Jak działa pompa ciepła?

Niezależnie od tego, jaki rodzaj pompy ciepła wybierzemy (gruntowa, wodna lub powietrzna), ogólne zasady ich działania są zawsze takie same: pompa absorbuje energię cieplną z naturalnego, odnawialnego źródła (tzw. dolne źródło), a następnie przetwarza ją w wymienniku ciepła i przekazuje do systemu ogrzewania (górne źródło). Najbardziej wydajna jest pompa gruntowa, która pozyskuje ciepło z głębi ziemi. Jednak obecnie nawet pompy powietrzne, uważane jeszcze niedawno za najsłabsze, mogą osiągać wysokie parametry, jeżeli tylko właściwie zaprojektujemy cały system, prawidłowo dobierzemy moc i zainwestujemy w wysokiej jakości mechanizm.

Dlaczego dobór mocy pompy jest tak ważny?

Właściwie dopasowana moc pompy ciepła ma większe znaczenie dla jej sprawności niż najbardziej innowacyjny model urządzenia czy renomowany producent. Zarówno niedowymiarowana, jak i przewymiarowana pompa będzie działała nieefektywnie. Jeżeli moc pompy będzie za mała – nie zagwarantuje nam wystarczającej ilości energii cieplnej, co w mroźne zimowe dni może być bardzo dotkliwie odczuwane. Zbyt duża moc także przysporzy nam kłopotów - w postaci wysokich kosztów użytkowania.

Moc grzewcza jest najważniejsza

Najbardziej istotną właściwością pompy jest moc grzewcza (Pg), na podstawie której powinniśmy dopasować urządzenie do zapotrzebowania danego budynku i jego mieszkańców. To właśnie ten parametr decyduje o możliwości zapewnienia przez pompę odpowiedniego poziomu ciepła w całym domu oraz – opcjonalnie – podgrzewania wody. Jeżeli moc grzewcza zostanie dobrana nieprawidłowo (będzie zbyt mała lub zbyt duża), pompa okaże się nieopłacalnym rozwiązaniem, które zamiast przynosić oszczędności – będzie tylko generować koszty.

Zapotrzebowanie domu na moc cieplną (W/m²) obliczamy przede wszystkim na podstawie wielkości budynku, rodzaju termoizolacji, współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych, okien, drzwi i stropów, lokalizacji domu (regionu, w którym mieszkamy) oraz tego, czy pompa będzie służyła nam również do przygotowywania ciepłej wody użytkowej.

W przypadku domów pasywnych i energooszczędnych zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi zazwyczaj ok. 10-40 W/m², w zależności od zastosowanej technologii budowlanej i od tego, jak solidna jest izolacja termiczna. Jeżeli mamy wystarczającą wiedzę w tym zakresie, możemy pokusić się więc o samodzielne obliczenia. O wiele lepiej będzie jednak zamówić profesjonalny audyt energetyczny – przy tak dużej inwestycji jak pompa ciepła nie warto przesadnie oszczędzać na usługach, które zapewnią nam odpowiednią jakość i skuteczność działania całego systemu.

Moc chłodnicza i elektryczna pompy ciepła

Oprócz mocy grzewczej, przy wyborze pompy ciepła istotna jest również jej moc chłodnicza, określająca wydajność sprężarki i ilość energii cieplnej pobieranej z dolnego źródła, na co duży wpływ mają warunki atmosferyczne, a konkretnie – temperatura powietrza na zewnątrz (im zimniej, tym niższa efektywność). Dlatego wartość mocy chłodniczej powinna być dość wysoka, zwłaszcza jeżeli chcemy korzystać z pompy ciepła również latem – do chłodzenia budynku. Obliczenie mocy chłodniczej jest już całkiem łatwe, pod warunkiem, że znamy moc grzewczą i elektryczną – wówczas od pierwszej wartości (Pg) odejmujemy drugą (Pe) – uzyskany wynik to optymalna wartość (Pch), jaką powinna posiadać nasza pompa ciepła.

Warto zwrócić uwagę również na moc elektryczną niezbędną do pracy pompy ciepła, a konkretnie – sprężarki. Im mniejsza jest ta wartość, tym mniej zapłacimy za prąd zużywany w wyniku eksploatacji pompy. Na ilość prądu potrzebnego do zasilania pompy cieplnej wpływa także punkt biwalentny. Jest to wysokość temperatury zewnętrznej, przy której energia cieplna dostarczana przez pompę jest równa stratom cieplnym domu. Poniżej tego punktu włącza się dodatkowe źródło ogrzewania, którym najczęściej jest grzałka elektryczna. Wysokość punktu biwalentnego jest także uzależniona od prawidłowego doboru mocy grzewczej pompy i zazwyczaj znajduje się na poziomie od ok. -10°C do -15°C.

Wskaźnik COP jest bardzo ważny

Oprócz mocy, znaczącą rolę w doborze właściwej pompy odgrywa współczynnik efektywności cieplnej COP (coefficient of performance), który informuje nas o tym, jaka ilość energii (np. pobieranej z sieci energetycznej) potrzebna jest do wyprodukowania określonej ilości energii cieplnej. Innymi słowy, jest to stosunek energii zewnętrznej do mocy grzewczej pompy – aby go obliczyć, dzielimy moc grzewczą przez moc elektryczną. Im wyższa jest wartość wskaźnika COP, tym bardziej ekologiczna i ekonomiczna jest pompa. Obecnie standardem w większości pomp jest COP na poziomie minimum 3.1 – 5.

Na wysokość współczynnika COP wpływa nie tylko moc pompy, ale także różnica temperatur pomiędzy górnym a dolnym źródłem. Dlatego najbardziej korzystne będzie zastosowanie ogrzewania niskotemperaturowego, dzięki któremu owa różnica będzie mniejsza niż w przypadku standardowego ogrzewania, a co za tym idzie – COP wzrośnie.

Jak odpowiednio zaprojektować system ogrzewania z pompą ciepła?

Prawidłowe i wydajne działanie pompy ciepła jest w dużej mierze zależne od projektu całego systemu grzewczego oraz wentylacyjnego. Dom powinien być zaprojektowany i zbudowany tak, by jak najbardziej ograniczyć straty ciepła i zapewnić prawidłowy przepływ świeżego powietrza, optymalną temperaturę i wilgotność. W przypadku pompy ciepła niebagatelne znaczenie ma nie tylko jej typ i model, ale również rodzaj ogrzewania (kaloryfery czy ogrzewanie podłogowe), rodzaj i wielkość dolnego źródła (np. kolektor pionowy lub poziomy w pompie gruntowej) oraz moc pompy.

Na największą efektywność możemy liczyć, łącząc pompę ciepła z ogrzewaniem podłogowym lub innymi formami ogrzewania płaszczyznowego, takimi jak ogrzewanie ścienne lub sufitowe. Ciepło jest wówczas rozprowadzane po pomieszczeniu w bardziej korzystny i wydajny sposób, dzięki czemu temperatura może być niższa niż w przypadku klasycznych systemów ogrzewania – dlatego ogrzewanie płaszczyznowe jest określane mianem niskotemperaturowego, a im mniejsza różnica temperatury pomiędzy dolnym i górnym źródłem pompy ciepła, tym lepiej.

System z pompą ciepła powinien być zaprojektowany przez doświadczonego specjalistę i wykonany ściśle według wytycznych zawartych w projekcie. Tylko wtedy możemy liczyć na pożądane korzyści płynące z posiadania pompy, takie jak niższe koszty ogrzewania i optymalny komfort cieplny.