Pompa ciepła


Pompy ciepła są to urządzenia które, jak wskazuje nazwa, pompują (przenoszą) ciepło z jednego ośrodka do drugiego. Odbywać się to musi kosztem pracy mechanicznej (pompy sprężarkowe), ciepła (pompy absorpcyjne) lub energii elektrycznej (pompy termoelektryczne).  Urządzenia te pełnią jednocześnie dwie funkcje – grzeją i chłodzą. Jeżeli głównym celem jest chłodzenie, wtedy mówi się o chłodziarkach, lodówkach czy klimatyzatorach. Jeżeli zadaniem maszyny jest ogrzewanie, wtedy nazywa się ją pompą ciepła. Należy pamiętać, że niezależnie od nazwy mówimy o tym samym urządzeniu.  Historia pomp ciepła ma już ponad 100 lat. Pierwsze lodówki powstały w drugiej połowie XIX wieku i było to z początku urządzenia absorpcyjne.  Pierwsza instalacja bazująca na amoniakowym urządzeniu sprężarkowym, służąca do ogrzewania budynku została skonstruowana w 1928 r. przez anglika T.G. Haldane. Zachowały się informacje o tym, że w 1931 r. zainstalowano pompę ciepła o mocy ok. 1 MW do ogrzewania biurowca w Los Angeles a w roku 1938 urządzenie o mocy 175 kW do ogrzewania ratusza w Zurychu. Podczas II Wojny Światowej urządzenia te były natomiast wykorzystywane na łodziach podwodnych.

 

Zasada działania pompy Ciepła

 Pochodząca od słońca energia cieplna zmagazynowana w ziemi w wodzie lub w powietrzu ma zbyt niską temperaturę aby mogła być bezpośrednio używana do ogrzewania. Dlatego do korzystania z nieprzebranych zasobów energii odnawialnej potrzebne jest odpowiednie nowoczesne wyposażenie techniczne. Takie urządzenia, które są w stanie energię odnawialną pobrać i przekazać do budynku jednocześnie podnosząc jej temperaturę, nazywamy pompami ciepła. Pompy ciepła w przeciwieństwie do innych urządzeń grzewczych takich jak piec olejowy, elektryczny, czy gazowy nic nie wytwarzają.

One pobierają energię z otoczenia, czyli jedynie oddają to co pobrały. Nie bez powodu nazwane są one pompami, a nie generatorami ciepła. System taki nie wymaga konserwacji, nie grozi wybuchem jak piec gazowy i nie wydziela zapachu jak piec olejowy. Pracuje cicho i może być instalowany także w pomieszczeniach użytkowych.

Zadaniem pompy ciepła jest pobranie z otoczenia niskotemperaturowej energii i podwyższeniu jej temperatury do poziomu umożliwiającego ogrzewanie budynków. Korzystają one przy tym z energii elektrycznej, lecz stanowi ona tylko pewien procent w ogólnym bilansie energii.

 

Zasada pracy wygląda następująco:

W wewnętrznym obwodzie pompy ciepła znajduje się czynnik chłodniczy, którym jest specjalna ciecz wrząca w temperaturach poniżej -10°C. W wymienniku do którego dostarczana jest energia cieplna niskotemperaturowa na przykład woda o temperaturze +10°C odbywa się parowanie czynnika chłodniczego. Jak zawsze parowanie jest pobieraniem ciepła z otoczenia. W tym przypadku ciecz parująca ma  na przykład -10°C  i w związku z tym pobiera ciepło od wody i tak „ogrzana” para cieczy mając już temperaturę +3°C jest zasysana przez elektrycznie napędzana sprężarkę. W sprężarce tej odbywa się wzrost ciśnienia. Po opuszczeniu sprężarki para ta ma ciśnienie około 20 bar co jest równoznaczne z podniesieniem jej temperatury do około +70°C. Para o tej temperaturze oddaje ciepło w drugim wymienniku do wody obiegu grzewczego. Oddanie ciepła oznacza jednocześnie zamianę pary w ciecz, czyli jej skroplenie. Dlatego pierwszy z omawianych wymienników jest parownikiem a drugi skraplaczem. Po skropleniu ciecz przechodzi przez

zawór rozprężny gdzie następuje gwałtowny spadek ciśnienia i rozpylenie czynnika, który znów zaczyna parować i cykl w ten sposób się zamyka. Pompa ciepła transportuje energię z otoczenia. Jednocześnie zużywana jest energia elektryczna służąca do napędu sprężarki i pomp obiegowych. Ta energia elektryczna jest też zamieniona na ciepło.

Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej. Im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej. Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania. Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba chcąc nie chcąc, zapłacić. Przypuśćmy, ze mamy budynek prawidłowo izolowany o powierzchni użytkowej 200 m2, dla którego wyliczono roczne zużycie energii na poziomie 18.000 kWh. Jeśli współczynnik efektywności wynosi na przykład 4,5 to w tym przypadku należałoby zapłacić tylko za 4.000 kWh.  Najważniejszym zadaniem jest właściwy wybór sposobu pozyskiwania ciepła.  To źródło ciepła decyduje kosztach eksploatacyjnych. Nawet najlepsza pompa ciepła nie zniweluje jego niedoskonałości. Najłatwiej jest korzystać z ciepła wody jeziora lub stawu. Gdy takich możliwości brak, projektowany jest odpowiedni kolektor gruntowy lub stosuje się urządzenia pobierające ciepło z powietrza. Do oddawania ciepła w pomieszczeniu najlepsze jest ogrzewanie podłogowe, które pozwala na ekonomiczną pracę pompy ciepła i daje najwyższy możliwy komfort.  Ogrzewanie podłogowe jest obok kolektora ziemnego najważniejszym składnikiem instalacji grzewczej.

 

Rodzaje pomp ciepła

 Sprężarkowe: najbardziej rozpowszechniona grupa urządzeń. Wykorzystują sprężarkę mechaniczna jako urządzenie dostarczające pracę do układu. Do zalet tego typu rozwiązań zaliczy należy względna prostotę konstrukcji, wysoka efektywność energetyczną oraz mobilność. Wadą jest uzależnienie od dostaw energii elektrycznej oraz zużywanie się elementów mechanicznych w sprężarce.

Absorpcyjne: wykorzystują tzw. sprężarkę termiczną, która napędzana jest ciepłem. Pompy absorpcyjne znajdują więc zastosowanie wszędzie tam, gdzie dostępne jest tanie źródło ciepła lub niedostępna jest energia elektryczna. Urządzeń tych zdecydowanie częściej używa się do chłodzenia. Posiadają niższy niż sprężarkowe współczynnik efektywności cieplnej, ale działają praktycznie bez żadnych elementów mechanicznych co gwarantuje niewielka awaryjność.

Termoelektryczne: wykorzystują zjawisko Seebecka. Są najsłabiej rozpowszechnione ze względu na bardzo małą efektywność. Posiadają jednak szereg zalet które sprawiają, że te urządzenia są niezastąpione w pewnych sytuacjach. Należy do nich mała waga, praca niezależnie od położenia, możliwość miniaturyzacji, brak hałasu oraz konieczności stosowania czynników pośredniczących.

 

Rozwiązanie Konstrukcyjne i techniczne

System woda-woda wykorzystujący dwie studnie:

 Metoda ta polega na poborze wody gruntowej z jednej studni, przepompowaniu jej przez pompę ciepła i odprowadzaniu schłodzonej do studni zrzutowej, przy czym studnie powinny znajdować się w jak największej odległości od siebie – co najmniej 15m. Jest to system otwarty, w którym jako czynnik grzewczy krąży woda gruntowa.

Wady i zalety:

+ stabilna temperatura źródła przez cały rok

+ niski koszt inwestycyjny

+ duża wydajność

 

– konieczne odpowiednie warunki gruntowo-wodne

– wymóg posiadania pozwolenia wodnoprawnego dla studni o głębokości większej niż 30m i dla poboru wody w ilości większej niż 15m3/dobę

– możliwe problemy spowodowane jakością pobieranej wody (duża zawartość żelaza, manganu, wysoka twardość)

 

System pionowych sond gruntowych:

W systemie tym wykorzystywane są pionowe odwierty oddalone od siebie o 6-8m. Zostają w nich umieszczone rury w kształcie litery U, w których krąży niezamarzający czynnik neutralny dla środowiska, pobierający ciepło z gruntu i oddający je w pompie ciepła.

Wady i zalety:

+ brak podatności na sezonowe wahania temperatury

+ wymaga mniejszej powierzchni działki niż gruntowe kolektory poziome

 

– konieczność wykonania badań geologicznych

– wyższy koszt wykonania w porównaniu z gruntowymi kolektorami poziomymi

 

System poziomych kolektorów gruntowych:

Ciepło zmagazynowane w gruncie jest odbierane za pomocą wężownic układanych na głębokości 1,5-2m pod powierzchnią terenu. Powierzchnia wykorzystywana dla kolektorów jest zazwyczaj 3-krotnie większa od powierzchni ogrzewanego domu. Teren ten można wykorzystywać jedynie do posadzenia na nim roślinności nisko korzennej.

Wady i zalety:

+ relatywnie niski koszt inwestycyjny

+ prosty montaż – temperatura źródła podatna na wahania sezonowe

 

– wykorzystanie dużej powierzchni terenu, którego możliwości zagospodarowania zostają znacznie ograniczone

 

System wykorzystujący ciepło zawarte w powietrzu:

 W przypadku występowania trudnych warunków geologicznych i braku możliwości skorzystania z innych dolnych źródeł ciepła rozwiązaniem staje się odzysk ciepła z powietrza.

+ brak konieczności wykonywania wykopów lub odwiertów

+ niski koszt inwestycyjny

 

– niższa efektywność w porównaniu z pozostałymi popularnymi dolnymi źródłami ciepła

-duże wahania temperatury źródła

 

Kolektor spiralny:

 Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to można zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm. Jednak jest to twierdzenie błędne – w istocie, kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. W praktyce powierzchnia działki zajęta przez kolektor spiralny jest o około 1/3 mniejsza niż dla kolektora płaskiego o identycznej mocy, natomiast powierzchnia prac gruntowych jest ponad pięciokrotnie mniejsza

 

Projektowanie pompy Ciepła

Pierwszym etapem projektowania pomp ciepła jest określenie zapotrzebowania na moc cieplną/chłodniczą Q [kW]. Następnie projektant powinien dokonać wyboru dolnego i górnego źródła ciepła, oraz na tej podstawie dobrać temperaturę wrzenia (To) i skraplania (Tk) czynnika pracującego w układzie. Temperaturę w parowniku należy określić tak, aby dla danego czynnika ciśnienie Po nie było niższe od ciśnienia atmosferycznego (w innym przypadku mogą wystąpić problemy ze szczelnością układu). Kolejnym etapem jest wybór optymalnego czynnika chłodniczego z dostępnych na rynku, spełniającego zarówno wymagania techniczne jak i ekologiczne.

 

Czynniki chłodnicze:

Czynnikiem chłodniczym nazywa się substancję wykorzystywaną w chłodnictwie której normalna temperatura wrzenia zawiera się w przedziale od -50°C do +10°C (dla kriogeniki temperatury są jeszcze niższe). Zadaniem takiej substancji jest odbiór ciepła z dolnego źródła poprzez proces parowania, a następnie oddanie tego ciepła do górnego źródła w procesie skraplania. Czynniki chłodnicze podzielić można na substancje jednorodne oraz roztwory. Te ostatnie natomiast podlegają podziałowi na azeotropowe i nieazeotropowe.

 

-Mieszaniny azeotropowe charakteryzują się takim doborem składników i ich proporcji, że w procesach parowania i skraplania zachowują się one jak substancje jednorodne. Oznacza to, że w danej mieszaninie wszystkie składniki odparowują (skraplają się) w tej samej temperaturze, chociaż osobno proces ten przebiega dla każdej z nich inaczej. Takie mieszaniny są lepsze, ponieważ nie występuje dla nich zjawisko „poślizgu temperatur” (tzn. różnicy między temperaturą pary nasyconej i temperaturą wrzenia roztworu w tym samym ciśnieniu).

-Mieszaniny nieazeotropowe (inaczej zeotropowe) charakteryzują się tym, że w danej temperaturze jeden ze składników odparowuje (skrapla się) szybciej. Zatem nie można w takim przypadku określić jednoznacznie temperatury przemiany fazowej dla danego ciśnienia – wstępuje „poślizg temperatur”.

 

Charakterystyczne parametry czynników chłodniczych:

 – temperatura parowania w ciśnieniu atmosferycznym.

– ciepło właściwe, masa cząsteczkowa, wzór chemiczny.

– wybuchowość, zakres palności w powietrzu.

– temperatura krytyczna, ciśnienie krytyczne.

– temperatura punktu potrójnego.

– spręż w zakresie występujących temperatur.

– wskaźniki mówiące o zagrożeniu środowiska (GWP, ODP, TEWI).

– cena i dostępność.

 

Dolne źródła ciepła:

Dolnym źródłem ciepła może być każdy ośrodek posiadający odpowiednią temperaturę i pojemność cieplną gwarantującą odparowanie czynnika chłodniczego, oraz ciągłą pracę urządzenia. Takim ośrodkiem dla chłodziarki jest np. wnętrze lodówki lub klimatyzowanego samochodu. Dla Pomp ciepła rozwiązano na dolne źródło ciepła jest bardzo dużo, oto kilka najczęściej stosowanych:

Powietrze: posiada wręcz nieograniczoną pojemność cieplną, jednak przy mocno ujemnych temperaturach efektywność. urządzeń drastycznie spada. Niewątpliwą zaleta wykorzystywania powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła jest jednak jego dostępność i najniższe koszty instalacji.

Grunt: najpopularniejsze źródło energii dla pomp ciepła. Największą pojemność cieplną posiadają grunty wilgotne np. gliniaste a najmniejszą grunty suche np. piaszczyste. Energia zmagazynowana przy powierzchni ziemi pochodzi głownie od promieniowania słonecznego, natomiast wraz z głębokością rośnie udział energii pochodzącej z wnętrza ziemi (geotermalnej). Powszechnie stosuje się dwa sposoby wykorzystania energii gruntu: poprzez tzw. kolektory poziome lub pionowe.

-Pierwsza z nich to nic innego jak ułożona poziomo (poniżej granicy przemarzania gruntu) rura PCV z niezamarzającym płynem, tzw. chłodziwem (może  to być np. roztwór wodny glikolu), którego zadaniem jest odbiór ciepła i przekazanie go czynnikowi chłodniczemu w parowniku. Niekiedy stosuje się systemy bezpośrednie w których to czynnik chłodniczy odbiera energię z dolnego źródła bez medium pośredniczącego. Jednak w przypadku uszkodzenia takiego układu występuje ryzyko wycieku czynnika, dlatego konieczne jest zastosowanie odpowiedniej  i kosztownej armatury.

-Drugi sposób wykorzystania energii zawartej w gruncie to kolektor pionowy, czyli przewód z chłodziwem wprowadzany pionowo w głąb ziemi. Zaletami takiego rozwiązania jest niewielka wymagana do instalacji powierzchnia, oraz gwarancja dużej wydajności pompy ciepła (ze względu na stałą wysoką temperaturę panującą na większych głębokościach). Wadą rozwiązania jest konieczność wykonywania kosztownych wierceń głębokościowych, a także skomplikowana procedura uzyskiwania pozwoleń.

 

Zbiorniki wodne: na dnie jeziora lub stawu panuje zwykle stała temperatura ok. 8°C. Jest to zatem atrakcyjny ośrodek dla dolnego źródła ciepła, często wykorzystywany jeżeli tylko warunki naturalne na to pozwalają. W tym celu na dnie zbiornika układa się wymiennik ciepła z chłodziwem. Projektant powinien jednak pamiętać, że żyjące w takim akwenie stworzenia potrzebują odpowiednio wysokiej temperatury, a umiejscowienie w nim wymiennika może ten zbiornik nadmiernie wychłodzić.

Pod budynkiem: kolejnym sposobem wykorzystania ciepła jest posadowienie przewodów z chłodziwem pod podłogą w piwnicy budynku lub wokół fundamentów. Pozwala to wykorzystać część energii jaka jest tracona przez budynek podczas przenikania ciepła do gruntu.

Kanalizacja: również często stosowanym patentem jest wykorzystanie kanałów kanalizacji znajdujących się w pobliżu. Charakteryzują się one względnie wysoką temperaturą przez cały rok. Rury z chłodziwem można np. opleść wokół takiego kanału, aby zapewnić wysoką wydajność pracy pompy ciepła.