Pompa ciepła – jak działa i od czego zależy jej sprawność

Zasada działania w jednym akapicie

Ciepło samo z siebie płynie tylko w jedną stronę: od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Żeby ogrzać dom ciepłem z zimowego powietrza, trzeba ten kierunek odwrócić, a to wymaga włożenia pracy. Dokładnie to robi pompa ciepła. Urządzenie wykorzystuje fakt, że temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia. Przy niskim ciśnieniu czynnik chłodniczy wrze już w temperaturach mocno ujemnych i odbiera przy tym ciepło z otoczenia. Po sprężeniu ta sama substancja skrapla się w temperaturze kilkudziesięciu stopni i oddaje ciepło wodzie krążącej w instalacji. Energia elektryczna służy więc nie do grzania, lecz do „przepompowania” ciepła z niższego poziomu temperatury na wyższy.

Identyczny obieg pracuje w każdej lodówce i każdym klimatyzatorze. Lodówka zabiera ciepło z komory i oddaje je przez kratkę z tyłu obudowy do kuchni. Pompa ciepła robi to samo, tylko „komorą” jest ogród albo grunt, a „kratką z tyłu” – ogrzewanie podłogowe czy grzejniki. Od strony fizyki nie ma tu nic egzotycznego; obieg sprężarkowy jest znany i stosowany od ponad stu lat. Nowe są przede wszystkim sprężarki o płynnie regulowanej mocy, elektroniczne zawory rozprężne i automatyka, która pilnuje, by cały układ pracował w możliwie korzystnym punkcie.

Trzy obiegi, które trzeba od siebie odróżnić

W rozmowach o pompach ciepła często miesza się trzy różne obiegi, co utrudnia zrozumienie zarówno zasady działania, jak i późniejszych usterek:

• Dolne źródło – to, skąd ciepło jest pobierane. W pompie powietrznej jest nim po prostu powietrze przetłaczane przez wentylator. W gruntowej – zamknięty obieg roztworu glikolu w rurach ułożonych w ziemi. W pompie woda–woda – woda ze studni czerpnej, która po schłodzeniu wraca do studni zrzutowej.
• Obieg chłodniczy – szczelny układ z czynnikiem, sprężarką, dwoma wymiennikami i zaworem rozprężnym. To serce urządzenia, zamknięte fabrycznie (monoblok) albo łączone rurami chłodniczymi na budowie (split).
• Górne źródło – instalacja w budynku: ogrzewanie podłogowe, grzejniki, klimakonwektory i zasobnik ciepłej wody użytkowej.

O sprawności decyduje różnica temperatur między źródłem dolnym a górnym. Każdy stopień mniej po stronie instalacji albo więcej po stronie źródła oznacza mniejszy spręż, a więc mniej prądu na tę samą ilość ciepła. Czytelnik, który dopiero zaczyna temat, znajdzie spokojne wprowadzenie w tekście czym jest pompa ciepła i jakie są jej rodzaje; tutaj skupiamy się na samym mechanizmie.

Odszranianie – skąd się bierze i ile kosztuje

Parownik pompy powietrznej jest zimniejszy od powietrza, które przez niego przepływa. Gdy jego powierzchnia ma temperaturę poniżej zera, para wodna z powietrza osiada na lamelach jako szron. Najwięcej szronu powstaje nie w silny mróz, kiedy powietrze jest suche, lecz w przedziale mniej więcej od minus 5 do plus 5°C przy wysokiej wilgotności, czyli w typowej polskiej pogodzie późnej jesieni i przedwiośnia.

Większość urządzeń odszrania się przez odwrócenie obiegu: zawór czterodrogowy zamienia rolami parownik i skraplacz, a ciepło potrzebne do stopienia lodu pobierane jest z wody w instalacji. Dlatego producenci wymagają minimalnej pojemności wodnej układu i minimalnego przepływu. Jeśli wody jest za mało, jej temperatura podczas odszraniania spada zbyt mocno i sterownik zgłasza błąd. Energia zużyta na odszranianie jest uwzględniona w SCOP, ale w wilgotnej lokalizacji – nad wodą, w kotlinie, przy mgłach – cykli będzie więcej niż w obliczeniach normowych.

Stopiona woda musi mieć dokąd odpłynąć. Jednostka powinna stać na podstawie wyniesionej ponad grunt, z odprowadzeniem skroplin do warstwy żwiru lub do kanalizacji deszczowej poniżej strefy przemarzania. Lód narastający pod urządzeniem i na chodniku obok to jeden z najczęstszych skutków pominięcia tego szczegółu.

Punkt biwalentny i rola grzałki

Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej dzieją się dwie rzeczy naraz: budynek potrzebuje coraz więcej ciepła, a pompa powietrzna jest w stanie dostarczyć go coraz mniej. Te dwie linie przecinają się w punkcie biwalentnym. Powyżej tej temperatury sprężarka samodzielnie ogrzewa dom, poniżej potrzebuje wsparcia – najczęściej grzałki elektrycznej wbudowanej w jednostkę wewnętrzną, rzadziej drugiego źródła, na przykład istniejącego kotła.

Projektanci często ustawiają punkt biwalentny w okolicach od minus 5 do minus 10°C. Wynika to z rachunku: dni z niższą temperaturą jest w roku niewiele, więc grzałka dostarcza zaledwie kilka procent rocznego ciepła, a mniejsze urządzenie jest tańsze i przez resztę sezonu pracuje w korzystniejszym zakresie modulacji. Dobór pompy „z zapasem” na najsilniejszy mróz bywa błędem. Przewymiarowana sprężarka w okresach przejściowych nie może zejść z mocą wystarczająco nisko, więc często się włącza i wyłącza, co skraca jej żywotność i pogarsza sprawność.

Podstawą doboru powinno być obliczeniowe zapotrzebowanie budynku na ciepło, najlepiej z audytu lub z obliczeń obciążenia cieplnego pomieszczeń, a nie przelicznik „watów na metr”. W domu ogrzewanym dotąd gazem dobrą weryfikacją jest rzeczywiste zużycie paliwa z kilku sezonów.

Ciepła woda użytkowa

Przygotowanie ciepłej wody odbywa się w tym samym obiegu, tylko zawór przełączający kieruje wodę grzewczą do wężownicy zasobnika zamiast do instalacji. Ponieważ woda użytkowa ma mieć 45–55°C, sprawność w tym trybie jest niższa niż przy zasilaniu podłogówki. Zasobnik do pompy ciepła ma wężownicę o dużej powierzchni, zwykle kilkukrotnie większej niż w zasobniku do kotła, bo wymiana ciepła zachodzi przy małej różnicy temperatur. Wykorzystanie starego zasobnika z małą wężownicą kończy się długim czasem ładowania i wysokim ciśnieniem skraplania.

Współpraca pompy ciepła z fotowoltaiką

Pompa ciepła przenosi koszty ogrzewania z paliwa na prąd, więc pomysł, by ten prąd produkować samemu, nasuwa się naturalnie. Trzeba jednak uczciwie spojrzeć na kalendarz. Instalacja fotowoltaiczna w Polsce daje około 950–1050 kWh rocznie z każdego kilowata mocy, z czego zdecydowaną większość między kwietniem a wrześniem. Pompa ciepła zużywa najwięcej od listopada do marca. Bezpośrednie pokrycie zimowego zużycia własną produkcją jest więc niewielkie.

W dawnym systemie opustów, dostępnym dla prosumentów, którzy zgłosili instalację do 31 marca 2022 r., letnie nadwyżki wracały zimą w stosunku 1:0,8 lub 1:0,7 i układ „PV plus pompa” bilansował się niemal w kilowatogodzinach. W net-billingu, obowiązującym od 1 kwietnia 2022 r., nadwyżki są wyceniane w złotówkach po cenach rynkowych, a zimowy pobór opłaca się według taryfy sprzedawcy. Bilans nadal bywa korzystny, ale wymaga policzenia, a nie założenia z góry. Mechanizm rozliczeń opisujemy szerzej w tekście o tym, czy fotowoltaika się opłaca, a wstępny rachunek dla własnego zużycia można zrobić w narzędziu, jakim jest kalkulator fotowoltaiki.

Realne korzyści z połączenia obu urządzeń pojawiają się tam, gdzie pompa może zużyć prąd w chwili jego produkcji:

• ciepła woda w południe – harmonogram ładowania zasobnika ustawiony na godziny największej produkcji, ewentualnie z podniesioną temperaturą nastawy;
• okresy przejściowe – w marcu, kwietniu i październiku dom jeszcze wymaga ogrzewania, a panele już pracują z sensowną mocą;
• chłodzenie latem – jeśli instalacja na to pozwala, zapotrzebowanie na chłód niemal idealnie pokrywa się z produkcją;
• akumulacja w budynku – masywna wylewka ogrzewania podłogowego przyjmuje ciepło w dzień i oddaje je wieczorem; funkcja bywa oznaczana jako SG Ready albo wejście „PV”.

Dobierając moc paneli pod dom z pompą ciepła, trzeba doliczyć jej roczne zużycie do dotychczasowego zużycia gospodarstwa. Jak przeliczać moc instalacji na roczną produkcję, wyjaśniamy w poradniku kWp a kWh. Informacje o wsparciu finansowym – w tym o edycjach programu, które obejmowały również pompy ciepła i magazyny – zebraliśmy na stronach Mój Prąd oraz finansowanie inwestycji. Aktualny stan naborów zawsze trzeba sprawdzić u źródła, czyli w serwisie Ministerstwa Klimatu i Środowiska oraz na stronach poszczególnych programów.

Co najczęściej psuje sprawność w praktyce

Na koniec lista przyczyn, przez które poprawnie zbudowane urządzenie pracuje gorzej, niż mogłoby. Niemal wszystkie leżą poza obiegiem chłodniczym: zbyt wysoko ustawiona krzywa grzewcza, zbyt małe przepływy przez niewyregulowaną instalację, przymknięte zawory termostatyczne w większości pomieszczeń, zasobnik ciepłej wody z cyrkulacją pracującą całą dobę, niepotrzebnie aktywny tryb antylegionella z codziennym przegrzewem grzałką oraz jednostka zewnętrzna ustawiona we wnęce, w której zasysa własne schłodzone powietrze. Zanim więc ktoś uzna, że „pompa ciepła nie działa”, warto sprawdzić te kilka punktów w nastawach i w kotłowni.