Pompy ciepła – sposób na ogrzewanie

Ogrzewanie domu wraz z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej stanowi ok. 70% rocznych, stałych wydatków ponoszonych na jego utrzymanie. Koszty ogrzewania zależą od wielu czynników: izolacji cieplnej, rodzaju paliwa i sprawności systemu grzewczego. Wybór sposobu ogrzewania to jedna z najważniejszych decyzji jaką musi podjąć inwestor, gdyż od zastosowanego rozwiązania zależeć będzie większa część kosztów związanych z utrzymaniem domu.

Pompy ciepła są najtańszym w eksploatacji sposobem ogrzewania. Zasilane jedynie energią elektryczną są urządzeniami praktycznie bezobsługowymi. Zasada działania pompy ciepła oparta jest na obiegu termodynamicznym, w którym zachodzą w sposób ciągły cztery następujące po sobie procesy. W parowniku, który odbiera ciepło z otoczenia, następuje proces odparowania czynnika chłodniczego. Para czynnika jest następnie sprężana w kompresorze, gdzie ze wzrostem ciśnienia wzrasta jej temperatura. Następnie w skraplaczu następuje proces oddawania ciepła do systemu grzewczego, skutkiem czego jest obniżenie temperatury czynnika chłodniczego i jego skroplenie. Za skraplaczem czynnik chłodniczy będący pod wysokim ciśnieniem zostaje rozprężony w zaworze rozprężnym, który dozuje odpowiednią jego ilość do parownika. Ze spadkiem ciśnienia spada temperatura czynnika i cały proces się powtarza. Jedyną energią dostarczoną z zewnątrz, aby wyżej opisany proces mógł zachodzić jest energia elektryczna do zasilania kompresora.

Najważniejszy parametr charakteryzujący pompy ciepła

Stosunek mocy grzewczej pompy ciepła do zużycia energii przez sprężarkę wraz ze wszystkimi urządzeniami pomocniczymi określa współczynnik efektywności COP – najważniejszy parametr charakteryzujący te urządzenia. Teoretyczna, najwyższa wartość współczynnika COP dla idealnego obiegu Carnota jest równa 9. W rzeczywistości wartość COP dla pomp ciepła kształtuje się między 0,35 a 0,55 w stosunku do teoretycznej i jest podawana dla określonych temperatur: źródła ciepła i wody grzewczej. Ogólnie obowiązuje zasada, że współczynnik efektywności jest tym większy, im mniejsza jest różnica między temperaturą w systemie grzewczym, a temperaturą źródła ciepła. Dlatego systemy grzewcze z niskimi temperaturami zasilania, a do takich należy ogrzewanie podłogowe, są najbardziej ekonomiczne, gdyż optymalna temperatura zasilania tych systemów wynosi ok. 35oC.

Właściwy dobór elementów

Instalacja z pompą ciepła składa się z trzech elementów: źródła, z którego odbieramy ciepło tzw. dolnego źródła, pompy ciepła i górnego źródła czyli systemu grzewczego. Mając na uwadze iż jest to rozwiązanie systemowe, cały układ musi być zaprojektowany i wykonany bardzo starannie. Jeśli któryś z poszczególnych jego elementów nie będzie dobrze dobrany, system grzewczy nie będzie funkcjonował prawidłowo, a koszty eksploatacji będą większe od oczekiwanych.

Rodzaje pomp ciepła – za i przeciw

W zależności od środowiska, z którego pobierane jest ciepło rozróżniamy następujące typy pomp ciepła: powietrzne (Powietrze/Woda), gruntowe (Solanka/Woda) i wodne (Woda/Woda). Najbardziej efektywne są pompy ciepła wykorzystujące jako dolne źródło wodę. Rozwiązanie to ma jednak minusy: odpowiednie pozwolenia i badania wody, pośredni wymiennik ciepła wymagający okresowego czyszczenia, zrzut wody schłodzonej. Następne w kolejności są pompy ciepła współpracujące z kolektorem gruntowym. Są to specjalne rury ułożone poziomo pod powierzchnią gruntu na głębokości ok. 1,8m lub sondy pionowe instalowane w odwiertach o głębokości od 100 do 300m. Minusem tego systemu jest koszt prac ziemnych związanych z wykonaniem dolnego źródła, który w przypadku sond pionowych może przekroczyć koszt pompy ciepła. Kolektor poziomy potrzebuje natomiast odpowiedniej wielkości niezabudowanej działki. Należy przyjąć, że zajmie on powierzchnię ok. 3 krotnie większą od ogrzewanej. Pompy ciepła typu Powietrze/Woda mają najmniejszą wartość współczynnika efektywności, ale ponieważ jako źródło ciepła wykorzystują powietrze zewnętrzne, nie wymagają budowy dolnego źródła, przez co są najtańsze w inwestycji. Z tego też powodu ich popularność z roku na rok rośnie.

Pompa ciepła może pracować w układzie monowalentnym – jako jedyne urządzenie grzewcze, lub w układzie biwalentnym – oprócz pompy ciepła mamy drugie urządzenie np. kominek z płaszczem wodnym. W przypadku gdy jednostkowa moc pompy ciepła jest niewystarczająca, można zastosować układ kaskadowy kilku urządzeń.

Pompa ciepła służy zarówno do ogrzewania jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dlatego niezbędnym wyposażeniem kotłowni jest zasobnik c.w.u. Jego wielkość zależy od zapotrzebowania na ciepłą wodę.

W gospodarstwie domowym średnio można przyjąć zapotrzebowanie 60 litrów ciepłej wody o temperaturze 45oC na osobę w ciągu doby.

Fot. 1 Przykładiowa gruntowa pompa ciepła CTA Optiheat All-in-One.

Fot. 1 Przykładowa gruntowa pompa ciepła CTA Optiheat All-in-One.

Wszystkie pompy ciepła zasilane są napięciem 3/N/PE/400V/50Hz. Niektóre modele dostępne są również z zasilaniem jednofazowym. Zintegrowany sterownik ma fabrycznie zaprogramowane różne układy instalacji z pompą ciepła. Przy pierwszym uruchomieniu wybieramy odpowiedni numer schematu dzięki czemu uzyskujemy gwarancję niezawodnego działania całego systemu. Ze strony elektrycznej każde urządzenie wymaga doprowadzenia zasilania i zabezpieczenia odpowiednim do obciążenia wyłącznikiem typu „C”. Wszystkie pozostałe połączenia elektryczne między pompą ciepła a układami wykonawczymi węzła cieplnego jak: pompy obiegowe, siłowniki zaworów, czujniki temperatury należy wykonać zgodnie ze schematem elektrycznym odpowiednim dla danej instalacji.

Fot. 2 Przykładowa gruntowa pompa ciepła CTA Optiheat Inverta z wbudowanym zasobnikiem c.w.u

Fot. 2 Przykładowa gruntowa pompa ciepła CTA Optiheat Inverta z wbudowanym zasobnikiem c.w.u.

Powietrzne pompy ciepła instalowane na zewnątrz wymagają połączenia z jednostką wewnętrzną. Poza sterowaniem, do jednostki zewnętrznej należy doprowadzić zasilanie 3/N/PE/400V/50Hz oraz oddzielne zasilanie zintegrowanej grzałki elektrycznej 3/N/PE/400V/50Hz. Przekroje przewodów muszą być dobrane do obciążenia. Każda pompa ciepła wymaga zainstalowania czujnika temperatury zewnętrznej. Powinien on być umieszczony mniej więcej na 2/3 wysokości fasady w budynkach o wysokości do 3 pięter, w otwartej przestrzeni najlepiej od strony północnej. Czujnik temperatury zewnętrznej ze sterownikiem pompy ciepła połączony jest przewodem 2x 1mm2 o długości do 50m. Wykonanie instalacji elektrycznej w kotłowni z pompą ciepła nie jest czynnością skomplikowaną. Informacja o jakiejkolwiek nieprawidłowości wyświetlana jest na sterowniku pompy ciepła, przez co może być łatwo zlokalizowana i usunięta. Gwarancję bezpieczeństwa i wygodę użytkowania zapewnia dodatkowo opcja zdalnego sterowania. Istnieje możliwość monitorowania pracy pompy ciepła z dowolnego miejsca i w dowolnym czasie za pośrednictwem internetu bądź sieci GSM.

Autor: Piotr Kuligowski, Astat Sp. z o.o.

Fot.: Astat Sp. z o.o.