Paweł Obstawski
Jak działa pompa ciepła i od czego zależą koszty jej pracy?
Mało kto wie, że pompa ciepła to urządzenie stricte chłodnicze. Co to oznacza? A oznacza jedynie to, że projektowane jest na moc chłodniczą, a pożądana w ogrzewnictwie moc grzewcza jest tak naprawdę wynikiem dwóch temperatur: temperatury dolnego, darmowego źródła ciepła, które należy dostarczyć do jednego z dwóch wymienników ciepła, tzw. parownika, w którym czynnik zmienia swój stan skupienia z pary mokrej na parę przegrzaną, oraz temperatury górnego źródła, którym w systemach grzewczych jest instalacja centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej, zasilana z drugiego wymiennika ciepła, zwanego skraplaczem, w którym czynnik chłodniczy zmienia swój stan skupienia z gazowego na ciecz. W najbardziej popularnych obecnie konstrukcjach pomp ciepła, nazywanych potocznie powietrznymi pompami ciepła lub pompami typu monoblok, dolnym, darmowym źródłem ciepła jest powietrze atmosferyczne. Jak wiadomo, im temperatura powietrza atmosferycznego obniża się w kierunku wartości ujemnych, tym rosną straty ciepła z przestrzeni ogrzewanej budynku, w rezultacie temperatura wewnątrz budynku zaczyna się obniżać. Aby zapewnić komfort cieplny w budynku, należy wtedy dostarczyć do budynku taką ilość ciepła i o takiej temperaturze, aby pokryć straty ciepła z przestrzeni ogrzewanej budynku. Logicznym jest, że im temperatura powietrza atmosferycznego będzie maleć w kierunku temperatur ujemnych, tym straty ciepła z budynku będą rosły, a zatem im temperatura powietrza atmosferycznego będzie niższa, tym więcej ciepła o wyższej temperaturze będzie trzeba dostarczyć do budynku przez instalację centralnego ogrzewania. I tu występuje pewien paradoks związany z kosztami eksploatacji pompy ciepła. Ten paradoks wynika ze specyfiki działania układu termodynamicznego sprężarkowej pompy ciepła i polega na tym, że im różnica pomiędzy temperaturą dolnego a górnego źródła rośnie, tym również rośnie zużycie energii elektrycznej niezbędnej do napędu sprężarki, a tym samym koszty eksploatacyjne pompy ciepła.
COP pompy ciepła - co naprawdę mówi o jej efektywności?
W tym miejscu należy obalić pewien mit, który zwykłego zjadacza chleba wprowadza w błąd. Na myśli mam współczynnik, potocznie zwany COP, który traktowany jest jako współczynnik w ocenie jakościowej pompy ciepła. Współczynnik ten określa stosunek ilości mocy grzewczej odebranej ze skraplacza do ilości energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę. Zatem przykładowo, jeżeli wartość współczynnika COP wynosi 5, oznacza to, że z jednego kilowata energii elektrycznej zużytej do napędu sprężarki pompa wyprodukowała pięć kilowatów ciepła. I z całą pewnością tak jest, i można mieć oczywiście przekonanie o bardzo niskich rachunkach za energię elektryczną. Ale czy na pewno? Jak już wspomniano, zużycie energii elektrycznej niezbędnej do napędu sprężarki zależy generalnie od dwóch temperatur – dolnego i górnego źródła. Parametry eksploatacyjne sprężarkowych pomp ciepła pracujących w układzie powietrze–woda, które podawane są na tabliczce nominalnej urządzenia, zostały określone zgodnie z normą PN-EN 14511 dla punktu A7/W35, co oznacza, że zostały wyznaczone dla punktu pracy urządzenia, w którym temperatura dolnego źródła, czyli temperatura powietrza atmosferycznego, wynosiła 7 °C, natomiast temperatura górnego źródła, czyli temperatura wody zasilającej instalację centralnego ogrzewania, wynosiła 35 °C.
Co dzieje się z pompą ciepła podczas dużych mrozów?
A co będzie, jeśli temperatura powietrza atmosferycznego spadnie poniżej 7 °C? Odpowiedź jest prosta – zużycie energii elektrycznej wzrośnie. Ponadto trzeba mieć na uwadze, że im temperatura dolnego źródła maleje, to wraz z nią maleje również moc grzewcza pompy ciepła. Oczywiście, można ten paradoks w pewien sposób ograniczyć, stosując sprężarki inwerterowe. Jednak większość urządzeń dostępnych na rynku posiada fabrycznie wbudowaną grzałkę elektryczną, która jest załączana przez regulator pompy ciepła, jeżeli temperatura dolnego źródła spadnie poniżej tzw. temperatury biwalentnej, czyli takiej, poniżej której moc grzewcza pomy ciepła jest mniejsza od obciążenia cieplnego budynku. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę wartość temperatury zasilania instalacji centralnego ogrzewania w budynku. Jeżeli mamy tzw. ogrzewanie powierzchniowe, które zrealizowane jest w formie grzejników podłogowych i zaprojektowane jest na maksymalne temperatury pracy rzędu 40 °C, to sytuacja nie wygląda jeszcze źle. Ale gdy instalacja centralnego ogrzewania została zaprojektowana jako instalacja wysokotemperaturowa i wykonana w postaci grzejników ściennych, które wymagają temperatury pracy rzędu 50-60 °C, to należy się liczyć z poważnymi kosztami eksploatacji pompy ciepła, chyba że do naszej instalacji dołączymy źródło szczytowe, w postaci kotła na pellet lub kominka z płaszczem wodnym.
Kominek z płaszczem wodnym lub kocioł na pellet jako źródło szczytowe w hybrydowym ogrzewaniu z pompą ciepła
Pellet i drewno kawałkowe nadal niedoceniane ekologiczne nośniki energii. Ekologiczne, gdyż zgodnie z unijnymi standardami wartość wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla tych nośników wynosi 0,2, podczas gdy dla energii elektrycznej produkowanej z węgla, niezbędnej do zasilania sprężarki w pompie ciepła, wynosi 3. Mogą zrodzić się pewne wątpliwości co do ekologicznego charakteru urządzeń na to paliwo, bo przecież gdy spalam drewno bądź pellet, to w procesie spalania powstaje dym i popioły, a więc urządzenia te trują. Nic bardziej mylnego! Należy pamiętać, że dostępne na rynku urządzenia stałopalne muszą spełniać bardzo rygorystyczne unijne standardy pod względem emisji pyłów i zanieczyszczeń. Polscy producenci urządzeń stałopalnych już dawno osiągnęli poziom emisji spalin znacznie wyższy, niż unijne standardy, które ograniczają emisję pyłów do poziomu 40 mg/m3. Ponadto należy zwrócić uwagę, że kotły pelletowe są regularnie poddawane kontroli jakości w akredytowanych laboratoriach przez Urząd Ochrony Konkurencji i Konsumenta, co nie jest praktykowane w przypadku sprężarkowych pomp ciepła. Oczywiście, kotły na pellet ze względu na swoje gabaryty wymagają większej powierzchni wewnątrz budynku, zwanej kotłownią, niż maszynownia w przypadku pomp ciepła. Do ich minusów można zaliczyć, że nie są to urządzenia bezobsługowe, wymagają również magazynu paliwa, które musi spełniać wymogi regulowane normą PN-EN ISO 17225-2 oraz polskimi przepisami. Jednak zaletą tych urządzeń jest to, że są to urządzenia wysokotemperaturowe, a ich praca nie zależy od żadnych czynników zewnętrznych, tak jak w przypadku sprężarkowych pomp ciepła. Oznacza to, że w przypadku takich mrozów, jakie miały miejsce ostatniej zimy, kotły pelletowe, kominki z płaszczem wodnym czy miejscowe ogrzewacze pomieszczeń fantastycznie by się sprawdziły jako źródła szczytowe, chroniąc swoich użytkowników przed tzw. rachunkami grozy i zagwarantowałyby bezpieczeństwo energetyczne gospodarstw domowych.
Bufor ciepła - co łączy pompę ciepła, kominek i kocioł na pellet?
Dodatkowym atutem tych urządzeń jest to, że od strony instalacji hydraulicznej mają cechę wspólną ze sprężarkowymi pompami ciepła - zasobnik buforowy. Zarówno w instalacji centralnego ogrzewania, w której źródłem ciepła jest pompa ciepła, jak i kocioł pelletowy czy kominek z płaszczem wodnym, korzystne jest zamontowanie zasobnika buforowego. Główną przesłanką montażu zasobnika buforowego w instalacji centralnego ogrzewania jest celowe zwiększenie zładu wody w instalacji, które ma na celu wydłużenie okresu pracy i postoju tych urządzeń. Długie cykle pracy zapewniają mniejsze zużycie elementów wykonawczych oraz redukcję zużycia nośnika energii, ponieważ znaczący udział w zużyciu tego nośnika ma rozruch urządzenia. Zatem pompa ciepła, jak i kocioł zasilany pelletem czy kominek z płaszczem wodnym mają punkt wspólny w instalacji centralnego ogrzewania. Pozostaje zatem odpowiedź na podstawowe pytanie: Czy taka hybryda ma sens?
Pompa ciepła i kominek - jak działa hybrydowy system ogrzewania?
Pominiemy kalkulacje czysto ekonomiczne, bo system hybrydowy oznacza przecież zakup i instalację dwóch urządzeń, a skoncentrujemy się na aspektach technicznych. Biorąc pod uwagę wszystkie argumenty oraz wady, zalety i ograniczenia obu technologii odpowiedź – moim zdaniem – jest oczywista! Współpraca pompy ciepła i kotła pelletowego lub kominka z płaszczem wodnym w tzw. hybrydowym systemie energetycznym jest jak najbardziej uzasadniona. Problemem, który większość producentów już rozwiązała, jest regulator, którego możliwości techniczne muszą umożliwić inteligentne sterowania pracą obu urządzeń w jednym systemie grzewczym. Na rynku pojawiły się już takie hybrydy w ofertach niektórych producentów, a tryb eksploatacji pompy ciepła w takim systemie nazywa się trybem biwalentym.
Kiedy pompa ciepła przełącza się na drugie źródło ciepła?
Algorytm pracy urządzeń jest prosty i oczywisty. W przypadku kiedy temperatura powietrza atmosferycznego jest na tyle wysoka, że moc grzewcza odbierana ze skraplacza pokrywa aktualne zapotrzebowanie na ciepło w budynku – załączana jest pompa ciepła. W przypadku gdy temperatura otoczenia maleje i osiąga wartość tzw. temperatury biwalentnej, zamiast grzałki elektrycznej, będącej standardowym wyposażeniem pompy ciepła pracującej w układzie powietrze–woda i pełniącej funkcję źródła szczytowego, automatycznie załączany jest kocioł na pellet. W przypadku kominka z płaszczem wodnym sprawa jest mniej oczywista, bo uruchomienie kominka oraz jego obsługa wymagają zaangażowania ze strony użytkownika. Jednak czego się nie robi dla stworzenia atmosfery ogniska domowego?
