Pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem, które przetwarza energię odnawialną (powietrze, grunt, woda) na ciepło użytkowe. System pompy ciepła składa się z dolnego źródła (z którego pobierana jest energia o relatywnie niskiej temperaturze), układu chłodniczego pompy ciepła i górnego źródła (systemu dystrybucji ciepła w budynku). Czynnik chłodniczy, krążący w zamkniętym układzie, pobiera ciepło z dolnego źródła i przekazuje je do górnego źródła. Do prawidłowej pracy urządzenia niezbędna jest dodatkowa energia elektryczna, przeznaczona na zasilenie sprężarki i pomp obiegowych lub wentylatorów. Istotną cechą tego typu urządzeń jest możliwość odwrócenia obiegu chłodniczego pompy ciepła, dzięki czemu możliwe jest zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie. Główną zaletą działania pompy ciepła jest fakt, iż użytkownik płaci jedynie za 20–30% wytworzonego w ten sposób ciepła. Pozostała część otrzymywana jest za darmo z dolnego źródła, co wyrażone jest za pomocą współczynnika COP.

Uproszczony schemat działania sprężarkowej pompy ciepła, źródło: www.portpc.pl

Podział pomp ciepła ze względu na zasadę działania

Ze względu na zasadę działania można wyróżnić:

Sprężarkowe elektryczne pompy ciepła – najbardziej rozwinięte technicznie i najpopularniejsze spośród wszystkich pomp ciepła. Pobierając ciepło ze środowiska (powietrze, grunt, woda) przy dostarczeniu pewnej porcji energii elektrycznej (do sprężarki), są w stanie wygenerować ciepło użyteczne. Jest to urządzenie z typowym obiegiem chłodniczym, który realizowany jest w każdej chłodziarce domowej. Z tymże w chłodziarce wykorzystujemy efekt pobierania ciepła z pewnej przestrzeni (komory chłodziarki), natomiast w pompie ciepła wykorzystujemy oddawanie ciepła w górnym źródle.

Sprężarkowe spalinowe pompy ciepła – zasada działania jest podobna do elektrycznej sprężarkowej pompy ciepła. Jedyna różnica to źródło napędu sprężarki. W pompie elektrycznej sprężarkowej sprężarka napędzana jest silnikiem elektrycznym konsumującym energię elektryczną. Natomiast w pompie sprężarkowej spalinowej sprężarka napędzana jest silnikiem spalinowym, zasilanym gazem ziemnym lub olejem napędowym. Tego rodzaju pompa ciepła generuje już spaliny, co jest ich wadą. Jednakże spaliny te mogą być również wykorzystywane jako ciepło grzewcze.

Absorpcyjne pompy ciepła działające w oparciu o spalanie gazu ziemnego lub ciekłego – wykorzystują te same procesy fizyczne, co sprężarkowe pompy ciepła, przy czym zamiast sprężarki mechanicznej stosuje się w nich sprężarkę termiczną. Schemat absorpcyjnej pompy ciepła składa się z dwóch obiegów: obiegu właściwego składającego się ze skraplacza, zaworu rozprężnego i parownika oraz obiegu tzw. sprężarki termicznej, składającego się z absorbera, podgrzewacza wody, pompy rozpuszczalnika i zaworu rozprężnego. Jednak na rynku występują głównie jako źródła ciepła średniej i dużej mocy.

Adsorpcyjne pompy ciepła – druga z sorpcyjnych pomp ciepła. Pracuje jedynie w trybie cyklicznym. Na adsorbencie zachodzi przemiennie adsorpcja i desorpcja czynnika chłodniczego. Pełny cykl składa się z czterech etapów: ogrzewania złoża, desorpcji, chłodzenia i adsorpcji. Jednakże ten typ pomp ciepła nie ma zastosowania w ogrzewaniu budynków. Stosuje się je jedynie jako maszyny chłodnicze w przemyśle.

Najczęściej stosowane obecnie są sprężarkowe elektryczne pompy ciepła.

Podział pomp ciepła ze względu na dolne źródło

Idealne dolne źródło ciepła dla pompy ciepła powinno odznaczać się stabilną i odpowiednio wysoką temperaturą w ciągu całego roku, a przede wszystkim w okresie grzewczym. Musi również posiadać zdolność do regeneracji, tak aby w trakcie działania urządzenia nie było ono wychładzane, co mogłoby doprowadzić do przekazywania niewystarczającej ilości energii do górnego źródła ciepła. Dodatkowo powinno być ono łatwo dostępne i niewyczerpalne. Obecnie najpopularniejszymi rodzajami pomp ciepła są:

Powietrzne pompy ciepła, wykorzystujące energię zawartą w powietrzu otoczenia lub powietrzu wyrzutowym. Mogą być zamontowane jako kompaktowe jednostki wewnątrz lub na zewnątrz budynku. Ze względu na konstrukcję można wyróżnić jednostki typu monoblok, gdzie wszystkie elementy urządzenia znajdują się w obrębie jednej jednostki umieszczonej na zewnątrz budynku, oraz jednostki typu split, składające się z jednej jednostki zewnętrznej i jednej zlokalizowanej wewnątrz budynku. Obecnie najlepsze powietrzne pompy ciepła są w stanie pracować w temperaturach sięgających nawet –25^oC.

Gruntowe pompy ciepła, wykorzystujące energię zmagazynowaną w gruncie. Ciepło pobierane jest za pomocą pionowych otworowych wymienników ciepła lub poziomych kolektorów. Kolektory umieszcza się zwykle na głębokości około 1,5 metra pod powierzchnią terenu. Natomiast pionowe otworowe wymienniki ciepła umieszczane są w odwiertach pionowych o głębokości najczęściej do 100 metrów. Wykonanie kolektorów poziomych jest na ogół tańsze, lecz wymaga znacznych powierzchni (dwu lub trzykrotnie większych od powierzchni odgrzewanej). Z kolei sondy pionowe zajmują mniejszy obszar, stanowią źródło o wyższych i stabilniejszych temperaturach, lecz są droższe w realizacji. Ciepło dostarczane jest z dolnego źródła ciepła do pompy ciepła za pośrednictwem medium, którym jest płyn niezamarzający (tzw. solanka), stanowiąca rozwór wody i glikolu. W związku z tym, że temperatura gruntu w ciągu roku jest niemalże stała i równa średniej rocznej temperaturze powietrza na danym obszarze, gruntowe pompy ciepła mogą pracować bardzo efektywnie nawet w okresie największych mrozów.

Wodne pompy ciepła, wykorzystujące energię skumulowaną w wodach podziemnych, powierzchniowych lub morskich. Tam, gdzie warunki na to pozwalają najczęściej wykonuje się dwie studnie. Pierwsza z nich stanowi studnię czerpalną, druga natomiast pełni funkcję studni zrzutowej. Zaletą wodnych pomp ciepła jest szczególnie wysoka efektywność ze względu na wyższe temperatury wody jako nośnika ciepła (na parowacz trafia woda o temperaturze nie niższej niż 8°C).

Przykłady dolnych źródeł pomp ciepła. Od lewej: powietrze, studzienki wodne, kolektor gruntowy pionowy, kolektor gruntowy poziomy, źródło: EHPA

Ogólny opis obiegu chłodniczego sprężarkowej pompy ciepła

Sercem całego układu jest sprężarka, która zasysa czynnik w postaci pary. W tym elemencie czynnik chłodniczy jest sprężany do wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury. Następnie jest on tłoczony do skraplacza, gdzie następuje jego skroplenie przy stałym ciśnieniu. W wyniku tego procesu ciepło czynnika jest oddawane do odbiornika poprzez wymiennik ciepła. Następuje tu również dochłodzenie skroplonej cieczy, aby mieć pewność, że skraplacz opuszcza ciecz, bez frakcji gazowej czynnika. W takiej postaci czynnik chłodniczy trafia do zaworu rozprężnego, gdzie ulega on gwałtownemu rozprężeniu. Ze względu na proces czynnik ulega ochłodzeniu. Kolejnym etapem jest dostanie się czynnika o niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu do parownika. Ważne jest, aby temperatura czynnika roboczego była niższa niż temperatura medium z dolnego źródła ciepła, aby czynnik chłodniczy mógł swobodnie odebrać ciepło z dolnego źródła ciepła, zgodnie z II zasadą termodynamiki. W wyniku tego procesu czynnik ulega odparowaniu. Następnie odparowany i przegrzany czynnik roboczy jest zasysany przez sprężarkę, gdzie cały cykl rozpoczyna się na nowo. Ilość czynnika wpływającego do parownika jest regulowana przez zawór rozprężny w oparciu o stopień przegrzania par czynnika roboczego. Gdy przegrzanie jest wysokie oznacza to, że do parownika trafia zbyt mało czynnika. Wtedy zawór rozprężny się otwiera i podaje do parownika więcej czynnika roboczego. Gdy przegrzanie jest zbyt niskie, zawór zamyka się, ograniczając ilość czynnika dostającego się do parownika.

Koperta pracy sprężarki pompy ciepła, opracowanie własne na podstawie charakterystyki czynnika chłodniczego R410A (źródło: reftec.ch)

COP

Działanie sprężarkowej pompy ciepła wymaga dostarczenia energii elektrycznej. Parametrem określającym efektywność pompy ciepła jest współczynnik COP (z ang. Coefficient of Performance). Współczynnik ten informuje nas jaki jest stosunek ciepła dostarczonego przez urządzenie do energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę. Patrząc inaczej, współczynnik ten informuje nas o wydajności pompy ciepła względem analogicznego elektrycznego systemu grzewczego, wytwarzającego tą samą ilość ciepła. Współczynnik ten może mieć wartości od 2 do nawet 8, w zależności od różnicy temperatur między dolnym a górnym źródłem ciepła. Im niższa różnica temperatur, tym wyższy współczynnik COP. Przykładowo dla powietrznej pompy ciepła pracującej na powietrzu zewnętrznym o temperaturze 2°C i temperaturze wody grzewczej 35°C COP może mieć wartość ok. 4. Oznacza to, że pompa ciepła z 1 kWh energii elektrycznej wytwarza około 4 kWh ciepła, a 3 kWh pobiera ze środowiska. Wynikająca stąd duża oszczędność energii elektrycznej stanowi ekonomiczne uzasadnienie stosowania pomp ciepła, a także uzasadnienie ekologiczne związane ze zmniejszeniem oddziaływania na środowisko elektrowni korzystających z paliw kopalnych.

COP a SCOP i SPF

W przypadku porównywania poszczególnych urządzeń czy doboru odpowiedniej pompy do budynku warto sprawdzić jej SCOP (z ang. Seasonal Coefficient of Performance). Różnica pomiędzy COP a SCOP polega na tym, że COP mówi nam wyłącznie o efektywności pompy w danym punkcie pracy (np. dla temperatury powietrza 7°C i temperatury wody grzewczej 35°C pompa ciepła może osiągać COP równe 4,9, a dla temperatury powietrza 2°C i tej samej temperatury zasilania może osiągać już wartość około 4,0). Natomiast SCOP odnosi się do dłuższego okresu czasu, np. całego sezonu grzewczego i uwzględnia liczbę godzin poszczególnych temperatur zewnętrznych oraz wymagane temperatury zasilania górnego źródła ciepła, a także zapotrzebowanie mocy grzewczej dla analizowanego budynku w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, aby ogrzać dany budynek. Dokładniej rzecz ujmując, SCOP jest to stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę ciepła.

Współczynnik SPF (z ang. Seasonal Performance Factor) jest określany dla istniejących obiektów na podstawie pomiarów ilości ciepła dostarczonego i ilości zużytej energii elektrycznej. SPF to stosunek ilości ciepła dostarczonego do zużytej energii elektrycznej.

Przykład:

• Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania budynku i przygotowania ciepłej wody w ciągu roku wynosi: 9000 kWh
• W ciągu roku pompa ciepła zużyła w sumie: 2368 kWh energii elektrycznej
• Roczne SCOP dla tego urządzenia wyniesie: <math>\text{SCOP}_{\text{rok}} = \frac{9000\ kWh}{2368\ kWh} = 3,8</math>

Dobór mocy pompy ciepła

Najważniejszym czynnikiem, który zapewni długą i efektywną pracę pompy ciepła jest właściwy dobór mocy urządzenia. Niedowymiarowana pompa ciepła będzie skutkować niedogrzaniem budynku w okresie najniższych temperatur i koniecznością zastosowania większego, szczytowego źródła ciepła. Z drugiej strony przewymiarowanie pompy ciepła może okazać się jeszcze gorszym w skutkach. Nie dość, że wiąże się to z wyższymi kosztami inwestycyjnymi, to dodatkowo duże przewymiarowanie prowadzi do tzw. taktowania pompy, czyli częstych cykli załączeń i wyłączeń sprężarki, co w znacznym stopniu wpływa na jej żywotność oraz efektywność pracy pompy ciepła. Można więc stwierdzić, że lepszym rozwiązaniem jest niewielkie niedowymiarowanie urządzenia, niż jego przewymiarowanie.

Jak więc dobrać pompę ciepła? Dla nowego lub termo modernizowanego budynku najlepszym rozwiązaniem będzie wykonanie rzetelnego bilansu cieplnego wykonanego przez specjalistę. Dla istniejących budynków zapotrzebowanie mocy grzewczej można określić szacunkowo, znając sezonowe zużycia paliwa na cele grzewcze.

Punkt biwalentny

Parametrem decydującym kiedy uruchomione zostanie dodatkowe źródło ciepła jest temperatura zewnętrzna. Znając zapotrzebowanie na ciepło budynku i charakterystykę mocy grzewczej pompy ciepła, można wyznaczyć tzw. punkt biwalentny, który jest graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury tego punktu uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. Może być to tryb pracy biwalentny równoległy lub alternatywny. W pierwszym przypadku pracują razem pompa ciepła i drugie szczytowe źródło ciepła, a w drugim – albo pompa ciepła albo drugie źródło ciepła. W przypadku wyznaczania punktu biwalentnego należy jednak pamiętać o nieprzewymiarowaniu pompy ciepła. Punkt biwalentny odpowiadający temperaturze zewnętrznej –7 do –9°C można uznać za optymalny w klimacie polskim.

Wyznaczenie punktu biwalentnego dla przykładowej pompy ciepła, w oparciu o charakterystykę energetyczną budynku, źródło: opracowanie własne na podstawie danych

Koszty związane z instalacją pomp ciepła

W przypadku pomp ciepła koszt urządzenia czy też całej instalacji zależy od wielu czynników. W przypadku jednostek powietrznych o mocach grzewczych do kilkunastu kilowatów cena urządzenia wraz z montażem waha się w przedziale od 25 000 do nawet 60 000 zł, w zależności od mocy urządzenia, zastosowanych komponentów, czynnika chłodniczego oraz efektywności pracy pompy ciepła. Jednostki wodne i gruntowe wraz z systemem dolnego źródła ciepła są droższe niż instalacje z powietrznymi pompami ciepła (ponieważ dodatkowo należy wziąć pod uwagę koszty wykonania studni, pomp głębinowych, uzdatniania wody dla wodnych pomp ciepła), czy robót związanych z wykonaniem kolektorów pionowych, studzienek rozdzielaczowych, pomp obiegowych dolnego źródła, wiercenia sond pionowych. W przypadku pomp gruntowych koszty mogą być nawet 2, 3-krotnie wyższe niż w przypadku jednostek powietrznych. Dodatkowo warto wspomnieć, że w przypadku projektowania nowego budynku, decydując się na pompę ciepła można zrezygnować z wykonania komina i zmniejszyć powierzchnię kotłowni, co na pewno obniży koszty budowy domu.

Koszty eksploatacyjne

Koszty ogrzewania zależą przede wszystkim od powierzchni ogrzewanego obiektu i efektywności pompy ciepła. Nie można jednoznacznie określić kosztów ogrzewania pompą ciepła dla np. każdego budynku o powierzchni 150 m². Dla każdego domu będzie się to przedstawiało inaczej, w zależności od zużycia ciepłej wody, wentylacji, temperatur zewnętrznych, systemu rozprowadzania ciepła, czy też faktu zainstalowania np. instalacji fotowoltaicznej czy korzystania z różnego rodzaju taryf energetycznych. Można natomiast posłużyć się prostym przykładem:

• Powierzchnia budynku: 150 m²
• Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania: 70 kWh/m²/rok – nowy budynek, spełnia WT 2021

A więc sumaryczne zapotrzebowanie na energię wyniesie ok. 10 500 kWh (bez uwzględnienia c.w.u i rekuperacji).

Zakładając SCOP pompy ciepła (powietrzna) dla sezonu grzewczego na poziomie 3,5 – zużycie energii elektrycznej powinno wynosić ok. 3000 kWh. Przy średniej cenie prądu na poziomie 0,74 zł za ogrzewanie zapłacimy ok. 2220 zł.

W przypadku pomp gruntowych SCOP może wynosić nawet do 4,3, a więc koszty ogrzewania spadłyby do ok. 1810 zł.

Ergonomia i ekologia

Pompy ciepła są urządzeniami niemal całkowicie bezobsługowymi. Regulacja pracy urządzenia opiera się najczęściej o system automatyki, który dostosowuje pracę pompy ciepła w zależności od zadanej temperatury wewnętrznej oraz aktualnej temperatury dolnego źródła. Nie występuje tutaj żadne spalanie, a więc nie ma potrzeby usuwania popiołów czy żużli. Z tego samego powodu jest to rozwiązanie przyjazne dla środowiska, całkowicie eliminuje problem niskiej emisji, w przypadku gdy szczytowym źródłem ciepła będzie np. grzałka elektryczna. Oczywiście można powiedzieć, że energia elektryczna niezbędna do działania pompy powstaje w wyniku np. spalania węgla w elektrowniach. Jednak tę kwestię też można rozwiązać, integrując urządzenie np. z elektrownią fotowoltaiczną, wiatrową lub wodną.

Dodatkowe materiały

Zachęcamy do zapoznania się z filmami dot. pomp ciepła.

https://www.youtube.com/watch?v=98N8ycD5Dio

https://www.youtube.com/watch?v=3kKIilOOVoc