Wszystko o pompach ciepła dla domu


Popularność pomp ciepła byłaby zdecydowanie większa nie tylko dzięki niższym kosztom zakupu i montażu, ale także dzięki większej wiedzy na ich temat potencjalnych użytkowników. Urządzenia te wciąż są postrzegane jako skomplikowane i wymagające do obsługi fachowej wiedzy, czy rzeczywiście tak jest?

Pompy ciepła to urządzenia, które są w stanie pobrać energię odnawialną i przekazać ją do budynku jednocześnie podnosząc w nim temperaturę. W przeciwieństwie do innych urządzeń grzewczych takich jak piec olejowy, elektryczny, czy gazowy pompy ciepła nie wytwarzają energii. One pobierają energię z otoczenia, czyli jedynie oddają to co pobrały. Dlatego właśnie nazwane są one pompami, a nie generatorami ciepła. Korzystają one przy tym z energii elektrycznej, lecz stanowi ona tylko pewien procent w ogólnym bilansie energii. Pompy ciepła za każdą pobraną jednostkę energii elektrycznej dostarczają od 3 do 5 jednostek energii cieplnej.
Stały wzrost cen tradycyjnych nośników energii – gazu, węgla i energii elektrycznej sprawia, że inwestorzy coraz częściej zastanawiają się nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł ciepła. Rośnie zatem popularność pomp ciepła, choć są to urządzenia wciąż drogie. Przeciętny użytkownik instalacji grzewczej przy wyborze źródła ciepła kieruje się często właśnie ceną, ale zwraca również uwagę na łatwość montażu, obsługi i serwisowania. Istotne są też koszty ogrzewania w czasie użytkowania budynku, które przy zastosowaniu pomp ciepła są zdecydowanie najniższe. Tymczasem, pompy ciepła wciąż postrzegane są jako skomplikowane, nowoczesne urządzenia wymagające do obsługi fachowej wiedzy. Potencjalnych nabywców nurtują liczne pytania np.: czy pompa ciepła faktycznie daje znaczące oszczędności kosztów eksploatacji domu, czy da radę ogrzać cały dom przy wyjątkowo silnych mrozach, czy może być jedynym źródłem ciepła dla domu, czy raczej powinno się ją traktować tylko jako dodatkowe źródło ogrzewania, czy jest niezawodna… Wreszcie dla wielu zagadką jest zasada działania pompy ciepła. Jak to jest możliwe, że można ogrzewać dom odbierając ciepło od gruntu czy wód gruntowych o temperaturze 10°C. Wszystko to decyduje o tym, że pompa ciepła, mimo że coraz popularniejsza, nie jest wciąż powszechna.

Zasada działania pompy ciepła

Zasada działania pompy ciepła, mimo że dla przeciętnego Kowalskiego zagadkowa, wcale nie jest bardzo skomplikowana. Poniżej najprostsze chyba wytłumaczenie, jak ciepło z zimnego przecież gruntu czy wody może ogrzać nam dom.
W wewnętrznym obwodzie pompy ciepła znajduje się czynnik chłodniczy, którym jest specjalna ciecz wrząca już w niskich temperaturach (poniżej -10°C). W wymienniku do którego dostarczana jest energia cieplna niskotemperaturowa (na przykład woda o temperaturze +10°C) odbywa się parowanie wspomnianego czynnika chłodniczego. Innymi słowy czynnik chłodniczy odbiera ciepło od wody i odparowuje. Następnie powstała para (mając już temperaturę ok. +3°C) jest zasysana przez elektrycznie napędzana sprężarkę. W sprężarce tej odbywa się wzrost ciśnienia. W raz ze wzrostem ciśnienia rośnie temperatura pary. Po opuszczeniu sprężarki para ma ciśnienie około 20 bar i temperaturę około +70°C. Para o tej temperaturze oddaje ciepło w drugim wymienniku do wody obiegu grzewczego. Ochładzając się para jednocześnie skrapla się i zamienia w ciecz. Dlatego pierwszy ze wspomnianych wymienników jest parownikiem (następuje w nim odparowanie czynnika chłodniczego) a drugi skraplaczem (następuje w nim ochłodzenie i skroplenie czynnika). Po skropleniu ciecz przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie następuje gwałtowny spadek ciśnienia czynnika. Przekazywany jest on ponownie do parownika, gdzie znów zaczyna parować i cykl w ten sposób się zamyka.

Współczynnik efektywności energetycznej COP

Pompa ciepła zatem transportuje energię z otoczenia. W tym procesie niezbędne jest doprowadzenie energii elektrycznej, która służy do napędu sprężarki i pomp obiegowych. Ta energia elektryczna jest też zamieniona na ciepło. Z jednego kW energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła możemy otrzymać ok. 4 kW energii cieplnej. Obrazuje to współczynnik efektywności energetycznej. Jest on 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. Sprawność ogrzewania pompą ciepła, określana współczynnikiem COP jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury ΔT między źródłem górnym (np. wodą w instalacji grzewczej) a źródłem dolnym (np. grunt czy wody gruntowe). Dlatego pompy ciepła rekomendowane są do niskotemperaturowych instalacji grzewczych. Wielkość współczynnika COP 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. 

Dolne źródła ciepła

Parametrami określającymi ilościowo dolne źródło ciepła są: zawartość ciepła, temperatura źródła i jej zmiany w czasie; natomiast od strony technicznej istotne są: możliwość ujęcia i pewność eksploatacji.

Wśród źródeł naturalnych można wymienić:

– Wody powierzchniowe; energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z wymiany ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym i gruntem. Wadą wód powierzchniowych jako dolnego źródła są problemy z poborem energii w okresach niskich temperatur, a także występowanie oblodzenia. Ze względu na zanieczyszczenie wód powierzchniowych wymagane jest stosowanie wymienników pośrednich i odpowiednich układów filtrujących. Zmniejsza efektywność energetyczną pomp ciepła i znacznie podnosi koszty inwestycyjne.
– Wody podziemne; stanowią oneźródło o stabilnej temperaturze i łatwej dostępności. Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika. Wadę stanowi wysoki inwestycyjny i eksploatacyjny ujęcia.
– Grunt; może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp ciepła o stosunkowo niewielkich wydajnościach cieplnych.
– Powietrze atmosferyczne; najtańsze, bo nie wymagające żadnych prac inwestycyjnych jest wykorzystanie powietrza jako dolnego źródła. Jest po prostu zasysane z zewnątrz lub wewnątrz budynku i po pobraniu z niego ciepła w parowniku, schłodzone jest odprowadzane kanałem odlotowym. Pobrane z powietrza ciepło może być przekazywane do wody krążącej w obiegu grzejnym podłogówki lub do powietrza wdmuchiwanego przez klimakonwektory. W naszym klimacie zastosowanie powietrza jako źródło dolne ciepła do ogrzewania domu jest mało efektywne. Największym mankamentem tego rozwiązania są sezonowe i pogodowe zmiany temperatury powietrza, przy czym najgorsze warunki są w zimie, kiedy pompa ciepła jest mocno eksploatowana, a jej sprawność spada w miarę obniżania się temperatury powietrza (dla T poniżej -10°C współczynnik COP wynosi zaledwie 2 ÷ 3). Powietrze atmosferyczne charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur zarówno w okresie dobowym, jak i w całym okresie grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują poważne problemy z oszranianiem urządzeń. Jako dolne źródło może też być wykorzystane powietrze wewnątrz domu (5 ÷ 20°C), ale dotyczy to ograniczonych zastosowań pompy ciepła wyłącznie do wytwarzania c.w.u. lub do klimatyzacji (w roli rekuperatora).
Dolne źródła ciepła stanowić może również odpadowe ciepło technologiczne i komunalne (np. chłodnie kominowe i wentylatorowe, układy wentylacyjne itp.).
Najcieplejszym i najbardziej stabilnym temperaturowo źródłem dolnym może być sztuczne źródło ciepła, takie jak ścieki, woda powrotna w systemach ciepłowniczych, inne ciecze, gazy lub powietrze ogrzewane w jakimś procesie technologicznym. Możliwości takich rozwiązań istnieją w przemyśle lub budownictwie komunalnym, natomiast bardzo rzadko zdarzają się w domach jednorodzinnych.
Pozostają nam zatem źródła naturalne (odnawialne) wymienione powyżej. Spośród tych najwyższą temperaturę ma woda gruntowa, ok. 10°C, niezależnie od głębokości i pory roku. Rozwiązanie z wodą gruntową jako dolne źródło jest więc bardzo korzystne pod względem sprawności (COP osiąga wartości 5÷6), ale wymaga sprawdzenia parametrów wody, której zanieczyszczenia mogą powodować korozję wymiennika ciepła lub powstawanie osadów.

Górne źródła ciepła

Górne źródło ciepła stanowi instalacja grzewcza. Parametry techniczne pomp ciepła ograniczają ich przydatność do następujących celów:

– ogrzewania podłogowego
– ogrzewania sufitowego
– ogrzewania grzejnikowego o obniżonych parametrach
– podgrzewania ciepłej wody użytkowej
– niskotemperaturowych procesów technologicznych

Nie jest to wcale mały obszar zastosowania. Ciepła woda użytkowa produkowana jest w każdym zakładzie przemysłowym i gospodarstwie domowym. Wskutek budowy dobrze izolowanych termicznie budynków temperatura obliczeniowa powierzchni grzejnych jest coraz niższa, co również może znaleźć odzwierciedlenie w coraz częstszym i chętniejszym stosowaniu pomp ciepła.

Ze względów ekonomicznych oraz strat wynikających z przesyłu ciepła, pompy ciepła winno się montować w pobliżu źródeł ciepła, zarówno dolnego jak i górnego.

Rodzaje pomp ciepła a rodzaje wymienników

W zależności od tego jakim dolnym źródłem ciepła dysponujemy, jakie ma być górne źródło ciepła, czyli instalacja do jakiej mamy przekazywać ciepło, jakie są nasze potrzeby i środki finansowe na inwestycję, mamy do wyboru kilka rodzajów pomp ciepła a co za tym idzie różne rodzaje wymienników.

Pompa ciepła grunt-woda

Pompy ciepła grunt – woda są konstruowane z wykorzystaniem gruntowego wymiennika ciepła poziomego lub pionowego.

Gruntowy wymiennik poziomy – kolektor poziomy

Kolektor poziomy jest budowany z rur polietylenowych PE odpornych na nacisk o średnicy jednego cala. Rury są układane w wykopanych rowach na głębokości 1,6-1,8 m (jest to uzależnione od strefy przemarzania gruntu). W rurach krąży solanka – płyn o niskiej temperaturze wrzenia. Przy założeniu, że do ogrzania domu potrzeba około 50 W/m2, kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 600 m2 dla domu o powierzchni ogrzewanych pomieszczeń ok. 150 m2, jeśli grunt jest suchy i piaszczysty). Rury kolektora są wypełnione roztworem wodnym glikolu. Dawniej stosowano roztwór wodny soli (solankę). Nazwa solankazwyczajowo jest dalej używana, choć może odnosić się do glikolu.
Podział rury kolektora przykładowej długości 500 m na pięć równoległych pętli długości 100 m ma na celu zmniejszenie oporów przepływu, aby pompa obiegowa wymuszająca przepływ glikolu/solanki nie musiała osiągać dużych mocy, zmniejszając tym samym efektywną sprawność systemu ogrzewania. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5 ÷ 0,8 m z jednego m˛ gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10 ÷ 40 W, w zależności od rodzaju gleby. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła (30 ÷ 40 W), niż piaszczysty, suchy (10 ÷ 20 W).

Odmianą poziomego wymiennika ciepła jest kolektor spiralny. Układa się je na takiej samej zasadzie jak wymiennik poziomy, z tym, że rura ma kształt spirali. Do ich zainstalowania potrzeba mniej miejsca niż na wymiennik poziomy, a prace montażowe są mniej kłopotliwe niż przy wymienniku poziomym. Rury tego wymiennika układane są spiralnie w wykopach o szerokości min. 80cm.odległość pomiędzy rowami nie może być mniejsza niż 3m.. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o szerokości do 0,8-1m i długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie niemal dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki.

Ciepło odbierane przez glikol z gruntu pochodzi głównie z promieni słonecznych. Nie ma więc sensu zakopywanie kolektora na głębokościach większych niż 1,8 m, gdzie słabo dochodzi ciepło słoneczne.
Dlatego bardzo ważna jest możliwość pełnej regeneracji cieplnej gruntu w lecie, przed następnym sezonem grzewczym. Nie wolno też utrudniać penetracji energii słonecznej przez np. zabetonowanie powierzchni gruntu nad kolektorem. Teren nad zakopanym kolektorem można zagospodarować – na przykład posadzić na nim rośliny albo zrobić plac zabaw dla dziecka. Nie można jednak stawiać nad kolektorem budynków, nawet tak niewielkich jak garaż czy szopa na narzędzia ogrodowe.
Warto pamiętać, że energia słoneczna przenika do gruntu głównie z wodą deszczową.
Brak możliwości pełnej regeneracji cieplnej gruntu przez lato to ryzyko obniżenia temperatury glikolu w zimie poniżej granicznej wartości dla danej pompy, co spowoduje wyłączenie się pompy. Dlatego lepiej przewymiarować kolektor poziomy, czyli zaprojektować go z pewnym zapasem mocy.

Zalety kolektora poziomego:
-mała zależność pogodowa
-prostota wykonania
-brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu
Wady kolektora poziomego:
-duży obszar zajmowanego terenu
-skrócony czas wegetacji roślin na terenie nad kolektorem
-duże opory hydrauliczne, większe koszty pompowania glikolu

Gruntowy wymiennik pionowy – kolektor pionowy

Gdy dysponujemy jedynie niewielkim lub zadrzewionym terenem, lepiej zastosować wymiennik pionowy. W wykonany w gruncie pionowy otwór o małej średnicy (studnię) wpuszcza się rurę kolektora. Do otrzymania 1 kW energii potrzebna jest studnia głębokości 12 do 25 m. Najczęściej do odwiertów głębokości 30 ÷ 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się sondy pionowe, czyli rury zgięte w kształcie litery U, w których krąży glikol. Ilość i długość sond głębinowych zależy od warunków geologicznych.
Kolektor pionowy, w porównaniu z kolektorem płaskim, ma same zalety:zajmuje niewielką powierzchnię działki, glikol ma stabilną temperaturę w ciągu całego roku (3 ÷ 7°C).
Jest tylko jedna wada – wysoka cena.

Zalety kolektora pionowego:
– brak zależności pogodowej
– wysoka efektywność
– mała dewastacja terenu
– niskie opory hydrauliczne, niskie koszty pompowania glikolu

Wady kolektora pionowego:
-potrzeba stosowania specjalistycznego sprzętu
-potrzeba zezwoleń wodno-prawnych dla kolektorów powyżej 30 m głębokości

Wodna pompa ciepła

Wodna pompy ciepła odbierają energię z wód głębinowych. W układzie dwóch lub więcej studni krąży woda. Zasysana jest w studni czerpalnej za pomocą pompy głębinowej, następnie doprowadzana jest do pompy ciepła, a stamtąd odprowadzana przez studnię zrzutową do wód gruntowych. Studnia czerpalna jest przeważnie jedna, ale studni zrzutowych może być kilka.
Głębokość studni w typowych warunkach geologicznych wynosi 6 – 30 m, a w praktyce nie przekracza 15 m. Spowodowane jest to zbyt wysokim kosztem podnoszenia wody z głębokości większej niż 15 m. Należy pamiętać o tym, że na wykonanie studni głębszej niż 30 m potrzebne jest zezwolenie wodno – prawne.
Aby nie dopuścić do zmieszania się wody chłodnej z wodą czerpalną, odległość między studnią czerpalną i studnią zrzutową powinno wynosić minimum 15m.
System woda – woda jest najtańszym rozwiązaniem, jednak nie zawsze warunki geologiczne są korzystne dla tego systemu.

Zalety:
– niskie opory hydrauliczne, a więc niskie koszty pompowania glikolu
– niskie koszty dolnego źródła przy istniejących zasobach wodnych
– niska zależność pogodowa
– mała dewastacja terenu
– wszystkim wyższy niż w układzie z gruntową pompą ciepła współczynnik efektywności. Jego wartość przekracza 4, gdyż temperatura wody głębinowej jest zawsze wyższa niż gruntu na głębokości 1 m i nie spada poniżej 5-8°C.

Wady:
– wysokie wymagania co do jakości wody (żelazo, mangan, twardość wody)
– wysokie koszty wykonania studni
– ograniczony czas eksploatacji studni czerpalnej i zrzutowej (15-20 lat)
– konieczne jest przeprowadzenie badań wydajności studni czerpalnej oraz jakości wody gruntowej
– gdy głębokość studni przekracza ustalone wartości – 30 m, trzeba też uzyskać pozwolenie wodno-prawne
– jeśli woda głębinowa jest agresywna chemicznie (co ustalane jest na podstawie analizy chemicznej), może być potrzebny odpowiedni układ filtrów. A to zdecydowanie podnosi koszty inwestycji.

Pompa powietrze-woda

Pompy ciepła typu powietrze – woda są konstruowane z wykorzystaniem powietrza atmosferycznego. Takie rozwiązanie techniczne przynosi najlepsze efekty, gdy wykorzystuje się je do podgrzania lub chłodzenie powietrza wentylacyjnego. W tym układzie należy się liczyć z koniecznością zastosowania dodatkowego źródła ciepła, ponieważ pompa ciepła typu powietrze – woda pracuje efektywnie do temperatury zewnętrznej -5ºC.

Zalety:
– szybka instalacja
– niskie koszty w porównaniu z innymi pompami
– ogólna i niemal nieograniczona dostępność dolnego źródła
Wady:
– wysoka zależność pogodowa

Czy pompa ciepła się opłaca?

Na efektywność ekonomiczną stosowania pomp ciepła wpływ maja głównie dwa czynniki: z jednej strony efektywność energetyczna i cena zakupu energii napędowej, z drugiej strony koszty inwestycyjne.
Efektywność energetyczna pomp ciepła, zależna jest przede wszystkim od różnicy temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła i jest tym wyższa, im o mniejszą jest ta różnica. Mimo, że pompy ciepła są co raz częściej proponowane jako alternatywa dla tradycyjnych źródeł centralnego ogrzewania, to trzeba pamiętać, że tak naprawdę to do tego celu są urządzeniami niekoherentnymi. Przecież im niższe temperatury zewnętrzne to z reguły niższa temperatura w dolnym źródle ciepła, a wyższa wymagana temperatura w instalacji odbiorczej – pociąga to za sobą spadek efektywności pompy właśnie wtedy, gdy zużycie ciepła znacznie wzrasta.
Nakłady inwestycyjne są bardzo zróżnicowane. Zależą przede wszystkim od rodzaju dolnego źródła ciepła i sposobu jego ujęcia. Dla instalacji o mniejszych mocach koszt wykonania ujęcia dolnego źródła nierzadko przewyższa koszt zakupu samej pompy ciepła i staje się wtedy główną pozycją w koszcie całej inwestycji.
Koszty eksploatacji pomp ciepła są w zasadzie pomijalne. Sprężarki pomp ciepła są najczęściej zasilane silnikami elektrycznymi i stanowią z nimi hermetycznie zamkniętą całość. Zwarta budowa pompy ciepła oraz wyposażenie jej w sterownik programowalny powoduje, że nie wymaga ona żadnej obsługi oraz przeglądów i serwisu. Koszt eksploatacji ograniczony jest do kosztu zakupu energii elektrycznej. Kłopoty mogą się pojawić jeśli instalacja pompy ciepła przebiegłą niefachowo i pojawią się nieszczelności. np. w przypadku zastosowanie połączeń gwintowych. Instalacja z połączeniami gwintowanymi może wprawdzie przy odrobinie szczęścia być szczelna, jednak w prawidłowo wykonanych instalacjach nie można liczyć na szczęśliwy zbieg okoliczności. ( skoro jesteśmy już przy temacie nieszczelność, to jeszcze jedna uwaga: ubytków mieszaniny w kolektorze nie wolno uzupełniać wodą. W razie wystąpienia nieszczelności i stwierdzenia spadku ciśnienia statycznego w kolektorze nie wolno uzupełniać ubytków mieszaniny wody z glikolem czystą wodą. Możne to doprowadzić do zmniejszenia stężenia glikolu, a w konsekwencji – w przypadku obniżenia się temperatury zewnętrznej – do zamarznięcia czynnika wewnątrz kolektora i jego zniszczenia).
Podejmując decyzję o zastosowaniu pomp ciepła jak źródła ciepłą dla domu należy bardzo starannie przeanalizować celowość takiej inwestycji, a w szczególności porównać z innymi możliwymi do zastosowania źródłami ciepła.
Nie można też zapominać o uwzględnieniu różnicy kosztów pomiędzy wykonaniem instalacji odbiorczej dostosowanej do tradycyjnych źródeł ciepła, a wykonaniem instalacji niskoparametrowej współpracującej z pompami ciepła, która wymaga większych.(KM)

Opracowanie: www.ogrzewnictwo.plwww.klimatyzacja.pl
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą autora.

fot.: sxc.hu

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here