Pompa ciepła powietrze-woda – jak działa | Pozytywnie Zbudowani

Pompa ciepła powietrze-woda to najczęściej wybierane źródło ciepła w nowych domach jednorodzinnych w Polsce. I bardzo dobrze, bo to rozwiązanie, które na większości budów rzeczywiście się sprawdza. Problem w tym, że wokół pomp ciepła narosło tyle marketingowego pyłu, że inwestor czytający foldery producentów ma wrażenie, jakby chodziło o jakąś nową technologię na granicy fizyki kwantowej. Tymczasem mechanizm działania pompy ciepła znany jest od ponad stu lat i jest dokładnie taki sam jak w lodówce, którą macie w kuchni. Z tą jedną różnicą, że pompa ciepła grzeje, a lodówka chłodzi – ale fizycznie dzieje się w nich to samo.

W tym artykule wytłumaczę Wam, jak naprawdę działa pompa ciepła powietrze-woda. Bez marketingowego bełkotu, bez magii, za to z konkretem, który pomoże Wam podjąć świadomą decyzję i nie dać sobie wcisnąć pierwszego lepszego urządzenia od przypadkowego instalatora.

Skąd pompa ciepła bierze ciepło, którego rzekomo nie ma

Najpierw trzeba zrozumieć jedną rzecz, która początkowo wydaje się sprzeczna z intuicją. Powietrze na zewnątrz, nawet jeśli ma minus 10 stopni Celsjusza, zawiera w sobie energię cieplną. Bardzo dużo energii cieplnej. Punktem odniesienia dla fizyki nie jest bowiem zero stopni Celsjusza, tylko zero absolutne, czyli minus 273,15 stopnia Celsjusza. To dopiero jest temperatura, w której energii cieplnej w cząsteczkach gazu praktycznie nie ma.

Innymi słowy: powietrze o temperaturze minus 10 stopni Celsjusza to z punktu widzenia fizyki ponad 263 stopnie powyżej zera absolutnego. Energii w nim jest tyle, że spokojnie wystarczy do ogrzania domu. Problem polega tylko na tym, że jest ona „rozproszona" – musimy ją w jakiś sposób zebrać i przekazać do wody, która krąży w naszej instalacji ogrzewania podłogowego. I do tego właśnie służy pompa ciepła.

Obieg czynnika chłodniczego – serce każdej pompy ciepła

Wewnątrz pompy ciepła krąży specjalny czynnik chłodniczy. Najczęściej jest to R32 albo nowsza generacja czynników o niższym współczynniku GWP, czyli niższym wpływie na efekt cieplarniany w razie ulatnienia się do atmosfery. Czynnik ten ma jedną cudowną właściwość: bardzo łatwo zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy i odwrotnie, w temperaturach, które dla nas wydają się skrajnie niskie. To podstawowa cecha całego mechanizmu.

Obieg czynnika składa się z czterech elementów połączonych w zamkniętą pętlę: parownika, sprężarki, skraplacza i zaworu rozprężnego. Sprężarka to jedyny element, który zużywa prąd. Cała reszta to fizyka, która dzieje się sama z siebie.

Zaczynamy od parownika, który znajduje się w jednostce zewnętrznej, czyli w tym dużym pudełku z wentylatorem stojącym przy ścianie domu. Czynnik chłodniczy wpływa do parownika w stanie ciekłym, pod niskim ciśnieniem, w temperaturze niższej niż powietrze na zewnątrz. Nawet jeśli za oknem mamy minus 10 stopni, czynnik w parowniku może mieć minus 20 stopni. Wentylator przepycha powietrze przez wymiennik parownika i ciepło z powietrza zewnętrznego (tak, tego mroźnego powietrza) przepływa do czynnika chłodniczego. Czynnik się ogrzewa i odparowuje – zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy. Stąd nazwa „parownik".

Następnie gazowy już czynnik trafia do sprężarki. Tutaj zaczyna się robota, która wymaga energii elektrycznej. Sprężarka to nic innego jak pompa, która spręża gazowy czynnik chłodniczy. Wraz ze sprężaniem rośnie jego ciśnienie i temperatura. To podstawowe zjawisko fizyczne – sprężając gaz, podnosicie jego temperaturę. Zauważyliście kiedyś, że pompka rowerowa robi się ciepła w trakcie używania? To dokładnie ten sam mechanizm. Po sprężeniu czynnik ma już temperaturę rzędu 60–80 stopni Celsjusza, czyli wystarczającą, żeby ogrzać wodę w naszym domu.

Gorący, sprężony gaz trafia do skraplacza w jednostce wewnętrznej. Skraplacz to wymiennik ciepła, w którym po jednej stronie płynie nasz gorący czynnik chłodniczy, a po drugiej woda z instalacji centralnego ogrzewania albo z zasobnika ciepłej wody użytkowej. Czynnik oddaje ciepło wodzie, sam się przy tym schładza i zmienia stan skupienia z gazowego na ciekły – stąd nazwa „skraplacz". Schłodzony, ale nadal pod wysokim ciśnieniem czynnik trafia do zaworu rozprężnego, który gwałtownie obniża jego ciśnienie. Wraz ze spadkiem ciśnienia spada też temperatura czynnika i całość zaczyna się od nowa: ciekły, zimny czynnik trafia z powrotem do parownika.

Dlaczego to się w ogóle opłaca – współczynnik COP

Cały sens tego mechanizmu polega na tym, że energia, którą włożyliście w pracę sprężarki (czyli prąd), to tylko część energii cieplnej, którą dostajecie na wyjściu w skraplaczu. Reszta to ciepło zassane z powietrza zewnętrznego.

I tu pojawia się pojęcie, które musicie znać, jeśli wybieracie pompę ciepła: COP, czyli Coefficient of Performance. To stosunek energii cieplnej oddanej przez pompę do energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę. Jeśli pompa ma COP równe 4, to znaczy, że za każdy 1 kWh prądu otrzymujemy 4 kWh ciepła. Brzmi jak perpetuum mobile, ale nim nie jest – te dodatkowe 3 kWh to po prostu energia, którą wyciągnęliśmy z otoczenia.

Tu jednak zaczyna się sedno problemu, o którym sprzedawcy nie zawsze chcą mówić wprost. COP nie jest stałą liczbą. Im większa różnica temperatur między powietrzem zewnętrznym a wodą, którą pompa ma podgrzać, tym COP jest niższy. Kiedy producent w katalogu chwali się COP równym 5, podaje go najczęściej dla warunków A7/W35, czyli powietrze 7°C, woda 35°C. To są warunki laboratoryjne, w polskich realiach dotyczące pochmurnego dnia w marcu albo październiku, kiedy ogrzewanie ledwo pracuje. W styczniu, gdy mamy minus 7 stopni za oknem, a do podłogówki potrzebujemy wody 35–40°C, COP spadnie do 2,5–3. A gdy chcecie ogrzać wodę użytkową w zasobniku do 50°C w mroźny dzień, COP może spaść do około 2.

Dlatego w karcie technicznej zwracajcie uwagę nie tylko na COP, ale też na SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) – współczynnik sezonowy, który uwzględnia średni profil pracy w konkretnym klimacie. To zdecydowanie bardziej uczciwa miara. Dla pomp pracujących w polskich warunkach klimatycznych dobry SCOP to wartość około 4,0–4,5 dla ogrzewania niskotemperaturowego. Wszystko, co producent obiecuje powyżej, traktujcie z dużą rezerwą.

Co się dzieje, gdy temperatura spada bardzo nisko – system biwalentny

Każda pompa ciepła powietrze-woda ma swoją granicę pracy efektywnej. To zazwyczaj minus 15 do minus 20 stopni Celsjusza, ale efektywność wyraźnie spada już przy minus 7 do minus 10 stopniach. Dlatego praktycznie wszystkie nowoczesne pompy ciepła to systemy biwalentne, czyli dwuźródłowe.

Co to znaczy w praktyce? W jednostce wewnętrznej, najczęściej zintegrowanej z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej w obudowie wielkości lodówki, oprócz skraplacza i pompy obiegowej znajduje się też grzałka elektryczna o mocy zazwyczaj 6 lub 9 kW. Sterownik pompy stale monitoruje temperaturę zewnętrzną i bilans cieplny. Gdy sprężarka radzi sobie sama z dostarczeniem wymaganej mocy do podłogówki, grzałki są wyłączone. Gdy temperatura zewnętrzna spada poniżej tak zwanego punktu biwalentnego (najczęściej między minus 7 a minus 10 stopni Celsjusza), sterownik zaczyna włączać grzałki, żeby uzupełnić moc, której sprężarka już nie jest w stanie wykrzesać.

To jeden z elementów, który mocno wpływa na rachunki za prąd w czasie mrozów. W okresie najsilniejszych zim, kiedy temperatura przez dłuższy czas trzyma się poniżej minus 10 stopni, część energii cieplnej w Waszym domu pochodzi już nie z pompy ciepła pracującej z COP równym 3, tylko z grzałek elektrycznych pracujących z efektywnością bliską 1. Czyli za każdy 1 kWh prądu dostajecie 1 kWh ciepła, co finansowo nie różni się od ogrzewania domu zwykłym kotłem elektrycznym. Producent w katalogu często deklaruje pracę pompy do minus 25 stopni, ale w praktyce poniżej minus 15 stopni grzejecie w dużej mierze grzałką, a sprężarka pełni rolę uzupełniającą.

Split, monoblok, all-in-one – co to oznacza w praktyce

Pompy ciepła powietrze-woda dzielą się przede wszystkim na dwie konstrukcje fizyczne. Monoblok to rozwiązanie, w którym cały obieg czynnika chłodniczego znajduje się w jednostce zewnętrznej. Do domu wchodzą już rury z wodą instalacyjną. Split to konstrukcja, w której obieg czynnika chłodniczego rozciąga się między jednostką zewnętrzną (gdzie jest parownik i sprężarka) a jednostką wewnętrzną (gdzie jest skraplacz). Do domu wchodzą rury miedziane z czynnikiem chłodniczym, a obieg wody instalacyjnej zaczyna się dopiero w jednostce wewnętrznej.

W domach jednorodzinnych zdecydowanie częściej polecam split. Powód jest prozaiczny: w monobloku rury z wodą wychodzą na zewnątrz domu, a tam, mimo że zazwyczaj są wpięte w specjalny obwód glikolowy lub mają dodatkowe zabezpieczenia przed zamarznięciem, w razie awarii zasilania w środku zimy istnieje ryzyko zamarznięcia. W splicie po stronie zewnętrznej krąży czynnik chłodniczy, który zamarznąć w naszych warunkach nie zamarznie. Po stronie wewnętrznej krąży woda, ale jest to woda w domu, gdzie nawet bez prądu temperatura raczej nie spadnie poniżej zera w ciągu kilku godzin. To zwyczajnie bezpieczniejsza konstrukcja.

Bardzo polecam też wersję all-in-one, czyli jednostkę wewnętrzną zintegrowaną z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej o pojemności 190–200 litrów w jednej obudowie. Po pierwsze – schludniej. Po drugie – mniej rurek i połączeń, więc mniej miejsc, w których coś może przeciekać. Po trzecie – łatwiej utrzymać porządek w kotłowni, bo zamiast pajęczyny rur między oddzielną pompą a oddzielnym zasobnikiem mamy jedno zwarte urządzenie.

Dlaczego potrzebujemy zasobnika CWU większego niż przy gazie

To jeden z elementów, który zaskakuje wielu inwestorów. Skoro pompa ciepła to nowoczesna technologia, dlaczego potrzebuje zasobnika ciepłej wody użytkowej o pojemności 190–200 litrów, podczas gdy do kotła gazowego wystarczyłby zasobnik 100–140 litrów? Odpowiedź jest prosta: pompa ciepła grzeje wodę dużo wolniej niż kocioł gazowy.

Kocioł gazowy ma moc rzędu 18–24 kW i potrafi nagrzać 140 litrów wody w zasobniku w pół godziny. Pompa ciepła w pracy nominalnej oddaje do układu CWU około 6–10 kW (w zależności od mocy i temperatury zewnętrznej), więc nagrzanie tej samej ilości wody zajmie jej znacznie dłużej. Dlatego stosujemy większy zasobnik – żeby zwiększyć rezerwę ciepłej wody, którą pompa może przygotować spokojniej, w czasie kiedy nikt jej akurat nie używa, najlepiej w godzinach niższej taryfy energetycznej.

Pompa ciepła nie powinna grzać wody w zasobniku do bardzo wysokich temperatur. Im wyższa temperatura zadana, tym niższy COP, czyli tym drożej kosztuje każdy podgrzany litr. Optymalna temperatura w zasobniku to około 48–52 stopni Celsjusza. Raz w tygodniu sterownik powinien wykonać tak zwaną dezynfekcję termiczną, czyli podgrzać wodę do co najmniej 60 stopni dla zabicia bakterii Legionella, ale to działanie cykliczne, a nie stałe.

Bufor – kiedy potrzebny, kiedy nie

Bufor to dodatkowy zbiornik wody włączony w obieg ogrzewania, który stabilizuje pracę pompy ciepła. Czy jest potrzebny, zależy od typu sprężarki w Waszej pompie i od wielkości instalacji grzewczej.

Starsze konstrukcje pomp ciepła z tak zwaną sprężarką on/off (włącz/wyłącz) bezwzględnie wymagały bufora. Bez niego pompa wpadałaby w taktowanie, czyli ciągłe włączanie się i wyłączanie, co skraca żywotność sprężarki i zmniejsza efektywność. Nowoczesne pompy ze sprężarką inwerterową (modulowaną) potrafią dopasować swoją moc do aktualnego zapotrzebowania budynku. Mogą pracować na 30%, 50%, 70% mocy nominalnej, a nie tylko na pełnej. Przy takiej pompie i odpowiednio dużej instalacji ogrzewania podłogowego (czyli przy odpowiednim zładzie wody w samej posadzce) bufor często można pominąć.

Kiedy mimo wszystko polecam bufor? W domach, gdzie ogrzewanie podłogowe jest tylko na parterze, a piętro grzeje się grzejnikami. Albo w domach, gdzie planowo pracują tylko niektóre pętle ogrzewania (na przykład pokoje gościnne są wyłączone). W takich przypadkach zład wody w instalacji bywa za mały i bufor 80–100 litrów pomoże uniknąć taktowania nawet z pompą inwerterową.

Co naprawdę decyduje o tym, ile zapłacicie za prąd

Najlepszy mechanizm pompy ciepła nic nie da, jeśli warunki, w których pompa ma pracować, są dla niej trudne. Na rzeczywiste rachunki za prąd najmocniej wpływają cztery rzeczy.

Po pierwsze – temperatura zasilania instalacji grzewczej. Pompa ciepła kocha niskie temperatury wody. Idealne dla pompy jest ogrzewanie podłogowe pracujące z temperaturą zasilania 30–35 stopni Celsjusza. Każdy stopień więcej to spadek COP. Dlatego pompa ciepła nie znosi dobrze tradycyjnych grzejników żeliwnych zaprojektowanych na 70 stopni Celsjusza – w takiej instalacji COP będzie tragiczny i pompa straci sens ekonomiczny.

Po drugie – izolacja termiczna budynku. Pompa ciepła dobrana do dobrze ocieplonego domu ma zupełnie inne warunki pracy niż ta sama pompa w domu z mostkami termicznymi i nieszczelną stolarką. Im niższe straty ciepła, tym mniejsza moc grzewcza pompy w danym momencie, tym pompa rzadziej musi pracować na maksimum.

Po trzecie – prawidłowy dobór mocy pompy do budynku. To podstawowa decyzja, której nie warto powierzać przypadkowemu instalatorowi. Pompa za duża będzie taktować nawet z buforem. Pompa za mała będzie ciągle posiłkować się grzałkami przy każdej cięższej zimie. Dobór powinien wynikać z obliczonego zapotrzebowania cieplnego budynku, nie z tabelki w katalogu „dom 150 m² – pompa 9 kW". Jest to dokładnie ten sam moment, w którym warto zapłacić projektantowi za rzetelny projekt instalacji – analogicznie do tego, jak w przypadku rekuperacji obstaję przy projekcie wykonawczym od uprawnionej osoby.

Po czwarte – serwis i jakość urządzenia. Pompa ciepła to system, który ma działać 15–20 lat. Wybierajcie producentów o ugruntowanej pozycji rynkowej, z dostępną siecią serwisową w Polsce i z dostępnymi częściami zamiennymi. Z setek budów wiem, że różnica między dobrą pompą uznanego producenta a najtańszą pompą z marketu nie polega na tym, że ta pierwsza ma magicznie wyższy COP. Polega na tym, że gdy coś się popsuje za 7 lat, w pierwszej dostaniecie część w 48 godzin, a w drugiej możecie czekać sześć tygodni. Ogrzewanie domu w styczniu „na żądanie serwisanta" to nie jest sytuacja, do której chcielibyście trafić.

Podsumowanie

Pompa ciepła powietrze-woda to po prostu odwrócona lodówka. Przepycha ciepło z chłodnego powietrza zewnętrznego do ciepłej wody w Waszej instalacji, używając do tego sprężarki napędzanej prądem. Cały sens polega na tym, że dzięki obiegowi czynnika chłodniczego z prądu zużytego przez sprężarkę dostajemy 2,5–4 razy więcej energii cieplnej. To jest ten słynny COP, który w katalogu wygląda imponująco, a w polskim styczniu jest dwa razy niższy niż w warunkach laboratoryjnych.

Pompa ciepła to dobry wybór dla zdecydowanej większości nowych domów jednorodzinnych w Polsce, ale tylko pod warunkiem, że budynek jest dobrze zaizolowany, instalacja grzewcza jest niskotemperaturowa (czyli głównie ogrzewanie podłogowe), a sama pompa jest prawidłowo dobrana do zapotrzebowania cieplnego. W innych przypadkach trzeba rzetelnie policzyć, czy nie lepszy będzie kocioł gazowy. Marketing producentów pomp obiecuje cuda, ale fizyka się nie nagina – im niższa temperatura na zewnątrz i im wyższa potrzebna temperatura wody, tym pompa jest mniej efektywna.

Niniejszy artykuł opisuje zasady działania pompy ciepła powietrze-woda na podstawie mojej praktyki i wiedzy o tym, jak te urządzenia pracują na budowach, które prowadzę. Konkretne parametry doboru pompy do Waszego domu (moc, typ, sposób integracji z instalacją, wielkość bufora i zasobnika CWU) muszą wynikać z indywidualnego projektu wykonawczego sporządzonego przez uprawnionego projektanta, który uwzględni rzeczywiste zapotrzebowanie cieplne budynku, profil użytkowania oraz lokalne warunki klimatyczne. Montaż i pierwsze uruchomienie pompy ciepła wymagają uprawnień F-gaz (dla pomp typu split z ingerencją w obieg czynnika chłodniczego) i powinny być wykonane przez certyfikowanego instalatora.