Pompy ciepła. Co o nich wiemy i jak możemy na nich realnie zaoszczędzić?

Pompa ciepła może ogrzewać dom jednorodzinny i korzystać z energii elektrycznej wytwarzanej w panelach fotowoltaicznych ułożonych na dachu budynku. W ten sposób system jest mniej zależny lub niezależny od dostaw energii z sieci elektroenergetycznej i związanej z tym zawodności oraz kosztów.

Pompa ciepła działa na tej samej zasadzie co chłodziarka, z tym że proces przekazywania ciepła odbywa się w przeciwnym kierunku. Chłodziarka odbiera ciepło zawarte w produktach i oddaje je do otoczenia, a pompa ciepła pobiera ciepło z otoczenia i przekazuje je do systemu ogrzewania.

Pompy ciepła pobierają z otoczenia – gruntu, wody, powietrza – zmagazynowane ciepło słoneczne i oddają je w formie energii cieplnej, która może służyć do ogrzewania wody lub pomieszczeń. Pompa pobiera energię cieplną z medium o niższej temperaturze niż odbiornik ciepła (np. woda gruntowa ma temperaturę 7÷12°C, a powietrze może mieć nawet −20°C) i dostarcza ją do odbiorników o wyższej temperaturze. Przykładowo może to być +20⁰ C lub więcej.

Proces taki kojarzy się z pompowaniem ciepła z dołu do góry. Od niższej do wyższej temperatury. Sprawność pompowania ciepła jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury między odbiornikiem (źródłem górnym) a źródłem ciepła (źródłem dolnym).

W dużym uproszczeniu sprężarkowa pompa ciepła składa się z dwu wymienników ciepła: parownika i skraplacza oraz sprężarki i zaworu rozprężnego (rys. 1).

Rys. 1. Schemat działania pompy ciepła: 1 – sprężarka spiralna, 2 – skraplacz (wymiennik ciepła z górnym źródłem), 3 – zawór rozprężny, 4 – parownik (wymiennik ciepła z dolnym źródłem), 5 – dolne źródło pompy ciepła, 6 –pompa obiegowa dolnego źródła, 7 – górne źródło pompy ciepła, 8 – pompa obiegowa górnego źródła [4]

Pompa ciepła zawiera także urządzenia pomocnicze, takie jak pompy obiegowe, zawory termostatyczne oraz układy sterowania i aparaturę zabezpieczającą. Do działania pompa ciepła musi pobierać energię nie tylko z „dolnego źródła”, ale także energię niezbędną do działania jej mechanizmów – w tym sprężarki – czerpaną z instalacji elektrycznej budynku.

Podstawowym parametrem określającym efektywność pracy pompy ciepła jest współczynnik wydajności nazwany współczynnikiem efektywności energetycznej COP (Ceofficient of Performance), jest to stosunek wytworzonej energii cieplnej do zużycia energii napędowej niezbędnej do pracy pompy.

Pompy ciepła pozyskują co najmniej 75% potrzebnej energii grzewczej ze środowiska naturalnego, natomiast pozostałe 25% stanowi energia elektryczna (rys. 2). Z kolei mała różnica temperatur pomiędzy źródłami przekłada się na większe korzyści ekonomiczne, pozwalając na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki.

Rys. 2. Przykładowy bilans mocy pompy ciepła [6]

Pompa pobiera ciepło z „dolnego źródła ciepła” i przekazuje do instalacji grzewczej zwanej „górnym źródłem ciepła”. Rolę „dolnego źródła ciepła” może spełniać woda lub grunt, a nawet powietrze. W optymalnym z punktu widzenia ekologii rozwiązaniu także energia elektryczna potrzebna do napędu sprężarki oraz zasilania wspomagających grzejników elektrycznych powinna być czerpana z odnawialnych źródeł energii. Może to być np. zespół paneli fotowoltaicznych umieszczonych na dachu budynku.

Przy wykorzystaniu jako „dolnego źródła” wody jest to zwykle podpowierzchniowy ciek wodny lub np. studnia głębinowa. W przypadku wykorzystania istniejącej studni lub innego zbiornika wodnego uzyskuje się znaczne oszczędności kosztów budowy „dolnego źródła”. Innym typem „dolnego źródła” może być grunt. Stosowane są układy poziome wymagające dużej powierzchni terenu oraz pionowe wykorzystywane w przypadkach, gdy brak miejsca na układ poziomy. W przypadku gruntu niezbędne jest zastosowanie dodatkowego wymiennika ciepła. Czynnikiem roboczym przenoszącym energię cieplną w układzie pompy ciepła jest niezamarzająca mieszanina glikolu propylenowego z wodą zwana popularnie solanką. Solanka ogrzewa się w kolektorze umieszczonym w wodzie lub w gruncie i oddaje ciepło w parowniku pompy ciepła.

Każda pompa wyposażona jest we wspomagające system grzejniki elektryczne, włączające się w przypadku wystąpienia większych spadków temperatury zewnętrznej. Pompa ciepła może również współpracować z innymi ekologicznymi źródłami ciepła takimi jak kolektory słoneczne.

Pompy ciepła stosowane są dość powszechnie w rozwiniętych krajach europejskich, przy czym można zaobserwować dynamiczny wzrost sprzedaży tych urządzeń. W Polsce torują sobie drogę do szerszego stosowania. Pewnym problemem jest konieczność zapewnienia zasilania w energię elektryczną sprężarki oraz wspomagających układ grzejników elektrycznych o mocy kilku kilowatów. Z tego powodu, jak wspomniano wcześniej, dobrym rozwiązaniem jest wyposażenie budynku w zespół paneli fotowoltaicznych, które współpracując z baterią akumulatorów i konwektorem, zapewnią bezpłatną energię elektryczną (rys. 3).

Rys. 3. Przykład paneli fotowoltaicznych ułożonych na dachu [5]

W ogólnym bilansie energii elektrycznej budynku jednorodzinnego może to stanowić znaczącą wielkość. Niewątpliwym zyskiem, oprócz niskich kosztów eksploatacji, są efekty ekologiczne. Pompa ciepła nie emituje spalin ani też nie wymaga dowozu opału i ew. wywozu produktów spalania, nie zanieczyszcza więc środowiska.

Pompa ciepła i zespół paneli fotowoltaicznych doskonale ze sobą współgrają (rys. 4).

Rys. 4. Schemat wzajemnego współdziałania zespołów systemu pompy ciepła i paneli VF [10]

Fotowoltaika generuje prąd i zasila wszystkie urządzenia w domu, a nadwyżki energii z fotowoltaiki mogą być akumulowane lub sprzedawane do sieci elektroenergetycznej. Pompa ciepła z jednej kWh pobranej energii elektrycznej generuje średnio w skali roku 3–5 kWh energii cieplnej. Połączenie fotowoltaiki z pompą ciepła rozwiązuje następujące problemy:

– gdy świeci słońce panele, fotowoltaiczne działają z taką wydajnością, że większość wytworzonej energii musi być zakumulowana, może jednak służyć do wspomagania pompy ciepła,

– korzystanie przez pompę ciepła z energii elektrycznej produkowanej przez panele FV uniezależnia układ od wzrostu cen energii czerpanej z sieci oraz od ew. przerw w jej dostawie.

Korzystanie z energii czerpanej z paneli FV pozwala obniżyć koszty eksploatacyjne pompy ciepła. W tym celu należy obniżyć roczne zużycie energii pobieranej przez pompę z sieci elektroenergetycznej i zastąpić je zieloną energią.

Przy czerpaniu energii z wody układ „dolnego źródła” składa się z dwu studni – jednej do poboru wody, drugiej do odprowadzenia (zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z pompy ciepła. Odległość między studnią czerpalną i studnią zrzutową powinna być jak największa (co najmniej 15 m), żeby chłodna woda zrzucana nie mieszała się z wodą czerpaną, niekorzystnie obniżając jej temperaturę (rys. 5).

Rys. 5. Układ studni „dolnego źródła” [9]

Celem czerpania energii z gruntu wykonuje się trzy rodzaje kolektorów: płaskie, spiralne i pionowe (rys. 6).

Rys. 6. Przykład ukształtowania kolektorów płaskiego i pionowego „dolnego źródła” [8]

Kolektor płaski składa się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5÷ 0,8 m z jednego metra kwadratowego gruntu, w zależności od rodzaju gleby, można uzyskać 10−40 W. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż suchy i piaszczysty. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m², kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki. W przypadku gruntu piaszczystego dla domu o powierzchni 200 m² potrzeba ok. 800 m² terenu. Kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m, a rury układa się spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm.

Najskuteczniejszym rozwiązaniem w przypadku ograniczonej ilości miejsca jest kolektor pionowy. Do odwiertów o głębokości 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U.

Z jednego metra odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 100 W energii cieplnej. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.

Pompa ciepła może się obyć bez źródła dolnego, jeśli ciepło będzie pobierane z powietrza (rys.7).

Rys. 7. Schemat działania powietrznej pompy ciepła [7]

Powietrze atmosferyczne jest najłatwiej dostępnym źródłem energii odnawialnej, dlatego użycie powietrza jako „dolnego źródła” dla pomp ciepła staje się coraz bardziej powszechne. Instalowanie powietrznych pomp ciepła jest mało kłopotliwe, co umożliwia zastosowanie tego typu instalacji w istniejących obiektach, bez znacznych przeróbek w instalacji grzewczej.

Intensywny przepływ powietrza przez parownik zapewnia fabrycznie zamontowany przy nim wentylator, z tego względu koszt instalacji całego systemu z pompą powietrzną jest wielokrotnie niższy niż ten wykorzystujący pompę gruntową czy pompę wodną. Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej spada współczynnik efektywności COP. W praktyce oznacza to, że przy temperaturze poniżej −15°C (w zależności od producenta) wymagane jest zastosowanie układu biwalentego wykorzystującego dodatkowe źródło ciepła (np. kolektory słoneczne lub kocioł c.o.).

Oprócz „dolnego źródła” pozostałe elementy pompy ciepła umieszczane są w szafie instalowanej w budynku. Szafa wyposażona jest w sterownik pozwalający na odpowiednie programowanie układu i dostosowanie go konkretnych potrzeb (rys. 8).

Rys. 8. Przykładowe wyposażenie szafy pomy ciepła [7]

Najczęściej stosowanym układem jest sterowanie oparte na współpracy z czujnikiem temperatury umieszczonym na zewnętrznej ścianie budynku i współpracującym ze sterownikiem pompy. Czujnik ten umożliwia automatyczne dostosowywanie wydajności układu do temperatury otoczenia. Innym rozwiązaniem jest układ wzbogacony o dodatkowy czujnik umieszczony wewnątrz budynku i mierzący także temperaturę w pomieszczeniu, w którym się znajduje. W obu systemach możliwe jest programowanie temperatury wewnętrznej, np. obniżanie jej o kilka stopni na czas dłuższej nieobecności domowników. Układ z dodatkowym wewnętrznym pomiarem temperatury należy stosować przykładowo wtedy, gdy w pokoju jest kominek lub inne dodatkowe źródło ciepła. Należy przy tym liczyć się z faktem, że pomiar temperatury wewnętrznej w jednym z pokoi wpłynie na ogrzewanie wszystkich pozostałych pomieszczeń.

Jeżeli pompę wyposaży się w odpowiedni moduł, można wykorzystać ją w lecie do chłodzenia pomieszczeń. Czynnik pośredniczący krążący przez przewody w gruncie może chłodzić ogrzewane pomieszczenia. Może to być chłodzenie pasywne bez uruchamiania sprężarki oraz aktywne z jej wykorzystaniem. Technika chłodzenia jest możliwa przy stosowaniu wszystkich pomp ciepła oprócz pomp, w których jako „dolne źródło” wykorzystywane jest powietrze.

Zgodnie z art. 29 ust 4. pkt 3 pkt c ustawy Prawo budowlane [1] instalowanie pomp ciepła o mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 50 kW nie wymaga ani pozwolenia na budowę, ani zgłoszenia. Jednak zgodnie z treścią ustępu 6 uzyskanie pozwolenia na budowę jest niezbędne w przypadku konieczności przeprowadzenia oceny oddziaływania pompy ciepła na obszary Natura 2000. Natomiast w myśl postanowień ustępu 7 w przypadku instalowania pomy ciepła w budynku zabytkowym jest obwiązek uzyskania pozwolenia po uprzednim uzyskaniu zgody wojewódzkiego konserwatora zabytków. Jeżeli pompa ma być umieszczona w obiekcie usytuowanym na obszarze wpisanym do rejestru zabytków, niezbędne jest tylko zgłoszenie także po uzyskaniu zgody wojewódzkiego konserwatora zabytków.

Przy realizacji pomp ciepła należy, poza regulacjami prawa budowlanego, uwzględnić przepisy szczególne: prawo geologiczne i górnicze oraz prawo wodne. Należy również uwzględnić ewentualnie ustalenia miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, jeśli na danym terenie taki plan obowiązuje. Dopełnienie formalności wynikających z wymagań ustawy Prawo geologiczne i górnicze [2] jest wymagane, gdy w celu wykorzystania ciepła ziemi wykonuje się otwory na obszarach górniczych albo poza nimi – gdy głębokość odwiertów przekracza 30 m.

Zgodnie z ustawą z 20 lipca 2017 r. Prawo wodne [3] przy stosowaniu jako „dolnego źródła” studni do poboru lub zrzutu wody – na studnie o głębokości większej niż 30 m wymagane jest pozwolenie wodno-prawne. Także takie pozwolenie jest niezbędne (niezależnie od głębokości studni) na czerpanie wody w ilości większej niż 5 m³/dobę. Pozwolenie wodne niezbędne jest także w przypadku stosowania gruntowych kolektorów pionowych.

Zgodnie z art. 29 ust. 4 pkt 3 podpunkt d Prawa budowlanego [1] wykonanie instalacji związanych z pompą ciepła wewnątrz i na zewnątrz użytkowanego budynku zwolnione jest ze zgód budowlanych.