9. Pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, które oddaje energię pozyskaną ze środowiska do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.

Efektywność pompy ciepła zależy od sposobu pozyskiwania energii ze środowiska. W ostatnich latach ogromną popularnością cieszą się urządzenia pozyskujące ciepło z powietrza – tak zwane pompy ciepła typu powietrze-woda. Opisane urządzenia mogą pracować samodzielnie nawet przy temperaturze zewnętrznej sięgającej -28°C.

Pompę ciepła można podzielić na dwa segmenty: 

• Dolne źródło oznacza miejsce skąd dane urządzenie pobiera energię. Może to być powietrze, grunt czy też wody podziemne.
• Górne źródło natomiast to tzw. emitery ciepła, czyli punkty, do których oddawane jest zgromadzone ciepło, np. nawiewy, kaloryfery, czy ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe).

W skrócie – przeznaczeniem pompy ciepła jest pozyskanie energii ze środowiska, jej transformacja, transport i przekazanie ciepła do instalacji grzewczej. Jest to tzw. przekazanie energii z dolnego źródła do źródła górnego zapewniające odpowiednią temperaturę wewnątrz budynku. 

9.1 Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła można podzielić na dwa główne rodzaje: 

• Sprężarkowe – pompa ciepła pozyskuje energię ze środowiska naturalnego i wykorzystując dodatkowo energię elektryczną poprzez sprężarkę, przetwarza to ciepło na potrzeby instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.
• Absorpcyjne (gazowe) – w przypadku urządzeń absorpcyjnych energią napędową jest gaz ziemny lub LPG, który spalany w palniku zapewnia ciepło napędzające urządzenie.

Ze względu na różne rodzaje dolnego źródła, pompy możemy podzielić na:

1. Pompy ciepła gruntowe – zasilane są ciepłem ziemi. Istnieją dwa najpopularniejsze systemy tego typu.
   • Pierwszy z nich nie pobiera ciepła z gruntu bezpośrednio, lecz poprzez roztwory płynu niezamarzającego krążącego w rurach ułożonych w gruncie.  W zależności od sposobu ułożenia kolektorów możemy spotkać pompy ciepła w wersji z kolektorami (sondami) poziomymi oraz pionowymi. Sondy wypełnione roztworem o niskiej temperaturze zamarzania (żargonowo nazywany solanką), pobiera ciepło z wnętrza ziemi, a następnie przekazuje do urządzenia pozyskaną energię. Kolektory poziome układane są stosunkowo płytko w gruncie, jednakże poniżej strefy zamarzania. Ich montaż zabiera niestety dość dużo powierzchni. Sondy pionowe to wprowadzone w głąb ziemi pojedyncze pętle rur. Umieszcza się je nawet kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Takie rozwiązanie dedykowane jest do miejsc, gdy do dyspozycji mamy niewielki metraż działki.
   • Drugim rodzajem pomp ciepła z wymiennikiem gruntowym jest system z bezpośrednim odparowaniem. W tym przypadku również mamy kolektor poziomy, ale złożony z miedzianych rur, w których krąży bezpośrednio gazowy czynnik roboczy pompy, a nie płyn niezamarzający.
   • Zaletą gruntowych pomp ciepła jest stabilność pracy niezależnie od temperatury na zewnątrz, natomiast główną wadą – wysoki koszt inwestycyjny.
2. Pompy ciepła wodne – ciepło pobierane jest z wód powierzchniowych lub wód gruntowych. W niektórych przypadkach może się okazać, że wykorzystanie zasobów wodnych będzie się wiązać z uzyskaniem stosownych pozwoleń wodnoprawnych. W tym przypadku również istnieją dwa rodzaje wodnych pomp ciepła.
   • W pierwszym przypadku pompy ciepła wykorzystują ciepło z wód powierzchniowych  Pompy ciepła tego typu pobierają energię z kolektorów poziomych rozkładanych na dnie jezior, stawów, zalewów, rzek itp. Energia z dolnego źródła przekazywana jest do pompy ciepła poprzez roztwór glikolu, który znajduje się w kolektorze rozłożonym na dnie zbiorników wodnych. Pomimo przemarzania zbiorników wodnych, energię do ogrzewania można uzyskiwać przez cały rok.
   • Drugim rodzajem są pompy ciepła wykorzystujące ciepło z wód gruntowych. Proces działania pompy ciepła polega na pobieraniu wody ze studni głębinowej, gdzie temperatura oscyluje w granicach 7-12°C.  Następnie woda przekazuje energię cieplną pompie ciepła, która poprzez sprężarkę oddaje ciepło do budynku. Wychłodzona woda zrzucana jest do drugiej studni głębinowej.
   • Z powodu wysokiej temperatury dolnego źródła (woda), pompy ciepła tego typu osiągają bardzo wysoki współczynnik efektywności (COP).
3. Pompy ciepła powietrzne – najbardziej rozpowszechnione rozwiązanie, wykorzystujące jako dolne źródło energię powietrza. Zaletą pomp powietrznych jest ich montaż, który jest o wiele prostszy niż w przypadku pomp gruntowych, a wadą – obniżenie sprawności urządzenia wraz ze spadkiem temperatury na zewnątrz.

9.2 Obliczanie sprawności pompy ciepła

Współczynnik sprawności COP pokazuje ile ciepła uzyskuje się z jednej jednostki energii elektrycznej dostarczonej. Zazwyczaj pompy ciepła osiągają współczynniki sprawności rzędu od 2,5 do 5. Współczynnik COP obliczany jest ze wzoru:

Współczynnik sprawności COP jest tym wyższy, im niższa jest różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem ciepła (gruntem, wodą, itp.) a górnym (sposób ogrzewania domu).

Pompy ciepła uzyskują najlepsze COP gdy górnym źródłem ciepła jest instalacja zasilana temperaturami ok. 35°C (np. ogrzewanie podłogowe). Gorsze COP uzyskiwane jest przy ogrzewaniu instalacjami zasilanymi temperaturami ok 55°C (np. grzejniki płytowe).

9.3 Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła

1. Czynnik  obiegu dolnego źródła (ciecz niezamarzająca, np. mieszaniną wody
   i glikolu), płynąc przez wymiennik odbiera ciepło z gruntu, powietrza lub wody.
2. W parowniku pompy podgrzany czynnik obiegu dolnego źródła oddaje ciepło zimnemu czynnikowi chłodniczemu obiegu wewnętrznego pompy ciepła. Czynnik chłodniczy odparowuje, stając się gazem.
3. Gaz zostaje sprężony przez sprężarkę przez co jego temperatura bardzo wzrasta.
4. Ciepło odebrane podczas parowania i sprężania jest przekazywane w skraplaczu do instalacji centralnego ogrzewania budynku.
5. Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie oraz temperaturę i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces zaczyna się ponownie.

9.4 Rodzaje systemów z pompą ciepła

Podział ze względu na rodzaj dolnego i górnego źródła ciepła [dolne źródło ciepła/górne źródło ciepła]:

• Powietrze/woda – najczęściej spotykany system. Ciepło odbierane jest z powietrza zewnętrznego i przekazywane wodzie z systemu c.o. lub c.w.u.. Takie systemy skrótowo oznaczone są jako A/W (z ang. Air-powietrze/Water-woda)
• Grunt/woda – ciepło dobierane z gruntu i przekazywane wodzie z systemu c.o. lub c.w.u.. W przypadku systemów z  kolektorami  płynem niezamarzającym oznacza się je skrótowo B/W (z ang. Brine-solanka/Water-woda). W drugim przypadku z wykorzystaniem systemów bezpośredniego parowania oznacza się je jako G/W (z ang. Ground-grunt/Water-woda)
• Woda/woda – ciepło odbierane jest z wód podziemnych lub powierzchniowych i przekazywane wodzie z systemu c.o. lub c.w.u.. Takie systemy skrótowo oznaczone są jako W/W (z ang. Water-woda/Water-woda)
• Powietrze/powietrze – konwencjonalny klimatyzator. Ciepło odbierane jest z powietrza zewnętrznego i oddawane za pomocą jednostek wewnętrznych zapewniające ogrzewanie nadmuchowe podobnie jak w klimatyzatorach. Można w tym przypadku mówić o klimatyzatorach z funkcją grzania. Takie systemy skrótowo oznaczone są jako A/A (z ang. Air-powietrze/Air-powietrze)
• Grunt/powietrze – ciepło dobierane z gruntu i przekazywane za pomocą jednostek wewnętrznych zapewniające ogrzewanie nadmuchowe. Takie systemy skrótowo oznaczone są jako G/A (z ang. Ground-grunt/Air-powietrze)
• Woda/powietrze – ciepło odbierane jest z wód podziemnych lub powierzchniowych i przekazywane za pomocą jednostek wewnętrznych zapewniające ogrzewanie nadmuchowe. Takie systemy skrótowo oznaczone są jako W/A (z ang. Water-woda /Air-powietrze)
• Systemy hybrydowe – Istnieje wiele rozwiązań systemów hybrydowych wykorzystujących pompy ciepła oraz kolektory słoneczne. Możliwe jest w ten sposób zoptymalizowanie działania pompy ciepła. Jednym z przykładów takiego wykorzystania jest układ „aktywna regeneracja”. W danym systemie kolektory wspierają gruntowe pompy ciepła w przygotowaniu ciepła na potrzeby c.w.u. Dodatkowo podczas maksymalnego nasłonecznienia system pozwala na aktywną regenerację ciepła w gruncie poprzez oddawanie niewykorzystanego ciepła do gruntu. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest późniejsze wykorzystanie danego ciepła np. w okresie zimowym. Minusem jest możliwość wysuszenia gleb w bezpośrednim sąsiedztwie wymiennika. W przypadku występowania przepływowych wód gruntowych możliwe jest znaczne zredukowanie korzyści z danego systemu.

Teoretycznie istnieje możliwość wykonania instalacji G/A oraz W/A. W praktyce wykorzystuje się ją w nielicznych przypadkach. Jest to połączenie jednego z najmniej popularnych źródeł dolnych z najrzadziej wykorzystywanym źródłem górnym.

9.5 Zalety i wady instalacji pompy ciepła

Pompy ciepła stają się coraz popularniejszym wyborem wśród właścicieli budynków zarówno mieszkalnych jak i  niemieszkalnych.

Do zalet pomp ciepła należą:

• Dostarcza prawie darmową energię, pobierając ją ze źródła – środowiska
• Jest wygodna i czysta –  nie wymaga instalowania komina czy dodatkowego systemu wentylacji, nie wydziela zapachów.
• Jest w pełni zautomatyzowana, nie potrzebuje konserwacji ani okresowych przeglądów.
• Jest bezpieczna dla środowiska – nie emituje pyłów, ani spalin, nie zanieczyszcza otoczenia,  układ grzewczy zasilany przez nią jest ekologiczny.
• Pozwala uniezależnić się od wzrostu cen paliw (gazu, oleju opałowego) spowodowanych na przykład wyczerpywaniem się zasobów naturalnych czy międzynarodowymi konfliktami gospodarczymi.
• Sprawność pompy ciepła w miarę upływu czasu nie spada –  jest stała w całym okresie jej eksploatacji.

Jak każde rozwiązanie, tak i pompy ciepła posiadają swoje wady. Do minusów tego rodzaju systemu grzewczego zalicza się:

• Wysokie koszty inwestycji (w szczególności w przypadku pomp gruntowych).
• Najlepsze działanie z ogrzewaniem niskotemperaturowym – ogrzewaniem płaszczyznowym, w tym ogrzewaniem podłogowym. Pompy ciepła wykazują niską sprawność w połączeniu z tradycyjnymi grzejnikami, co w wielu sytuacjach stanowić może przeszkodę do ich montażu. Na szczęście istnieją również pompy ciepła wysokotemperaturowe, które można podłączyć również do klasycznych grzejników.
• Hałas – poziom hałasu emitowanego przez powietrzne pompy ciepła może być dla niektórych uciążliwy.
• Obniżona sprawność powietrznych pomp ciepła przy niskich temperaturach zewnętrznych – postęp technologii sprawił, że są pompy ciepła coraz bardziej wydajne, gdy temperatury spadają znacząco poniżej zera. Nie da się jednak zaprzeczyć, że w przypadku dużych mrozów (które w naszej strefie klimatycznej pojawiają się coraz rzadziej) pompa ciepła pracuje mniej wydajnie.