Gruntowe pompy ciepła coraz bardziej efektywne

Rynek gruntowych pomp ciepła rozwija się niezwykle dynamicznie. Również polskich inwestorów przekonuje wizja darmowej energii pochodzącej z gruntu i niezależnej od warunków zewnętrznych. Nowoczesne układy sterowania, zastosowanie innowacyjnych technologii w zakresie projektowania poszczególnych elementów konstrukcyjnych oraz coraz szersze funkcje to tylko niektóre z nowinek ogłaszanych przez producentów.

Działanie gruntowych pomp ciepła opiera się na naturalnych właściwościach tzw. dolnego źródła, czyli gruntu. Niezależnie od pory roku, warunków oraz temperatury zewnętrznej ok. 1,5 m pod powierzchnią gruntu utrzymuje się stała temperatura (8–12°C), dodatkowo dolne źródło charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami eksploatacyjnymi. Jeśli system zostanie odpowiednio zaprojektowany i zwymiarowany, układ będzie działał z najwyższą sprawnością nawet przy temperaturze zewnętrznej spadającej do -20°C. Producenci pomp gruntowych proponują nowe rozwiązania służące osiągnięciu jak najwyższej wydajności przy jednoczesnym minimalnym zużyciu energii. Zwiększenie wydajności urządzenia możliwe jest dzięki zastosowaniu m.in. asymetrycznego wymiennika ciepła, elektronicznego zaworu rozprężnego oraz elektronicznych pomp obiegowych. Do tego dochodzą zaawansowane rozwiązania w zakresie sterowania urządzeniem.

Nowoczesna sprężarka

Układ chłodniczy pompy często nazywany jest „sercem” urządzenia, dlatego też uwaga producentów skupiła się także na usprawnieniu pracy tego elementu. W niektórych modelach gruntowych pomp ciepła zastosowano specjalną sprężarkę spiralną, umożliwiającą osiągnięcie wysokich temperatur skraplania przy niskich temperaturach parowania. Jeden z producentów opatentował zaś uszczelnienie w kierunku osiowym spirali (tzw. tip seal technology), która zapewnia wysoką sprawność wolumetryczną odpowiadającą za wysoki współczynnik efektywności COP w zmieniających się warunkach pracy. Poruszając temat nowoczesnych sprężarek, nie można zapomnieć również o bezołowiowych łożyskach polimerowych zapewniających wysokie osiągi pracy przy różnych obciążeniach. Warto zwrócić uwagę także na asymetryczny mikro-płytowy wymiennik, który może realizować funkcję skraplania (MPHE – Micro Plate Heat Exchanger) – jego asymetryczna forma, mikrokanały oraz porowata struktura poprawiają przepływ i wymianę ciepła.

Nowością o dużym potencjale jest z pewnością technologia inwerterowa. Zastosowanie inwertorowo sterowanych sprężarek oznacza dostosowanie parametrów pracy do aktualnego zapotrzebowania na ciepło, skrócenie czasu rozruchu systemu, osiągnięcie optymalnej temperatury w krótszym czasie oraz mniejsze zużycie energii.

(Zdalne) sterowanie

Za poziom zużycia energii oraz parametry pracy urządzenia odpowiada m.in. sterownik. Zastosowany w urządzeniach jednego z producentów algorytm powoduje kontrolowane opóźnienie włączenia sprężarki przy niedopuszczeniu do spadku komfortu odczuwanego przez użytkowników, co stanowi o wiele bardziej efektywne rozwiązanie niż sterowanie oparte jedynie na analizie temperatury i warunków zewnętrznych. Oznacza to zmniejszenie ilości włączeń i wyłączeń sprężarki i – tym samym – mniejsze zużycie energii (a jednocześnie przedłużenie żywotności sprężarki). Zaawansowane sterowniki pozwalają ponadto na sterowanie kilkoma, nawet dziewięcioma, obiegami grzewczymi/chłodniczymi, urządzenie może także współpracować z istniejącymi układami grzewczymi, jak również pracować w kaskadzie o dużej mocy (poza tym połączenie kilku pomp ciepła w kaskadę ze źródłem szczytowym umożliwia zestopniowanie mocy, które podnosi sprawność całego układu i zwiększa bezpieczeństwo). Oprócz tego gruntową pompę ciepła można oczywiście zintegrować z systemami zarządzania budynkiem.

Najnowsze modele pomp ciepła często wyróżnia też możliwość monitorowania pracy z dowolnego urządzenia mobilnego podłączonego do internetu, z telefonu komórkowego (zarówno z systemem Android, jak i z iPhone’a), tabletu lub komputera. Dotyczy to również sterowania urządzeniem. Właściciel może obniżyć temperaturę panującą we wnętrzu budynku w przypadku nagłego wyjazdu lub podwyższyć ją przed powrotem do domu, a także sprawdzić, czy instalacja działa prawidłowo. W razie usterki na naszą pocztę mailową lub telefon komórkowy wysłana zostanie odpowiednia informacja, poinformowany może być również serwis. Co więcej, niektóre tego typu systemy pozwalają na monitorowanie kilku punktów jednocześnie, np. także domku letniskowego. Podłączenie do stałego łącza internetowego sprawia, że z korzystaniem z systemu nie wiążą się żadne dodatkowe koszty.

C.o. i c.w.u.

Coraz większe jest zainteresowanie urządzeniami realizującymi jednocześnie funkcję c.o., jak i podgrzewającymi wodę użytkową, czyli pompami kompaktowymi. Wydajność grzewcza od 4 do ok. 16 kW oraz różne rozmiary zintegrowanych zbiorników c.w.u. (najczęściej 160 l, jednak na rynku pojawiły się również zbiorniki o pojemności 220–300 l) sprawiają, że tego rodzaju urządzenia odpowiadają na potrzeby cieplne standardowego domu mieszkalnego. Niewielka pompa zasila kilka punktów poboru wody jednocześnie, zapewniając utrzymanie jej stałej temperatury (ok. 65°C). W razie potrzeby awaryjnego lub dodatkowego dogrzania wody możemy natomiast użyć grzałki elektrycznej, w którą wyposażone są niektóre modele.

Pompa + kocioł

Urządzenia typu „dwa w jednym” to także gruntowe pompy ciepła połączone z kotłem gazowym, czyli gazowe, adsorpcyjne pompy ciepła, bazujące na cieple z natury, a jednocześnie – na zaletach ogrzewania gazem. Według producentów takie rozwiązanie pozwala na obniżenie zużycia gazu o 25% w porównaniu do standardowej techniki kondensacyjnej oraz zwiększenie sprawności rocznej o 134%. Pompa wypełnia zapotrzebowanie cieplne budynku, natomiast w fazie desorpcyjnej jest wspomagana przez zintegrowany kocioł kondensacyjny pokrywający fazy wyższego zapotrzebowania.

Co jeszcze?

Podgrzewanie wody użytkowej to jednak nie jedyna dodatkowa funkcja oferowana przez producentów gruntowych pomp ciepła. Dzięki wykorzystaniu specjalnego modułu wentylacyjnego urządzenie przejmuje zadanie wentylowania obiektu, także z energooszczędnym odzyskiem ciepła. Za pomocą tego samego sterownika może się także odbywać podgrzewanie wody w basenie oraz sterowanie systemem solarnym.

Coraz popularniejsze jest także wykorzystanie pompy do schładzania obiektu, dzięki czemu zastępuje ona układ klimatyzacyjny. Chłodzenie może odbywać się na sposób naturalny, czyli pasywny, lub aktywny. Chłodzenie naturalne opiera się na różnicy temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła, a proces jest tym skuteczniejszy, im ta różnica jest większa, tzn. szczególnie na początku sezonu letniego. Kiedy różnica temperatur maleje, można włączyć chłodzenie aktywne, realizowane za pomocą sprężarki. Oznacza to większe zużycie energii, ale też większy komfort w czasie upałów.

Zasobnik lodowy

Innowacyjnym rozwiązaniem, które stopniowo powinni wprowadzać także polscy producenci, jest wykorzystanie ciepła z zasobnika energii, tzw. zasobnika lodu jako dolne źródło ciepła dla pompy gruntowej. W przypadku pompy ciepła o mocy grzewczej do 17 kW układ będzie oparty o swego rodzaju „dzwon” betonowy częściowo wypełniony wodą oraz zakopany w gruncie na głębokości ok. 4 m i zaledwie kilka metrów od budynku. W zbiorniku, przy jego ściankach zanurzona jest wężownica regenerująca wymiennik ciepła. Przez wężownicę przepływa niezamarzający czynnik odpowiadający za transport energii pozyskiwanej z powietrznego absorbera solarnego, czyli w rzeczywistości kolektora słonecznego bez przykrycia, z rurami z tworzywa sztucznego montowanymi na elewacji lub dachu. Układ wykorzystuje więc różne źródła ciepła – powietrze atmosferyczne, promieniowanie słoneczne oraz ciepło gruntu, jednak jako akumulator źródła pierwotnego służy zbiornik zasobnika lodowego – pompa ciepła stopniowo pobiera energię z zasobnika, także w momencie, gdy temperatura wody jest niższa niż 0°C (zmiana skupienia wody uwalnia dalszą ilość energii). Sterownik zarządzający systemem decyduje, czy pompa ciepła będzie pobierać energię z kolektorów, czy z zasobnika lodowego.

Istotna jest również głośność systemu, tym bardziej, że w sezonie zimowym gruntowa pompa ciepła pracuje nawet kilkanaście godzin na dobę. Poszczególne elementy urządzeń zostały tak zaprojektowane, aby zminimalizować poziom drgań pochodzący ze sprężarki oraz natężenia dźwięku emitowanego przez układ chłodniczy. Zastosowanie znajdują tu przede wszystkim gumowe tłumiki wibracji, dzięki którym ograniczone jest przenoszenie drgań na podłoże. Dzięki temu natężenie dźwięku wytwarzanego przez pompę nie będzie większe niż 43 dB, a urządzenie z powodzeniem zamontujemy w dowolnym pomieszczeniu, np. w kuchni. Swoim wyglądem nie będzie ono odbiegać od żadnego ze sprzętów gospodarstwa domowego.

zdaniem EKSPERTA

Błędy przy projektowaniu i wykonawstwie gruntowych pomp ciepła

Pompy ciepła, jako urządzenia grzewcze, zapewniają komfort cieplny przy małych kosztach i minimalnym zaangażowaniu ze strony użytkownika podczas ich eksploatacji. Podstawowym warunkiem zadowolenia klienta podczas użytkowania pomp ciepła jest jej prawidłowe i efektywne działanie. To zaś można zapewnić jedynie w wyniku prawidłowego doboru urządzenia, doboru i wykonania wymiennika dolnego źródła oraz poprawnego wykonania instalacji grzewczej w budynku.

Częstym błędem, powstającym już na etapie ofertowania urządzenia, jest nieprawidłowe oszacowanie strat ciepła w budynku. W przypadku niedoszacowania, prowadzi to do nadmiernego eksploatowania pompy ciepła oraz dolnego źródła, co powoduje brak komfortu cieplnego i wzrost kosztów energii elektrycznej potrzebnej do zasilania urządzenia.

Kolejną nieprawidłowością jest błędne wykonanie wymiennika dolnego źródła, który jeśli jest zbyt mały, w porównaniu do wydajności samej pompy ciepła, szybko ulega wyeksploatowaniu i powoduje zwiększone koszty użytkowania instalacji. Również instalacja grzewcza w budynku wymaga od instalatora wiedzy i doświadczenia, aby nie powodowała nieprawidłowości działania układu, pomimo odpowiednio dobranych i wykonanych: dolnego źródła oraz pompy ciepła.

Możliwość popełnienia wielu błędów i pomyłek powoduje, że w przypadku instalacji pomp ciepła nie ma miejsca na przypadkowe działanie czy zgrubne szacowanie wartości.

Iwona Bortniczuk

Na podstawie materiałów firm:
Danfoss, Nibe-Biawar, Viessmann oraz artykułu „Ogrzewanie lodem” Dawida Pantery