Dzięki Bogu, dla ochrony środowiska, coraz bardziej popularne stają się pompy ciepła jako źródło ogrzewania. Mają one tyle samo zwolenników co przeciwników, choć moim osobistym zdaniem coraz więcej ludzi jest w tej pierwszej grupie. Pompa ciepła to nie tylko ochrona środowiska, ale także zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, ale po kolei.
Co to takiego ta pompa ciepła?
Pompa ciepła to ogólne określenie produktu i jak zawsze, diabeł tkwi w szczegółach 😊
Tak więc, ze względu na źródło pozyskiwania ciepła/zimna (dolne źródło) możemy wyróżnić trzy rodzaje:
– powietrzną – ciepło pobierane jest z powietrza – A;
– gruntową – ciepło pobierane jest z gleby – C1 i C2;
– wodną – ciepło pobierane z wód gruntowych – B.
Dolne, a górne źródło ciepła…
W obiegu pompy ciepła wyróżnić możemy dwa źródła ciepła – dolne i górne. Które jest które i za co odpowiedzialne? Już wyjaśniam. Dolne źródło czy ośrodek, z którego pompa ciepła będzie pozyskiwała energię (powietrze, grunt, woda), natomiast górne źródło to otoczenie, do którego pozyskana energia będzie oddawana. Prościej mówiąc energia z np. powietrza będzie w szeregu wielu procesów fizyczno-chemiczno-mechanicznych przekonwertowana na ciepełko w Waszym domu.
Teraz trochę fachowych pojęć i terminów.
Pompa ciepła to takie cudo, które przy pomocy energii elektrycznej, w wyniku wykonywania pracy w obiegu termodynamicznym, pobiera ciepło z otoczenia – anergia (ciepło nieużyteczne w stosunku do temperatury otoczenia) i wykorzystuje go na wyższym poziomie temperatury do ogrzewania, przy czym ilość ciepła jest wielokrotnością równoważnika cieplnego wykonanej pracy.
Na przykład za pomocą pompy ciepła napędzanej elektrycznie można uzyskać na każdy [kW] mocy silnika dostawę ciepła od 3 do 5 [kW].
Praca pompy ciepła porównywana jest bardzo często do odwróconej pracy chłodziarki i nie bez przyczyny. Różnica polega na tym, iż w tym przypadku nie chłodzenie parownika, a grzanie skraplacza jest tą pożądana mocą użytkową.
Właściwie pojęcie chłodziarka nie jest poprawne, gdyż w sensie fizycznym pojęcie „zimna” nie istnieje, a co za tym idzie nie może być wytwarzane przez żadne urządzenie. W fizyce ciepło określa się jako stan ruchu cząsteczek materii, który ustaje dopiero w temperaturze zera bezwzględnego, czyli w T = 0 K lub t = -273,15 ⁰C. W takim stanie (T = 0 K) każda materia staje się ciałem stałym, natomiast w temperaturze wyższej istnieje już ciepło. Aby chłodzić, należy odebrać istniejącą energię cieplną w miejscu, które ma zostać schłodzone. W przypadku grzania jest tak samo, tylko że odwrotnie 😊 Jak wiadomo, nic w przyrodzie nie ginie, więc odebrane ciepło/zimno musi zostać przekazane do otoczenia – czynnika chłodniczego o odpowiednio wyższej/niższej temperaturze. W myśl drugiej zasady termodynamiki (tej o kierunkach przebiegu procesów naturalnych i o tym, że proces przemiany pracy w ciepło przebiega całkowicie, a odwrotnie już tylko częściowo) może być definiowana w następujący sposób:
– ciepło nigdy nie może w sposób samoistny przechodzić z otoczenia o niższej temperaturze do otoczenia o wyższej temperaturze (to stwierdził Pan R. Clausius w 1850 r.);
– nie jest możliwe stworzenie silnika, który ze zbiornika z ciepłem mógłby odprowadzając ciepło przekształcić je w pracę, bez jakichkolwiek zmian materiału biorącego udział w procesie;
– do pozyskania pracy z ciepła wymagana jest zawsze różnica temperatur, lecz tylko część ciepła może być zamieniona w pracę;
– z anergii (np. entalpia otoczenia) nie da się pozyskać egzergii (technicznie wykorzystywana praca).
Maszyny lub urządzenia, w których zachodzą w/w procesy nazywamy w zależności od zamierzonego skutku działania, urządzeniem chłodniczym lub pompą ciepła.
Urządzenie chłodnicze, gdy zamierzonym skutkiem działania jest odprowadzenie ciepła.
Pompą nazywamy urządzenie, gdy jej zamierzonym skutkiem działania jest otrzymanie ciepła Qc przy wyższej temperaturze, lub wtedy, gdy oba te strumienie ciepła są całkowicie lub częściowo zamierzonym skutkiem działania.
Wszystkie te przemiany termodynamiczne zobrazowane są dzięki tęgiej głowie Pana Nicolas’a Léonard’a Sadi Carnot’a i nazywane są (od jego nazwiska) obiegiem Carnot’a.
Dość tej fizyki, choć Pan profesor od chłodnictwa byłby ze mnie dumny ;P
Elementy konstrukcyjne.
Sprężarka – jest to urządzenie, które spręża (ściska) czynnik roboczy krążący w obiegu pompy ciepła. Sprężenie czynnika roboczego w postaci pary powoduje wzrost jego ciśnienia i temperatury. Sprężarka jest urządzeniem, za pośrednictwem którego możliwe jest przenoszenie energii z dolnego do górnego źródła. Jej zadaniem jest zasysanie pary czynnika roboczego i sprężanie jej do ciśnienia skraplania.
Parownik – jest to wymiennik ciepła, w którym zachodzi proces absorpcji ciepła z najbliższego otoczenia, jeżeli przez parownik przepuścimy czynnik roboczy krążący w obiegu dolnego źródła to parownik odbierze ciepło zawarte w obiegu dolnego źródła.
Skraplacz – jest to wymiennik ciepła, w którym zachodzi proces skraplania czynnika roboczego krążącego w obiegu pompy ciepła; podczas zmiany stanu skupienia z pary na ciecz następuje wzrost objętości, co skutkuje wzrostem temperatury przemiany, przy wzroście ciśnienia; dzięki temu procesowi w skraplaczu otrzymujemy wysoką temperaturę, którą możemy przekazać do instalacji ogrzewania budynku, przekazanie odbywa się pośrednio na wymienniku. Jeżeli skroplony czynnik roboczy zetkniemy z wodą krążącą w obiegu instalacji grzewczej nastąpi przekazanie energii cielnej.
Zawór rozprężny – jego zadaniem jest rozprężenie czynnika roboczego w obiegu pompy ciepła ze stanu ciekłego do ciśnienia parowania. Zawór rozprężny ma dwie kluczowe funkcje: dławienie czynnika roboczego, aby umożliwić sprężarce uzyskanie wymaganego ciśnienia roboczego w skraplaczu (wymaganego przyrostu temperatury) oraz rozprężenie, kiedy zachodzi konieczność powtórzenia obiegu termodynamicznego.
Czynnik roboczy – jest to czynnik chłodniczy krążący w obiegu zamkniętym pompy ciepła, który zmienia stan skupienia w warunkach różnej temperatury i ciśnienia. Czynnik roboczy nazywany jest również czynnikiem termodynamicznym. Bez odpowiedniego czynnika roboczego przekazywanie energii ze źródła dolnego do źródła górnego byłoby niemożliwe. Obok sprężarki, skraplacza, parownika i zaworu rozprężnego – czynnik roboczy jest kolejnym kluczowym elementem, który pośredniczy w przekazywaniu ciepła. Powinien charakteryzować się niską temperaturą wrzenia, stabilnymi właściwościami w całym zakresie przemian termodynamicznych oraz wysokim współczynnikiem przejmowania ciepła; np. czynnik roboczy R407C ma normalną temperaturę wrzenia – 43,3⁰C.
Ponieważ urządzenia chłodnicze i pompa ciepła mają taką samą konstrukcję, również elementy konstrukcyjne są takie same. Jest jednak takie coś, co pozwala na zróżnicowanie jednego urządzenia od drugiego, a mianowicie czterodrogowy zawór sterujący. Dzięki temu ustrojstwu, obieg czynnika chłodniczego może być odwrócony. Pewnie nic Wam to nie mówi, ale spokojnie, też bym zrobiła wielkie oczy nie znając zasady działania 😊
Zatem tłumaczę.
Z normalnego klimatyzatora, za pomocą elektromagnetycznego uruchomienia w/w zaworu powstaje nam urządzenie grzewcze zwane pompą ciepła z powietrzem zewnętrznym jako źródłem ciepła.
Pam, pam, bum, pssss… Ot cała filozofia.
Ale żeby nie było zbyt pięknie, kolorowo i cukierkowo, dociekliwi zaczną drążyć temat i zastanawiać się w jakim celu zawór czterodrogowy, a może trójdrogowy by wystarczył…
Najpierw więc jeszcze troszkę informacji.
Zacznijmy od zobrazowania, dobra to metoda, funkcji zaworu czterodrogowego.
Wilgoć wykraplająca się z powietrza zewnętrznego przy temperaturach parownika poniżej 0⁰C, osadza się w formie szronu lub lodu na powierzchni parownika i pogarsza przepływ ciepła, jak również przepływ powietrza. Aby pozbyć się od czasu do czasu warstwy szronu/lodu, za pomocą rzeczonego zaworu parownik jest przekształcany na skraplacz, a skraplacz na parownik, przez taki okres czasu, aż urządzenie „rozmrozi” się. Niestety ciepełko do tego musi się skądś wziąć, tak więc, ilość ciepła konieczna do odszraniania jest pobierana z naszego ogrzewania.
Skraplacz, parownik… obrazek poniżej 😊
Pompa pompie nie równa, czyli źródło ciepła.
Wybór korzystnego źródła ciepła ma duże znaczenie dla ekonomiczności pompy ciepła. Zazwyczaj wykorzystywanymi źródłami ciepła, jak wspominałam na samym początku, są: powietrze, grunt, woda. Parę mądrych słów o każdym z nich:
– Powietrze – źródło ogólnodostępne, bezpłatne (jeszcze), do jego wykorzystania nie potrzeba nam żadnych zezwoleń (jeszcze). Jest jednak tym zimniejsze im większe jest zapotrzebowanie na ciepełko.
Teraz musicie zaufać mi na słowo, gdyż nie chcąc zarzucać Was znów terminami, wykresami i wzorami związanymi z termodynamiką sama przeprowadziłam analizę, a wnioski prezentuję poniżej.
Zatem więc…
Przy stałej temperaturze skraplania np. 50⁰C i temperaturze parowania t0 tylko o 5K poniżej temperatury powietrza zewnętrznego tA przy temperaturze – 15⁰C sprężarka musiałaby być na każdy kilowat mocy grzewczej 2,5 razy większa niż przy temperaturze -5⁰C, natomiast dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej -15⁰C w porównaniu do +5⁰C potrzebowalibyśmy sprężarkę 5,6 razy większą. Związane z tym bardzo wysokie koszty inwestycyjne i odpowiednio wysoka opłata za prąd są w opozycji do stosunkowo krótkiego okresu użytkowania. Temperatury zewnętrzne poniżej -5⁰C panują w naszej strefie klimatycznej nad wyraz krótko, dlatego też, w tym przypadku, słabe uzasadnienie znajduje projektowanie pompy ciepła na okres maksymalnego zapotrzebowania na ciepło w najzimniejszym dniu. Zamiast tego należy zastanowić się nad słusznością zaprojektowania ogrzewania biwalentnego, ale to odrębny temat.
Ponadto powietrze odprowadzane z instalacji wentylacji (wyrzutnia) może być dodatkowym źródłem ciepła. Wystarczy strumień usuwanego powietrza skierować na wymiennik pompy.
– Grunt – jest źródłem zasobnikiem ciepła, który absorbuje na swojej powierzchni ciepło z promieniowania słonecznego i przyjmuje w wyniku konwekcji i poprzez deszcz energię, która może później zostać pobrana za pomocą pompy ciepła poprzez obieg nośnika ciepła. Dostawa ciepła odbywa się w dużej mierze z góry i tylko w niewielkim stopniu z głębi gruntu (0,2 – 0,5 W/m2).
Pobór ciepła odbywa się za pomocą systemu rur umieszczonych w gruncie (kolektor gruntowy). Oprócz ciepła jawnego, z gruntu pozyskuje się również poprzez kondensację wilgoci ciepło utajnione. Skraplająca się para wodna nasyca grunt, przez co wzrasta jej przewodnictwo cieplne. Im większa zawartość wody w gruncie, tym wyższa temperatura gruntu. Gleby gliniaste są dużo lepsze pod tym względem, niż gleby żwirowe lub piaszczyste, gdyż lepiej magazynują wodę. Zatem wniosek nasuwa się sam, że im bardziej wilgotna gleba, tym lepiej.
– Woda – temperatura wody gruntowej w przedziale roku wynosi od 8 do 10 ⁰C (w zimnie na dnie zbiornika temperatura osiąga 4⁰C), w związku z tym bardzo dobrze nadaje się do zaprojektowania wodnej pompy ciepła i to na maksymalną wydajność grzewczą w najzimniejszym dniu. Wydajność grzewcza na 1m3 wody gruntowej wynosi od 6 do 7 kW. Woda powierzchniowa na ogół działa bardzo korozyjnie i jest bardzo zanieczyszczona, dlatego trzeba zwrócić szczególną uwagę na wytrzymałość materiałową.
Instalacja ogrzewania w budynku
Najlepszym do współpracy z pompą ciepła jest ogrzewanie podłogowe, które na zasilaniu potrzebuje maksymalnie 50°C. Dobierając odpowiednią pompę ciepła może ona współpracować również z grzejnikami, nawet zaprojektowanymi na stosunkowo wysoką temperaturę na zasilaniu.
Kotły na paliwo stałe dobrze pracują przy wyższych temperaturach wody grzewczej. Jednak z doświadczenia użytkowników temperaturę wody ustawianą na kotle podczas silnych mrozów, często szacują na 50 – 60°C. I takie temperatury w zupełności wystarczą również dla pompy ciepła. Tak wiec, nawet w instalacji z grzejnikami pompa ciepła efektywnie ogrzeje dom przy temperaturach od +16°C do ok. -5 lub -10°C. A, takich dni w okresie grzewczym jest najwięcej, bo ok. 95%.
A co z domami, w których jest już kocioł grzewczy?
Żaden problem. Pompa ciepła powietrze-woda łatwo może zastąpić stary kocioł grzewczy lub bez problemu można ją dołączyć do obecnego kotła, bez konieczności przerabiania istniejącej już instalacji grzewczej.
Dodatkowym elementem wyposażenia kotłowni może być zasobnik buforowy wody grzewczej o pojemności ok. 200 litrów dla optymalizacji pracy pompy ciepła. Szczególnie w instalacjach z grzejnikami będzie potrzebny dla zwiększenia pojemności wodnej instalacji i mniejszej częstotliwości załączania pompy ciepła. Chociaż, stosując pompę ciepła o modulowanej mocy grzewczej, w niektórych przypadkach można zrezygnować z zasobnika.
Rozwiązanie połączenia kotła gazowego lub olejowego z pompą ciepła prezentuję poniżej.
Chłodzenie pompą ciepła.
Oprócz ogrzewania, pompa ciepła powietrze-woda może również chłodzić pomieszczenia w budynku. Przy chłodzeniu pompa ciepła działa w odwrócony sposób – parownik pełni wówczas funkcję skraplacza, a skraplacz parownika. Czyli, obieg czynnika chłodniczego w pompie ciepła zostaje odwrócony, tym samym zmienia się kierunek przepływu ciepła.
Wykorzystanie instalacji ogrzewania podłogowego jest najprostszym sposobem chłodzenia pomieszczeń w budynku jednorodzinnym – w zimne dni ogrzewa dom i chłodzi w upalne. Chłodzić pomieszczenia można również przez, np: instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, nagrzewnice czy konwektory wentylatorowe. Natomiast, nie nadają się do chłodzenia tradycyjne grzejniki. Ze względu na małą różnicę temperatur między wodą chłodzącą a powietrzem w pomieszczeniu występuje jedynie znikoma wymiana ciepła w grzejniku. Dodatkowo, tradycyjne grzejniki są wrażliwe na kondensat.
Chłodzenie pompami ciepła jest godną uwagi alternatywą dla tradycyjnych układów klimatyzacji. Podobnie jak przy ogrzewaniu budynku, może zapewnić tanie i skuteczne chłodzenie pomieszczeń w lecie. W zależności od wymagań inwestora i oczekiwanej skuteczności chłodzenia można wybrać odpowiednią pompę ciepła i rodzaj instalacji chłodzącej.
To chyba najważniejsze informacje na temat pomp ciepła zostały poruszone.
Jeśli macie pytania, to śmiało piszcie i dzwońcie. Na pewno otrzymacie wyczerpującą odpowiedź.
Pozdrawiam serdecznie,
ARSEM