Jakie wyróżniamy rodzaje pomp ciepła? Jakie jest ich działanie i zastosowanie?

Zmiana prawa budowlanego dotyczącego nowopowstających budynków mieszkalnych, a także znaczny wzrost cen paliw stałych sprawiły, że poszukujemy innych niż konwencjonalne rozwiązań z zakresu technologii grzewczych. Na popularności zyskały technologie wykorzystujące częściowo lub w pełni odnawialne źródła energii. Z pewnością możemy do nich zaliczyć pompy ciepła . Urządzenia te mogą być instalowane zarówno w powstających budynkach, jak i istniejących już obiektach przechodzących termomodernizację. Do tego można uzyskać dofinansowanie na zakup pomp ciepła, co zmniejszy wysokość kosztów początkowych. Warto jednak dowidzieć się więcej na temat tych urządzeń, ponieważ na rynku dostępnych jest kilka rodzajów pomp ciepła, które różnią się konstrukcją i wykorzystywanym źródłem ciepła. W tym artykule dowiesz się:

• Jak działa pompa ciepła?
• Jakie są korzyści z korzystania z pompy ciepła?
• Jakie są rodzaje pomp ciepła?
• Jakie rozróżniamy typy źródeł ciepła i które z nich jest najlepsze?
• Czy pompy ciepła można zastosować w każdym typie obiektu?
• Z jakimi innymi urządzeniami można połączyć pompę ciepła?

Za pomocą pompy ciepła można zarówno ogrzać budynek, jak i podgrzać wodę użytkową. Wybierając odpowiedni rodzaj pompy ciepła, a także łącząc ją z innymi urządzeniami z zakresu wentylacji czy pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnym możemy ograniczyć do minimum koszty eksploatacyjne. Oczywiście należy mieć na uwadze, że ostatecznego wyboru pompy ciepła dokonuje instalator posiadający odpowiednie uprawnienia. Jednak większa świadomość inwestora pozwoli na wybór najlepszych rozwiązań dla danego obiektu i optymalizację kosztów.

Czym jest pompa ciepła i jak działa?

Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, które nie produkuje ciepła samodzielnie, a wykorzystuje energię z otoczenia. Jej zadaniem jest przeniesienie ciepła z obszaru o niższej temperaturze, a następnie przetransportowanie go do obszaru, w którym potrzebna jest wyższa temperatura. Jako że nie jest to naturalny proces, to do jego przeprowadzenia konieczne jest zastosowanie zewnętrznego źródła energii (patrz zasilana energią elektryczną sprężarka). Na ten rodzaj systemu grzewczego składa się pompa ciepła, źródło ciepła (o jego rodzajach w dalszej części artykułu) oraz system dystrybucji pozyskanego ciepła. W schemacie działania pompy ciepła możemy wyróżnić dolne źródło ciepła – czyli to, z którego pobierana jest energia do ogrzania budynku, a także górne źródło ciepła, stanowiące system dystrybucji – może być to system grzejników lub podgrzewania wody użytkowej. Pompa ciepła do pracy wymaga zasilania energią elektryczną, która w około 20% składa się na energię cieplną wytworzoną przez urządzenie, pozostałe 80% to energia pozyskana ze środowiska naturalnego.

Działanie pompy ciepła oparte jest na procesach termodynamicznych. Jednostka urządzenia pobiera energię z dolnego źródła ciepła, a następnie przetwarza ją, przekazując do systemu dystrybucji ciepła w budynku. Początkowa faza procesu ma miejsce w parowniku, gdzie dochodzi do pobrania ciepła z dolnego źródła energii i jednocześnie odparowania czynnika roboczego. Następnie w kompresorze dochodzi do sprężenia gazu i wzrostu temperatury (właśnie na tym etapie konieczne jest zasilanie energią elektryczną). W kolejnej części procesu dochodzi do skroplenia czynnika roboczego w skraplaczu i przekazania wytworzonej energii do górnego źródła ciepła. Końcowym etapem jest rozprężenie czynnika roboczego w zaworze rozprężnym i przekazanie go do parownika, gdzie znów rozpocznie się cały cykl.

W jakich budynkach pompy znajdują swoje zastosowanie?

Dużą zaletą pomp ciepła jest szeroki zakres ich stosowania. Choć pompy ciepła stosowane są także w przemyśle (m.in. zaawansowane systemy chłodzenia), to dziś skupimy się przede wszystkim na wykorzystaniu tych urządzeń w systemach grzewczych. W przypadku budynków mieszkalnych pompy ciepła stosowane są przede wszystkim do ogrzania domu w sezonie zimowym. Przy pomocy pompy ciepła możliwe jest także całoroczne podgrzewanie wody użytkowej, a nawet wody w basenie. Nowoczesne urządzenia umożliwiają nie tylko podgrzewanie, ale również chłodzenie powietrza (choć nie możemy tutaj mówić o takich efektach, jakie daje klimatyzacja) w pomieszczeniach. Pompy ciepła coraz częściej używane są w budynkach użytkowych czy handlowych. W przypadku obiektów o dużej kubaturze i zwiększonym zapotrzebowaniu na energię cieplną stosuje się kaskadowy układ pomp – podczas działania takiego systemu, kolejne pompy są uruchamiane wraz z pojawieniem się zapotrzebowania na ciepło. Pompy ciepła bywają także wykorzystywane do ogrzewania obiektów przemysłowych. Do tego celu jako dolne źródło ciepła można wykorzystać ciepło powstałe w wyniku produkcji, co dodatkowo obniża koszty eksploatacyjne.

Rodzaje pomp ciepła – czym się od siebie różnią

Klasyfikację pomp ciepła przeprowadzamy przede wszystkim ze względu na rodzaj źródła górnego, z którego pozyskiwana jest energia cieplna. Dlatego możemy wyróżnić następujące rodzaje pomp ciepła:

• wodne
• powietrzne
• gruntowe

Pompy ciepła charakteryzują się także różnymi trybami pracy. W zależności od wyboru określonego trybu pompa ciepła w określonym stopniu pokrywa zapotrzebowanie na ciepło. Najlepszym wyborem jest monowalentny tryb pracy, który w pełni pokrywa zapotrzebowanie na energię grzewczą. W przypadku monoenergetycznego trybu pracy pompa ciepła w bardzo dużym stopniu pokrywa zapotrzebowanie obiektu na ciepło. Wyjątki mogą stanowić dni, podczas których na zewnątrz panuje niższa temperatura. Wówczas pracę pompy ciepła należy wspomóc drugim źródłem ciepła – na przykład elektryczną grzałką. Najczęściej ten tryb pracy stosowany jest w pompach powietrze-woda. Można także zastosować biwalentny tryb pracy – polega on na tym, że pompa ciepła znacznej części pokrywa zapotrzebowanie cieplne budynku. Jednak w dni, w których panuje bardzo niska temperatura dodatkowo stosuje się inne źródło ciepła – np. ogrzewanie gazowe. Z takie rozwiązanie wykorzystywane jest w przypadku modernizacji starszego budynku.

Powietrzna pompa ciepła

Ten rodzaj pompy ciepła jest bardzo popularny, ze względu niski koszt montażu i łatwość jego przeprowadzenia. Pompa ciepła powietrzna nie wymaga skomplikowanych instalacji i zajmuje niewiele przestrzeni. Ten rodzaj pompy ciepła jako źródło dolne wykorzystuje powietrze na zewnątrz budynku. Warto zauważyć, że jeżeli w budynku znajduje się wentylacja mechaniczna lub rekuperacja, to pompa ciepła może korzystać z powietrza wyrzutowego (mającego zwykle wyższą temperaturę niż otoczenie). Powietrzne pompy ciepła można wykorzystać zarówno do ogrzania budynku, jak i podgrzania wody użytkowej. Na efektywność urządzenia wpływ ma różnica między powietrzem na zewnątrz a temperatura zasilania systemu grzewczego. Można wyróżnić dwa typy powietrznej pompy ciepła, różniące się pod względem transportowania energii cieplnej:

• pompy ciepła powietrze-powietrze – ciepło w całości trafia od razu do wnętrza budynku
• pompy ciepła powietrze woda – energia cieplna transportowana jest do zbiornika z gorącą wodą, a także do systemu grzewczego

Nowoczesne pompy ciepła są bardzo wydajnymi urządzeniami. Jednak w przypadku niskich temperatur utrzymujących się przez dłuższy czas, konieczne jest stosowanie grzałki elektrycznej lub dodatkowego źródła ciepła (dobrze sprawdzi się ogrzewanie podłogowe) co zwiększy koszty eksploatacji.

Gruntowa pompa ciepła

Ten typ pompy ciepła wykorzystuje energię z gruntu. Największą zaletą gruntowej pompy ciepła jest bardzo wysoka efektywność działania – może stanowić ona praktycznie samodzielne źródło ciepła. Ze względu na specyfikę konstrukcji i konieczność wykonania prac ziemnych w czasie montażu, rozwiązanie to wybierane jest zwykle w przypadku powstających obiektów, w przypadku których decyzja o zakupie gruntowej pompy ciepła zapada już na etapie projektowania lub budowy domu. Dlaczego gruntowej pompy ciepła nie stosuje się zwykle w domach istniejących? Ciepło z ziemi pobierane jest do instalacji przy pomocy specjalnych kolektorów, które umieszczone są pod ziemią. W przypadku domów z zagospodarowanymi ogrodami oznaczałoby to dużą ingerencję w otoczenie budynku, a nawet brak możliwości technicznych wykonania instalacji.

Na rynku dostępne są dwa rodzaje kolektorów – pionowe i poziome. Kolektor poziomy (płaski) tworzą rury wypełnione glikolem, umieszczone w gruncie na głębokość około 30 cm poniżej temperatury przemarzania (sprawdzana indywidualnie dla regionu). Żeby ogrzewanie było efektywne, konieczne jest wykonanie kilku pętli z rur z glikolem. Przyjmuje się, że na każdy 1 m²domu do ogrzania potrzebne jest około 4 m ² do wykonania instalacji. Do tego w pobliżu kolektora płaskiego i nad nim nie powinny znajdować się drzewa z rozbudowanym systemem korzeniowym, a także utwardzona nawierzchnia czy oczka wodne.

Innym rozwiązaniem jest sonda gruntowa, czyli rodzaj kolektora umieszczonego pionowo w ziemi, w wykonanym na te potrzeby odwiercie. W związku z wykonywaniem odwiertu konieczne jest uzyskanie odpowiednich zezwoleń lub zgłosić ten fakt w urzędzie. Odwiert do 100 m wystarczy zgłosić w Starostwie Powiatowym. W przypadku odwiertu powyżej 100 m konieczna będzie zgoda górnicza. Należy pamiętać, że każdy 100 metrowy odwiert przekłada się na ok. 5 kW mocy grzewczej. Aby obliczyć liczbę koniecznych odwiertów należy wykonać bilans cieplny budynku.

Warto mieć na uwadze, że nie każdy rodzaj gruntu sprawdzi się jako dolne źródło ciepła.

Wodne pompy ciepła

Trzeci rodzaj pomp ciepła wykorzystuje jako dolne źródło wody gruntowe. Wodna pompa ciepła charakteryzuje się bardzo wysoką efektywnością, ale jej montaż jest dość skomplikowany i łączy się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi. Do wykonania instalacji wodnej pompy ciepła konieczne jest wykopanie dwóch studni głębinowych. Z jednej z nich pozyskiwane jest ciepło z wody, a do drugiej studni oddajemy schłodzoną wodę. Należy mieć na uwadze, że studnie głębinowe dla wodnych pomp ciepła powinny spełniać określone wymagania techniczne, co dodatkowo komplikuje tę inwestycję. Przede wszystkim studnia poboru wody powinna dostarczać około 200 l/h wody na każdy kW mocy, co jest sporą ilością. Woda gruntowa wykorzystywana jako dolne źródło powinna charakteryzować się niską zawartością żelaza i manganu, a do tego być wolna od zawiesin. Studnie powinny być umiejscowione zgodnie z kierunkiem ruchu wód podziemnych. Do tego studnia chłonna musi na bieżąco odbierać schłodzoną wodę z instalacji. Wykonanie studni spełniających te wymagania jest dość trudne, a trzeba wiedzieć, że wraz z eksploatacją ulegają one zniszczeniu, co generuje potrzebę wykonania kolejnych studni.

Ekologiczne ogrzewanie z pompą ciepła przez cały rok

Pompa ciepła to wydajne urządzenia zapewniające czystą, ekologiczną energię, przy stosunkowo niskich kosztach eksploatacji. Żeby dodatkowo obniżyć wydatki na energię elektryczną, warto połączyć pompę ciepła z instalacją fotowoltaiczną. Decydując się na pompę ciepła w domu, nie musisz się martwić cenami opału, a także jego przechowywaniem. Urządzenie jest trwałe i praktycznie bezobsługowe, co doceniają użytkownicy. Odpowiednio dobrana i zaprojektowana pompa ciepła to szereg korzyści dla nowoczesnego domu!