Chłodzenie pompą ciepła pasywne i aktywne

Pompa ciepła to ekologiczne wielofunkcyjne urządzenie

W związku z postępującymi zmianami klimatycznymi na Ziemi, które są wynikiem działań człowieka, konieczne jest uwzględnienie niespotykanych dotąd katastrofalnych w skutkach zjawisk. Szczególnie niebezpieczne dla przyszłości życia na naszej planecie są zmiany związane z tzw. globalnym ociepleniem. Tak ważne jest zatem podjęcie zdecydowanych działań prowadzących do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych i przejścia na czystą energetykę. Również my, jako konsumenci, w walce o lepszą przyszłość, powinniśmy dokonywać wyłącznie przemyślanych i mądrych wyborów. Jednym z nich jest właśnie pompa ciepła, która jest nie tylko najbardziej ekologicznym, ale i najtańszym w eksploatacji sposobem ogrzewania domu i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Pompy ciepła to bowiem urządzenia, które doskonale wpisują się w długookresową strategię niskoemisyjną UE (obniżają one emisję CO2 przeciętnie o 20 proc. w stosunku do kotłów gazowych). Ponadto do swojej pracy w 75 proc. wykorzystują odnawialne źródła energii (powietrze, grunt, wodę), a w miejscu ich eksploatacji nie powstają żadne spaliny. Dom z pompą ciepła to również wiele innych korzyści, w tym energooszczędność, komfort, możliwość zamontowania urządzenia w prawie każdym obiekcie i jego współpracy z fotowoltaiką. Nie należy także zapominać o możliwości uzyskania dofinansowania do pompy ciepła. Mowa tu m.in. o takich programach, jak Moje Ciepło, Ciepłe Mieszkanie, czy Czyste Powietrze.

Nic dziwnego zatem, iż sprzedaż pomp ciepła bije w Polsce kolejne rekordy, jak wynika bowiem z danych Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła – tylko w 2022 roku sprzedano w naszym kraju blisko 203,3 tys. pomp ciepła (łącznie z pompami ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej). Osiągnięty wówczas 102 proc. wzrost był największy w Europie. Dzięki niemu Polska stała się najszybciej rozwijającym się rynkiem pomp ciepła na Starym Kontynencie. Łącznie w Polsce jest już zainstalowanych ok. 400 tys. jednostek tych ekologicznych urządzeń, wiele również wskazuje na to, że ich dynamiczny rozwój utrzyma się także przez wiele kolejnych lat (PORT PC prognozuje chociażby wzrost liczby powietrznych pomp ciepła o 40-50 proc., a gruntowych pomp ciepła o ok. 30-40 proc. w 2023 roku)

Należy tu również podkreślić, iż coraz więcej państw UE wprowadza zakazy dotyczące kotłów gazowych. Dla przykładu Dania zaprzestała instalacji kotłów gazowych w nowych domach już w 2013 roku, w Holandii w 2018 roku wprowadzone zostały przepisy o nie podłączeniu budynków do sieci gazowej (z wyjątkami). Także i Niemcy w odpowiedzi na inwazję Rosji na Ukrainę wprowadzają zakazu montażu kotłów gazowych w nowych budynkach od 2024 roku.

Pompa ciepła zastąpi klimatyzację

Co równie ważne, pompa ciepła to chłodzenie i grzanie w jednym. Najbardziej znana i najczęściej omawiana, jest oczywiście jej pierwsza funkcja. W artykule tym natomiast przybliżymy jej drugą rolę, jaką jest chłodzenie, które może być realizowane na dwa sposoby – w trybie pasywnym lub w trybie aktywnym. W sklepach, czy biurach klimatyzacja jest już standardem. Także w budynkach mieszkalnych jedno- i wielorodzinnych, coraz częściej stosuje się chłodzenie pomieszczeń. Przy czym warto tu zauważyć, iż zapotrzebowanie na chłód ma coraz większy udział w całorocznym bilansie energetycznym budynków. Wpływ na to ma ocieplenie klimatu i związana z tym rosnąca liczba nie tylko ciepłych, ale i upalnych dni (przez coraz większe anomalie pogodowe praktycznie normą jest proponowanie w każdym nowym domu instalacji wentylacyjnych). Mało pomocne są także nowoczesne standardy budowania, charakteryzujące się dużymi przeszkleniami, które nie tylko optycznie powiększają pomieszczenia i otwierają dom na przyrodę, ale i dopuszczają do powstawania znacznych zysków cieplnych od nasłonecznienia. Owszem, przyczynia się to do zmniejszenia rachunków za ogrzewanie, jednak już latem może stanowić duży problem.

Coraz więcej osób sięga zatem po rozwiązania umożliwiające efektywne chłodzenie obiektu. Można robić to na wiele sposobów, w tym tradycyjnymi klimatyzatorami, czy też przy pomocy powietrznych pomp ciepła typu powietrze/powietrze, które również stanowią energooszczędny sposób na utrzymywanie idealnej temperatury przez cały rok. Podobnie bowiem jak klimatyzatory służą one nie tylko do ogrzewania, ale przede wszystkim do chłodzenia pomieszczeń. Warto tu jednak zaznaczyć, iż koszty chłodzenia domu z wykorzystaniem klimatyzacji mogą być wyraźnie wyższe niż koszty jego ogrzewania. Dlaczego? Ponieważ wyrównywanie temperatury do niższej, wymaga wykorzystania dużo większego nakładu energii (wytwarzane 1 kWh chłodu w porównaniu do 1 kWh ciepła wiąże się ze znacznie wyższymi opłatami, co w dobie wysokich cen prądu jest mało korzystne).

Wydatki związane z chłodzeniem budynku mogą być wyższe niż te związane z ogrzewaniem. Wszystko ze względu na wyższe koszty produkcji chłodu niż ciepła. Źródło: vaillant-partner.pl

Do chłodzenia domu doskonale nadają się również instalacje z pompą ciepła powietrzną (typu powietrze/woda), pompą ciepła gruntową oraz pompą ciepła wodną.

Pompa ciepła – chłodzenie

Inwestorzy, którzy decydują się na montaż pompy ciepła zyskują nie tylko tanie ogrzewania domu, ale i jego chłodzenia. Obecnie, praktycznie każdy producent pomp ciepła ma w swojej ofercie pompę wyposażoną w funkcję chłodzenie. Dzięki temu kupujący otrzymuje produkt „dwa w jednym” – zimą służący do ogrzewania, a w okresie letnim do jego chłodzenia. Przy czym chłodzenie pompą ciepła możliwe jest dzięki:

• wykorzystaniu naturalnego chłodu zawartego w gruncie lub wodzie (jest to chłodzenie pasywne możliwe tylko w przypadku gruntowych pomp ciepła z odwiertami pionowymi);
• odwróceniu obiegu chłodniczego pompy ciepła (nazywane jest wówczas chłodzeniem aktywnym i możliwe jest do realizacji zarówno w przypadku powietrznych, jak i gruntowych pomp ciepła).

Chłodzenie pasywne pompą ciepła

Chłodzenie pasywne, które nazywane jest również naturalnym (natural cooling) lub biernym, wykorzystuje naturalne adekwatności dolnego źródła ciepła – gruntu lub wody gruntowej. Odbywa się ono bez uruchamiania sprężarki, przy wykorzystaniu procesu wymiany ciepła. Minimalizuje to zużycie energii elektrycznej (pracuje wówczas tylko system sterowania i pompy obiegowe). W okresie letnim bowiem temperatura wód gruntowych i gruntu jest znacznie niższa od temperatury panującej we wnętrzu domu. Sondy umieszczone głęboko w gruncie, mają dostęp do temperatury o takiej samej wartości przez cały rok (poniżej 10 metrów temperatura utrzymuje się zawsze w granicach 10°C).

Wykorzystanie zawartego w gruncie chłodu możliwe jest właśnie dzięki procesowi chłodzenia pasywnego, który realizowany jest przez pompy ciepła typu solanka/woda lub woda/woda. W tym przypadku pompa obiegowa dolnego źródła transportuje chłodną solankę do wymiennika ciepła. Natomiast obieg grzewczy dostarcza do wymiennika wodę ogrzaną do temperatury panującej wewnątrz budynku. Następnie zaś, ciepło przekazywane jest do solanki, a schłodzona woda grzewcza daje możliwość dalszego absorbowania nadmiaru ciepła z pomieszczeń.

Schemat rozkładu ciepła i chłodu podczas pracy pompy ciepła w trybie ogrzewania (po lewej) i w trybie chłodzenia (po prawej). Źródło: BWP/PORT PC

Do chłodzenia pasywnego najlepiej nadają się systemy powierzchniowe, takie jak: instalacja podłogowa, ścienna, czy sufitowa, dzięki którym można uzyskać najbardziej efektywne chłodzenie. Wówczas bowiem system rurowy takiej instalacji absorbuje nadmiar ciepła w pomieszczeniach, które poprzez wymiennik ciepła, trafia do gruntu. Użytkownicy pompy ciepła z ogrzewaniem podłogowym doceniają komfort, wydajność i oszczędność energii tego połączenia. Co ważne, aby instalacja taka mogła chłodzić pomieszczenia nie trzeba jej w żaden sposób modyfikować. Ponieważ od razu jest ona przystosowana zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia (wystarczy jedynie manualnie lub automatycznie przełączyć tryb pracy pomiędzy ogrzewaniem i chłodzeniem).

Dzięki takiemu rozwiązaniu, przy okazji przygotowywania ciepłej wody użytkowej, która potrzebna jest niezależnie od pory roku, zapewnić można sobie także klimatyzację. Plusem chłodzenia pasywnego pompą ciepła jest to, że jest ono choćby i pięciokrotnie bardziej energooszczędne niż zastosowanie klimatyzatorów. W przypadku tych ostatnich bowiem oprócz prądu do napędu pompy obiegowej, ponosić trzeba koszty energii elektrycznej do napędu sprężarki, która umożliwia produkcję chłodu. Również dodatkową zaletą chłodzenia biernego jest szybka regeneracja dolnego źródła ciepła i akumulacja dodatkowego ciepła w gruncie, które zostanie następnie wykorzystane do ogrzewania domu w okresie grzewczym. Ponadto usuwane podczas chłodzenia ciepło może być wykorzystywane do innych instalacji np. technologii basenowej lub przygotowania c.w.u.

Należy jednak pamiętać o tym, iż zdolność chłodzenia systemu pasywnego jest ograniczona, ponieważ nie można przekroczyć temperatury punktu rosy, znanej też pod nazwą „punktu rosy”. Jest ona wartością temperatury, w której rozpoczyna się proces skraplania pary wodnej z powietrza (wilgoć zawarta w powietrzu zacznie kondensować się na powierzchni grzewczej). Dla przykładu, w przypadku płaszczyznowej instalacji, możliwy do osiągnięcia efekt chłodzenia wynosi ok. 10°C (przy założeniu, iż temperatura zewnętrzna wynosi 20°C). Kontrolą temperatury punktu rosy, jak i pracą całej instalacji steruje regulator pompy ciepła. Ponadto wydajność chłodzenia pasywnego pompą ciepła (moc chłodnicza) zależy też w dużej mierze od wielkości dolnego źródła ciepła, jego temperatury oraz czasu wykorzystania. Pompa ciepła z pasywnym chłodzeniem może pracować w takich trybach, jak:

• tryb grzania;
• przygotowanie c.w.u.;
• chłodzenia z równoległym przygotowaniem ciepłej wody;
• chłodzenie pasywne (pompa ciepła wyłączona).

Chłodzenie aktywne pompą ciepła

Chłodzenie aktywne (active cooling), najczęściej spotykane jest w pompach ciepła powietrze – woda, jednak coraz częściej realizowane jest również w pompach ciepła, które pobierają ciepło z gruntu, czy wody gruntowej. Przy chłodzeniu aktywnym budynku pompa ciepła działa w sposób odwrócony. Ponieważ parownik pełni wtedy funkcję skraplacza, zaś skraplacz parownika (odwrócony zostaje obieg czynnika chłodniczego w systemie i tym samym zmienia się też kierunek przepływu ciepła). Dolnym źródłem staje się wówczas schładzany budynek, a górnym powietrze zewnętrzne.

Uproszczony schemat działania odwracalnej pompy ciepła w funkcji chłodzenia. Źródło: kotly.pl

Chłodzenie aktywne to dobre rozwiązanie w przypadku, gdy zależy nam na precyzyjnym określeniu temperatur w pomieszczeniu i projektowaniu jego wydajności. Funkcja chłodzenia aktywnego załącza się w sytuacji większego zapotrzebowania na energię chłodniczą, którego nie wypełniłoby chłodzenie pasywne. Do tego, aby pompa ciepła realizowała chłodzenie aktywne, wystarczy wykorzystanie zaworu czterodrogowego. Umożliwia on odwrócenie kierunku przepływu czynnika roboczego w obiegu pompy przy zachowaniu niezmiennego kierunku tłoczenia sprężarki, dzięki czemu skraplacz i parownik zamieniają się rolami. W przypadku odwrócenia obiegu chłodniczego pompy ciepła, chłód do pomieszczeń może być dostarczany np. przy pomocy klimakonwektorów, które doskonale współpracują z niskotemperaturową pompą ciepła (zarówno powietrzną, jak i gruntową).

Połączenie tych dwóch urządzeń pozwala stworzyć najwydajniejsze tryby grzania i chłodzenia (użytkownik uzyskuje pożądaną temperaturę przy znacznych oszczędnościach energii). Te niewielkich rozmiarów urządzenia, które swoim wyglądem przypominają klimatyzację lub nowoczesny kaloryfer, w miesiącach zimowych ogrzewają pomieszczenia, latem natomiast, dzięki konwekcji wymuszonej wentylatorem, zapewniają ich chłodzenie. Klimakonwektory pozwalają na osiągnięcie pożądanej temperatury gwałtownie i bardzo precyzyjnie (ważne jest jednak, aby były one dobrane do pomieszczenia pod kątem wydajności, zaś temperatura zasilania i powrotu była adekwatnie ustalona).

Ponadto do chłodzenia realizowanego przez pompę ciepła można także wykorzystać instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperację). Jest ona idealnym dopełnieniem duetu jakim jest fotowoltaika z pompą ciepła. Rozwiązanie to jest wskazane w przypadku powietrznych pomp ciepła do c.w.u. Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła wymusza bowiem przepływ powietrza w budynku, a energię odzyskaną ze strumienia zużytego powietrza przekazuje do zbiornika, w którym produkowana jest ciepła woda użytkowa.

Chłodzenie aktywne i pasywne – które lepsze?

Oczywiście najlepszy efekt uzyskać można decydując się na pompę ciepła, która może pracować zarówno w trybie chłodzenia pasywnego, jak i aktywnego. Spełnienie tego warunku możliwe jest gdy zdecydujemy się na montaż pompy ciepła solanka/woda, która umożliwia łączenie chłodzenia pasywnego i aktywnego w jednym systemie. W sytuacji bowiem gdy wydajność chłodzenia naturalnego będzie dla domowników niewystarczająca, wówczas urządzenie to automatycznie przełączy się na chłodzenie aktywne (w ten sposób dostarczona zostanie do pomieszczeń pożądana ilość chłodu).

Jak wiemy, pasywne chłodzenie pompą ciepła ma ograniczoną wydajność i zależy od parametrów dolnego źródła ciepła, dlatego też układy tego typu projektowane są dla budynków o niedużym zapotrzebowaniu na chłód. Natomiast, tam gdzie wymagane jest zapewnienie jego większej ilości, projektowane są układy aktywne. Przed jednak instalacją pompy ciepła z opcją chłodzenia, warto jest zwrócić uwagę na m.in. wykonanie możliwie jak najdokładniejszego obliczenia w zakresie projektowego obciążenia chłodzenia budynku oraz dostosowanie układu odbiorników ciepła do funkcji chłodzenia. Powietrzne pompy ciepła z funkcją chłodzenia mają praktycznie wszyscy producenci tych urządzeń, w tym m.in. Panasonic, Nibe, Vaillant, LG, Heiztechnik, czy Viessmann.

Ekologiczne pompy ciepła oprócz swojej podstawowej roli jaką jest ogrzewanie budynku, zapewniają użytkownikom drugą funkcję jaką jest chłodzenie. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie trzeba już instalować dodatkowych urządzeń do chłodzenia pomieszczeń (co w przypadku specyfiki naszego klimatu wiąże się z krótkim okresem ich wykorzystania), a i tak można zapewnić sobie całoroczny komfort bardzo niskim kosztem.