Jak działa pompa ciepła: wszystko, co warto wiedzieć, planując ogrzewanie domu pompą ciepła

Pompy ciepła to ekologiczne i efektywne rozwiązania grzewcze. Ich rosnąca popularność w ostatnich latach wynika zarówno z coraz wyższych cen energii, jak i rosnącej świadomości ekologicznej. W tym artykule przyjrzymy się, jak działają pompy ciepła, jakie są ich rodzaje, zalety oraz koszty eksploatacyjne. Ten kompleksowy przewodnik pomoże Ci zrozumieć, czy pompa ciepła to odpowiednie rozwiązanie dla Twojego domu.

Podstawowa zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które pobiera energię odnawialną z natury (powietrza, gruntu, wody) i przekazuje ją w postaci ciepła do domowej instalacji grzewczej. Działa w sposób odwrotny do lodówki — zamiast usuwać ciepło z wnętrza, pobiera je z zewnątrz i dostarcza do budynku.
Pompa ciepła działa na zasadzie obiegu termodynamicznego, wykorzystując różnicę temperatur między tzw. dolnym źródłem ciepła (np. powietrzem, wodą lub gruntem) a górnym źródłem ciepła (instalacją c.o.). Główne procesy pracy pompy ciepła obejmują parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie czynnika chłodniczego, który przemieszcza ciepło między dolnym a górnym źródłem ciepła.

Pompa ciepła składa się z kilku kluczowych elementów:

▪ Parownik — pobiera ciepło z otoczenia.

▪ Sprężarka — zwiększa ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego.

▪ Skraplacz — oddaje ciepło do systemu grzewczego.

▪ Zawór rozprężny — obniża ciśnienie czynnika chłodniczego, umożliwiając jego ponowne parowanie.

Wyjaśnijmy działanie pompy ciepła na podstawie urządzenia typu powietrze/woda, czy powietrznej pompy ciepła:

1. Wentylator pompy ciepła zainstalowany w jednostce zewnętrznej zasysa powietrze z otoczenia i kieruje je do wymiennika ciepła, przez który przepływa czynnik chłodniczy, czyli ciecz zdolna do parowania w bardzo niskich temperaturach i ciśnieniach.

2. Ciekły czynnik chłodniczy pobiera energię z powietrza, nagrzewa się w parowniku, wrze i przechodzi w stan gazowy.

3. Sprężarka spręża następnie parę czynnika chłodniczego, przez co jego temperatura mocno wzrasta.

4. Gorące pary czynnika chłodniczego trafiają do wymiennika ciepła (skraplacza) i oddają ciepło obiegowi grzewczemu, ulegając przy tym skropleniu.

5. Przez zawór rozprężający czynnik chłodniczy wraca do niskociśnieniowej części obiegu. W wyniku spadku ciśnienia ulega ochłodzeniu i zmienia stan fizyczny na ciekły. Dzięki temu cykl może zacząć się od nowa.

Rodzaje pomp ciepła i ich zastosowanie

▪ Powietrzna pompa ciepła: zasada działania i zastosowanie

Powietrzne pompy ciepła wykorzystują energię cieplną zawartą w powietrzu zewnętrznym. Są popularnym wyborem ze względu na niższe koszty instalacji i uniwersalność. Pomimo spadku efektywności przy niskich temperaturach, nowoczesne modele nadal mogą pracować również w warunkach zimowych, zapewniając ogrzewanie domu i wody użytkowej.

Powietrzne pompy ciepła dostępne jako urządzenia typu split lub monoblok. W pompach ciepła typu split układ chłodniczy rozdzielony jest na dwie jednostki –  zewnętrzną i wewnętrzną, oferując większą elastyczność w montażu. W pompach typu monoblok układ chłodniczy zamknięty jest fabrycznie w jednej jednostce montowanej na zewnątrz, co zapewnia szczelność układu, upraszcza instalację i zmniejsza ryzyko popełnienia błędu na tym etapie.

▪ Gruntowa pompa ciepła: jak działa i kiedy warto ją zastosować?

Gruntowe pompy ciepła czerpią energię odnawialną z ziemi za pomocą pionowych lub poziomych wymienników ciepła. Ze względu na stabilne temperatury gruntu, są wyjątkowo efektywne przez cały rok. Z tego względu bardzo dobrze sprawdzają się również w chłodniejszych strefach klimatycznych oraz w przypadku budynków o wyższym zapotrzebowaniu na energię potrzebną do ogrzewania.
Koszty instalacji gruntowej pompy ciepła są wyższe niż w przypadku pomp powietrznych, jednak dzięki ich wysokiej efektywność w dłuższej perspektywy niosą ze sobą większe oszczędności. Instalacja gruntowej pompy ciepła z wymiennikiem poziomym (kolektorem poziomym) jest tańsza, wymaga jednak dość rozległej działki. Nie jest ona konieczna w przypadku pompy ciepła z wymiennikiem pionowym (sondami) jednak jego wykonanie wiąże się z wyższymi kosztami ze względu na konieczność wykonania głębokich odwiertów. Sondy pionowe zapewniają natomiast bardziej wydajną pracę pompy ciepła z uwagi na mniejszą amplitudę temperatur gruntu na większej głębokości.

▪ Wodne pompy ciepła: budowa i zastosowanie

Wodne pompy ciepła wykorzystują energię zgromadzoną w wodach gruntowych lub powierzchniowych. Wymagają dostępu do stabilnych źródeł wody o odpowiedniej jakości i temperaturze. Są bardzo efektywne, ale ich instalacja jest bardziej skomplikowana i kosztowna. Z tych względów wodne pompy ciepła nie są zbyt popularnym rozwiązaniem w przypadku budynków mieszkalnych.

Zalety i efektywność pompy ciepła

▪ Dlaczego pompa ciepła jest ekologicznym systemem ogrzewania?

Pompy ciepła wykorzystują odnawialne źródła energii, jak energia zakumulowana w powietrzu, gruncie czy wodzie. Wytwarzają kilkukrotnie więcej energii cieplnej niż zużywają elektrycznej (potrzebnej do napędu sprężarki). Pompy ciepła nie emitują przy tym żadnych zanieczyszczeń – nie spalają paliwa, nie wytwarzają spalin, nie przyczyniają się tym sami do emisji zanieczyszczeń i powstawania smogu, co sprawia, że są jednym z najbardziej ekologicznych systemów grzewczych. W połączeniu z instalacją fotowoltaiczną, która dostarcza energię elektryczną do zasilania sprężarki, mogą pracować w 100% ekologicznie.

▪ Jak pompa ciepła dostarcza ciepło w zimie?

Pompy ciepła są przystosowane do pracy w niskich temperaturach, pobierając energię cieplną nawet przy mrozie. Wydajność pompy ciepła nawet znacznie poniżej 0°C jest nadal o wiele wyższa niż systemów grzewczych zasilanych paliwami kopalnymi, np. na olejem opałowym lub gazem, oraz energią elektryczną. Również powietrzne pompy ciepła zapewniają wydajne ogrzewanie w czasie zim, zwłaszcza podczas których temperatury rzadko spadają poniżej -10°C, czyli występujących w większości Europy. Nowoczesne technologie pozwalają im działać wydajnie również przy temperaturze dochodzącej do -25°C, a dodatkowe systemy wspomagające, jak grzałki elektryczne, zapewniają komfort cieplny nawet w ekstremalnych warunkach.

▪ Efektywność pompy ciepła: współczynnik COP i pobór mocy

Efektywność pompy ciepła jest mierzona współczynnikiem COP (Coefficient of Performance), który określa, ile ciepła urządzenie dostarcza na każde 1 kW zużytej energii elektrycznej. Dobrej jakości pompa ciepła może osiągać współczynnik COP na poziomie 3-5, co oznacza, że na każdą jednostkę energii elektrycznej dostarcza 3-5 jednostek ciepła.

Kluczowym czynnikiem wpływającym na efektywność pracy pompy jest różnica temperatur między dolnym źródłem ciepła (np. powietrzem, gruntem) a górnym źródłem, czyli systemem grzewczym. Gdy temperatura dolnego źródła maleje, a odbiornik ciepła utrzymuje stałą temperaturę, współczynnik COP obniża się.

Gruntowe pompy ciepła zazwyczaj działają bardzo wydajnie, nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych, ponieważ temperatura gruntu poniżej strefy przemarzania pozostaje stabilna przez cały rok, co zapewnia wyższą i bardziej stałą efektywność.

Z kolei powietrzne pompy ciepła mogą doświadczać większych spadków wydajności w niskich temperaturach, szczególnie gdy konieczne jest odraszanie podzespołów pompy, by zapobiec gromadzeniu się lodu, który mógłby utrudniać przepływ powietrza. Niemniej jednak, nowoczesne powietrzne pompy ciepła są zaprojektowane tak, aby skutecznie działały także przy ujemnych temperaturach.

Ogrzewanie budynku pompą ciepła i nie tylko

Instalacja pompy ciepła wymaga dobrze zaprojektowanego systemu, który uwzględnia zapotrzebowanie na ciepło budynku, rodzaj instalacji grzewczej (podłogowe ogrzewanie, grzejniki niskotemperaturowe) oraz warunki lokalne.

▪ System grzewczy z pompą ciepła

Najwyższa sprawność pompy ciepła osiągają, gdy różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem ciepła jest jak najmniejsza. Z tego względu działają one najwydajniej w połączeniu z systemami ogrzewania niskotemperaturowego, takim jak ogrzewanie podłogowe czy grzejniki niskotemperaturowe. Tradycyjne ogrzewanie grzejnikowe, z uwagi na stosunkowo małą powierzchnię grzewczą, wymaga wysokiej temperatury wody w instalacji, która może sięgać nawet 75°C. Natomiast w systemie ogrzewania podłogowego, dzięki dużej powierzchni grzewczej, ciepło jest rozprowadzane równomiernie poprzez promieniowanie. To pozwala na zasilanie instalacji wodą o temperaturze zaledwie 35/28°C, co znacznie poprawia efektywność działania pompy ciepła.

Producenci oferują także powietrzne pompy ciepła przeznaczone specjalnie do modernizacji istniejących systemów grzewczych. Urządzenia te mogą pracować z temperaturą zasilania sięgającą 70°C, co pozwala na ich integrację z tradycyjnymi systemami bez konieczności przechodzenia na ogrzewanie podłogowe ani wymiany grzejników na modele niskotemperaturowe.

▪ Ciepła woda użytkowa dzięki pompie ciepła

Pompy ciepła oprócz ogrzewania pomieszczeń, dostarczają również ciepłą wodę użytkową. Mogą to robić dzięki podłączonemu do systemu grzewczego zasobnika. W sprzedaży dostępne są również specjalne pompy ciepła przeznaczone wyłącznie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Pobierają one energię z powietrza wewnątrz pomieszczenia lub z powietrza zewnętrznego i zmieniają ją w ciepło o temperaturze umożliwiającej podgrzew wody użytkowej. W ten sposób pompa ciepła do c.w.u. może samodzielnie przygotować wodę użytkową, zastępując elektryczny bojler, podgrzewacz czy kocioł grzewczy.

▪ Chłodzenie domu pompą ciepła

Pompa ciepła oprócz ogrzewania domu i wody użytkowej, może również być wykorzystywana do schładzania pomieszczeń w okresie letnim, co czyni ją niezwykle uniwersalnym urządzeń, zapewniającym komfort cieplny w domu bez względu na porę roku. Chłodzenie pompą ciepła realizowane jest przy wykorzystaniu niskiej temperatury dolnego źródła ciepła lub przez odwróconą pracę pompy ciepła.

Koszty i dofinansowanie pomp ciepła

▪ Ile kosztuje pompa ciepła: analiza cen pomp ciepła

Cena pompy ciepła zależy od rodzaju, mocy, jakości urządzenia oraz renomy producenta. Koszt zakupu powietrznej pompy ciepła wynosi od 25 000 do 40 000 zł, podczas gdy gruntowe pompy ciepła mogą kosztować nawet 60 000 zł i więcej. Do tego dochodzą koszty instalacji i materiałów.

▪ Koszty eksploatacyjne i żywotność pompy ciepła

Pompy ciepła charakteryzują się długą żywotność, a regularna konserwacja zapewnia optymalną pracę przez wiele lat. Dzięki temu są one inwestycją długoterminową.
Koszt eksploatacji pompy ciepła zależy od wielu czynników, w tym od rodzaju pompy, wielkości domu oraz warunków klimatycznych. Szacuje się, że ogrzewanie domu pompą ciepła jest tańsze o 30-50% w porównaniu z tradycyjnymi systemami grzewczymi opartymi na gazie lub oleju opałowym.

▪ Dofinansowanie na zakup i montaż pompy ciepła

Koszt inwestycji w pompę ciepła można znacznie obniżyć dzięki dostępnym programom dofinansowania:

Program „Moje Ciepło” oferuje wsparcie finansowe na zakup i montaż pomp ciepła w nowo wybudowanych domach jednorodzinnych. Mogą z niego skorzystać osoby fizyczne, które są właścicielami lub współwłaścicielami takiego budynku, wymienionymi w pozwoleniu na budowę lub zgłoszeniu budowy. Wysokość dofinansowania zależy od rodzaju pompy ciepła oraz od posiadania Karty Dużej Rodziny. W przypadku instalacji gruntowej pompy ciepła dotacja może wynieść do 30% kosztów kwalifikowanych, maksymalnie do 21 000 zł. Dla powietrznych pomp ciepła wsparcie jest niższe – do 7 000 zł. Posiadacze Karty Dużej Rodziny mogą ubiegać się o dofinansowanie do 45% kosztów kwalifikowanych, niezależnie od typu pompy ciepła.

Osoby, które planują termomodernizację budynku oraz wymianę starego, nieefektywnego kotła na paliwo stałe na pompę ciepła mogą skorzystać ze wsparcia oferowanego przez program „Czyste Powietrze”. Wysokość dotacji uzależniona jest od dochodów wnioskodawcy oraz zakresu i rodzaju inwestycji. W ramach programu można uzyskać dofinansowanie na modernizację domu i wymianę systemu grzewczego – do 66 000 zł przy podstawowym poziomie dofinansowania, do 99 000 zł przy poziomie podwyższonym oraz do 135 000 zł przy najwyższym poziomie wsparcia.

Podsumowanie

Pompy ciepła to zaawansowane, ekologiczne i efektywne systemy ogrzewania, które wykorzystują odnawialne źródła energii. Choć początkowy koszt zakupu i instalacji może być wyższy, długoterminowe oszczędności na rachunkach za energię oraz możliwość uzyskania dofinansowania czynią je opłacalną inwestycją. Decydując się na pompę ciepła, nie tylko zmniejszasz swoje koszty ogrzewania, ale także wspierasz ochronę środowiska.