Jak zainstalować pompę ciepła, aby obniżyć rachunki za energię?

Aby odpowiedzieć na to pytanie należy zacząć od krótkiego wyjaśnienia, dlaczego wspomniane urządzenie zużywa prąd i od czego zależy to czy zużywa go więcej czy mniej.

Pompa ciepła potrzebuje energię elektryczną do pracy kompresora (pozostałe układy elektryczne potrzebne do pracy pompy ciepła zużywają niewielką ilość energii w porównaniu z kompresorem). Podstawowym zadaniem kompresora jest sprężanie gazu (czynnika chłodniczego), aby podnieść jego temperaturę, dzięki czemu energia pozyskana z powietrza zewnętrznego (często zimnego), może być dostarczona do budynku i ogrzać pomieszczenia lub ciepłą wodę użytkową (CWU). Im więcej pracy kompresor musi wykonać, aby z zimnego powietrza zewnętrznego przenieść energię na gorącą wodę kotłową lub CWU, tym więcej musi pobrać energii. Stosunek pobranej energii elektrycznej do uzyskanej energii grzewczej nazywamy COP (z ang. sprawność energetyczna). Dla przykładu, COP=4 oznacza, że z każdego 1 kilowata (1 kW) energii elektrycznej pobranej z sieci, pompa ciepła dostarcza do budynku 4 kW energii cieplnej. Im większa różnica temperatur pomiędzy powietrzem zewnętrznym (Tz), a temperaturą systemu grzewczego (Twout), tym sprawność pompy ciepła jest mniejsza i tym więcej pobiera ona energii z sieci do dostarczenia tej samej ilości ciepła w budynku. Pamiętajmy więc, że pompa ciepła nie „produkuje” ciepła z prądu, a potrzebuje prądu do przeniesienia energii z powietrza zewnętrznego do budynku.

To czy pompa ciepła zużywa za dużo energii w stosunku do tego czego się spodziewaliśmy zależy od wielu aspektów. Analizując ten problem należy postawić następujące pytania:

• Czy pompa ciepła została właściwie dobrana do zapotrzebowania budynku na energię grzewczą oraz czy dany budynek w ogóle nadaje się do jej montażu?
• Czy instalacja grzewcza jest prawidłowo wykonana? Dotyczy to zarówno instalacji w maszynowni (potocznie mówimy również: kotłowni), oraz samej instalacji odbiorników ciepła, czyli grzejniki lub ogrzewanie podłogowe.
• Czy parametry pracy pompy ciepła są dostosowane do konkretnej instalacji lub wymogów użytkownika?
• Czy urządzenie jest właściwie eksploatowane lub czy nie zmieniło się zachowanie użytkowników w stosunku do poprzedniego urządzenia grzewczego?
• Czy nasze wyobrażenia lub zapewnienia sprzedawcy odnośnie do możliwego zużycia energii były realne czy np. nie zostaliśmy wprowadzeni w błąd?

Aby móc odpowiedzieć na, zdaje się, proste pytanie dotyczące dużego zużycia energii, należy przyjrzeć się bliżej wszystkim tym zagadnieniom. Zacznijmy więc od początku, czyli właściwego doboru pompy ciepła do zapotrzebowania budynku na energię grzewczą oraz sprawdzenia możliwości montażu urządzenia na danym budynku.

Pierwszą i najważniejszą czynnością, którą należy wykonać, jest prawidłowy dobór pompy ciepła do konkretnego budynku, instalacji grzewczej oraz wymagań użytkownika. Podstawowym błędem z jakim na co dzień się spotykamy jest obliczanie potrzebnej mocy pompy ciepła wyłącznie do powierzchni użytkowej np. domu jednorodzinnego. W tej metodzie instalator przyjmuje pewien współczynnik mocy na 1 metr kwadratowy (1 m²) i mnoży przez powierzchnię budynku. Ta metoda jest bardzo niedokładna i często prowadzi do poważnych konsekwencji, np. skrajnie niedoszacowanej mocy pompy ciepła do zapotrzebowania budynku. Ilość energii cieplnej do ogrzania danego budynku na 1 m² może różnić się wielokrotnością, zależy to od technologii budowy domu, rodzaju i klasy izolacji podłogi, ścian i dachu, konstrukcji budynku, ilości i rodzaju stolarki okiennej i drzwiowej i wiele, wiele innych. Przykładowo budynek o powierzchni użytkowej 150 m² może mieć zapotrzebowanie na moc grzewczą (w temperaturze obliczeniowej np. -20^oC) 2,25 kW – dom o standardzie pasywnym (15 W/m²), lub nawet 18 kW – w starym budownictwie bez izolacji (120 W/m²). Więc różnica jest aż 8-krotna! Jeżeli budynek ma współczynnik powyżej 60-70 W/m² należy rozważyć termomodernizację, ponieważ nawet dobrze dobrana pompa ciepła w takim budynku będzie pobierała dużo energii, co jest bezpośrednim wynikiem słabej izolacji termicznej budynku. Jeżeli na tym etapie zostanie dobrana zbyt mała moc pompy ciepła, nie tylko ryzykujemy niedogrzaniem budynku, ale znacznie większym zużyciem energii przez to urządzenie. W takim wypadku przez większość sezonu grzewczego, zamiast płynnie modulować moc grzewczą (zwiększając współczynnik COP), pompa pracuje z maksymalną mocą (mniejszy współczynnik COP) oraz bardzo szybko zacznie wspomagać się wbudowaną grzałką elektryczną, która jest wymagana jako szczytowe źródło ciepła, o ile nie ma innego dodatkowego źródła ciepła w budynku. Gdy urządzenie jest prawidłowo dobrane, grzałka elektryczna wspomaga pracę kompresora w temperaturach zewnętrznych często poniżej -10^oC. Natomiast w przypadku konieczności wspomagania pompy ciepła już przy temperaturze zewnętrznej w okolicach 0^oC lub wyżej, często mamy do czynienia z błędnym doborem lub montażem urządzenia. Należy przy tym pamiętać, że prawidłowo dobrana pompa ciepła powinna korzystać ze szczytowego źródła ciepła, ale wyłącznie w niskiej, mocno ujemnej temperaturze zewnętrznej. Natomiast, jeżeli pompa ciepła wcale nie musi wspomagać się grzałką np. przy -20^oC Tz, może oznaczać wybór urządzenia o zbyt dużej mocy w stosunku do zapotrzebowania. Wtedy koszt inwestycyjny oraz eksploatacyjny wcale nie działa na korzyść inwestora.

Drugim niezmiernie ważnym aspektem, zaraz po właściwym doborze, jest prawidłowy montaż urządzenia oraz dopasowanie instalacji grzewczej do specyficznych parametrów jej pracy. Często bagatelizowanym, ale niezwykle ważnym dla prawidłowej pracy pompy ciepła jest właściwy przepływ wody grzewczej oraz jego odpowiednia ilość w systemie grzewczym. Aby łatwiej wyjaśnić, posłużę się przykładem pompy ciepła o mocy 10 kW, np. monoblok KAISAI KHC-10RY3. Aby pompa ciepła mogła dostarczyć 10 kW energii grzewczej, należy zapewnić przepływ wody kotłowej na poziomie ok 1,7 metra sześciennego na godzinę (1,7 m³/h). Najprościej licząc, należy zapewnić ok. 0,17 m³ przepływu wody na każdy 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła. Im większa moc, tym większy wymagany przepływ wody przez instalację grzewczą. Wbudowana fabrycznie pompa wody jest w stanie uzyskać znacznie większy przepływ, ale zależy on od oporów hydraulicznych danej instalacji. Im większy opór, tym mniejszy maksymalny przepływ, a zależy on od wielu czynników: średnica rur, długość instalacji, ilość kolan, rodzaj zaworów i innych elementów hydraulicznych oraz wiele innych czynników na które musi zwrócić uwagę instalator (hydraulik). Jeżeli nie będzie zapewniony odpowiedni przepływ wody, pompa ciepła zredukuje swoją moc, aby zabezpieczyć układ chłodniczy i zapewnić mu optymalne parametry pracy. W takiej sytuacji zamiast kupionej i zamontowanej pompy ciepła o mocy 10 kW, mamy urządzenie, które dostarcza np. maksymalnie 6 kW mocy grzewczej, co jest równoznacznie z niewłaściwym doborem urządzenia. Gdy pompa ciepła jest ograniczona z 10 do 6 kW mocy grzewczej, znacznie wcześniej zacznie wspomagać się grzałką elektryczną, więc zwiększy planowane zużycie energii. Na szczęście koszt poprawy samej instalacji w maszynowni jest zdecydowanie mniejszy niż wymiana całej pompy ciepła. Należy również zwrócić uwagę na instalację od strony odbiorników ciepła, czyli grzejników, ogrzewania podłogowego lub mieszanego. Przy wymianie starego kotła na pompę ciepła, zdarza się, że instalator nie sprawdzi, czy parametry danej instalacji pozwalają na współpracę z pompą, np. temperatura zasilania grzejników przekracza możliwości pompy lub sprawia, że sprawność urządzenia jest bardzo niska. Obniżenie maksymalnej temperatury systemu grzewczego z 55^oC na 50^oC lub 45^oC znacząco obniży rachunki za ogrzewanie. Należy również pamiętać, że pompa ciepła działa na różnicy temperatury systemu grzewczego równiej 5^oC (różnica między zasilaniem a powrotem z instalacji), a nie jak często bywa w kotłach stałopalnych 15 czy nawet 20℃. Wymusza to znacznie większe przepływy wody w instalacji co należy uwzględnić w pracach instalacyjnych. Brak właściwego odbioru ciepła po stronie instalacji bezpośrednio wpływa na zwiększenie zużycia prądu przed pompę ciepła. Niezmiernie ważne jest również zabezpieczenie przed niepotrzebną stratą ciepła w miejscu, którego wcale grzać nie chcemy. Przede wszystkim dotyczy to odpowiedniej izolacji instalacji freonowej w pompach ciepłą typu split oraz izolacji rur wodnych w nieocieplonych pomieszczeniach. Każda tego typu strata energii również wpływa na wzrost kosztów ogrzewania.

Odpowiednie ustawienie parametrów pracy to kolejny czynnik mający wpływ na komfort oraz koszty eksploatacyjne pompy ciepła. Najczęstszym błędem jest zbyt wysoko ustawiona temperatura Ciepłej Wody Użytkowej (CWU) w zbiorniku. Większość użytkowników nowej pompy ciepła z przyzwyczajenia ustawia bardzo wysoką temperaturę CWU, sięgającą 50 czy 55^oC lub nawet wyżej. Tak wysoka temperatura wody w zbiorniku generuje niepotrzebne koszty, wcale nie poprawiając komfortu życia. Pamiętajmy, że im wyższa temperatura wody, która opuszcza pompę ciepła tym mniejsza jest jej sprawność, a w przypadku CWU dochodzi dodatkowy wymiennik ciepła w postaci wężownicy w zbiorniku, przez co zawsze temperatura wody w zbiorniku będzie niższa niż temperatura wody kotłowej wychodzącej z pompy ciepła. Oznacza to, że aby uzyskać np. 50^oC w zbiorniku CWU pompa ciepła musi wygrzać wodę kotłową do 55 lub nawet 60^oC przez co sprawność pompy ciepła jest niższa, a rachunki za ogrzewanie wyższe. Należy uświadomić sobie fakt, że woda o temperaturze powyżej 38^oC jest już dla ciała ludzkiego wodą gorącą, a powyżej 40^oC nawet bardzo gorącą. Z tego powodu, aby się nie poparzyć mieszamy gorącą wodę z zimną już w samym kranie. Nie jest w tym nic niezwykłego, gdy myślimy o gorącej wodzie w bloku mieszkalnym lub pochodzącej z kotła stałopalnego. W bloku płacimy za 1 m³ gorącej wody, więc im jest ona cieplejsza tym mniej jej zużywamy, bo więcej dolewamy zimnej wody. W przypadku kotłów stałopalnych, im wyższa temperatura podgrzewanej wody, tym lepszy proces spalania w samym kotle, ale w pompie ciepła jest odwrotnie! Nadmierne dolewanie zimnej wody, aby uzyskać komfortową temperaturę jest marnowaniem energii potrzebnej do pogrzania wody gorącej. Zaleca się, aby zaczynać od ustawienia ok 40^oC w zbiorniku CWU na sterowniku pompy ciepła. Gdy w okresach większego zużycia (np. wieczorem) regularnie brakuje ciepłej wody, można stopniowo, po 1 czy 2^oC podnosić temperaturę, aż ilość ciepłej wody będzie wystarczająca. Nie należy podnosić temperatury skokowo, np. o 5^oC.

Kolejnym ważnym parametrem wpływającym na zwiększone zużycie energii przez pompę ciepła jest temperatura systemu grzewczego. Najlepszym rozwiązaniem jest dopasowanie temperatury systemu grzewczego tak, aby przy konkretnej temperaturze zewnętrznej nie było w domu ani za ciepło, ani za zimno, bez potrzeby ręcznego regulowania zaworami na grzejnikach czy wyłączania całej pompy ciepła termostatem. W tym celu należy odpowiednio ustawić krzywą grzewczą, dzięki której pompa ciepła automatycznie będzie zmieniać temperaturę w instalacji grzewczej wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej. Ma to szczególne znaczenie przy instalacji grzejnikowej, przy której temperatura systemu grzewczego i tak jest znacznie wyższa niż przy ogrzewaniu podłogowym, a co za tym idzie sprawność pompy też jest mniejsza. Ustawienie zbyt wysokiej temperatury na grzejnikach i zmniejszanie temperatury za pomocą termostatów grzejnikowych, również zwiększa koszt eksploatacji pompy ciepła.

Czytaj także: jakie grzejniki do pompy ciepła wybrać?

Następnym niezwykle energochłonnym elementem jest cyrkulacja ciepłej wody użytkowej. Wiele osób nie zdaje sobie sprawy jak dużo energii w skali roku pochłania taka instalacja. Jeżeli koniecznie chcemy z niej korzystać, powinniśmy używać kalendarza godzinowego do cyrkulacji CWU. Dzięki temu tylko w określonych godzinach mamy od razu dostęp do ciepłej wody w kranie, a podczas naszej nieobecności nie wychładzamy zbiornika CWU niepotrzebną cyrkulacją. Istnieje jeszcze wiele innych parametrów wpływających na zużycie energii przez pompę ciepła jednak wyżej wymienione najbardziej na to wpływają, a każdy użytkownik ma wpływ na ich ustawienie. Okazuje się, że bardzo wiele osób znacznie zmienia swoje przyzwyczajenia dotyczące systemu grzewczego, gdy zmieniają niewygodny i kłopotliwy w eksploatacji kocioł stałopalny na nowoczesną i automatyczną pompę ciepła. Bardzo często czas korzystania z prysznica, z uwagi na brak konieczności podkładania wcześniej do pieca, zwiększa się nawet kilkukrotnie. Bywa również, że temperatura w domu nagle zostaje podniesiona, bo już nie trzeba codziennie dosypywać węgla do pieca. Takie zachowanie znacznie zwiększa planowane zużycie energii przez pompę ciepła. W skrajnych przypadkach, nawet dobrze dobrana i ustawiona pompa ciepła, może nie podołać takiej eksploatacji i przykładowo nie osiągnąć oczekiwanych 23^oC w pomieszczeniu podczas dużych mrozów. Dzieje się tak, ponieważ standardowe zapotrzebowanie na energię budynku jest obliczane dla 20 lub 21^oC wewnątrz budynku przy temperaturze obliczeniowej (np. -20^oC), a nie dla 23^oC. Każdy 1^oC więcej w pomieszczeniach przekłada się na 5 do aż 15% większego zapotrzebowania na energię grzewczą, mówimy nawet o 30% więcej niż było to zakładane na etapie doboru. Wiedza instalatora na temat planowanej docelowej temperatury w pomieszczeniach jest bardzo ważna. To samo dotyczy zużycia ciepłej wody użytkowej (CWU). Standardowo zakłada się, że każdy użytkownik średnio zużyje ok. 50 l CWU na dobę, jeżeli jednak korzystamy z deszczownicy pod prysznicem o wydajności nawet 40-50 l/min, lub spędzamy pod standardowym prysznicem dużo więcej czasu niż zwykle, może okazać się, że zużyjemy więcej wody niż dobowo przewiduje się na całą 4 osobową rodzinę. Należy więc mieć świadomość wpływu zużycia CWU na koszty eksploatacji pompy ciepła.

Na koniec poruszymy temat realnego zużycia prądu przez pompę ciepła. Niestety bardzo często stajemy się ofiarą nieuczciwego sprzedawcy, który za wszelką cenę chce nam sprzedać urządzenie obiecując niejednokrotnie ułamek kosztów ogrzewania pompą ciepła w stosunku do np. kotła węglowego lub pelletowego. W niektórych przypadkach znaczne oszczędności, sięgające kilkudziesięciu procent (w kosztach rocznych), są jak najbardziej możliwe do osiągnięcia, jednak nie zawsze.  W szczególności, gdy zastępujemy tzw. śmieciuchy, które wcześniej były opalane drewnem lub grubym węglem, a dom nie ma najlepszej izolacji i w dodatku posiada ogrzewanie grzejnikowe o stosunkowo wysokiej temperaturze wody kotłowej. W niektórych przypadkach bez termomodernizacji (czyli docieplenia budynku, wymiany stolarki okiennej oraz zmiany grzejników na niskotemperaturowe) w ogóle nie należy montować pompy ciepła. Z uwagi na bardzo duże zapotrzebowanie na energię grzewczą oraz bardzo wysoki parametr instalacji grzewczej, koszt eksploatacji pompy ciepła może być znacznie wyższy niż koszt zakupu drewna czy węgla do kotła. Dzieje się to również dlatego, że pompa ciepła stale pilnuje temperatury w budynku i dostarcza tyle energii, ile budynek potrzebuje do uzyskania zadanej temperatury, pobierając proporcjonalnie energię z sieci 24 godziny na dobę. W takich budynkach często ciepło jest tylko wtedy, kiedy akurat palimy w kotle, czyli np. 2 razy na dobę. Wczesnym rankiem lub tuż przed powrotem do domu często taki budynek jest już wychłodzony, więc zużycie energii w nim jest znacznie mniejsze, a temperatura wacha się np. pomiędzy 16 a 22^oC. Pompa ciepła stale pilnuje, np. 22^oC więc w przeliczeniu na energię budynek znacznie więcej jej zużyje niż wynikało to z ilości spalonego węgla czy drewna. Są oczywiście sytuacje, w której zastosowanie pompy ciepła jest bardzo korzystne finansowo, a przede wszystkim pod względem komfortu użytkowania. Weźmy dla przykładu 150 metrowy dom, wyposażony w kocioł gazowy kondensacyjny, a sam budynek jest dobrze ocieplony z ogrzewaniem podłogowym (WT 2021, EU=55 kWh/m²/rok). Szacunkowy roczny koszt ogrzewania gazem może wynieść ok. 4360 zł. Gdy zamienimy taki kocioł na pompę ciepła, wraz z instalacją fotowoltaiczną 5 KWP, koszt eksploatacji pompy ciepła powietrze/woda wyniesie ok. 1880 zł, co stanowi około 43% oszczędności rocznie (źródło: „Przykładowy roczny koszt ogrzewania nowego budynku jednorodzinnego o pow. ogrzewanej 150 m²…” PORT PC w I kw. 2024 r.). Przedstawione dane są oczywiście obliczeniowe i nie zawsze można opierać na nich przyszłe koszty eksploatacji naszej pompy ciepła w naszym domu. Przeciętny, przykładowy dom o powierzchni ok. 150 m², zbudowany w latach 2010-2015, w III strefie klimatycznej Polski bez termomodernizacji potrzebuje ok 40-50 W/m². Zapotrzebowanie na moc grzewczą takiego budynku w temperaturze obliczeniowej zazwyczaj wynosi 7-8 kW. Dobrze dobrana pompa ciepła przy ogrzewaniu podłogowym może pobrać rocznie 4 do 5 tys. kWh energii elektrycznej, a przy ogrzewaniu grzejnikowym niskotemperaturowym 5 do 6 tys. kWh. Więc można szacunkowo określić koszt zakupu energii dla danej taryfy elektrycznej. Trzeba również mieć na uwadze, że dom zbudowany w tym samym czasie i o tej samej powierzchni, ale o innych parametrach technicznych (rodzaj i jakość izolacji, czy stan techniczny budynku) może mieć nawet dwa razy większe zapotrzebowanie na energię grzewczą! Nie dajmy się więc oszukać sprzedawcom obiecującym nam maksymalnie 2000 kWh poboru energii elektrycznej w skali roku przez pompę ciepła, bo to jest najzwyczajniej w świecie nierealne (o ile nie posiadamy domu pasywnego). Nie należy też porównywać swoich kosztów eksploatacji z innymi osobami np. w sieciach społecznościowych podając wyłącznie powierzchnię ogrzewana budynku, ponieważ czynników wpływających na zużycie energii przez pompę ciepła jest o wiele więcej.

Reasumując właściwy dobór, instalacja, konfiguracja oraz późniejsza eksploatacja pompy ciepła ma ogromny wpływ na zużycie energii przez to urządzenie. Jeżeli każdy z tych elementów zostanie dobrany, wykonany lub ustawiony optymalnie, będziemy cieszyć się tanim, ekologicznym oraz niezwykle komfortowym źródłem ciepła, jakim jest pompa ciepła.

Autor: Dariusz Stachura – Product Manager ds. Pomp Ciepła Klima-Therm.