Pompa ciepła to urządzenie wielkością i wyglądem przypominające niewielką lodówkę albo duży stojący kocioł grzewczy na gaz. Podobnie jak on pompa ciepła służy do ogrzewania domu i przygotowywania ciepłej wody. Dlaczego zatem nazwano ją pompą? Bo do ogrzewania wykorzystuje ciepło, które dzięki przemianom termodynamicznym – takim samym, jakie zachodzą w zwykłych lodówkach, a także klimatyzatorach – „przepompowuje” ze źródła o niższej temperaturze do cieplejszego ośrodka. Tym zimniejszym źródłem, tak zwanym dolnym, z którego jest odbierane ciepło, może być grunt, woda, a nawet powietrze. Źródłem górnym, do którego ciepło jest dostarczane, jest ogrzewana przez pompę woda (rzadziej powietrze), która krąży w instalacji grzewczej. A zatem pompa nie wytwarza ciepła, poza pewną ilością będącą efektem ubocznym działania jej sprężarki, tylko je przekazuje z dolnego do górnego źródła.
Pompa jest zasilana energią elektryczną. Na szczęście nie potrzebuje jej dużo i dlatego ogrzewanie nią kosztuje mniej niż kotłem na gaz czy olej.
Jest kilka źródeł, z których pompa może pozyskiwać ciepło. Wybór pompy będzie zależeć nie tylko od naszych możliwości finansowych, ale też rozmiaru działki i gruntu, jaki na niej występuje, a także strefy klimatycznej, w jakiej mieszkamy.
Powietrzna pompa ciepła (czy też ściślej – pompa typu powietrze/woda) to pompa ciepła, która jako dolne źródło – a więc środowisko, z którego pozyskiwane jest ciepło – wykorzystuje dostępne bez ograniczeń powietrze atmosferyczne. Podobnie jak inne pompy ciepła, w domowej instalacji grzewczej może pełnić taką samą rolę, jak kocioł węglowy, gazowy czy elektryczny, a więc służyć do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania (c.o.) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).
Wiele modeli pomp powietrze/woda można zastosować również do chłodzenia budynku w okresie letnim – pełnią wtedy rolę klimatyzatora. Ponadto w ostatnim czasie szybko rośnie popularność powietrznych pomp ciepła o małej mocy, służących wyłącznie do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W tym przypadku, oprócz powietrza atmosferycznego dostępnego na zewnątrz budynku, jako źródło ciepła dość często wykorzystuje się powietrze odprowadzane z domu przez system wentylacji wywiewnej. Stanowi to konkurencyjny wobec rekuperacji sposób spożytkowania energii cieplnej zawartej w tym powietrzu.
Nowoczesne pompy ciepła tego rodzaju mogą pracować efektywnie (przez co należy rozumieć, że ilość ciepła dostarczanego do instalacji grzewczej jest większa od zużytej energii elektrycznej) przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej, w zależności od konstrukcji, -15, -20, a nawet -25°C. Co więcej, w temperaturze ok. -10°C współczynnik efektywności energetycznej COP większości nowoczesnych modeli wynosi od 2 do 3, co oznacza, że pompa przekazuje dwa, trzy razy więcej ciepła, niż wynikałoby to ze zużycia prądu.
Nie są to może wskaźniki tak korzystne, jak w przypadku gruntowych czy wodnych pomp ciepła, ale nie wolno zapominać, że dla nas jako użytkowników najważniejsza jest ekonomiczna efektywność inwestycji w pompę, a ta jest zupełnie inna niż sprawność urządzenia wynikająca ze wskaźników fizycznych i parametrów technicznych.
Pompa powietrzna nie wymaga budowy dolnego źródła ciepła, jej montaż nie jest więc uwarunkowany posiadaniem odpowiednio dużej działki (nie trzeba też jej rujnować) czy dostępu do nadających się do wykorzystania wód podziemnych lub powierzchniowych, ponadto nie trzeba wykonywać kosztownych robót ziemnych. Nie ma ryzyka niewłaściwego zwymiarowania dolnego źródła bądź popełnienia błędów wykonawczych.
Pompy typu monoblok to urządzenia kompaktowe, które w jednej obudowie zawierają wszystkie istotne komponenty: sprężarkę, skraplacz, parownik z wentylatorem, zawór rozprężny oraz pompę obiegową. Przeznaczone są zwykle do instalacji na zewnątrz budynku, z którym łączy się je rurami przekazującymi ciepło do instalacji centralnego ogrzewania (możliwe jest również rozwiązanie polegające na tym, że pompa znajduje się w budynku, a powietrze jest zasysane, a następnie wyrzucane odpowiednimi przewodami na zewnątrz, ale znajduje ono zastosowanie głównie w przypadku pomp małej mocy, służących do przygotowania c.w.u.). W budynku montuje się ewentualnie zbiornik buforowy ciepła.
Pompy typu split to urządzenia, w których elementy składowe rozdzielone są pomiędzy dwie jednostki: zewnętrzną i wewnętrzną. W tej pierwszej znajdują się wentylator, parownik, sprężarka i zawór rozprężny. W drugiej – skraplacz i pompa obiegowa c.o.
Pompy ciepła typu woda/woda korzystają z ciepła zgromadzonego w wodzie gruntowej, która ma stosunkowo wysoką temperaturę przez całą zimę (8-10°C), a więc jest efektywnym dolnym źródłem. Do jej działania są potrzebne dwie studnie głębinowe: czerpana i zrzutowa – z pierwszej czerpana jest woda, z której pompa odbiera ciepło, do drugiej – odprowadzana woda, która oddała już ciepło. Jeśli ktoś ma dostęp do stawu lub innego zbiornika wodnego, nie musi wiercić studni. Zimą temperatura wody na dnie stawu nie spada poniżej 8°C, więc można liczyć na sprawne działanie pompy wykorzystującej jej ciepło. Jednak pompy tego typu są kłopotliwe w eksploatacji. Woda czerpana ze stawu jest zanieczyszczona i wymaga filtrowania oraz okresowej wymiany elementów instalacji transportującej wodę, które w praktyce często korodują. W sumie, mimo wysokiej efektywności, eksploatacja takich pomp ciepła jest dość droga i opłaca się je stosować jedynie w obiektach o bardzo dużym zapotrzebowaniu na ciepło. Dlatego najczęściej wykorzystywanym źródłem ciepła pompy jest grunt.
Gruntowa pompa ciepła typu solanka/woda z wbudowanym zbiornikiem na ciepłą wodę użytkową.
Na głębokości około 1,5 m temperatura gruntu wynosi od 0 do 8°C, co umożliwia ekonomiczną pracę pompy – ilość ciepła pozyskiwanego z położonego na tej głębokości poziomego wymiennika ciepła może być trzy-cztery razy większa od ilości energii elektrycznej zużywanej przez pompę. Jeszcze lepsze efekty osiąga się, stosując wymiennik gruntowy z rurami umieszczonymi pionowo w głębokich odwiertach (od kilkudziesięciu do ponad stu metrów), które tworzą tak zwane sondy. Wymiennik ciepła w postaci sond pionowych zapewnia korzystne parametry pracy pompy ciepła i ich stabilność przez cały sezon grzewczy, czego nie gwarantuje wymiennik poziomy. Jego temperatura wyraźnie się obniża po dłuższym czasie działania pompy, co powoduje zmniejszenie efektywności jej pracy. Niestety, koszt wykonania wymiennika pionowego jest co najmniej o połowę większy niż poziomego. Dlatego najczęściej wybieranym przez inwestorów wariantem jest pompa ciepła z poziomym wymiennikiem gruntowym. Zapewnia ona niskie koszty eksploatacji, co najmniej o połowę mniejsze niż ogrzewanie gazem ziemnym, a koszty inwestycyjne pozostają na rozsądnym poziomie.
Wykonanie gruntowego wymiennika ciepła to najbardziej kłopotliwy etap instalowania pompy ciepła. Od doboru i prawidłowej instalacji wymiennika w największym stopniu zależy jej poprawna i ekonomiczna praca. Robi się go z elastycznych rur z tworzywa sztucznego, ewentualnie miedzianych. Wymienniki poziome można układać w gruncie w jednej lub dwóch płaszczyznach albo w formie spirali. Aby uzyskać jak najwięcej ciepła, taki wymiennik powinien się znaleźć na głębokości, na której temperatura gruntu jest najwyższa. W praktyce, ze względu na koszty i opłacalność inwestycji, układa się go na głębokości nieco większej niż strefa przemarzania gruntu, która w zależności od regionu wynosi w Polsce od 0,8 do 1,4 m poniżej poziomu terenu.
Jak dużą powierzchnię działki trzeba przeznaczyć na poziomy wymiennik gruntowy? To zależy od rodzaju gruntu. Najlepiej, gdy jest gliniasty. Gęstość strumienia ciepła wynosi w nim ponad 30 W/m2, podczas gdy w gruncie suchym, piaszczystym może wynosić zaledwie 10 W/m2, czyli trzykrotnie mniej. A zatem aby pompa ciepła mogła osiągnąć moc 10 kW (czyli wystarczającą do ogrzania domu o powierzchni około 200 m2 zamieszkanego przez cztery osoby), trzeba ułożyć rury na mniej więcej 330 m2 działki na terenie podmokłym i nawet na 1000 m2 działki z glebą suchą. Przy tym trzeba mieć świadomość, że teren nad wymiennikiem nie może być zacieniony, a więc nie mogą na nim stanąć żadne zabudowania, nie można tam też sadzić żadnych większych roślin (o dużych korzeniach) ani utwardzić terenu. Zalecane jest założenie tam trawnika. Grunt, z którego odbierane jest ciepło, musi się „regenerować”, co następuje w wyniku nasłonecznienia i opadów, dlatego nie powinno się utrudniać docierania promieni słonecznych oraz wody do gruntu. Pamiętajmy o tym, jeśli dopiero planujemy zakup działki i zamierzamy ogrzewać dom gruntową pompą z poziomym wymiennikiem ciepła. Działka musi być odpowiednio duża, by udało się na niej zmieścić wymiennik, a oprócz niego dom, utwardzony podjazd i ewentualnie ogród – i by udało się nie zacienić terenu nad wymiennikiem. Ale nie oznacza to, że gruntowej pompy ciepła nie można zastosować, gdy mamy małą działkę.
Gdy brakuje miejsca na działce, rozwiązaniem jest wykonanie wymiennika w postaci pionowych sond. Jest on co prawda droższy niż poziomy, ale umożliwia bardziej ekonomiczną pracę pompy i sprawdza się na działkach o bardzo niskim poziomie wód gruntowych, gdzie wymiennik poziomy musiałby mieć bardzo dużą powierzchnię. Orientacyjnie można przyjąć, że aby uzyskać 1 kW mocy grzewczej, potrzebna jest rura umieszczona pionowo w odwiercie głębokości 20 m, czyli dla 10 kW odwiert powinien mieć 200 m. Na odwierty o głębokości ponad 100 m potrzebne jest zezwolenie urzędu górniczego, na płytsze (powyżej 30 m) – pozwolenie wodno-prawne z urzędu gospodarki wodnej. Na ogół zamiast jednego bardzo głębokiego robi się kilka płytszych odwiertów. W takim wypadku powinny one być oddalone od siebie co najmniej o 5 m. Nawet na niewielkiej działce nie powinno być problemu ze znalezieniem miejsca na dwa-trzy odwierty, które wystarczą do ogrzewania średniej wielkości domu jednorodzinnego.
Rodzaje pomp ciepła. Poszczególne rodzaje pomp różnią się w zależności od sposobu pozyskiwania ciepła i przekazywania go do pomieszczeń. Najczęściej wykorzystywane są pompy typu:
Uwzględniając uwarunkowania geologiczne jak również relację ceny do jakości oraz koszty utrzymania w tym serwisowania, rekomendujemy:
- pompy typu powietrze / powietrze której głównym zadaniem będzie produkcja ciepłej wody użytkowej,
- gruntowe pompy typu solanka / woda oraz powietrze / woda, których zadaniem jest ogrzewanie domów.
