Nie będzie przesadą stwierdzenie, że w ostatnich latach Polacy pokochali pompy ciepła. Dość powiedzieć, że w 2022 roku to właśnie Polska była krajem z największym wzrostem sprzedaży tych urządzeń w Europie – w sumie sprzedano wówczas u nas ponad 200 tysięcy pomp ciepła. Jednak takiemu wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii nadal towarzyszy wiele pytań. Kwestią, która często najbardziej interesuje potencjalnych inwestorów, jest to, jak wygląda wydajność pompy ciepła przy dużych mrozach. W tym artykule omawiamy właśnie to zagadnienie.
Wydajność pompy ciepła przy dużych mrozach
Zacznijmy od przypomnienia, co to jest pompa ciepła i jak działa. Działanie tego urządzenia opiera się na kilku podstawowych elementach, pomiędzy którymi nieustannie krąży czynnik chłodniczy. Najpierw w parowniku, czyli wymienniku ciepła, zostaje z otoczenia pobrana energia cieplna. Następnie w formie pary jest ona sprężana przez sprężarkę, co powoduje wzrost jej temperatury i ciśnienia. Później jest ona przekazywana do skraplacza, gdzie czynnik chłodniczy oddaje zgromadzone ciepło do układu grzewczego, a sam wraca do płynnej postaci, trafiając finalnie na zawór rozprężny, który obniża jego ciśnienie. Po tych przemianach czynnik chłodniczy jest gotowy do ponownego pobrania ciepła w parowniku.
Przy założeniu, że cała instalacja została wykonana prawidłowo, taki mechanizm gwarantuje wysoką sprawność pompy ciepła, nawet przy niskich temperaturach. Standardowo uznaje się, że pompy ciepła bez problemu pracują nawet przy -25°C temperatury zewnętrznej.
Wydajność urządzenia w odniesieniu do rodzajów pomp ciepła
To, jak radzi sobie pompa ciepła przy dużych mrozach, jest jednak sprawą znacznie bardziej skomplikowaną. Przede wszystkim, dobór pompy ciepła i jej mocy musi być w pewnym stopniu podyktowany wykorzystywanym dolnym źródłem ciepła.
Na rynku dostępne są powietrzne pompy ciepła, gruntowe oraz wodne. Z uwagi na to, że wodne pompy ciepła są stosowane wyjątkowo rzadko, w tym miejscu skupimy się tylko na dwóch pierwszych typach:
- powietrzne pompy ciepła – jest to rozwiązanie uniwersalne i stosunkowo tanie. Urządzenia tego typu pobierają energię cieplną z powietrza atmosferycznego, do którego dostęp jest nieograniczony niezależnie od lokalizacji. Pompy ciepła powietrze można zainstalować praktycznie w każdym budynku;
- gruntowe pompy ciepła – dolnym źródłem ciepła pompy gruntowej jest kolektor poziomy lub pionowy; urządzenie pobiera energię cieplną z gruntu. Jest to jednak rozwiązanie kosztowne, którego dodatkowo nie można przeprowadzić na każdej działce. Wymagane jest bowiem wykonanie głębokich odwiertów lub robót na dużej powierzchni.
Dlaczego w takim razie instalacja gruntowa nie powinna być z góry skreślana, jeżeli specyfika terenu nie wyklucza jej założenia? Tutaj właśnie wracamy do tematu pracy pompy ciepła w okresie niskich temperatur. Gruntowe pompy ciepła montuje się na głębokościach, na których panuje stabilna temperatura, zawsze wynosząca powyżej 0°C. Dzięki temu możliwe jest kupno pompy ciepła o nieco niższej mocy. Mimo tego urządzenie będzie pracować z wysoką efektywnością.
Nieco inaczej wygląda sytuacja z powietrznymi pompami ciepła, których efektywność jest uzależniona od temperatury panującej na zewnątrz. Szeroki zakres temperatur w perspektywie roku powoduje, że zazwyczaj konieczne jest wybranie modelu o stosunkowo większej mocy. Zasada jest bowiem prosta: im chłodniej na dworze, tym więcej mocy potrzebuje pompa ciepła do ogrzania pomieszczeń. Rachunki za energię elektryczną w sezonie grzewczym, zwłaszcza zimą, będą zatem wyższe.
Pompa ciepła a mrozy – czym jest punkt biwalentny?
Istotna różnica między pompą powietrzną a gruntową, wynikającą z pracy w różnym zakresie temperatur, jest konieczność zainstalowania dodatkowego źródła ciepła w przypadku urządzeń powietrznych. Jak powiedzieliśmy wyżej: wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się wydajność urządzenia. W ocenie tego, jak wybrana pompa ciepła będzie sobie radziła ze spadkiem temperatury w okresie zimowym, może pomóc określenie punktu biwalentnego.
Punktem biwalentnym nazywamy temperaturę równowagi, czyli temperaturę, w której moc generowana przez pompę ciepła jest równa stratom cieplnym domu. Mówiąc inaczej, jeśli temperatura otoczenia będzie niższa niż punkt biwalentny, wydajność pompy będzie niższa niż zapotrzebowanie domu na moc grzewczą. W takiej sytuacji pompa nie jest w stanie samodzielnie ogrzewać budynku i jej użycie staje się nieefektywne, dlatego najczęściej w takich okolicznościach korzysta się ze wspomagania grzałki elektrycznej.
Pompę ciepła można jednak skonfigurować na jeden z trzech sposobów:
- konfiguracja monowalentna – w tym wariancie pompa ciepła jest jedynym urządzeniem grzewczym, pokrywa 100% zapotrzebowania domu na moc grzewczą, niezależnie od temperatury otoczenia;
- konfiguracja biwalentna równoległa – w tym przypadku moc pompy ciepła wystarcza do całkowitego pokrycia zapotrzebowania domu na moc grzewczą, aż do temperatury punktu biwalentnego. Po jego przekroczeniu pracę pompy ciepła wspomagają dodatkowe urządzenia, czyli zazwyczaj grzałki elektryczne;
- konfiguracja biwalentna alternatywna – podobnie jak w poprzedniej konfiguracji, tutaj także ogrzewanie pompą ciepła odbywa się do temperatury punktu biwalentnego. Po przekroczeniu tego punktu, pompa automatycznie się wyłącza, a odpowiedzialność za ogrzewanie pomieszczenia spada na inne źródło ciepła, np. kocioł gazowy.
Zasadniczo w Polsce najkorzystniejszym rozwiązaniem jest konfiguracja biwalentna równoległa pompy ciepła. Dobry dobór pompy nie powinien bowiem powodować, że grzałka elektryczna będzie się włączać często. Pompa ciepła, jako samodzielne źródło ciepła, pokrywa bowiem 95-98% czasu pracy w całym sezonie grzewczym.
Sprawność pompy ciepła przy niskich temperaturach – zalecane temperatury dla punktu biwalentnego
Tu oczywiście pojawia się pytanie: przy jakiej temperaturze powietrza zewnętrznego wyznacza się punkt biwalentny? Wszystko zależy od lokalizacji geograficznej, w której jest montowana pompa ciepła. Polska jest bowiem podzielona na pięć stref klimatycznych. Przedstawia je poniższa grafika:
Jak dopasować temperaturę punktu biwalentnego do lokalizacji, w której chcesz zamontować pompę ciepła? Pomocne będą przy tym poniższe dane:
- strefa I: projektowa temperatura zewnętrzna: -16°C; zalecana temperatura punktu biwalentnego: -4°C/-7°C;
- strefa II: projektowa temperatura zewnętrzna: -18°C; zalecana temperatura punktu biwalentnego: -5°C/-8°C;
- strefa III: projektowa temperatura zewnętrzna: – 20°C; zalecana temperatura punktu biwalentnego: -6°C/-9°C;
- strefa IV: projektowa temperatura zewnętrzna: -22°C; zalecana temperatura punktu biwalentnego: -7°C/-10°C;
- strefa V: projektowa temperatura zewnętrzna: -24°C; zalecana temperatura punktu biwalentnego: -8°C/-11°C.
Ważne: punkt biwalentny wyznacza temperatury panujące przez bardzo krótki czas w roku (statystycznie kilkadziesiąt godzin w ciągu roku), dlatego kierując się nimi, można mieć pewność, że pompa będzie efektywnym źródłem ciepła praktycznie przez cały rok.
Pompa ciepła monoblok a spadek temperatury zewnętrznej – jak zabezpieczyć urządzenie?
Zmierzając do końca tego artykułu, warto poruszyć jeszcze jeden aspekt radzenia sobie z niskimi temperaturami. Może to być ważny aspekt, jeśli zastanawiasz się, czy lepszym wyborem będzie pompa ciepla monoblok czy split.
Pompa ciepła typu split charakteryzuje się obecnością dwóch jednostek, pomiędzy którymi przenoszony jest czynnik chłodniczy: zewnętrzną i wewnętrzną. Czynnik chłodniczy nie zamarza w niskich temperaturach, a ciepło trafia do wody grzewczej dopiero w jednostce wewnętrznej. W tym przypadku nie występuje więc ryzyko zamarznięcia.
Inaczej sytuacja wygląda w pompie ciepła monoblok, w której wszystkie elementy znajdują się w obudowie zewnętrznej. Tutaj wymiana ciepła ma miejsce na zewnątrz, a ciepło trafia do instalacji grzewczej poprzez rury hydrauliczne, umieszczone częściowo poza domem. W celu uniknięcia ryzyka zmarznięcia niezbędne jest zastosowanie specjalistycznych zabezpieczeń. Rozwiązaniem może być na przykład wykonanie instalacji zewnętrznej z wykorzystaniem glikolu na całości lub na części z zastosowaniem dodatkowego wymiennika ciepła.
Pompa ciepła a mrozy – o czym należy pamiętać?
Artykuł powinien wyjaśnić Ci kluczowe aspekty związane z eksploatacją pomp ciepła w niskich temperaturach. W ramach podsumowania dodajmy, że wykonanie audytu energetycznego budynku stanowi fundamentalny krok w procesie wyboru odpowiedniego typu i mocy urządzenia. Istotne jest też skonsultowanie się z akredytowanym instalatorem, który dzięki swojemu doświadczeniu pomoże dobrać najlepsze rozwiązanie oraz zapewni profesjonalne wykonanie instalacji.
