Pompa ciepła – jak działa i jakie daje korzyści?

Natura sama dostarcza czystych i praktycznie niewyczerpalnych źródeł energii. Korzystanie z energii odnawialnej niesie liczne korzyści zarówno dla planety, jak i mieszkańców nieruchomości. Jest ekologiczne, ekonomiczne i wygodne, przez co dobrze sprawdza się niemal w każdych warunkach. Czystą energię możesz czerpać nie tylko ze słońca, ale też z wody, powietrza lub gruntu za pomocą pompy ciepła. Wyjaśniamy, jak działa pompa ciepła i dlaczego warto ją zamontować w swoim domu.

Do czego służy pompa ciepła?

Pompa ciepła to urządzenie, które pozwala czerpać energię cieplną zgromadzoną w gruncie, powietrzu i wodzie. Umożliwia ona przepływ ciepła wbrew jego naturalnemu kierunkowi – z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze przy użyciu zewnętrznego źródła energii. Jej zadaniem nie jest więc produkcja ciepła, lecz jedynie jego przekazywanie. Pompa ciepła wykorzystywana jest przede wszystkim do ogrzewania budynków i wody. Może pracować również w systemie rewersyjnym – zimą jako urządzenie grzewcze, a latem jako element systemu klimatyzacji. Pompy ciepła są powszechnie używane w domach pasywnych i energooszczędnych – stanowią nieodłączny element instalacji pozwalających na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.

Jak działa pompa ciepła?

Działanie pompy ciepła jest zbliżone do działania zwykłej pompy – w jej przypadku zamiast wody przepompowywane jest jednak ciepło. Mechanizm działania urządzenia opiera się na przekazywaniu ciepła z dolnego źródła ciepła, o niższej temperaturze (wody, gruntu, powietrza) do górnego źródła ciepła o wyższej temperaturze (systemu ogrzewania i klimatyzacji budynku). Proces ten zachodzi z udziałem energii dostarczanej do napędu urządzenia z zewnątrz.

Pompa ciepła działa na zasadzie ciągłych przemian fizycznych zachodzących w zamkniętym obiegu parowym – parowania, odparowywania, sprężania i rozprężania czynnika roboczego. Zimny czynnik dociera do wymiennika ciepła (parownika), gdzie ulega odparowywaniu, pobierając ciepło. Następnie poddawany jest sprężaniu i trafia do drugiego wymiennika ciepła – skraplacza. Dochodzi tam do zmiany stanu skupienia z gazowego na ciekły, czemu towarzyszy oddawanie ciepła. Schłodzona ciecz kierowana jest do zaworu rozprężnego, a po oziębieniu trafia do parownika. W ten sposób cały cykl zamyka się.

Przeczytaj: Dom ekologiczny – czym się charakteryzuje (materiały, urządzenia, technologie)

Jakie są rodzaje pomp ciepła?

W zależności od wykorzystywanego źródła ciepła pompy ciepła można podzielić na:

• powietrzne pompy ciepła – nośnikiem ciepła jest w nich pobierane z zewnątrz powietrze. Wśród nich wyróżnia się pompy typu powietrze-powietrze (w których ciepło przekazywane jest do wewnątrz za pośrednictwem wentylatora) i powietrze-woda (w których ciepło przekazywane jest do zbiornika wodnego zasilającego ogrzewanie). Montaż powietrznej pompy ciepła nie wymaga wykonywania instalacji po stronie źródła dolnego. Dzięki temu można zamontować ją niemal na każdym terenie, bez ingerencji w ogród i działkę. Montaż powietrznych pomp ciepła jest też tańszy niż innych modeli. Wydajność takich urządzeń, ze względu na znaczne spadki temperatur, zimą ulega obniżeniu, przez co zwykle nie są w stanie w pełni pokryć zapotrzebowania na energię cieplną w sposób ekonomiczny. Najczęściej stosowane są one w systemie biwalentnym – w czasie silnych mrozów ich rolę przejmuje konwencjonalny system ogrzewania. Powietrzne pompy ciepła są używane również do chłodzenia pomieszczeń – bardzo dobrze działają w połączeniu z systemem wentylacji.
• gruntowe pompy ciepła – wykorzystują ciepło gruntu. Mogą mieć formę pionową (sond umieszczonych w odwiertach na głębokości ok. 100-150 m) lub poziomą (kolektorów z rurkami znajdującymi się 1-2 m pod ziemią). Tego typu instalacje na ogół wykorzystuje się w nowoczesnych budynkach – jako jedyne źródło ogrzewania. Gruntowe pompy ciepła nie są zależne od zmian temperatury, dzięki czemu działają przez cały czas równie wydajnie. Aby korzystać z kolektorów poziomych, trzeba jednak dysponować dużą działką, która nie może być obsadzona wysokimi krzewami i drzewami ani utwardzona. Wykonanie odwiertów do sond pionowych wymusza użycie specjalistycznych sprzętów. Koszty inwestycji są wysokie.
• wodne pompy ciepła – źródłem ciepła jest w nich woda z rzeki, jeziora czy studni. W pompach woda-woda ciepło przekazywane jest do wody zasilającej ogrzewanie, a w urządzeniach typu woda-powietrze do nawiewu wentylatora. Wodne pompy ciepła są bardzo efektywne i mogą być jedynym źródłem ogrzewania. Ich instalacja wymaga jednak dostępu do wód odpowiedniej jakości. Wiąże się też z wysokimi kosztami.
• hybrydowe pompy ciepła – stanowią połączenie pompy ciepła z tradycyjnymi systemami ogrzewania (np. kotłem grzewczym). Automatycznie dobierają najbardziej wydajny sposób ogrzewania na podstawie panujących warunków. Dzięki temu pozwalają zwiększyć efektywność energetyczną.

Czy warto zamontować pompę ciepła – kiedy to dobre rozwiązanie?

Pompy ciepła mogą być zastosowane niemal w każdym budynku. Wbrew dość powszechnej opinii nadają się do użytkowania nie tylko w nowoczesnych budynkach, ale również tych wybudowanych kilkanaście czy kilkadziesiąt lat temu. W starym budownictwie najczęściej wykorzystuje się pompy powietrzne, których montaż nie wymaga prac ziemnych. Pompa ciepła zintegrowana jest z istniejącymi grzejnikami i najczęściej używana jest jako dodatkowe źródło ciepła, razem z kotłem gazowym czy olejowym. W nowoczesnym budownictwie wykorzystuje się zarówno pompy gruntowe, jak i powietrzne lub wodne, które działają w połączeniu z ogrzewaniem podłogowym. Zazwyczaj są one jedynym urządzeniem grzewczym w budynku. Pompy ciepła to więc dobre rozwiązanie dla osób, które planują budowę domu energooszczędnego lub szukają dodatkowego źródła ciepła, które pozwoli ograniczyć koszty związane z ogrzewaniem.

W ostatnich latach coraz więcej mówi się o konieczności likwidacji tradycyjnych pieców i poszukiwaniu alternatywnych źródeł energii. Pompy ciepła są odpowiedzią na współczesne problemy środowiska. Urządzenia tego typu nie emitują szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery. Pozwalają zmniejszyć emisję CO2 nawet o 20% w stosunku do kotłów gazowych i zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych.

Choć pompy ciepła do działania wymagają zasilania energią elektryczną, ich użytkowanie wiąże się z korzystnym bilansem energetycznym. Przeciętne urządzenie pobiera 1 kW energii elektrycznej, a przenosi 2-5 kW energii z otoczenia, co wiąże się z zyskiem 4 kW. Pompy ciepła należą do urządzeń grzewczych o najwyższej klasie energetycznej. Używane w domach jednorodzinnych mogą pokryć nawet 50% rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę i ciepło do ogrzewania pomieszczeń.

Instalacja pompy ciepła to także sposób na oszczędzanie. Inwestycja w takie urządzenie wiąże się z dużymi oszczędnościami w dłuższej perspektywie. Urządzenie to jest nawet 50% tańsze w eksploatacji niż kocioł gazowy. Może sprawnie działać przez kilkadziesiąt lat. Nie wymaga częstych ani drogich działań serwisowych. Wybór pompy ciepła jako źródła ogrzewania już na etapie budowy domu pozwala zmniejszyć koszty związane z wykonaniem innych instalacji – komina, instalacji gazowej, kotłowni.

Wygoda i łatwość obsługi – to kolejna przyczyna, dla której warto skorzystać z pompy ciepła. Sięgając po to urządzenie, nie musisz martwić się, jak osiągnąć właściwą temperaturę w pomieszczeniu, tracić czasu na palenie w piecu czy wykorzystywać wolnej przestrzeni na gromadzenie węgla. Pompa ciepła działa w sposób niemal automatyczny – wystarczy, że ustawisz odpowiednią temperaturę, a pozostałe parametry urządzenie dobierze do Twoich potrzeb. Urządzenie zapewnia wysoki komfort termiczny zarówno zimą, jak i latem. Nie jest konieczne używanie innych źródeł energii np. latem do podgrzewania wody. W razie potrzeby pompa ciepła może jednak pracować razem z innymi systemami – np. ogrzewaniem gazowym.

Pompa ciepła i instalacja fotowoltaiczna – dlaczego warto je połączyć?

Choć pompa ciepła może w znacznym stopniu pokryć zapotrzebowanie na energię do ogrzewania wody czy pomieszczeń, nie zapewnia pełnej niezależności energetycznej. By jeszcze efektywniej korzystać z odnawialnych źródeł energii i uniezależnić się od zewnętrznych dostawców prądu, pompę ciepła możesz połączyć z instalacją fotowoltaiczną. Oba rozwiązania doskonale się uzupełniają. Instalacja fotowoltaiczna pozwala na zamianę energii słonecznej w energię elektryczną. Nagromadzoną w lecie, w miesiącach o najwyższym nasłonecznieniu, nadwyżkę energii elektrycznej możesz zmagazynować i wykorzystać w miesiącach zimowych. W ten sposób uzyskasz czystą energię do zasilania pompy ciepła w sezonie grzewczym. W sprzyjających warunkach pozwoli to Ci osiągnąć zerowy bilans energetyczny. Takie rozwiązanie przyspieszy też zwrot inwestycji i zapewni Ci niezależność od zmian cen energii na rynku. W ramach działań termomodernizacyjnych i programu „Czyste powietrze” uzyskasz dofinansowanie zarówno na pompę ciepła, jak i panele fotowoltaiczne.

Przeczytaj również: Budowa instalacji fotowoltaicznej – elementy systemu i ich zadania