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.

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, 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.

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.

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