Pompy ciepła powietrze-woda — zasada działania i zastosowanie

Zewnętrzna jednostka pompy ciepła powietrze-woda. Źródło: Wikimedia Commons, CC BY-SA

Zasada działania

Pompa ciepła powietrze-woda pobiera energię cieplną zawartą w powietrzu zewnętrznym i przenosi ją do instalacji grzewczej budynku. Proces opiera się na obiegu termodynamicznym z czynnikiem chłodniczym, który kolejno odparowuje, ulega sprężeniu, skrapla się i wraca do stanu ciekłego. W efekcie urządzenie dostarcza do instalacji więcej energii cieplnej, niż samo pobiera w postaci energii elektrycznej.

Stosunek dostarczonej energii cieplnej do zużytej energii elektrycznej określany jest jako współczynnik COP (ang. Coefficient of Performance). Wartość COP zmienia się w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego i wymaganej temperatury zasilania instalacji. Im wyższa temperatura zewnętrzna i niższa wymagana temperatura zasilania, tym wyższy COP.

Kluczowe parametry techniczne

COP — chwilowy współczynnik wydajności, zależny od warunków pracy
SCOP — sezonowy współczynnik wydajności, średnia dla całego sezonu grzewczego
Temperatura biwalencji — temperatura zewnętrzna, poniżej której pompa ciepła potrzebuje wsparcia dodatkowego źródła ciepła
Zakres roboczy — minimalna temperatura zewnętrzna, przy której urządzenie jest w stanie pracować

Polska strefa klimatyczna a efektywność sezonowa

Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego przejściowego, z wyraźnymi różnicami regionalnymi. W zachodniej części kraju zimy są łagodniejsze i wilgotniejsze, natomiast w regionach wschodnich i podgórskich temperatury zimą mogą regularnie sięgać -15°C i niżej. Parametr SCOP dla typowej pompy ciepła powietrze-woda podawany przez producentów wyznaczany jest dla konkretnych stref klimatycznych według normy EN 14825.

W Polsce najczęściej stosuje się dane klimatyczne dla Strasburga (strefa klimatyczna A w normach europejskich), choć klimat centralnej i wschodniej części kraju jest chłodniejszy. Projektując instalację w rejonie Mazur, Podlasia czy Podhala, należy stosować bardziej konserwatywne założenia dotyczące efektywności i rozważyć wyższe temperatury biwalencji lub wsparcie elektryczne.

Typy instalacji

Monoblok i split

Pompy ciepła powietrze-woda dostępne są w dwóch podstawowych konfiguracjach. W układzie monoblok cały obieg czynnika chłodniczego zamknięty jest w zewnętrznej jednostce, a do budynku prowadzi tylko instalacja wodna. Eliminuje to konieczność posiadania przez instalatora uprawnień do pracy z czynnikami chłodniczymi i upraszcza serwis. W układzie split jednostka zewnętrzna połączona jest z wewnętrznym modułem hydraulicznym rurami czynnika chłodniczego. Taka konfiguracja może oferować nieco wyższą efektywność w niskich temperaturach zewnętrznych.

Praca z ogrzewaniem podłogowym

Pompy ciepła osiągają najlepsze wskaźniki SCOP współpracując z instalacjami niskotemperaturowymi, takimi jak ogrzewanie podłogowe. Temperatura zasilania na poziomie 35–40°C pozwala uzyskać wyraźnie wyższy COP niż temperatura 55–70°C wymagana przez tradycyjne grzejniki żeliwne lub stalowe.

Modernizacja starszych budynków z grzejnikami konwencjonalnymi pod kątem pompy ciepła wymaga najczęściej albo wymiany grzejników na większe płytowe lub na ogrzewanie płaszczyznowe, albo zaakceptowania niższych wskaźników efektywności. Decyzja zależy od izolacyjności budynku i założonego nakładu inwestycyjnego.

Instalacja pompy ciepła — widok jednostki zewnętrznej na fundamencie

Instalacja pompy ciepła przy budynku. Źródło: Wikimedia Commons, CC BY-SA

Dane porównawcze dla wybranych temperatur

Poniższa tabela ilustruje, jak zmienia się sprawność typowej pompy ciepła powietrze-woda w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego i wymaganej temperatury zasilania. Wartości mają charakter orientacyjny i różnią się zależnie od modelu urządzenia.

Temp. zewnętrzna	Zasilanie 35°C (ogrzewanie podłogowe)	Zasilanie 55°C (grzejniki)
+7°C	COP ok. 4,5–5,2	COP ok. 2,8–3,2
0°C	COP ok. 3,5–4,0	COP ok. 2,3–2,6
-7°C	COP ok. 2,8–3,2	COP ok. 1,9–2,2
-15°C	COP ok. 2,0–2,5	COP ok. 1,5–1,8

Wymagania montażowe

Jednostka zewnętrzna musi być zainstalowana w miejscu zapewniającym swobodny przepływ powietrza. Ważne są odległości od ścian, ogrodzeń i innych urządzeń wskazane przez producenta. Ze względu na hałas wynikający z pracy wentylatora i sprężarki, lokalizacja jednostki zewnętrznej powinna uwzględniać komfort akustyczny zarówno użytkowników budynku, jak i sąsiednich nieruchomości. Norma PN-EN ISO 3744 określa metody pomiaru hałasu urządzeń; dane deklarowane przez producentów podawane są zazwyczaj w warunkach A-ważonego poziomu mocy akustycznej.

Obowiązujące regulacje w Polsce

Od 2021 roku nowe budynki jednorodzinne w Polsce muszą spełniać wymagania niemal zeroenergetyczne (nZEB) zgodnie z Warunkami Technicznymi (WT 2021). Pompy ciepła, ze względu na wysoki SCOP, są jedną z technologii pozwalających spełnić te wymagania. Odnawialne źródła energii, w tym pompy ciepła, uwzględniane są w obliczeniach wskaźnika EP (nieodnawialnej energii pierwotnej) zgodnie z metodologią opisaną w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury.

Artykuł ma charakter informacyjny. Dobór konkretnego urządzenia i zaprojektowanie instalacji powinny być wykonane przez osobę posiadającą odpowiednie kwalifikacje, z uwzględnieniem indywidualnych warunków budynku i lokalizacji.