Pompy ciepła można kategoryzować w różny sposób. Najłatwiejszy podział to ten ze względu na rodzaj tzw. dolnego źródła ciepła, czyli miejsca, z którego pobierana jest energia cieplna dostarczana następnie do domu. Z tego względu wyróżniamy pompy ciepła powietrzne, gruntowe i wodne.
Jaka pompa ciepła jest najlepsza? Liderem jest powietrzna pompa ciepła
Najlepsza będzie ta pompa ciepła, która będzie odpowiednio dobrana. Inwestycje różnią się od siebie, ponieważ pompy ciepła mogą być montowane zarówno w nowo powstających budynkach, jak i w tych modernizowanych, korzystających wcześniej z ogrzewania zasilanego np. węglem.
W Polsce najpopularniejsze są pompy ciepła typu powietrze-woda. W 2021 roku stanowiły niemal 90% rynku sprzedażowego. Ich popularność wynika przede wszystkim z:
- niższych kosztów inwestycyjnych w porównaniu do innych rodzajów pomp ciepła;
- małych wymagań technicznych dotyczących instalacji;
- postępu technologicznego, który sprawił, że pod względem wydajności powietrzne pompy ciepła dogoniły gruntowe i wodne;
Jak widać po roku 2018 nastąpił gwałtowny wzrost liczby sprzedanych powietrznych pomp ciepła, które właściwie zdominowały rynek sprzedaży w Polsce. Dla porównania w roku 2017 sprzedano w sumie 17360 powietrznych pomp ciepła, natomiast w roku 2021 było to już 87000.
Dodatkowo popularność tego rozwiązania kreują oczywiście producenci i firmy usługowe, które w swoich ofertach posiadają przede wszystkim pompy ciepła typu powietrze-woda.
Powietrzna pompa ciepła. Energia z powietrza nawet przy -10°C
Zalety:
- najniższe koszty inwestycyjne;
- brak konieczności ingerowania w teren działki;
- nie jest wymagana duża przestrzeń wokół domu;
- źródło jest ogólnodostępne, niezależnie od położenia geograficznego i ukształtowania terenu;
Wady:
- sezonowe wahania temperatury;
- mniejsze wskaźniki COP (w porównaniu do innych typów pomp ciepła);
- jednostka zewnętrzna generuje hałas;
Powietrzne pompy ciepła są najpopularniejszym rodzajem pomp, ze względu na ogólną dostępność źródła ciepła i najniższe koszty inwestycyjne (w porównaniu do pomp ciepła wymagających uzbrojenia i przekształcania terenu).
Powietrzna pompa ciepła grzeje nawet przy ujemnych temepraturach
Obecnie pompa ciepła może wykorzystywać energię nawet z powietrza, którego temperatura jest ujemna, bez większego uszczerbku na wydajności. Energia cieplna jest obecna aż do wartości zera absolutnego, czyli −273,15°C.
Kiedy praca pompy nie wystarcza by w pełni pokryć zapotrzebowanie na ciepło w budynku (przy dobrze dobranej pompie jest to zwykle jedynie kilkadziesiąt godzin w roku), uruchamia się ogrzewanie elektryczne (tzw. grzałka). Pompa ciepła to system ogrzewania nazywany biwalentnym, czyli taki, w którym wykorzystuje się dwa źródła ciepła.
Oczywiście najtrudniejsze warunki występują zimą, czyli wówczas, kiedy pompa ciepła musi pracować intensywniej. Sprawność pompy wyraźnie spada, gdy temperatura powietrza wynosi mniej niż -10°C. Zatem moc grzewcza pompy spada w warunkach, gdy zapotrzebowanie na ciepło wzrasta. Na szczęście w Polsce niewiele jest dni, w których temperatura utrzymuje się długo poniżej -5°C.
Rozwiązania podczas montażu
Powietrzna pompa ciepła może zostać zainstalowana zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynku lub jako urządzenie split, które składa się z jednostki wewnętrznej i zewnętrznej.
Pompa ciepła zamontowana w całości wewnątrz budynku wymaga doprowadzania i odprowadzania powietrza przez system kanałów wentylacyjnych.
Powietrze ze wszystkich dolnych źródeł ciepła, ma najmniejszą pojemność cieplną. Dlatego konieczne jest przetłaczanie ogromnych strumieni powietrza – a to wiążę się z dodatkowym hałasem i koniecznością napędzania wentylatora, który potrzebuje do tego energii elektrycznej.
Powietrza pompa ciepła może działać w systemie powietrze-powietrze (np. klimatyzacja domowa) lub powietrze-woda, do ogrzewania domu i wody użytkowej.
Gruntowa pompa ciepła. Energia z ziemi dookoła domu
Grunt jako dolne źródło ciepła charakteryzuje się stabilnością i dużą zdolnością do gromadzenia energii, która pochodzi głównie z promieni słonecznych oraz opadów deszczu.
W ciągu roku temperatura ziemi na głębokości 2 metrów wynosi od 7°C do 13°C. Wyzwaniem jest przetransportowanie energii cieplnej spod warstwy gleby do domu.
Są na to trzy sposoby, jednak w każdym z nich przez rury wykonane z tworzywa sztucznego (PCV, PE, PP, PB) płynie czynnik roboczy. Zwykle jest to solanka, czyli mieszanina wody i niezamarzającego glikolu.
Kolektor gruntowy płaski (wymiennik poziomy)
Zalety:
- wysokie wskaźniki COP; dobra wydajność;
- szybka regeneracja terenu (nagrzewanie przez słońce i wodą deszczową) po okresie grzewczym;
- w porównaniu do kolektorów pionowych niższy koszt inwestycyjny;
Wady:
- wymagana jest duża powierzchnia działki;
- powierzchnia nad kolektorami nie może być zakryta (np. betonem lub kostką brukową); będzie to utrudniać regenerację gruntu podczas wiosny i lata;
- nie zaleca się, żeby w pobliżu rosły rośliny o długich korzeniach; korzenie mogą uszkodzić kolektory;
- w porównaniu do pomp powietrznych wysokie koszty inwestycyjne;
Należy podkreślić, że pompa ciepła sama z siebie nie wytwarza energii cieplnej. To zewnętrzny wymiennik odbiera ciepło, które już jest skumulowane w gruncie. Ziemia w ciągu roku gromadzi ciepło pochodzące z promieniowania słonecznego oraz z wody opadowej (deszczu) oraz tej pochodzącej z roztopów.
Sposób montażu kolektorów poziomych
Kolektor poziomy składa się z rur zakopanych na głębokości od 1,2 m do 1,6 m. Umieszczanie ich głębiej nie ma sensu pod względem ekonomii pozyskiwania energii (nie dociera tam ciepło słoneczne, które jest głównym źródłem energii).
Odcinki rur układane są w kilka pętli (każda ma około 100 metrów). Uformowanie rur w kilka równolegle położonych pętli zmniejsza opór przepływu czynnika roboczego, co przeciwdziała spadkowi sprawności systemu pompy ciepła.
Odległości między rurami są uzależnione od wydajności cieplnej, którą może osiągnąć konkretny rodzaj gruntu. Przy niskiej wydajności stosuje się rury o mniejszej średnicy, które układa się ciaśniej. Zapobiega to zamarzaniu gruntu i nawarstwianiu się lodu wokół rur.
Instalacja poziomych kolektorów gruntowych wymaga dużej działki (powierzchnia kolektora może być dwukrotnie lub nawet pięciokrotnie, większa niż powierzchnia domu).
Dodatkowo na tej działce nie powinny rosnąć rośliny o głębokich korzeniach, które zagrażałyby bezpieczeństwu instalacji. Powierzchnia nad kolektorem nie może być zabudowana lub zalana betonem, ponieważ ograniczy to kumulowanie się energii w gruncie podczas wiosny i lata (nagrzewanie przez promienie słoneczne i deszcz).
Jak określa się wydajność cieplną gruntu?
- Ziemia wilgotna i gliniasta będzie oddawała więcej ciepła (wydajność 30-35 W/m²) niż niespoisty i suchy grunt (wydajność 10-20 W/m²)*. Dlatego porowata ziemia o małej wydajności poboru ciepła, będzie potrzebowała do skutecznej pracy większego wymiennika (kolektora).
- Na zdolność przewodzenia ciepła z gruntu wpływa także obecność składników mineralnych i wód gruntowych. Im ich więcej, tym lepiej.
*w praktyce wykonawcy inwestycji pomp ciepła deklarują, że dla gleb suchych wydajność wynosi od 10 do 15, a dla glin i gleb wilgotnych od 15 do 20. To bezpieczne wartości, bo zwykle dla domów jednorodzinnych badania gruntu są nieopłacalne i lepiej zainwestować w większy wymiennik i uniknąć jego zamarzania.
Kolektor gruntowy spiralny (wymiennik poziomy)
Zasada działania pozostaje taka sama jak w przypadku wymiennika płaskiego. Zamiast płasko rozłożonych rur stosuje się spiralnie skręcone zwoje rur polietylenowych, które umieszcza się w wykopanych rowach.
Takie rozwiązanie potrzebuje mniejszej powierzchni i jest łatwiejsze w realizacji. Wykopanie wąskich i długich rowów (do 1 m szerokości i 20 m długości) jest prostsze niż pozbycie się prawie dwumetrowej warstwy gleby z obszernej działki.
Sonda gruntowa (wymiennik pionowy)
Zalety:
- wysokie wskaźniki COP; dobra wydajność;
- inwestycja nie wymaga dużej powierzchni działki;
Wady:
- duże koszty inwestycyjne; ma to związek z głębokimi odwiertami, których trzeba wykonać kilka;
- ograniczenia prawne, inwestycja wymaga zgromadzenia odpowiednich dokumentacji;
Sposób montażu kolektorów pionowych
Zasada pobierania energii z gruntu jest taka jak w przypadku kolektorów poziomych. W systemie pionowym rury ułożone w kształt litery U. Wkłada się je pionowo w głąb ziemi (od 20 do 100 m), co pozwala na instalację na mniejszej powierzchniowo działce.
Sondy gruntowe wymagają głębokich odwiertów, na które potrzeba odpowiedniej zgody (formalności dopełnia się w Urzędzie Gminy/Urzędzie Górniczym), jeśli przeprowadzane są na terenach górniczych lub poza nimi, gdy odwiert jest głębszy niż 30 metrów (a zwykle jest). Dodatkowo obowiązuje prawo szczegółowe dotyczące zabytków oraz terenów objętych programem Natura2000.
Cena jednego odwiertu o głębokości 100 metrów może wynosić od 6 do 8 tysięcy złotych.
W zależności od warunków z jednego metra odwiertu można uzyskać od 30 do 70 W energii cieplnej. Najlepsze wyniki osiągają sondy umieszczone w warstwie wodonośnej, w której składzie jest gnejs, granit lub bazalt. Jednak wiercenie w takich skałach to jeszcze wyższe koszty inwestycyjne.
Projekt geologiczny i odwierty próbne wykonywane przed finalną instalacją wymiennika pionowego muszą w pełni przedstawiać właściwości gruntu (grubość i kolejność wart geologicznych, występowanie wód gruntowych i kierunek przepływu cieków wodnych). One również kosztują, dlatego ogólna cena inwestycyjna zwykle przekracza 60 tysięcy złotych.
Wodna pompa ciepła. Energia z wody
Woda to świetny nośnik ciepła, który jest wykorzystywany w pompach ciepła. Są dwie metody, które są ściśle związane z obecnością konkretnego źródła wody w otoczeniu: wody gruntowe i powierzchniowe.
Woda gruntowa jako źródło ciepła (pompa ciepła wodna gruntowa)
Zalety:
- wysokie wskaźniki COP; bardzo dobra wydajność;
- inwestycja nie wymaga dużej powierzchni działki;
Wady:
- duże koszty inwestycyjne;
- ograniczenia prawne, inwestycja wymaga zgromadzenia odpowiednich dokumentacji;
- inwestycja wymaga odpowiedniego umiejscowienia względem terenu, domu i poszczególnych elementów konstrukcyjnych;
Sposób montażu wodnej pompy ciepła z wykorzystaniem wody gruntowej
Woda gruntowa utrzymuje w ciągu roku temperaturę od 7°C do 12°C . Optymalnym rozwiązaniem jest pompowanie wody z głębokości poniżej 6 metrów.
Pompa ciepła wykorzystująca wodę gruntową składa się z dwóch studni: studnia czerpalna, z której pobierana jest woda i studnia zrzutowa, do której trafia zrzut ochłodzonej wody, z której zostało odebrane ciepło.
Jakie warunki techniczne są wymagane?
- Zwykle konieczne jest, by na każdy kW mocy pompy ciepła, przypadało około 205 litrów wody do pobrania w ciągu jednej godziny. Nie zawsze jest to możliwe.
- Odległość między dwiema studniami powinna być jak największa – minimum to 15 metrów. Zapobiega to mieszaniu się wód. Woda, która trafia do studni zrzutowej, jest zdecydowanie chłodniejsza (zostało z niej odebrane ciepło) niż w studni czerpalnej. Ich wymieszanie spowodowałoby obniżenie wydajności pompy ciepła.
- Istotne jest to, że obie studnie muszą korzystać z tej samej warstwy wodonośnej, jednak studnia czerpalna powinna być położona przed studnią zrzutową (jeśli chodzi o kierunek przepływu wody w warstwie).
- Jeśli woda gruntowa położona jest głębiej niż 6 metrów, to zwykle trzeba korzystać z pomp głębinowych i głębokich wierceń, które są droższe. Dodatkowo wszelkie odwierty na głębokości przynajmniej 30 metrów, wymagają uzyskania odpowiedniej zgody.
- Ponadto przepisy wodnoprawne wymuszają uzyskanie pozwolenia na czerpanie wody w ilości przekraczającej 15 metrów sześciennych na dobę.
Woda powierzchniowa jako źródło ciepła (pompa ciepła wodna powierzchniowa)
Zalety:
- wysokie wskaźniki COP; bardzo dobra wydajność;
- dostępność do zbiornika wody zmniejsza koszty inwestycyjne;
Wady:
- sezonowe wahania temp.;
- ograniczenia prawne, inwestycja wymaga zgromadzenia odpowiednich dokumentacji;
- woda musi spełniać wymagania jakościowe;
- źródło wody powierzchniowej nie jest ogólnodostępne;
Jeśli działka ma dostęp do rzeki bądź jeziora, możliwe, że będzie można wykorzystać tę wodę powierzchniową jako źródło ciepła. Warto jednak pamiętać, że wahania temperatur w związku ze zmianami pór roku są znaczne i wpływają na wydajność ogrzewania. Najniższe temperatury wód powierzchniowych przypadają na okres, w którym zapotrzebowanie na ciepło domu jest największe.
Jednak koszty inwestycyjne są niższe w porównaniu do pomp ciepła wykorzystujących wody gruntowe. Wykorzystanie wody powierzchniowej jako źródła ciepła, jest możliwe wtedy, gdy spełnia ona wyznaczniki jakości.
To producenci pomp wodnych powinni określać jakie parametry jakościowe wody są wystarczające dla ich modeli pomp. Zanieczyszczenia wód negatywne wpływają na pracę systemu grzewczego, ponieważ powodują nawarstwianie się lodu, który może przyczyniać się do mechanicznego uszkodzenia wymiennika.
Problemem może być woda bogata w żelazo. Osad tlenku żelaza ogranicza przepływ ciepła przez wymiennik. W przypadku zanieczyszczonych wód można wykorzystać pośredni wymiennik ciepła np. wężownice lub kolektory. Wtedy zbiornik wodny musi mieć odpowiednią głębokość (zwykle powyżej 3 m).
- Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wojciech Oszczak
- Materiały Viessman Akademia https://www.viessmann.edu.pl/wp-content/uploads/2_KG_B21_SEO___Pompy_ciepla_cz1__06_12_2017.pdf”
- ABC Pomp ciepła dla projektanta, Galmet Sp. z o.o Sp. K https://galmet.com.pl/uploads/category/files/abc-projektanta-pomp-ciepla-gamlet-pl-19022020.pdf
