Efektywność pomp ciepła w różnych strefach klimatycznych – analiza dwóch rozwiązań

Efektywność pomp ciepła w różnych strefach klimatycznych to kluczowy aspekt, który determinuje wybór odpowiedniego systemu grzewczego dla każdego domu. Polska, podzielona na pięć stref klimatycznych, wymaga indywidualnego podejścia do doboru urządzeń grzewczych, a pompy ciepła stanowią jedno z najbardziej perspektywicznych rozwiązań w kontekście efektywności energetycznej i ochrony środowiska.

Dlaczego strefa klimatyczna ma kluczowe znaczenie dla wyboru pompy ciepła

Współczynnik efektywności pompy ciepła oraz zapotrzebowanie na moc cieplną budynku będą wyglądać inaczej w każdej strefie klimatycznej. Temperatura na zewnątrz determinuje wysokość COP – wskaźnika, który może wynosić 4 przy umiarkowanej różnicy temperatur, ale spadać do 2,5, kiedy różnica wzrasta. To oznacza, że pompa ciepła, która sprawdzi się w strefie I, może nie mieć zastosowania w strefie V.

Załóżmy praktyczny przykład: budynek o powierzchni 180 m² w strefie I przy temperaturze -16°C ma zapotrzebowanie na energię elektryczną wynoszące 8 kW. Ten sam budynek w III strefie klimatycznej, gdzie temperatura spada do -20°C, będzie wymagał już około 9 kW mocy pompy ciepła. Efektywność energetyczna pompy ciepła wiąże się bezpośrednio z warunkami zewnętrznymi, co zawsze należy mieć na uwadze podczas doboru urządzenia.

Mapa stref klimatycznych Polski – gdzie mieszkasz i co to oznacza

Polska jest podzielona na pięć stref klimatycznych, z których każda charakteryzuje się różnymi projektowymi temperaturami zewnętrznymi:

• Strefa I: projektowa temperatura zewnętrzna -16°C, zalecana temperatura punktu biwalentnego -4°C/-7°C
• Strefa II: projektowa temperatura zewnętrzna -18°C, zalecana temperatura punktu biwalentnego -5°C/-8°C
• Strefa III: projektowa temperatura zewnętrzna -20°C, zalecana temperatura punktu biwalentnego -6°C/-9°C
• Strefa IV: projektowa temperatura zewnętrzna -22°C, zalecana temperatura punktu biwalentnego -7°C/-10°C
• Strefa V: projektowa temperatura zewnętrzna -24°C, zalecana temperatura punktu biwalentnego -8°C/-11°C

Punkt biwalentny wyznacza temperatury panujące przez bardzo krótki czas w roku (statystycznie kilkadziesiąt godzin w ciągu roku), dlatego kierując się nimi, można mieć pewność, że pompa będzie efektywnym źródłem ciepła praktycznie przez cały rok.

COP i SCOP – kluczowe wskaźniki efektywności, które musisz znać

Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury ma zasadnicze znaczenie podczas doboru urządzenia. Ocenia się ją przy pomocy dwóch wskaźników: COP (Coefficient of Performance) i SCOP (Seasonal Coefficient of Performance).

COP – współczynnik wydajności w konkretnych warunkach

COP informuje o tym, jaki jest stosunek ciepła oddawanego do energii pobranej przez pompę ciepła. Wartość ta zależy od różnicy temperatur między górnym a dolnym źródłem ciepła – im mniejsza różnica, tym wyższa wartość COP.

Temperatura dolnego źródła ciepła – powietrza, gruntu lub wody – bezpośrednio wpływa na wartość COP. Im cieplejsze źródło, tym mniej energii potrzeba do podgrzania czynnika chłodniczego, co zwiększa efektywność systemu. Podobnie, temperatura górnego źródła, czyli wody w instalacji grzewczej, odgrywa istotną rolę – niższa temperatura zasilania oznacza mniejsze zużycie energii.

SCOP – sezonowa efektywność przez cały rok

SCOP określa efektywność pompy ciepła w określonym czasie, np. podczas sezonu grzewczego. Im wydajniej pracuje pompa ciepła, tym wyższy jest jej roczny współczynnik wydajności SCOP. Opisuje on, ile jednostek ciepła wytwarza średnio rocznie system grzewczy przy jednej jednostce zużytej energii.

SCOP 4,0 oznacza, że pompa ciepła dostarcza do domu średnio 4 kilowatogodziny ciepła na kilowatogodzinę energii elektrycznej pobranej z sieci. Współczynnik SCOP wyliczany jest dla referencyjnego sezonu grzewczego, a SCOP wyliczone dla klimatu zimnego jest odpowiednie dla polskich warunków.

Rozwiązanie pierwsze: pompa ciepła solanka/woda z wymiennikiem gruntowym

Stabilność i niezawodność przez cały rok

Bardziej stabilne pod względem efektywności są gruntowe pompy ciepła. Rozwiązanie techniczne zakłada wykonanie pompy ciepła solanka/woda z gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła do pokrycia potrzeb grzewczych na cele c.o. i c.w.u.. W tym wariancie założono system monowalentny, gdzie pompa ciepła w 100% pokrywa zapotrzebowanie na energię cieplną w całym zakresie temperatur przyjętych do obliczeń.

Parametry techniczne i wymagania instalacyjne

Przykładowo dobrano pompę ciepła SI 6TU o mocy grzewczej 6,1 kW, która pozyskuje ciepło z gruntu za pomocą pionowych sond zakończonych U-rurką. Obliczenia doboru sondy gruntowej przeprowadzono przy założeniu, że na terenie objętym planowaną inwestycją znajduje się grunt gliniasty, wilgotny.

Zgodnie z wytycznymi przyjęto wydajność cieplną 40 W/m długości sondy. W celu zapewnienia wymaganej mocy dolnego źródła ciepła należy wykonać dwa odwierty pionowe o głębokości 50 m, przy założeniu minimalnego odstępu między pionowymi sondami wynoszącego 10 m.

Zalety systemu gruntowego w różnych strefach klimatycznych

Wykonanie odwiertów pod sondy pionowe ma na celu wprowadzenie na zadaną głębokość sond w postaci rurki typu U o średnicy ø 32×2 mm, wykonanej z PE 100-RC. Główną zaletą tego rozwiązania jest stabilna temperatura gruntu, która w Polsce na głębokości 1,5-2 metrów wynosi około 8-12°C przez cały rok, niezależnie od strefy klimatycznej.

Rozwiązanie drugie: pompa ciepła powietrze/woda w układzie biwalentnym

Elastyczność i ekonomiczność rozwiązania

Drugi wariant grzewczy zakłada wykonanie pompy ciepła powietrze/woda pracującej w układzie biwalentnym alternatywnym z wbudowaną grzałką elektryczną. Dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło budynku i potrzeb podgrzewu wody użytkowej przyjęto pompę ciepła LAW 6MIR o mocy grzewczej 5,6 kW.

Punkt biwalentny – kluczowy parametr dla różnych stref

Obliczenie temperatury punktu biwalentnego jest kluczowe dla właściwego funkcjonowania systemu. W zależności od strefy klimatycznej, punkt biwalentny wyznacza się w różnych temperaturach, co bezpośrednio wpływa na efektywność całego systemu.

Wpływ temperatury zewnętrznej on wydajność

W przypadku powietrznych pomp ciepła wartość COP spada, gdy temperatura zewnętrzna maleje, a temperatura wody w systemie rośnie. Dlatego w strefach o niższych temperaturach projektowych (IV i V) konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła lub zwiększenie mocy pompy.

Porównanie efektywności w poszczególnych strefach klimatycznych

Strefa I – najkorzystniejsze warunki

W strefie I, gdzie projektowa temperatura zewnętrzna wynosi -16°C, pompy ciepła osiągają najwyższą efektywność. Zarówno systemy gruntowe, jak i powietrzne pracują w optymalnych warunkach przez większość sezonu grzewczego. Różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem ciepła jest najmniejsza, co przekłada się na wysokie wartości COP.

Strefa III – warunki umiarkowane

Strefa III z projektową temperaturą -20°C wymaga już bardziej przemyślanego podejścia. Pompy ciepła powietrze/woda mogą wymagać wsparcia dodatkowego źródła ciepła w najzimniejszych dniach. Systemy gruntowe nadal pracują stabilnie, ale koszty inwestycyjne są wyższe.

Strefa V – największe wyzwania

W strefie V, gdzie temperatura projektowa spada do -24°C, efektywność pomp ciepła powietrze/woda znacząco maleje. W takich warunkach systemy gruntowe lub rozwiązania hybrydowe stają się bardziej uzasadnione ekonomicznie.

Wpływ systemu grzewczego na efektywność pompy ciepła

Ogrzewanie podłogowe – idealne partnerstwo

Ogrzewanie podłogowe jest szczególnie korzystne, ponieważ wymaga niższej temperatury zasilania, co zwiększa wartość COP. Dzięki temu pompa zużywa mniej energii na podgrzanie wody, co przekłada się na niższe koszty eksploatacji. Górne źródło ciepła stanowi ogrzewanie podłogowe o parametrach 35/28°C.

Grzejniki tradycyjne – kompromis konieczny

Grzejniki wymagają wyższej temperatury zasilania, co może obniżać efektywność pompy. Im wyższa temperatura, tym większe zużycie energii, a to oznacza niższą wartość COP. Dlatego przy wyborze systemu grzewczego warto uwzględnić, jak różne rozwiązania wpłyną na efektywność pompy i koszty jej użytkowania.

Nowoczesne technologie zwiększające efektywność

Regulatory płynne kontra on/off

Przy porównywaniu wartości SCOP dla pomp ciepła z regulacją płynną i on/off wyraźnie widoczne jest uzyskiwanie nieco lepszych (o 4–7%) sezonowych efektywności energetycznych przez pompy ciepła z płynną regulacją mocy. Różnice w wynikach spowodowane są różnym wpływem współczynnika degradacji opisującego straty wynikające z cyklicznej pracy oraz faktem uwzględniania zmiany wartości COP w wyniku zmiany częstotliwości pracy inwertera.

Systemy hybrydowe – połączenie dwóch źródeł ciepła

Możliwość korzystania z dwóch źródeł ciepła w tym samym momencie znacząco zwiększa efektywność systemu. Najprościej i najwygodniej jest zastosować sprzęgło hydrauliczne, które ma możliwość podłączenia dwóch źródeł ciepła. Dzięki zastosowaniu sprzęgła hydraulicznego mamy rozdzielony obieg kotłowy od obiegu instalacyjnego.

Praktyczne aspekty wyboru pompy ciepła w różnych strefach

Analiza kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych

Nowoczesne pompy ciepła oferują około 300–400% sprawności. Oznacza to, że na każdy 1 kilowat zużywany przez urządzenie, otrzymujemy 3-4 kilowaty energii cieplnej. Postęp technologiczny i rosnąca liczba producentów doprowadziły do obniżenia kosztów początkowych, co w połączeniu z dotacjami rządowymi pozwala cieszyć się tym zielonym rozwiązaniem praktycznie w każdym gospodarstwie domowym.

Lista ZUM i dotacje – co warto wiedzieć

Lista Zielonych Urządzeń i Maszyn to ważne miejsce dla tych wszystkich, którzy stoją przed wyborem nowego źródła ciepła. Na liście znajdują się wszystkie zweryfikowane urządzenia, co oznacza, że parametry deklarowane przez producenta zostały sprawdzone и potwierdzone przez certyfikowane centra badawcze. Pompa ciepła o podwyższonej klasie efektywności energetycznej to parametr A++, a niektóre urządzenia posiadają kategorię A+++.

Podsumowanie – jak wybrać optymalne rozwiązanie?

Efektywność energetyczna pompy ciepła wiąże się z warunkami zewnętrznymi, co zawsze należy mieć na uwadze podczas doboru urządzenia. Wybór między systemem gruntowym a powietrznym zależy od wielu czynników:

• Strefa klimatyczna i związane z nią temperatury projektowe
• Dostępność miejsca na wykonanie odwiertów gruntowych
• Budżet inwestycyjny – systemy gruntowe są droższe w instalacji
• Preferencje użytkownika dotyczące komfortu i niezawodności
• Istniejący system grzewczy i możliwości jego adaptacji

Pompy ciepła mają kilka istotnych zalet: generują znaczne oszczędności na ogrzewaniu i chłodzeniu, poprawiają jakość życia, ograniczają emisję gazów cieplarnianych, pozwalają na większą kontrolę nad temperaturą, są wszechstronne i trwałe. Większość mitów, które narosły wokół pomp ciepła, dotyczy kosztów, wydajności i eksploatacji, jednak to właśnie w tych obszarach pompy ciepła przewyższają tradycyjne opcje grzewcze.

Wybierając pompę ciepła, należy pamiętać, że nowoczesne pompy ciepła są kompaktowe, energooszczędne i generują mniej więcej tyle samo hałasu, co lodówka. Kluczem do sukcesu jest właściwy dobór urządzenia do warunków klimatycznych i charakterystyki budynku, co zapewni optymalną efektywność przez wiele lat eksploatacji.