Era powietrznych pomp ciepła

Powietrzne pompy ciepła, które jeszcze dekadę temu charakteryzowały się niezbyt wysoką efektywnością energetyczną i w opinii większości instalatorów nie nadawały się na główne i jedyne źródło ciepła dla budynku, dziś przeżywają istny renesans. Stoi za tym rewolucja technologiczna, która pozwoliła znacznie podnieść współczynnik COP i umożliwiła pompom pracę nawet w temperaturach do -25ºC. Ale na czym to polega i jak to osiągnięto? O tym wszystkim poniżej.

Bez nazwy 6 2 827x1024 - Era powietrznych pomp ciepła
Schemat przykładowej instalacji pompy ciepła powietrze-woda.

Czym są powietrzne pompy ciepła, jak działają i jakie są ich rodzaje

Najogólniej sprawę ujmując, powietrzne pompy ciepła to urządzenia czerpiące energię cieplną z powietrza i służące do ogrzewania nią pomieszczeń lub całych budynków i/lub ogrzewania wody użytkowej, z której mieszkańcy budynku korzystają. Z pozoru wygląda to bardzo prosto, lecz w rzeczywistości konwersja energii zawartej w powietrzu zewnętrznym (czasem zaś wewnętrznym obiegowym lub wewnętrznym odpadowym) na energię cieplną do ogrzewania budynku i wody, następuje w wielu etapach, w których wyróżniamy trzy obiegi energii cieplnej. Obieg dolnego źródła, czyli obieg powietrza, to pierwszy z nich, w którym darmowe ciepło pozyskiwane jest z otoczenia (z powietrza zasysanego przez wentylator) i transportowane do pompy, niezależnie od tego czy znajduje się ona w tej samej obudowie co wentylator, czy też w osobnym module. Skierowane do pompy powietrze trafia do parownika, w którym oddaje własną energię cieplną do czynnika chłodniczego, po czym już wychłodzone zostaje wyprowadzone z pompy ciepła – i tutaj z reguły jest to wyprowadzenie na zewnątrz, ale w okresie letnich upałów takie powietrze coraz częściej kierowane jest do wnętrza budynku by wspomagać klimatyzację – to oczywiście zależy od rodzaju i modelu pompy, jaki inwestor wybrał.

Bez nazwy 3 3 - Era powietrznych pomp ciepła
Pompa Vitocal 222 to split oferujący funkcję chłodzenia i zasobnik CWU
na 220 litrów.
Bez nazwy 2 2 - Era powietrznych pomp ciepła
Logatherm WLW196i AR to pompa typu
split z funkcją ogrzewania zimą i chłodzenia latem.

Drugim spośród trzech obiegów jest obieg czynnika chłodniczego, czyli gazu krążącego w obiegu zamkniętym w pompie i po drodze przepływającego – jak już to zostało wspomniane kilka linijek wyżej – przez parownik w którym odbiera ciepło od powietrza. Gaz taki ma bardzo niską temperaturę wrzenia – na tyle niską, że ciepło pobrane z powietrza, już wystarczy do wywołania tego procesu. Wrzący gaz kierowany jest do sprężarki, zasilanej oczywiście energią elektryczną, która dzięki jego sprężeniu wywołuje wzrost ciśnienia gazu i w efekcie gwałtowny skok jego temperatury – nawet od poziomu około 3-8ºC do maksymalnie 80-85ºC. Tak gorący gaz zostaje przetłoczony ze sprężarki do skraplacza czyli wymiennika ciepła, w którym następuje przekazanie energii cieplnej gazu do systemu grzewczego obiektu.

Oddając tą energię cieplną gaz szybko ochładza się i skrapla – cała operacja nadal odbywa się pod wysokim ciśnieniem. Dopiero po tym etapie następuje rozprężenie i przetłoczenie gazu dalej w kierunku parownika. Spadek ciśnienia wywołuje powrót gazu (czynnika chłodniczego) do jego normalnej, początkowej temperatury, co pozwala go skierować do parownika, od którego cykl startuje ponownie. Jak łatwo się domyślić trzeci obieg zaczyna się w miejscu, w którym gaz oddał energie cieplną do wody krążącej w systemie grzewczym, stąd obieg ten nazywany jest obiegiem czynnika grzewczego. Woda odebrawszy od gorącego gazu ciepło w skraplaczu, osiąga temperaturę rzędu 60ºC i dzięki działaniu pompy obiegowej przepływa dalej przenosząc energię cieplną do grzejników, lub ogrzewania podłogowego, bądź do zbiornika z c.w.u. albo też do kombinacji tych trzech opcji. Gwałtowny rozwój powietrznych pomp ciepła w ostatnich dwóch dekadach doprowadził do tego, że na rynku funkcjonuje ich kilka rodzajów, a ponieważ wszystkie działają w oparciu o tą samą zasadę – opisaną powyżej – i są w gruncie rzeczy do siebie podobne, inwestorzy często tracą orientację, gubią się w tej zawiłej z pozoru typologii i nie są w stanie jasno określić, który rodzaj pompy najlepiej będzie odpowiadać ich potrzebom.

Najogólniej sprawę ujmując, z uwagi na ilość modułów pompy, można wyróżnić konstrukcje typu „monoblok” oraz typu „split”. Zaś z uwagi na ich współpracę z innymi instalacjami służącymi do ogrzewania wody użytkowej i pomieszczeń w budynku, można wskazać na modele pozbawione możliwości współpracy z fotowoltaiką bądź kotłami grzewczymi, oraz na modele „hybrydowe” czyli zaprojektowane do współpracy z kotłami i/lub panelami słonecznymi. Zaczynając od tych ostatnich, warto zauważyć, że wśród hybrydowych powietrznych pomp ciepła funkcjonują dwa standardy: pompy umieszczone z kotłami gazowymi (kondensacyjnymi) w jednej obudowie – a raczej kotły z w budowanymi pompami powietrznymi – oraz rozwiązania w których pompa i kocioł to dwa moduły jeden obok drugiego. Współpraca tych dwóch elementów systemu może się odbywać na kilka sposobów, to znaczy że na przykład kocioł może być automatycznie załączany w momencie, w którym sterowniki wyłączają pompę z powodu zbyt niskiej temperatury czerpanego powietrza. W takim układzie nie ma pracy równoległej pompy i kotła. Innym sposobem jest ustalenie pewnego przedziału temperatur pobieranego przez pompę powietrza (a więc przedziału jej efektywności), w którym zarówno pompa jak i kocioł pracują równocześnie.

Wówczas kocioł do pewnego momentu wspiera pracę pompy, po czym gdy temperatura na zewnątrz spada poniżej np. -5ºC (i sterownik wyłącza pompę), przejmuje całkowicie na siebie zadanie dostarczania energii cieplnej do grzejników i wody użytkowej. Oczywiście na rynku funkcjonują też modele współpracujące z panelami słonecznymi oraz jednocześnie z panelami i kotłami – jak widać możliwości jest sporo, przy czym za każdym razem rozwiązania oceniane i kalkulowane są indywidualnie dla każdej inwestycji. Wymienione jako pierwsze pompy typu monoblok, czyli jak sugeruje nazwa stanowiące jeden moduł, dzielą się na dwa podtypy. Pierwszy to tzw. monoblok wewnętrzny, czyli możliwie najprostsza instalacja, w której pompa jak i zasobnik na wodę zamontowane są wewnątrz domu, a strumienie powietrza zaciąganego i powietrza wyrzucanego po schłodzeniu prowadzone są swoimi kanałami od zewnątrz i na zewnątrz. Drugi zaś typ pomp monoblokowych to pompy zewnętrzne, czyli w całości montowane np. na wewnętrznym podwórzu przy ścianie domu bądź w ogrodzie, przy czym nie dotyczy to zasobnika na wodę – ten znajduje się wewnątrz budynku, a z modułem głównym połączony jest dwiema rurami. Pompy powietrzne typu split to właściwie rozbite na dwa moduły pompy monoblok.

Polega to na tym, że na zewnątrz przenoszona jest ta część instalacji, która odpowiada za pozyskiwanie energii z otoczenia, zaś wewnątrz budynku umieszczana jest ta, która za zadanie ma przekazywanie pozyskanego z powietrza ciepła do instalacji grzewczej. Obie części łączą rury z czynnikiem chłodniczym. W obrębie każdego z opisanych wyżej rodzajów powietrznych pomp można oczywiście znaleźć całe mnóstwo różniących się między sobą modeli – parametrami technicznymi, efektywnością, czy też różniących się zakresem dodatkowych funkcjonalności, możliwościami komunikacyjnymi, sposobami sterowania, designem itp. Oferta rynkowa jest szeroka i każdy znajduje dziś coś dla siebie, nawet jeśli ma dość wygórowane wymagania.

Co wpływa na COP czyli na efektywność energetyczną pomp powietrze-woda

Zanim omówione zostaną czynniki wpływające na COP, warto sobie przypomnieć, co tak naprawdę ten skrót oznacza i jak należy go rozumieć. Coefficient Of Performance, czyli z angielskiego Współczynnik Wydajności Cieplnej, to stosunek pomiędzy mocą grzewczą powietrznej pompy, a poborem mocy generowanym przez elektryczne podzespoły jakimi są sprężarka i wentylator (wentylatory), z naciskiem na sprężarkę. Relację tą należy rozumieć w taki sposób, że jeśli pobierając 1 kWh energii elektrycznej pompa uzyskuje z powietrza 3 kWh energii cieplnej, wówczas współczynnik COP osiąga wartość na poziomie 3. Jak łatwo się domyślić, im niższa temperatura powietrza z którego odbierane jest ciepło, tym niższy poziom COP. Gdy przychodzi do wytłumaczenia współczynnika COP nowym inwestorom, którzy z pompami powietrznymi dopiero zaczynają przygodę, kluczową kwestią staje się zrozumienie faktu dodatniej efektywności takich pomp nie tylko w dodatnich temperaturach, ale również wtedy, gdy termometry pokazują temperaturę ujemną. Oczywiście, tak jak zostało to wspomniane: wraz ze spadkiem temperatury współczynnik COP pompy też spada, lecz poziom zerowy to poziom przy temperaturze -273ºC a więc przy zerze bezwzględnym. Zaś powyżej tej temperatury w powietrzu zawsze jest minimalna energia cieplna. To oznacza, że gdy na dworze panuje zima i temperatura osiąga np. -20ºC, pompa uzyskuje dodatni bilans, gdyż z każdej jednej kWh energii włożonej w produkcję ciepła inwestor uzyskuje nieco powyżej jednej kWh energii finalnej, która jest niczym innym jak dodatnim bilansem.

Bez nazwy 4 3 - Era powietrznych pomp ciepła
Współczynnik COP serii Aquarea
High Performance osiąga poziom 5.
Bez nazwy 5 1 1024x647 - Era powietrznych pomp ciepła
Pompa Vitocal 300-A może działać w trybie pracy odwróconej (chłodzenie
pomieszczeń)

Z powyższego wynika pierwszy kluczowy czynnik wpływający na efektywność powietrznych pomp ciepła: temperatura powietrza, czyli dolnego źródła. Jednak warto pamiętać o drugim istotnym czynniku, czyli temperaturze górnego źródła (w systemie ogrzewania obiektu). Efektywność pomp powietrznych jest tym wyższa, im bardziej niskotemperaturowy jest system ogrzewania budynku. Z punktu widzenia czysto technicznych aspektów konstrukcji samej pompy, nie sposób nie wspomnieć o powierzchni odbioru ciepła i efektywności sprężarki (technologia inwerterowa) – ich wpływ na efektywność energetyczną pomp jest bardzo istotny. Obecnie projektowane i produkowane powietrzne pompy ciepła wyposażane są w technologie pozwalające im pracować skutecznie w szerokim zakresie temperatur powietrza, sięgającym nawet od -25ºC do +45/50ºC. Pompy te osiągają współczynnik COP na poziomie 4 i więcej, co można już śmiało porównywać z osiągami gruntowych pomp ciepła. Na ich efektywność wpływ ma cały szereg czynników – przede wszystkim te opisane powyżej – ale wśród nich istotne miejsce zajmuje również elektronika i sterowniki. Odczuwalne jest to szczególnie w układach hybrydowych, kiedy to pompa współpracuje z innymi źródłami ciepła (kocioł grzewczy, fotowoltaika, inne pompy, grzałki itp.).

Nowoczesne sterowniki wyposażone w swego rodzaju „inteligencję” analizują zapotrzebowanie budynku na ciepło w danym momencie, zestawiając je z warunkami temperaturowymi na zewnątrz i wewnątrz budynku. Działając w oparciu o odpowiednie algorytmy oraz o wprogramowane dane o taryfach, cenach i kosztach zużycia różnych paliw (gaz zasilający kocioł), sterowniki takie dbają o jak najlepszą ekonomikę systemu i konfigurują poszczególne źródła ciepła w taki sposób, by wyznaczyć właściwą temperaturę przy jak najmniejszym zużyciu energii. Per saldo wpływa to pozytywnie na osiągi powietrznej pompy i na jej COP. Jednym z ważnych ostatnio czynników warunkujących taki czy inny poziom COP jest technologia inwerterowa, która umożliwia pracę pompy ze zmienną mocą, na przykład w zakresie 20-100%. Pozwala ona na dostosowywanie pracy instalacji do aktualnego zapotrzebowania obiektu na ciepło. Przekłada się to na osiąganie pożądanych temperatur w optymalniejszym czasie oraz na zmniejszanie zużycia energii elektrycznej bez zmniejszania sprawności instalacji.

Bez nazwy 6 3 - Era powietrznych pomp ciepła
Sterownik pompy ciepła Panasonic Aquarea KIT-WXC12H9E8.

Bez nazwy 7 2 457x1024 - Era powietrznych pomp ciepła
Pompa ciepła Panasonic Aquarea WH-SXC09H3E5 w czasie montażu.
Bez nazwy 8 1 454x1024 - Era powietrznych pomp ciepła
Pompa Vitocal 262-A w odmianie T2H to inteligentne rozwiązanie hybrydowe.

Najnowsze rozwiązania i trendy związane z powietrznymi pompami ciepła mocno współgrają z tym, co się dziś dzieje wokół wszystkich technologii i systemów związanych z komfortem cieplnym. Są to kwestie związane z elektroniką, procesorami, sterowaniem i komunikacją, z tym wszystkim, co sprawiło, że nie musimy już sami ustawiać parametrów pracy pomp, a nawet nie musimy niczego programować, choć jeszcze dekadę temu bardzo często to robiliśmy. Nowoczesne pompy wyposaża się w inteligentne programy typu „praca ekonomiczna”, „praca dzienna/ nocna”, „praca w weekend”, „praca gdy dom jest pusty” a także bardziej konkretne „szybkie przygotowanie wody” i inne tego typu. To właśnie te programy „myślą” za nas, decydują o trybie działania pompy i każdego z jej składników (wentylator) – one kalkulują jak osiągnąć zadany cel w maksymalnie oszczędny i zarazem efektywny sposób, zaś nasze zadanie sprowadza się do wciśnięcia jednego lub dwóch przycisków wyboru programu. Wspomniana komunikacja to kolejne pole, na którym dokonuje się postęp i które jest bardzo silnie odczuwalnym trendem. Może się ona odbywać na wiele sposobów i działać nie tylko na linii maszyna – człowiek (sprawdzanie pracy pompy na smartfonie w każdym miejscu na ziemi, dzięki połączeniu zarówno pompy jak i smartfona z siecią www), ale też ostatnio na linii maszyna -maszyna (M2M), co jest zapowiedzią Internetu Rzeczy w świecie technik grzewczych. Wyraźnym trendem w świecie pomp powietrznych – szczególnie tych dedykowanych wyłącznie do przygotowywania c.w.u – jest korzystanie z nich w okresie letnim jak z urządzeń do klimatyzowania pomieszczeń. Powietrze już zużyte przez pompę, jest zawsze chłodne, gdyż jego energia cieplna została odebrana i przekazana dalej do systemu ogrzewania. Dlatego pomysł, by tak wychłodzone powietrze skierować do wnętrza budynku, nasuwał się wręcz sam. Tego typu pompy, zwane rewersyjnymi, to stale rosnąca podgrupa urządzeń, również w Polsce, gdzie notuje się coraz cieplejsze okresy letnie.

Bez nazwy 9 1024x601 - Era powietrznych pomp ciepła
Nowoczesne pompy ciepła można kontrolować z poziomu smartfona.

Podsumowanie

W ostatnich latach publicyści bardzo często łączą powietrzne pompy ciepła z przymiotnikiem „hybrydowe”. Nie jest to przypadek – właśnie w takich układach one najczęściej pracują – w każdym razie w naszych szerokościach geograficznych. Wynika to z prostej odwrotnej zależności: gdy temperatura na zewnątrz spada, spada również efektywność pompy, natomiast zapotrzebowanie domu na ciepło zachowuje się odwrotnie: gwałtownie rośnie. Dlatego większość powietrznych pomp ciepła wspierana jest innymi systemami dostarczania ciepła do budynku, do systemu grzewczego i wody użytkowej. To w większości przypadków konieczność.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych przez:
De Dietrich Technika Grzewcza Sp. z o.o.,
Vaillant Saunier Duval Sp. z o.o.,
Panasonic Heating & Cooling,
Viessmann Sp. z o.o., Nibe Biawar Sp. z o.o.,
Atlantic Polska oraz Robert Bosch Sp. z o.o.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here