Górne źródło pompy ciepła
Pompa ciepła jest urządzeniem, które pobiera ciepło z tak zwanego dolnego źródła, a oddaje wygenerowane ciepło do górnego źródła. Dolnym źródłem powietrznej pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne (Rysunek 1), a pompy ciepła typu ziemia-woda grunt wokół budynku (Rysunek 2). Dla rzadziej spotykanych pomp ciepła – typu woda-woda – dolnym źródłem jest woda pobierana przez studnię czerpalną. Górne źródło to generalnie miejsce, gdzie pompa ciepła oddaje wygenerowanie ciepło, jest to zatem głównie system grzewczy lub ewentualnie zbiornik ciepłej wody użytkowej podczas procesu ogrzewania wody.

Jeżeli chodzi o ciepłą wodę użytkową, to jako górne źródło spotyka się tutaj głównie rozwiązania z przekazywaniem ciepła przez wężownicę. Aby wężownica mogła skutecznie przekazać ciepło do wody użytkowej, to medium grzewcze musi mieć nieco wyższą temperaturę, niż woda zgromadzona w zbiorniku. Zatem pompa ciepła musi przygotować medium grzewcze o temperaturze 5–10°C wyższej, niż aktualna temperatura wody w zbiorniku. Przykładowo, jeżeli w zbiorniku wody użytkowej chcemy uzyskać 45°C, to pompa ciepła musi pracować z temperaturą na wyjściu około 55°C (Wykres 1).

Temperatura zasilania po stronie górnego źródła ciepła (odbiornika) ma bezpośredni wpływ na efektywność pompy ciepła, im jest ona wyższa, tym niższą efektywność pracy urządzenie uzyskuje. Jednak nie mamy na to zbyt wielkiego wpływu, gdyż woda użytkowa musi mieć odpowiednie temperatury. Ważne, żeby pamiętać, by wężownica w zbiorniku była odpowiednio dobrana do wytycznych producenta pompy ciepła. Pompy ciepła inwerterowe stosowane w domach jednorodzinnych zazwyczaj wymagają w zbiorniku ciepłej wody użytkowej wężownicy o powierzchni około 2–2,5 m² (Rysunek 3). Dla pomp ciepła on/off (załącz/wyłącz), czyli urządzeń bez modulacji mocy, wężownica musi być większa, zazwyczaj w typowych instalacjach jest to około 3–5 m² . Dokładne wartości zależą od dobranej mocy pompy ciepła i wytycznych producenta w tym zakresie.

Pompa ciepła zainstalowana w typowym budynku jednak większość czasu pracuje z górnym źródłem w postaci systemu grzewczego i tutaj już wybór konkretnych rozwiązań ma duży wpływ na efektywność pompy ciepła. Spotykane są różne odbiorniki ciepła, ale głównie dzielą się one na ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, ścienne) i miejscowe (grzejniki, klimakonwektory, nagrzewnice). Odbiorniki płaszczyznowe w większości stosowane są jako ogrzewanie podłogowe, charakteryzują się niskimi temperaturami zasilania, około 28–35°C (Wykres 2), gdyż dla zapewniania komfortu domownikom temperatura podłogi nie może być zbyt wysoka. Odbiorniki miejscowe wymagają zazwyczaj wyższych temperatur zasilania. Im są mniejszych rozmiarów, tym wyższych temperatury wymagają, by zapewnić wymaganą moc grzewczą. Wysokie temperatury zasilania mają negatywny wpływ na efektywność pracy pompy ciepła. Zatem odbiorniki typu ogrzewanie podłogowe zapewniają wyższą efektywność pracy pompy ciepła. Inwestorzy w nowych budynkach wybierający pompę ciepła jako źródło ogrzewania wybierają w większości również ogrzewanie podłogowe. Trudniejsze jest to w przypadku modernizacji, gdzie zmiana ogrzewania na wersję podłogową wiąże się z dużym remontem całego budynku, często jest niemożliwa do przeprowadzenia. Wtedy pozostaje współpracować z systemem grzejnikowym, ewentualnie go tylko dostosować do pompy ciepła.

Efektywność pracy pompy ciepła – współczynnik COP
COP to bardzo ważny parametr dla urządzeń typu pompa ciepła, jednak nie wszyscy zainteresowani pompami ciepła wiedzą co on dokładnie oznacza. COP to skrót pochodzący od angielskiego „coefficient of performance”, oznacza współczynnik efektywności urządzenia typu pompa ciepła. COP jest obliczany jako stosunek energii cieplnej wytworzonej do energii elektrycznej włożonej.

Wartość ilości energii cieplnej wytworzonej (Q_g ) to suma energii pobranej elektrycznej napędzającej pompę ciepła (P_el) i energii cieplnej dostarczonej z otoczenia – tej darmowej, odnawialnej (Rysunek 4). Na przykładzie (Rysunek 5) widzimy, że aby wygenerować 5kW mocy grzewczej, pompa ciepła może przykładowo pobierać 1kW mocy elektrycznej z sieci do napędu urządzenia i 4kW mocy cieplnej pochodzącej z otoczenia – odnawialnego źródła (na przykład: gruntu, powietrza)

Współczynnik COP pompy ciepła wynosi zazwyczaj pomiędzy 3, a 5. W podanym przykładzie (Rysunek 5) wynosi 5.

Dokładna wartość rzeczywistego współczynnika COP dla danej pompy ciepła zależy od jej możliwości technicznych i parametrów dolnego oraz górnego źródła. Dolne źródło pompy ciepła to glikol w przypadku gruntowej pompy ciepła i powietrze w przypadku pompy ciepła typu powietrze-woda. Im wyższa temperatura dolnego źródła, tym wyższą wartość COP pompa ciepła uzyska, więc im wyższa temperatura powietrza/ glikolu z gruntu, tym lepiej dla efektywności działania urządzenia. Z drugiej strony patrząc na górne źródło, jest to system grzewczy, współczynnik COP jest tym wyższy im niższe są parametry górnego źródła. Zatem korzystniejsza jest praca pompy ciepła z systemem niskotemperaturowym, zazwyczaj w praktyce podłogowym, niż z grzejnikami wymagającymi wyższych temperatur zasilania.

Zmienność mocy grzewczej odbiornika ciepła
Nasuwa się zatem pytanie, jakich temperatur wymaga dany odbiornik ciepła i od czego to zależy. Generalnie to, jakiego odbiornika ciepła będziemy potrzebować w danym pomieszczeniu, zależy od strat ciepła dla tego pomieszczenia. Straty ciepła zmieniają się w zależności od: klasy izolacji (ścian, podłóg, sufitu/dachu), stanu stolarki okiennej i drzwiowej, strat wentylacji oraz mostków cieplnych, czyli elementów budynku wpływających na miejscową ucieczkę ciepła. Przykładem mostka cieplnego może być balkon wysunięty poza fasadę budynku. Jeżeli budynek ma niski standard izolacji, to wtedy zapotrzebowanie cieplne będzie wysokie. W budynkach o niskim standardzie może ono wynosić od 80 do 150 W/m² , co oznacza, że pomieszczenie o powierzchni 10 m² może potrzebować odbiornika ciepła o mocy od 800 W do 1500 W, by zostało nagrzane do komfortowych temperatur nawet podczas największych mrozów. W budynkach o średnim standardzie izolacji jednostkowe zapotrzebowanie cieplne może kształtować się na poziomie 60–80W/m² . W budynkach nowych energooszczędnych o wysokim standardzie izolacji wynosi ono zazwyczaj około 30–50 W/m² . Zatem w takim budynku dla pomieszczenia o powierzchni 10m² będzie potrzebny odbiornik ciepła o mocy jedynie 300 W–500 W. Jak widać moc odbiornika ciepła w budynku o niskim zapotrzebowaniu cieplnym jest dużo niższa.

To, jaką moc cieplną ma dany odbiornik, zależy w przypadku grzejników od temperatur zasilania i powrotu danego grzejnika oraz temperatury powietrza w pomieszczeniu, wartości te odczytuje się z tabel producenta (Rysunek 6). Analizując przykładowy grzejnik o długości 600 mm i wysokości 550 mm (zaznaczenie na Rysunku 6) widać, że jego moc przy parametrach nominalnych (czyli temperatura zasilania 75^oC, temperatura powrotu 65°C i temperatura w pomieszczeniu 20°C) wynosi 749 W. Jednak pompa ciepła nie zasila grzejników tak wysoką temperaturą. Patrząc w tabeli na niższe parametry, to jest: 55/45/20, widać że moc oddawana przez grzejnik będzie dużo niższa przy takich parametrach, a dokładnie 380 W. Należy pamiętać w przypadku modernizacji, że jeżeli dotychczas dany odbiornik był zasilany temperaturą z kotła 65°C, a teraz na pompie ciepła ustawimy temperaturę zasilania 45°C, to grzejnik odda dużo mniej ciepła, będzie miał niższą moc grzewczą. To, czy ona będzie wystarczająca zależy od strat ciepła w pomieszczeniu. Może się okazać, że jest konieczna wymiana danego grzejnika. Wymiana grzejników na takie o większej powierzchni wymiany ciepła, czyli większych wymiarach i na przykład w wersji trzypłytowej będzie zawsze skutkowała tym, że większa będzie moc nominalna grzejnika, czyli tym samym będzie można go zasilić niższym parametrem dla uzyskania komfortu w pomieszczeniu. Zasilanie niższymi parametrami wpłynie zaś pozytywnie na efektywności pracy pompy ciepła.

W przypadku ogrzewania podłogowego oddawana moc również określana jest w tablicach producentów tego typu ogrzewania (Rysunek 7). Zależy ona od parametrów wody grzewczej, temperatury w pomieszczeniu, rodzaju/grubości wylewki, średnicy i rozstawu rur ogrzewania podłogowego oraz oporu cieplnego pokrycia posadzki. Najmniejszym oporem cieplnym charakteryzują się płytki ceramiczne, a największym drewniane parkiety. Typowo stosowany rozkład ogrzewania podłogowego to 0,10m, przy średnich temperaturach medium grzewczego 35°C, zakładając opór cieplny 0,05 m² K/W i temperaturę w pomieszczeniu 22°C – moc grzewcza ogrzewania podłogowego wynosi około 58 W/m² (zaznaczenie na Rysunku 7). Jak widać w tabeli, im większy opór cieplny i im wyższa temperatura w pomieszczeniu, tym mniejsza zdolność do przekazywania ciepła przez ogrzewania podłogowe. Rzadszy rozstaw rur ogrzewania podłogowego również wpływa na zmniejszenie dostępnej mocy grzewczej. Oczywiście, jeżeli przedstawić taką tablicę dla wyższych temperatur medium grzewczego, to moce te będą wyższe, jednak należy pamiętać, że aby uzyskiwać najwyższą efektywność pracy pompy ciepła, to musimy dążyć do jak najniższych temperatur zasilania. Wysoką moc grzewczą przy niskich temperaturach zasilania zapewni też wybór odpowiedniego pokrycia posadzki, by minimalizować opór cieplny. Ogrzewanie podłogowe ma ograniczoną jednostkową wydajność ze względu na dopuszczalne temperatury powierzchni podłogi, stąd też w budynkach o niskim standardzie cieplnym, przykładowo o zapotrzebowaniu 130 W/m² , ten typ ogrzewania może nie być wystarczający do pokrycia tak dużego zapotrzebowania na ciepło. W typowych domach o wysokim standardzie cieplnym temperatura zasilania ogrzewania podłogowego utrzymuje się na poziomie 27–33°C przez cały okres grzewczy.

Podsumowanie
Jak przedstawiono, wybór systemu ogrzewania wpływać będzie na efektywność działania pompy ciepła. Ogrzewanie niskotemperaturowe zawsze będzie pozytywnie wpływać na COP pompy ciepła, dlatego należy starać się korzystać z ogrzewania powierzchniowego niskotemperaturowego, a jeżeli to niemożliwe, modernizować instalację grzejnikową, by odbiorniki ciepła mogły pracować na możliwie niższych temperaturach zasilania, przy zachowaniu komfortu cieplnego w budynku.

Wartości sezonowych efektywności czyli SCOP dla pompy ciepła powietrznej wynoszą zazwyczaj:

• Dla ogrzewania podłogowego ok. 4–4,5
• Dla ogrzewania grzejnikowego ok. 3–3,5

Natomiast wartości SCOP dla gruntowej pompy ciepła wynoszą zazwyczaj:

• Dla ogrzewania podłogowego ok. 4,3–5
• Dla ogrzewania grzejnikowego ok. 3,5–4

Przekładając te wartości na energię i koszty eksploatacyjne, jeżeli poddamy analizie budynek potrzebujący 20000kWh ciepła w czasie trwania całego roku, to pompa ciepła typu powietrze-woda współpracująca z ogrzewaniem podłogowym pobierze w granicach 4444–5000 kWh energii elektrycznej. Natomiast przy współpracy z ogrzewaniem grzejnikowym wysokotemperaturowym w tym samym budynku pobierze około 5714–6667 kWh energii elektrycznej. Jakie to przyniesie dokładne różnice w kosztach eksploatacyjnych zależy od aktualnych cen energii. Ogrzewanie podłogowe wypadnie zawsze najkorzystniej w takim porównaniu, jednak nie jest prawdą, że pompa ciepła z grzejnikami nie może współpracować. Może jak najbardziej, tyle że należy ocenić wydajność grzewczą zastosowanych w budynku grzejników przy niższych temperaturach zasilania i ewentualnie podjąć decyzję o wymianie poszczególnych odbiorników ciepła.

Źródła:
[1] ABC pomp ciepła Galmet – Julia Sobaszek, https://galmet.com.pl/uploads/category/files/abc-projektanta-pomp-ciepla-gamlet-pl-19022020.pdf
[2] Pomiary własne autora wykonane przy użyciu oprogramowania firmy TECH
[3] https://galmet.com.pl/pl/produkt/wymiennik-cwu-do-pomp-ciepla-tower-grand
[4] https://www.purmo.com/docs/Purmo_katalog_techniczny_grzejniki_plytowe_full_GP_05_2017_PL.pdf
[5] https://res.kan-therm.com/kan/upload/poradnik-ogrzewaniepodlogowe-tablice-obliczeniowe.pdf