Pompy ciepła – informacje ważne dla inwestora

Pompy ciepła to urządzenia, które w dobie stałego wzrostu cen nośników energii znajdują coraz bardziej powszechne zastosowanie w instalacjach ogrzewczych, klimatyzacyjnych i przygotowania ciepłej wody użytkowej, zarówno w domach jednorodzinnych, jak też dużych obiektach mieszkalnych, użyteczności publicznej a nawet w przemyśle (ze względu na dostęp do wysokoparametrowego ciepła odpadowego z różnych procesów przemysłowych). Następnym aspektem przemawiającym za stosowaniem pomp ciepła jest ich ekologiczność w stosunku do tradycyjnych źródeł ciepła opartych na procesach spalania.

Zasada działania pomp ciepła

W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego, tj. ciepło pobierane z otoczenia: gruntu, wody lub powietrza (czyli tzw. dolnego źródła ciepła) dzięki odpowiednim procesom zachodzącym w pompie ciepła zwiększa swój potencjał i jest oddawane do źródła o wyższej temperaturze czyli tzw. górnego źródła ciepła – instalacji c.o. (centralnego ogrzewania), c.w.u. (ciepłej wody użytkowej), klimatyzacji.

Ze względu na rodzaje procesów zachodzących w pompach ciepła rozróżniamy:

1. Pompy ciepła sprężarkowe,

2. Pompy ciepła absorpcyjne.

Do transportu ciepła mogą być wykorzystywane również zjawiska, jak np. ciepło syntezy lub rozkładu substancji chemicznych oraz różnego rodzaju efekty, jak np. termoelektryczny lub magnetyczny, ale ze względu na ich znacznie ograniczony zakres zastosowania nie będziemy się nimi dalej zajmowali.

W zależności od rodzaju dolnego i górnego źródła ciepła rozróżniamy pompy ciepła:

• woda – woda (W/W)

• woda – powietrze (W/A)

• powietrze – powietrze (A/A)

• powietrze – woda (A/W)

Jest to klasyfikacja uproszczona.

A. Pompy ciepła sprężarkowe

W sprężarkowej pompie ciepła transport ciepła realizowany jest za pomocą czynnika roboczego. Czynnik roboczy pracując odbiera w parowaczu ciepło z dolnego źródła ciepła, następnie sprężarka zwiększa ciśnienie tej pary umożliwiając w zetknięciu z chłodniejszym czynnikiem odbiorczym skroplenie w skraplaczu i oddanie w ten sposób ciepła do obiegu c.o. lub c.w.u.

W pompach ciepła stosowane są sprężarki:

Sprężarki wyporowe to: tłokowe (z tłokami wykonującymi ruch posuwisto-zwrotny) oraz rotacyjne, do których z kolei możemy zaliczyć sprężarki łopatkowe, z tłokiem wirującym (Wankla), śrubowe i spiralne. Każdy z wymienionych rodzajów ma swoje wady i zalety np.:

Wybór typu sprężarki do pompy ciepła zasilającej instalację c.o. lub c.w.u. uwarunkowany jest wymaganą mocą cieplną urządzenia, parametrami pracy oraz rodzajem czynnika roboczego. Oprócz tego dobierając sprężarkę należy uwzględnić warunki eksploatacyjne tj. rodzaj i ilość energii napędowej, układ pracy pompy ciepła, dopuszczalny poziom hałasu, sposób regulacji wydajności itp.

Następnym elementem mającym wpływ na pracę sprężarkowej pompy ciepła są czynniki robocze, które poprzez parowanie i skraplanie służą do transportowania ciepła z niższego na wyższy poziom temperatury.

Stosowane są naturalne i syntetyczne czynniki robocze. Naturalnymi są: woda, powietrze, amoniak, dwutlenek węgla oraz węglowodany (propan, izobutan). Syntetyczne czynniki robocze to:

Czynnik roboczy powinien być dobrany z uwzględnieniem redukcji emisji szkodliwych gazów, bezpieczeństwa, efektywności energetycznej, aspektów ekonomicznych oraz serwisu.

Często podstawowym kryterium wyboru czynnika roboczego są bieżące i przyszłe koszty. Jednak udział kosztów czynnika w całkowitym koszcie urządzenia jest niewielki.

Głównym sposobem obniżenia kosztów czynnika chłodniczego w procesie serwisowania instalacji jest zminimalizowanie wymagań co do uzupełniania jego ilości. Jest to z kolei związane z przestrzeganiem zasad właściwego wykonawstwa i eksploatacji instalacji (testy szczelności, szkolenia personelu oraz szybka reakcja na wycieki czynnika).

B. Adsorpcyjne pompy ciepła

W adsorpcyjnych pompach ciepła do podnoszenia potencjału ciepła niskotemperaturowego wykorzystano właściwości roztworów, najczęściej dwuukładowych, polegające na podwyższaniu temperatury wrzenia roztworu w stosunku do temperatury czystego rozpuszczalnika.

Napędowa moc cieplna doprowadzana do warnika uzyskiwana, np. ze spalania gazu lub innych źródeł ciepła (gazy odlotowe, gorąca woda, para wodna) powoduje proces desorpcji czynnika roboczego z roztworu (np. amoniaku z jego wodnego roztworu lub wody z roztworu bromku litu). Para czynnika roboczego dopływa do skraplacza, gdzie w procesie skraplania oddawana jest moc cieplna. Skroplony czynnik roboczy, po zdławieniu w zaworze rozprężnym, dopływa do parowacza, w którym odparowuje kosztem ciepła pobieranego z dolnego źródła (ciepła niskotemperaturowego). Z parowacza para czynnika roboczego dopływa następnie do absorbera, gdzie jest pochłaniana przez odgazowany, zdławiony roztwór spływający z warnika. W procesie absorpcji uwalnia się moc cieplna wykorzystywana do zasilania instalacji c.o. lub c.w.u.. Roztwór ciekły powstający w absorberze wtłoczony zostaje przez pompę obiegową do warnika, przy czym zwykle przed warnikiem zainstalowany jest regeneracyjny wymiennik ciepła umożliwiający wstępne podgrzewanie roztworu odpływającego z absorbera kosztem ciepła odebranego od gorącego roztworu odpływającego z warnika.

W absorpcyjnych pompach ciepła stosowane są obecnie następujące roztwory robocze:

• woda-amoniak (czynnik roboczy – amoniak),

• woda-bromek litu (czynnik roboczy – woda),

• metanol-bromek litu (czynnik roboczy – metanol).

Źródła ciepła do wykorzystania w pompach ciepła

Ciepło niskotemperaturowe potrzebne do odparowania czynnika roboczego w parowaczu pompy ciepła może pochodzić ze źródeł odnawialnych (powietrze zewnętrzne, grunt, promieniowanie słoneczne, woda powierzchniowa, woda gruntowa) lub być ciepłem odpadowym z różnego rodzaju procesów przemysłowych i ścieków, zawartym w gazach spalinowych, wodzie chłodzącej itp.

Powietrze zewnętrzne

Jest ono najłatwiej dostępnym źródłem ciepła niskotemperaturowego. Nie wymaga dodatkowych inwestycji do jego pozyskiwania i dlatego jest często stosowane do zasilania parowaczy pomp o małej i średniej mocy. Do niekorzystnych cech powietrza jako źródła ciepła należą:

Z powodu tych własności powietrza w pompach ciepła tego typu stosowane są dodatkowe źródła ciepła.

Średnioroczny współczynnik wydajności grzejnej^[1] sprężarkowej pompy ciepła z parowaczem ogrzewanym powietrzem atmosferycznym wynosi 2÷2,5.

Dlatego też korzystniej jest odzyskiwać ciepło z powietrza o wyższej temperaturze np. usuwanego z pomieszczeń lub z różnych procesów technologicznych.

Woda

Woda powierzchniowa lub gruntowa jako źródło ciepła niskotemperaturowego ma szczególnie korzystne właściwości:

Najczęściej spotykane problemy eksploatacyjne, to: narastanie szlamu na ściankach studni, korozja wymienników ciepła, zanieczyszczenia biologiczne.

Średnioroczny współczynnik wydajności grzejnej sprężarkowej pompy ciepła wynosi w tym przypadku od 3 do 3,5.

Wyższą sprawność można uzyskać z wód z różnych procesów technologicznych lub ścieków, które mają wyższą temperaturę niż wody gruntowe lub powierzchniowe, jednak nie wszędzie są dostępne.

Grunt

Ze względu na dostępność i wysoką temperaturę jest bardzo korzystnym źródłem ciepła. W naszej strefie klimatycznej na głębokość ok.10 m temperatura gruntu jest stała i wynosi 10°C. Ciepło z gruntu może być pozyskiwane przy pomocy:

- poziomych gruntowych wymienników ciepła - układy rur (szeregowe, wężownicowe, spiralne) o średnicy ¾" do 1,5" ułożone w gruncie na głębokości 1,5÷2,0 m (ze względu na ograniczenie kosztów budowy i pominięcie strefy przemarzania gruntu). Temperatura gruntu na tej głębokości waha się w granicach od 5°C do 17°C w zależności od strefy klimatycznej, nasłonecznienia terenu, rodzaju gruntu, ilości opadów na danym terenie.

- pionowych gruntowych wymienników ciepła – nazywanych popularnie sondami ziemnymi, które mogą mieć kształt:

- typu U,

- z przepływem przeciwbieżnym,

- z przepływem koncentrycznym,

- spiralne.

Są one wykonywane najczęściej z rur o średnicach ¾" do 2". Głębokość sond (40÷100 m) oraz ich ilość i rozstaw oblicza się ze specjalnych wzorów lub dobiera z nomogramu.

Współczynniki wydajności grzejnej pomp ciepła wykorzystujących ciepło gruntu wahają się w granicach 3,5÷5,0.

Słońce

Promieniowanie słoneczne jest źródłem energii często wykorzystywanym w systemach ogrzewania i przygotowania c.w.u. stosowanych w budownictwie mieszkaniowym. Gęstość energii całkowitego promieniowania słonecznego (bezpośredniego i rozproszonego) wynosi w korzystnych warunkach 1100 kWh/m², a liczba godzin słonecznych (tzw. usłonecznienia) w Europie Środkowej wynosi ok. 1900.

Nośnik ciepła transportujący ciepło z kolektora słonecznego do parowacza pompy ciepła może uzyskać temperaturę 20÷80°C, a gęstość mocy cieplnej odebranej w kolektorze wynosi 30÷480 W/m².

Promieniowanie słoneczne, jako źródło ciepła niskotemperaturowego, ma również niekorzystne cechy, a przede wszystkim:

• dobową i sezonową zmienność strumienia energii,

• zależność od czynników meteorologicznych,

• stosunkowo niewielką gęstość strumienia energii.

Cechy te powodują konieczność stosowania wymienników ciepła (kolektorów słonecznych) o dużych powierzchniach, a ponadto zasobników ciepła (rocznych i dobowych) o znacznych pojemnościach.

Wnioski

Z termodynamicznych podstaw działania pomp ciepła wynika, że ich efektywność energetyczna zależy przede wszystkim od różnicy temperatury między źródłem ciepła zasilającym parowacz a źródłem ciepła zasilającym instalacje c.o. i c.w.u. a zatem głównym obszarem zastosowania pomp ciepła powinny być niskotemperaturowe ogrzewania wodne (płaszczyznowe- podłogowe, ścienne, sufitowe) lub z konwektorami wentylatorowymi – tzw. fan coile oraz ogrzewania powietrzne.

Bardzo istotny jest współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła, jakość urządzenia a w tym jego żywotność, no i oczywiście jego cena (wraz z całym systemem) co może zagwarantować szybki okres zwrotu poniesionych nakładów.

W związku z tym, że pompy ciepła są urządzeniami ekologicznymi, inwestorzy mogą z tego tytułu ubiegać się o dofinansowanie z Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska, czy też korzystać z niskoprocentowych linii kredytowych np. w Banku Ochrony Środowiska.

Literatura

1. Marian Rubik – Pompy ciepła, wydanie III 2006 r.

2. Katalog producentów pomp ciepła

^[1] – stosunek ilości otrzymanego ciepła do energii włożonej do napędu pompy