Pomp ciepła tylko do ciepłej wody użytkowej – czy to się opłaca?

Podgrzewanie c.w.u. – koszt bardzo istotny

Nasze nowe domy zużywają coraz mniej ciepła. Wdraża się coraz wyższe standardy izolacji budynków oraz stosujemy coraz bardziej efektywne systemy grzewcze. Mamy więc lepiej izolowane ściany, okna, wentylację z rekuperatorem. Jednak ilość energii potrzebna do podgrzania ciepłej wody użytkowej (dalej w artykule c.w.u.) się nie zmienia. Jednak i tu można zaoszczędzić, albo podjąć racjonalny wybór w zależności od tego wg jakich kryteriów wybieramy system grzewczy do c.w.u.

Ciepłą wodę użytkową w naszych domach zwykle podgrzewa dedykowany kocioł lub pompa ciepła, których główną funkcją jest ogrzewanie budynku. Ciepłą woda użytkowa i tak jest podgrzewana. Stąd nasza analiza dotyczy wariantu, gdy mam już kocioł i korzystamy z drogiego paliwa i zużywamy dożo c.w.u. Ponieważ w domu jest dużo osób, oznacza to automatycznie wysokie koszty [1][2][3].

Wykorzystanie pomp ciepłą typu powietrze-woda to nie tylko specyfika polskiego rynku. Przewiduje się, że globalny rynek podgrzewaczy wody z pompą ciepła osiągnie 2,1 mld USD do 2026 r. z szacowanej wartości 1,4 mld USD w 2020 roku [7].

Rys. 1. Sprzedaż pomp ciepła w latach 2010-2022 (dla 2022 przedstawiono prognozę po I-szym półroczu [9][10]

Wg PORT PC w 2021 r. w naszym kraju sprzedano blisko 93 tys. pomp ciepła. Ta liczba dotyczy urządzeń typu powietrze-woda do ogrzewania oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także gruntowych pomp ciepła typu solanka-woda. W 2022 r. sprzedaż pomp ciepła podwoi się i wyniesie około 180 tys. sztuk. Blisko 160 tys. stanowić będą pompy ciepła typu powietrze-woda do centralnego ogrzewania. Organizacja PORT PC wyróżniła także prognozę sprzedaży pomp ciepła typu powietrze-woda służących tylko do przygotowania c.w.u. W 2022 r. przewiduje się minimalny wzrost sprzedaży w porównaniu do 2021 r., prawdopodobnie liczba sprzedanych pomp tego typu wyniesie 7900 sztuk - w zeszłym roku było to 7700 sztuk (wzrost wyniesie 2%).

Ktoś powie zatem, że urządzeń tych nie sprzedaje się dużo i bez problemu podgrzewanie c.w.u. „opanowują” kompaktowe układy pomp ciepła, które też przecież ciepłą wodę użytkową podgrzewają. Po co zatem takie dedykowane urządzenia są one na rynku? Znalazły swoje miejsce ponieważ wariantów układów mieszkalnych jest bardzo wiele. Nie zawsze mamy do czynienia z budowanym nowym domem, gdzie instalację projektujemy od nowa. Bardzo często mamy domy w których jest już jakiś system ogrzewania pomieszczeń, a spore koszty generuje podgrzewanie c.w.u., ponieważ mamy np. w danym domu sporo mieszkańców. O skali kosztów podgrzewania c.w.u. przekonuje ilustracja z rys. 2.

Rys. 2. Zużycie energii w europejskich gospodarstwach domowych z podziałem na procesy [11]

Jak działa pompa ciepła dedykowana do podgrzewania c.w.u.?

Podgrzewacze wody z pompą ciepła wykorzystują do pracy powietrze zewnętrzne z otoczenia lub z sąsiednich pomieszczeń, opierając się na wielokrotnie prezentowanym na tym blogu cyklu termodynamicznym jak w klasycznej pompie ciepła. Czynnik chłodniczy w postaci ciekłej przechodzi przez parownik i odbiera ciepło z otoczenia. W efekcie tego procesu następuje jego odparowanie. Sprężarka z kolei podnosi ciśnienie czynnika, co skutkuje wzrostem jego temperatury. W takim stanie dociera on do skraplacza, gdzie oddaje ciepło wodzie zgromadzonej w zbiorniku. Czynnik schładzając się przechodzi ponownie w stan ciekły. Na końcu całego procesu za pośrednictwem zaworu rozprężnego traci ciśnienie, wracając do swoich początkowych parametrów [1][2][3].

Z doświadczeń użytkowników wynika, że przy obecnych cenach prądu koszt podgrzewania przez powietrzną pompę ciepła 300 l wody poza sezonem grzewczym (przy temperaturze powietrza na zewnątrz 15oC) jest to blisko trzyipółkrotnie mniejszy niż w przypadku bojlera z grzałką elektryczną. W okresie zimowym efektywność powietrznej pompy ciepła niestety znacznie maleje z powodu niższej temperatury powietrza będącego źródłem ciepła. Wtedy korzyści z jej zastosowania nie są już tak duże [3][4][6][12][14].

Skąd różnice w efektywności pracy takich podgrzewaczy w odniesieniu do pomp ciepła, które grzeją pomieszczenia oraz również grzeją c.w.u.? Wielokrotnie przecież pisaliśmy, że klasyczne pompy powietrzne działają w temp ujemnych! Wyjaśnienie tkwi w założeniu projektowym tych urządzeń. One mają być konkurencyjne w odniesieniu do pozostałych systemów grzewczych: ale tylko do c.w.u.: grzałka elektryczna, kocioł na paliwo stałe, kocioł gazowy oraz również kolektory solarne.

Po pierwsze uproszczono całą konstrukcję i zastosowano uproszczone, tańsze podzespoły aby cena całości nie przekraczała w podstawowym układzie kilku/kilkunastu tysięcy zł. Dlaczego? Takie było i jest zapotrzebowanie rynku. Co uzyskano? Bardzo nowoczesne konkurencyjne urządzenie do podgrzewania c.w.u. Oczywiście obarczone pewna wadą w postaci konieczności współpracy z kotłem szczytowym postaci grzałki eklektycznej, ale bez problemu integrujące się również (zbiornik posiada dodatkowe wężownice i grzałkę elektryczną) z kotłem gazowym, kominkiem wodnym oraz instalacją PV (korzystne wydaje się tutaj możliwe akumulowanie energii w c.w.u. po skomunikowaniu z inwerterem) czy kolektorami solarnymi [1][2].

Rys. 3. Instalacja do podgrzewania c.w.u. w Laboratorium Inżynierii OZE – Politechnika Bydgoska – materiały własne + [13]

Wybierając pompę do c.w.u. mamy szereg możliwości jej zastosowania. Oferta na rynku jest bardzo szeroka. Warto zastanowić się, jakiego rodzaju pod względem mocy i funkcjonalności urządzenia potrzebujemy. Do dyspozycji mamy podgrzewacze z pompą ciepła [1][2][13][14]:

• z zasobnikiem – układ pompy ciepła jest wówczas zintegrowany ze zbiornikiem na ciepłą wodę, o pojemności ok. 200-300 l (rys. 3). Jako że zasobnik zazwyczaj występuje w wersji stojącej, potrzebna będzie dodatkowa przestrzeń, w której go umieścimy. Zbiornik taki posiada grzałkę elektryczną oraz możemy również podłączyć go do innych źródeł ciepła;

• bez zasobnika – jeżeli nie mamy wystarczająco dużo miejsca w kotłowni na zasobnik albo posiadamy już taki zbiornik, możemy kupić samą pompę ciepłą. W takim wypadku – jeżeli pompa nie będzie zintegrowana ze zbiornikiem – możemy również dokupić oddzielny zasobnik o wymaganej objętości i funkcjonalnościach.

Pompy ciepła do c.w.u. mogą pobierać energię z powietrza wewnętrznego lub z powietrza zewnętrznego. Z instalacyjnej praktyki wynika, że najczęściej znajdują one swoje miejsce w pomieszczeniach typu kotłownia, piwnica, spiżarnia, pralnia, czy garaż. Warunkiem jest dostęp do energii elektrycznej i przyłącza bieżącej wody. Pompa ciepła z kanałami doprowadzającymi powietrze wewnętrzne/zewnętrzne może być zlokalizowana w każdym pomieszczeniu. W przypadku montażu pompy ciepła na zewnątrz budynku, należy wybrać miejsce, w którym temperatura utrzymuje się na poziomie 5-35 0C, gdzie możliwe jest odprowadzenie kondensatu, bez utrudnionego dostępu do energii elektrycznej [1][2][13][14][15].

Tabela 1. Parametry pomp ciepła do podgrzewania c.w.u. [15]

Urządzenia te w przypadku korzystania z powietrza zewnętrznego „są wrażliwe” na niskie temp otoczenia. Poniżej 7 0C w zasadzie pompa załącza się w tryb pracy na grzałce lub wymaga załączenia „źródła szczytowego”. Jej efektywność ekonomiczna zależy od tego jak umiejętnie wkomponowujemy to urządzenie w nasz dom – tzn. będziemy mogli np. wykorzystać powietrze z pomieszczeń.

Co nam daje wybór pompy ciepła do podgrzewania c.w.u.

Oczywiście „reklama dźwignią handlu” i możemy się spotkać w necie oraz ofertach sprzedawców, że podgrzewacze tego typu dają efekty które „są nam niezbędne”! Plusy w postaci dodatkowych efektów w postaci osuszania czy ochładzania wybranych pomieszczeń w domu (rys. 4) oczywiście są, ale wymagają dokładnych analiz, co od wielości tych pomieszczeń i mocy naszej pompy ciepła. Teoretycznie jeśli dysponujemy bardzo dużą kotłownią możemy uzyskać efekt braku wpływu temperatury powietrza otoczenia bowiem możemy przecież korzystać z powietrza, który jest w samej kotłowni. Jednak takie pomieszczenie jako dolne źródło ciepła musiało by mieć minimum 80m3, aby nie następował efekt jego wychładzania.

Przede wszystkim możemy jednak zoptymalizować koszty podgrzewania c.w.u.! W przypadku małych instalacji dla 2-3 osób nowoczesne elektryczne podgrzewacze przepływowe mogą okazać się rozwiązaniem najbardziej racjonalnym, wynikającym głownie z niskich kosztów zakupu i instalacji. Jednak przy większym zapotrzebowaniu na c.w.u., dla dużej rodziny zdecydowanie lepiej wybrać inny wariant ponieważ rośnie udział kosztów podgrzewania c.w.u.

Rys. 4. Dodatkowe plusy zastosowania podgrzewacza z c.w.u. z pompą ciepła: a) możliwość wychładzania pomieszczeń, b) możliwość osuszania pomieszczeń typu pralnie lub suszarnie

Wśród niewątpliwych zalet pomp ciepła do c.w.u. należy wymienić [1][2][12][13][14][15]:

• pracę wtedy, gdy jest zapotrzebowanie na c.w.u. – często zaawansowana automatyka i monitorowanie takich układów,

• brak problemów z przegrzewaniem jeśli byśmy porównywali te układy do instalacji kolektorów solarnych,

• pracę w znacznym stopniu niezależną od warunków pogodowych przy optymalnej konfiguracji układu (wykorzystania poza powietrzem atmosferycznym również powietrza z kotłowni),

• możliwość dopasowania urządzenia do modernizowanego systemu grzewczego – duża elastyczność kompozycji układu z innymi źródłami,

• bezobsługowość,

• wygoda – możliwość uzyskania dodatkowych potencjalnych efektów (schładzania, osuszanie wybranych pomieszczeń).

Sam jestem zwolennikiem tezy ze urządzenia tego typu pojawiły się na rynku w okresie boomu na kolektory solarne. Branża pomp ciepła chciała wejść w rynek podgrzewania c.w.u. z urządzaniami konkurencyjnymi cenowo i wydaje mi się, że jej się to udało. Najtaniej oczywiście podgrzejemy wodę z wykorzystaniem kolektorów solarnych to oczywiste. Użytkownicy szukają jednak cały czas rozwiązania optymalnego ze względu na cechy związane z wygodą i bezobsługowością itp. I mimo, że mogę wykazać, że dobrze zaprojektowana instalacja solarna jest również „bezobsługowa” w przypadku domów modernizowanych, gdzie zużywa się dużo c.w.u. podgrzewacze z pompami ciepła stały się bardzo konkurencyjne cenowo i atrakcyjne dla konsumentów.

Podsumowanie

W artykule przedstawiliśmy, że powietrzne pompy ciepła dedykowane do przygotowywania c.w.u. to rozwiązania ekologiczne i ekonomiczne. Ich głównymi zaletami jest bezproblemowy montaż i niskie koszty eksploatacji w porównaniu do konkurencji. Szukając dodatkowych oszczędności związanych z ich użytkowaniem warto zwrócić uwagę na możliwość ich współpracy z instalacją PV bądź innymi systemami: kominek, kocioł gazowy, czy też instalacja solarna fototermiczna. Dzięki temu, w słoneczny dzień podgrzewanie wody może być całkowicie darmowe. Oczywiście do aspektu wyboru systemu grzewczego trzeba podejść indywidualnie. Jest szereg kryteriów wskazujących kiedy powinniśmy się takim systemem zainteresować.

Pompy ciepła do przygotowywania c.w.u. są szczególnie pożądane w budynkach, w których urządzeniem zasilającym c.o. jest kocioł olejowy lub na paliwo stałe. W tej sytuacji ciepła woda użytkowa jest tak czy owak produkowana podczas ogrzewania domu. O ile w sezonie grzewczym dostęp do c.w.u. jest zapewniony, to już w pozostałych okresach roku wiąże się z dużymi utrudnieniami i kosztami, szczególnie gdy zużywamy dużo c.w.u. Uruchamianie kotła na paliwo stałe tylko na cele c.w.u. jest nie tylko nieekonomiczne, ale też kłopotliwe. Dlatego w tego typu instalacjach, często jako alternatywę na cieplejsze miesiące, uwzględnia się podgrzewacze elektryczne lub rozwiązania solarne, czy też przedstawione w tym artykule urządzenia.

Źródła

1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

2. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015

3. https://www.fachowyinstalator.pl/powietrzna-pompa-ciepla-do-c-w-u-kiedy-warto-sie-na-nia-zdecydowac/ (dostęp - sierpień 2022r.)

4. https://www.instalacjebudowlane.pl/6405-23-84-pompy-ciepla-do-podgrzewania-cieplej-wody-uzytkowej.html (dostęp - sierpień 2022r.)

5. https://kotly.pl/pompa-ciepla-do-c-w-u/ (dostęp - sierpień 2022r.)

6. https://budujemydom.pl/instalacje/kotly-i-podgrzewacze/a/22267-jakie-sa-koszty-przygotowania-cieplej-wody-uzytkowej (dostęp - sierpień 2022r.)

7. https://www.researchandmarkets.com/reports/5146229/global-heat-pump-water-heater-market-by-type-air (dostęp - sierpień 2022r.)

8. https://www.ehpa.org/market-data/ (dostęp - sierpień 2022r.)

9. https://portpc.pl/ponad-dwukrotny-wzrost-sprzedazy-powietrznych-pomp-ciepla-w-i-pol-2022-roku/?fbclid=IwAR2zyiWkvggGEyNFd-dsjzEvbSFZVqHW4pYdyWHi_CczhLk1qDXuNucBycg (dostęp - sierpień 2022r.)

10. https://globenergia.pl/polska-w-2022-r-zainstaluje-180-tys-pomp-ciepla-ograniczenia-w-dostawach-zablokuja-60-tys-instalacji/ (dostęp - sierpień 2022r.)

11. www.ec.europa.eu/eurostat (dostęp - sierpień 2022r.)

12. https://muratordom.pl/instalacje/pompy-ciepla/pompa-ciepla-do-c-w-u-zasilana-energia-elektryczna-jako-alternatywa-dla-bojlera-elektrycznego-aa-r7oi-xhLE-Awp2.html (dostęp - sierpień 2022r.)

13. https://www.hewalex.pl/porady-i-wiedza/pompy-ciepla/powietrzna-pompa-ciepla-do-ogrzewania-wody-uzytkowej-pcwu-38h-a3.html (dostęp - sierpień 2022r.)

14. https://instalreporter.pl/ogolna/ile-kosztuje-podgrzewanie-wody-uzytkowej-przez-powietrzna-pompe-ciepla/ (dostęp - sierpień 2022r.)

15. https://globenergia.pl/ile-kosztuje-pompa-ciepla-do-c-w-u/ (dostęp - sierpień 2022r.)

16. http://www.sprawdzonewpraktyce.pl/2020/05/pompa-ciepla-do-podgrzewania-cieplej-wody-uzytkowej-czy-warto-praktyczne-informacje-koszty-i-porownanie-z-bojlerem-elektrycznym/ (dostęp - sierpień 2022r.)