Pompy ciepła to urządzenia charakteryzujące się wysoką efektywnością. Jako systemy ekologiczne i niezwykle ekonomiczne stanowią idealne rozwiązanie grzewcze, z tego względu zdobywają coraz więcej nowych zwolenników. Warto więc wiedzieć jak działają i skąd pobierają ciepło do pracy.

Co to jest pompa ciepła i dlaczego warto ją mieć?

Rosnące ceny energii i coraz większe obciążenie środowiska naturalnego stały się powodem wprowadzania alternatywnych form pozyskiwania energii. Energia odnawialna jest energią przyszłości, a pompy ciepła są wspaniałym rozwiązaniem, by efektywnie wykorzystywać tę bezpłatną energię. Argumenty, które przemawiają za pompami ciepła, to nie tylko niskie koszty, ale również mniejsze obciążenie środowiska naturalnego dzięki funkcjonowaniu bez wytwarzania szkodliwych substancji.

Pompa ciepła to urządzenie służące do ogrzewania pomieszczeń lub wody, pobierające energię z ziemi wody lub powietrza i przekształcające je w ciepło (następuje w niej przepływ ciepła z ośrodka zimniejszego do cieplejszego). Dzięki temu możliwe jest ogrzewanie pomieszczeń darmową energią cieplną, a efektem ubocznym jej działania jest obniżenie o kilka stopni temperatury ośrodka, z którego odbiera ciepło. Pompa zazwyczaj napędzana jest energią elektryczną, jednak jej pobór jest znacznie mniejszy niż w przypadku grzejników elektrycznych. Działanie jej jest w pełni zautomatyzowane, do prawidłowej pracy nie potrzebuje paliwa, komina czy wentylacji, a przy tym nie wytwarza spalin i koszty ogrzewania są niewielkie.

W najpopularniejszej sprężarkowej pompie ciepła krąży płyn, z którego odbierane jest ciepło, nazywany dolnym źródłem. Odbiór ciepła, zachodzi w wymienniku ciepła (parowniku), gdzie płyn zmienia swój stan skupienia na gazowy. W postaci gazu czynnik trafia do sprężarki, gdzie jego temperatura rośnie do wartości na tyle wysokiej, że możliwe jest ogrzanie nim wody w instalacji c.o. lub/i ciepłej wody. W drugim wymienniku ciepła (skraplaczu). Czynnik roboczy oddaje ciepło i ulega skropleniu, następnie przepływa przez element dławiący, w którym w wyniku rozprężenia jego temperatura spada do poziomu, który umożliwi ponowne pobranie ciepła z dolnego źródła.

Skąd pompa ciepła pobiera energię?

Istnieje przekonanie, że powietrzne pompy ciepła nie są w stanie uzyskać takiej efektywności jak pompy gruntowe lub wodne, bo temperatura powietrza zimą jest stosunkowo niska. Tymczasem nowoczesne urządzenia tego typu pomp ciepła są znacznie lepsze od tych sprzed kilkunastu lat, producenci wprowadzili na polski rynek urządzenia pozbawione niedogodności związanej z niską efektywności w czasie zimy. W rezultacie obecnie można kupić pompy pracujące w sposób zadowalający, gdy temperatura powietrza waha się w zakresie do nawet -25 o C, a ich cena jest nawet niższa od tej, którą kiedyś trzeba było zapłacić za urządzenie o gorszych osiągach.

Pompa ciepła, która pobiera ciepło z powietrza, do działania nie potrzebuje dodatkowej instalacji do odbioru ciepła, uzyskane ciepło może służyć do ogrzewania wody albo powietrza, do pomp dodaje się także funkcje chłodzenia , dzięki czemu podczas lata można schłodzić mieszkanie za niewielką cenę.

Należy podkreślić, że ich dużą zaletą jest brak konieczności instalacji dolnego źródła ciepła, dzięki czemu możemy uniknąć wielu błędów związanych z jej działaniem i wykonaniem, jednocześnie zmniejsza się ilość elementów, które w przyszłości mogłyby być ulec awarii.
Montaż tego rodzaju pompy jest także korzystniejszy finansowo ponieważ np. koszt budowy dolnego źródła w pompie gruntowej to dodatkowe 15- 30 tys. zł, wymagana jest także spora działka, która np. została już przez nas zagospodarowana, dlatego w takiej sytuacji idealnym rozwiązaniem będzie pompa powietrzna, która zajmuje niewielką ilość miejsca, a jej koszt jest dużo niższy.

Gruntowa pompa ciepła osiąga najbardziej wysokie sprawności. Pompa w 20% zasilana jest w energię elektryczną, a około 80% energii pochodzi z gruntu. Jest niewielkim kompaktowym urządzeniem, zapewniającym tanie ogrzewanie, chłodzenie i ciepłą wodę użytkową. Ciepło pobieranie jest z gruntu, do doprowadzenia ciepła do parownika pompy potrzebna jest specjalna instalacja nazywana gruntowym wymiennikiem ciepła (sonda lub poziomy kolektor gruntowy).

Kolektor poziomy czy pionowy?

Dolne źródło ciepła ma bardzo duży wpływ na wydajność całego systemu grzewczego, dlatego wybór wymiennika powinien być przemyślany i poparty racjonalnymi argumentami. Przed podjęciem decyzji zaleca się zebranie najistotniejszych informacji o naszym gruncie, po pierwsze należy sprawdzić rodzaj podłoża, ponieważ jeżeli występują warstwy skaliste, mogą one uniemożliwić wykonanie odwiertów. Następnie powinniśmy sprawdzić wilgotność naszej gleby – im jest większa, tym warunki dla wymiennika są lepsze. Etapem końcowym będzie określenie przewodnictwa cieplnego, dzięki któremu dowiemy się jaka jest głębokość przemarzania gruntu. Znając powyższe parametry gruntu jesteśmy w stanie dobrać idealny wymiennik dla wybranego przez nas terenu pod kolektor.
W warunkach klimatycznych naszego kraju ocenia się, że najbardziej stabilne będą sondy geotermalne (kolektory pionowe), wykorzystujące energię ze złóż geotermalnych, zatem bez względu na temperaturę panującą na zewnętrz wydajność systemu pozostaje bez zmian. Instalacja zajmuje dużo mniej miejsca, dzięki czemu można ją zamontować nawet na małej powierzchni. Jej wadą jest konieczność wykonywania dość drogich odwiertów wymagających uprzednio uzyskanych pozwoleń.

Jeśli mamy do dyspozycji obszerną działką, możemy skorzystać z kolektora poziomego. Jest on dużo tańszy i prostszy w montażu od sondy. Poziomy kolektor gruntowy to zestaw elastycznych rur umieszczonych pod powierzchnią gruntu, na głębokości 0,8 m-1,4 m, gdzie temperatura gruntu jest najwyższa w ciągu roku waha się od 5-8ºC. Długość i odstępy rur są tu uzależnione od właściwości podłoża i wydajności pobieranego ciepła – a więc od ilości energii, która potrzebna jest do ogrzania budynku. Najlepsze warunki zapewniają wilgotne odmiany gleby np. glina lub żwir. Równie ważne jest pokrycie podłoża, tutaj najlepsza będzie wyłącznie trawa. Kolektory tego typu schładzają grunt, dlatego watro wiedzieć, że czas wegetacji roślin na tej powierzchni będzie krótszy. W przypadku nieco mniejszej powierzchni możemy skorzystać z poziomego wymiennika, typu spiralnego, w którym rozmieszczenie rur jest inne i powoduje, że zajmuje on mniej miejsca.

Woda gruntowa to doskonały magazyn energii słonecznej i optymalne źródło ciepła dla wodnej pompy ciepła. Temperatura wody nawet w najchłodniejsze dni wynosi od 7 do 12°C. Jeżeli występuje w odpowiedniej ilości i jest dobrej jakości to jest to jedno z najbardziej wydajnych dolnych źródeł ciepła. Pompy ciepła tego typu są konstrukcyjnie zbliżone do pomp gruntowych, jedyna różnica polega na tym, że w tych urządzeniach krąży woda gruntowa, aby je zainstalować wywierca się dwie studnie: czerpną i zrzutową, oddalone od siebie o około 10- 15 metrów. Woda gruntowa jest pobierana ze studni czerpalnej i za pomocą pompy głębinowej dostarczana do parownika, gdzie woda oddaje energię i jest ochładzana o około 3K, nie zmienia jednak swoich właściwości i pozostaje w stanie ciekłym. W końcowym etapie procesu woda jest odprowadzana z powrotem do złoża poprzez studnię zrzutową. Pobór wody musi następować przed zrzutem, aby uniknąć mieszania się wody.

Przed dokonaniem zakupu pompy ciepła woda/ woda konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy wody. W zależności od wymaganej mocy grzewczej niezbędne będzie zapewnienie stałej minimalnej wielkości przepływu wody. Do parownika nie powinna trafiać woda posiadające zanieczyszczenia stałe, ponieważ mogłoby to uszkodzić pompę, dlatego zaleca się zastosowanie wstępnego osadnika zanieczyszczeń. Podczas budowy studni należy stosować się do normy DIN 18302 określającej wymagania czystości wody. Temperatura wody gruntowej powinna być wyższa niż +7°C, zwykle woda położona na głębokości około 10m taką temperaturę właśnie ma, jednak należy się upewnić czy nie wpłynęły na nią np. wiosenne roztopy. Próbny rozruch pompy głębinowej dostarcza informacji o wydajności studni, jej temperaturze i jakości wody.

Wodne pompy ciepła zapewniają w miarę stabilną i stosunkowo wysoką temperaturę w sezonie grzewczym. Staw, rzeka czy studnia głębinowa może zapewnić 10°C nawet w czasie mrozu.

Pompa sprężarkowa czy absorpcyjna? Sprężarkowa pompa ciepła transportuje ciepło przy pomocy czynnika roboczego, który podczas swojej pracy najpierw odbiera ciepło z dolnego źródła, co następuje w parowniku, a następnie dzięki sprężarce, zwiększającej ciśnienie przepływającej pary umożliwia jej zetknięcie z czynnikiem chłodniejszym, w skraplaczu, gdzie następuje oddanie ciepła do obiegu c.o. lub/i c.w.u. Do zalet tego typu urządzeń należy zaliczyć przede wszystkim prostotą konstrukcję, wysoką efektywność energetyczną oraz ich mobilność. Ich największą wadą jest uzależnienie od dostaw energii elektrycznej oraz szybkie zużywanie się elementów mechanicznych w sprężarce.   W pompach ciepła takiego typu stosowane są sprężarki:

• wyporowe,
• przepływowe.

Wyporowe są to sprężarki z tłokami, które wykonują ruch posuwisto-zwrotny, mogą być z tłokiem wirującym, śrubowym lub spiralnym lub rotacyjne, w których ruch zachodzi dzięki łopatkom. Każdy z wymienionych typów ma swoje wady i zalety, sprężarki rotacyjne w porównaniu z tłokowymi cechują się:

• mniejszą masą i wymiarami,
• zwartą budową,
• cichszą pracą,
• dużą niezawodnością.

Do zalet sprężarek spiralnych zaliczamy:

• małą liczbę elementów ruchomych,
• stosunkowo małe wymiary,
• wysoką odporność na uderzenia hydrauliczne,
• cichą pracę.

Do zalet sprężarek śrubowych zaliczamy:

• brak zaworów roboczych,
• występuje ruch obrotowy, brak innych ruchów, więc nie ma pulsacji podczas przepływu czynnika,
• brak wrażliwości na uderzenia hydrauliczne,
• możliwość bezstopniowej regulacji mocy grzejnej.

Wybór konkretnego typu sprężarki do pompy ciepła, która zasilać będzie instalację c.o. lub c.w.u. uwarunkowany jest poprzez: określoną wymaganą moc cieplną, parametrami pracy tego urządzenia oraz rodzajem wybranego czynnika roboczego. Podczas doboru sprężarki należy pamiętać o warunkach eksploatacyjnych, czyli: rodzaju i ilości energii napędowej, układzie w jakim będzie pracować pompa ciepła, dopuszczalnym poziomie hałasu, sposobie regulacji wydajności itp. Kolejnym decydującym o pracy sprężarki elementem jest rodzaj czynnika roboczego, który poprzez parowanie i skraplanie transportuje ciepło z niższego poziomu temperatury na wyższy. Na rynku dostępne są naturalne i syntetyczne czynniki robocze. Do naturalnych zaliczyć można: wodę, powietrze, amoniak, dwutlenek węgla czy węglowodany. Syntetyczne czynniki robocze to: chlorofluorowęglowodory, wodorochlorofluorowęglowodory, wodorobromofluorowęglowodory. Dobierając czynnik roboczy nie można zapomnieć o uwzględnieniu redukcji emisji szkodliwych substancji, bezpieczeństwie, efektywności działania całego układu, aspektach ekonomicznych oraz o późniejszym opcjonalnym serwisowaniu. Często rozważanym kryterium podczas wyboru danego czynnika roboczego są koszty, należy jednak pamiętać, że ich udział jest niewielki w porównaniu z całą inwestycją. Sposobem na obniżenie kosztów czynnika w procesie serwisowania instalacji jest zminimalizowanie ilości jego uzupełniania, dzięki przestrzeganiu zasad właściwego wykonania i późniejszej eksploatacji (przeprowadzanie testów szczelności, odpowiednie przeszkolenie personelu, szybka reakcja na ewentualne wycieki). Adsorpcyjna pompa ciepła wykorzystuje sprężarkę termiczną, która napędzana jest ciepłem. Pompy tego typu znajdują zastosowanie wszędzie, gdzie dostępne jest tanie źródło ciepła (gaz, woda, para wodna) lub niedostępna jest energia elektryczna. Najczęściej używane do chłodzenia. Mimo, że posiadają niższy niż sprężarkowe współczynnik efektywności, to ich działanie nie wymaga praktycznie żadnych elementów mechanicznych co gwarantuje ich niewielką awaryjność.   Podczas pracy pompy, ciepło dostarczane jest do warnika, gdzie zachodzi odparowanie amoniaku z roztworu. Powstała para oddaje ciepło w skraplaczu, następnie czynnik roboczy kierowany jest do zaworu rozprężnego. Za zaworem ciekły amoniak wędruje do parownika, w którym pobiera ciepło, a następnie zachodzi jego odparowanie. Para pochodząca z amoniaku absorbowana jest przez roztwór w absorberze i następnie tłoczona do warnika.
Ciepło oddawane w absorberze jak i w skraplaczu wykorzystywane jest do przygotowania c.w.u oraz na potrzeby c.o. a parownik pompy wykorzystuje się do produkcji wody lodowej na cele chłodnicze. W absorpcyjnych pompach stosuje się następujące roztwory robocze:

• czynnik roboczy – amoniak,
• czynnik roboczy – woda,
• czynnik roboczy – metanol.

Do zalet adsorpcyjnych pomp ciepła można zaliczyć:

• wysoką efektywność – w zimie tryb ogrzewania, a w lecie możliwość chłodzenia,
• jednostka z pojedynczym źródłem energii ogrzewa lub działa jak klimatyzacja,
• redukuje zużycia energii elektrycznej do 85%,
• charakteryzuje się wysoką niezawodnością,
• bardzo małą ilością ruchomych komponentów,
• łatwą obsługą,
• brakiem zużycia wody,
• system przyjazny dla środowiska.

Podsumowując:

• Pompa ciepła pozwala na całkowite uniezależnienie się od dostawców energii cieplnej, a koszty inwestycyjne zwracają się już po kilku latach,
• Pompa ciepła nie wymaga ciągłej obsługi ze strony użytkownika, tak jak ma to miejsce w przypadku ogrzewania tradycyjnym kotłem gazowym lub olejowym,
• Korzysta z energii odnawialnej i jest całkowicie ekologiczna,
• Rozwój rynku pomp ciepła w Polsce hamuje brak odpowiednich przepisów prawnych, norm technicznych oraz dotacji.