Pompy ciepła
Pompy ciepła przeżywają w wielu krajach prawdziwy rozkwit. W innych są już stałym elementem rynku urządzeń grzewczych. W jeszcze innych, jak na przykład w Szwecji gdzie stanowią 90% rynku, całkowicie go zdominowały. Ich popularność można wytłumaczyć zarówno dużą dojrzałością techniczną, niezawodnością działania i niskimi kosztami eksploatacji, jak i ich przyjazną dla środowiska pracą, opartą w dużej mierze na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii.
Pompy ciepła wykorzystują ciepło otoczenia, zakumulowane w powietrzu, ziemi lub wodzie, do ogrzewania budynków oraz zapewnienia ciepłej wody użytkowej. Ich różnorodność oraz możliwość indywidualngo dopasowania do konkretnych potrzeb sprawia, że znajdują one zastosowanie zarówno w domach nowobudowanych, jak i poddawanych termomodernizacji.
Pompy ciepła - zasada działania
Ciepło przepływa w naturalny sposób zawsze z miejsca o wyższej temperaturze w miejsce o niższej temperaturze. Pompy ciepła umożliwiają odwrócenie tego kierunku i wykorzystanie ich zarówno do celów grzewczych, jak i chłodniczych. Przykładem pompy ciepła, z którą spotyka się każdy na codzień, jest lodówka. "Wypompowuje" ona ciepło ze swojego wnętrza i oddaje je na zewnątrz, ogrzewając przy tym kuchnię. W podobny sposób działają pompy ciepła mające na celu ogrzanie pomieszczeń lub wody użytkowej. "Przepompowują" one zakumulowane w ziemi, powietrzu lub wodzie ciepło (najczęściej słoneczne) do ogrzewanych pomieszczeń.
Jak to się jednak dzieje, że są one w stanie zapewnić odpowiednio wysokie temperatury, wykorzystując źródła ciepła o niskiej temperaturze? Jest to możliwe dzięki prawu fizycznemu stanowiącemu, iż gazy, będąc w zamkniętym systemie (stała objętość), zwiększają swoją temperaturę wraz z rosnącym ciśnieniem (sprężanie) i na odwrót - przy zmniejszającym się ciśnieniu (rozprężanie), ich temperatura również maleje. Pompy ciepła wykorzystują tę właśnie zasadę. Składają się one najczęściej z czterech głównych elementów (schemat poniżej) pomiędzy którymi w zamkniętym systemie krąży substancja (tzw. czynnik roboczy) na zmianę w postaci gazowej i ciekłej.
Krążący pomiędzy poszczególnymi elementami czynnik roboczy podlega cyklicznym zmianom temperatury i ciśnienia (wartość tych parametrów zależy od rodzaju użytej substancji). W momencie, gdy znajduje się on przed parownikiem, osiąga swoją najniższą temperaturę i ciśnienie i jest w stanie ciekłym. Przepływając następnie przez parownik, poddawany jest działaniu niskotemperaturowego ciepła z otoczenia, a ponieważ jego temperatura jest jeszcze niższa, podgrzewa się, pobierając ciepło i jednocześnie parując przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy. Jego ciśnienie nie podlega przy tym zmianie. W postaci gazowej przechodzi do sprężarki, w której następuje jego sprężenie i jednoczesny znaczny wzrost zarówno ciśnienia, jak i temperatury. Następną stacją jest skraplacz, czyli miejsce, w którym gorący czynnik roboczy oddaje wysokotemperaturowe ciepło np. systemowi grzewczemu, ochładza się przy tym i przechodzi z powrotem ze stanu gazowego w stan ciekły. W tej postaci trafia do ostatniego elementu, jakim jest zawór rozprężający. Podlega w nim gwałtownemu rozprężeniu, a przy tym gwałtownemu zmniejszeniu zarówno ciśnienia, jak i temperatury. W tym miejscu obieg się zamyka i czynnik roboczy powtórnie trafia do parownika, aby pobrać ciepło z otoczenia.
Pompy ciepła - rodzaje i podział
Pompy ciepła dzielone są zazwyczaj na podstawie dwóch głównych kryteriów: według sposobu podnoszenia ciśnienia i temperatury czynnika roboczego oraz według źródła ciepła niskotemperaturowego. Dwa główne typy pomp, wyróżnione ze względu na pierwsze kryterium, to sprężarkowe oraz sorbcyjne pompy ciepła. Te pierwsze (schemat powyżej), wykorzystujące sprężarki elektryczne, są zdecydowanie najczęściej stosowane i uważane za najbardziej dojrzałe technicznie. Drugie wykorzystują najczęściej gaz ziemny, a sprężarka elektryczna zastąpiona jest w nich sprężarką termiczną.
Drugie kryterium - źródło ciepła, dzieli pompy ciepła na wykorzystujące powietrze, grunt lub wodę. Każde ze źródeł ma swoje wady i zalety wpływające na koszty inwestycyjne, nakład pracy związany z instalacją pompy ciepła i na jej wydajność. Często wybór źródła zależny jest od warunków miejscowych i położenia budynku.
Najtańsze i najłatwiejsze w montażu są pompy ciepła wykorzystujące powietrze jako źródło ciepła. Niestety, ze względu na duże wahania temperatur, pompy te mają też najmniejszą wydajność i wymagają najczęściej wspomagania w postaci grzałki elektrycznej w okresach bardzo niskich temperatur powietrza.
Grunt jest dużo lepszym akumulatorem ciepła, a jego temperatura podlega mniejszym wahaniom. Na głębokości 2 metrów wynosi ona, w zależności od pory roku, średnio od 7 do 13°C. Gruntowe pompy ciepła mają dzięki temu lepszą wydajność i są najczęściej wybieranym wariantem przy budowie nowego domu. Najczęściej wykorzystywanymi ich wariantami są kolektory poziome, wkopane w ziemie na głębokości ok. 1,5 metra lub sondy pionowe, wiercone do głębokości przekraczających nawet 100 metrów. Niezamarzająca mieszanka glikolu i wody (tzw. solanka) przepływa przez wkopane w ziemię rury, ogrzewając się. Wpływając następnie do parownika, czyli tzw. wymiennika ciepła, oddaje tam pobrane ciepło czynnikowi roboczemu. Ilość ułożonych rur lub wierconych sond zależy w głównej mierze od warunków geologicznych oraz zapotrzebowania energetycznego, jakie ma pokryć pompa ciepła.
Najkorzystniejszym, ale i najbardziej wymagającym z wymienionych źródeł ciepła, jest woda gruntowa. Bardzo dobrze akumuluje ona ciepło i jednocześnie nie podlega dużym wahaniom temperatur, dzięki czemu pompy ciepła działajace woparciu o to źródło mają bardzo dużą wydajność. Chcąc wykorzystywać wodę gruntową należy pamiętać o spełnieniu szeregu wymagań; zarówno technicznych, jak i formalnych.
Efektywność pompy ciepła
Jednym ze wskaźników charakteryzujących pompy ciepła jest tzw. współczynnik efektywności. Mówi on, ile zużyto energii elektrycznej, napędzającej sprężarkę elektryczną w stosunku do całości oddanej energii grzewczej. Typowy współczynnik efektywności nowoczesnych pomp ciepła wynosi ok. 4 i mówi, że dostarczone systemowi grzewczemu ciepło składa się w trzech czwartych z ciepła pobranego bezpośrednio ze środowiska, a w jednej czwartej z energii elektrycznej, koniecznej do pracy sprężarki (w tym przypadku (3+1)/1 = 4).
Głównym parametrem wpływającym na efektywność pomp ciepła jest różnica temperatur między źródłem ciepła a systemem grzewczym. Im jest ona niższa, tym mniej energii elektrycznej potrzebnej jest na podniesienie temperatury czynnika roboczego do odpowiedniego poziomu i tym lepszy - większy, jest współczynnik efektywności. Ze względu na ten fakt najkorzystniejszymi dla pomp ciepła są powierzchniowe, niskotemperaturowe systemy grzewcze, takie jak ogrzewanie podłogowe lub ścienne. W przeciwieństwie do nich, konwencjonalne systemy ogrzewania z zastosowaniem kaloryferów potrzebują do zapewnienia takiego samego komfortu termicznego dużo wyższych temperatur.