Dystrybutorzy pomp ciepła prześcigają się w wyliczaniu ich zalet, sceptycy wskazują wady przy czym niejednokrotnie te same cechy pomp ciepła wymieniane są raz jako wady a raz jako zalety.Z tego względu, korzystając z zaproszenia właścicieli portalu Planergia postanowiłem napisać kilka słów mojego punktu widzenia na temat zastosowania pomp ciepła do ogrzewania budynków.

Czym jest pompa ciepła

Nie wdając się w szczegółowe rozważania techniczne zasada działania pompy ciepła jest bardzo zbliżona do zasady działania lodówki. Jeżeli wyobrazimy sobie, że zamrażalnik lodówki zakopaliśmy pod ziemią, a czarne kratki znajdujące się z tyłu lodówki umieściliśmy na ścianie jako grzejnik to tak przerobiona lodówka jest pompą ciepła. Efektem jej działania jest zatem pobór energii z gruntu i oddanie tej energii do pomieszczeń ogrzewanych, czyli przepływ ciepła od niższej do wyższej temperatury. Można tu znaleźć analogię z pompą cieczy – podobnie jak ciecz płynie samoistnie zawsze w dół tak i ciepło samoistnie płynie w kierunku niższych temperatur. Dla wymuszenia przepływu w kierunku przeciwnym do samoistnego w przypadku cieczy konieczne jest zastosowanie pompy, a w przypadku ciepła wymuszenie jego przepływu w kierunku wyższej temperatury wymaga zastosowania pompy ciepła.

Oczywiście zakopywanie zamrażalnika w gruncie i umieszczanie kratek lodówki jako grzejnika nie byłoby zbyt rozsądne, bo każde rozszczelnienie tak zbudowanego układu groziłoby skażeniem środowiska zewnętrznego lub wewnętrznego. Dlatego też stosuje się obieg cieczy pośredniczącej. Trzymając się przykładu lodówki – możemy ustawić ją w kotłowni, czarne kratki opleść rurką, w której będzie woda krążąca w grzejnikach, a podobnie zamrażalnik opleść rurką w której będzie ciecz krążąca w przewodach zakopanych w gruncie. Taka konstrukcja byłaby praktycznie identyczna z konstrukcją pomp ciepła.

Sprawność pompy ciepła

Jedną z zasad fizyki jest zasada zachowania energii, która mówi, że sumaryczna ilość energii wprowadzona do jakiegoś działającego ciągle urządzenia musi się równać ilości energii wyprowadzonej z tego urządzenia. Jeżeli wyobrazimy sobie, że pompa ciepła pobiera z gruntu 3 jednostki ciepła, a do jej napędu potrzebna 1 jednostki energii elektrycznej, to z zasady tej wynika, że do pomieszczeń ogrzewanych dostarczane są 4 jednostki ciepła, jako że zarówno ciepło jak i energia elektryczna są formami energii. Dla takiej pompy ciepła można zdefiniować sprawność jako stosunek energii oddanej do pomieszczeń, w stosunku do energii włożonej do pompy ciepła, czyli w użytym przykładzie sprawność ta wyniosłaby 4/(1+3)=100%. Ponieważ jednak po pierwsze tak policzona sprawność zawsze by wychodziła równa 100% i nie umożliwiałaby porównywania ze sobą doskonałości konstrukcji różnych urządzeń, a po drugie energia pobierana z gruntu jest za darmo, zatem częściej sprawność pompy ciepła określa się jako stosunek energii oddanej do ogrzewania, w stosunku do energii elektrycznej włożonej do pompy, czyli w przytoczonym przykładzie 4/1 = 400%. Przyzwyczailiśmy się jednak, że sprawność to wielkość mająca wartość niższą od 100%, dlatego też tak określony wskaźnik dla pompy ciepła nazywa się albo efektywnością energetyczną, albo z angielska COP (coefficient of performance). Warto zauważyć, że współczynnik ten dla pompy ciepła zawsze jest większy od jedności, czyli od 100%.

W dalszej części tekstu chciałbym przedstawić swoje stanowisko na temat najczęściej powtarzających się w internecie cech pomp ciepła podnoszonych jako ich zalety lub wady.

Cecha: pompy ciepła to odnawialne źródła ciepła

Odniesienie się do tej cechy wbrew pozorom nie jest takie proste. Jeżeli przyjmiemy, że odnawialne źródło ciepła to takie, które nie powoduje zużycia paliw kopalnych to pompa ciepła będzie źródłem odnawialnym lub nieodnawialnym, zależnie od tego jak została wyprodukowana energia elektryczna służąca do jej napędu. W warunkach polskich zdecydowana większość energii elektrycznej pochodzi ze spalania węgla, zatem korzystanie z pomp ciepła wiąże się w warunkach polskich ze zużywaniem paliw kopalnych. Dla odmiany w warunkach na przykład Norwegii, gdzie niemal cała energia elektryczna produkowana jest w elektrowniach wodnych pompę ciepła uznać można za odnawialne źródło ciepła. Można więc dojść do uzasadnionego wniosku, że to czy pompa ciepła jest źródłem odnawialnym czy nie jest do pewnego stopnia umowna.

Ponieważ pompa ciepła stanowi alternatywę dla ogrzewania na przykład kotłami ogrzewnictwa indywidualnego to do określenia stopnia jej odnawialności dobrze jest dokonać analizy porównawczej – ile paliw kopalnych jest zużywanych przy ogrzewaniu określonego budynku różnymi urządzeniami grzewczymi.

Dla przykładu rozważmy budynek w Polsce, którego właściciel rozważa ogrzewanie kotłem węglowym, grzałkami elektrycznymi oraz pompą ciepła. W każdym z tych przypadków ilość ciepła oddana do pomieszczeń grzewczych musi być taka sama, bo zależy ona od konstrukcji budynku, która może być traktowana jako niezależna od sposobu ogrzewania. Załóżmy ponadto, że współczynnik efektywności pompy ciepła wynosi 3,5,  sprawność kotła węglowego wynosi 70%, a sprawność wytwarzania energii elektrycznej sprzedawanej w Polsce przyjmijmy równą 35%. W takim przypadku dla uzyskania jednostki energii grzewczej z pompy ciepła potrzebujemy 1/3.5=0,286 jednostki energii elektrycznej, a do wyprodukowania tej ilości energii elektrycznej potrzebujemy spalić w polskich elektrowniach 0,286/0,35=0,82 jednostki energii węgla. W przypadku grzałek elektrycznych dla wyprodukowania jednostki ciepła grzewczego potrzebujemy jednostki energii elektrycznej (jako że sprawność grzałek wynosi 100%), a do wyprodukowania tej jednostki energii elektrycznej potrzebujemy 1/0,35=2,86 jednostki energii węgla. W kotle węglowym indywidualnym o sprawności 70% do wyprodukowania jednostki ciepła trzeba spalić 1/0,7=1,42 jednostki energii węgla. Okazuje się zatem, że do wyprodukowania jednostki ciepła najwięcej węgla bo 2,86 potrzebujemy przy stosowaniu grzałek elektrycznych, 1,42 przy zastosowaniu kotła węglowego i 0,82 przy zastosowaniu pompy ciepła.

Cecha druga: pompy ciepła mają sprawności kilkuset procent

Zgodnie z tym co wcześnie napisałem istotnie współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła jest zawsze wyższy niż 100%, a dla typowych pomp spotykanych na rynku wynosi około 400%. Taki wynik pompa osiąga jednak przy standardowych temperaturach pracy (górnej – przy której pompa oddaje ciepło i dolnej przy której ciepło pobiera), a wraz ze wzrostem temperatury górnej i spadkiem dolnej jej efektywność znacznie spada. Dlatego też pompy ciepła najlepiej pracują w takich układach, w których ogrzewany obiekt posiada instalację niskotemperaturową, czyli na przykład ogrzewanie podłogowe. Spadek efektywności pompy ciepła ze wzrostem temperatury górnej sprawia, że pompy szczególnie niekorzystne warunki pracy miałyby przy podgrzewaniu wody użytkowej, dlatego wyposażane są najczęściej w grzałki elektryczne dogrzewające wodę użytkową do pożądanej temperatury. Należy przy tym zauważyć, że we współczesnych dobrze zaizolowanych cieplnie budynkach ilość energii zużywanej do podgrzania wody użytkowej regularnie rośnie i obecnie często przekracza 20 %.

W przypadku pomp ciepła z wymiennikiem gruntowym temperatura poboru ciepła, czyli temperatura gruntu jest bardzo stabilna i niezależna od wahań temperatury otoczenia. Odmienna sytuacja występuje w przypadku pomp ciepła z powietrznym wymiennikiem ciepła. Tego typu pompy „skazane” są pobieranie ciepła z powietrza atmosferycznego. Im niższa temperatura powietrza atmosferycznego tym więcej mocy potrzeba do utrzymania budynku w zadanej temperaturze, a jednocześnie tym gorsza jest efektywność powietrznej pompy ciepła. W efekcie projektując ogrzewanie budynku powietrzną pompą ciepła albo musimy znacznie ją przewymiarować, albo uzupełnić drugim źródłem ciepła. Powietrzne pompy ciepła znajdują więc głównie odbiorców w krajach o łagodniejszym klimacie od polskiego.

Cecha trzecia – pompy ciepła są tanim źródłem ciepła

Ta cecha pomp ciepła podnoszona jest najczęściej przez ich dystrybutorów, którzy wykazują niskie koszty jej eksploatacji. Istotnie przy obecnym układzie cen paliw pompy ciepła pozwalają zaoszczędzić rocznie na kosztach eksploatacji budynku. Zysków tych jednak przeceniać nie należy, bo wobec zwiększających się standardów izolacyjności cieplnej budynku ilość energii zużywanej do ogrzewania systematycznie spada. Przy obecnie budowanych domach oszczędności w kosztach eksploatacji, w stosunku do gazu ziemnego, oceniać można na rząd 1-2 tys PLN. Należy jednak wziąć pod uwagę, że koszt inwestycyjny instalacji z pompą ciepła jest wyraźnie wyższy niż porównywalnej opartej o kocioł gazowy. Rachunek ekonomiczny uwzględniający zarówno koszt inwestycyjny jak i eksploatacyjny często wskazuje, że korzystniejszym ekonomicznie sposobem ogrzewania domu jest kocioł gazowy.

Cecha czwarta – pompy ciepła nie działają w czasie zaniku zasilania energią elektryczną

Oczywiście tak jest w istocie, że przy braku zasilania energią elektryczną budynku nie może też pracować pompa ciepła. Warto jednak dodać, że taki sam minus ma większość systemów ogrzewania, bo na przykład nowoczesne kotły gazowe wymagają zasilania energią elektryczną, a dodatkowo obieg wody w grzejnikach wymuszany jest najczęściej pompą wodną elektryczną. Niemniej jednak, jeżeli ktoś obawia się dłuższego zaniku napięcia to łatwiej jest przewidzieć awaryjną dostawę niewielkiej mocy elektrycznej do zasilania wyłącznie kotła gazowego i pompy wodnej (na przykład z akumulatora samochodowego po zastosowaniu urządzenia zamieniającego prąd stały na zmienny) niż znacznie większej mocy elektrycznej potrzebnej do zasilania pompy ciepła.

Podsumowanie

Pomimo zazwyczaj niekorzystnego dla pompy ciepła rachunku ekonomicznego wiele osób decyduje się na jej zakup. Moim zdaniem składają się na to przede wszystkim dwie przyczyny. Po pierwsze prywatny inwestor nie przeprowadza rachunku ekonomicznego takiego, jak podmiot gospodarczy, lecz wyżej ceni niskie koszty eksploatacji od wysokich kosztów inwestycyjnych. Po drugie dla wielu osób istotnym psychologicznie aspektem jest wyeliminowanie z budynku gazu, nie mówiąc o tym że w wielu lokalizacjach gaz sieciowy jest niedostępny. W przypadku braku dostępu do sieci gazowej i przy chęci inwestora do posiadania bezobsługowego źródła ciepła alternatywą dla pompy pozostają już znacznie droższe eksploatacyjnie kotły na olej opałowy i gaz płynny. W takim przypadku podjęcie decyzji o zakupie pompy ciepła jest znacznie łatwiejsze.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Szlęk

dyrektor ITC