Dlaczego warto stosować powietrzne pompy ciepła?

Rozpoczynając rozważania od zastosowań pomp ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej należy wyraźnie przedstawić kilka aspektów praktycznych. Przede wszystkim w polskim klimacie zazwyczaj są to urządzenia pracujące w okresie wiosna-jesień, bo w tych warunkach osiągają najwyższe współczynniki efektywności przekraczające COP > 4. Zdecydowanie rzadziej korzystają z powietrza wyrzucanego z budynku, co stwarzałoby warunki do pracy całorocznej. Poza tym zaletą jest łatwy montaż i mała ingerencja w dotychczasowy układ kotłowni, ponieważ zazwyczaj podłącza się urządzenie do istniejącego zbiornika lub stosuje pompę ciepła zabudowaną na podgrzewaczu.

Pompa ciepła na cele c.w.u. – analiza kosztów na przykładzie domu jednorodzinnego

Do analizy opłacalności załóżmy, że dogodne warunki do pracy pompy ciepła powietrznej panują poza sezonem grzewczym lub zawsze, gdy temperatura będzie powyżej ustawionej w sterowniku wartości. Przykładowo z danych klimatycznych dla Katowic wynika, że sezon grzewczy trwa 193 dni roku (172 dni poza sezonem grzewczym), temperatura powyżej 10°C utrzymuje się przez 161 dni, a 5°C przez 218 dni. Dlatego do dalszych obliczeń posłużymy się okresem pracy pompy ciepła trwającym 182 dni w roku. Kolejne założenia to 4 użytkowników, zużywających 50 litrów wody na osobę, na dzień o temperaturze 45°C, ogrzewanej od temperatury wody studziennej 10°C. Dla tych założeń otrzymamy zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania wody w wysokości 1482 kWh. Obliczenie to pomija straty ciepła przez zbiornik, orurowanie lub cyrkulację wody. Obliczoną wielkość można w prosty sposób zamienić na ilość paliwa konwencjonalnego zużytego do otrzymania tej samej ilości energii. Wyniki opracowano dla cen paliw z 02.2015.
W wielu instalacjach powietrzna pompa ciepła bezpośrednio zastępuje gazowy lub elektryczny ogrzewacz wody. Co więcej, najbardziej atrakcyjne okresy zwrotu inwestycji można uzyskać względem kotła olejowego czy LPG. Porównując koszt eksploatacji z kotłem na paliwo stałe, przy stosunkowo małej ilości energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody poza sezonem grzewczym, praktycznie niemożliwe jest ekonomiczne uzasadnienie inwestycji w pompę ciepła. W takich sytuacjach zazwyczaj zwraca się uwagę na komfort i automatykę, dzięki której nie trzeba rozpalać w piecu oraz ograniczenie emisji spalin.

Powietrzne pompy ciepła najlepiej sprzedające się w Polsce i Europie

Największym rynkiem pomp ciepła w Polsce są aktualnie zastosowania typu powietrze/woda do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, w 2014 r.
liczba tych urządzeń to 8497 szt. (44% rynku) wg opracowania PORT PC. Dla powietrznych pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń było to 2307 szt. (12%), a typu woda/woda i solanka/woda sumarycznie 4845 szt. (26%). Popularność rozwiązania opartego o energię z powietrza najczęściej tłumaczy się niskim kosztem inwestycyjnym, modernizowaniem instalacji, bądź nieufnością do ogrzewania budynku źródłem ciepła pobierającym energię odnawialną z ziemi lub wody. Gdyby rynek polski porównać do europejskiego, to łączącą go cechą jest najszybciej rozwijający się segment pomp ciepła do ciepłej wody. Natomiast największą różnica jest w udziale poszczególnych typów urządzeń w ogólnej sprzedaży, który w Europie kształtuje się mniej więcej na poziomie: 11,3% – powietrze/woda do ciepłej wody, 80,7% – powietrze/woda do ogrzewania pomieszczeń, 6,7% – solanka/woda i woda/woda, wg. raportu BRSIA. Przytoczone raporty potwierdzają, że powietrzne pompy ciepła są najczęściej stosowane, jednak  w Polsce rozwiązania do ogrzewania pomieszczeń nie są tak popularne, jak w 21 krajach europejskich objętych badaniem.

Pompa ciepła dla basenu

Bardzo niedocenianym zastosowaniem powietrznej pompy ciepła jest ogrzewanie basenu sezonowego, nazywanego zamiennie rozporowym lub ogrodowym. Warunki współpracy z basenem są najbardziej optymalne dla specyfiki pracy urządzenia. Oznacza to, że im mniejsza różnica pomiędzy temperaturą powietrza zasilającego a ogrzewaną wodą, tym wyższe COP. W praktyce odpowiada to warunkom letnim, gdy temperatura powietrza wynosi powyżej 15°C i ogrzewanie wody basenowej odbywa się do temperatury 26-29°C. Doświadczenia zawodowe i wywiady z użytkownikami potwierdzają, że w zależności od czasu eksploatacji możliwe są do osiągnięcia niskie koszty utrzymania. Szczególnie niskie są w miesiącach lipcu czy sierpniu, gdy nasłonecznienie i temperatury powietrza są najwyższe.
Z wyższymi kosztami trzeba się liczyć w miesiącach kwiecień albo październik. Dodatkowe zalety ogrzewania przez pompę ciepła to niski koszt inwestycji i eksploatacji zapewniony przez bezpośrednie ogrzewanie za pomocą skraplacza wykonanego z materiałów odpornych na wodę basenową. Łatwy jest również montaż, ponieważ urządzenie lokalizuje się w okolicach basenu, przez co nie ma potrzeby doprowadzania rur z kotłowni oraz stosowania dodatkowych wymienników dla układu ciśnieniowy/bezciśnieniowy.

Pompa ciepła pracująca na cele ogrzewania

Graniczna temperatura pracy
Najszerszym zagadnieniem dla powietrznej pompy ciepła jest ogrzewanie pomieszczeń. Na rzecz poniższych opisów pomijamy tematykę doboru, zakładając, że inwestor zdecydowany jest na pompę ciepła. Dlatego dalsza treść dotyczyć będzie argumentów przemawiających za zastosowaniem powietrznej pompy ciepła. Niezmiennie, główną barierą do przełamania jest temperatura stosowania. Zazwyczaj wiąże się ona z brakiem wyobrażenia nt. zjawiska fizycznego mającego miejsce w wymienniku odbierającym ciepło od powietrza, czyli parowacza. Najczęściej stosowany czynnik roboczy, czyli R410a, przy ciśnieniu 1 bar wrze przy temperaturze około -51°C. Oznacza to, że potrafi zawsze odebrać ciepło od powietrza, które ma wyższą temperaturę. Dlatego nie powinno dziwić, że aktualnie proponowane powietrzne pompy ciepła mają granicę zastosowania do -25°C.
Następnie należy skupić uwagę na danych statystycznych dotyczących opracowań wykresów temperatury zewnętrznej. Wynika z nich, że dla wspomnianych wcześniej Katowic, liczba godzin występowania temperatury poniżej -15°C wynosi 19, poniżej -10°C jest to 66 h i odpowiednio poniżej -5°C – 466 h. Dlatego w przypadku powietrznych pomp ciepła stosuje się wyznaczenie tzw. temperatury punktu biwalentnego, czyli temperatury zewnętrznej, do której urządzenie będzie w stanie samodzielnie ogrzać budynek. Poniżej tej temperatury alternatywnie lub równolegle włącza się dodatkowe źródło ciepła.

Praca w systemie monowalentnym – analiza przypadku i porównanie z gruntowa pompą ciepła
Obecnie wielu producentów powietrznych pomp ciepła zaleca przy projektowaniu instalacji w nowych budynkach monoenergetyczny sposób pracy pompy ciepła, aby uniknąć dodatkowych inwestycji związanych z drugim źródłem ciepła. Należy przy tym pamiętać, że moc grzewcza pompy ciepła typu powietrze/woda, w przeciwieństwie do pomp ciepła typu solanka/woda i woda/woda, bardzo silnie zależy od temperatury zewnętrznej. W zależności od dobranej mocy grzewczej urządzenia, liczba godzin pracy grzałki elektrycznej będzie większa lub mniejsza. Na potrzeby analizy załóżmy, że projektowany dom znajduje się w III strefie klimatycznej i charakteryzuje się zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania 8000 kWh/rok oraz zamieszkały będzie przez 4 osoby zużywające około 50 l wody na dobę. System grzewczy będzie w 100% podłogowy i zasilany maksymalnym parametrem grzewczym 35°C, a ciepła woda ogrzewana do 50°C. Wprowadzając tak przygotowane dane do programu obliczeniowego, można w prosty sposób zasymulować koszty eksploatacyjne instalacji. W drugim kroku należy porównać ofertę rynkową cen wykonania instalacji. W drodze obliczeń dla wspomnianego domu przyjęto powietrzną pompę ciepła typu split inwerter o mocy 11 kW w punkcie pracy A2/W35 oraz gruntową pompę ciepła mocy 8 kW w punkcie pracy B0/W35. Dla wyznaczonych urządzeń wg cen rynkowych ustalono cenę brutto zakupu urządzenia wraz z 250 l zbiornikiem, podłączeniem i uruchomieniem. Do obliczenia kosztu wymiennika poziomego przyjęto 25 zł/m.b. netto oraz 125 zł/m.b. netto odwiertu pionowego. Otrzymane wyniki prezentuje tabela.

Prosty czas zwrotu
Na przedstawionym przykładzie łatwo zauważyć, że za zastosowaniem powietrznej pompy ciepła stoją niskie koszty inwestycyjne, brak dodatkowych robót ziemnych. Jednocześnie system charakteryzuje się zdecydowanie niższym współczynnikiem efektywności, co z kolei przekłada się na wyższy koszt eksploatacyjny. Nie zmienia to jednak faktu, że proste porównanie różnicy nakładów inwestycyjnych do różnicy w rocznych kosztach eksploatacji przekłada się na prosty czas zwrotu inwestycji w wysokości 56 lat dla wymiennika pionowego i 44 lata dla wymiennika poziomego. To przeliczenie bezpośrednio pokazuje wyższość i popularność zastosowania pompy ciepła typu powietrze/woda w Europie.

Pompa ciepła kontra tradycyjne źródła ciepła
Pozostaje jeszcze porównać powietrzną pompę ciepła do tradycyjnego źródła ciepła. W tym celu przygotowano wykres na podstawie cen paliw i energii z 02.2015 r. i przyjętej, subiektywnej sprawności przetwarzania energii w ciepło, zapisanej w nawiasie.
Na tej podstawie można łatwo wyciągnąć wniosek, że powietrzna pompa ciepła jest szczególnie atrakcyjna względem kilku zdecydowanie najdroższych źródeł ciepła, jak ogrzewanie elektryczne, olejowe, czy LPG. Na wybór pomiędzy pompą ciepła, a kotłem gazowym najczęściej ma wpływ cena lub termin wykonania przyłącza. Dla porównania z pozostałymi źródłami ciepła nie bez znaczenia pozostają tematy związane z komfortem, bezobsługowością, ekologią, redukcją niskiej emisji, brakiem miejsca na składowanie opału i możliwością wykorzystania pompy ciepła również do chłodzenia pomieszczeń.

W 2015 roku spodziewany jest kolejny wzrost rynku pomp ciepła z tendencją do zbliżania się do proporcji z innych rynków europejskich. Rozwój tego sektora jest ściśle związany z budownictwem. Pomimo, że statystycznie liczba nowo budowanych domów w ostatnich latach maleje, to sprzedaż pomp ciepła wzrasta. Główną przyczynę można upatrywać we wprowadzeniu coraz to bardziej rygorystycznych wymogów dotyczących zapotrzebowania na energię w budynkach i rosnącą świadomość inwestorów, dla których pompa ciepła staje się wyborem preferowanym. Europejskie i polskie organizacje pomp ciepła zwracają uwagę na główne bariery rozwoju rynku pomp ciepła, jakimi są: wysokie koszty inwestycyjne i energii elektrycznej, jak również słabo rozwinięte rządowe systemy wsparcia dla technologii pomp ciepła.