Pompy ciepła, pozyskujące energię cieplną z otoczenia – gruntu, powietrza, wody – należą do efektywnych energetycznie a jednocześnie ekologicznych źródeł ciepła. Urządzenia te nabierają coraz większego znaczenia przy budowie nowych instalacji grzewczych oraz modernizacji starych instalacji. Ich wydajność często pozwala na prawie całkowite wyeliminowanie tradycyjnych kotłów grzewczych. Pompy ciepła mogą być stosowane w instalacjach domów jednorodzinnych, budynków biurowych, większych obiektów czy nawet osiedli bloków wielorodzinnych. Nowoczesne urządzenia tego typu oferują nie tylko możliwość ogrzewania, ale też chłodzenia pomieszczeń. Rosnące zainteresowanie pompami ciepła wykazują inwestorzy chcący zmodernizować stare instalacje grzewcze. Odnawialne źródła energii stają się coraz bardziej istotne w nowoczesnej energetyce i technice grzewczej.

Pojęcie „pompa ciepła” nawiązuje do pompy hydraulicznej, która pompuje ciecz z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej. Oba urządzenia wymagają energii dostarczanej z zewnątrz. Jeżeli ciepło płynie w naturalnym kierunku, czyli od wyższej temperatury do niższej, to jego przepływ może być użyty do napędu silnika cieplnego, podobnie jak woda płynąca grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbina wodna). Z kolei chcąc wymusić przepływ ciepła w kierunku odwrotnym, tzn. od temperatury niższej do wyższej konieczne jest dostarczenie energii do napędu analogicznie, jak podczas pompowania wody z dolnego zbiornika do górnego.
Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny, który stanowi odwrócenie obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane w efekcie parowania czynnika roboczego, znajdującego się pod niskim stałym ciśnieniem w parowniku, po czym trafia do sprężarki. To właśnie w niej rośnie ciśnienie czynnika. Para pod wysokim a zarazem stałym ciśnieniem oddaje ciepło skraplając się w wymienniku ciepła, a czynnik w postaci cieczy przepływa przez zawór dławiący, rurkę kapilarną lub turbinę rozprężną gdzie następuje spadek ciśnienia, po czym trafia z powrotem do parownika.
Wewnątrz pompy ciepła znajdują się także inne elementy niezbędne do pracy urządzenia, stanowiące uzupełnienie układu (np. czujniki temperatury, zawory sterujące, elektroniczny regulator).

Pompa ciepła powietrze – woda Daikin Altherma LT Split A/W. Współczynnik efektywności do 5,04

Współczynnik COP
Istotnym elementem opisującym działanie pompy ciepła jest parametr COP. Jest to skrót od angielskiego Coefficient Of Performance – współczynnik efektywności. Proces transportowania ciepła wymusza zasilana energią elektryczną sprężarka. Wartość współczynnika COP to stosunek oddanej do obiegu grzewczego energii cieplnej do zużytej energii elektrycznej. Przykładowo wartość COP = 4,9 oznacza, że w danych warunkach roboczych zużywając 1 kWh energii elektrycznej pompa ciepła doprowadza do obiegu grzewczego 4,9 kWh energii cieplnej. Wartość współczynnika COP określa chwilową efektywność urządzenia, w konkretnych warunkach roboczych. Porównywanie kilku urządzeń ze sobą na podstawie wartości COP ma sens jedynie wówczas, gdy wartość COP jest podana dla tych samych warunków pracy: temperatury dolnego źródła, temperatury górnego źródła na zasileniu obiegu grzewczego i spadku tej temperatury na powrocie z obiegu grzewczego. Najwyższe wartości współczynnika COP, a tym samym najbardziej ekonomiczną pracę uzyskuje się, gdy różnica temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem jest jak najmniejsza. Z tego powodu najlepszym wyborem systemu grzewczego współpracującego z pompą ciepła jest niskoparametrowe ogrzewanie płaszczyznowe (popularna podłogówka lub mniej rozpowszechnione ogrzewanie ścienne). Pompa ciepła może pracować np. z COP = 5,4, jeśli będzie czerpać energię cieplną z gruntu o temperaturze 6^oC i oddawać ciepło do instalacji ogrzewania połogowego wymagającego temperatury 30 – 35^oC na zasilaniu. Jeśli dolne źródło będzie miało temperaturę około 0oC, to przy tej samej temperaturze wody grzewczej COP wyniesie około 4,9, natomiast przy temperaturze zasilania obiegu grzewczego wynoszącej 55^oC i temperaturze dolnego źródła 0^oC ta sama pompa ciepła będzie pracowała z COP = 2,9. W zależności od temperatury dolnego źródła zmienia się także moc grzewcza urządzenia. Im wyższa temperatura dolnego źródła, tym większa moc grzewcza będzie dostępna i odwrotnie. Bardzo istotne jest więc prawidłowe wybranie rodzaju dolnego źródła ciepła i jego poprawne wykonanie, a także sposób ogrzewania domu.
Wymiana ciepła
Odbiór ciepła z dolnego źródła i przekazywanie ciepła do obiegu grzewczego odbywa się za pośrednictwem wymienników ciepła. Po stronie górnego źródła odpowiada on za oddawanie ciepła od czynnika chłodniczego do wody grzewczej, natomiast wymiennik dolnego źródła odbiera ciepło z gruntu, z wody lub z powietrza. Podstawowe typy pomp ciepła to:
• solanka-woda (energia cieplna pobierana z gruntu),
• woda-woda (energia cieplna pobierana z wody),
• powietrze-woda (energia cieplna pobierana z powietrza).

Pompa ciepła powietrze – woda Zubadan Inverter EHST20C-VM6EC / PUHZ-SHW80VHA firmy Mitsubishi. Gwarantowany zakres pracy przy temperaturach powietrza do -28^oC i pełna moc grzewcza do -15^oC

Pompa ciepła typu powietrze-woda

Pompa ciepła typu powietrze-woda jest urządzeniem najprostszym i jednocześnie najtańszym. Oferowane na rynku pompy ciepła typu powietrze-woda mogą pracować (odbierać ciepło) od powietrza o temperaturach od -20^oC do +35^oC. Im niższa temperatura dolnego źródła, tym mniejsza dostępna moc grzewcza, dlatego też zaleca się dobrać moc pompy ciepła sprawdzając, na podstawie zapotrzebowania budynku na ciepło w temperaturze obliczeniowej i zależności mocy pompy ciepła od temperatury dolnego źródła, do jakiej temperatury zewnętrznej może ona pokryć zapotrzebowanie budynku na ciepło. Ta graniczna temperatura powietrza nazywana jest temperaturą punktu biwalentnego. Powyżej tej temperatury moc grzewcza pompy ciepła ogrzeje budynek, natomiast poniżej moc powietrznej pompy ciepła będzie niewystarczająca. Konieczne jest wówczas zastosowanie innego, dodatkowego źródła ciepła, którym zwykle jest grzałka elektryczna. Jeśli istniejący system grzewczy jest modernizowany, warto pozostawić dotychczasowy kocioł jako tzw. źródło szczytowe, które będzie uruchamiane tylko wtedy, gdy powietrzna pompa ciepła nie będzie w stanie ogrzać budynku. W zależności od regionu Polski i założonej temperatury biwalentnej „stary” kocioł lub grzałka będzie musiał pracować od kilku do kilkunastu dni w roku. W pozostałe dni wystarczająca będzie praca pompy ciepła. Wartości temperatury punktu biwalentnego oscylują pomiędzy -8 a -5^oC. Najczęściej pompa ciepła powietrze-woda pokrywa około 60 – 80% całkowitego zapotrzebowania budynku na ciepło.
Wybierając urządzenie najlepiej zdecydować się na model przeznaczony do montażu na zewnątrz lub układ dwumodułowy (jednostka montowana na zewnątrz i jednostka montowana w pomieszczeniu). W ten sposób wyeliminowany zostaje problem doprowadzenia i odprowadzenia powietrza do urządzenia, ponieważ wymiennik dolnego źródła ciepła (czyli duży wymiennik powietrze – czynnik chłodniczy oraz wentylator) znajdzie się na zewnątrz. Wymagane natężenie przepływu powietrza przez wymiennik dolnego źródła wynosi kilka tysięcy m³/h. Przy montażu wewnątrz budynku zapewnienie tego parametru nie zawsze jest możliwe. Przy projektowaniu instalacji należy pamiętać o czerpniach i wyrzutach powietrza odpowiedniej wielkości.

Gruntowa pompa ciepła Buderus Logatherm WPS

Pompy typu solanka-woda i woda-woda

Jeśli pompa ciepła ma być jedynym źródłem ciepła w budynku, lepiej zdecydować się na droższą w instalacji, ale tańszą w eksploatacji pompę ciepła typu solanka-woda lub mniej popularną woda-woda. W tych modelach moc grzewcza również zależy od temperatury dolnego źródła, ale prawidłowo wykonane dolne źródło będzie miało stałą temperaturę przez cały rok, toteż ilość otrzymywanej energii grzewczej również będzie stała.
Pompy ciepła typu solanka-woda, czerpiące energię grzewczą z gruntu, współpracują z dwoma rodzajami dolnego źródła. Może to być tzw. kolektor płaski, czyli pętle przewodów (zwykle długości około 100 m) zakopywane w gruncie na głębokości około 20 cm poniżej strefy przemarzania gruntu, lub tzw. kolektor pionowy, czyli pionowe odwierty najczęściej do głębokości około 100 m. Tego typu pompy ciepła są najstabilniejszym źródłem ciepła, z możliwością zaspokojenia pełnego zapotrzebowania cieplnego bez stosowania dodatkowych urządzeń

Pompa ciepła powietrze – woda PCCO Split 13 kW firmy Hewalex

Pompa solanka-woda z odwiertem pionowym
Nieco droższym, ale lepszym wyborem jest dolne źródło w postaci pionowych odwiertów. Do odwiertu wprowadza się sondę pionową czyli głowicę z przewodami wlotowym i wylotowym ułożonymi w formie U-rurki. W przewodach krąży substancja niezamarzająca na bazie glikolu etylenowego – solanka. Odbiera ona ciepło od gruntu i transportuje je do wymiennika (parownika) w pompie ciepła. Schłodzona w parowniku solanka ponownie wraca do gruntu i cykl się powtarza. Cyrkulację solanki wymusza pompa obiegowa dolnego źródła.

Pompa solanka-woda z kolektorem płaskim
Niższe temperatury pracy dolnego źródła będą występować w przypadku kolektora płaskiego, czyli poziomo ułożonych w gruncie pętli przewodów z solanką. Tym samym pompa ciepła współpracująca z kolektorem płaskim będzie pracowała z mniejszą efektywnością niż to samo urządzenie wykorzystujące odwierty pionowe. W odróżnieniu od odwiertów obszar nad kolektorem płaskim powinien być pokryty trawą lub niską roślinnością, która nie będzie zasłaniać dopływu ciepła słonecznego. O ile w wypadku odwiertów wykorzystywane jest ciepło zawarte we wnętrzu ziemi, to w przypadku kolektora płaskiego jest to energia słoneczna dostarczana bezpośrednio poprzez ogrzewanie promieniami słonecznymi powierzchni gruntu, a także za pośrednictwem wód opadowych. Grunty o większej wilgotności są znacznie lepszymi źródłami ciepła niż grunty wysuszone. W zależności od szacowanej wydajności gruntu, obszar zajmowany przez kolektor płaski będzie stanowił od trzech do nawet pięciu razy większą powierzchnię niż powierzchnia ogrzewanego budynku.

Pompa ciepła powietrze – woda Inverter Alezio AWHP-II V220 8MR firmy De Dietrich

Pompy typu woda-woda

Pompy ciepła typu woda-woda to te same modele pomp ciepła, które pracują w systemach solanka-woda, ale doposażone w elementy pozwalające czerpać energię cieplną z wody. Typowe rozwiązanie polega na czerpaniu wody ze studni, a następnie wprowadzaniu schłodzonej o kilka stopni wody ponownie do gruntu. Ze względu na trudniejsze wsiąkanie wody do gruntu niż jej wydobywanie, najczęściej na jedną studnię czerpalną przypadają dwie studnie zrzutowe. Wydobywana woda ma temperaturę około 8 – 10^oC, czyli COP pomp ciepła typu woda-woda będzie większe niż systemów solanka-woda. Trzeba jednak pamiętać, że do wydobycia wody ze studni musi zostać użyta wydajna, a tym samym energochłonna pompa. Duże natężenie przepływu w połączeniu z wysokością podnoszenia wynikającą z głębokości studni powodują, że COP takiego systemu grzewczego zwykle będzie niższe niż COP systemu grzewczego z pompą ciepła typu solanka-woda.

Pompa ciepła powietrze – woda M-Thermal firmy Midea. Płynna regulacja 30-100% mocy, efektywność 4,08-4,13, moc chłodzenia 6,3-8,8 kW (fot. Nabilaton)

Eksploatacja

Na rynku spotykane są pompy ciepła dedykowane tylko do podgrzewu ciepłej wody użytkowej – są to zwykle pompy ciepła małej mocy typu powietrze-woda. Jednak znaczna część urządzeń występujących w ofercie producentów dedykowana jest do centralnego ogrzewania i podgrzewu wody użytkowej. W przypadku pomp realizujących obie funkcje grzewcze, wewnątrz obudowy montowany jest zawór przełączający pomiędzy c.o. a podgrzewaniem c.w.u.

Ciepła woda użytkowa
W zależności od mocy zastosowanej pompy ciepła, podgrzew ciepłej wody użytkowej realizowany jest poprzez podgrzewacz z wężownicą przy mniejszych mocach pompy ciepła, a przy większych mocach stosuje się wymiennik płytowy. To ostatnie rozwiązanie umożliwia przeniesienie praktycznie nieograniczonej mocy pompy ciepła i z tego względu jest polecane przy pompach ciepła typu powietrze-woda o mocy nominalnej powyżej około 10 kW.
Producenci pomp ciepła często proponują gotowe kombinacje pompy ciepła z podgrzewaczem ciepłej wody użytkowej lub z zalecanym wymiennikiem płytowym. Wielkość zbiornika ciepłej wody ogrzewanej za pośrednictwem wymiennika płytowego zależeć będzie od zapotrzebowania na wodę użytkową.
Ogrzewanie
Pompy ciepła najbardziej ekonomicznie ogrzewają pomieszczenia poprzez instalacje grzewcze niskotemperaturowe, czyli podłogówkę lub ogrzewanie płaszczyznowe. Mniejszą efektywność uzyskuje się ogrzewając pomieszczenia poprzez grzejniki. Instalacja grzejnikowa współpracująca z pompami ciepła powinna być dobrana na niskie parametry robocze, np. zasilenie do 55^oC i powrót około 45^oC.
Producenci, którzy posiadają w ofercie zarówno kotły grzewcze, jak i pompy ciepła, wyposażają swoje urządzenia w regulatory sterujące mogące się ze sobą komunikować. Dzięki temu połączenie ze sobą nowo budowanego systemu urządzeń lub dołożenie kolejnego urządzenia (np. pompy ciepła) do istniejącego systemu grzewczego nie powinno być skomplikowane.

Regulacja mocy grzewczej
Na rynku spotykane są pompy ciepła z regulowaną mocą grzewczą. Mogą to być urządzenia ze sprężarkami inwerterowymi lub sprężarkami Digital Scroll, które modulują moc poprzez kontrolowane rozszczelnianie elementów sprężających czynnik chłodniczy. Sprężarki inwerterowe pracują natomiast ze zmienną prędkością obrotową silnika napędzającego element sprężający czynnik chłodniczy. Innym rozwiązaniem są układy dwusprężarkowe i, obecnie coraz popularniejsze, rozwiązania kaskadowe pomp ciepła.
Układy kaskadowe dają możliwość regulacji mocy poprzez włączanie kolejnych urządzeń w kaskadzie. Jeśli automatyka dopuszcza połączenie w układzie kaskadowym również modeli o różnej mocy, można, stosując kaskadę dwóch pomp ciepła, otrzymać trzystopniową modulację pracy systemu grzewczego. Układy kaskadowe mają dodatkową ekonomiczną przewagę nad pompami ciepła o dwóch sprężarkach polegającą na tym, że wykorzystują dwie pompy obiegowe dolnego źródła, przypisane poszczególnym urządzeniom kaskady, uruchamiane tylko jeśli pracuje dana pompa ciepła.
W przypadku pompy ciepła dwusprężarkowej konieczne jest stosowanie pompy obiegowej o wydajności zapewniającej natężenie przepływu przez obydwa wymienniki pompy ciepła (po jednym wymienniku na każdą sprężarkę). Pompa obiegowa pracuje więc zawsze z tą samą mocą, niezależnie czy uruchomione są dwie, czy jedna sprężarka pompy ciepła. Dzięki dwóm pompom obiegowym oszczędza się energię elektryczną zużywaną przez pompę obiegową. Poza tym można skonfigurować system tak, aby jednocześnie mógł ogrzewać wodę użytkową i zasialać ogrzewanie. Nie było to możliwe przy układach dwusprężarkowych.

Pompa ciepła powietrze – woda HP 260 ACS S.C. marki Beretta

Odbiór i magazynowanie ciepła
Instalacja grzewcza współpracująca z pompą ciepła niewiele różni się od tej współpracującej z kotłem. Najistotniejszą różnicą jest to, że większość pomp ciepła występujących na rynku generuje stałą moc, zależną jedynie od parametrów dolnego i górnego źródła. Instalacja grzewcza musi przejąć całą oddawaną przez pompę ciepła energię grzewczą, dlatego też stosuje się dodatkowe zbiorniki buforowe gwarantujące stały odbiór ciepła.

Szczytowe źródło ciepła
Wspomniano, że pompy ciepła typu solanka-woda lub woda-woda mogą być jedynym źródłem ciepła, ale w praktyce najczęściej stosuje się je w połączeniu z grzałką elektryczną. Dzięki temu moc nominalna urządzenia jest niższa niż wymagane, obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na ciepło, a różnicę pokrywa grzałka elektryczna. Mniejsza moc nominalna oznacza przede wszystkim niższą cenę urządzenia, ale również „mniejsze” dolne źródło, czyli mniej lub płytsze odwierty, mniejszą działkę przeznaczoną na kolektor płaski. Koszty inwestycyjne są więc niższe, a zbudowana instalacja prawie przez cały rok oferuje tanią energią grzewczą. Zwykle grzałka elektryczne będzie musiała pracować przez kilkadziesiąt godzin w ciągu sezonu grzewczego.
Spotyka się także rozwiązania, gdzie źródłem szczytowym dla pompy ciepła nie jest grzałka elektryczna, a np. kocioł olejowy. Wybierając taką konfigurację powinno się jednak dokładnie przeanalizować koszty inwestycyjne i późniejsze koszty eksploatacyjne, aby wybrać najbardziej ekonomiczne rozwiązanie.

Opracowano na podstawie
materiałów firm