2020-08-12 07:05:11 
Jak działa pompa ciepła?
Przekazanie energii cieplnej z ośrodka o niższej temperaturze do miejsca, które chcemy ogrzać możliwe będzie pod warunkiem wykorzystania przemian termodynamicznych w urządzeniu nazywanym pompą ciepła. Jeśli w jednym obiegu umożliwimy cykliczne sprężania i rozprężania jakiegoś gazu (tzw. obieg Carnota), pozwoli to na transportowanie energii ze źródła o niższej temperaturze do obszaru cieplejszego.
Proces ten wymaga jednak dostarczenia energii z zewnątrz, niezbędnej choćby do napędu sprężarki. Zysk energetyczny wskazujący na to ile energii udało się pozyskać w porównaniu ze zużytą energią zewnętrzną (elektryczną), określany jest jako współczynnik efektywności pompy ciepła i oznaczany jako COP (ang. coefficient of performance).
Przykładowo, gdy COP = 4 to przy mocy 1kW pobranej z sieci elektrycznej, ogrzejemy dom z mocą 4 kW, z czego 3 kW będzie pobrane z otoczenia (gruntu, wody, powietrza). Eksploatacyjnie COP zależy głównie od różnicy temperatur między dolnym i górnym źródłem ciepła (np. gruntem i obiegiem grzewczym instalacji c.o.) i uzyskuje najwyższe wartości, gdy jest ona jak najmniejsza.
Ponieważ dolne źródła ciepła mają niezależną od nas temperaturę (np. gruntu 5-8 °C) to po stronie grzewczej należy utrzymywać możliwie niską jej wartość, jako optymalną temperaturę przyjmuje się nie wyższą niż 35-45 °C, co z reguły wymaga współpracy z płaszczyznowym systemem grzewczym podłogowym, bądź ściennym.
Nominalna i sezonowa efektywność pracy pompy ciepła
Podstawowym parametrem charakteryzującym pompę ciepła jest jej moc i współczynnik efektywności COP, określony dla konkretnych parametrów pracy. Obie te wartości zależą bowiem od temperatury dolnego i górnego obiegu podawane są np. w postaci: 10 kW COP 4,5 – B 0/ W 35, gdzie B 0 określa temperaturę 0 °C w kolektorze gruntowym, a W - 35 °C w obiegu grzewczym.
Przy innych temperaturach roboczych moc i efektywność można odczytać z tabeli lub wykresu charakterystyki konkretnego modelu pompy. W praktyce, rzeczywista efektywność będzie mniejsza niż nominalna podawana przez producenta, gdyż dodatkową energię elektryczną pobierają pompy, czy wentylatory pracujące w obiegu dolnym i górnym.
Z pomiarów prowadzonych w typowych warunkach użytkowania wynika, że przy założonej różnicy temperatur na poziomie 35-40 °C średnioroczna efektywność pracy pompy ciepła wynosi ok. 3,5 dla kolektorów gruntowych i taką wartość przyjmuje się przy wyliczeniu opłacalności instalacji grzewczej z PC.
Znacznie trudniej określić rzeczywistą efektywność pracy pomp typu powietrze/woda, gdyż w sezonie grzewczym występują znaczne różnice temperatur zewnętrznych. W ostatnich latach obserwuje się jednak długotrwałe utrzymywanie się dodatnich temperatur nawet w najchłodniejszych miesiącach, co pozwala na uzyskanie średniej efektywności COP na poziomie 2,7-3.
Jak montowane są kolektory gruntowe?
Ziemia jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej zasilanym promieniowaniem słonecznym, z której możemy korzystać do ogrzewania dzięki pompom ciepła, które umożliwiają podwyższenie temperatury przenoszonej energii. Pobieranie ciepła wymaga zainstalowania kolektora dolnego źródła, w postaci wężownicy ułożonej w gruncie, sond rurowych wstawionych w głębokie odwierty lub wykorzystania wód podziemnych.
Kolektory poziome w postaci kilku sekcji wężownic rurowych, ułożonych na głębokości 1,5-2 m, należą do najtańszych rozwiązań zajmują jednak znaczną powierzchnię, której nie można zabudować. Zależnie od rodzaju gruntu i stopnia jego nawodnienia z 1 m² powierzchni gruntowego kolektora, pozyskuje się 20-40 W energii cieplnej, zatem przy zapotrzebowaniu na moc grzewczą np. 10 kW kolektor zajmie powierzchnię 250-500 m².
Niektóre rodzaje pomp ciepła umożliwiają prace w systemie odparowania bezpośredniego, a kolektor napełniony jest wtedy czynnikiem chłodniczym. Układ taki pozwala na zmniejszenie powierzchni przejmowania energii przez kolektor, brak jest również pompy obiegowej oraz wymiennika ciepła dolnego źródła. Kolektory pionowe praktycznie nie zajmują powierzchni działki, ale ich wykonanie wymaga użycia specjalistycznego sprzętu wiertniczego.
Zależnie od rodzaju gruntu, wykonuje się kilka odwiertów na głębokości do 100 m, a przeciętna efektywność pobierania ciepła wynosi 40-60 W/m głębokości umieszczenia rur. W obu układach rurowych nośnikiem ciepła jest niezamarzająca solanka lub roztwór glikolu krążący w obiegu dolnego źródła, dzięki oddzielnej pompie.
Źródłem ciepła mogą też być podziemne cieki wodne, wykorzystywane przetłaczanie wody między dwiema studniami. Ze względu na możliwość zamulania wymiennika w pompie ciepła rozwiązanie to wymaga zainstalowania dodatkowej pompy i zewnętrznego wymiennika, przez który przepływa woda studzienna.
Ciepło z powietrza
Dużym zainteresowaniem inwestorów cieszą się pompy typy powietrze/woda dzięki relatywnie niskiej cenie i łatwemu montażowi. Produkowane są jako modele kompaktowe do ustawienia na zewnątrz, bądź w wentylowanym pomieszczeniu albo w wersji split z głośną częścią z kompresora i wentylatorami, montowaną na zewnątrz i skraplaczem w środku.
W przeciwieństwie do pomp typu woda/woda z gruntowym kolektorem, które pobierają ciepło z ziemi, o względnie stałej temperaturze, pompy powietrze/woda uzyskują coraz mniejszą moc wraz ze spadkiem temperatury powietrza atmosferycznego, a jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na energie cieplną niezbędną do ogrzania pomieszczeń.
Punkt pracy układu, przy którym niezbędne będzie uzupełnienie ogrzewania z innego źródła, określa się na podstawie wykresu charakterystyki pracy pompy ciepła i zapotrzebowania energetycznego budynku. Wspomaganie systemu ogrzewania można uzyskać dzięki grzałkom elektrycznym, ale najczęściej wykorzystuje się dodatkowe, tradycyjne źródło w postaci np. kominka z rozprowadzeniem ciepłego powietrza lub z płaszczem wodnym, kocioł na drewno, bądź olejowy.
Jak należy dostosować instalacje grzewczą do zasilania pompą ciepła?
O instalacji grzewczej zasilanej z pompy ciepła należy zadecydować już na etapie projektowym i realizacji stanu surowego. Pozwoli to na optymalny dobór parametrów ogrzewania, lokalizacji pompy ciepła i zasobników c.w.u. oraz kolektora gruntowego. Jako podstawowy sposób przekazywania ciepła do pomieszczeń, przyjmuje się ogrzewanie podłogowe, co wymaga uwzględnienia przy projektowaniu wysokości pomieszczeń, jak i doborze odpowiedniego pokrycia podłogowego.
Możliwy jest też montaż tradycyjnych grzejników, bądź ogrzewania ściennego. Instalację pompy ciepła warto też brać pod uwagę przy modernizacji starych budynków nawet wtedy, gdy musimy pozostawić tradycyjne ogrzewanie za pośrednictwem grzejników. Ocieplenie domu oraz wymiana stolarki okiennej sprawią, że znacząco spadnie zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i instalacja grzewcza przez znaczą cześć sezonu będzie mogła pracować jako niskotemperaturowa, a okresowo wiele pomp może pracować przy temperaturze zasilania 55-60 °C.
W najprostszej wersji instalacji, pompa ciepła zasila bezpośrednio niskotemperaturowy obieg grzewczy, a dostosowanie intensywności ogrzewania do aktualnych warunków, zapewnia termostat pogodowy i pokojowy sterujący pracą pompy ciepła. W przypadku wykorzystania pompy również do przygotowania c.w.u., przełączenie na podgrzewanie zasobnika ciepłej wody następuje poprzez zawór trójdrogowy, sterowany czujnikiem temperatury.
Układ taki nie pozwala jednak na pełniejsze korzystanie z II tańszej taryfy cen za energię elektryczną i warto zainstalować dodatkowy zbiornik akumulacyjny. Dzięki niemu część nagrzanej przez pompę pracująca w czasie taryfy nocnej, wody można będzie wykorzystać w innej porze bez konieczności jej załączania.
Trzeba jednak przeliczyć, do jakiej temperatury powinna nagrzewać się woda w zbiorniku – gdy będzie zbyt wysoka, to zmniejszy się efektywność pompy ciepła i korzyści z niższej ceny energii nie pokryją straty wynikającej z obniżenia COP. Rozwiązanie takie można w zasadzie wykorzystywać jedynie przy współpracy z pompą gruntową, gdyż przy zasilaniu pompą powietrzną niskie temperatury w nocy nie pozwalają na efektywne ładowanie zbiornika akumulacyjnego.
Autor: Cezary Jankowski
Opracowanie: Klaudia Tomaszewska
Zdjęcie otwierające: Vaillant
Komentarze