Powietrzne pompy ciepła - zasada działania, wydajność, koszty

Niezależność, oszczędność energii, bezpieczeństwo użytkowania oraz poszanowanie środowiska naturalnego to niewątpliwe zalety stosowania powietrznych pomp ciepła.

Gwałtowne zmiany cen nośników energii, niestabilność cen paliw kopalnych wraz z sygnałami z każdego zakątka naszej planety o dewastacji środowiska naturalnego czy też niepokojące prognozy emisji zanieczyszczeń dają wyraźne sygnały o konieczności zmiany sposobu pozyskiwania energii. Wielu inwestorów, budując swój dom, stoi więc przed dylematem wyboru formy jego ogrzewania, źródła energii i wewnętrznej instalacji grzewczej.

Powietrze zewnętrzne jako źródło energii odnawialnej ma niewątpliwą wyższość nad innymi źródłami, np. gruntem, gdyż jest dostępne dla każdego bez ograniczeń, bez konieczności wykonywania skomplikowanych i drogich prac ziemnych – wiercenia czy zakopywania wymiennika w gruncie. Montaż powietrznych pomp ciepła jest więc szybki. Obserwacje ostatnich lat, zmiany klimatyczne na świecie oraz przebieg okresu zimowego w Polsce (średnie temperatury wahają się w zakresie od +2 do +8°C, a minimalna temperatura sporadycznie spada poniżej -15°C) ukazują bezsprzecznie, że pompy ciepła na powietrze zewnętrzne to alternatywne źródło czystej energii pozyskanej z szacunkiem dla natury.

powietrzne pompy ciepla

Pompy ciepła EcoHeat Complex oraz EcoHeat Mono firmy Tweetop

Kluczowe zalety powietrza zewnętrznego jako źródła energii:

nieograniczona ilość energii cieplnej,
nieograniczona dostępność przez cały sezon grzewczy,
pozyskiwanie ciepła z powietrza zewnętrznego jest proste i bezpłatne,
brak kosztów związanych z jakimikolwiek pracami ziemnymi,
brak obowiązku posiadania zgody urzędowej na korzystanie z zasobów naturalnych (w przeciwieństwie do prac wiertniczych),
minimalne nakłady na obsługę serwisową,
korzystanie z powietrza zewnętrznego nie wpływa niekorzystnie na otaczającą przyrodę.

Powietrzne pompy ciepła. Zasada działania

Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi energię cieplną z miejsca o niskiej temperaturze nośnika do instalacji grzewczej budynku o dużo wyższej temperaturze nośnika (c.w.u., c.o.), korzystając w tym procesie z energii elektrycznej.

Nazwa pompa ciepła pochodzi z 1852 r., kiedy to po raz pierwszy Lord Kelvin (William Thomson) opisał teoretyczną możliwość zbudowania machiny cieplnej, którą będzie można wykorzystać do ogrzewania budynków.

Zrozumienie działania tego urządzenia to poznanie dwóch własności substancji nazywanej czynnikiem chłodniczym. W nowoczesnych pompach ciepła stosujemy niegroźne dla ludzi i środowiska syntetyczne czynniki chłodnicze, których temperatura wrzenia przy ciśnieniu otoczenia jest ujemna. Oznacza to, że wszystko o temperaturze powyżej -50°C będzie dla nich źródłem ciepła. Tak jak w przypadku wody, gdy każdy element, który ma wyższą temperaturę niż 100°C, będzie powodował jej wrzenie.

Drugą właściwością czynnika chłodniczego jest to, że podczas nagłego podnoszenia jego ciśnienia gwałtownie rośnie jego temperatura. W wyniku tego para czynnika wytłaczana ze sprężarki ma temperaturę dochodzącą nawet do 80-100°C. Podczas parowania pompa ciepła pobiera energię cieplną z powietrza zewnętrznego, a podczas skraplania oddaje ją do wody c.o. w instalacji grzewczej budynku.

Zobacz też:

Pompy ciepła – rodzaje i zasada działania

Pompy ciepła w modernizowanych obiektach

Produkty budowlane

Wydajność pompy ciepła

Wydajność pompy ciepła przedstawia się za pomocą współczynnika COP (Coefficient of Performance) i oznacza współczynnik wydajności. Wyraża on stosunek ilości dostarczonego ciepła do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę. Im COP jest większy, tym uzyskanie tej samej ilości ciepła wymaga mniejszego nakładu w postaci energii elektrycznej.

W uproszczeniu, współczynnik COP wynoszący 4 oznacza około 4 razy mniejsze zużycie energii dla wyprodukowania tej samej ilości ciepła niż przy ogrzewaniu grzałką elektryczną.

Co ma wpływ na koszty ogrzewania budynku?

Użytkownik pompy ciepła ma wpływ na koszty związane z jej pracą, gdyż może znacząco oddziaływać na wartość współczynnika COP, a przez to aktywnie oszczędzać. Podwyższenie wartości COP ma kluczowy wpływ na efektywność energetyczną pompy ciepła, co przekłada się bezpośrednio na koszty eksploatacyjne.

Począwszy od wymaganej temperatury zasilania instalacji grzewczej, poprzez jakość wykonania oraz sposób eksploatacji budynku, na wyborze rodzaju instalacji grzewczej skończywszy – każdy z tych czynników ma duży wpływ na wartość COP, a co za tym idzie, również na końcowe koszty ogrzewania. Jednocześnie praktyka projektowa i wykonawcza wskazuje jednoznacznie, że najskuteczniejszym sposobem obniżenia kosztów eksploatacji pompy ciepła jest zastosowanie dobrze zaprojektowanego i wykonanego ogrzewania podłogowego.

Koszty eksploatacyjne instalacji z pompą ciepła, w tym rachunek za prąd elektryczny do jej napędu, zależą w głównej mierze od:

jakości wykonania instalacji grzewczej i wody użytkowej,
dopracowania koncepcji i projektu instalacji grzewczej budynku,
wykonania budynku – jakości robót oraz zastosowanych technologii i materiałów,
sposobu eksploatacji budynku i pompy ciepła.

Zestawienie kosztów ogrzewania budynku dla różnych źródeł ciepła

Zakładamy, że przykładowy budynek mieszkalny o powierzchni 140 m² w Warszawie został wybudowany zgodnie z najnowszymi zaleceniami dotyczącymi ochrony cieplnej budynków i wykazuje własności budynku wysoko energooszczędnego, ale nie pasywnego. Jego system ogrzewania to dobrze zaprojektowane i wykonane ogrzewanie podłogowe z maksymalną temperaturą zasilania wynosząca +35°C, a temperatura utrzymywana wewnątrz budynku wynosi +20°C. Dla tych parametrów założono wskaźnik zapotrzebowania na moc cieplną na poziomie 55 W/m². Domy pasywne charakteryzują się wartością na poziomie 25 W/m², a budynki nieprawidłowo zbudowane i eksploatowane na poziomie 65 W/m².

Na podstawie powyższych założeń obliczyliśmy zapotrzebowanie budynku na energię cieplną do ogrzewania oraz podgrzewania wody użytkowej na poziomie 20 670 kWh rocznie i dla tej wartości przedstawiamy porównanie kosztów w zależności od nośnika energii na wykresie 1. Widać na nim wyraźnie, że powietrzna pompa ciepła to najtańszy sposób ogrzewania rozważanego budynku. Przy tym porównaniu należy również zaznaczyć, że ogrzewanie pompą ciepła jest zupełnie bezobsługowe, nie powoduje unoszenia się kurzu czy brudu oraz nie jest bezpośrednim źródłem emisji zanieczyszczeń środowiska.

Wykres 1. Porównanie kosztów ogrzewania budynku w zależności od nośnika energii

Powietrzne pompy ciepła. Podsumowanie

Pompy ciepła są bardzo dobrą alternatywą dla tradycyjnych źródeł ciepła, takich jak kotły węglowe, gazowe, olejowe czy też opalane biomasą. Pozyskując aż 80% energii cieplnej z powietrza zewnętrznego, przyczyniają się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, nie emitując przy tym spalin ani nie generując popiołu oraz innych zanieczyszczeń. Są przy tym łatwe w montażu i dobrze współpracują z nowoczesnymi systemami ogrzewania, w szczególności z podłogowym.