Pompy ciepła w domach jednorodzinnych – najważniejsze informacje

Myślisz o pompie ciepła do domu jednorodzinnego, ale gubisz się w technicznych pojęciach. Z tego artykułu dowiesz się, czym właściwie jest pompa ciepła, jak działa i jakie typy najlepiej sprawdzają się w domach jednorodzinnych. Poznasz też praktyczne zastosowania pomp ciepła oraz różnice między poszczególnymi rozwiązaniami.

Co to jest pompa ciepła w domu jednorodzinnym i jak działa?

Pompa ciepła to nowoczesne urządzenie grzewcze, które zamiast spalać paliwo, przenosi energię cieplną z otoczenia do wnętrza budynku. Pobiera ciepło z powietrza, gruntu albo wody i przy pomocy energii elektrycznej „podnosi” jego temperaturę do poziomu przydatnego do ogrzewania. Dzięki temu może zasilać instalację centralnego ogrzewania, przygotowywać ciepłą wodę użytkową, a w odpowiedniej konfiguracji także chłodzić pomieszczenia.

Warto podkreślić, że pompa ciepła nie jest tym samym co tradycyjna kotłownia, lecz jednym z elementów całego systemu grzewczego domu. Urządzenie pracuje w oparciu o obieg termodynamiczny z udziałem sprężarki, parownika, skraplacza i zaworu rozprężnego, a energia pobrana z otoczenia jest wielokrotnie „pomnażana” względem zużytej energii elektrycznej. To dlatego dobrze dobrana pompa ciepła potrafi znacząco obniżyć rachunki za ogrzewanie w porównaniu z kotłem na gaz, węgiel czy drewno.

Każdy system z pompą ciepła można opisać przez trzy podstawowe elementy. Dolnym źródłem jest środowisko, z którego odbierane jest ciepło, czyli grunt, powietrze zewnętrzne lub woda gruntowa albo powierzchniowa. Samo urządzenie stanowi „serce” układu, w którym czynnik roboczy krąży między parownikiem, sprężarką, skraplaczem a zaworem rozprężnym i przetwarza niskotemperaturowe ciepło na energię użyteczną. Górne źródło to instalacja w budynku, czyli ogrzewanie płaszczyznowe lub grzejniki niskotemperaturowe oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej, do których pompa przekazuje wytworzone ciepło.

Coraz więcej osób rozważa montaż pompy ciepła, bo tradycyjne paliwa grzewcze stały się niepewne i drogie. Ceny gazu, węgla oraz drewna rosną, a jednocześnie przepisy dla nowych domów systematycznie zaostrzają wymagania dotyczące emisyjności źródeł ciepła. W efekcie pompy ciepła, szczególnie w połączeniu z dobrą izolacją, należą do najbardziej efektywnych i oszczędnych sposobów ogrzewania domów jednorodzinnych, co odzwierciedlają też programy wsparcia, takie jak Program Czyste Powietrze czy „Moje Ciepło”.

Technologia pomp ciepła bardzo dobrze wpisuje się w standard budownictwa energooszczędnego i pasywnego. Duży udział energii odnawialnej, możliwość współpracy z panelami fotowoltaicznymi lub małą turbiną wiatrową oraz ograniczenie emisji CO2 sprawiają, że dom może zbliżać się do standardu niemal zeroenergetycznego. W Szwajcarii szacuje się, że już około jeden na trzy domy jednorodzinne wyposażony jest w pompę ciepła, a w Polsce sprzedaż tych urządzeń tylko w 2021 roku wzrosła o około 80 procent w porównaniu z rokiem poprzednim, co dobrze pokazuje skalę zmiany.

Z czego składa się instalacja z pompą ciepła?

Instalacja z pompą ciepła w domu jednorodzinnym nie ogranicza się do samego urządzenia stojącego w kotłowni. Tworzy ją cały układ elementów odpowiedzialnych za pobór energii z otoczenia, jej przetworzenie oraz przekazanie do systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Aby łatwiej uporządkować ten temat, warto spojrzeć na trzy główne grupy komponentów:

W każdej poprawnie zaprojektowanej instalacji znajdziesz część zewnętrzną, układ termodynamiczny pompy oraz instalację wewnętrzną budynku. Każda z tych części musi być dobrze dobrana i ze sobą zgrana, bo nawet najlepsza pompa ciepła nie zadziała ekonomicznie przy słabej izolacji domu czy przypadkowo dobranych grzejnikach. Oto z jakich podstawowych elementów składa się typowa instalacja:

• Dolne źródło – środowisko, z którego pobierane jest ciepło, czyli powietrze atmosferyczne, grunt poprzez kolektory poziome lub sondy pionowe, albo woda gruntowa bądź rzeczna.
• Pompa ciepła – układ termodynamiczny obejmujący parownik, sprężarkę, skraplacz, zawór rozprężny oraz automatykę sterującą, który przetwarza ciepło z dolnego źródła na energię dla instalacji grzewczej.
• Górne źródło – instalacja grzewcza budynku, czyli ogrzewanie podłogowe, ścienne lub sufitowe, grzejniki niskotemperaturowe, zasobnik ciepłej wody użytkowej, a czasem także bufor ciepła.

W domach jednorodzinnych najpopularniejszym rozwiązaniem jest pompa ciepła typu powietrze–woda. Taki system zwykle składa się z jednostki zewnętrznej stojącej na zewnątrz budynku i jednostki wewnętrznej w kotłowni – to wariant split, w którym obie części połączone są rurami z czynnikiem chłodniczym. Alternatywą są zestawy typu monoblok, gdzie cały układ chłodniczy znajduje się w jednej obudowie, a do domu doprowadza się już tylko obieg wodny, co upraszcza montaż i ogranicza prace przy czynniku chłodniczym.

W typowym układzie znajdziesz sprężarkę, płytowy wymiennik ciepła, pompę obiegową, zbiornik wyrównawczy, zasobnik ciepłej wody użytkowej oraz wbudowaną grzałkę elektryczną zabezpieczającą pracę przy ekstremalnych mrozach. W zasobniku CWU stosuje się często anodę magnezową i miedzianą wężownicę, które chronią przed korozją i poprawiają przekazywanie ciepła. Całością zarządza inteligentny sterownik z programatorem tygodniowym, trybem wakacyjnym, funkcją Auto-restart po zaniku zasilania oraz automatyczną dezynfekcją zasobnika, co ułatwia codzienną eksploatację.

Osobną grupą są kompaktowe pompy ciepła przeznaczone wyłącznie do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Przykładem są modele monoblok z zasobnikami o pojemności około 190 lub 300 litrów, w których dolna część stanowi dobrze izolowany zbiornik CWU, a w górnej zabudowano układ termodynamiczny, pompę obiegową, grzałkę oraz sterownik. Taki zestaw często współpracuje z innym źródłem ciepła odpowiedzialnym za ogrzewanie pomieszczeń, na przykład z kotłem gazowym albo dużą pompą ciepła powietrze–woda.

Na rynku znajdziesz też wiele nowoczesnych pomp ciepła znajdujących się na Liście ZUM, takich jak powietrzne urządzenia Rotenso Airmi Split czy Rotenso Windmi Monoblock. Mają kompaktową budowę, wysoką efektywność nawet przy ujemnych temperaturach zewnętrznych i cichą pracę, co jest ważne w gęstej zabudowie jednorodzinnej. Dzięki obecności na Liście Zielonych Urządzeń i Materiałów kwalifikują się do programów dofinansowań finansowanych przez NFOŚiGW i wojewódzkie fundusze ochrony środowiska.

Jeżeli chcesz skorzystać z dotacji, wybieraj wyłącznie urządzenia zaktualizowane na Liście Zielonych Urządzeń i Materiałów, a specyfikację modelu zawsze porównuj z wymaganiami konkretnego programu wsparcia.

Jak przebiega obieg ciepła w pompie ciepła?

Działanie pompy ciepła może wydawać się skomplikowane, ale w praktyce opiera się na czterech powtarzalnych etapach. W każdym z nich ten sam czynnik roboczy zmienia stan skupienia oraz ciśnienie, dzięki czemu może kolejno pobierać i oddawać ciepło tam, gdzie jest ono potrzebne. Zrozumienie tego cyklu ułatwia później świadomy wybór urządzenia i ocenę jego parametrów pracy.

W domowej instalacji niczego nie ogrzewa się tu „bezpośrednio prądem”, tylko wykorzystuje energię elektryczną wyłącznie do napędu sprężarki i automatyki. To właśnie dzięki temu z jednej kilowatogodziny energii elektrycznej można otrzymać nawet kilka kilowatogodzin energii cieplnej, co stanowi sedno opłacalności pomp ciepła. Poszczególne etapy obiegu wyglądają następująco:

• Parowanie – czynnik roboczy w parowniku odbiera ciepło z dolnego źródła, czyli z powietrza, gruntu albo wody, i odparowuje, przechodząc w postać gazową o niskiej temperaturze.
• Sprężanie – gaz trafia do sprężarki, gdzie jego ciśnienie i temperatura gwałtownie rosną, dzięki czemu staje się nośnikiem energii cieplnej na wyższym poziomie temperaturowym.
• Skraplanie – gorący czynnik przepływa przez skraplacz, oddaje ciepło do wody krążącej w instalacji grzewczej domu, po czym ulega skropleniu i ponownie staje się cieczą.
• Rozprężanie – ciecz przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie jej ciśnienie i temperatura gwałtownie spadają, co przygotowuje czynnik do kolejnego etapu parowania w parowniku.

Dolne źródło w tym obiegu to konkretne miejsce, z którego ciepło jest pobierane, czyli zewnętrzne powietrze zasysane przez jednostkę zewnętrzną, grunt otaczający kolektory lub sondy, albo woda gruntowa z odpowiednio zaprojektowanej studni. Górne źródło stanowi woda krążąca w instalacji ogrzewania płaszczyznowego lub grzejnikach, a także wężownica zasobnika CWU. Sprężarka zasilana energią elektryczną „przepompowuje” ciepło z poziomu kilku stopni powyżej zera do temperatury wody rzędu kilkudziesięciu stopni, co wystarcza do ogrzania domu i przygotowania ciepłej wody.

Sprawność pracy pompy ciepła opisuje się najczęściej przez współczynnik COP oraz sezonowy SCOP. COP pokazuje, ile jednostek energii cieplnej urządzenie dostarcza z jednej kilowatogodziny energii elektrycznej w konkretnych warunkach, na przykład COP 4 oznacza 4 kWh ciepła z 1 kWh prądu. SCOP uwzględnia zmiany temperatury zewnętrznej w całym sezonie grzewczym, dlatego dużo lepiej opisuje realne koszty eksploatacji w polskim klimacie niż pojedyncza wartość katalogowa.

Porównując pompy ciepła, patrz przede wszystkim na deklarowany SCOP dla zbliżonych warunków pracy oraz na wymagane temperatury zasilania instalacji, a nie tylko na moc nominalną urządzenia.

Do czego można wykorzystać pompę ciepła w domu jednorodzinnym?

W domu jednorodzinnym pompa ciepła może pełnić więcej niż jedną funkcję i często zastępuje cały zestaw osobnych urządzeń. Oprócz ogrzewania pomieszczeń może przygotowywać ciepłą wodę użytkową przez cały rok, a w odpowiednio zaprojektowanej instalacji również chłodzić i współpracować z wentylacją mechaniczną. Dzięki temu staje się centralnym elementem komfortu cieplnego w budynku.

Zakres zastosowań zależy od wybranego typu pompy, sposobu wykonania instalacji wodnej oraz dodatkowych odbiorników ciepła czy chłodu. W dobrze przemyślanym domu jednorodzinnym jedna instalacja z pompą ciepła obsłuży kilka różnych potrzeb jednocześnie:

• Ogrzewanie pomieszczeń – jako główne źródło ciepła w nowych lub termomodernizowanych budynkach albo jako jedno z kilku źródeł w układach hybrydowych.
• Przygotowanie ciepłej wody użytkowej – w jednym układzie z ogrzewaniem domu albo niezależnie, z osobną kompaktową pompą ciepła CWU.
• Chłodzenie aktywne i pasywne – obniżanie temperatury w pomieszczeniach latem poprzez wykorzystanie odwróconego obiegu lub chłodu z gruntu.
• Klimatyzowanie we współpracy z wentylacją – dogrzewanie lub chłodzenie powietrza nawiewanego w systemach z rekuperacją, szczególnie w domach pasywnych.
• Ogrzewanie wody w basenie – wykorzystanie nadwyżek mocy grzewczej do utrzymania komfortowej temperatury w prywatnym basenie ogrodowym.
• Zastosowania pozamieszkalne – chłodzenie lub ogrzewanie w rolnictwie, na przykład w obiektach inwentarskich czy magazynach żywności.

Największy potencjał uzyskasz, łącząc pompę ciepła z własnym źródłem energii elektrycznej, takim jak instalacja fotowoltaiczna lub mała turbina wiatrowa. Taki układ pozwala znacząco ograniczyć, a w sprzyjających warunkach niemal wyeliminować rachunki za energię cieplną, bo pompa ciepła zużywa głównie prąd wyprodukowany na dachu. W dobrze ocieplonym domu niskoenergetycznym lub domu pasywnym taki zestaw zbliża budynek do standardu niemal zeroenergetycznego.

Jakie są rodzaje pomp ciepła do domów jednorodzinnych?

W domach jednorodzinnych stosuje się kilka głównych typów pomp ciepła, które różnią się przede wszystkim rodzajem dolnego źródła oraz sposobem przekazywania ciepła do budynku. Masz do wyboru urządzenia pobierające energię z powietrza, gruntu albo wody oraz rozwiązania powietrze–woda, powietrze–powietrze, solanka–woda, woda–woda, a także pompy przeznaczone tylko do CWU. Każdy typ ma inną sprawność, inne wymagania terenowe i inny poziom kosztów inwestycyjnych.

Dobór odpowiedniego rozwiązania zawsze warto uzależnić od warunków działki, standardu energetycznego domu, planowanej instalacji grzewczej oraz budżetu. Na małej miejskiej parceli najlepiej sprawdzi się z reguły powietrzna pompa ciepła powietrze–woda, natomiast na dużej działce z dobrym dostępem do gruntu lub wód gruntowych można rozważyć droższe, ale bardzo stabilne w pracy systemy solanka–woda czy woda–woda. Osobną grupą są systemy hybrydowe łączące pompę ciepła z kotłem gazowym lub olejowym, szczególnie przydatne w starszych domach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło.

Najważniejsze grupy rozwiązań spotykanych w domach jednorodzinnych można opisać w skrócie następująco:

• Pompa ciepła powietrze–woda – obecnie najpopularniejsza w nowych oraz modernizowanych domach, współpracuje z instalacją wodną CO i zasobnikiem CWU.
• Pompa ciepła powietrze–powietrze – ogrzewa i chłodzi bezpośrednio powietrze w pomieszczeniach, najlepiej sprawdza się w budynkach z wentylacją mechaniczną.
• Pompa ciepła gruntowa solanka–woda – bardzo wydajna, wymaga wykonania kolektorów poziomych lub sond pionowych w gruncie.
• Pompa ciepła woda–woda – wykorzystuje wody gruntowe, zapewnia wysoką sprawność, ale wymaga odpowiednich warunków hydrogeologicznych i zezwoleń.
• Kompaktowa pompa do samej CWU – służy wyłącznie do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, zwykle z wbudowanym zasobnikiem.
• Rozwiązania hybrydowe – łączą pompę ciepła z kotłem gazowym lub olejowym, który przejmuje pracę przy największych mrozach.

Pompy ciepła powietrzne do domów jednorodzinnych

Powietrzne pompy ciepła to urządzenia, które jako dolne źródło wykorzystują powietrze atmosferyczne wokół budynku. W wariancie powietrze–woda przekazują ciepło do instalacji wodnej centralnego ogrzewania i zasobnika CWU, natomiast w wersji powietrze–powietrze ogrzewają lub chłodzą bezpośrednio powietrze w pomieszczeniach. Tego typu urządzenia mogą pracować przez cały rok, dzięki czemu zapewniają ogrzewanie zimą, ciepłą wodę przez wszystkie miesiące i często funkcję chłodzenia latem.

Popularność powietrznych pomp ciepła wynika z dobrego stosunku ceny do możliwości oraz prostszego montażu w porównaniu z rozwiązaniami gruntowymi. Jednostkę zewnętrzną montuje się na fundamencie lub ścianie, a jednostka wewnętrzna zajmuje zbliżoną przestrzeń do nowoczesnego kotła wiszącego z zasobnikiem. W wielu domach jednorodzinnych umożliwia to wymianę starego kotła na węgiel czy gaz praktycznie w istniejącej kotłowni, bez konieczności ingerencji w konstrukcję budynku.

Do zalet powietrznych pomp ciepła, szczególnie w systemie powietrze–woda, warto zaliczyć kilka bardzo praktycznych cech:

• Stosunkowo niski koszt zakupu i montażu w porównaniu z gruntowymi pompami ciepła, co ułatwia inwestycję w typowym domu jednorodzinnym.
• Brak konieczności wykonywania odwiertów lub rozległych robót ziemnych, a więc mniejsze formalności i krótszy czas realizacji prac.
• Łatwa integracja z istniejącą instalacją wodną, zwłaszcza tam, gdzie można obniżyć temperaturę zasilania i zastosować ogrzewanie płaszczyznowe.
• Krótki czas montażu, często liczony w dniach, co jest ważne przy wymianie starego źródła ciepła w sezonie przejściowym.
• Możliwość zastosowania zarówno w nowych, jak i dobrze docieplonych starszych domach po termomodernizacji, dzięki wysokiej sprawności przy niskiej temperaturze zasilania.
• Szeroka dostępność modeli na Liście ZUM, w tym urządzeń takich jak Rotenso Airmi Split czy Rotenso Windmi Monoblock, które kwalifikują się do programów dofinansowań NFOŚiGW.

Powietrzne pompy ciepła mają także swoje ograniczenia, które musisz wziąć pod uwagę na etapie projektu domu lub modernizacji instalacji. Niewłaściwy dobór mocy urządzenia, brak dobrej izolacji czy złe usytuowanie jednostki zewnętrznej szybko przełożą się na wyższe rachunki i gorszy komfort. Zanim podejmiesz decyzję, przeanalizuj najczęstsze wady tego rozwiązania:

• Spadek sprawności przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych, co może skutkować częstszym załączaniem wbudowanej grzałki elektrycznej i wzrostem kosztów energii.
• Konieczność wygospodarowania odpowiedniego miejsca na jednostkę zewnętrzną oraz uwzględnienia hałasu, zwłaszcza w pobliżu sypialni i granicy działki.
• Powstawanie skroplin i szronu na wymienniku w mroźne, wilgotne dni, co wymaga prawidłowego odprowadzenia kondensatu i uwzględnienia cykli odszraniania.
• Wymóg dobrej izolacji budynku i niskotemperaturowej instalacji grzewczej, na przykład ogrzewania podłogowego, aby urządzenie pracowało ekonomicznie.
• Potrzeba regularnego serwisu oraz prawidłowego zrównoważenia hydraulicznego instalacji, żeby ciepło było równomiernie rozprowadzane po całym domu.

Jednostkę zewnętrzną ustaw tak, aby szum pracy wentylatora nie docierał bezpośrednio do sypialni ani do okien sąsiadów, a pod nią zawsze zaplanuj stabilny fundament z odpływem skroplin.