Ciepła woda z powietrza, czyli o powietrznych pompach ciepła do c.w.u.

Znacznie wyższe sprawności przy niższej temperaturze dolnego źródła, możliwość przygotowywania c.w.u., technologia inwerterowa, zdalne sterowanie – można śmiało powiedzieć, że ostatnich kilka lat należało do powietrznych pomp ciepła.

FOT. 1. Dzięki wbudowanej dodatkowej wężownicy powietrzne pompy ciepła do c.w.u. mogą współpracować z dodatkowym źródłem ciepła, w tym też z kolektorami słonecznymi. Fot. Immergas

Usprawnienia opracowane przez producentów sprawiły, że powietrzne pompy ciepła stają się poważną konkurencją dla pozostałych rodzajów pomp – przekonują do siebie już nie tylko stosunkowo niską ceną i praktycznie zerowymi kosztami związanymi z montażem. Osiągnięto znacznie wyższy współczynnik sprawności oraz niższą graniczną dolną temperaturę pracy urządzenia, która jeszcze nie tak dawno wynosiła -10°C, a obecnie już -25°C.

FOT. 2. Kompaktowe pompy ciepła swoim wyglądem przypominają pozostałe sprzęty gospodarstwa domowego. Nie musimy ich więc „chować” w pomieszczeniu gospodarczym czy kotłowni. Fot.: Stiebel Eltron

Urządzenia mogą wykorzystywać energię zgromadzoną w powietrzu otoczenia, powietrzu z pomieszczenia lub też odprowadzanym z instalacji ogrzewania lub chłodzenia. Pompy ciepła pozwalające na podgrzewanie wody użytkowej to często urządzenia typu monoblok, czyli wyposażone w zasobnik c.w.u. (niektóre wymagają zainstalowania oddzielnego zbiornika), z kolei pompy wykorzystywane tylko do celów grzewczych składają się najczęściej z jednostki wewnętrznej i zewnętrznej (split). Urządzenia typu monoblok w jednej obudowie mają skraplacz, parownik, sprężarkę, zawór rozprężny, a niejednokrotnie także pompę obiegową czynnika grzewczego, a swoim wyglądem w zasadzie nie odróżniają się od pozostałych sprzętów gospodarstwa domowego. Estetyka wykonania i wyposażenie w wyświetlacz LCD sprawiają, że możemy zamontować je nawet w kuchni.
Mimo zauważalnego rozwoju w branży powietrznych pomp, największym mankamentem urządzeń pozostaje duża zależność od temperatury powietrza (choć czynniki atmosferyczne nie wpływają na ich pracę). Co prawda, produkcja ciepła jest możliwa nawet przy -25°C, nie możemy jednak mówić o bardzo wysokiej sprawności – przy ok. -10°C współczynnik COP spada do ok. 2/3. Może rodzić to konieczność zastosowania dodatkowego źródła ciepła. Z drugiej strony współpraca powietrznej pompy ciepła np. z kotłem elektrycznym, gazowym lub olejowym pozwala na redukcję kosztów ogrzewania o 60%. Przed zakupem konkretnego modelu należy sprawdzić, czy jest on przystosowany do danego systemu grzewczego – urządzenia niektórych producentów mogą funkcjonować jedynie w układzie niskotemperaturowym.

Dobór pompy

FOT. 3. Pompy ciepła typu monoblok posiadają wbudowany zasobnik c.w.u. Fot.: Nibe-Biawar

Dobór powietrznej pompy ciepła do podgrzewania wody użytkowej zależy od czynników indywidualnych. Średnio zużycie ciepłej wody (o temperaturze ok. 45°C) na osobę wynosi od 30 do 60 l, zbiornik o pojemności 120‑240 l powinien więc wypełnić zapotrzebowanie czteroosobowej rodziny. Pompy ciepła z wbudowanym zbiornikiem c.w.u. posiadają najczęściej zasobnik o pojemności do 200 l. Jeśli inwestor stwierdzi, że to niewystarczająco, zamiast kompaktowej jednostki wewnętrznej z wbudowanym zbiornikiem c.w.u., sterownikiem oraz grzałką elektryczną, zastosowanie znajdzie oddzielny zbiornik o większej pojemności, np. 300 l, z grzałką zanurzeniową oraz osobnym sterownikiem systemu. W drugim przypadku, dobierając podgrzewacz, należy wziąć pod uwagę także moc pompy ciepła. Podczas dokonywania obliczeń oraz szacowania dodatkowej mocy grzewczej pompy ciepła na c.w.u. można przyjąć, że na 1 osobę przypada 200‑250 W – czyli przy 4 osobach jest to 1000 W (1 kW). Tę wartość (1 kW) należy dodać do całkowitej wartości zapotrzebowania budynku na moc cieplną. Pompa powietrzna znajdzie zastosowanie również w podgrzewaniu wody do jacuzzi i basenie (szczególnie w basenie zewnętrznym użytkowanym w sezonie letnim – wtedy nie ma potrzeby uwzględniania dodatkowego zapotrzebowania na moc).

Po oszacowaniu zapotrzebowania na ciepło możemy przystąpić do doboru pompy. Moc grzewcza urządzenia musi pokrywać w 100% zapotrzebowanie na ciepło w punkcie biwalentnym – jeśli do czynienia mamy z pracą w układzie biwalentnym, czyli taki, w którym pompa pracuje do pewnej temperatury zewnętrznej, np. – 8°C. Poniżej punktu biwalencji, czyli gdy temperatura spadnie poniżej danego poziomu, działanie pompy wspomaga inne źródło grzewcze. Istotną kwestią jest takie zaprojektowanie systemu, aby jak najwięcej energii czerpał z głównego źródła ciepła, a jak najmniej z dodatkowego, np. grzałki elektrycznej.

ZDANIEM EKSPERTA
Pompy ciepła a kolektory słoneczne

Kamil Rdzanek, specjalista ds. technicznych w firmie Immergas

Odnawialne źródła energii cieszą się obecnie bardzo dużym zainteresowaniem i są coraz powszechniej i chętniej stosowane. Jednym z popularniejszych rozwiązań dostępnych na rynku są kolektory słoneczne. System ten jest bardzo uniwersalny, efektywny, wydajny, o stosunkowo niskich kosztach w eksploatacji i możliwości uzyskiwania wysokich temperatur. Dla pełnego wykorzystania musi zostać spełnionych kilka istotnych warunków, jak odpowiednie nasłonecznienie, niskie zachmurzenie lub najlepiej jego brak. Dodatkowo wybrane miejsce montażu kolektorów słonecznych nie powinno być zacieniane przez wysokie drzewa, a samą instalację należy ukierunkować na odpowiednią stronę świata. Jeżeli nie uda się spełnić tych warunków, alternatywą dla kolektorów słonecznych są pompy ciepła typu powietrze-woda do produkcji c.w.u. W określonych sytuacjach pompy ciepła mogą być rozwiązaniem tańszym w porównaniu z zestawem solarnym o mniej skomplikowanej instalacji. Pompy ciepła mogą być zastosowane zarówno w nowobudowanych instalacjach, jak i tych już istniejących jako uzupełnienie systemu z kotłem gazowym, olejowym czy stałopalnym. Urządzenia tego typu pracują z wysoką wydajnością, ponieważ czynniki zewnętrze takie jak warunki atmosferyczne czy pora dnia nie wpływają na ich pracę w tak dużym stopniu jak na pracę kolektorów słonecznych. Na wydajność wpływa jedynie temperatura powietrza zasysanego – im będzie ona wyższa, tym efektywność pracy pompy ciepła będzie większa. Przykładem mogą być pompy ciepła IMMERWATER firmy Immergas, które mogą pracować w bardzo szerokim zakresie temperatur powietrza zasysanego: od -30°C do +43°C. Nie można zapomnieć również o możliwości wykorzystania pomp ciepła do chłodzenia pomieszczeń w upalne dni. Pompa ciepła podczas pracy „wyrzuca” zimne powietrze, które możemy skierować do wybranego pomieszczenia podnosząc tym samym komfort cieplny.
Podsumowując, zarówno system solarny, jak i pompa ciepła mają swoje wady i zalety. Co ważne, obydwa zastosowane rozwiązania zastosowane w jednym układzie, mogą się wzajemnie uzupełniać. Oczywiście, pompy ciepła do produkcji c.w.u. dzięki wbudowanej dodatkowej wężownicy o powierzchni wymiany ciepła 0,7 m2 mogą współpracować z dodatkowym źródłem ciepła, w tym też z kolektorami słonecznymi. O tym, które z przedstawionych rozwiązań wybierzemy, powinny decydować potrzeby indywidualne, usytuowanie domu, specyfikę architektury i możliwości zastosowania systemu solarnego lub pompy ciepła.

Na powietrze

Jak działają tego typu urządzenia? Do wymiennika ciepła w pompie powietrze doprowadzane jest przez wentylator. Dzięki temperaturze powietrza w wymienniku dochodzi do odparowania czynnika chłodzącego obiegu pompy – w urządzeniach powietrze/woda jest to najczęściej R134A. Otrzymany w ten sposób gaz jest następnie sprężany przez sprężarkę, dochodzi do wzrostu temperatury. Czynnik chłodniczy zostaje transportowany do skraplacza, w nim dochodzi do wymiany ciepła i przekazania go do zbiornika c.w.u.

FOT. 4. Powietrzna pompa ciepła może korzystać z powietrza w pomieszczeniu lub pobieranego z zewnętrznego otoczenia. Fot.: Zymetric

Zainteresowanie powietrznymi pompami ciepła, których główna funkcja to produkcja c.w.u., jest coraz większe. Co ciekawe, tego typu urządzenia mogą wykorzystywać powietrze obiegowe, tzn. zawarte w pomieszczeniu, w którym zamontowana jest pompa ciepła lub doprowadzane kanałami z pomieszczeń, w których występuje tzw. ciepło odpadowe, jak pralnia czy suszarnia (albo też powietrze zewnętrzne). Dzięki temu instalacja staje się niezależna od temperatury i warunków pogodowych na zewnątrz. Pompy do c.w.u. zasilane powietrzem wentylacyjnym stanowią poważną konkurencję dla rekuperatorów, także w domach pasywnych – przez cały rok pracują z taką samą sprawnością, podczas gdy sprawność centrali wentylacyjnych z rekuperatorem maleje wraz ze spadkiem różnicy temperatur pomiędzy powietrzem nawiewanym a wywiewanym.

ZDANIEM EKSPERTA
W Europie notuje się silną tendencję wzrostową instalacji hybrydowych łączących kocioł kondensacyjny i pompę ciepła typu powietrze/woda.
Czy jest to ekonomicznie uzasadnione połączenie?

Artur Radomski, ekspert z firmy Zymetric

Instalacje tego typu mają na celu zapewnienie odpowiedniej temperatury zasilania instalacji grzewczej w okresach niskich temperatur, a kocioł kondensacyjny jest systemem wspomagającym pompę ciepła. Sens stosowania kotła kondensacyjnego pojawia się w przypadku temperatur powietrza poniżej -5°C, gdyż koszt wytworzenia energii cieplnej w porównaniu do pompy ciepła jest nieznacznie niższy. Należy mieć na uwadze ilość godzin o temperaturze poniżej -5°C, która dla Warszawy stanowi jedynie 6% okresu grzewczego. Decydując się na zastosowanie kotła kondensacyjnego miejmy na uwadze, że oprócz opłat za gaz, który zużyjemy, będziemy płacić stałą opłatę abonamentową za gotowość dostarczenia gazu przez gazownię, nawet gdy gazu nie będziemy używać – wynosi ona ok. 35 PLN miesięcznie. Kiedy decydujemy się na pompę ciepła, instalacja hybrydowa nie jest ekonomicznie uzasadniona, gdyż okres pracy kotła kondensacyjnego w okresie grzewczym jest zbyt krótki. Na rynku dostępne są pompy ciepła firmy Mitsubishi Electric w technologii Zubadan, które zapewniają stałą wydajność grzewczą do temperatury powietrza zewnętrznego -15°C oraz pracują poniżej temperatur powietrza zewnętrznego -25°C przy zapewnieniu wysokiej ekonomiki użytkowania, wykluczając konieczność stosowania innego źródła ciepła.

„Zużyte” powietrze, tzn. to, którego energia została wykorzystana do podgrzania wody użytkowej, może zostać wykorzystane do chłodzenia budynku podczas upałów – po zastosowaniu specjalnego przyłącza kierunkowego. Trójnik z przepustnicą umożliwia kontrolowane kierowanie zimnego powietrza z pompy do pomieszczenia lub na zewnątrz, jeśli aktualnie nie potrzebujemy chłodzenia. Zamiast niego możemy użyć zwykłego trójnika, a w pomieszczeniach zainstalować anemostaty na zakończeniach przewodów, co pozwoli na regulację przepływu powietrza.

FOT. 5. Oferta producentów jest bardzo szeroka. Na rynku znajdziemy urządzenia z wbudowanym lub oddzielnym zbiornikiem oraz o różnych poziomie zautomatyzowania. Fot.: Danfoss

Nowoczesne urządzenia

Co ponadto? Podobnie jak w przypadku pomp bazujących na innego rodzaju dolnym źródle ciepła, również tu zastosowanie znajduje technologia inwerterowa. Wykorzystanie technologii inwerterowej umożliwia pracę pompy ze zmienną mocą, w zakresie 25‑100%, co oznacza dostosowanie procesu do aktualnego zapotrzebowania na ciepło i osiągnięcie pożądanej temperatury w znacznie krótszym czasie, a także – zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przy zachowaniu wysokiej sprawności urządzenia.

ZDANIEM EKSPERTA
Powietrzne pompy ciepła – coraz lepsze

Michał Mika Kierownik Produktu, onii, Danfoss Poland

Powietrzne pompy ciepła montowane na zewnątrz budynku cieszą się coraz większą popularnością, chociaż jeszcze 5 lat temu charakteryzowała je wyraźnie niższa efektywność energetyczna mierzona współczynnikiem COP (Coefficient of Performance) w porównaniu do pomp gruntowych. Częstym problemem był zbyt wysoki i dokuczliwy poziom dźwięku oraz bariera mentalna. Stosowanie pomp powietrznych w budynku wymagało przygotowania dużych otworów w ścianie, przez które były prowadzone kanały powietrzne. W przypadku rozwiązań z odzyskiem ciepła na zewnątrz budynku elektronika sterująca zintegrowana z pompą ciepła była narażona na niekorzystne działanie czynników atmosferycznych i krótszą żywotność. Dzisiejsze technologie, zastosowane w powietrznych pompach ciepła pozwalają im pracować w bardzo szerokim zakresie temperatur -20°C do + 45°C i osiągają wysokie współczynniki COP (nawet ponad 4). Tak dobry wynik można porównać do parametrów osiąganych przez gruntowe pompy ciepła. Obecnie, powietrzne pompy ciepła działają na zasadzie bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego w pompie ciepła stojącej na zewnątrz i posiadającej elektronikę zabezpieczającą przed niekorzystnym działaniem czynników atmosferycznych. Oprócz tego, kluczowym elementem mającym wpływ na poziom efektywności pracy pompy ciepła jest dopracowany i zoptymalizowany układ chłodniczy, który pozwoli odzyskać maksymalną ilość odnawialnej energii słonecznej z powietrza przy możliwie najmniejszym udziale energii elektrycznej. Energię słoneczną pobiera się bezpośrednio z otaczającego powietrza, poprzez wymiennik ciepła umieszczony na zewnątrz budynku i współpracujący z pompą ciepła. Dźwięk jest kolejnym z kluczowych kryteriów wyboru powietrznej pompy ciepła, bowiem w wielu krajach europejskich obowiązuje norma emisji dźwięku. Obecnie konstrukcja nośna pompy tzw. rama, obudowa i rozmieszczenie poszczególnych komponentów zostały tak zaprojektowane, aby zminimalizować poziom dźwięku pochodzący z pracy układu chłodniczego, sprężarki i wentylatora. Zalety stosowania powietrznej pompy ciepła to niewątpliwie niski koszt inwestycyjny, niezależność od powierzchni działki i rodzaju gruntu, łatwość montażu czy możliwość zastosowania przy modernizacji budynków.

Warto zwrócić uwagę również na rozwiązania pozwalające na współpracę pompy powietrznej w zintegrowanym systemie z innymi źródłami ciepła, jak kocioł grzewczy, kolektory słoneczne, grzałka elektryczna, inne pompy ciepła, a nawet osuszacz powietrza. Inteligentny sterownik analizuje aktualne warunki atmosferyczne oraz panujące we wnętrzu, a także zapotrzebowanie na ciepło budynku w danej chwili, dbając o jak najbardziej ekonomiczne działanie układu. Steruje poszczególnymi źródłami ciepła tak, aby osiągnąć konfigurację o najmniejszym zużyciu energii elektrycznej, oblicza koszt zużycia gazu (lub innego paliwa, którym zasilany jest kocioł) i wyznacza odpowiednią temperaturę zasilania.

Wiele usprawnień wdrażanych przez producentów dotyczy łatwiejszej, intuicyjnej obsługi pompy. Użytkownik nie musi sam ustawiać parametrów czy programować urządzenia, wystarczy, że wybierze jedną z podpowiedzianych funkcji, np. pracy ekonomicznej, „wakacyjnej” lub też funkcję automatycznego wygrzewu antybakteryjnego czy cyklu czasowego do przygotowania ciepłej wody. Poza tym nowoczesne systemy sterowania i kontroli pozwalają na sprawdzenie pracy pompy oraz ustawienie jej parametrów zdalnie, czyli w zasadzie z każdego miejsca na ziemi. Wystarczy dostęp do Internetu, komputer lub smartphone.

FOT. 6. Instalacja stała się niezależna od temperatury i warunków pogodowych na zewnątrz. Fot.: Vaillant

Iwona Bortniczuk
Na podstawie materiałów firm: Nibe-Biawar, Immergas, Stiebel Eltron, Danfoss, Vaillant