Sposoby na ogrzewanie - klimatyzacja vs pompa ciepła

Czy dom można ogrzać za pomocą klimatyzatora pracującego „na biegu wstecznym” i przy tym korzystać z chłodzenia latem? Teoretycznie tak, ale efektywność i komfort użytkowania mogą budzić zastrzeżenia. Alternatywnym rozwiązaniem będzie wykorzystanie - działającej na tej samej zasadzie - pompy ciepła, która co prawda gorzej chłodzi, ale skuteczniej ogrzewa. Zestawienie możliwości funkcjonalnych i ograniczeń tych urządzeń powinno ułatwić inwestorom wybór odpowiedniego rozwiązania.

Sposoby na ogrzewanie - klimatyzacja vs pompa ciepła

Pompy ciepła, klimatyzatory i obieg Carnota

Pompa ciepła i klimatyzator funkcjonują z wykorzystaniem tych samych praw termodynamiki zachodzącymi w formie przemian czynnika chłodniczego krążącego w instalacji zgodnie z tzw. obiegiem Carnota.

Umożliwia to „transportowanie” energii cieplnej ze źródła o niższej temperaturze do ośrodka cieplejszego dzięki cyklicznemu sprężaniu i rozprężaniu czynnika termodynamicznego w postaci łatwo odparowującej cieczy tzw. freonu.

W efekcie sprężenia wzrasta jego temperatura oraz ciśnienie, a następnie w postaci pary przegrzanej przepływa on do wymiennika ciepła zwanego skraplaczem, który przekazuje energię cieplną do otoczenia.

Po przejściu przez skraplacz czynnik chłodniczy ulega gwałtownemu rozprężeniu, znacząco spada jego temperatura i ciśnienie, a po przemieszczeniu się do parownika następuje przejęcie energii cieplnej z innego obszaru.

Zależnie od miejsca umieszczenia skraplacza i parownika urządzenie będzie ogrzewać lub schładzać, np. pomieszczenie.

Zgodnie z prawem Carnota, sprawność układu zależna jest jedynie od różnicy temperatur źródła dolnego (parownika) i górnego (skraplacza) i maleje proporcjonalnie do zwiększania się tej wartości.

Praktycznie niemal każdy taki obieg może pracować w obie strony, co umożliwia wykorzystanie go zależnie od potrzeb do ogrzewania lub chłodzenia określonych pomieszczeń bez konieczności zmian ustawienia elementów instalacji, a z punktu widzenia użytkownika istotny jest zysk energetyczny wskazujący na to, ile energii użytecznej można przemieścić w trybie grzania lub chłodzenia w porównaniu ze zużytą energią elektryczną.

Parametr ten określany jest jako współczynnik efektywności pompy ciepła i oznaczany symbolem COP trybie grzania lub EER w trybie chłodzenia i zawsze powinien być podawany dla konkretnych temperatur po stronie ciepłej i zimnej.

W typowych warunkach użytkowania parametry te oscylują w granicach 3.0-4.5, przy czym efektywność chłodzenia (dla tego samego urządzenia) będzie zawsze nieco mniejsza niż w trybie ogrzewania.

W instalacjach domowych w trybie ogrzewania dolnym źródłem ciepła może być powietrze zewnętrzne lub wymiennik gruntowy, a w trybie chłodzenia przekazywana z pomieszczenia energia cieplna jest najczęściej odprowadzane do atmosfery.

Wymiana ciepła z otoczeniem

W przypadku instalacji z pompą ciepła, wykorzystywanej głównie jako źródło ogrzewania, stabilne wykorzystanie energii zewnętrznej zapewnia skorupa ziemska, która jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej zasilanym promieniowaniem słonecznym.

Efektywne jej wykorzystanie wymaga utworzenia dolnego źródła w postaci wężownicy ułożonej w gruncie, sond rurowych wstawionych w głębokie odwierty lub wykorzystania wód podziemnych.

Kolektor poziomy do współpracy z gruntową pompą ciepła. fot. Sofath
Kolektor poziomy do współpracy z gruntową pompą ciepła, fot. Sofath.

Kolektory poziome w postaci kilku sekcji wężownic rurowych ułożonych na głębokości 1,5-2 m należą do najtańszych rozwiązań zajmują jednak znaczną powierzchnię. Zależnie od rodzaju gruntu i stopnia jego nawodnienia z 1 m2 powierzchni gruntowej kolektora pozyskuje się 10-30 W energii cieplnej.

Z kolei 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 najczęściej niezamarzający roztwór glikolu krążący w obiegu dolnego źródła dzięki oddzielnej pompie.

Gruntowa pompa ciepła. Stiebel Eltron
Gruntowa pompa ciepła, fot. Stiebel Eltron.

Praktycznie temperatura gruntowego źródła ciepła utrzymuje się na stałym poziomie przez cały sezon grzewczy i zależnie od głębokości wynosi +5°C do +10°C, co zapewnia równomierny dopływ mocy grzewczej.

Natomiast w przypadku klimatyzatorów, ale również powietrznych pomp ciepła, jako obszar umożliwiający wymianę energii cieplnej wykorzystuje się powietrze zewnętrzne, zarówno w trybie grzania, jak i chłodzenia.

Ze względu na dużą zmienność temperatur zewnętrznych, urządzenia te będą pracować ze różną efektywnością, co ma szczególnie istotne znaczenie w trybie ogrzewania.

Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej zmniejsza się nie tylko ilość dostarczanego przez pompę ciepła, ale również rośnie zapotrzebowanie na energię cieplną niezbędną do utrzymania pożądanej temperatury w pomieszczeniach.

W efekcie, przy spadkach temperatury na zewnątrz do wartości poniżej ok. minus 10°C, należy liczyć się z koniecznością wykorzystania pomocniczego źródła ogrzewania.

Z trybem pracy pompy przy niskich temperaturach wiąże się też występowanie oblodzenia parownika, a szron ogranicza przepływ powietrza i wymianę ciepła, musi więc być systematycznie usuwany przez układ odladzania - najczęściej w formie odwrócenia obiegu pozwalającego na podgrzewanie parownika.

Różnice funkcjonalne i instalacyjne klimatyzator vs pompa ciepła

Zamontowanie w domowej instalacji grzewczej i chłodniczej jedynie klimatyzatora lub pompy ciepła narzuca określone ograniczenia, a żadne z tych urządzeń, przy wykorzystaniu jako podstawowe źródło ciepła i chłodu, nie zapewni w pełni komfortowych warunków przebywania.

Wynika to przede wszystkim z odmiennych wymagań dla efektywnej pracy wewnętrznych urządzeń grzewczych i chłodniczych.

Ograniczoną uniwersalnością funkcjonowania szczególnie wyróżnia się klimatyzator, który działa poprzez nadmuch ciepłego lub zimnego powietrza do pomieszczenia, co wywołuje niekiedy nieprzyjemną jego cyrkulację, a także hałas.

Ponadto do klimatyzatora typu multisplit można podłączyć ograniczoną liczbę jednostek wewnętrznych - najczęściej 3-4, co z reguły nie wystarczy do bezpośredniego ogrzania każdego pomieszczenia, a rozległość całej instalacji jest również limitowana.

Istotne różnice między systemem klimatyzacji w układzie Split i Multi Split na przykładzie rozwiązań firmy Daikin. fot. Daikin
Istotne różnice między systemem klimatyzacji w układzie Split i Multi Split na przykładzie rozwiązań firmy Daikin, fot. Daikin.

Problemy może stwarzać rozprowadzenie rur instalacji freonowej, które trzeba doprowadzić do każdej jednostki centralnej, a także umożliwić jej zasilanie elektryczne. Z klimatyzatora nie uzyskamy również taniego podgrzewania wody użytkowej, wykorzystując ciepłe powietrze zewnętrzne.

Z powyższych powodów klimatyzator, który dobrze będzie funkcjonował w trybie chłodzenia pomieszczeń, przy wykorzystaniu do ogrzewania podstawowego nie bardzo się nadaje, a racjonalnie może być używany jako przejściowe źródło ciepła wiosną czy jesienią albo wspomagać inne systemy grzewcze.

Większą uniwersalnością, jak i niewielkimi ograniczeniami instalacyjnymi, charakteryzują się pompy ciepła, które mogą ogrzewać, chłodzić oraz przygotowywać ciepłą wodę użytkową przez cały rok.

W małych obiektach szczególnym zainteresowaniem inwestorów cieszą się pompy ciepła typy powietrze-woda, dzięki relatywnie niskiej cenie i łatwemu montażowi.

Jednak przy wykorzystywaniu powietrza atmosferycznego, narażone są na problemy związane z pracą przy niskich temperaturach. Pompy te współpracują z wodną instalacją grzewczą budynku wyposażoną w grzejniki lub ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe lub ścienne).

Pompa ciepła powinna pracować przy temperaturze zasilania ogrzewania na poziomie 35-40°C, co oczywiście wymaga współpracy z odpowiednio dużą powierzchnią przekazywania ciepła.

Pompy ciepła pracujące w instalacjach centralnego ogrzewania mogą również działać w trybie schładzania z wykorzystaniem tzw. wody lodowej zasilającej klimakonwektory.

Urządzenia te pełnią rolę grzejników w sezonie grzewczym, a latem przestawiają się na funkcję chłodzenia. W obu trybach efektywne przekazywanie ciepła lub chłodu umożliwiają cichobieżne wentylatory, a konsola sterująca pozwala na ustawienie optymalnych warunków ich działania.

Powietrzne pompy ciepła dostępne są jako zewnętrzny zespół zintegrowany ze sprężarką i skraplaczem zwany monoblokiem lub montowany jest układ typu split (funkcjonalnie podobny do klimatyzatora) składający się z jednostki zewnętrznej (parownik i sprężarka) oraz skraplacza z wymiennikiem ciepła instalowanym wewnątrz.

Pompa ciepła powietrze-woda typu monoblok VESTA. fot. ZMK SAS
Pompa ciepła powietrze-woda typu monoblok VESTA, fot. ZMK SAS.

Wariantowo możliwa jest również kombinacja jednostki zewnętrznej typu split, np. z dwoma standardowymi jednostkami wewnętrznymi klimatyzatora wykorzystywanymi w okresie letnim do efektywnego chłodzenia w salonie czy sypialni.

Umieszczenie kompletnej pompy na zewnątrz i wyposażenie jej w wymiennik ciepła pozwala na łatwe łączenie z instalacją za pomocą giętkich izolowanych rur instalacyjnych, w których krąży ciepła woda.

Eliminuje to konieczność przeprowadzenia specjalistycznego montażu przez uprawnionego instalatora, co jest konieczne w przypadku łączenia obiegów grzewczych zawierających tzw. freonowy czynnik roboczy.

Do obiegu grzewczego można bez problemu włączyć dowolny grzejnik, wymiennik czy zasobnik c.w.u., łatwo rozbudowując taką instalację.

Autor: Cezary Jankowski

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcia: Bosch Termotechnika, Buderus, Stiebel Eltron, ZMK SAS, Daikin, Stiebel Eltron, Sofath

Film: TV Budujemy Dom dla NIBE

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE
Copyright © AVT 2020 Sklep AVT