Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy 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.

    grzanie-w-zgodzie-z-natura-powietrzne-pompy-ciepla
    Fot. BERETTA

    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, 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.

    grzanie-w-zgodzie-z-natura-powietrzne-pompy-ciepla
    Fot. ZYMETRIC

    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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla3 1024x694 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła
    Fot. IGLOTECH

    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.

    grzanie-w-zgodzie-z-natura-powietrzne-pompy-ciepla
    Fot. DE DIETRICH

    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.

    grzanie-w-zgodzie-z-natura-powietrzne-pompy-ciepla
    Fot. INVERTER

    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. Coeffi cient 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 wentylatory (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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla7 763x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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 fi nalnej, która jest niczym innym jak dodatnim bilansem. 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).

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla6 371x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla8 743x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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 konfi gurują 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.

    Najnowsze rozwiązania i trendy

    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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla9 757x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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 maszynamaszyna (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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla10 771x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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.

    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla11 754x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła
    grzanie w zgodzie z natura powietrzne pompy ciepla12 762x1024 - Grzanie w zgodzie z naturą – powietrzne pompy ciepła

    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

    ZOSTAW ODPOWIEDŹ

    Please enter your comment!
    Please enter your name here