Dlaczego pompa ciepła?
Odpowiedź jest prosta – bo to najtańsze ogrzewanie. Koszty ogrzewania i c.w.u. dla domu 200 m2 wynoszą około 1000 zł/rok, jeśli zastosowano właściwe rozwiązania (nawet dla nieoptymalnych rozwiązań rzadko kiedy osiągają 2000 zł/rok). To niewiele w porównaniu z kwotami co najmniej 3000-4000 zł/rok dla ogrzewania gazem lub olejem (a ich cena ciągle rośnie!), albo co najmniej 6000 zł/rok dla ogrzewania prądem. No tak, ale ile trzeba zainwestować, żeby tak tanio ogrzewać dom?
Pompa ciepła o mocy 7÷10 kW, wystarczającej dla domu ok. 200 m2, kosztuje ok. 15.000 zł. Za zbiornik c.w.u. zapłacimy 2.000÷6000 zł, a za dolne źródło od 3.000 do 15.000 zł, w zależności od rodzaju systemu.
Zatem całkowity koszt inwestycji w system z pompą ciepła wynosi 25.000 zł÷44.000 zł i może być 10.000÷20.000 zł wyższy niż dla systemu ogrzewania gazowego, ale też mogą to być wydatki porównywalne, jeśli w ogrzewaniu gazowym wybierzemy drogi kocioł kondensacyjny i długość przyłącza gazowego będzie znaczna. Zatem wydatki inwestycyjne na system z pompą ciepła mogą być porównywalne z wydatkami na ogrzewanie gazowe, a w najgorszym razie będą o 10.000 zł do 20.000 zł większe i zwrócą się po 5÷10 latach w wyniku oszczędności ok. 2000 zł/rok na eksploatacji.
 |
| Porównanie sumarycznych kosztów (inwestycyjnych i eksploatacyjnych) dla różnych systemów ogrzewania po 15 latach eksploatacji |
Jak to działa?
Sposób działania ogrzewania pompą ciepła różni się zasadniczo od ogrzewania kotłem. W kotle (gazowym, olejowym, elektrycznym) ciepło powstaje w wyniku przemiany energii „uwięzionej” w paliwie. Płacimy za paliwo, którego energia (chemiczna, elektryczna) zamieniana jest w kotle na ciepło. W przypadku pompy ciepła źródłem ciepła używanego do ogrzewania domu jest energia cieplna pochodząca od słońca, która akumuluje się w gruncie, wodzie lub powietrzu.
Powstaje jednak problem jak spowodować przepływ ciepła „pod górkę”, czyli ze źródła o niższej temperaturze (np. z wody gruntowej o temp. 10°C) do odbiornika energii o wyższej temperaturze (do wody w instalacji grzewczej o temperaturze np. 35°C). Wywołuje to skojarzenie z pompowaniem ciepła (z dołu do góry w sensie wzrostu temperatury).
Codziennie doświadczamy praktycznego działania takiego pompowania ciepła w naszej lodówce czy zamrażarce. Z wnętrza lodówki, a ściślej z produktów żywnościowych w niej umieszczonych, jest „wypompowywane” ciepło i oddawane do pomieszczenia na zewnątrz lodówki, czyli lodówka grzeje ciepłe pomieszczenie zabierając ciepło z jej chłodnego wnętrza. Wyobraźmy sobie teraz, że do wnętrza lodówki wpływa w ciągłym obiegu woda ze studni o temperaturze 10°C i po schłodzeniu w lodówce do 5°C wypływa z tejże lodówki, a następnie jest „zrzucana” do innej studni. Zatem cały czas woda dostarcza do wnętrza lodówki ciepło, które jest z niej zabierane i oddawane na zewnątrz lodówki – do pomieszczenia. Tak właśnie (co do fizycznej zasady) działa pompa ciepła. Żeby mogła działać, musi być zasilana prądem elektrycznym.
Zatem w tym systemie ogrzewania płacimy za prąd, który nie jest bezpośrednio źródłem ciepła, ale służy tylko do „pompowania” darmowego ciepła ze źródła naturalnego (gruntu, wody, powietrza), nazywanego źródłem dolnym do domowej instalacji grzewczej, nazywanej źródłem górnym. Najważniejszą sprawą jest przepompowanie jak najwięcej energii cieplnej Q przy jak najmniejszym zużyciu energii elektrycznej Qe, czyli osiągnięcie jak największej sprawności pompowania ciepła, określanej współczynnikiem COP (ang. Coefficient of Performance):
COP = Q/Qe
Sprawność pompowania ciepła jest tym większa im mniejsza jest różnica temperatur między odbiornikiem (źródłem górnym) i źródłem ciepła (źródłem dolnym).
Gdzie T1 i T2 są wyrażonymi w kelwinach temperaturami źródła i odbiornika ciepła, a ηp jest wewnętrzną sprawnością agregatu pompy ciepła i wynosi ok. 0,5.
Jedynka w tym wzorze odpowiada energii cieplnej pochodzącej wprost ze strat energii elektrycznej pobieranej przez pompę ciepła (związanej z mocą agregatu sprężarkowego). Z analizy wzoru na COP wynika, że największe korzyści ze stosowania pompy ciepła uzyskujemy przy niskotemperaturowym ogrzewaniu podłogowym (ok. 28-30°C) i zastosowaniu wody gruntowej jako dolnego źródła ciepła (ok. 10°C). W tej konfiguracji mianownik (T2 – T1) przyjmuje najmniejsze wartości (ok. 20 K), czyli współczynnik COP osiąga wartości największe, rzędu 8.
Zdecydowanie należy odradzić stosowanie ogrzewania pompą ciepła wraz z kaloryferami lub z systemem mieszanym kaloryferowo-podłogowym. Minimalna temperatura źródła górnego (c.o. z kaloryferami) wynosi wówczas 50°C i współczynnik COP spada do wartości ok. 4. Jeśli ponadto dolnym źródłem będzie nie woda gruntowa (ok. 10°C) lecz solanka w kolektorze gruntowym (ok. 0°C), to współczynnik COP spada do jeszcze niższych wartości 2,5÷3. Przepada w ten sposób podstawowy walor pompy ciepła, jakim są niskie koszty ogrzewania, a ponadto kaloryfery o niskiej temperaturze pracy (50°C) muszą być dość znacznych rozmiarów. Zatem ogrzewanie domu pompą ciepła daje największe korzyści ekonomiczne, gdy zdecydujemy się na zastosowanie w całym domu niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego.
Schemat działania pompy ciepła
Działanie pompy ciepła polega na cyklicznej zmianie stanu fizycznego czynnika (najczęściej jest to freon) krążącego w obiegu termodynamicznym – sprężanie, skraplanie, rozprężanie, parowanie. Sprężarka zasilana prądem elektrycznym spręża parę freonu, w wyniku tego wzrasta temperatura tej pary. W skraplaczu para ulega skropleniu oddając swoje ciepło wodzie krążącej w instalacji ogrzewania. Następnie ciekły i sprężony freon przepływa przez zawór rozprężny i w procesie rozprężania następuje jego gwałtowne ochłodzenie. Zimny freon, przepływając pod niskim ciśnieniem przez parownik ogrzewa się pobierając ciepło od czynnika roboczego (wody lub solanki) dolnego źródła. W wyniku ogrzania freon odparowuje, para jest zasysana przez sprężarkę i cały cykl się powtarza. |
Jaki system?
Najogólniej mamy do wyboru jeden z trzech systemów:
- woda-woda
- solanka (glikol)-woda
- powietrze-woda
Te nazwy określają, że ciepło pobierane z określonego źródła (woda gruntowa, solanka krążąca w gruncie, powietrze) jest przekazywane wodzie krążącej w instalacji ogrzewania domu.
Ostatnie rozwiązanie (powietrze-woda) nie ma sensu w naszym klimacie, gdyż nie opłaca się w zimie pobierać ciepło z powietrza o temperaturze -10°C, czy nawet -20°C. Niekiedy stosuje się system powietrze-woda, instalując osobną pompę ciepła (drugą) do wytwarzania c.w.u., przy czym dolnym źródłem ciepła dla tej pompy jest ogrzane powietrze wewnątrz domu. W pozostałych dwóch systemach (woda-woda i solanka-woda) źródłem ciepła jest grunt (raczej rzadko mamy możliwość pobierania ciepła z rzeki lub jeziora). Nośnikiem ciepła pobieranego z gruntu może być woda gruntowa lub niezamarzająca ciecz (solanka lub roztwór glikolu), krążąca w układzie zamkniętym rur zakopanych w gruncie. Istnieje kilka wariantów ułożenia tych rur, czyli kilka rodzajów źródła dolnego:
Ostatnie rozwiązanie (powietrze-woda) nie ma sensu w naszym klimacie, gdyż nie opłaca się w zimie pobierać ciepło z powietrza o temperaturze -10°C, czy nawet -20°C. Niekiedy stosuje się system powietrze-woda, instalując osobną pompę ciepła (drugą) do wytwarzania c.w.u., przy czym dolnym źródłem ciepła dla tej pompy jest ogrzane powietrze wewnątrz domu. W pozostałych dwóch systemach (woda-woda i solanka-woda) źródłem ciepła jest grunt (raczej rzadko mamy możliwość pobierania ciepła z rzeki lub jeziora). Nośnikiem ciepła pobieranego z gruntu może być woda gruntowa lub niezamarzająca ciecz (solanka lub roztwór glikolu), krążąca w układzie zamkniętym rur zakopanych w gruncie. Istnieje kilka wariantów ułożenia tych rur, czyli kilka rodzajów źródła dolnego:
- dwie studnie (system woda-woda)
- kolektor płaski
- kolektor spiralny
- kolektor pionowy
Dwie studnie. To najprostsze rozwiązanie. Grunt, a więc również woda gruntowa, na głębokości większej niż 6 m ma w zasadzie stałą temperaturę, która wynosi w Polsce ok. 10°C, niezależnie czy jest zima czy lato (można się liczyć ze zmianami w przedziale 7-12°C). Najtańszym inwestycyjnie sposobem pobierania ciepła z gruntu jest pompowanie wody z głębokości poniżej 6 m. Budujemy 2 studnie – jedną do poboru wody, drugą do odprowadzenia (zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z pompy ciepła. W typowych warunkach hydrogeologicznych, gdy woda jest czerpana z warstwy wodonośnej na głębokości 6 ÷ 30 m, koszt budowy takich dwóch studni wynosi ok. 2000 zł. (Uwaga – na studnie o głębokości większej niż 30 m wymagane jest pozwolenie wodnoprawne). Odległość między studnią czerpalną i studnią zrzutową powinna być co najmniej 15 m) Wydajność pompowania wody gruntowej powinna wynosić 1,5÷2 m3/h, do czego wystarcza pompa o mocy 200 W. Nie zawsze warunki gruntowo-wodne są korzystne dla tego rozwiązania. Podstawowym przeciwwskazaniem może być głęboki poziom lustra wody gruntowej, co zmusza do stosowania droższych rozwiązań – pomp głębinowych i głębokich wierceń.
Innym kłopotem systemu woda – woda może być jakość wody – duża zawartość żelaza i manganu jak również bardzo wysoka twardość.
Kolektor płaski. Wykonuje się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości 1,5 – 2 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie za głęboko. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5 ÷ 0,8 m z jednego m2 gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10 do 40 W, w zależności od rodzaju gleby. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty, suchy. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m2, kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 1000 m2 dla domu o powierzchni netto ok. 250 m2, jeśli grunt jest piaszczysty i suchy).
Kolektor spiralny. Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to można na mniejszej powierzchni zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm.
Jednak jest to twierdzenie błędne – w istocie, kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła jest grunt, a nie rura, więc niezależnie od sposobu ułożenia rury (rzędami, czy spiralnie) dla pobrania określonej ilości ciepła z gruntu wymagana jest określona powierzchnia „pracującego” gruntu.
Kolektor pionowy. Najskuteczniejszym rozwiązaniem kolektora w przypadku ograniczonej ilości miejsca są sondy pionowe. Do odwiertów o głębokości 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U. Z 1 m odwiertu można uzyskać 30-100 W mocy cieplnej. Na przykład dla domu o powierzchni 200 m2 potrzebną moc cieplną (200 m2 x 50 W/m2 = 10 kW) otrzymamy dla łącznej długości odwiertów ok. 200 m, czyli może to być 5 odwiertów o głębokości 40 m każdy. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.
Jak rozwiązać c.w.u. ?
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest zbiornik o pojemności 200-400 l z wężownicą i dodatkową grzałką elektryczną. Woda w tym zbiorniku jest podgrzewana pompą ciepła do temperatury 40-45°C. Pompa ciepła przełącza się od czasu do czasu z instalacji c.o. na c.w.u. (priorytet ma c.w.u.). Energia zużywana na potrzeby c.w.u. jest 5-10 razy mniejsza niż dla ogrzewania. Przyjmuje się, że na jednego mieszkańca domu wystarcza moc pompy ciepła 0,25 kW. Zatem rodzina 4-osobowa potrzebuje 1 kW, co stanowi ok. 10% całkowitej mocy pompy ciepła (7-10 kW) stosowanej w domu ok. 200 m2. Dodatkowa grzałka elektryczna przydaje się w okresach dużego zużycia c.w.u., a ponadto pozwala od czasu do czasu podgrzać wodę w zbiorniku do temperatury ponad 60°C, aby zniszczyć bakterie legionella (mogą wywoływać groźne choroby, nawet zapalenie płuc), „chętnie” lęgnące się w zbiorniku w miejscach o małym ruchu wody.
Jaka konstrukcja domu?
Bardzo istotne znaczenie dla kosztów ogrzewania domu pompą ciepła mają właściwości termiczne domu i wylewki ogrzewania podłogowego. Dla dowolnego systemu ogrzewania koszty grzania w oczywisty sposób zależą od termoizolacyjności budynku. W przypadku ogrzewania pompą ciepła chodzi jeszcze o coś więcej – o dużą bezwładność (pojemność) cieplną budynku, co pozwala na korzystanie głównie z tańszej, nocnej taryfy energii elektrycznej.
Szczególne znaczenie ma duża pojemność termiczna wylewki grzejnej. Wylewka o dużej pojemności wykonana z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym (beton) dobrze odbiera i magazynuje ciepło przekazywane przez niskotemperaturowy czynnik grzewczy. Zapobiega to fluktuacjom temperatury w czasie kolejnych cykli włączeń i wyłączeń pompy ciepła.
Cztery przykładowe kosztorysy systemów ogrzewania pompą ciepła. Porównanie dotyczy systemów o mocy grzejnej 7-10 kW, wystarczającej dla domu 150-200 m2 o dobrej termoizolacji.
Innym kłopotem systemu woda – woda może być jakość wody – duża zawartość żelaza i manganu jak również bardzo wysoka twardość.
Kolektor płaski. Wykonuje się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości 1,5 – 2 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie za głęboko. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5 ÷ 0,8 m z jednego m2 gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10 do 40 W, w zależności od rodzaju gleby. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty, suchy. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m2, kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 1000 m2 dla domu o powierzchni netto ok. 250 m2, jeśli grunt jest piaszczysty i suchy).
Kolektor spiralny. Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to można na mniejszej powierzchni zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm.
Jednak jest to twierdzenie błędne – w istocie, kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła jest grunt, a nie rura, więc niezależnie od sposobu ułożenia rury (rzędami, czy spiralnie) dla pobrania określonej ilości ciepła z gruntu wymagana jest określona powierzchnia „pracującego” gruntu.
Kolektor pionowy. Najskuteczniejszym rozwiązaniem kolektora w przypadku ograniczonej ilości miejsca są sondy pionowe. Do odwiertów o głębokości 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U. Z 1 m odwiertu można uzyskać 30-100 W mocy cieplnej. Na przykład dla domu o powierzchni 200 m2 potrzebną moc cieplną (200 m2 x 50 W/m2 = 10 kW) otrzymamy dla łącznej długości odwiertów ok. 200 m, czyli może to być 5 odwiertów o głębokości 40 m każdy. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.
Jak rozwiązać c.w.u. ?
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest zbiornik o pojemności 200-400 l z wężownicą i dodatkową grzałką elektryczną. Woda w tym zbiorniku jest podgrzewana pompą ciepła do temperatury 40-45°C. Pompa ciepła przełącza się od czasu do czasu z instalacji c.o. na c.w.u. (priorytet ma c.w.u.). Energia zużywana na potrzeby c.w.u. jest 5-10 razy mniejsza niż dla ogrzewania. Przyjmuje się, że na jednego mieszkańca domu wystarcza moc pompy ciepła 0,25 kW. Zatem rodzina 4-osobowa potrzebuje 1 kW, co stanowi ok. 10% całkowitej mocy pompy ciepła (7-10 kW) stosowanej w domu ok. 200 m2. Dodatkowa grzałka elektryczna przydaje się w okresach dużego zużycia c.w.u., a ponadto pozwala od czasu do czasu podgrzać wodę w zbiorniku do temperatury ponad 60°C, aby zniszczyć bakterie legionella (mogą wywoływać groźne choroby, nawet zapalenie płuc), „chętnie” lęgnące się w zbiorniku w miejscach o małym ruchu wody.
Jaka konstrukcja domu?
Bardzo istotne znaczenie dla kosztów ogrzewania domu pompą ciepła mają właściwości termiczne domu i wylewki ogrzewania podłogowego. Dla dowolnego systemu ogrzewania koszty grzania w oczywisty sposób zależą od termoizolacyjności budynku. W przypadku ogrzewania pompą ciepła chodzi jeszcze o coś więcej – o dużą bezwładność (pojemność) cieplną budynku, co pozwala na korzystanie głównie z tańszej, nocnej taryfy energii elektrycznej.
Szczególne znaczenie ma duża pojemność termiczna wylewki grzejnej. Wylewka o dużej pojemności wykonana z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym (beton) dobrze odbiera i magazynuje ciepło przekazywane przez niskotemperaturowy czynnik grzewczy. Zapobiega to fluktuacjom temperatury w czasie kolejnych cykli włączeń i wyłączeń pompy ciepła.
Cztery przykładowe kosztorysy systemów ogrzewania pompą ciepła. Porównanie dotyczy systemów o mocy grzejnej 7-10 kW, wystarczającej dla domu 150-200 m2 o dobrej termoizolacji.
| składniki | 1 | 2 | 3 | 4 |
| pompa ciepła | system woda-woda dwie studnie W8 o mocy grzewczej 7,4 kW - | system glikol-woda kolektor poziomy G8 o mocy grzewczej 7,9 kW - | system glikol-woda kolektor pionowy G8 o mocy grzewczej 7,9 kW - | system woda-woda dwie studnie ECO 9w o mocy grzewczej 8,82 kW - |
| dolne źródło | 2 studnie–4500 zł pompa wodna - | kolektor poziomy z instalacją - | kolektor pionowy - | dwie studnie, pompa wodna + montaż - |
| zbiornik c.w.u. | zasobnik c.w.u. 400 l z wężownicą - | zasobnik 400 l z wężownicą - | zasobnik 400 l z wężownicą - | zbiornik z "mamką" - |
| inne koszty: armatura, pompy obiegowe, montaż | ||||
| koszt całkowity inwestycji |
Ceny netto bez VAT 7%
Więcej w numerze Budujemy Dom 7-8/06
3 komentarze:
Ja korzystam właśnie z takiego ogrzewania w moim domku na działce. Wodę do domku czerpię przez studnię wierconą z użyciem pompy głębinowej - https://www.dostudni.pl/pompy-glebinowe,c1.html. Zgadzam się z autorem, taki rodzaj ogrzewania jest po prostu bardzo tani, a także wydajny.
Może i faktycznie jest to najtańsze ogrzewanie, ale przede wszystkim taka instalacja musi być wykonana wzorowo. Właśnie dlatego wiem, że również sprawny hydraulik na pewno nam się przyda. Ja praktycznie od zawsze korzystam z usług hydraulika https://hydraulik-poznan.pl/ i jestem zdania, że jak najbardziej był to bardzo dobry wybór.
Hydraulik to zawód, który wymaga nie tylko wiedzy technicznej, ale także umiejętności szybkiego reagowania na nieprzewidziane sytuacje. Właśnie takie umiejętności posiada nasz zespół, którego prace możecie zobaczyć na stronie https://hydraulik.gdansk.pl/. Oferta obejmuje zarówno drobne naprawy, jak i kompleksowe usługi związane z instalacją hydrauliczną.
Prześlij komentarz