Poradnik inwestora

2017-02-16 20:13:23

Pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które może służyć do ogrzewania i chłodzenia budynku oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a nawet do systemu klimatyzacji.

Na rynku można kupić trzy rodzaje pomp ciepła:

  • gruntowe
  • powietrzne
  • wodne

Urządzenia te osiągają najwyższe sprawności, gdy zastosujemy ogrzewanie niskotemperaturowe, a więc podłogowe, ścienne, czy nadmuchowe. Pompy mogą pracować z maksymalną temperaturą zasilania 60-65 st. C, co trzeba brać pod uwagę zarówno przy projektowaniu nowego budynku, jak i przy adaptacji już istniejącego, np. podczas termomodernizacji. Jeżeli system grzewczy w domu przewidziany jest na temperatury 70/50 st. C, to wówczas, przy szczególnie niskich temperaturach zewnętrznych, trzeba wspomóc instalację z pompą dodatkowym źródłem ciepła, gdyż w przeciwnym przypadku w budynku będzie zbyt zimno.

Budowa i działanie pompy ciepła

Pompa ciepła działa zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, wedle której przepływ ciepła zawsze następuje od ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej. Odwrotny proces możliwy jest tylko przy dostarczeniu dodatkowej porcji energii, co w przypadku pomp ciepła jest możliwe poprzez działanie sprężarki wykorzystującej do tego celu energię elektryczną. 

Sprężarkowa pompa ciepła zbudowana jest z:

  • wymiennika do odbioru ciepła z otoczenia
  • sprężarki
  • wymiennika przekazującego ciepło do instalacji centralnego ogrzewania
  • element rozprężny

W tym urządzeniu, w obiegu zamkniętym krąży substancja robocza (związek chemiczny przechodzący ze stanu ciekłego w parę i odwrotnie), która jest nośnikiem energii, uczestnicząc w procesie wymiany ciepła w ten sposób, że pobiera je podczas odparowania w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu, a następnie oddaje ciepło przy skraplaniu zachodzącym w odpowiednio wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu. To od właściwości tej substancji zależy efektywność pracy pompy.

Zasadniczym elementem pompy ciepła jest sprężarka doprowadzająca energię, za której pośrednictwem jest możliwe krążenie substancji roboczej w urządzeniu. Sprężarka zasysa parę czynnika chłodzącego z parownika i spręża do takiego ciśnienia, którego temperatura nasycenia umożliwia odprowadzenie ciepła skraplania do instalacji grzewczej.

Najczęściej stosowanymi sprężarkami są modele rotacyjne, a oprócz nich także łopatkowe. Jedne i drugie charakteryzują się cichą pracą, ciągłym strumieniem dostarczanej sprężonej pary, małymi wymiarami i lekkością. W pompach ciepła typu solanka/woda, o mocy mniejszej niż 100 kW, stosuje się sprężarki rotacyjne spiralne, a w pompach większej mocy – zwykle sprężarki rotacyjne śrubowe, które wymagają dużej dokładności wykonania.

 

Wymienniki w pompach ciepła, czyli skraplacze są elementami urządzenia, w których ciepło przegrzania i skraplania pary czynnika roboczego przekazywane jest do instalacji centralnego ogrzewania. Najczęściej spotykane są skraplacze płytowe ze stali nierdzewnej lub tytanu – sprasowane w jeden blok, z dużą ilością wąskich szczelin o zróżnicowanym kształcie i przebiegu, przez które przepływają czynniki wymieniające ciepło. Charakteryzują się mocną konstrukcją, prostotą produkcji, dużymi współczynnikami przenikania ciepła i niewielką ilością powstających w nich zanieczyszczeń. W urządzeniach małej mocy płyty te są ze sobą połączone na stałe.

Rodzaje instalacji z pompą ciepła

Rozróżniamy trzy rodzaje takich systemów:

  • monowalentny - pompa ciepła dobrana jest do pełnego pokrycia zapotrzebowania na energię, a jej moc jest co najmniej równa mocy obliczeniowej ogrzewanego budynku; nie nadaje się do urządzeń typu powietrze-woda;
  • biwalentny dzielący się na równoległy, mieszaniny, alternatywny – pompa ciepła współpracuje z innym źródłem, a jej moc powinna wynosić co najmniej połowę mocy obliczeniowej ogrzewanego budynku; często stosowane przy modernizacji istniejących instalacji grzewczych, a także w nowych budynkach o znacznej mocy obliczeniowej , co pozwala zmniejszyć koszty inwestycyjne;
  • monoenergetyczny - pompa ciepła ma mniejszą moc niż moc obliczeniowa ogrzewanego budynku - maksymalnie do 10 proc. - a zapotrzebowanie na energię którego urządzenie nie jest w stanie pokryć, uzupełnia współpracująca z nią grzałka elektryczna; tryb bardzo rzadko stosowany w typach solanka/woda.

Jak obliczyć sprawność pompy ciepła?

Sprawność urządzenia to ilość energii oddawanej przez urządzenie w postaci ciepła. Stopień sprawności wyraża współczynnik wydajności, czyli COP (z ang. coefficient of performance) - stosunek powstającej energii cieplnej do poboru energii elektrycznej w punkcie pracy i można go obliczyć przy pomocy następującego wzoru:

COP = h3 – h4 /h3 – h2

gdzie h2 oznacza zawartość ciepła na początku procesu sprężania, h3 – zawartość ciepła na końcu procesu sprężania/początku oddawania ciepła, h4 – zawartość ciepła na końcu procesu skraplania/końcu oddawania ciepła.

Nowoczesne pompy ciepła charakteryzują się współczynnikiem wydajności na poziomie od 3,5 do 5,5. Dla przykładu, współczynnik 5 oznacza, iż urządzenie oddaje pięć razy tyle energii w postaci ciepła, niż wynosi pobrana przez nie energia elektryczna.

 

Dokonując wyboru pompy ciepła warto jednak pamiętać, że COP wyraża określony punkt pracy przy zadanej temperaturze, nie zaś w ciągu całego roku, a to ma wpływ na koszty eksploatacji urządzenia. Chcąc urealnić tę kwotę należy ustalić stosunek ilości ciepła oddanego w ciągu roku do pobranej w tym samym czasie przez cały system energii elektrycznej. Tę wartość określa się jako sezonowy współczynnik efektywności β, obliczyć go można według następującego wzoru:

β = QWP /WEL

 

gdzie QWP o oznacza ilość energii cieplnej oddanej w ciągu roku przez pompę w kWh, natomiast WEL - ilość energii elektrycznej dostarczonej w ciągu roku do pompy ciepła w kWh.

Typy pomp ciepła

Gruntowe pompy ciepła

Na wysokości 2 metrów w głąb ziemi/gruntu temperatura utrzymuje się przez cały rok na mniej więcej tym samym poziomie, to znaczy w granicach od 7 do 13 st. C. Działanie gruntowych pomp ciepła polega na pozyskiwaniu tegoż ciepła za pomocą wymiennika ciepła, który jest zlikalizowany blisko budynku z tego typu systemem ogrzewania.

Ciepło dociera do domu za pomocą rozmieszczonych w gruncie kolektorów ziemnych (instalacja poziomia) lub też sond (instalacja pionowa), w których znajduje się mieszanina wody i środka zapobiegającego jej zamarzaniu. Tę mieszkanę nazywamy solanką. Ciepło z gruntu trafia do parownika stanowiącego część pompy ciepła solanka/woda, w której solanka znajduje się zarówno w obiegu pierwotnym, jak i wtórnym.

 

Kolektor ziemny, czyli wymiennik poziomy, zbudowany jest z tworzywa sztucznego i umieszczony w gruncie na głębokości od 1,2 do 1,5 m, gdzie temperatura przez cały rok jest stabilna. Przewody te powinny mieć mniej więcej podobne długości, ażeby zachować w nich równe spadki ciśnienia i przepływy. Ich długość nie powinna przekroczyć 100 m, gdyż wówczas powodowałoby to zbyt duże obciążenie pompy obiegowej. Połączenie poszczególnym przewodów następuje poprzez tzw powroty kolektora, położone nad nim, każdy wyposażony w odpowietrznik. Solanka jest pompowana przez przewody, za pomocą pompy obiegowej, pochłaniając zawarte w ziemi ciepło.

 

Występujące okresowo, w czasie zimy, oblodzenie gruntu nie ma wpływu na działanie całej instalacji, natomiast w pobliżu kolektorów zimnych nie powinny być sadzone rośliny o rozbudowanym i sięgającym głęboko systemie korzeniowym, gdyż może to uszkodzić przewody. Grunt bezpośrednio na systemem kolektorów ziemnych nie powinien być też zabetowany i zabudowany (np. altaną ogrodową), gdyż w okresie wiosenno-letnim utrudniona byłaby regeneracja ziemi w tym miejscu. Promieniowanie słoneczne i opady deszczu przyniosą ciepło, które zostanie wykorzystane w następnym sezonie grzewczym.

 

Wielkość całego systemu kolektorów zimnych, która zapewnia ciepło użytkowe, zależna jest w zasadniczy sposób od warunków klimatycznych panujących w danym regionie. Właściwości cieplne gruntu zależą od udziału wody, składu mineralnego, przede wszystkim zawartości kwarcu czy kalcytu oraz ilości i wielkości porów. Właściwości magazynujące i zdolność do przewodzenia ciepła są tym lepsze, im więcej wody i składników mineralnych jest w ziemi i im mniej porowaty jest grunt. Wydajność poboru ciepła z ziemi wynosi od około 10 do 35W/m2.

 

Sonda, czyli wymiennik pionowy, nie wymaga odsłonięcia dużej warstwy gruntu, ale wykonania odwiertów, które przy wykorzystaniu nowoczesnych technik można zrobić nawet w kilka godzin. Główną rolę w takiej instalacji odgrywa odpowiednie rozłożenie i głębokość odwiertów, dlatego nigdy nie należy przeprowadzać tych prac samodzielnie, ale powierzyć je wyspecjalizowanym firmom.

W Polsce przed wykonaniem odwiertów pod sondy pionowe o głębokości do 100 m konieczne jest uzyskanie zgody urzędu gminy, na terenie której będą one robione. W przypadku odwiertów głębszych niż 100 m obowiązują odpowiednie przepisy dotyczące zakładu górniczego i jego ruchu oraz ratownictwa górniczego.

 

Koszt odwiertu, łącznie z sondą, podłączeniem i wypełnieniem zależy od właściwości gruntu i może wynosić od 70 do 100 zł za metr.

Do ogrzania domu niskoenergetycznego o standardowej wielkości potrzebna jest pompa ciepła o mocy 8 kW, a głębokość odwiertu powinna wynieść około 150 m łącznie, czyli np. 2 odwierty po 75 m. Całkowity koszt takiej instalacji - wykonanie odwiertów, wprowadzenie i podłączenie sond pionowych oraz instalacja grzewcza w domu – to wydatek od 50.000 do 70.000 zł.

Średnia wydajność sondy ziemnej wynosi do 50 W na 1 metr jej długości. Jeżeli sonda znajduje się w bogatej warstwie wodonośnej, możliwe jest uzyskanie wyższej wydajności poboru ciepła.

 

 

Powietrzne pompy ciepła

Jest to typ tego urządzenia, który wymaga najmniejszych nakładów, jeśli weźmiemy pod uwagę uzbrojenie terenu pod całą instalację. Zasadą działania tej pompy jest zasysanie powietrza, schładzanie go w parowniku, a następnie ponowne odprowadzenie do otoczenia.

Dobrej jakości pompa typu powietrze-woda potrafi wytworzyć ciepło przy temperaturze otoczenia minus 20 st., jednakże przy tak niskiej temperaturze urządzenie nie będzie w stanie ogrzać całego domu do oczekiwanego poziomu. Dlatego też system grzewczy z tą pompą ciepła wymaga, szczególnie przy bardzo silnych mrozach, dodatkowego wspomagającego źródła ciepła.

Wymienniki ciepła powietrze-woda przetaczają stosunkowo duże ilości powietrza – od 3.000 do 4.500 m3/h – wytwarzając przy tym określony poziom hałasu, dlatego planując rozmieszczenie otworów wlotowych i wylotowych w budynku należy uwzględnić tę uciążliwość. Dotyczy to również pompy ciepła znajdującej się na zewnątrz budynku.

 

Wodne pompy ciepła

Podobnie jak sam grunt, również woda w nim zawarta zachowuje stały poziom ciepła, wahający się od 7 do 12 st. Wodna pompa ciepła pobiera wodę ze studni zasilającej i transportuje ją do parownika pompy ciepła woda-woda. Schłodzona woda jest odprowadzana do studni zrzutowej.

Jakość wody nie może przekraczać wartości granicznych ustalonych przez producenta pompy ciepła, gdyż wydajne płytowe wymienniki ciepła mogą zostać uszkodzone przez wodę o niskich parametrach. Chcąc zapobiec takiej sytuacji warto stosować wymienniki ciepła obiegu pośredniego. Wymaga to dodatkowego przepływu w pompie i zmienia rozpiętość temperatur – wydajność grzewcza i współczynnik COP urządzenia są o kilka procent niższe.

Zainstalowanie wodnej pompy ciepła wymaga pozwolenia, które wydaje z reguły urząd ds. gospodarki wodnej.

Jaka jest opłacalność pompy ciepła?

Z obliczeń przeprowadzonych na potrzeby domu o powierzchni 200 m2, w którym górnym źródłem ciepła było ogrzewanie płaszczyznowe - podłogowe i ścienne – wynika, iż roczny koszt ogrzewania z wykorzystaniem pompy ciepła nie przekroczył 2.500 zł.

Gdyby ten sam dom ogrzewać przy pomocy kotła kondensacyjnego na gaz ziemny, to roczny koszt wyniósłby około 6.000 zł. Jeśli natomiast paliwem byłby olej lub gaz płynny, to właściciel takiego domu miałby do zapłacenia rachunek w wysokości 11.000 zł. Rachunki te mogłyby być jeszcze wyższe, jeśli domownicy szczególnie lubiliby ciepłe pomieszczenia. Wzrost temperatury o zaledwie 1 st. C powyżej +20 st. skutkuje bowiem wzrostem rachunków w granicach nawet do 10 proc., a średnio 5-7 proc.

    Ważne informacje
  • - najczęściej popełniane błędy

Pompy ciepła są nowoczesnymi urządzeniami grzewczymi, mogącymi przyczynić się do zmniejszenia zużycia paliw konwencjonalnych, a także do ograniczenia kosztów ogrzewania budynku. Pod warunkiem jednak, że użytkownik nie popełni błędów na każdym z etapów kontaktu z tymi urządzeniami.

Błędy przy doborze pompy ciepła

  • Inwestor nie wie, albo źle obliczył realne zapotrzebowanie na ciepło budynku, w którym chce zainstalować system z pompą ciepła. W rezultacie cała instalacja będzie albo przewymiarowana (za dużo wytworzonego ciepła), albo niedoszacowana (zbyt mało ciepła). Ten błąd można zaliczyć do kardynalnych, gdyż nawet poźniejsze idealne wykonanie samej instalacji nic tu nie pomoże – system nie spełni oczekiwań domowników.

  • Instalacja niedoszacowana – skutkuje tym, że przy silniejszych mrozach konieczne jest dogrzewanie budynku z innych źródeł, co zwiększa koszty całego sezonu grzewczego, a przecież chodziło o coś dokładnie odwrotnego. Dlatego też nie warto oszczędzać i kupować pompy o zbyt małej mocy, która nie sprosta zapotrzebowaniu na ciepło budynku.

  • Instalacja przewymiarowana – zbyt duża moc pompy ciepła w stosunku do wymagań budynku, który urządzenie ma ogrzać sprawi, iż wydłuży się zwrot kosztów zakupu urządzenia. Z kolei przy zbyt wysokiej temperaturze za oknem w stosunku do mocy urządzenia, wykorzystującego i tak swój potencjał w stopniu minimalnym, mogą powstać kłopoty ze sprężarką pompy.

  • Wadliwie dobrane dolne źródło ciepła, czyli wymiennik gruntowy – przy zbyt dużym wymienniku gruntowym wydłuża się czas zwrotu z inwestycji, co może nie być zbyt wielkim problemem. Prawdziwe kłopoty pojawiają się wówczas, gdy wymiennik gruntowy jest zbyt mały, gdyż nie jest on w stanie odebrać od gruntu wystarczającej do ogrzania pomieszczeń ilości ciepła, przez co cały system grzewczy nie ogrzewa budynku w oczekiwanym stopniu.

  • Źle dobrany zasobnik ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) - zasobnik wodny powinien posiadać wężownicę o większej powierzchni wymiany ciepła niż zasobnik dobierany dla kotła grzewczego lub być wyposażony w zewnętrzny wymiennik płytowy. Zastosowanie zasobnika o zbyt małej powierzchni odbioru ciepła będzie skutkowało zbyt niską temperaturą c.w.u.

  • Wadliwie przygotowana instalacja centralnego ogrzewania - pompa ciepła pracuje w parametrach niższych od kotłów grzewczych, a więc temperatura wody w instalacji grzewczej powinna być jak najniższa. Dlatego w systemach z pompami ciepła najlepiej sprawdza się ogrzewanie płaszczyznowe - podłogowe, sufitowe, ścienne - bowiem tradycyjne grzejniki są przystosowane do zasilania kotłowego, czyli wysokotemperaturowego.

 

Błędy montażowe

  • Złe wykonanie kolektora gruntowego – należy zawsze brać pod uwagę jakość gruntu, w którym znajdą się te elementy systemu, gdyż z konkretnego rodzaju terenu można pobrać określoną ilość ciepła. Błędem jest zbyt gęste ułożenie kolektora poziomego lub usytuowanie go zbyt blisko powierzchni, a także za gęste rozmieszczenie odwiertów pod sondy pionowe lub niewłaściwe określenie ich głębokości, ponieważ może to prowadzić do zbytniego wychłodzenia gruntu, a więc nieprawidłowego funkcjonowania pompy ciepła, włączenie z zaprzestaniem jej pracy. Zaleca się umieszczanie kolektora gruntowego możliwie najbliżej pompy ciepła.

  • Zapowietrzenie instalacji na każdym etapie jej wykonania i działania.

  • Nieprawidłowo wykonana instalacja grzewcza, np. wadliwy rozstaw rur w systemie płaszczyznowym i nieszczelności tej instalacji.

  • Ciecz robocza o niewłaściwych parametrach - nieodpowiednie proporcje koncentratu glikolowego i wody mogą sprawić, że roztwór będzie miał złą temperaturę krzepnięcia, a to z kolei zakłóca pracę całego systemu. Sama woda również powinna być pozbawiona zanieczyszczeń.

  • Niewłaściwe pomieszczenie, w którym ustawiona jest powietrzna pompa ciepła może skutkować jej zawilgoceniem, a nawet zamrożeniem, co poważnie zakłóci pracę urzadzenia.

  • Nadmierny hałas wytwarzany przez pompę, którego przyczyną są sztywne przyłącza zamiast elementów elastycznych oraz nieprzemyślane usytuowanie urządzenia w strukturze budynku.

 

Błędy eksploatacyjne

  • Niewłaściwa eksploatacja terenu ponad wymiennikiem gruntowym, który nie powinien być pokryty utwardzoną nawierzchnią, zalesiony lub przeznaczony pod uprawy, ale odsłonięty, ażeby promienie słoneczne mogły swobodnie operować, co sprzyja regeneracji gruntu.

  • Brak okresowych kontroli cieczy roboczych oraz brak lub niewłaściwe uzupełnianie ich ubytków.

 

Poza tym istotnymi błedami są:

  • Dolne źródło ciepła

  1. Za mała długość kolektora poziomego lub pionowego w stosunku do warunków geologicznych;

  2. Za małe średnice rur dolotowych dolnego źródła ciepła;

  3. Brak rotametrów na poszczególnych pętlach dolnego źródła ciepła.

  • Węzeł z pompą ciepła

  1. Nieodpowiednio dobrane pompy obiegowe dolnego i górnego źródła ciepła;

  2. Za małe średnice rur górnego źródła ciepła;

  3. Za mały zład wody kotłowej w instalacji grzewczej (przyjmuje się minimum 20 l na 1 kW mocy urządzenia);

  4. Za mała powierzchnia wymiany wężownicy między pompą ciepła a zasobnikiem CWU;

  5. Brak zasobnika buforowego w instalacji z 2 (i więcej) różno temperaturowymi obiegami grzewczymi;

  6. Brak filtrów, odpowietrzników automatycznych i za mała liczba manometrów.

  • Pompa powietrzna – błędnie dobrany typ tego urządzenia do potrzeb grzewczych domu

  • Pompa wodna

  1. Za mała wydajność studni lub okresowy brak wody;

  2. Nieodpowiednio dobrana pompa głębinowa;

  3. Brak wymiennika pośredniego, gdy mamy dużo zanieczyszczeń stałych i nieodpowiedni skład chemiczny wody.



Będzie rewolucja w ogrzewaniu budynków?Naukowiec z Politechniki Gdańskiej opracował innowacyjną technologię. Energią słoneczną, przechowywaną w gruncie, można ogrzewać i ochładzać budynki przez cały rok. Komercjalizacja technologii potrwa jeszcze około dwóch lat, ale już teraz pomysłem interesują się deweloperzy.Przeczytaj >>
Buduj się i nie drażnij sąsiadaPrzepisy mówią, że budowa twojego domu nie musi wiązać się z koniecznością uzyskania zgody sąsiada. Jeśli ściśle do tych przepisów dostosowana jest wielkość działki i projekt w domu. Rzecz w tym, że stan idealny trudno osiągnąć i często z sąsiadem trzeba się liczyć.Przeczytaj >>
Instalacja wodociągowa – wykonaj ją prawidłowoInstalacja wodociągowa to układ przewodów z armaturą w budynku i na terenie nieruchomości, którego zadaniem jest dostarczenie wody dla odbiorcy zgodnie z zapotrzebowaniem o odpowiedniej jakości i określonym ciśnieniu.Przeczytaj >>
Oświetlenie – nowoczesność i nasze przyzwyczajeniaWymiana żarówek nie jest ostatnim krokiem w kierunku oszczędzania energii elektrycznej. Dalszą redukcję rachunków za prąd mogą zapewnić układy sterowania oświetleniem.Przeczytaj >>
Domy energooszczędne i pasywne – fakty i mityBudowa domów energooszczędnych i pasywnych to w budownictwie temat nadal jeszcze nowy. Nie wszyscy znają choćby podstawy ich funkcjonowania. W związku z tym pojawiło się wiele mitów. Przyjrzyjmy się najważniejszym z nich.Przeczytaj >>
Ustawa o OZE dyskryminuje energetykę wiatrowąW projekcie ustawy o OZE pojawił się zapis zakładający, że 100% produkcji energii elektrycznej zadeklarowanej w aukcji podlega rozliczeniu co 3 lata pod sankcją kary. Proponowane rozwiązanie budzi liczne kontrowersje wśród ekspertów oraz inwestorów, którzy podkreślają, że różnice w prognozowanej produkcji energii z wiatru, a tym ile jej się wytwarza w cyklach kilkuletnich, sięgają 15%.Przeczytaj >>