2022-04-27 13:29:34 
Jak działa pompa ciepła?
Fizyczne podstawy funkcjonowania pompy ciepła oparte są na przemianie termodynamicznej cieczy lub gazu zwanej obiegiem Carnota, która - w uproszczeniu - polega na sprężaniu i rozprężaniu czynnika chłodniczego zwanego popularnie freonem, choć wykorzystywane są też inne związki, np. propan, amoniak.
W efekcie sprężenia wzrasta jego temperatura oraz ciśnienie, a następnie w postaci pary przegrzanej przepływa 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 w parownika następuje przejęcie energii cieplnej z jego otoczenia.
W efekcie rozróżniamy dwa źródła ciepła - dolne z parownikiem i górne ze skraplaczem. Zależnie od miejsca umieszczenia skraplacza i parownika lub kierunku obiegu czynnika, urządzenie będzie ogrzewać lub schładzać, np. pomieszczenie.
Efektywność pracy takich obiegów zależy przede wszystkim od różnicy temperatury między źródłem dolnym i górnym - im różnica będzie większa, tym mniej energii zostanie przekazane w określonej jednostce czasu.
Ma to zasadniczy wpływ na sprawność pomp ciepła, gdyż do przeniesienia energii cieplnej potrzebne jest dostarczenie energii zewnętrznej niezbędnej do napędu sprężarki, co ma bezpośrednie przełożenie na koszty eksploatacyjne.
Z punktu widzenia użytkownika istotny jest więc zysk energetyczny pompy ciepła, wskazujący na to, ile energii użytecznej można pozyskać w porównaniu ze zużytą energią zewnętrzną (elektryczną). Parametr ten określany jest jako współczynnik efektywności pompy ciepła i oznaczany symbolem COP w przypadku pracy w trybie ogrzewania lub EER w trybie chłodzenia.
W przypadku pomp ciepła wykorzystywanych do ogrzewania pomieszczeń, normy unijne wprowadziły wymóg uzyskiwania minimalnych wartości COP dla obiegów z określonym źródłem ciepła i czynnikiem pośrednim w odniesieniu do temperatur dolnego i górnego źródła ciepła:
- Solanka/woda B0/W35 - COP 4,3,
- Woda/woda W10/W35 - COP 5,1,
- Powietrze/woda A2/W35 - COP 3,1,
- Bezpośrednie odparowanie w gruncie/woda E4/W35 - COP 4,3.
W praktyce przeciętne sezonowe wartości COP dla urządzeń zasilających system ogrzewania kształtują się na poziomie 3,0-3,5 dla gruntowych źródeł dolnych i 2,5-3 dla pomp typu powietrze/woda, przy czym wartości te uwzględniają również zużycie energii przez niezbędne do pracy wyposażenie.
Ziemia jako źródło ciepła dla gruntowej pompy ciepła
Ziemia jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej zasilanym promieniowaniem słonecznym, a wykorzystanie jej za pośrednictwem pompy ciepła wymaga zainstalowania kolektora dolnego źródła w postaci wymiennika pośredniego utworzonego z 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 gruntowej kolektora pozyskuje się 10-30W 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 niezamarzający roztwór glikolu krążący w obiegu dolnego źródła dzięki oddzielnej pompie. Źródłem ciepła mogą być tez względnie płytkie studnie wykorzystujące ciepło wód podziemnych, co wymaga utworzenia przynajmniej dwóch studni - czerpalnej i zrzutowe, miedzy którymi przetłaczana jest woda przypływająca przez parownik pompy ciepła, który zostaje „podgrzany” ciepłem krążącej wody.
Pobór ciepła z gruntu może tez przebiegać w układzie parownika z bezpośrednim odparowaniem, gdy w kolektorze gruntowym zamiast glikolu czy solanki znajduje się czynnik „freonowy”, np. R 410 A.
Dzięki temu uzyskuje się większa efektywność pracy pompy (brak wymiennika pośredniego i pompy wodnej), ale napełnienie jest dość kosztowne, a w razie przecieków konieczna jest naprawa przez osobę z uprawnieniami F-gaz.
Pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła to dość kosztowna inwestycja nie tylko po stronie samego urządzenia, ale również utworzenia odpowiedniego dolnego źródła ciepła dostosowanego do warunków lokalnych.
Pompy te charakteryzują się stabilną efektywności pozyskiwania ciepła - temperatura gruntu na pewnej głębokości w ciągu roku nie ulega większym wahaniom, co jest korzystne w zimie, ale latem nieefektywnie będzie pracować jako podgrzewacz wody użytkowej, ale z kolei wysoką sprawność zapewni przy pracy w trybie chłodzenia.
W celu możliwości korzystania z taryfy nocnej cen prądu elektrycznego, często wyposażana jest w zbiornik akumulacyjny, ale wymaga to przeanalizowania spodziewanych korzyści z takiego rozwiązania.
Magazynowana woda musi bowiem mieć wyższą temperaturę niż potrzeba do zasilania instalacji grzewczej, co wpływa na zmniejszenie sprawności pracy pompy w czasie „ładowania” ciepła do zbiornika - wyższa temperatura to niższy COP.
Pozostaje więc sprawdzenie, w jakich warunkach niższa cena prądu przełoży się na wydatki związane z większym jego zużyciem.
Ciepło z atmosfery dla powietrznej pompy ciepła
Dużym zainteresowaniem inwestorów cieszą się pompy ciepła typy powietrze/woda, dzięki relatywnie niskiej cenie i łatwemu montażowi, ale urządzenia te pracują przy znacznych wahaniach temperatury zewnętrznej od +25°C do -25°C, co oczywiście wpływa na efektywność pracy pompy.
Istotą działania takich pomp jest wymuszenie przez wentylator przepływu powietrza przez parownik w trybie ogrzewania, który może też przekształcić się w skraplacz w trybie chłodzenia. Pompy te dostępne są w dwóch wersjach funkcjonalnych jako urządzenia compact lub split, co wynika za rozmieszczenia skraplacza i parownika.
Obieg termodynamiczny w wersji compact znajduje się w jednej obudowie, a całe urządzenie z reguły umieszcza się na zewnątrz, natomiast w wersji split głośna sprężarka z wentylatorem montowana jest na zewnątrz, a w domu instaluje się skraplacz z wymiennikiem wody grzewczej.
Ze względu na źródło pozyskiwania ciepła pompy powietrzne przy niskich temperaturach na zewnątrz pracują z niewielką efektywnością, a dodatkowe problemy stwarza oblodzenie parownika skraplającą się na nim parą wodną zawartą w nadmuchiwanym powietrzu.
Dlatego przy ich instalacji do celów grzewczych należy przewidzieć dodatkowe źródło ciepła, które ewentualnie wspomoże pompę przy znacznych spadkach temperatury zewnętrznej. Natomiast w okresie letnim powietrzna pompa ciepła zapewnia wysoką efektywność podgrzewania wody użytkowej, wykorzystywanej nie tylko do celów domowych, ale również, np. podgrzania wody w basenie.
Układy funkcjonalne z wykorzystaniem pomp ciepła
Konfiguracja instalacji i dobór pompy ciepła wymaga uwzględnienia wielu czynników związanych z istniejącym bądź projektowanym obiegiem grzewczym, przy czym najistotniejsze będzie uwzględnienie wymaganej mocy grzewczej oraz parametrów temperaturowych.
Pompa ciepła powinna pracować przy temperaturze zasilania ogrzewania na poziomie 35-40°C, co oczywiście wymaga współpracy z odpowiednio dużymi grzejnikami lub ogrzewaniem płaszczyznowym (podłogowym lub ściennym).
Niezależnie od rodzaju pompy ciepła, w obiegu grzewczym należy umieścić zbiornik buforowy, który zapewni stabilną i efektywną jej pracę. Dzięki zgromadzonej energii załączanie następuje z mniejszą częstotliwością, a w przypadku pomp powietrznych pozwala na nieodczuwalne dla mieszkańców odszranianie parownika poprzez odwrócenie obiegu.
Pojemność buforu trzeba dostosować do bezwładności cieplnej instalacji (zładu grzejnego) i przyjmuje się ją odpowiednio do mocy grzewczej w granicach od 10 litrów/kW do 20 litrów/kW.
W trybie chłodzenia najlepszym rozwiązaniem jest współpraca z klimakowektorami, które zasilane są wodą lodową o temperaturze 8-10°C, a w sezonie grzewczym będą pracować jako grzejniki z nawiewem ciepłego powietrza.
Przez cały rok pompy ciepła mogą być wykorzystywane do przygotowania ciepłej wody użytkowej pozyskiwanej z zasobnika z wężownicą grzejną, a jego ładowanie odbywa się przez układ przełączający niezależnie od trybu pracy jako ogrzewania czy chłodzenia.
Autor: Cezary Jankowski
Opracowanie: Aleksander Rembisz
Zdjęcia: Stiebel Eltron (zdjęcie główne), Daikin, Galmet, Brann, Hewalex dla budujemydom.pl, Viessmann, Nibe-Biawar, Daikin, Buderus
Komentarze