Pompy ciepła – działanie i praktycznie zastosowanie

admin | | O wiedzy | Brak komentarzy

Na rynku grzewczym istnieje masa rozwiązań przeznaczonych do zapewnienia w naszych domach odpowiedniego klimatu cieplnego. Producenci prześcigają się w produkcji projektowaniu nowych urządzeń, bardziej wydajnych, oszczędnych. Nic w tym dziwnego, firma działająca w branży ogrzewnictwa nie powinna mieć problemów ze znalezieniem klientów dla swoich produktów. Odpowiednia reklama i marketing stosowany dzisiaj na całym świecie w aspekcie oszczędności pieniędzy użytkownika oraz ekologii i nieuniknionej podwyżce nośników energii przynoszą znaczne dochody ze sprzedaży takich urządzeń jak różnego rodzaju piece, kotły czy ogrzewanie elektryczne. Jedno jest pewne, człowiek, aby czuć siew swoim domu komfortowo musi zadbać o wybór odpowiedniego źródła ciepła. Od początków istnienia człowiekowi towarzyszył ogień. Początkowo służył on do przygotowania upolowanej zwierzyny i ogrzania pomieszczeń, w których znajdowali schronienie. Dzisiaj jest podobnie, nie wyobrażamy sobie domu w naszym umiarkowanym klimacie, który nie posiadałby starszych czy nowszych systemów ogrzewania pomieszczeń.

Producenci i sprzedawcy systemów ogrzewania domów często zapominają, że puste słowa na ulotkach i na spotach reklamowych często nie wystarczają, aby przyciągnąć klienta właśnie do ich firmy. Kwestia związana z zainstalowaniem w budynku dobrze sprawującego się a przy tym w miarę opłacalnego rozwiązania nie jest prosta. W gąszczu różnych urządzeń trudno się zdecydować, które z nich najlepiej nadawałoby się do naszego nowobudowanego domu czy już istniejącego potrzebującego modyfikacji i modernizacji instalacji grzewczej.

Jak do tej pory nie stworzono urządzenia, które w pełni pokrywałoby zapotrzebowanie domowników na ciepło i nie korzystałoby z jakiegokolwiek nośnika energii? Być może tego typu perpetuum mobile kiedyś uda się zbudować do ogrzewania, ale na dzień dzisiejszy jego rolę pełnią urządzenia zasilane energią z paliw kopalnianych. Jak wiadomo ceny czy to węgla, gazu czy oleju opałowego rosną z czasem i nie wiadomo do końca, jaki poziom cen ustali się za kilka, kilkanaście lat. Na pewno koszty utrzymania w budynkach mieszkalnych nie będą należeć do niskich. Jak pokazują badania najwięcej energii zużywanej jest właśnie na ogrzewanie.

Tak jak wspomniano instalacja grzewcza musi znaleźć się w każdym mieszkaniu, być może warto zastanowić się i zainteresować nowymi technologiami przeznaczonymi właśnie do ogrzewania domów, które oferują tanie źródło energii. Nie warto również ślepo wierzyć producentom w ich zapewnieniom, że dane urządzenie w pełni pokryje zapotrzebowanie domowników.

W ostatnim czasie dość dużą popularnością cieszą się urządzenia zwane pompami ciepła. Urządzenia te zawdzięczają wzrost zainteresowania nimi raczej dylematom, które stoją przed przyszłymi inwestorami zastanawiającymi się czy oby na pewno nowoczesna pompa ciepła, jako urządzenie, które korzysta w większości z darmowej energii jest odpowiednim rozwiązaniem dla ich domu. Na różnego rodzaju forach internetowych można prześledzić dużą ilość rozmów i sporów dotyczących tego czy instalacja z pompą ciepła jest opłacalna w naszym klimacie, czy zagwarantuje odpowiednie ogrzewanie w całym domu przez cały rok. Powstało też wiele książek opisujących działanie i zastosowanie pomp ciepła, jako głównego źródła ciepła jak również jej połącznie i wspomaganie przy jej pomocy dotychczasowego ogrzewania centralnego.

Pompa ciepła, jako instalacja korzystająca w niewielkim stopniu z energii elektrycznej i pozyskująca darmową energię z otoczenia będzie przedmiotem tego rozdziału. Jako że jest to urządzenie, którego początku należy doszukiwać się w wieku XIX dopiero niedawno stały się możliwości wykorzystanie pomp ciepła w budownictwie bardzo popularne.

Pompa ciepła ma swój początek dokładnie w roku 1810, kiedy to szkocki naukowiec Lesile skonstruował pierwszy absorpcyjny agregat chłodniczy. Następnie pan Perkins dwadzieścia lat później opracował agregat sprężarkowy. Zdano sobie sprawę, że skoro urządzenia te potrafią chłodzić, być może również jest możliwe dostarczanie przy ich pomocy ciepła. W 1928 roku została uruchomiona pierwsza instalacja grzewcza wykorzystująca amoniakalny agregat sprężarkowy. Nastąpił wzrost mocy urządzeń instalowanych w Europie i USA, który został zahamowany na skutek rozwoju energetyki jądrowej i spadku cen ropy naftowej po drugiej wojnie światowej. Ostatnie lata to ponowny wzrost zainteresowania tymi urządzaniami w Europie, wykorzystywanymi w największym stopniu w budownictwie mieszkaniowym.

Z roku na rok coraz więcej obserwuje się sprzedanych pomp ciepła, w 2001 roku w Szwecji, gdzie panuje dość chłodny klimat sprzedano około 30 000 takich pomp. W Austrii w roku 1998 zainstalowanych było ponad 112 000 takich urządzeń o łącznej mocy ponad 500 MW.

Jak pokazują statystyki w wielu krajach, jak Niemcy, Szwecja, Finlandia, Austria, Szwajcaria, Francja liczba nowych domów, w których wykorzystano do celów grzewczych pompę ciepła wzrosła w 2007 roku prawie dwukrotnie w porównaniu z rokiem 2006. Co jest przyczyną tak nagłego boomu w technice grzewczej jeśli chodzi o pompy ciepła? Tak jak wcześniej wspomniano znaczny wpływ na rozwój tej technologii w budynkach maja wzrosty cen nośników energii. Ogromne znaczenie ma tu najpopularniejsze źródło ciepła, jakim jest gaz ziemny. W Europie o kwestii gazu ziemnego decydujące słowo ma Rosja, z której pochodzi większość dostaw tego surowca. Państwa Zachodniej Europy obawiają się zależności energetycznej opartej na polityce zagranicznej. Widać to dokładnie na przykładzie Niemiec, dla których dostawy gazu z terenów Rosji to nie do końca bezpieczne rozwiązanie. Jak również samo zachęcanie do stosowanie pomp ciepła i zastępowaniu nimi starych kotłów gazowych lub olejowych co z z drugiej strony wydaje się nieopłacalne dla rządu ponieważ zmniejszyłoby to znacznie dostawy ropy i gazu do państwa a co za tym idzie również podatek akcyzowy dla państwa.

Pompy ciepła to nie tylko urządzenia przeznaczone dla klientów indywidualnych instalujących je w domach prywatnych. Duże pompy ciepła wykorzystuje się w ośrodkach przemysłowych gdzie energia cieplna odzyskiwana jest z procesów technologicznych. Przykładem może być ogrzewanie pomieszczeń biurowych ciepłem wytworzonym w halach fabrycznych. Z badań wynika, że około 40% budujących rozważa możliwość wykorzystania pompy ciepła we własnym domu. Zastosowanie pompy ciepła w domach jednorodzinnych lub przemyśle jest ciekawym tematem jak również kwestia opłacalności inwestycji w tego typu urządzenia jest na ten czas dość kontrowersyjna.

ENERGIA Z ZIEMI

Pompa ciepła jest urządzeniem, które energie cieplną czerpie z otoczenia może to być grunt, powietrze, woda lub różnego rodzaju procesy technologiczne. Pośrednio źródłem energii wykorzystywanej w pompach jest energia promieniowania słonecznego, które docierając do ziemi zostaje skumulowane w ziemi. W zależności od pory roku temperatura może być wyższa lub niższa, ale nie różniąca się o kilka stopni (temperatura gruntu na głębokości 15m jest przez rok stała i wynosi ok. 10°C, a co 33m temperatura gruntu rośnie o ok. 1°C). Jest to ważna zaleta tego cieplnego „akumulatora” z racji tego ze zbyt duże wahania temperatury w tzw. dolnym źródle ciepła mogłoby być trudne do opanowania przy ustawianiu optymalnych warunków cieplnych w górnym źródle ciepła. Temperatura dolnego źródła ciepła powinna nie przekraczać zastosowanego czynnika roboczego. Pompy ciepła mogą być wykorzystywane w każdych warunkach jeśli chodzi o źródło czerpania energii. Wyjątkowymi sytuacjami są przypadki gdzie temperatura powietrza spada dość znacznie poniżej zera. W takim przypadku pompa ciepła wykorzystująca ciepło zgromadzone w powietrzu musiałaby zostać zastąpiona pompą korzystająca z energii wody lub gruntu.

Jakość gruntu w którym umieszczone zostaną kolektory pompy ciepła ma duże znaczenie ponieważ im wyższa jest wilgotność podłoża, tym większa i lepsza jest przewodność ciepła – powierzchnia kolektorów może być wtedy mniejsza.

Ważne jest to, że pompa ciepła jest instalacją grzewczą niskotemperaturową. Czerpie energię ze źródła o niskiej temperaturze od 0 stopni do ok. 10 stopni. Temperatura na wyjściu pompy ciepła sięga maksymalnie wartość 50stopni, która już z powodzeniem może zostać użyta do ogrzewania budynku. Ważne jest aby przy stosowaniu pomp ciepła zatroszczyć się również o odpowiednie urządzenia które temperaturę będą oddawać do pomieszczeń. Mowa tu o instalacjach niskotemperaturowych takich jak ogrzewanie grzejnikowe, podłogowe i ścienne.

BUDOWA I DZIAŁANIE POMPY CIEPŁA

Do elementy, z których składa się typowa pompa ciepła należą:

Układ pompy ciepła (1)
- Sprężarka spiralna
- Wymiennik ciepła ze stali nierdzewnej
- Pompy obiegowe dla obiegu dolnego źródła i wody grzewczej
- Zawory i zabezpieczenia dla obiegu chłodniczego i jego osprzętu elektrycznego
Zasobnik wody wykonany ze stali nierdzewnej lub miedzi (2)
Zawór rozdzielający przy pomocy, którego podgrzana woda kierowana jest do instalacji grzewczej lub przygotowania ciepłej wody użytkowej (w zależności od trybu pracy)
Podgrzewacze pomocnicze (4)
- Podgrzewacz pomocniczy wykorzystywany w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na ciepło przekraczającego wydajność pompy ciepła
- Regulator mocy w obiegu wody grzewczej

Zasada działania pompy ciepła polega na przepływie niezamarzającego czynnika przez przewód umieszczony w gruncie, skale, wodzie gruntowej, powierzchniowej lub może być umieszczony w powietrzu atmosferycznym. Umieszczenie tego przewodu w takich środowiskach powoduje odbieranie z nich zgromadzonego ciepła i wzrost temperatury czynnika roboczego w przewodach zwanych kolektorem (urządzenie to ma to samo zadanie, jakie miał kolektor w instalacjach solarnych-odbiór ciepła z otoczenia – dokładnie z promieni słonecznych).

Następnie ogrzany czynnik transportowany jest do parownika pompy ciepła gdzie następuje oddanie ciepła czynnikowi chłodniczemu (2). Niskie ciśnienie i dostarczone ciepło powoduje, że czynnik chłodniczy w parowniku zaczyna wrzeć i intensywnie parować i zamienia się w gaz. Na swojej drodze ma sprężarkę, która zwiększa jego ciśnienie i temperaturę.

Kolejnym etapem w instalacji jest tzw. skraplacz, w którym czynnik o wysokim ciśnieniu oddaje ciepło do obiegu grzewczego, temperatura czynnika chłodniczego spada powodując jego powrót do stanu ciekłego.

Instalacja grzewcza transportuje odebrane ciepło do zasobników CWU lub systemów CO np. podgrzewania podłogowego (5). Skroplony czynnik chłodniczy zostaje przetransportowany do zaworu rozprężnego gdzie spada jego ciśnienie i temperatura, przez co nadaje się on do kolejnego obiegu w całej instalacji pompy ciepła i cały proces zostaje powtórzony (6). Jako czynnika roboczego używa się substancji, które parują w niskich temperaturach przy oraz charakteryzując się wysokim współczynnikiem ciepła. Jedyną formą energii, którą musimy dostarczyć do układu z zewnątrz jest energia elektryczna zasilająca pompy cyrkulacyjne i sprężarkę.

O jakości pompy ciepła i o tym jak jest ona wydajna możemy się dowiedzieć porównując tzw. współczynniki efektywności COP (ε). Aby go określić wykorzystuje się odwrócony obieg Carnota – taki według, którego pracują pompy ciepła.

ε_c=T/(T-T_U )=T/∆T

ε_c-współczynnik sprawności wg Carnota
T_U-temperatura otoczenia,z którego pobierane jest ciepło
T-temperatura otoczenia,do którego oddawane jest ciepło
∆T-różnica temperatur pomiedzy cieplejszą i zimniejsza stroną (wszystkie temperatury w stopniach absolutnych °K

Współczynnik zależy odwrotnie proporcjonalnie od różnicy temperatur źródła górnego i dolnego. Źródło górne przyjmowane jest najczęściej, jako ogrzewanie podłogowe o temperaturze 35 stopni – przyjmuje się ją, jako parametr stały w obliczeniach ponieważ nie zmienia się, niezależnie od pory roku. Dolne źródło posiada zmienną temperaturę, tak jak w przypadku pomp ciepła pobierających energię z powietrza temperatura ta jest różna w zależności o pory roku ( -15, -7, 2, 7, 10, 20). W zależności od temperatury dolnego źródła współczynnik COP może się różnic w różnych porach roku, dlatego wprowadza się parametr zwany sezonowym współczynnikiem efektywności SPF (Sesonal Performance Factor), określający COP uśredniony dla całego sezonu grzewczego.

Z powodu strat termicznych, mechanicznych i elektrycznych tak również z powodu zapotrzebowania energii napędów pomocniczych efektywnie osiągnięty współczynnik efektywności ε jest mniejszy niż ε_c. Dla obliczeń przybliżonych można założyć, że ε jest równe 0,5 x ε_c .

Współczynnik efektywności zależy od różnicy temperatur pomiędzy źródłem ciepła a rozdziałem ciepła – im różnica ta jest mniejsza tym efektywniej pracuje każda pompa. Produkowane są również pompy ciepła z tzw. chłodzeniem wtryskowym, polegającym na dostarczaniu strumienia pary lub cieczy do miejsca sprężania czynnika roboczego. W ten sposób uzyskuje się lokalne schłodzenie i zwiększenie strumienia masy, co w efekcie prowadzi do zwiększenia COP. Dzięki temu zabiegowi pompa ciepła ma większy zakres zastosowania i przy temperaturze np. -16°C w źródle ciepła może wygenerować temperaturę na odpływie na poziomie 65°C.

Współczynnik efektywności w zależności od wzrostu temperatury

SYSTEMY GRZEWCZE Z POMPĄ CIEPŁA

Dolne źródło ciepła WQA
- Powietrze
- Woda
- Grunt
Pompa ciepła WP
- Powietrze/woda
- Woda/woda
- Solanka/woda
- Powietrze/woda/powietrze
Górne źródło ciepła WNA (ogrzewanie niskotemperaturowe)
- Ogrzewanie grzejnikowe
- Ogrzewanie podłogowe
- System mieszany
- Ogrzewanie/chłodzenie powietrza

Podstawowymi kryteriami podziału pomp ciepłą jest klasyfikacja ze względu na źródło pobieranego ciepła, może to być powietrze, woda lub grunt. Powietrze jako najbardziej dostępne medium wydaje się być najtańszym rozwiązaniem dla pomp ciepła. Z racji tego że pompy zasilane powietrzem nie wymagają instalacji kolektorów ich cena jako samego urządzenia jak również instalacja nie nalezą do dużych wydatków. Należy jednak zwracać uwagę na klimat jaki panuje w ciągu roku w miejscu gdzie taką pompę się instaluje. Temperatura powietrza dla przykładu w Polsce dość znacznie się waha, w okresie zimowym spada poniżej 0 stopni. Chcąc uzyskać ciepło z tego medium przy takiej temperaturze inwestor naraża się na znaczne koszty spowodowane nadmiernym poborem energii elektrycznej.

Rozwiązaniem staje się w takim przypadku instalacja pompy ciepła o znacznie większej mocy, która np. przy -20 stopniach będzie wystarczająco silna aby zagwarantować potrzebne ciepło w całym budynku. Stosując pompę ciepła jako główną instalację w budynku ryzykujemy, że sytuacją gdy w bardzo zimne dni pompa ciepła nie poradzi sobie z pobraniem wystarczającej ilości ciepła z powietrza a rachunki za energie elektryczną mogą znacznie zniechęcić do korzystania z tego typu ogrzewania. Rozsądniejszym rozwiązaniem w przypadku pomp pracujących w systemie powietrze/woda jest instalacja drugiego niezależnego systemu grzewczego, który w razie potrzeby mógłby wspomóc ogrzewanie pompą ciepła a w ekstremalnych warunkach nawet je zastąpić.

Przykład pompy ciepła zasilanej powietrzem

Schemat obiegów w pompie ciepłą typu powietrze/woda

Kolejnym „akumulatorem”, z którego może być czerpane ciepło przez pompy ciepła jest woda zgromadzona w otwartych zbiornikach lub w ciekach wodnych. Woda z racji tego ze zamarza, gdy temperatura spada poniżej zera nie nadaje się do pozyskiwania z niej ciepła, przynajmniej nie ta na powierzchni ziemi. Pompy zasilane ciepłem wody gruntowej są o tyle lepszym rozwiązaniem dla klimatów gdzie panują niskie temperatury, ponieważ przy odpowiedniej głębokości usytuowania studnie można czerpać bezpośrednio wodę do pompy o stałej temperaturze sięgającej nawet 10 stopni bez względu na to czy powietrze ma temperaturę +20 czy -15 stopni. Pompy takie są wydajniejsze jednak wiąże się to z kosztami, jakie trzeba ponieść, aby możliwe było wykorzystanie ciepła zgormadzonego w wodach gruntowych instaluje się dodatkowo studnie wodne na odpowiedniej głębokości. Woda pobrana w jednej ze studni zostaje ochłodzona w parowniku i wraca do gruntu wyjściem w drugiej studni.

W kwestii zasadności stosowania głębokich odwiertów i pobierania z nich wody ważną rolę odgrywa wydajność studni zasilającej jak również moc pompy wodnej, która tą wodę musi wytłoczyć na powierzchnie, dochodzą również koszty związanie z zasilaniem pompy. Problemem często jest niemożliwość obliczenia jak wydajna będzie całość instalacji przed wykonaniem odwiertów i zainstalowaniem studni. Samo wykonanie odwiertów i zainstalowanie studni jest sprawą skomplikowaną i wymagającą uzyskania odpowiednich zezwoleń.

Współczynniki efektywności w przypadku pomp wykorzystujących ciepło wód podziemnych sięgają do 5,5 co stwierdza ich wysoką wydajność. Pompy typu solanka/woda nie różnią się prawie niczym w porównaniu z typem woda/woda. Często są stosowane zamiennie z niewielkimi modyfikacjami w automatyce sterowania. W pompach ciepła pobierających ciepło z gruntu stosuje się odpowiednie kolektory, które podobnie jak kolektory słoneczne przeznaczone są do absorbowania energii zgromadzonej pod powierzchnią ziemi. W kolektorach znajduje się odpowiedni czynnik roboczy – solanka (niezamarzająca w temp -15 stopni, najczęściej wodny roztwór glikolu propylenowego). Sprawa użycia w kolektorach substancji o tak niskiej temperaturze zamarzania jest konieczna ponieważ czynnik w parowniku po oddaniu ciepła ochładza się do temperatur poniżej 0 stopni.

Kolektory w których płynie czynnik roboczy to układ odpowiednio ułożonych rur na odpowiedniej głębokości z tworzywa sztucznego. Istnieją dwie konfiguracje kolektorów dla pomp solanka/woda.

POMPA CIEPŁA – KOLEKTOR PŁASKI

Jedną z odmian tego kolektora jest układ rur o długości sięgającej nawet 100m, w zależności od możliwości terenowych i mocy pompy ciepła wykonuje się na odpowiedniej powierzchni wykop warstwy gruntu do głębokości ok. 2m i układa się kolektor w sposób pokazany poniżej.
Schemat podstawowej instalacji dla ciepłej wody użytkowej

Schemat podstawowej instalacji dla ciepłej wody użytkowej

Wielkość kolektora gruntowego jest zależna od zastosowanej mocy pompy ciepła i poboru energii elektrycznej. Z pomocą przychodzą obliczenia wykonane przez producentów pomp ukazujące jaka powierzchnia będzie potrzebna aby pompa mogła pracować z nominalną mocą, co więcej odpowiednie przewymiarowanie instalacji kolektorów w gruncie może zwiększyć moc grzewczą pompy. Wszystkie obliczenia wykonane zgodnie z normami mogą służyć na wstępne zorientowanie się jak duża powierzchnia jest potrzebna.

Jeśli chodzi o kolektory płaskie należy je układać na głębokości 1,2m – 1,4m (oczywiście im głębiej tym lepiej jednak koszty instalacji rosną). Powierzchnia ułożenia powinna być płaska, dopuszcza się jednostronne nachylanie z tym ze rury powinny być ułożone poprzecznie do stoku. Rury kolektora płaskiego powinny być zabezpieczone przed ściśnięciem w gruncie i otoczone warstwą piasku a na nim powinna zostać umieszona taśma ostrzegawcza w odległości ok. 50cm od przewodu.

POMPA CIEPŁA – KOLEKTOR SPIRALNY

Dla obiektów budowlanych, która nie posiadają wystarczającej powierzchni na instalacje kolektorów płaskich stosuje się konstrukcje kolektorów tzw. spiralnych. Powierzchnia ich instalacji jest znacznie mniejsza przy osiągnięciu tej samej mocy jak dla kolektorów płaskich.

Przykład ułożenia kolektora spiralnego płaskiego

POMPA CIEPŁA – SONDY GRUNTOWE

Sondy gruntowe obok kolektorów płaskich są następnym rozwiązaniem dla pomp ciepła korzystających z ciepła w gruncie ziemi. Ze względu na stałą i dość wysoką temperaturę na głębokości kilkudziesięciu m pod poziomem ziemi stanowią najlepsze źródło energetyczne dla pomp ciepła. Sondy stanowią jedyne rozwiązanie dla budynków, które nie posiadają wystarczającej powierzchni na instalację kolektorów płaskich. Przed odwiertami należy jednak wykonać analizę geologiczną, której wyniki pozwolą określić czy dany badany grunt na danej wysokości, jaki jest jego rodzaj i wydajność energetyczna. Można również wykonać próbny odwiert, aby upewnić się czy warto inwestować w dość drogie odwierty. Koszt wykonania odwiertu waha się w granicach 90 – 110zł za metr. Jednak w zamian otrzymuje się pewne i niezawodną formę ogrzewania i przygotowania ciepłej wody w budynku.

Sekcje kolektora pionowego mają kształt wydłużonej litery U. W zamkniętym obiegu krąży niezamarzający płyn pobierający ciepło z dolnych partii gruntu.

Instalacja z pionowymi kolektorami