2022-05-19 11:00:00 
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.
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.
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.
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.
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