Jak to działa?

Historia pomp ciepła

Za pioniera w dziedzinie pomp ciepła można uznać Williama Thomsona (Lord Kelvin), który tworzył w połowie XIX wieku. Pierwsza odnotowana taka instalacja powstała w 1928 roku i była oparta na chłodniczym układzie sprężarkowym przy wykorzystaniu amoniaku jako czynnika chłodzącego. W latach trzydziestych postęp techniczny pozwolił na pierwsze zastosowanie pomp ciepła na skalę użytkową. Miało to miejsce w Zurychu wykorzystując rozwiązania sprowadzone ze Stanów Zjednoczonych. Cała instalacją miała moc 175 kilowatów i była wykorzystywana do ogrzewania ratusza. Przy stale zwiększającym się udziale takich instalacji w rynku budowlanym w połowie lat osiemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych odnotowano, iż ponad 30% nowo budowanych budynków mieszkalnych była wyposażona w pompy ciepła. Jednocześnie stały się bardzo popularne jako samodzielne urządzenia ogrzewające w Japonii, Francji, Niemczech oraz krajach skandynawskich. Przełom lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych przynosi światu spadek cen ropy naftowej co skutecznie wyhamowuje dalszy postęp w kierunku osiągnięcia wyższych sprawności pomp ciepła. W Szwecji w Lund, w 1983 roku uruchomiono pompę ciepła o mocy 13 MW, której zadaniem jest dostarczanie ciepła do miejskiej sieci ciepłowniczej. Ilość energii wytwarzana rocznie przez powyższe rozwiązanie pozwala na zaoszczędzenie rocznie prawie 9tyś metrów sześciennych oleju opałowego. W tym samym czasie uruchomiono w Malmö pompę odzyskującą ciepło z oczyszczalni ścieków. Pompa ta ma moc 40MW i roczna produkcja energii cieplnej jest na poziomie 310 tyś MWh. Daje to średnią roczną moc na poziomie 35,4 MW. W Sztokholmie pompa ciepła zasilana wodami Morza Bałtyckiego ogrzewa 100tyś mieszkań dostarczając mocy 100MW. Przeliczając to na olej opałowy daje nam to oszczędności rzędu 50-60 tyś metrów sześciennych rocznie oraz trudne do określenia zmniejszenie zanieczyszczeń środowiska naturalnego.

Podział pomp ciepła

Podział pomp ciepła ze względu na rodzaj źródła dolnego:

• solanka/woda
• woda/woda
• powietrze/woda

Solanka/Woda

W pompach solanka/woda określenie solanka donosi się do glikolu. W tego typu rozwiązania możemy wykorzystywać kolektory gruntowe poziome i pionowe.

Kolektor gruntowy poziomy – do jego wykonania wykorzystujemy rury PE, które układamy poziomo na głębokości 1.2m-1.5m, utrzymując jednocześnie rozstaw pomiędzy poszczególnymi nitkami 0.6m-1.0m. Roztwór glikolu krążący w rurach przejmuje ciepło z gruntu transportując je do parownika, gdzie następnie jest ono odbierane. W zależności od rodzaju gruntu, a w szczególności od jego wilgotności, z jednego metra bieżącego rury można uzyskać 10W-40W. Rys. 1 ukazuje rozłożenie kolektora gruntowego poziomego.

Kolektor gruntowy pionowy – podobnie jak poprzednio wykonuje się go z rury PE, które zostają umieszczone w odwiertach i połączone na dole kształtką typu „U”. W sytuacji gdy wykonujemy kilka odwiertów, ich połączenia są prowadzone na głębokości 1.4m-1.5m. Same odwierty łączymy szeregowo przy utrzymaniu odległości 5m pomiędzy nimi. Uzyskiwane głębokości są zależne od indywidualnego charakteru każdej instalacji i waha się w przedziale 30m – 150m. Wydajność energetyczna odwiertu szacuje się od 20W do 80W i zależna jest od rodzaju gruntu. Kolektor pionowy zajmuje znacznie mniej miejsca niż rozwiązanie poziomego ułożeni, jednakże koszty wykonania są znacznie wyższe wraz z potrzebą uzyskania pozwolenia na odwiert. Rys. 2 przedstawia kolektor gruntowy pionowy.

Woda/woda

Aby realizować układ woda/woda potrzebna są dwie studnie wód gruntowych. Jako zaletę tegoż rozwiązania można zaliczyć, iż roczna amplituda wahań temperatur jest nieznaczna. Takie rozwiązanie składa się z pierwszej studni zwanej zasilającą i drugą zwanej chłonną. Dla prawidłowego funkcjonowania należy zachować minimalną odległość 15m między nimi. Woda gruntowa ze studni zasilającej jest pobierana do parownika pompy ciepła gdzie następuje odebrana jest odpowiednia ilość ciepła po czym wychłodzona woda odprowadzana jest do studni chłonnej. Dla optymalnej pracy układu szacowana minimalna wydajność odwiertu powinna wynosić 1.5m3/h – 2.0m3/h. Stosując takie rozwiązanie trzeba się liczyć ze zwiększonymi kosztami w przypadku głęboko położonego lustra wody co pociąga za sobą stosowanie pomp głębinowych jak również wykonanie głębokich odwiertów. Przy pobieraniu wody powodujemy jej natlenienie, co powoduje wytrącanie się żelaza w źródle. Właśnie to zjawisko wraz z różnymi innymi zanieczyszczeniami zmusza użytkownika do stosowania wymienników pośrednich i filtrów. Wszystko to przekłada się na rachunek ekonomiczny wykonania i użytkowania tegoż rozwiązania. Istotną rzeczą jest fakt, iż żywotność instalacji szacuje się na 15 – 20 lat, wraz z możliwością spadku wydajności studni. W tej sytuacji zmuszeni będziemy do wywiercenia nowej lub pogłębienie istniejącej.

Powietrze/Woda

Korzystając z powietrza jako nośnika ciepła uzyskujemy wiele zalet. Przy takich rozwiązaniach nie potrzebujemy dodatkowych pozwoleń oraz koszty inwestycyjne są niewielkie. Miejsce lokalizacji pompy powietrznej uwarunkowane jest kilkoma czynnikami. Nie może być zlokalizowana w niecce lub obszarze osłoniętym, musi być to przestrzeń przewiewna. Gdy pompa ma stać na teranie pochyłym, to należy ją tak umieścić, aby wyrzut powietrza był w kierunku spadku terenu. Przewód odprowadzający skropliny z parownika pompy ciepła, należy zabezpieczyć przed zamarzaniem. Przy projektowaniu instalacji zasilanej pompą powietrzną, należy pamiętać, że taki system wymaga dodatkowego źródła szczytowego lub wspomagającego, co prowadzi do znacznego podwyższenia kosztów inwestycyjnych.

Pompa ciepła - zasada działania

Przy funkcjonowaniu pomp ciepła wykorzystuje się energię cieplną zgromadzoną w gruncie, powietrzu lub w wodzie, jednakże tego typu zasoby nie mają wystarczająco wysokiej temperatury aby bezpośrednio ogrzewać budynki. Tak więc pompa ciepła jest urządzeniem, które odbiera to ciepło i podwyższa do temperatury umożliwiającej ogrzanie budynków. Transport ciepła od niższej do wyższej temperatury odbywa się zgodnie z szeregiem przemian termodynamicznych czynnika roboczego będących odzwierciedleniem idealnej pracy urządzenia chłodniczego. Zbiór tych, że przemian nazywamy obiegiem Lindego. Czynnik roboczy (freon, amoniak, sprężony CO2), który to stanowi nośnik energii cieplnej pobranej ze źródła, przekazana jest do parownika gdzie pod wpływem wzrostu temperatury następuje odparowanie czynnika roboczego. Kolejnym etapem jest zassanie czynnika już w postaci gazowej o parametrach temperatury-5 oC - 5 oC i ciśnieniu 3-6 bar do sprężarki gdzie uzyskujemy na wyjściu temperaturę około 90 oC i ciśnienie około 25 bar. Tak uzyskane pary czynnika roboczego zostają przegrzane a następnie skroplone oddając tym samym około 60 oC wodzie lub powietrzu wykorzystywanemu do ogrzewania pomieszczeń. Cały proces kończy się etapem rozprężenia w którym to następuje spadek ciśnienia skąd czynnik trafia ponownie do parownika rozpoczynając powtórnie proces. Bilans energetyczny funkcjonowania pompy ciepła składa się z ciepła odebranego ze źródła dolnego i energii elektrycznej wykorzystywanej do jego transportu od temperatury –5 oC – 5 oC do około 90 oC. Ciepło odebrane w wyniku przepływu czynnika w źródle dolnym stanowi nasze korzyści, natomiast energia elektryczna włożona w transport stanowi nasze straty. I tak stosunek ilości ciepła wydzielonego do ilości energii elektrycznej włożonej określa nam współczynnik efektywności COP. Uzyskując wysokie wartości współczynnika mówimy wtedy o bardziej ekonomicznej pracy naszej pompy ciepła. Na tą wielkość ma również wpływ konstrukcja pompy ciepła, jak również różnica między temperaturą dolnego i górnego źródła, dlatego pompa ciepła najefektowniej pracuje przy niskoparametrowych źródłach ciepła np. ogrzewanie ścienne, ogrzewanie podłogowe. Między innymi z tego powodu pompa ciepła jest bardzo przyjazna dla środowiska naturalnego. Trzeba również dodać, że jest jednocześnie bardziej ekonomiczna niż tradycyjne. stosowane dotychczas, systemy grzewcze

Rys. 3 ukazuje poszczególne etapy przepływu ciepła na przykładzie pompy ciepła GEJZER typu SOLANKA/WODA

Zasada działania pompy ciepła, opisana etapami., jest następująca:

• System źródła ciepła. Przewód wypełniony płynem niezamarzającym jest zatopiony w zbiorniku wodnym zakopany w gruncie lub połączony z zewnętrznym systemem wentylacyjnym. Płyn ten przepływając pobiera ciepło z otaczającego go środowiska a jego temperatura wzrasta w czasie cyrkulacji o kila stopni. Cyrkulacja odbywa się poprzez środowisko z którego pobieramy ciepło i poprzez parownik w którym ciepło to jest odbierane. Przepływ płynu jest wymuszony działaniem pompy obiegowej.


• System chłodniczy.

• Podgrzany płyn niezamarzający przepływając przez parownik pompy ciepła przekazuje zgromadzoną w nim energię do czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy jest podgrzewany i następuje jego odparowanie czyli przejście w stan gazowy. Płyn niezamarzający zostaje natomiast schłodzony i przetłoczony powrotnie do systemu źródła ciepła - jak opisano w punkcie 1.
• Pary czynnika chłodniczego są zasysane przez sprężarkę. Jej praca powoduje podwyższenie ciśnienia i temperatury tego czynnika.
• Gorące pary czynnika chłodniczego zostają wtłoczone do skraplacza gdzie następuje przekazanie ciepła do przepływającej wody systemu grzewczego. Woda zostaje podgrzana a czynnik chłodniczy oziębiony. Przy panującym w skraplaczu ciśnieniu, czynnik chłodniczy na skutek obniżenia jego temperatury zostaje skroplony, czyli przechodzi w stan cieczy.
• Ciekły czynnik chłodniczy przepływa do zaworu rozprężnego. Tutaj następuje gwałtowne obniżenie jego ciśnienia i temperatury. Jest to proces odwrotny do tego jaki nastąpił w sprężarce. Czynnik w postaci rozpylonej przedostaje się do parownika, gdzie następuje jego podgrzanie opisane w punkcie A.