Podstawy techniczne pomp ciepła

W ostatnim czasie, przeprowadziliśmy rozmowę w ramach cyklu Techniczna kawa, poświęconego OZE oraz technologiom wykorzystywanym w budownictwie mieszkaniowym. Naszym gościem był Michał Rzewuski, absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na kierunku Odnawialne źródła energii. Zawodowo pełni funkcję menedżera ds. technicznych w dziale OZE w firmie BDR THERMEA POLAND znanej bliżej jako marka De Dietrich. Z Michałem spotkaliśmy się w kilku odcinkach, w których poruszaliśmy kolejne zagadnienia z tematyki pomp ciepła. To, od czego zaczynamy, to poziom podstawowy – chcemy w ten sposób trafić do osób, które dopiero zaczynają przygodę z pompami ciepła oraz do Klientów, którzy chcą się zorientować w branży poszukując najlepszych rozwiązań dla siebie.

O czym rozmawialiśmy?

Podczas pierwszego spotkania zajęliśmy się:

• sposobem działania pomp ciepła;
• różnicami w działaniu pomiędzy dwoma rodzajami pomp ciepła;
• współczynnikiem COP i kwestią sprawności pomp ciepła w różnych temperaturach.

Zacznijmy rozmowę o pompach ciepła

Michale jak sądzisz, czy poziom wiedzy Klientów jest na wysokim poziomie, czy jest jeszcze do poprawienia?

Myślę, że w ostatnim czasie widać duży wzrost świadomości Klientów, głównie dlatego, że urządzeń typu pompy ciepła sprzedaje się coraz więcej. Wychodzi coraz więcej artykułów branżowych, a więc Klienci są coraz bardziej świadomi. Jednocześnie uważam, że przed nami jeszcze dużo drogi do całkowitego zrozumienia, czym jest pompa ciepła, w jaki sposób działa oraz w jaki sposób dobierać tego typu urządzenia. Jesteśmy na dobrej drodze, ale na pewno jeszcze dużo przed nami.

No właśnie, zakup pompy ciepła czy w ogóle całego systemu ogrzewania dla domu to wydatek kilkudziesięciu tysięcy złotych. Jako konsumenci potrafimy się edukować, np. w dziedzinie motoryzacji, żeby wybrać dla siebie dobry samochód i tak samo tutaj nie zawsze chcemy pozostawiać ostateczną decyzję firmie instalacyjnej. Chcemy być pewni, że to, co wybieramy, jest dobrym urządzeniem. Być może z tego to wynika?

Do tego aspektu również dojdziemy - wrócimy do niego w trzecim odcinku. Zaś dzisiejsze spotkanie podzieliliśmy na trzy tematy. Porozmawiamy o tym, jak to możliwe, że pompy ciepła działają. Następnie przyjrzymy się temu jak wygląda podział pomp ciepła na rodzaje, a na koniec omówimy efektywność tych urządzeń.

Czym są i jak działają pompy ciepła?

Zacznijmy od pierwszego punktu: jak to jest możliwe, że pompa ciepła działa, czyli pobiera np. mroźne powietrze i zamienia je w ciepło, które jest w stanie ogrzewać nasz dom. Czy w takim razie to jest perpetuum mobile?

Zawsze na samym początku porównuję pompę ciepła do kotła gazowego. Myślę, że to najprostszy sposób, żeby przedstawić różnice pomiędzy tymi dwoma źródłami ciepła.

W kotle gazowym, w wyniku spalania gazu, powstaje płomień ogrzewający wymiennik, w którym płynie woda grzewcza krążąca w całej instalacji. Płomień ma za zadanie podnosić temperaturę wody, która jest następnie transportowana do grzejników lub ogrzewania podłogowego.

Oczywiście to się nie dzieje samoistnie. Do tego potrzebna jest energia elektryczna, która w przypadku pompy ciepła jest naszym „paliwem”. Energia elektryczna powoduje, że cały proces transportu energii cieplnej może przebiegać w taki sposób, w jaki chcemy – czyli bardzo sprawnie.

Czyli określając bardziej precyzyjnie: energia elektryczna nie jest nam potrzebna do samego grzania, tylko do napędzania wszystkich układów znajdujących się w pompie ciepła, tak?

Dokładnie. Pompa ciepła jest układem termodynamicznym. To, drodzy słuchacze (czytelnicy) nie jest nic nadzwyczajnego. Taki układ termodynamiczny ma w domu każdy z nas – tak działa lodówka oraz klimatyzacja typu split czy ta w samochodzie. To wszystko ma takie same podzespoły jak pompa ciepła. Technologia nie jest nowa, jest z nami już dziesiątki lat. Po prostu w ostatnim czasie znalazła zastosowanie w ogrzewaniu i w ten sposób powstały urządzenia takie jak pompy ciepła.

Pompa w żaden sposób nie pobiera energii elektrycznej z sieci do ogrzewania. Energia jest potrzebna jedynie do napędzania układu termodynamicznego – a konkretnie sprężarki, która jest jednym z podzespołów tego układu.

Określmy teraz bliżej, czym jest dolne i górne źródło ciepła. To są fachowe określenia i w naszej branży je rozumiemy. Ktoś, kto dopiero zaczyna lub jest Klientem, może w tym obszarze czuć się trochę niepewnie. Co dokładnie oznaczają te pojęcia?

Dolne źródło ciepła to obszar, z którego pompa ciepła pierwotnie pobiera energię (tzw. odzyskaną). Jest to najczęściej grunt (w przypadku pomp gruntowych) lub powietrze zewnętrzne (w przypadku pomp powietrznych). Górnym źródłem ciepła jest natomiast miejsce, gdzie ta energia finalnie trafia: grzejniki, instalacja podłogowa, zbiornik na ciepłą wodę użytkową. W instalacji mamy więc dwa źródła – górne i dolne, a pomiędzy nimi znajduje się właśnie układ termodynamiczny, który wymusza przepływ ciepła

Czyli tam dzieje się „magia”, o której będziemy rozmawiać. Albo może nie tyle magia, co fizyka, której tak naprawdę nie da się oszukać.

Tak, to jest termodynamika, ale myślę, że takie „smaczki” zostawimy na kolejne części.

Rodzaje pomp ciepła dostępnych na rynku

Dobrze. Skoro rozumiemy już, czym jest dolne źródło, z którego pobieramy ciepło i górne źródło, warto przejść do rodzajów pomp ciepła i podstawowych różnic pomiędzy nimi. Podzielmy zatem te urządzenia według budowy i źródła pozyskiwania energii pierwotnej.

Są trzy podstawowe rodzaje pomp ciepła:

• To gruntowa pompa ciepła typu solanka-woda, która wykorzystuje energię pochłanianą z gruntu – z odwiertów lub kolektora płaskiego;
• Kolejnym rodzajem jest również pompa gruntowa, ale wykorzystująca wody gruntowe lub powierzchniowe (tzw. pompa woda-woda);
• Ostatnim, najbardziej popularnym obecnie rodzajem, jest pompa powietrze-woda, w której dolnym źródłem jest powietrze zewnętrzne i to z niego jest czerpana energia odzyskana.

Dlaczego używasz tych określeń „powietrze-woda”, „ziemia-woda” albo „woda-woda”? Co znaczy ta „woda” w drugiej części sformułowania?

Woda oznacza, że urządzenie jest przystosowane do instalacji hydraulicznej. Są jeszcze pompy typu „powietrze-powietrze” – są to urządzenia stricte nadmuchowe, działające jak klimatyzacja. W urządzeniach z członem „woda” w nazwie ogrzewa się wodę w instalacji grzewczej.

Czyli jeśli spotykamy się z opisem „powietrze-woda”, oznacza to, że pobieramy energię z powietrza i oddajemy ją do wody płynącej w grzejnikach czy ogrzewaniu podłogowym.

Dokładnie. Jeśli natomiast w nazwie drugi człon to „powietrze”, to jest to instalacja nadmuchowa odpowiednia albo do małych pomieszczeń, albo do przestrzeni produkcyjnych,  w których wykorzystuje się nagrzewnice.

Skupmy się w takim razie na dwóch typach urządzeń: na pompie gruntowej i pompie powietrznej. Czym one się różnią, jeśli chodzi o budowę i sposób działania? Na co Klienci powinni zwrócić uwagę, decydując się na jeden lub drugi rodzaj pompy?

Jeśli chodzi o pompy gruntowe, to jest to tak naprawdę jedno urządzenie. które znajduje się w kotłowni lub pomieszczeniu technicznym w budynku. Pompa powietrzna jest najczęściej urządzeniem, które składa się z dwóch jednostek: zewnętrznej oraz wewnętrznej. Jednostka zewnętrzna stoi na zewnątrz budynku i to właśnie w niej odbywa się pobór energii z powietrza zewnętrznego, a jednostka wewnętrzna oddaje ciepło do systemu grzewczego. To jest właśnie podstawowa różnica – w pompie gruntowej mamy tylko jedną jednostkę, nie mamy nic na zewnątrz, a w pompach powietrznych mamy dwie jednostki.

Wejdę Ci w słowo. Pompa gruntowa pracuje w tych różnych warunkach pogodowych w podobny sposób, ponieważ energię czerpie głęboko z gruntu, a więc pogoda na zewnątrz nie oddziałuje tak mocno na źródło pozyskania energii.

Dokładnie – jeśli chodzi o pompy gruntowe, które działają na tzw. odwiertach, na kolektorze pionowym, to dla nich temperatura gruntu poniżej 15 metrów jest stała i wynosi w granicach 10°C, więc tak naprawdę nie interesuje nas to, co jest za oknem, czy jest zima, czy lato.

W przypadku pomp powietrznych jesteśmy zdani na to, co dzieje się na zewnątrz. Jeśli jest mroźna zima i temperatury spadają do nawet -25°C. Powietrzne pompy ciepła mają tzw. temperatury graniczne, do których są w stanie pracować. Obecnie jest to -15, -20, -25°C i poniżej tych temperatur układy termodynamiczne się wyłączają i działa wyłącznie wspomaganie elektryczne lub hydrauliczne (w zależności od konfiguracji urządzenia).

Zabrzmiało to dość surowo, jeśli chodzi o powietrzne pompy ciepła, ale to właśnie one odnotowują kolosalne przyrosty sprzedaży z roku na rok. Czyli chyba nie jest tak źle?

W żadnym wypadku. Sprzedaż tych urządzeń to jest obecnie wielki boom. Dla porównania: 2020 rok – 42 200 pomp ciepła sprzedanych przez wszystkich producentów w Polsce, 2019 rok – tylko 20 300 urządzeń. Czyli rynek pomp powietrznych rośnie praktycznie o 100% rok do roku. Przy roku 2020 trzeba jeszcze uwzględnić pandemię, więc tym bardziej ten wynik wydaje się niewyobrażalny.

Jeśli natomiast chodzi o pompy gruntowe, to tutaj odnotowujemy spadek: 6 300 urządzeń w 2019 roku, a w 2020 roku – 5 100. W tym przypadku rynek maleje. Wydaje mi się, że wynika to z kosztów inwestycyjnych, które w przypadku pomp gruntowych są dwa razy wyższe niż w przypadku pomp powietrznych. Faktycznie pompa gruntowa w okresie eksploatacyjnym będzie tańszym rozwiązaniem. Ogrzewanie pompą gruntową będzie nas kosztować mniej, z tego względu, że dolne źródło ciepła ma zawsze stałą temperaturę. Trudno natomiast liczyć na zwrot z inwestycji w dolne źródło w ciągu 5-10 lat – raczej jest to dłuższy czas.

Chciałbym jeszcze trochę podrążyć temat pompy gruntowej, a potem przejść do pompy powietrznej – bo tam się dzieje dużo ciekawych rzeczy. Zaspokój, proszę, moją ciekawość: czy ten odwiert, magazyn energii, wymiennik gruntowy jest niezniszczalny? Czy ma możliwości regeneracji? Nie ma tu żadnych zagrożeń?

Dolne źródła w pompach gruntowych można podzielić na dwa rodzaje: kolektor płaski (poziomy) lub pionowy. Kolektor pionowy to jest dokładnie to, co powiedziałeś, czyli odwiert. Takie odwierty charakteryzują się znacznie większym bezpieczeństwem i można powiedzieć, że są niezniszczalne – oczywiście, jeśli są dobrze dobrane i wykonane. Ciężko je wyeksploatować.

Mamy także kolektor płaski, który charakteryzuje się tym, że nie wykorzystujemy głębokości gruntu, ale jego powierzchnię. Jest to tańsze rozwiązanie niż wykonanie odwiertów, natomiast w okresie zimowym kolektor jest dość mocno eksploatowany, a w okresie letnim, kiedy urządzenie nie działa, może się zregenerować. Regeneracja następuje poprzez promienie słoneczne i wody opadowe. Kolektor jest zakopany na głębokości ok. 2 metrów pod poziomem gruntu, więc promienie i woda są dla niego energią. Kiedy zima i mrozy się przedłużą, a lato jest stosunkowo krótkie, jesteśmy narażeni na to, że grunt nie zdąży się zregenerować i wtedy będziemy mieć problem następnej zimy.

Powietrzne pompy ciepła

Przejdźmy do pomp powietrznych. Co takiego stało się w ciągu ostatnich lat, że mamy taki wzrost sprzedaży i że te urządzenia wydają się bezpieczniejsze niż kiedyś?

Wydaje mi się, że można tu wymienić trzy aspekty, które na to wpłynęły. Po pierwsze – sama technologia. Na chwilę obecną technologia pozwala na pracę tych urządzeń do dość niskich temperatur. 10 lat temu, kiedy pomp ciepła sprzedawało się rocznie 1000-1500 sztuk, urządzenia pracowały do -2, -5°C, niektóre tylko do 0°C. Poniżej tych temperatur pompy ciepła przestawały pracować, działało tylko wsparcie elektryczne typu grzałka lub moduł hydrauliczny. Panowało ogólne przekonanie, że poniżej tych temperatur ogrzewanie pompą ciepła zaczyna być bardzo kosztowne i warto się wtedy zastanowić nad innym źródłem ciepła czy nad pompą gruntową.

Z biegiem czasu, wraz ze wzrostem konkurencyjności i rozwojem technologii temperatury graniczne stały się znacznie niższe. Myślę, że to jest jednym z aspektów powodujących wzrost zainteresowania powietrznymi pompami ciepła. Druga rzecz to budownictwo.10 czy 15 lat temu parterowy budynek o powierzchni 150m2 miał zapotrzebowanie na ciepło rzędu 8-11 kW. Dziś, taki sam budynek, o tym samym metrażu, tylko z nowoczesną termomodernizacją, potrzebuje tych kilowatów 5-7 – i tu pompa ciepła w zupełności wystarczy. Kolejnym aspektem są dotacje, np. „Czyste Powietrze” czy dotacje gminne na wymianę mało sprawnych kotłów na paliwa stałe. Myślę, że to też napędza zainteresowanie pompami ciepła.

Powiedziałeś kilka razy o temperaturach granicznych, do których pompy ciepła działają. To dobry moment, żeby zapytać o zimę, którą mieliśmy w tym roku (rozmowa odbyła się w 2022 roku). Ona była trochę mroźniejsza niż pozostałe. Jak sobie radziły urządzenia w tym roku? Odnotowaliście więcej zgłoszeń od Klientów i wzmożoną konieczność interwencji?

Ta zima faktycznie była uznawana za test dla układów termodynamicznych w powietrznych pompach ciepła, z tego względu, że temperatury poniżej 10°C utrzymywały się przez dłuższy czas. Poprzednie lata były dla nas w miarę łaskawe, temperatury sięgały -5, -7°C, więc żartowaliśmy w naszym środowisku, że te urządzenia nie zostały jeszcze dobrze przetestowane. Przyznam z ręką na sercu, że gdzieś z tyłu głowy było, że może w czasie mrozów telefony będą dzwonić, ale ostatecznie wszystko poszło dobrze, więc jesteśmy zadowoleni.

Tu pojawia się kwestia doboru pomp ciepła, o której wspomniałeś na początku. O tym, jakie są konsekwencje źle dobranej pompy: za małej lub za dużej, będziemy rozmawiać w kolejnych odcinkach. A teraz wyjaśnij co się dzieje, gdy temperatura spada poniżej granicznej wartości? Załóżmy, że pompa może pracować do -20°C, a mamy -25°C. Co wtedy?

Mówiąc o pompach powietrznych, powinniśmy powiedzieć o punkcie biwalentnym urządzenia, czyli punktu, poniżej którego urządzenie potrzebuje dodatkowego wsparcia – grzałki czy modułu hydraulicznego, do którego jest wpięty kocioł gazowy lub olejowy.

Poniżej tego punktu (dobieramy jego wartość /na temperaturę zewnętrzną/ około -10-11°C) pompa pracuje równolegle ze wsparciem. Poniżej temperatur granicznych jesteśmy skazani wyłącznie na wsparcie elektryczne czy hydrauliczne. Układ termodynamiczny mówi wtedy „stop” – nie pracuje i nie oddaje ciepła do systemu grzewczego.

Czy w momencie, gdy musimy wspomagać pompę ciepła w najtrudniejszym czasie, np. przez 10 dni czy 2 tygodnie, wspomagając ją lub (w nocy) całkowicie przełączając się na grzałkę, nie stracimy wszystkich oszczędności, które wypracowaliśmy w pozostałej części sezonu grzewczego?

To na pewno jest problem w przypadku ciężkich zim, podczas których temperatury potrafią nas zaskakiwać. Nie ma na to jednoznacznej odpowiedzi. Jest to kwestia rodzaju urządzenia i tego, jak długo niskie temperatury będą się utrzymywać. Jeśli faktycznie będziemy mieć przez miesiąc temperatury rzędu -25°C („bestia ze Wschodu” rzeczywiście nas nawiedzi), to te oszczędności, które wypracowaliśmy przez poprzedni rok, oddamy – i to z nawiązką.

Możemy to wyjaśnić w następujący sposób: COP (z angielskiego: coefficient of performance) to współczynnik sprawności urządzenia. Określa, jak sprawnie ono pracuje i oddaje ciepło do systemu grzewczego. Każdy producent pomp ciepła deklaruje taki COP w danych warunkach pracy. Ogólnie jest to: stosunek ilości energii wyprodukowanej przez urządzenie (oddanej do naszego systemu grzewczego), do ilości energii elektrycznej, którą pompa pobrała na potrzeby własnej pracy.

Oczywiście zależy nam na tym, żeby COP był jak największy. Trzeba jednak pamiętać, że jest to COP w danym momencie pracy – sekundzie czy minucie. Bardziej miarodajnym dla Klienta współczynnikiem jest SCOP. Charakteryzuje się on tym, że na jego podstawie możemy obliczyć szacunkowy koszt ogrzewania pompą ciepła w okresie rocznym. SCOP to stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii, które urządzenie pobrało – w ujęciu rocznym.

SCOP jest bardziej miarodajne dla Klienta, natomiast COP służy do porównania układów termodynamicznych w pompach ciepła poszczególnych producentów. Pamiętajmy, że każdy producent ma obowiązek podania sprawności swojego urządzenia w warunkach pracy A7W35. A7 to temperatura powietrza zewnętrznego, W35 to temperatura wody wypływającej z urządzenia, czyli tej, która będzie krążyć w systemie grzewczym.

Mnie, jako użytkownika, interesowałoby też, jak pompa ciepła będzie się zachowywała w temperaturze -7°C czy -2°C, czyli w innych punktach pomiaru. Bo może pomiar przy +7°C nie jest do końca efektywny?

Zgadzam się. Jak słusznie zauważyłeś, sprawność będzie malała wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej, dlatego Klienta końcowego powinno interesować przede wszystkim to, co się dzieje w temperaturach poniżej zera. Do tego służą karty katalogowe poszczególnych producentów (niestety nie wszyscy podają sprawność i wydajność poniżej 0°C). My, w De Dietrich, podajemy sprawność w trzech wariantach: A7W35, A2W35 oraz A-7W35. Dzięki temu można sprawdzić, co dzieje się z urządzeniem w niższych temperaturach.

Czyli jeżeli wyprodukujemy 10 kW energii cieplnej i zużyjemy do tego 5 kW energii elektrycznej, to jaki będzie COP?

COP jest równe 2. To znaczy, że na 1 kW energii elektrycznej, którą pompa ciepła pobrała z sieci, odda do instalacji 2 kW energii cieplnej. Dla porównania grzałka elektryczna, która u niektórych Klientów jest zamontowana w zasobniku na wodę użytkową, ma COP równe 1. Czyli z 1 kW energii elektrycznej odda 1 kW energii cieplnej. Urządzenie termodynamiczne pozwala uzyskać z tego 1 kW (energii elektrycznej) oraz 2, 3, 4, 5 kW ciepła, w zależności od warunków, w jakich pompa aktualnie pracuje.

Podsumowanie

Myślę, że wyczerpaliśmy najważniejsze punkty z naszego dzisiejszego spotkania. To, co czytelnicy powinni zapamiętać, to podstawowe informacje o układzie dynamicznym, czyli: pobieramy ciepło ze środowiska, wzbogacamy tę energię i oddajemy po stronie instalacji. Druga sprawa – podstawowy podział pomp ciepła na gruntowe i powietrzne. Wiemy, czym się różnią i na co zwrócić uwagę przy doborze konkretnego urządzenia (to będziemy jeszcze pogłębiać). I trzecia rzecz – wyjaśniliśmy, na czym polega COP i jakie ma znaczenie w kontekście oceny pracy pompy ciepła.