcej. Srednia roczna za cieplo nie jest wielka -ok. 70 Eur/mies, ale mam pozwolenie na eksperiment, o ktorym wspominam powyzej – rzecz w tym, ze cena ciepla z powracającej sieci mogla by byc nizsza (jeszce nie jest), a to staje się aktualne dla niskotemperaturowych domow. Pozdrawiam
    Andrius

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *