Pompy ciepła – kompletny poradnik od A do Z

W poniższym poradniku omówimy od A do Z czym są pompy ciepła, jak działają jaki występuje podział tych urządzeń, jakie są parametry techniczne i wiele innych.

Jak działają pompy ciepła?

Na samym początku warto zaznaczyć, że pompa ciepła nie produkuje w żaden sposób ciepła, lecz pozyskuje go ze środowiska (tzw. dolnego źródła). Pompy ciepła transferują więc ciepło np. z energii skumulowanej w powietrzu, a następnie wykorzystują je do ogrzania wody w grzejnikach, ogrzewaniu podłogowym czy też w zbiorniku wody użytkowej.

Warto wiedzieć, że jednym z najczęściej powtarzanych mitów na temat działania pomp ciepła jest ten, który mówi, że urządzenie nie działa przy ujemnych temperaturach źródła. Nowoczesne pompy ciepła pracują bez dodatkowej grzałki do tak skrajnych temperatur jak -25°C.

Dolnym źródłem poza wspomnianym powietrzem może być także grunt, jak również woda gruntowa – takie jednak rozwiązanie stosowane jest wyjątkowo rzadko. Więcej na temat tego, jak działają pompy ciepła, dowiesz się z artykułu o działaniu pomp ciepła.

Wspomnieliśmy już, że pompa ciepła nie produkuje energii (nie dochodzi w niej więc do samoistnego spalania), a przekazuje ją. Tym samym do procesu “przekazywania” wymagane jest zasilanie zewnętrzne pompy. Energia pobierana (elektryczna) wyrażona w kW wytwarza od 3-6 razy więcej energii cieplnej – jest to więc bardzo opłacalny „układ”.

Ile prądu zużywają pompy ciepła?

Wspomniane przed chwilą wartości określane są przez tzw. współczynnik COP, czyli stosunek energii pobranej do wytworzonej. Wielu ludzi zada zatem pytanie – ile prądu pobiera więc pompa ciepła?

Według szacunków zapotrzebowanie energetyczne pompy ciepła na każde 100m² powierzchni budynku wynosi 2000-4000 kWh rocznie. Oczywiście zależy to od wielu czynników m.in. poziomu termoizolacji budynku, więc wartość ta może być całkowicie inna.

Historia pomp ciepła

Należy wspomnieć, że paradoksalnie… historia pompy ciepła jest nierozerwalnie związana z historią chłodnictwa, gdyż obie te dziedziny opierają się na tych samych, lecz odwrotnych prawach – dlatego właśnie mówi się, że pompa ciepła jest „odwrotną lodówką”.

Ten temat po raz pierwszy został podjęty w XVII wieku, a konkretnie w roku 1748 przez szkockiego naukowca Williama Cullena – specjalisty w dziedzinach fizyki i chemii. To on pierwszy udokumentował, że istnieje możliwość gwałtownego podgrzania gazu w celu chłodzenia. W. Cullen nigdy jednak nie wprowadził swojej teorii w praktykę, a zrobił to inny naukowiec pochodzący z Ameryki – Jacob Perkins.

To on zbudował prototyp chłodziarki – system chłodzący działał na zasadzie kompresji pary i wykorzystywania eteru jako czynnika. Pomimo prawidłowego działania urządzenia, nie odniosło ono sukcesu komercyjnego. W tym samym czasie ukazała się pierwsza publikacja opisująca relację pomiędzy ciepłem i pracą wydana przez Nicolasa Léonarda Sadi Carnota.

W roku 1846 dwaj francuscy inżynierowie opracowali pierwszy system chłodzenia służący produkcji lodu, opierającego swoje działanie na sprężaniu i rozprężaniu powietrza.

Dopiero w roku 1852 pojawiają się pierwsze informacje na temat możliwości zastosowania odkrytych mechanizmów w celu wytwarzania energii cieplnej. Największy wpływ na powstanie tej technologii miał William Thomson (Lord Kelvin) – brytyjski inżynier, matematyk i fizyk. W swoich pracach opisał teorię, wedle której możliwe jest stworzenie obiegu otwartego wykorzystującego powietrze do ogrzewania górnego źródła ciepła.

W 1855 roku W. Thomson skonstruował maszynę opierającą swoje działanie na tym zjawisku i umieścił ją w warzelni soli w Austrii. Sprężanie powietrza powodowało podgrzewanie oparów solanki, z których można było „wyciągnąć” ciepło do dalszego użytku.

Pierwsza typowa pompa ciepła została wyprodukowana natomiast w latach 1855-1857 przez Petera Von Rittingera, która została wykorzystana do suszenia soli na mokradłach solnych. W 1873 Carl von Linde, niemiecki inżynier i wynalazca, jako pierwszy wykorzystał amoniak zamiast solanki jako czynnika roboczego w pompach ciepła. W 1912 roku Heinrich Zoelly opatentował pierwszą gruntową pompę ciepła. W roku 1928 powstała natomiast pierwsza pompa służąca ogrzewaniu domu – została zaprojektowana przez T. G. Haldane.

Zalety stosowania pomp ciepła

Największą zaletą pompy ciepła jest oszczędność na rachunkach prądu i mniejsza zależność od wahań na rynku paliw stałych. W 2022 roku ogrzewanie kondensacyjnymi piecami gazowymi stało się jeszcze mniej opłacalne ze względu na mocny wzrost cen gazu. Odnawialne i niepodlegające ograniczeniom źródło ciepła, jakim jest powietrze – całkowicie uniezależnia od sytuacji geopolitycznych.  

Stosowanie pomp ciepła jest również niezwykle ekologiczne. Coraz większe obciążenie środowiska jest również powodem, dla którego te urządzenia są tak hojnie dofinansowywane przez różnego rodzaju podmioty publiczne. W stosunku do kotłów gazowych, pompy ciepła pozwalają na obniżenie emisji CO₂ nawet o 20%, a wartość ta jest nieporównywalnie wyższa w stosunku do kotłów na nieekologiczne paliwa stałe, czyli tzw. kopciuchy, których eksploatacja ma zostać w najbliższym czasie zabroniona.

Technologia pomp ciepła pozwala na całkowicie bezobsługową pracę – wszystkie procesy są w pełni zautomatyzowane.

Warto również wiedzieć, że pompy ciepła wykazują niezwykle niski poziom awaryjności w stosunku do innych technologii. Ze względu na wysoką konkurencję wśród producentów tych urządzeń grzewczych, naprawę ewentualnych usterek obejmuje gwarancja – te bardziej renomowane marki posiadają również swoje przedstawicielstwo w Polsce, co pozwala na szybkie „zajęcie się” wszelkimi roszczeniami gwarancyjnymi.

Jakie są rodzaje pomp ciepła?

Tak jak praktycznie w przypadku każdej grupy urządzeń, pompy ciepła dzielą się na różne rodzaje. Główne rozróżnienie dotyczy wspomnianego na samym początku dolnego źródła ciepła – czyli „obszaru”, z którego pobierane jest ciepło do budynku.

Dolnym źródłem może być zatem:

• Powietrze – pompy czerpiące energię grzewczą z powietrza stają się coraz popularniejsze. Nowoczesne urządzenia są bowiem bardzo łatwe w montażu i zapewniają wysoką wydajność. Spośród wszystkich rodzajów pomp ciepła najlepiej sprawdzają się przy temperaturach zewnętrznych ok. +5°C.
• Grunt – w przypadku pomp pozyskujących ciepło z gruntu wymagane jest umieszczenie w nich specjalnych kolektorów – robi się to za pomocą odwiertów pionowych lub przygotowania gruntu pod umieszczenie kolektorów poziomych. Zaletą pomp ciepła gruntowych jest stabilna wydajność w ciągu całego roku (grunt już na głębokości 1 metra utrzymuje ten sam poziom temperatury).
• Wody gruntowe – w Polskich warunkach praktycznie niestosowane jako dolne źródło dla pomp ciepła. Powodem są duże koszty inwestycji przy jednocześnie nieproporcjonalnych zyskach z jej zastosowania.
• Pompy ciepła mogą się również dzielić na ze względu na konstrukcję i wyposażenie:
• Split – układy grzewcze z tym oznaczeniem składają się z dwóch jednostek – zewnętrznej i wewnętrznej. Wymiennik ciepła zamontowany jest w jednostce wewnętrznej, natomiast sprężarka, parownik i zawór rozprężny w jednostce zewnętrznej – połączone są one miedzy sobą przewodami, w których znajduje się czynnik chłodniczy.
• All in One – często spotykany rodzaj pomp ciepła. Są to wciąż pompy ciepła typu split, z tym że jednostka wewnętrzna jest zintegrowana z zbiornikiem wody użytkowej (najczęściej 180-200 litrowym). Jednostka wewnętrzna swoim wyglądem przypomina lodówkę.
• Monoblok – w przypadku pomp ciepła typu monoblok cały układ chłodniczy znajduje się w jednostce zewnętrznej, natomiast wewnątrz budynku znajduje się wyłącznie podgrzewacz wody, trójdrożny zawór do przyłączenia zbiornika wody użytkowej, pompa obiegowa i regulator. W połączeniu tych jednostek płynie więc woda. Jako, że układ chłodniczy jest fabrycznie „zamknięty” w jednej skrzynce, to podczas montażu niewymagane jest napełnienie układu czynnikiem chłodniczym – wszystkie prace montażowe przebiegają więc sprawniej i nie są potrzebne firmie uprawnienia f-gazowe.

Parametry techniczne stosowane w pompach ciepła

Pompy ciepła są urządzeniami, w których parametry techniczne odgrywają bardzo istotną rolę. To naturalne, że zależy nam przede wszystkim na oszczędnościach, a jest to nierozerwalnie związane z parametrami dotyczącymi wydajności.

Mówiliśmy na samym początku artykułu o COP (stosunek mocy pobranej z sieci elektrycznej do przekazania z dolnego źródła energii grzewczej), jednak tak przedstawiona wydajność nie uwzględnia bardzo istotnego czynnika – warunków klimatycznych. Pompa ma przecież spełniać swoją najważniejszą funkcję ogrzewania budynku w momencie, gdy tego najbardziej potrzeba, czyli przy niskich temperaturach.

Wskaźnik, który mówi o tym najlepiej jest tzw. SCOP – czyli sprawność pompy w sezonie grzewczym dla określonych warunków klimatycznych np. klimatu zimnego lub umiarkowanego (w którym znajduje się Polska). Warto w tym miejscu zaznaczyć, że powietrzne pompy ciepła sprawdzają się lepiej przy dodatnich temperaturach (+5°C-10°C), a gruntowe przy silnie ujemnych. Wiemy jednak, że średnia temperatura zimą z roku na rok wzrasta, więc powietrzna pompa ciepła może być lepszą inwestycją w przyszłość ze względu na wysokie koszty odwiertów do kolektorów.

Jakie jeszcze są ważne parametry techniczne dotyczące pomp ciepła?

Fachowiec, który pomaga w doborze odpowiedniej pompy, musi dopasować jej moc do zapotrzebowania energetycznego budynku – wpływa na nie m.in. ilość domowników, pobór mocy przez urządzenia elektryczne, poziom termoizolacji budynku. W nowoczesnym budownictwie stosuje się najczęściej pompy ciepła o mocy od 7-10kW, chyba że mówimy o powierzchniach znacznie powyżej 200 metrów – wtedy z reguły dobiera się pompę o mocy 12-16kW. Z kolei domy energooszczędne i pasywne zasilane są urządzeniami o mocy nawet 4kW.

Ze względów ekologicznych interesować może nas również rodzaj zastosowanego czynnika chłodzącego. Coraz więcej producentów odchodzi od stosowanego do niedawna czynnika R410A na rzecz czynnika R32, czy R290 – które w znacząco mniejszym stopniu przyczyniają się do powstawania efektu cieplarnianego.

Dla wielu właścicieli budynków istotna może być także emisja hałasu, która dotyczy jednostki zewnętrznej – z tego powodu nie umieszcza się jej raczej w pobliżu okien sypialni. Standard na rynku to około 50-60dB.

W jakich instalacjach grzewczych sprawdzają się pompy ciepła?

Większość pomp ciepła dostosowanych jest do wydajnego podgrzewania wody do temperatury +35°C, czyli takiej, jaka występuje w ogrzewaniu podłogowym. Klasyczne grzejniki wymagają jednak wody o temperaturze +65-70°C, dlatego tylko nieliczne modele pomp ciepła są pod nie przystosowane.

Jeżeli nie mamy możliwości założenia ogrzewania podłogowego (prace budowlane mogą być po prostu nieopłacalne), można zdecydować się na alternatywne rozwiązanie, jakim są grzejniki niskotemperaturowe.

Warto wspomnieć, że na rynku występują tzw. hybrydowe pompy ciepła. Oznacza to, że mogą one współpracować np. z kotłem kondensacyjnym na gaz.

Czy pompę ciepła można połączyć z fotowoltaiką?

Jako, że pompy ciepła zasilane są energią elektryczną to czemu również jej nie czerpać z odnawialnych źródeł – ta idea może pojawić się w głowie czytelnika podczas czytania tego poradnika. Dokładnie tak. Pompy ciepła mogą być zasilane prądem wytworzonym przez instalację solarną, dając jeszcze większe oszczędności.

W ten sposób możliwe jest pozyskiwanie energii grzewczej całkowicie bezpłatnie – oczywiście nie w każdym warunkach. Szczególnie latem, gdy instalacja ma służyć ogrzewaniu wody użytkowej, takie rozwiązanie zapewnia niewymierne korzyści. Trzeba jednak liczyć się z dodatkowym jednorazowym kosztem zastosowania takiej „integracji”, jednak w czasach wzrastających cen za energię – takie rozwiązanie jest bardzo opłacalne w perspektywie lat.

Jak wybrać odpowiednią pompę ciepła?

Wybór pompy ciepła stanowi praktycznie najważniejszy element całego procesu montażu. Na rynku znajdziemy różne modele, w różnych cenach o różnych specyfikacjach. Jeżeli chcesz zgłębić wiedzę na temat tego, co mają do zaoferowania producenci pomp ciepła – koniecznie sprawdź nasz ranking pomp ciepła oraz przygotowane przez nas recenzje różnych producentów.

Podczas wyboru odpowiedniej pompy ciepła trzeba raczej zdać się na pomoc specjalisty – musi on określić wspomniane wyżej zapotrzebowanie na energię grzewczą budynku. Fachowiec powinien przedstawić kilka możliwości, ponieważ praktycznie każdy producent dąży do zaspokojenia różnych potrzeb właścicieli nieruchomości.

Ile kosztują pompy ciepła?

Z pewnością każda osoba, która chce zainwestować swoje pieniądze, musi wiedzieć, ile dokładnie będzie wynosić ta inwestycja. Niestety nie da się udzielić jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o koszty pomp ciepła – zależy to bowiem od wielu czynników m.in.:

• Poziomu termoizolacji budynku
• Powierzchni budynku
• Ilość osób zamieszkujących gospodarstwo domowe
• Typu pompy ciepła
• Możliwości finansowych

Można uznać, że koszt zakupu i montażu pompy ciepła mieści się w szerokim przedziale od 30 000 do nawet 100 000 zł, nie wspominając w tym miejscu o zastosowaniach przemysłowych. Inwestycja wydaje się więc wysoka, jednak biorąc pod uwagę dzisiejszą sytuację geopolityczną i na rynkach paliw stałych – początkowy wkład może zwrócić się jeszcze szybciej, gdyż odnawialna energia nie podlega wahaniom ceny. 

Więcej na temat kosztów związanych z pompami ciepła dowiesz się w artykule o cenach pomp ciepła.

Dofinansowania na pompy ciepła

W kontekście ceny należy też koniecznie wspomnieć o licznych programach, które mają na celu dofinansowanie zakupu i montażu pompy ciepła lub przygotowania termomodernizacji. Tym samym nie dość, że „otrzymujemy” oszczędności na rachunkach za prąd, to nasza inwestycja staje się znacznie mniejsza (w wyjątkowych przypadkach może sięgać nawet 100%!).

Dotacje na pompy ciepła jeszcze nigdy nie były tak ogólnodostępne, jak w tym roku. Wysiłki Państw i wspólnot w kierunku uniezależnienia się od paliw stałych, skutkują dążeniem do przemiany energetycznej – w kierunku odnawialnych źródeł. Właśnie dlatego wydzielanych jest dużo funduszy i pokaźnych budżetów, które mają być przeznaczone na dynamiczną “przemianę energetyczną”.

Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej na temat dotacji zapraszamy do przeczytania artykułu o dofinansowaniach na pompy ciepła.

Podsumowanie

Pompy ciepła to niewątpliwie urządzenia, które zmieniły podejście do energetyki na całym świecie. Możemy spodziewać się, że największy dynamiczny wzrost popularności tego rozwiązania jest jeszcze przed nami. Trzeba też pamiętać o konieczności zastąpienia tzw. kopciuchów (kotłów na nieekologiczne paliwa stałe) źródłami „zielonymi” – wynika to bezpośrednio z przepisów prawa i ma nastąpić na terenie Polski w całości do 2024 roku.

Tym samym pompa ciepła jako forma ogrzewania swojego domu jest w tym momencie najrozsądniejszym rozwiązaniem!

Źródła:

Zogg M. 2008. “History of Heat Pumps – Swiss Contributions and International Milestones”