Pompy ciepła

Pompy ciepła = niskie koszty ogrzewania

Pompa ciepła wykorzystuje ilości energii cieplnej które utrzymują się w naturalnych pokładach. Konstrukcja pompy ciepła umożliwia pozyskanie energii cieplnej z kilku źródeł: np. z ziemi, powietrza czy wody. Źródła te z racji niskiej temperatury nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania, ale właśnie dzięki pompie ciepła możliwe jest pozyskanie tej energii w sposób ekonomicznie opłacalny dla inwestora.

Do funkcjonowania takiego procesu niezbędna jest energia elektryczna pełniąca rolę energii napędowej dla pompy ciepła. Ilość ta uzależniona jest od ilości energii przenoszonej pomiędzy wspomnianymi strefami oraz różnicy temperatur między nimi i wzrasta razem z tymi wartościami. Pompa ciepła zatem nie wytwarza sama energii cieplnej, ona ją jedynie przekazuje.

Podstawowymi częściami składowymi pompy ciepła są parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Najczęściej urządzenia te wyposażone są w sterownik, pompkę obiegową dolnego źródła, grzałkę elektryczną i czujniki temperatury oraz ciśnienia. Najczęściej pompy ciepła zawierają zbiornik ciepłej wody użytkowej, przy czym w przypadku urządzeń o dużych mocach, zbiornik ten stanowi oddzielny element w kotłowni. Czynnikiem roboczym krążącym w instalacji pompy ciepłą jest płyn charakteryzujący się niską temperaturą wrzenia.

Działanie pompy ciepła.

Pompa ciepła wykorzystuje niskotemperaturową energię zakumulowaną między innymi w gruncie, wodach podziemnych lub powietrzu stanowiących dolne źródło ciepła, a następnie przekazuje tą energię cieplną o wyższej temperaturze do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, czyli tzw. górnego źródła ciepła. Niskotemperaturowe ciepło geotermalne, aerotermalne hydrotermalne, za pomocą czynnika termodynamicznego charakteryzującego się niższą niż woda temperaturą wrzenia i parowania przy określonych wartościach ciśnienia, przekazywane jest przez parownik do instalacji pompy ciepła. Za zaworem rozprężnym, a tuż przed parownikiem następuje obniżenie temperatury poniżej temperatury dolnego źródła ciepła na skutek obniżenia ciśnienia czynnika roboczego. Dzięki temu energia może być odbierana, a następnie zużywana w wymienniku ciepła, którym jest parownik do odparowania czynnika roboczego krążącego wewnątrz instalacji pompy ciepła, stającego się nośnikiem energii cieplnej. Sprężarka, do której kierowany jest czynnik roboczy w postaci pary, spręża ją i powoduje wykraplanie w kondensatorze pompy ciepła, w temperaturze wyższej od temperatury, jaką ma czynnik przepływający przez wymiennik gdzie następuje oddanie ciepła wodzie. Woda wypełnia grzejniki, a ochłodzony płyn przepływa przez zawór rozprężny. Dzięki temu czynnik roboczy powraca do ciśnienia, które umożliwia wrzenie w temperaturze dolnego źródła ciepła. Następnie czynnik roboczy kierowany jest powtórnie do parownika i cały proces rozpoczyna się od początku. Transport ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze jest możliwy tylko przy udziale energii elektrycznej dostarczonej z zewnątrz do napędu sprężarki jako jednego z elementów obiegu termodynamicznego.

Zasada działania pompy ciepła w paru punktach:

1- Czynnik obiegu dolnego źródła płynąc w wężownicy odbiera energię cieplną z powietrza, gruntu lub wody.

2- W parowniku pompy ciepłą podgrzany czynnik obiegu dolnego źródła oddaje ciepło zimnemu czynnikowi chłodniczemu obiegu wewnętrznego. Czynnik chłodniczy podgrzewa się i odparowuje, stając się przez to gazem.

3- Gaz zostaje sprężony przez sprężarkę znajdującą się wewnątrz urządzenia. Wytworzone w tym procesie ciepło jest przekazywane w skraplaczu do systemu instalacji centralnego ogrzewania budynku mieszkalnym.

4- Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoją temperaturę oraz ciśnienie i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces zaczyna się od początku.

Dolne źródła ciepła – rodzaje.

Dolnym źródłem ciepła dla pompy ciepła mogą być woda, grunt bądź powietrze. Przy jego doborze należy jednak pamiętać, że temperatura dolnego źródła oraz jej zmiany mają decydujące znaczenie dla efektywności pracy pompy ciepła. Można powiedzieć, że im wyższa temperatura dolnego źródła, tym wyższy współczynnik efektywności COP. Zastosowanie pomp ciepła jest zatem w bezpośredni sposób związane z możliwością pozyskania energii cieplnej z dolnego źródła, które powinno charakteryzować się możliwie stałą temperaturą w ciągu roku umożliwiającą ekonomiczny odzysk ciepła, zdolnością odbudowy potencjału energetycznego w określonym czasie oraz bezawaryjnym funkcjonowaniem w czasie przyjętego okresu eksploatacji. Oczywiście istotne są także koszty wykonania takiego dolnego źródła. Na coraz większą skalę, oprócz dolnych źródeł, wykorzystywane są także ciepło odpadowe, ścieki komunalne oraz gnojowica.

Na etapie projektowania jako pierwsze określane jest zapotrzebowanie budynku na ciepło w oparciu o analizę jego energochłonności oraz przeznaczenie (rodzaj centralnego ogrzewania oraz zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową). Następnie dobierana jest pompa ciepła o odpowiedniej mocy, a ostatnim krokiem planowania inwestycji jest dobór dolnego źródła ciepła w oparciu o moc projektowanej pompy. Idealnym rozwiązaniem w przypadku wykorzystania pompy ciepła dla celów c.o. oraz c.w.u. są budynki energooszczędne umożliwiające obniżenie temperatury górnego źródła.

Współczynnik efektywności

Do określenia COP (Ceofficient Of Performance), a więc „sprawności” pompy ciepła będącej stosunkiem oddanej energii cieplnej do energii napędowej niezbędnej dopracy, wykorzystuje się odwrócony obieg Carnota. Współczynnik efektywności jest uzależniony od różnicy temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła. Im mniejsza różnica temperatur pomiędzy źródłami ciepłą, tym efektywniej pracuje pompa ciepła. Niezwykle istotne jest zatem właściwe zaprojektowanie instalacji, dlatego też systemy grzewcze z niską temperaturą pracy, jak np. ogrzewanie podłogowe lub grzejnikowe niskotemperaturowe, współpracujące z pompą ciepła jako źródłem ciepła, osiągają wysokie współczynniki efektywności przy możliwie najniższych kosztach eksploatacyjnych. Współczynnik efektywności można również obliczyć korzystając z danych technicznych mocy grzewczej i poboru mocy elektrycznej pompy ciepła (moc grzewcza/moc elektryczna potrzebna do napędu sprężarki). Trzeba jednak pamiętać że pompy ciepła pozyskują 75% potrzebnej energii grzewczej ze środowiska naturalnego, natomiast pozostałe 25% stanowi energia elektryczna potrzebna, aby instalacja działała. Zatem, przykładowo – dla COP = 4, 1 kWh prądu elektrycznego pobrana przez pompę ciepła pozwala na „wyprodukowanie” 4 kWh energii cieplnej (energii grzewczej).

Oczywiście im większa wartość współczynnika efektywności, tym wydajniejsza jest instalacja. Idealnym rozwiązaniem dla uzyskania wysokiej wartości współczynnika efektywności jest zatem wspomniane powyżej ogrzewanie podłogowe o temperaturze zasilania do 35stC, przy czym powinien być spełniony warunek bardzo dobrej izolacji termicznej budynku oraz zastosowania odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego (rekuperacja).

Podstawowym atutem wykorzystania pompy ciepła dla celów centralnego ogrzewania i produkcji ciepłej wody użytkowej są oszczędności płynące z niższych niż w przypadku kotłów konwencjonalnych kosztów ogrzewania. Niewątpliwymi zaletami są także cicha praca, brak odpadów, ognia czy dymu. Co do projektu samego budynku, instalacja z pompą ciepła nie wymaga komina, wykonania przyłącza gazowego czy miejsca do składowania paliwa, co wpływa na komfort użytkowania tego urządzenia i niższe koszty budowy domu. W przypadku domów jednorodzinnych na kotłownie adaptowane są pomieszczenia gospodarcze, gdyż pompa ciepła zajmuje niewiele miejsca. Trzeba pamiętać, że pompa ciepła pracuje przez cały rok. W zimie przygotowuje ciepłą wodę użytkową oraz ciepło dla potrzeb centralnego ogrzewania, natomiast poza  sezoniem grzewczym, oprócz przygotowania ciepłej wody użytkowej, także chłodzi.

Wyróżniamy trzy rodzaje pomp ciepła: pompa typu solanka-woda, pompa powietrze-woda, pompa typu woda-woda.

Gruntowa pompa ciepła, czyli pompa typu solanka-woda

„Ciepło z wnętrza ziemi” – to określenie dokładnie opisuje działanie gruntowej pompy ciepła. Węzeł grzewczy oparty o gruntową pompę ciepła pobiera ciepło, które zakumulowane jest pod powierzchnią ziemi. W polskim klimacie temperatura gruntu jest stała niezależnie od pory roku i na głębokości około 15m wynosi mniej więcej 10⁰C. Im bliżej  powierzchni, tym chłodniej; jednak nie na tyle, żeby nie można było tam zainstalować instalacji źródła dolnego.

Istnieją dwa rodzaje instalacji, która pobiera ciepło z ziemi na potrzeby pompy ciepła: poprzez sondy pionowe inaczej głębinowe i kolektory poziome czyli powierzchniowe. W obu przypadkach są to rury wypełnione płynem – glikolem, który pod ziemią utrzymuje stałą temperaturę od -2⁰C do +5⁰C. Mieszankę wody z glikolem określa się potocznie jako solankę, stąd też popularna nazwa pompy gruntowej – pompa ciepła solanka/woda.
Te pierwsze zajmują nieco mniej powierzchni poziomej, jednak wymagają zrobienia odwiertów na głębokość od 80m-150m oraz głębszych w przypadku obiektów przemysłowych (hale, biura czy szkoły) . W tym wypadku mamy gwarancję stabilności ciepła dolnego źródła.
Kolektory poziome to kilkaset metrów rury PE o średnicy 1 cala, ułożonej płasko lub spiralnie na głębokości ok 1,5m-2m pod powierzchnią ziemi (czyli poniżej granicy zamarzania). Powierzchnia kolektora powinna zajmować kilkakrotnie większą przestrzeń niż zajmuje powierzchnia domu dedykowanego projektowanej pompie ciepłą.

Trudno powiedzieć, który wybór jest korzystniejszy. Wszystko zależy przede wszystkim od rodzaju gleby, na której znajduje się nasz budynek. Największą wydajnością charakteryzują się wilgotne i gliniaste gleby, mniej korzystne są piaszczyste i suche. Nie ma uniwersalnej zasady, kiedy, który kolektor ziemnej pompy ciepła lepiej się sprawdza – wyliczenie wydajności należy do pracy geologów i/lub wiertników.

Powietrzna pompa ciepła, czyli pompa typu powietrze-woda

Z instalacyjnego punktu widzenia najwygodniejsza i łatwa w montażu jest powietrzna pompa ciepła, ponieważ nie wymaga większych ingerencji na poziomie fundamentów budowlanych. Powietrzna pompa ciepła jest nie tylko najłatwiejszy w montażu, ale również najtańszy. Taka pompa ciepła działa przy użyciu wymiennika lamelowego, który wykorzystuje ciepłe powietrze na zewnątrz obiektu. Wewnątrz budynku znajdują się zasobniki z wodą. Ciepło z powietrza jest wdmuchiwane do pomieszczenia poprzez nawiewy przypominające klimatyzator lub przekazywane do instalacji wodnej (kaloryfery, klimakonwektory, ogrzewanie podłogowe).
Niestety większość pomp ciepła tego typu działa bez wspomaganie jedynie do około -15 /- 20 stC). Poniżej tej temperatury pompa musi działać wespół z dodatkową grzałką elektryczną czy nawet zewnętrznym kotłem grzewczym, ponieważ dość mocno spada jej wydajność. Kiedy temperatura obniży się jeszcze bardziej, pompa ciepłą może się wyłączyć a urządzenia wspomagające całkowicie zastępują pracę typu powietrze – woda.

Pompa ciepła typu woda-woda

Pompa ciepłą typu woda-woda, to taka, której dolne źródło stanowi woda gruntowa. Najczęściej ciepło z wody jest uzyskiwane przy pomocy systemu studni (w zależności od zapotrzebowania na ciepło jest to parę studni). Jedna z nich jest zbiornikiem ciepłej wody czerpalnej, natomiast pozostałe studnie mają charakter „zrzutowy”, czyli magazynują wodę schłodzoną. Odstępy pomiędzy studniami muszą wynosić kilkanaście metrów, aby wody nie mieszały się ze sobą.
Woda gruntowa jest dosyć wymagającym dolnym źródłem dla pompy ciepła, ze względów geologicznych – nie każdy grunt posiada wody gruntowe na wymaganej głębokości, czyli  od ok. 6m do 30m.

Pompy ciepła = niskie koszty ogrzewania

Pompa ciepła wykorzystuje ogromne ilości energii cieplnej które utrzymują się w naturalnych pokładach ciepła. Konstrukcja pompy ciepła umożliwia pozyskanie energii cieplnej z różnych źródeł, np. powietrze, ziemia czy woda. Źródła te z racji niskiej temperatury nie nadają się do wykorzystania bezpośredniego, ale właśnie dzięki pompie ciepła możliwe jest pozyskanie tej energii w sposób ekonomicznie opłacalny.

Jaki rodzaj pomp ciepła w polskich warunkach jest najczęściej stosowany?

W polskich warunkach największą popularnością cieszą się pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła pionowym lub poziomym – pompy solanka-woda. Są one najbardziej wydajne w polskich warunkach klimatycznych i zaspokajają w pełni zapotrzebowanie na ciepło mroźnych i długotrwałych zim.

Często również montowane są pompy ciepła typu woda-woda gdzie energia cieplna odbierana jest od wody. Wadą takiego rozwiązania jest to, że woda przetworzona traktowana jest jako ściek i trudno jest ją zagospodarować.

Rzadziej stosuje się pompy typu powietrze-woda. Zakres ich pracy jest najczęściej do temperatury -5 stC, a właśnie największe zapotrzebowanie na ciepło mamy zimą gdy temperatury spadają poniżej tej wartości. Warto wspomnieć, że w nowoczesnych pompach ciepła zakres ten jest rozszerzony do – 20 stC

Jakie są koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w stosunku do tradycyjnych źródeł ciepła?

Koszty inwestycji w pompę ciepła w porównaniu z innymi źródłami ciepła są w zasadzie wyższe tylko o kwotę wykonania dolnego źródła ciepła czyli odwiertów lub wykopów. Reszta kosztów jest bardzo podobna i składają się na nią: koszty wykonania układu centralnego ogrzewania (najlepiej sprawdza się ogrzewanie podłogowe) oraz koszty montażu i instalacji urządzenia grzewczego. Przy tradycyjnych źródłach ciepła i tak musimy zainwestować w dobry kocioł grzewczy (olejowy, gazowy czy pelet) a ich cena jest niewiele niższa od samej pompy ciepła zaś żywotność znacznie krótsza. Kosz eksploatacji pompy ciepła jest dwa do czterech razy tańszy w porównaniu tradycyjnych źródeł ogrzewania, co pozwala na szybki zwrot poniesionych nakładów. Inwestycja w pompę ciepła to nie tylko czysty zysk ale również wspieranie proekologicznych rozwiązań.