Różnica tych mocy jest ciepłem pozyskanym ze środowiska. I tak np. współczynnik 4 oznacza, że uzyskana moc grzewcza jest czterokrotnie wyższa od pobranej mocy elektrycznej.

I tu zaczynają się reklamowe niedomówienia. Niemal we wszystkich katalogach i ofertach pomp ciepła, wzorem opracowań naukowych, podawany jest współczynnik efektywności samej pompy ciepła i tak też obliczane są oszczędności ogrzewania. Nieporozumienia zaczynają się dopiero wtedy, kiedy użytkownik centrali grzewczej z pompą ciepła zainstaluje licznik energii elektrycznej przed tablicą rozdzielczą centrali i stwierdzi większe zużycie prądu niż zakładano przy zakupie pompy ciepła. Prawdziwy bilans energii źródła ciepła powinien uwzględniać wszystkie niezbędne elementy centrali grzewczej. Większość systemów pozyskania ciepła ze środowiska wymaga zastosowania urządzeń zużywających energię elektryczną, a energochłonność poszczególnych systemów jest znacznie zróżnicowana.

 

We systemu grzewczego z pompą ciepła

  Maks. moc grzewcza 10 kW 10 kW 10 kW
Maksymalna temp. wody zasil. 55 °C
Zapotrzebowanie mocy elektrycznej Powietrze woda

[kW]

Solanka z kol. grunt.

[kW]

Solanka z sondami

[kW]

Woda przy złej jakości wody

[kW]

Woda przy dobrej jakości wody

[kW]

Sprężarka 3,33 2,27 2,27 2,27 1,89
Pompy wymiennika solanka/woda xxx xxx xxx 0,25 xxx
Pompa głęb. xxx xxx xxx 0,55 0,55
Pompa obieg solanki   0,25 0,25 xxx xxx
Pompa bufora 0,1 0,1 0,1 001 0,1
Wentylatory wliczona xxx xxx xxx xxx
Pompa obiegowa c.o. 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Pompa obiegowa c.w.u. 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Pompa cyrkulacyjna c.w.u. 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025
Razem 3,66 2,85 2,85 3,4 2,76
Wsp. efekt. pompy 3 4,4 4,4 4,4 5,3
Wsp. efekt. systemu 2,73 3,51 3,51 2,95 3,62

Centrala cieplna pobiera prąd nie tylko do napędu sprężarki pompy ciepła, lecz też do urządzeń pomocniczych niezbędnych do jej funkcjonowania. Drastycznym tego przykładem jest pompa ciepła woda/woda, przy którym współczynnik efektywności najczęściej przekracza 4. I to jest prawdziwe, jeśli przyjmiemy tylko współczynnik dla samej pompy ciepła. Jednak dla pracy centrali, np. ze studniami wody powierzchniowej, potrzebny jest też prąd do napędu pompy głębinowej, który najczęściej dla małych pomp ciepła wynosi około 15% mocy potrzebnej do napędu sprężarki. Występuje też zużycie prądu do napędu pomp obiegowych centrali i instalacji grzewczej. Faktyczny współczynnik efektywności całego systemu grzewczego jest zdecydowanie niższy.

Następnym ważnym czynnikiem wpływającym na faktyczny współczynnik centrali grzewczej woda/woda jest jakość wody czerpanej ze studni. W przypadku jakości wody powodującej zagrożenie korozji parownika lub jego zanieczyszczenia istnieje konieczność rozdzielenia obiegu wody ze studni od obiegu wody przez parownik wymiennikiem płytowym. Powoduje to obniżenie temperatury wody w obiegu parownika i w konsekwencji konieczność zastosowania w nim mieszaniny wody z glikolem, powodującej dalsze obniżenie współczynnika efektywności pompy ciepła i całego systemu grzewczego.
Zastanawiający jest fakt podawania współczynnika efektywności pompy ciepła woda/woda dla temperatury dolnego źródła ciepła + 10°C. Prawdopodobnie dane te są wzięte z zachodnich warunków klimatycznych. W praktyce nie spotkałem na Wybrzeżu wody gruntowej o temperaturze wyższej niż 8,5° C. Obniżenie temperatury dolnego źródła ciepła o 1K powoduje obniżenie mocy grzewczej pompy ciepła o ok. 3%, a więc dalszy spadek współczynnika efektywności systemu grzewczego.

 Ciepła woda użytkowa

Dalszym powodem nieporozumień jest współczynnik efektywności dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Przy obecnych standardach budowlanych w budownictwie mieszkaniowym, zużycie energii grzewczej na podgrzewanie ciepłej wody użytkowej wynosi ok. 35% całkowitego zapotrzebowania energii grzewczej budynku. A więc współczynnik efektywności pompy ciepła w porównaniu do podawanego w katalogach dla parametrów 10/35 spada tylko z tego powodu o 34,5%. Dla podgrzania ciepłej wody do temperatury 45°C, nawet przy zastosowaniu podgrzewacza z podwójną wężownicą, wymagana temperatura wody grzewczej przy standardowych czasach podgrzewania ciepłej wody, wynosi minimum 65°C. W pompach ciepła woda/woda i solanka/woda jest to trudne do osiągnięcia. Konieczność uzyskania tak wysokiej temperatury powoduje zmniejszenie współczynnika efektywności pompy o ok. 10% w stosunku do temperatury 55°C. Powoduje to zwiększenie całkowitego zużycia energii elektrycznej w roku o ok. 12%.

 Powietrzna pompa ciepła

Najmniej nieporozumień występuje przy zastosowaniu systemu grzewczego z pompą ciepła powietrze/woda, gdzie współczynnik efektywności podawany jest łącznie z mocą elektryczną do napędu wentylatora parownika, a temperatura wody zasilającej 65°C jest bezproblemowo osiągana.

 Rzeczywiste We dla systemów grzewczych z pompą ciepła

Dla zobrazowania faktycznych współczynników central grzewczych z pompami ciepła przedstawiam tabelę opartą na obliczeniach rocznego zapotrzebowania energii grzewczej dla budynku o ok. 200 m powierzchni ogrzewalnej.
Założenia:

  • maksymalna moc grzewcza przy temperaturze zewnętrznej tz -16°C – 10 kW,
  • temperatura wody w instalacji grzewczej przy tz -16°C -zasilanie 55°C, powrót 55°C,
  • temperatura instalacji grzewczej do podgrz. c.w.u. -zasilanie 65°C, powrót 60°C,
  • temperatura ciepłej wody użytkowej 45°C,
  • temperatura zewnętrzna dla przykładowej pompy ciepła 2°C,
  • temperatura wody ze studni 8,5°C, .głębokość studni 30 m,
  • głębokość sond ziemnych 30 m.

Z tabel wynika, że podawane w katalogach współczynniki efektywności dla pomp ciepła znacznie odbiegają od rzeczywistych współczynników całego systemu grzewczego z pompą ciepła i w przybliżeniu niewiele od siebie odbiegają. Brak w tabeli współczynnika pompy ciepła powietrze/woda wynika z jego zmienności w zależności od temperatury zewnętrznej.
Najbardziej zbliżonym współczynnikiem systemu grzewczego do współczynnika samej pompy ciepła jest współczynnik powietrznej pompy ciepła uwzględniający pobór energii elektrycznej potrzebnej do napędu wentylatorów. Obliczenia te powinny zaprzeczyć opinii, że najefektywniejszym systemem jest system woda/woda ze studniami wody powierzchniowej, a najmniej efektywnym jest system powietrze/woda. Należy również dodać, że współczynnik efektywności nie uwzględnia kosztów serwisowania, który przy systemie powietrze/woda jest najniższy, a w systemie woda/woda najwyższy.

Systemy gruntowe

W systemach gruntowych współczynnik efektywności jest zależny od łącznej długości rur kolektorów poziomych czy pionowych. Długość ta z kolei zależy od jakości gruntu, w szczególności od jego wilgotności.
Długości te mogą być bardzo zróżnicowane. Wydajność gruntu dla kolektorów gruntowych, a co za tym idzie długość łączna kolektora, waha się od 10 W/m dla gruntu suchego i piaszczystego do 40 W/m dla podmokłych gruntów gliniastych. Dla kolektorów pionowych (sond ziemnych) wydajność sondy waha się od 30 W/mb dla gruntów suchych i piaszczystych do 100 W/mb dla podmokłych gruntów gliniastych. Długość rur kolektorów poziomych czy pionowych ma bardzo duży wpływ na pobór mocy pomp obiegowych solanki, a więc na współczynnik efektywności całego systemu grzewczego z pompą ciepła solanka/woda.

Studnie

Tabela 2. Średnie całoroczne współczynniki efektywności z uwzględnieniem podgrzewania ciepłej wody użytkowej

  System Pompa ciepła
System z pompą ciepła powietrze/woda 35 i 65 dla c.w.u. 3,08  
System z pompą ciepła solanka 0/woda 35 i 65 dla c.w.u. 3,27 4,4
System z pompą ciepła woda 10/woda 35 i 65 dla c.w.u. przy dobrej jakości wody gruntowej czy powierzchniowej 3,37 5,3
System z pompą ciepła woda 10/woda 35 i 65 dla c.w.u. przy złej jakości wody gruntowej czy powierzchniowej 2,73 5,3

Jeszcze większy wpływ na ten współczynnik ma głębokość studni w systemach woda/woda. Charakterystyka wydajności pompy głębinowej jest bardzo płaska. Oznacza to, że każdy dodatkowy metr w wysokości podnoszenia powoduje znaczny spadek przepływu wody przez parownik. W przypadku konieczności wiercenia głębszych studni zachodzi więc konieczność zastosowania pompy głębinowej o większym poborze mocy elektrycznej, co odbija się bardzo niekorzystnie na współczynniku efektywności całego systemu grzewczego z pompą ciepła.

Za duża pompa ciepła

Dalszym, bardzo częstym przypadkiem wpływającym na obniżenie współczynnika efektywności systemu grzewczego z pompą ciepła jest zainstalowanie przewymiarowanej pompy ciepła, a więc pompy ciepła o większej mocy grzewczej niż zapotrzebowanie budynku na cele grzewcze. Dodawanie mocy grzewczej na potrzeby podgrzewania ciepłej wody użytkowej jest tutaj najczęstszym błędem. Dla normalnych budynków mieszkalnych jest to zbędne, gdyż programując priorytet grzania ciepłej wody, przy krótkim okresie jej podgrzewania, wyłączenie ogrzewania budynku nie powoduje jego zauważalne- go wyziębienia. Przewymiarowana pompa ciepła powoduje częstsze włączanie i wyłączanie sprężarki, większy więc pobór mocy na rozruch, a więc i większy ogólny pobór energii elektrycznej, nie mówiąc o jej szybszym zużyciu. Dlatego wręcz niezbędne jest zastosowanie zbiornika buforowego wody grzewczej powodującego wydłużenie cyklu pracy sprężarki.
Korzystniejsze jest też zastosowanie systemu biwalentnego z grzałką elektryczną w buforze, wspomagającą pompę ciepła przy najniższych temperaturach zewnętrznych. Są to bardzo krótkie okresy w sezonie grzewczym i zwiększone zużycie prądu o zasilanie grzałki będzie mniejsze niż zwiększone zużycie prądu przy zainstalowaniu przewymiarowanej pompy ciepła.

Zapotrzebowanie ciepła

Duży wpływ na optymalny dobór pompy ciepła ma realne obliczenie zapotrzebowania ciepła budynku. I tu spotykam się z dalszymi naleciałościami z przeszłości, gdzie koszty ogrzewania nie były wysokie i do zapotrzebowania ciepła dodawano wszelkiego rodzaju współczynniki bezpieczeństwa, zakładając, że użytkownik nie reklamuje w przypadku przegrzanych pomieszczeń. Przy obecnych cenach energii wydaje się słuszniejsze zaakceptować niewielkie niedogrzanie w okresie najniższych temperatur zewnętrznych mając w zamian ok. 20% zmniejszenie rocznych kosztów ogrzewania i zmniejszenie kosztów inwestycji.

Dobór pompy ciepła

Pompa ciepła w systemach grzewczych nie może być porównywana do kotła grzewczego, gdyż jej zasada działania polega na zgraniu trzech obiegów; obiegu dolnego źródła ciepła, obiegu pośredniego (freonu) i obiegu czynnika grzewczego (górnego źródła ciepła). Wszystkie te obiegi są ze sobą ściśle skoordynowane systemem automatycznej regulacji i zakłócenia w którymkolwiek z nich powodują zakłócenia pracy całego systemu. W konwencjonalnym kotle grzewczym mamy do czynienia jedynie z dwoma obiegami: obiegiem płomienia i obiegiem wody grzewczej. Ze szkoły wiemy, że równanie z dwoma niewiadomymi jest łatwe do rozwiązania, gdyż posiada dwa rozwiązania, natomiast równanie z trzema niewiadomymi jest trudniejsze i posiada sześć rozwiązań. Takie porównanie można zastosować zestawiając pracę kotła grzewczego z pracą pompy ciepła.
Dystrybutorom i instalatorom pomp ciepła zależy na sprzedaży większej pompy ciepła, gdyż jest ona droższa, a więc jej sprzedaż przynosi większy zysk. Jednak świadomi użytkownicy, a z takimi mamy w większości do czynienia wśród potencjalnych użytkowników pomp ciepła, kontrolują koszty ogrzewania i pracy pompy ciepła. Montują niezbędne liczniki energii elektrycznej i energii cieplnej. Prowadzą nawet komputerowy rejestr większości parametrów wpływających na pracę systemu. Przy efektach niezgodnych z oferowanymi przy dostawie systemu grzewczego dochodzą do wniosku, że podjęli błędną decyzję o zastosowaniu systemu grzewczego z pompą ciepła. Takie wadliwe realizacje central grzewczych przyczyniają się do rozpowszechniania niesłusznych, negatywnych opinii o systemach grzewczych z pompami ciepła.

Najtańsze koszty

Systemy grzewcze z pompami ciepła należą bezspornie do systemów o najtańszych kosztach ogrzewania. Projekt i montaż centrali grzewczej z pompą ciepła powinien być powierzony specjalistycznej firmie o dużej wiedzy teoretycznej i praktycznej w zakresie ciepłownictwa i chłodnictwa, której nie posiadają niektóre firmy instalacyjne czy dystrybutorzy pomp ciepła. Nie można zainstalować optymalnej centrali z pompą ciepła, nie posiadając wiedzy o komforcie cieplnym, wiedzy budowlanej i podstawowej wiedzy o prawidłowym działaniu instalacji grzewczej i wentylacji.
Dużym błędem ze strony potencjalnych inwestorów jest też branie pod uwagę jako jedynego kryterium realizacji: kosztów inwestycji. Najtańsze inwestycje okazują się w praktyce najdroższymi, gdyż jakość tanich urządzeń powoduje konieczność dodatkowego inwestowania w bliskiej przyszłości, a niska jakość wykonawstwa powoduje konieczność licznych poprawek i uzupełnień. Zapewnienia i gwarancje jakościowe mają tu niewielkie znaczenie ze względu na wiele luk prawnych w tym zakresie i niestabilność firm.

Źródło: Magazyn Instalatora nr 1 (65), styczeń 2004