W wielu opisach pomp ciepła brakuje prostego wyjaśnienia, co dokładnie dzieje się w urządzeniu między pobraniem ciepła z otoczenia a ogrzaniem domu. Zamiast katalogowych haseł, potrzebne jest zrozumienie, jak działa obieg wewnątrz pompy, skąd bierze się oszczędność i gdzie kończy się marketing. Poniżej rozłożono działanie pompy ciepła na czytelne etapy, tak aby po lekturze można było samodzielnie ocenić sens takiej inwestycji, a nie tylko wierzyć w materiały reklamowe.

Czym właściwie jest pompa ciepła?

Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi ciepło z jednego miejsca do drugiego, wykorzystując do tego energię elektryczną. Nie wytwarza ciepła jak kocioł, tylko je „pompowuje” z otoczenia: powietrza, gruntu lub wody. Działa wbrew intuicji – potrafi pobierać ciepło z powietrza o temperaturze np. -15°C i oddawać je do instalacji grzewczej o temperaturze +30–50°C.

Technicznie rzecz biorąc, pompa ciepła jest szczególnym rodzajem odwróconej lodówki. Lodówka wyrzuca ciepło z wnętrza na zewnątrz, a pompa robi to samo, tylko na większą skalę i w bardziej kontrolowany sposób, kierując energię do instalacji centralnego ogrzewania i często także do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Z czego składa się pompa ciepła?

W środku większości pomp ciepła kryje się bardzo podobny zestaw elementów, niezależnie od producenta. Różnice między modelami wynikają głównie z jakości komponentów, sterowania i dopasowania do konkretnego budynku.

• Sprężarka – „serce” układu, które spręża czynnik chłodniczy, podnosząc jego temperaturę i ciśnienie.
• Parownik – wymiennik ciepła, w którym czynnik chłodniczy odbiera ciepło z otoczenia (powietrza, gruntu, wody).
• Skraplacz – wymiennik, w którym czynnik oddaje ciepło do instalacji grzewczej.
• Zawór rozprężny – element obniżający ciśnienie czynnika, przygotowujący go do ponownego pobrania ciepła.
• Czynnik chłodniczy – specjalny płyn/gaz, który łatwo paruje i skrapla się w różnych temperaturach, przenosząc energię cieplną.

Do tego dochodzi automatyka, pompy obiegowe, naczynia wzbiorcze i cała „hydraulika”, ale podstawową zasadę działania tworzy właśnie ten zamknięty obieg czynnika chłodniczego.

Zasada działania krok po kroku

Obieg chłodniczy w praktyce

Najprościej patrzeć na pompę ciepła przez pryzmat czterech głównych etapów obiegu. W rzeczywistym urządzeniu dzieje się więcej, ale ten schemat pozwala zrozumieć istotę działania bez wchodzenia w zbyt skomplikowane szczegóły termodynamiki.

Po pierwsze, w parowniku czynnik chłodniczy w postaci zimnej cieczy o niskim ciśnieniu pobiera ciepło z dolnego źródła (np. powietrza zewnętrznego). Pod wpływem tego ciepła odparowuje – zamienia się w gaz. Co ważne, nie musi być bardzo ciepło; liczy się różnica temperatur i właściwości samego czynnika.

Po drugie, gaz trafia do sprężarki, gdzie jest silnie sprężany. W trakcie sprężania rośnie zarówno ciśnienie, jak i temperatura gazu. Tu powstaje „użyteczne” ciepło, które później zasila instalację grzewczą. Sprężarka zużywa energię elektryczną i to ona jest głównym kosztem pracy pompy.

Po trzecie, gorący gaz wysokociśnieniowy przepływa przez skraplacz. Oddaje tam ciepło do wody w instalacji centralnego ogrzewania (podłogówka, grzejniki, zasobnik c.w.u.). W wyniku oddania ciepła gaz się schładza i skrapla – wraca do postaci cieczy.

Po czwarte, skroplony czynnik przechodzi przez zawór rozprężny. Ciśnienie gwałtownie spada, a czynnik robi się bardzo zimny. W takim stanie wraca do parownika i cały cykl zaczyna się od nowa. Ten zamknięty obieg może pracować nieprzerwanie przez wiele godzin, modulując swoją moc w zależności od zapotrzebowania budynku.

Pompa ciepła nie „tworzy” ciepła z prądu – z 1 kWh energii elektrycznej przenosi zwykle 3–4 kWh ciepła, korzystając z energii zgromadzonej w otoczeniu. To właśnie wyjaśnia jej wysoką efektywność.

Parametrem opisującym to zjawisko jest COP (Coefficient of Performance), czyli stosunek oddanego ciepła do pobranej energii elektrycznej w danym punkcie pracy. Przykład: jeśli pompa pobierze 1 kWh energii elektrycznej i dostarczy 4 kWh ciepła, to COP = 4. W praktyce COP zmienia się w zależności od temperatur zewnętrznych i temperatury zasilania instalacji.

Skąd pompa bierze ciepło? Rodzaje dolnych źródeł

Dolne źródło to miejsce, z którego pompa pobiera energię. Wybór między powietrzem, gruntem a wodą nie jest tylko kwestią mody – wpływa na koszt instalacji, stabilność pracy i rachunki.

Powietrzne pompy ciepła w polskich warunkach

Powietrzne pompy ciepła (powietrze–woda) pobierają ciepło z powietrza zewnętrznego. To najpopularniejsze rozwiązanie w domach jednorodzinnych ze względu na stosunkowo niski koszt montażu i brak konieczności wykonywania odwiertów. Zewnętrzna jednostka wygląda jak większa jednostka klimatyzatora – z wentylatorem i wymiennikiem.

Główną zaletą takiego rozwiązania jest prostsza instalacja i możliwość montażu nawet na małej działce. Nie ma potrzeby kopania całego ogrodu ani wchodzenia w temat wód gruntowych. W wielu przypadkach da się podłączyć powietrzną pompę ciepła do istniejącej instalacji z grzejnikami, po wcześniejszym sprawdzeniu wymaganych temperatur zasilania.

Trzeba jednak pamiętać, że powietrze ma zmienną temperaturę. Im zimniej na zewnątrz, tym trudniej o wysoką efektywność. W mroźne dni COP spada, a pompa pobiera więcej prądu. Dodatkowo przy ujemnych temperaturach na wymienniku tworzy się szron, który trzeba okresowo odszraniać, co także chwilowo obniża sprawność.

Mimo tego, dobrze dobrana powietrzna pompa ciepła w nowym lub sensownie zmodernizowanym domu potrafi utrzymać sezonowy współczynnik SCOP (średnia efektywność w ciągu sezonu) w okolicach 3–4. Oznacza to, że przez cały sezon grzewczy dostarcza 3–4 razy więcej ciepła, niż wynosi zużycie energii elektrycznej.

W praktyce wiele obaw dotyczących pracy przy dużych mrozach jest przesadzonych. W polskim klimacie okresy silnych mrozów są stosunkowo krótkie, a nowoczesne pompy radzą sobie z nimi dużo lepiej niż modele sprzed dekady. Istotne jest jednak odpowiednie dobranie mocy i właściwy projekt całej instalacji.

Gruntowe i wodne pompy ciepła

Gruntowe i wodne pompy ciepła korzystają z bardziej stabilnych źródeł ciepła niż powietrze. W gruncie na głębokości kilku metrów temperatura przez cały rok jest zbliżona, zwykle w okolicach 5–10°C. Podobnie w przypadku wielu ujęć wody – woda głębinowa ma znacznie mniejsze wahania temperatur.

Gruntowe pompy ciepła wymagają wykonania kolektora poziomego (rury zakopane płytko na dużej powierzchni działki) lub odwiertów pionowych (kilkadziesiąt metrów w głąb ziemi). To podnosi koszt inwestycji, ale zapewnia stabilne warunki pracy pompy i wyższą sezonową efektywność. W dobrze zaprojektowanych układach SCOP może dochodzić do 4–5.

Wodne pompy ciepła wykorzystują ciepło z wody gruntowej, rzeki, jeziora albo zamkniętego zbiornika. Rozwiązanie potrafi być bardzo efektywne, ale wymaga analiz hydrologicznych, pozwoleń i zwykle jest stosowane głównie w większych obiektach lub specyficznych lokalizacjach.

Plusem gruntowych i wodnych rozwiązań jest stabilność – brak dużych spadków sprawności przy mrozach. Minusem: wyższy koszt wejścia, większa ingerencja w działkę i konieczność dobrze przemyślanego projektu. Przy małych działkach lub gęstej zabudowie poziomy kolektor bywa po prostu niemożliwy do wykonania.

W efekcie wybór między powietrzną a gruntową pompą ciepła to zwykle kompromis między kosztem początkowym a niższymi rachunkami w przyszłości. W domach jednorodzinnych przewagę zdobyły powietrzne pompy ciepła, ale przy większych budynkach czy tam, gdzie liczy się szczególnie wysoka efektywność całoroczna, grunt nadal ma dużo sensu.

Jak pompa ciepła współpracuje z instalacją w domu

Pompa ciepła najlepiej „czuje się” w instalacjach niskotemperaturowych, gdzie woda zasilająca ma 30–40°C. Tak działają systemy ogrzewania podłogowego czy ściennego. Im niższa wymagana temperatura zasilania, tym wyższa efektywność pompy i niższe rachunki.

Da się jednak z powodzeniem stosować pompy ciepła z grzejnikami. Wymaga to analizy, czy przy mrozach grzejniki zapewnią komfort przy zasilaniu np. 45–50°C, a nie 70°C jak przy wielu starych kotłach. Czasem wystarczy zwiększyć powierzchnię grzejników, czasem dołożyć jeden-dwa dodatkowe. Bez takiej weryfikacji łatwo skończyć z pompą pracującą na zbyt wysokich temperaturach, co zabija opłacalność.

Typowa instalacja obejmuje też zbiornik ciepłej wody użytkowej, najczęściej 200–300 litrów dla czteroosobowej rodziny. Pompa cyklicznie podgrzewa wodę w zasobniku – zwykle do 45–55°C. Wyższe temperatury są możliwe, ale powodują spadek sprawności i częstsze dogrzewanie grzałką elektryczną.

W dobrze zaprojektowanym systemie większość pracy wykonuje sprężarka, a grzałka elektryczna pozostaje „ubezpieczeniem” na ekstremalne sytuacje. Niestety, w źle dobranych instalacjach grzałka potrafi pracować zbyt często, co szybko widać na rachunkach za prąd.

Sprawność, COP i opłacalność

W codziennym użytkowaniu ważniejszy od COP z katalogu jest SCOP, czyli sezonowy współczynnik efektywności, uwzględniający zmiany temperatur w ciągu całego roku. To właśnie ten parametr pozwala oszacować realne koszty eksploatacji.

Przykładowo: jeśli roczne zapotrzebowanie domu na ciepło wynosi 10 000 kWh, a pompa ma SCOP = 3, to na prąd zużyje około 3300 kWh. Przy cenie 1 zł/kWh będzie to około 3300 zł rocznie. Daje to zupełnie inny obraz niż proste porównanie z kotłem elektrycznym, który w tym samym domu zużyłby pełne 10 000 kWh.

• Nowe, dobrze ocieplone domy z podłogówką: SCOP zwykle w zakresie 3,5–4,5.
• Starsze domy po modernizacji z grzejnikami: SCOP częściej w okolicach 2,5–3,5.
• Źle dobrane instalacje, bardzo wysokie temperatury zasilania: SCOP bywa poniżej 2,5.

Oprócz samych parametrów pompy kluczowe znaczenie ma jakość projektu: obliczenia zapotrzebowania na ciepło, dobór mocy urządzenia, dobór bufora (jeśli jest potrzebny), konfiguracja sterowania i krzywych grzewczych. Nawet najlepsza pompa na papierze nie poradzi sobie dobrze w kompletnie nieprzemyślanej instalacji.

Ograniczenia i typowe mity

Pompa ciepła nie jest magicznym rozwiązaniem, które zawsze i wszędzie zapewni śmiesznie niskie rachunki. Ma pewne ograniczenia techniczne i świat marketingu często je wygładza.

Po pierwsze – izolacja budynku. W bardzo słabo ocieplonych domach z gigantycznymi stratami ciepła pompa ciepła będzie musiała pracować z dużą mocą i wysokimi temperaturami, co obniży jej sprawność. Da się to zrobić technicznie, ale ekonomicznie sensowniej bywa najpierw ograniczyć straty: docieplić ściany, dach, wymienić okna.

Po drugie – zasilanie i przyłącze elektryczne. Pompa ciepła o większej mocy, razem z grzałką szczytową, wymaga odpowiedniego przydziału mocy z sieci. Czasem trzeba zwiększyć moc umowną, co wiąże się z formalnościami i dodatkowymi opłatami.

Warto też uporządkować kilka popularnych mitów:

• „Pompa ciepła nie działa przy dużych mrozach” – nowoczesne urządzenia są projektowane do pracy nawet poniżej -20°C, choć przy takich temperaturach spada ich efektywność.
• „Potrzebna jest zawsze podłogówka” – nie zawsze; przy odpowiednio dobranych grzejnikach pompa także działa poprawnie.
• „Pompa ciepła zawsze się opłaca” – nie w każdym budynku i nie przy każdej cenie energii; opłacalność zależy od wielu lokalnych czynników.

Rozsądne podejście polega na połączeniu zrozumienia zasady działania pompy ciepła z realną analizą budynku: jego strat ciepła, obecnej instalacji, taryf energii i możliwych modernizacji. Dopiero wtedy decyzja o wyborze konkretnego typu pompy i sposobu jej pracy ma solidne techniczne uzasadnienie, a nie jest efektem chwilowej mody.