Pompy ciepła - zasada działania, koszty, dobór

Mogą wytwarzać ciepło do ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej, a można je także stosować jako urządzenia chłodnicze mające zastosowanie zarówno w chłodnictwie, jak i w klimatyzacji. Obie te funkcje mogą być skojarzone. Podstawowy typoszereg tego rodzaju urządzeń obejmuje pompy o niewielkich wymiarach i wydajnościach od 10 do 130 kW przeznaczone do ogrzewania domów. Pompy ciepła o większych wydajnościach dostosowane są do instalacji przemysłowych i przeznaczone do odzysku ciepła z procesów technologicznych.

Budowa pompy ciepła

Typowa pompa ciepła podzielona jest na dwie części: panel elektryczny oraz moduł właściwy, z umieszczoną wewnątrz armaturą, sprężarką oraz wymiennikami ciepła. Obudowa zewnętrzna wykonana jest przeważnie z blachy nierdzewnej lub stalowej lakierowanej. Pompy wyposażone są zazwyczaj w sterownik komputerowy kontrolujący pracę pompy oraz sterownik urządzeń dodatkowych (pompy obiegowe, zawory elektromagnetyczne, dodatkowe źródło ciepła).

Przesyłanie wszystkich parametrów pracy urządzenia do sterownika odbywa się poprzez zwykły modem telefoniczny, co przyczynia się również do obniżenia energochłonności urządzenia. W zależności od temperatury zewnętrznej pompa automatycznie dostosowuje temperaturę wody zasilającej grzejniki. Wszystkie urządzenia tego typu stosowane w Polsce są urządzeniami cichymi i nie powodującymi drgań.

Kryteria doboru pompy ciepła

Dobór pompy ciepła powinien być poprzedzony obliczeniami cieplnymi obiektu. W obliczeniach tych ujmuje się zyski ciepła jawnego i utajonego, infiltrację powietrza i wentylację. Ważne jest także położenie geograficzne, wietrzność, nasłonecznienie i inne specyficzne elementy istotne dla ogrzewania lub klimatyzacji obiektu. Nieuwzględnienie któregokolwiek z czynników może spowodować poważną różnicę pomiędzy rzeczywistym a wyliczonym zapotrzebowaniem mocy, a w konsekwencji niewłaściwym doborem mocy pompy ciepła.

Nie musimy od razu decydować się na dobór pompy ciepła na szczytową moc grzewczą obiektu. Powinno się rozważyć także wersję doboru pompy ciepła na moc średnią w układzie z dolnymi źródłami alternatywnymi. Obniża to w znacznym stopniu koszty inwestycyjne całej instalacji z pompą ciepła. Zapotrzebowanie na moc szczytową występuje przez krótki czas (2-3 tygodnie w roku). Można więc zainstalować pompę ciepła pokrywającą np. 70% zapotrzebowania mocy, a pozostałe 30% zabezpieczyć innym źródłem ciepła, np. grzałkami elektrycznymi, piecem gazowym itp.

Sterownik komputerowy pompy ciepła w razie potrzeby sam uruchomi dodatkowe źródło ciepła na odpowiedni czas. Ponadto, by zastosować pompę ciepła pokrywającą zapotrzebowanie na moc szczytową, musimy dysponować dolnym źródłem ciepła o wydajności zapewniającej osiągnięcie tej mocy. Wydajność tego źródła może być nieraz ograniczona wielkością terenu, brakiem wód podziemnych, brakiem innych możliwości pozyskiwania energii. 

Koszt eksploatacji systemu grzewczego zależy także od jakości górnego źródła (np. centralnego ogrzewania). Grzejniki współpracujące z pompą ciepła muszą mieć dobre parametry wydajnościowe przy niskich temperaturach zasilania (do 55oC). W przypadkach starych instalacji c.o. może się to wiązać z wymianą całej instalacji zdawania ciepła lub jej częściową modernizacją.

Zasada działania pomp ciepła

W dzisiejszych projektach instalacji c.o. i c.w.u. w budownictwie zarówno jednorodzinnym, jak i wielorodzinnym, coraz częściej spotykamy pompę ciepła. Ciągle traktuje się ją jako novum, a przecież urządzenia te znane są od wielu lat. Już z końcem lat trzydziestych ubiegłego stulecia ogrzewano za ich pomocą duże obiekty.

Z definicji II zasady termodynamiki wynika, że ciepło może samorzutnie przepływać tylko od wyższego do niższego poziomu temperatury. W otoczeniu (powietrzu, wodzie, gruncie) znajdują się olbrzymie naturalne źródła energii o niskiej temperaturze. Źródła te mogą być wykorzystane, na przykład do ogrzewania pomieszczeń, jeżeli ich potencjał energetyczny przeniesiemy, poprzez dostarczenie dodatkowej energii, na wyższy poziom temperatury. Analogicznie do pompy cieczy, która pompuje wodę z niższego poziomu na wyższy, pompa ciepła transportuje energię cieplną z niższego poziomu temperatury na wyższy.

Opisując działanie pompy ciepła, zauważymy, że w obiegu termodynamicznym tych urządzeń, zachodzą w sposób ciągły cztery procesy. W parowniku czynnik roboczy ulega odparowaniu (proces odbioru ciepła z otoczenia). Następnie w kompresorze następuje sprężanie pary czynnika roboczego, a za kompresorem czynnik roboczy mający wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę ulega skropleniu w skraplaczu (proces oddawania ciepła do systemu). Ostatni proces to rozprężanie czynnika roboczego w zaworze rozprężnym, dozującym czynnik roboczy do parownika, gdzie następuje ponownie proces odparowania i cykl powtarza się.

Przepływ ciepła pomiędzy dwoma ciałami zależy więc od różnicy ich temperatur. Teoretycznie energię cieplną można odbierać ze źródła o dowolnej temperaturze, nawet ujemnej, ale w praktyce pompy ciepła są ekonomiczne, gdy pracują z dolnym źródłem o temperaturze nie niższej niż -5oC.

Pompy ciepła są urządzeniami umożliwiającymi transformację energii cieplnej ze źródła niskotemperaturowego, tzw. dolnego źródła ciepła, na wyższy poziom energetyczny określany jako górne źródło ciepła. Pompa ciepła pozwala więc przekazywać ciepło ze źródła o niskiej temperaturze (np. ok. 0oC) do źródła górnego o temperaturze do 60oC. Transport energii cieplnej odbywa się za pośrednictwem doprowadzonej do pompy ciepła energii elektrycznej.

W układach z pompą ciepła możliwe jest wykorzystanie zarówno strony ciepłej (górne źródło) jak i strony zimnej (dolne źródło). Stronę ciepłą wykorzystuje się np. do celów grzewczych, stronę zimną można wykorzystać w przypadku zapotrzebowania na chłód, a więc np. w klimatyzacji lub chłodnictwie. Efektywność pompy ciepła jest stosunkiem energii odebranej z pompy ciepła do energii włożonej w napęd pompy ciepła.

Kaskada pomp ciepła solanka/woda (system gruntowy) w wodnej instalacji ogrzewczej

Pompa ciepła i jej dolne źródło

Dolne źródło ciepła jest jednym z najbardziej istotnych elementów systemu. Rodzaj dolnego źródła jest uzależniony od sposobu wykorzystania pompy ciepła oraz warunków instalacji pompy. W przypadku, gdy jest wykorzystywana jako urządzenie chłodnicze, dolnym źródłem jest np. chłodnia, woda chłodząca z wtryskarek, woda lodowa itp. Jeżeli pompa ciepła jest wykorzystywana wyłącznie jako urządzenie grzewcze (ogrzewanie domu, ciepłej wody itd.), musimy wykonać dolne źródło, z którego jest możliwy skuteczny odbiór energii cieplnej. Dolne źródło powinno się charakteryzować przede wszystkim niezmiennością temperatury w ciągu roku.

W praktyce wykonuje się następujące rodzaje dolnych źródeł:

• Poziomy gruntowy wymiennik ciepła - są to najczęściej polietylenowe rury o średnicy 40-50 mm położone poniżej głębokości przemarzania gruntu (ok. 1,5 m). Ilość rur i ich długość jest uzależniona od mocy chłodniczej pompy ciepła. Wewnątrz rur pompowana jest ciecz niezamarzająca o temperaturze niższej od temperatury gruntu, która odbiera ciepło z gruntu. Zaletą tego typu wymiennika jest łatwość jego wykonania i względnie niski koszt. Wadą jest konieczność dysponowania dość dużą powierzchnią gruntu, w którym ma być umieszczony wymiennik, oraz podatność na zmiany temperatury zewnętrznej, co przy dłuższym okresie niskich temperatur powietrza może spowodować spadek efektywności pompy ciepła. Rodzaje gruntowych wymienników ciepła można znaleźć w osobnym artykule.
• Pionowy gruntowy wymiennik ciepła - jest podobny do wymiennika poziomego. Rury w tym przypadku są umieszczone pionowo w gruncie do głębokości 30-50 m. Są one wpuszczane do gruntu bardzo szybko metodą płuczki. Podobnie jak w przypadku wymiennika poziomego łączna długość rur jest proporcjonalna do mocy chłodniczej pompy ciepła. Zaletą tego wymiennika jest mała podatność na zmiany temperatury zewnętrznej, mała powierzchnia gruntu potrzebna do wykonania wymiennika oraz dwukrotnie lepsza skuteczność wymiennika niż wymiennika poziomego. Wadą jest stosunkowo wysoki koszt wykonania wymiennika. Podobnie jak w wymienniku poziomym wewnątrz rur przepływa w obiegu zamkniętym ciecz niezamarzająca.
• Ujęcie wody systemem dwóch studni - woda pobierana ze studni pompowana jest do pompy ciepła, gdzie następuje odbiór ciepła (schłodzenie wody). Schłodzona woda odprowadzana jest do drugiej studni. W celu sprawdzenia wydajności studni należy wykonać odpowiednie próby pompowania.
• powietrze jest również wykorzystywane jako dolne źródło dla pomp ciepła. Najlepsze efekty uzyskuje się przy wykorzystaniu powietrza o stałej temperaturze, np. z wentylacji. Nieodpowiednie do stosowania jest natomiast powietrze zewnętrzne, gdyż jego zmiany temperatury są zbyt duże. Pompa ciepła pracuje efektywnie przy temperaturach powietrza do 5oC. Jest to zdecydowanie jedno z najtańszych źródeł dolnych, ale ma ono niską sprawność w polskich warunkach klimatycznych.
• ścieki są bardzo dobrym dolnym źródłem o wysokiej temperaturze. Odbiór ciepła realizuje się tutaj pośrednio przez umieszczenie w kolektorze ściekowym rur, w których płynie ciecz odbierająca ciepło. Można je umieścić także w zbiorniku fekaliów, szambie itp.

Pompa ciepła powietrze/woda wykorzystująca powietrze zewnętrzne, wykonanie do zabudowy na zewnątrz

Górne źródło pompy ciepła

Górne źródło ciepła jest najczęściej wykorzystywane jako źródło ciepłej wody do instalacji centralnego ogrzewania, klimatyzacji i ciepłej wody. W instalacjach przemysłowych jest również wykorzystywane do procesów technologicznych wymagających ciepłej wody. W przypadku pomp ciepła temperatura medium górnego źródła nie przekracza 60oC. Stosowane są też pompy ciepła, które mogą dostarczać wodę o temperaturze nawet 90oC.

Obieg chłodniczy

Pompa ciepła przekazuje energię cieplną ze źródła dolnego do górnego za pośrednictwem czynnika roboczego. Zazwyczaj jest nim freon z grupy związków HCFC. Sprężony w sprężarce freon trafia na skraplacz płytowy, gdzie skrapla się przekazując jednocześnie ciepło do źródła górnego (najczęściej woda). Skroplony R22 trafia na zawór rozprężny, gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. W parowniku freon odparowuje odbierając ciepło z dolnego źródła (woda, glikol). Freon w postaci gazowej trafia ponownie do sprężarki. Pompa posiada odpowiednie zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem lub spadkiem ciśnienia czynnika roboczego, zaś układ elektryczny jest zabezpieczony przed nadmiernym przeciążeniem.

Koszty użytkowania pomp ciepła

Pompy ciepła są urządzeniami przyjaznymi dla środowiska. Jako urządzenia elektryczne nie emitują żadnych zanieczyszczeń. Niska energochłonność urządzenia powoduje, że całkowity równoważnik efektu cieplarnianego jest niższy od niemal wszystkich innych systemów grzewczych. Wynika to przede wszystkim z zastosowania czynnika chłodniczego z grupy HFC, który jest nieszkodliwy dla warstwy ozonowej.

Wykres przedstawia koszty miesięcznego zużycia różnych mediów grzewczych*. Jak na nim widać, najkorzystniejsze jest ogrzewanie przy zastosowaniu pomp ciepła.

Oznaczenia:
a - pompa ciepła zasilana dwutaryfowym prądem elektrycznym,
b - pompa ciepła zasilana prądem elektrycznym przy taryfie dziennej,
c - węgiel kamienny,
d - gaz ziemny,
e - olej opałowy,
f - miejska sieć ciepłownicza (średnio),
g - prąd elektryczny - taryfa podwójna,
h - prąd elektryczny taryfa dzienna.
* Poziom cen z I połowy 2000 r.
 

Jakie mogą być źródła ciepła

Powietrze

• Zewnętrzne – nawet do temperatury -20°C (np. pompa ciepła WPL18), rozwiązania wykorzystujące powietrze zewnętrzne mogą być stosowane dla pomp o małej, średniej, jak i dużej mocy.
• Wewnętrzne – często stosowane jest w pompach przygotowujących c.w.u. Do tego celu wykorzystywane jest np. powietrze technologiczne o maksymalnej temperaturze 30-35°C lub powietrze tracone na wentylacji. Tego typu rozwiązania stosuje się dla urządzeń małej i średniej mocy (przeciętne wydajności powietrza to 400-500 m3/h).

Wskazówki projektowe dla pomp ciepła powietrze/woda. Najważniejszym zagadnieniem jest uwzględnienie wskazówek producenta dotyczących odpowiedniej wydajności powietrza w m3/h, jego schłodzenia, sprężu wentylatora oraz możliwości zastosowania ze względu na minimalną i maksymalną temperaturę powietrza. 

Woda

• Gruntowa – układ dwóch studni tj. eksploatacyjnej i zrzutowej, minimalna temperatura zastosowania ze względu na dolne źródło wynosi ok. +7°C. Woda gruntowa jest bardzo atrakcyjnym źródłem ciepła, gdyż jej temperatura zazwyczaj waha się od 7,5 do 12°C, więc dla układów typu woda/woda uzyskuje się bardzo wysokie współczynniki efektywności.

Przykład:
– pompa ciepła WPF13 W10/W35 o mocy grzewczej 17,1 kW;
– pobór energii elektrycznej 3,0 kW;
– współczynnik efektywności COP=5,6.
Rozwiązania te stosuje się do układów małej oraz dużej mocy.

• Powierzchniowa – ze względu na temperaturę dolnego źródła okres zastosowania tego rodzaju pompy jest ograniczony: od maja do września. Układy te najczęściej służą do przygotowywania c.w.u. w ośrodkach turystycznych, pensjonatach itp.

• Technologiczna – istnieje możliwość wykorzystania ciepłej wody technologicznej np. z układów chłodzenia. W takich wypadkach należy zwrócić uwagę na graniczną wartość temperatury odparowania czynnika roboczego. Na rynku polskim są pompy, w których zastosowano ekologiczny czynnik roboczy – R290 np. seria WPWE. Pompy tego typu mogą pracować z temperaturą odparowania +35°C dla wody i +40°C dla glikolu, a po stronie gorącej wody +65°C. Do wód technologicznych należą też ścieki, które można wykorzystać, stosując obiegi pośrednie.

Wskazówki projektowe dla pomp ciepła woda/woda. Zagadnienia wykorzystania wody, w tym również energetycznego, ujęte są w ustawie „Prawo wodne” z dn. 18 lipca 2001 r .(Dz. U. Nr 115 z dn. 11 października 2001). Stosując pompy woda/woda, należy zwrócić uwagę na zakres temperatury podany przez producenta, skład fizyko-chemiczny wody, wydajność w m3/h. Jeżeli pobieramy wodę głębinową w układzie dwóch studni, należy zwrócić uwagę na pobór mocy pompy głębinowej i jego wpływ na sumaryczny współczynnik efektywności systemu.

Grunt

Jest bardzo dobrym, stabilnym źródłem ciepła. Układa się w nim w ściśle określony sposób rury z PE stanowiące kolektor gruntowy. W nich cyrkuluje mieszanina propylenglikolu i wody. Rozwiązań i sposobów wykonania kolektora gruntowego jest wiele. Najczęściej stosowane są kolektory płaskie, (fot. 3a) spiralne lub sondy pionowe (fot. 3b). Wielkość kolektora gruntowego oraz długość sond jest ściśle uzależniona od mocy pompy ciepła, zwłaszcza mocy strony chłodniczej i obliczana jest dla odpowiedniego punktu pracy. Każdy z producentów pomp ciepła ma swoje podejście do rozwiązania tego zagadnienia i nie można wykorzystywać jednych wytycznych projektowych dla wszystkich typów pomp ciepła różnych producentów.

Wskazówki projektowe dla pomp ciepła grunt/woda. Grunty zawierające więcej składników mineralnych są lepszym źródłem od tych, w których tych składników nie ma. Dlatego grunty wilgotne, gliniaste stanowią atrakcyjniejsze źródło ciepła niż grunty suche, piaszczyste. Jeżeli dany producent nie podaje wielkości kolektora gruntowego i sposobu jego ułożenia, to obliczenia najlepiej wykonać dla warunków średniej wilgotności. Przyjmowanie założeń bardziej korzystnych może okazać się niewłaściwe, gdyż warunki wilgotnościowe gruntu zmieniają się dość dynamicznie. Kolektor gruntowy dobiera się dokładnie do mocy chłodniczej pompy ciepła w punkcie pracy S0/W35, z kilkunastoprocentowym przewymiarowaniem w górę. Podczas obliczania wielkości kolektora płaskiego lub spiralnego, korzysta się ze wskaźników odbioru ciepła z 1 m2 (np. grunt średniosuchy związany 20-25 W/m2), a dla sond pionowych z 1 mb sondy (np. podłoże kamieniste, łupek 50-55 W/mb). Kolektor gruntowy układa się na głębokości od 1,2 do 2 m. Natomiast głębokość sond pionowych wynosi zazwyczaj 30 m (głębiej wkraczamy w zakres pozwoleń na ruch górniczy), a maksymalnie może sięgać do 150 m. Odległości pomiędzy rurami uzależnione są od jej rodzaju i sposobu ułożenia. Kolektor gruntowy powinien być wykonany w układzie rozdzielaczowym ze studzienką zbiorczą.

Żródła: Artykuł z "Kalejdoskopu Budowlanego" 12/2001 Adam Zyzman, Artykuł z "Polskiego Instalatora" 06/2003 Artur Karczmarczyk