Pompy ciepła

Pompy ciepła wykorzystują odnawialne źródła energii. Ciepło zakumulowane w gruncie, wodzie gruntowej lub powietrzu przekształcają w ciepło służące do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Zasada działania pompy ciepła

Pompy ciepła znajdują zastosowanie we wszystkich typach budynków: mieszkalnych wielorodzinnych i jednorodzinnych, biurowych, handlowych, budynkach służby zdrowia i oświaty oraz budynkach przemysłowych.

Niezależnie od rodzaju, pompa ciepła jest urządzeniem, które przy pomocy energii dodatkowej podnosi temperaturę czynnika roboczego, umożliwiając praktyczne wykorzystanie ciepła zawartego w tym czynniku. Czynnik roboczy jest zawsze najpierw sprężany, a potem rozprężany, przez co uzyskuje się pożądany efekt pobierania i oddawania ciepła.

Ze względu na konstrukcję pompy ciepła można podzielić na:

pompy ciepła sprężarkowe,
pompy ciepła sorpcyjne, w tym absorpcyjne i adsorpcyjne.

Czynnik obiegu dolnego źródła, którym jest ciecz niezamarzająca (mieszanina wody i alkoholu, wody i glikolu), płynąc w wężownicy odbiera ciepło z gruntu, powietrza lub wody.

W parowniku pompy podgrzany czynnik obiegu dolnego źródła oddaje ciepło zimnemu czynnikowi roboczemu obiegu wewnętrznego pompy ciepła, którym jest płyn wrzący w niskich temperaturach (z grupy freonów hydrofluorowęglowodorowych). Czynnik obiegu wewnętrznego pompy ciepła nie ma kontaktu z otoczeniem.

W parowniku czynnik ten znajduje się pod niskim ciśnieniem. Czynnik podgrzewa się i odparowuje, stając się gazem. W sprężarce gaz zostaje sprężony. Podczas tego procesu wzrasta jego ciśnienie oraz temperatura. Para czynnika roboczego dostaje się ze sprężarki do kondensatora omywanego przez czynnik obiegu górnego źródła, czyli wodę grzewczą z układu c.o. i c.w.u.

Ciepło pobrane w parowniku i dodatkowa energia doprowadzona podczas sprężania zostają oddane wodzie grzewczej.

Temperatura skraplania czynnika roboczego w stanie gazowym jest wyższa od temperatury wody grzewczej, wskutek czego pary te schładzają się i ponownie skraplają.

Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie oraz temperaturę i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces zaczyna się ponownie.

Produkowane obecnie pompy ciepła z napędem elektrycznym pobierają mniej więcej trzy czwarte ciepła potrzebnego do ogrzewania ze środowiska, a pozostała jedna czwarta to energia elektryczna potrzebna do napędu sprężarki.

Sorpcyjne pompy ciepła wykorzystują procesy absorpcji lub adsorpcji, czyli wchłaniania przez ciecz innej cieczy lub gazu (absorpcja) lub zatrzymywania na powierzchni ciała stałego (adsorpcja).

W przeciwieństwie do pomp sprężarkowych w pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko i wysokoprężny, np. amoniak i woda. Desorber jest dolnym, a absorber górnym źródłem ciepła. Pary amoniaku z desorbera przepływają do skraplacza, gdzie ulegają skropleniu oddając ciepło. Skroplony amoniak z kondensatora przepływa do parownika, gdzie pobiera ciepło, odparowuje i płynie do absorbera. W absorberze zachodzi reakcja egzotermiczna par amoniaku z wodą, w wyniku której wydziela się ciepło. Cykl zamyka przepływ wody amoniakalnej do desorbera, w którym pobrane ciepło z dolnego źródła rozkłada wodę amoniakalną na amoniak i wodę.

Adsorpcyjne pompy ciepła pracują z zastosowaniem ciał stałych, np. węgla aktywnego, żelu krzemionkowego lub zeolitu. Pobieranie i oddawanie ciepła w adsorpcyjnej pompie ciepła jest procesem cyklicznym, lecz pompa ta pracuje okresowo. Pompa ciepła może wykorzystywać jako źródło ciepła:

grunt,
wody gruntowe,
wody powierzchniowe,
powietrze,
ciepło odpadowe.

Przy doborze pompy ciepła należy pamiętać ogólną zasadę: im mniejsza jest różnica temperatur między źródłem ciepła a systemem grzewczym, tym mniej energii będzie potrzebne dla napędu sprężarki i tym lepszy będzie współczynnik efektywności.

Pompy ciepła gruntowe

Grunt jest dobrym akumulatorem ciepła, gdyż przez cały rok zachowuje stosunkowo równomierne temperatury rzędu 7 do 13C.

W przypadku kolektorów poziomych ciepło odbierane jest z gruntu za pomocą rur z tworzyw sztucznych zakopanych w ziemi około 20 cm poniżej głębokości przemarzania dla lokalnej strefy. W kolektorze, w obiegu zamkniętym, krąży niezamarzający płyn, odbierając ciepło z gruntu i przekazując je do pompy ciepła. Właściwości akumulacyjne i przewodność cieplna gruntu są tym większe, im bardziej grunt jest nasycony wodą, im więcej jest składników mineralnych i im mniejsza jest porowatość. Kolektor nie może znajdować się pod budynkami, a także nie powinien być oddzielony od atmosfery żadną szczelną nawierzchnią, np. asfaltową lub betonową, która praktycznie uniemożliwia regenerację kolektora przez opady deszczowe.

Sondy pionowe, zwane też pionowym kolektorem gruntowym, są to zwykle rury z tworzywa sztucznego umieszczone w pionowych odwiertach, których głębokość i ilość zależy od mocy grzewczej pompy ciepła. W obiegu zamkniętym krąży niezamarzający płyn odbierając ciepło z gruntu oraz wód podziemnych i przekazuje je do pompy ciepła. Koszt wykonania sond pionowych jest stosunkowo wysoki, ale w zamian uzyskuje się niezawodną, energooszczędną formę ogrzewania o stosunkowo wysokiej temperaturze na wejściu do pompy ciepła. Kolektor zajmuje niewielką przestrzeń i można go zainstalować nawet na małych działkach.

Pompy ciepła wodne

Pompy ciepła pracujące w układzie z wodą gruntową lub powierzchniową osiągają wysokie współczynniki efektywności ze względu na wysoką temperaturę źródła ciepła wynoszącą 7 do 13C przez cały rok. System dolnego źródła na bazie wody gruntowej składa się z dwóch studni: studni czerpalnej, w której zainstalowana jest pompa głębinowa oraz studni chłonnej. Studnie powinny znajdować się w odległości minimum 15 m od siebie. Warunkiem zastosowania studni głębinowych do zasilania pomp ciepła jest odpowiedni wydatek ujęcia oraz odpowiedni skład fizykochemiczny wody.

Pompy ciepła na powietrze zewnętrze

Instalacja pomp ciepła na powietrze zewnętrzne jest prosta i w przeciwieństwie do pomp gruntowych nie wiąże się z koniecznością wykonywania odwiertów ani układania w ziemi kolektorów.

Powietrze zasysane jest z zewnątrz budynku, schładzane w parowniku pompy ciepła i ponownie odprowadzane na zewnątrz.

Nowoczesna pompa ciepła może wytwarzać ciepło grzewcze nawet przy temperaturze zewnętrznej ‑20°C. Jednak przy tak niskiej temperaturze zewnętrznej pompa nie pokryje całkowicie zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie pomieszczeń. W bardzo zimne dni woda grzewcza, podgrzana przez pompę ciepła musi być dogrzewana.

Wadami powietrznych pomp ciepła jest ich niższa efektywność niż pomp gruntowych oraz stosunkowo głośna praca.

Pompy ciepła na powietrze wentylacyjne

Pompa ciepła na powietrze wentylacyjne wywiewne przypomina system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i znajduje zastosowanie przede wszystkim w budynkach niskoenergetycznych i pasywnych.

Świeże powietrze pobierane z zewnątrz, ogrzewane przez system grzewczy budynku, mieszkańców i pracujące w nim urządzenia, dociera do przewodów wywiewnych. Tu zassane zostaje do pompy ciepła, która odzyskuje energią z powietrza dostarczając ją do wody, która następnie przekazuje je do instalacji ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania. Powietrze ochłodzone usuwane jest na zewnętrz budynku.

Pompa ciepła na powietrze wentylacyjne funkcjonuje niezależnie od temperatury zewnętrznej, gdyż powietrze na jej wlocie ma stałą temperaturę równą panującej wewnątrz budynku.