Pompy ciepła

Pompy ciepła wykorzystujące odnawialne źródła energii, to w naszym kraju obecnie dość prężnie rozwijające się urządzenia na rynku. Klienci coraz częściej o nie pytają, coraz więcej instalatorów montuje wspomniane przyrządy a nawet wzrasta ilość producentów przebranżawiających się z produkcji kotłów stałopalnych (opalanych węglem bądź biomasą) na produkcję pomp ciepła. Niestety, pomimo wzrostu zainteresowania takim rozwiązaniem, to w ogólnym rozrachunku popyt na pompy ciepła jest znacznie mniejszy niż na kolektory słoneczne oraz panele fotowoltaiczne.

1. Opis pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które wbrew naturalnemu obiegowi energii przenosi ciepło ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze. Proces ten przebiega dzięki dostarczeniu z zewnątrz pracy do napędu sprężarki (w pompach sprężarkowych) lub dostarczenia ciepła (w pompach absorpcyjnych). Jest to więc działanie odwrotne względem codziennych obserwacji przepływu ciepła. W układzie izolowanym (pozbawionym bodźców zewnętrznych), zgodnie z prawami termodynamiki, ciało A które ma wyższą temperaturę, będzie swoje ciepło „oddawać” ciału B, do momentu osiągnięcia przez oba ciała równowagi termicznej. Pompa ciepła, dzięki wykorzystaniu podzespołów potrafi obrócić ten proces, jednocześnie nie łamiąc przy tym praw termodynamiki. Na takiej samej zasadzie działa powszechnie stosowana lodówka, która ma za zadanie chłodzić żywność w celu przedłużenia przydatności do spożycia.

2. Podział pomp ciepła

• Sprężarkowe – najczęściej spotykane pompy ciepła, które wykorzystują sprężarkę jako urządzenie dostarczające prace do układu. Do zalet tego typu rozwiązań zaliczyć należy względną prostotę konstrukcji oraz mobilność. Wadą natomiast jest uzależnienie od dostaw energii elektrycznej oraz zużywanie się elementów mechanicznych w sprężarce.

• Absorpcyjne – do swojej pracy wykorzystują sprężarkę termiczną, która do działania potrzebuje ciepła. Pompy absorpcyjne wykorzystywane są głównie tam, gdzie dostępne jest tanie źródło ciepła. Dlatego stosuje się je zazwyczaj do chłodzenia wody lub pomieszczeń. Posiadają niższy współczynnik efektywności cieplnej od sprężarkowej pompy ciepła. Największą zaletą jest bardzo niska awaryjność, ze względu na brak elementów mechanicznych.

• Termoelektryczne – wykorzystują one zjawisko Seebecka/Peltiera, które polega na tym, że stałe napięcie przyłożone do obwodu złożonego z dwóch półprzewodników powoduje ogrzanie się jednego z półprzewodników i chłodzenie się drugiego. Cechują się niską efektywnością, lecz jej działanie nie generuje hałasu.

3. Wykorzystanie pomp ciepła

• Ogrzewanie – zapewnienie komfortu termicznego w budynku dla pomieszczeń mieszkalnych oraz dla pomieszczeń gospodarczych, takich jak piwnica lub skład.

• Przygotowanie ciepłej wody użytkowej – dostarczenie niezbędnej wody w celu dbania o higienę przez mieszkańców

• Chłodzenie – ze względu na pojawianie się coraz częstszych upałów w sezonie letnim, pompy ciepła mogą posłużyć za urządzenie utrzymujące komfortową temperaturę wewnątrz budynku, pomimo wysokich temperatur panujących na zewnątrz.

4. Elementy pompy ciepła oraz zasada jej działania

Działanie sprężarkowej pompy ciepła polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego, czyli specjalnego płynu którym wypełniona jest instalacja wewnętrzna pompy. Płyn przepływając przez parownik pobiera ciepło z gruntu, wody lub powietrza (są to tak zwane dolne źródła ciepła) i paruje zamieniając się w gaz. Sprężarka pompy napędzana silnikiem elektrycznym, znacznie spręża gaz, co powoduje wzrost jego temperatury. Przegrzana para ochładza się a następnie skrapla w skraplaczu. Właśnie wtedy następuje oddanie ciepła wodzie, która wypełnia grzejniki (nazywane górnym źródłem ciepła). Następnie ochłodzony płyn przepływając przez zawór rozprężny, gdzie następuje redukcja wysokiego ciśnienia i temperatury, wraca do parownika i cały proces rozpoczyna się ponownie.

Ruszczyński P. 15.03.2020r. Schemat działania sprężarkowej pompy ciepła (obraz cyfrowy)

5. Procesy zachodzące w pompie ciepła

• Parowanie – czynnik chłodniczy krążący w układzie pompy ciepła odbiera ciepło od otoczenia w procesie parowania. Odbywa się to przy stałym ciśnieniu i stałej temperaturze.

• Sprężanie – zwiększane jest ciśnienie czynnika chłodniczego, a wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie również jego temperatura.

• Skraplanie – czynnik chłodniczy oddaje ciepło (pobrane wcześniej w parowniku i sprężarce) do instalacji górnego źródła przy stałym ciśnieniu i temperaturze.

• Rozprężanie – czynnik ulega gwałtownemu obniżeniu ciśnienia, przez co spada jego temperatura.

6. Współczynnik COP

Jest to współczynnik efektywności pomp ciepła, który wskazuje w jakim stopniu urządzenie grzewcze wykorzystuje ciepło pozyskane ze środowiska naturalnego, w stosunku do prądu zużytego w celu działania sprężarki. Stosując pompę ciepła część energii można otrzymać za darmo ze środowiska. Zapłata następuje jedynie za energię zużywaną do napędu sprężarki. Innymi słowy, z 1 kWh energii elektrycznej otrzymujemy 4 kWh energii cieplnej. W tym wypadku współczynnik COP naszej pompy ciepła będzie wynosił równo 4.

Luboń W. 4.11.2020r. Składowe czynnika COP (obraz cyfrowy)

7. Skutki zastosowania zmiany stanu skupienia czynnika grzewczego w pompie ciepła

Woda w czasie przemiany fazowej potrzebuje więcej energii, dzięki czemu potrafi akumulować ją w większym stopniu. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zużyć mniej wody by ogrzać budynek lub sprostać zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową. Dodatkowym argumentem za zmianą stanu skupienia z ciekłej na gazową jest fakt, że sprężarka potrafi znacznie ścisnąć gaz, natomiast ciecz jest praktycznie nieściśliwa.

8. Instalacje górnego źródła

• Ogrzewanie konwekcyjne – najpopularniejszy obecnie system ogrzewania powietrza wewnątrz budynku, polegający na unoszeniu się ciepła z grzejników, spowodowany różnicą temperatury poszczególnych warstw powietrza. Plusem takiego rozwiązania jest niski koszt eksploatacji oraz relatywnie niski koszt montażu. Do wad takiego zastosowania należy przede wszystkim nierównomierne rozprowadzenie ciepła w pomieszczeniu, co przekłada się na mniejszy komfort mieszkańców.

• Ogrzewanie płaszczyznowe – system ogrzewania powietrza, który zachodzi na całej powierzchni (podłogi lub sufitu), co stanowi ogromny atut ze względu na równomierne rozprowadzenie temperatury w pomieszczeniu. Niestety koszt takiej inwestycji jest znacznie droższy od powszechnie stosowanych grzejników konwekcyjnych.

Inżynier Budownictwa. 09.2007r. Rozkład temperatury w różnych typach ogrzewania (obraz cyfrowy)

9. Instalacje dolnego źródła

• Grunt – Gruntowe pompy ciepła przetwarzają energię odnawialną zgromadzoną w ziemi na ciepło użytkowe. Jest to system rur PE umieszczony pod poziomem ziemi. W zależności od warunków gruntowych, może być wykonany jako poziomy lub pionowy gruntowy wymiennik ciepła.
  • Poziomy wymiennik gruntowy – to rury polietylenowe, wewnątrz których krąży niezamarzający płyn transportujący ciepło. Polietylenowy płaszcz wyklucza możliwość powstania korozji. Wymiennik układa się poniżej strefy przemarzania gruntu (w Polsce ta wartość waha się od 0.8 do 1.4 metra pod poziomem gruntu). Natomiast powierzchnia takiego wymiennika powinna być mniej więcej dwa razy większa od powierzchni ogrzewanego budynku.
  • Pionowy wymiennik gruntowy – to rury polipropylenowe w kształcie litery U, wypełnione niezamarzającym płynem. Umieszcza się go w pionowych odwiertach o głębokości 15 do 100 metrów. Średnia odległość między odwiertami wynosi około 8 metrów.

HCT Pompy Ciepła. 10.03.2021r. Podział gruntowych pomp ciepła (obraz cyfrowy)

• Woda – Wodne pompy ciepła przetwarzają energię odnawialną zgromadzoną w wodzie na ciepło użytkowe. Jest to system rur umieszczony pod poziomem ziemi. W zależności od warunków wodnych, może być wykonany jako powierzchniowy lub gruntowy wymiennik ciepła.
  • Wody gruntowe – Najczęściej są to dwie studnie, czerpalna do poboru wody oraz chłonna, służąca do zatłoczenia schłodzonej wody do warstwy wodonośnej, z której woda jest czerpana. Przy wierceniu studni należy określić kierunek przepływu wód podziemnych i zlokalizować studnię chłonną ze studnią czerpalną. Odległość pomiędzy studniami powinna wynosić co najmniej 15 metrów, żeby chłodna woda nie mieszała się z wodą czerpaną. W przeciwnym razie spowoduje to niekorzystne obniżanie temperatury wody gruntowej. Ważnym aspektem przedsięwzięcia jest korzystanie z tej samej warstwy wodonośnej, w celu optymalnego działania pomp obiegowych.
  • Wody powierzchniowe – w swoim działaniu są bardzo podobne do poziomych wymienników gruntowych. W tym przypadku wężownice ułożone są na dnie powierzchniowego zbiornika wody, gdzie panuje niemal stała temperatura w ciągu roku.

Luboń W. 18.11.2020r. Podział wodnych pomp ciepła (obraz cyfrowy)

• Powietrze – darmowe inwestycyjnie dolne źródło energii. Nawet przy ujemnych temperaturach jest zasysane z zewnątrz do wewnątrz budynku i po odebraniu od niego ciepła w parowniku, schłodzone jest odprowadzane poza pompę ciepła. W powietrznych pompach ciepła mamy do czynienia najczęściej z bezpośrednim odparowaniem czynnika. Pobrane z powietrza ciepło może być przekazywane do wody krążącej w obiegu grzejnym budynku.
  • Pompa ciepła typu Monoblok – Polega na umieszczeniu całej armatury na zewnątrz budynku, co finalnie prowadzi do utraty ciepła z rur do gruntu oraz ogrzanego powietrza do atmosfery. Pozytywem takiego rozwiązania jest niski koszt montażu urządzenia.
  • Pompa ciepła typu Split – Wewnątrz budynku znajduje się skraplacz oraz pompa obiegowa, natomiast parowacz, zawór rozprężny oraz pompa obiegowa są zainstalowane na zewnątrz budowli. Takie rozwiązanie ogranicza ucieczkę ciepła do atmosfery i gruntu, co pozwala zaoszczędzić energię. Dodatkowo elementy powodujące hałas (pompa obiegowa i zawór rozprężny) są umiejscowione na zewnątrz, co zwiększa komfort użytkowania budynku. Koszty takiego przedsięwzięcia są jednak wyższe od typu Monoblok.

10. Czynnik roboczy dolnego źródła ciepła

Wymienione poniżej płyny są tak naprawdę roztworami glikolu, ponieważ czysty glikol posiada cechy takie jak korozyjność oraz wysoką podatność na utlenianie, co uniemożliwia jego optymalne wykorzystanie. Aby zapobiec takim skutkom, dodaje się inhibitory korozji oraz przeciwutleniacze. Najważniejszą cechą czynnika roboczego jest temperatura zamarzania, która jest niższa od temperatury zamarzania wody, co umożliwia zastosowanie tej cieczy w warunkach poniżej zera stopni Celsjusza.

• Glikol etylenowy – jest szeroko dostępny i odznacza się kolorem niebieskim. Z ekologicznego punktu widzenia jest toksyczny, a dla ludzi trujący. W niektórych państwach zezwala się na jego stosowanie wyłącznie w dużych strukturach przemysłowych.

• Glikol propylenowy – uznawany jest za ekologiczny, ponieważ nie jest toksyczny (ulega biodegradacji). Zazwyczaj posiada kolor zielony.

11. Chłodzenie pompą ciepła

• Aktywne – pompa ciepła pracuje w odwróconym obiegu, gdzie parownik staje się skraplaczem a skraplacz parownikiem. Dzięki takiej zmianie pompa ciepła działa jak klasyczny klimatyzator i wykorzystywana jest przede wszystkim w powietrznych pompach ciepła.

• Pasywne – wyłączona zostaje pompa ciepła. Ciepło z budynku oddawane jest do gruntu, który ma niższą temperaturę. Odbywa się to przez dodatkowy wymiennik, który najczęściej wbudowany jest w pompie ciepła. Takie rozwiązanie jest dedykowane głównie dla gruntowych pomp ciepła. Wadą takiego rozwiązania jest jego niska efektywność w porównaniu z chłodzeniem aktywnym, lecz nie generuje kosztów związanych z pobraniem energii elektrycznej.

12. Przeszłość i przyszłość pomp ciepła w Polsce

Na przestrzeni dziewięciu lat odnotowano wzrost liczby pomp ciepła znajdujących się na terytorium Polski. Warto zaznaczyć, że wzrost ilości pomp na rynku przebiegał bardzo płynnie oraz stabilnie. W ciągu niecałej dekady, liczba pomp ciepła wzrosła sześciokrotnie.

Raport PORT PC. 10.06.2020r. Liczba pracujących w Polsce pomp ciepła (obraz cyfrowy)

Według raportu PORT PC (Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła), przypuszcza się utrzymanie lub nawet wzrost trendu instalowania pomp ciepła w domach jednorodzinnych. Ponadto liczba sprzedanych pomp ciepła wpłynie pozytywnie na ilość energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii, co jest kluczowe w perspektywie ochrony środowiska.

Raport PORT PC. 10.06.2020r. Prognoza liczby sprzedanych pomp ciepła w czasie (obraz cyfrowy)

13. Znak jakości EHPA-Q

Jest to certyfikat nadawany pompom ciepła z elektrycznie napędzaną sprężarką, który jest jednocześnie gwarancją wysokiej jakości. Aby spełnić warunki otrzymania certyfikatu, muszą one posiadać kilka cech. Po pierwsze muszą transportować energię z odnawialnych źródeł energii i być urządzeniami grzewczymi lub grzewczo-chłodzącymi. Po drugie ich moc nie może przekraczać 100 kW. Natomiast głównym warunkiem jest wspomniany wcześniej współczynnik COP, który musi posiadać odpowiednią wartość w odpowiednich warunkach przy założeniu różnych dolnych źródeł energii.

Rodzaj dolnego źródła energii	Temperatura dolnego źródła energii [oC]	Rodzaj górnego źródła energii	Temperatura górnego źródła energii [oC]	Wartość współczynnika COP [-]
Grunt	4	Woda	35	4.3
Powietrze	2	Woda	35	3.1
Woda	10	Woda	35	5.1

Dobrzycki H. 8.09.2021r. Zestawienie wartości współczynnika COP (tabela)

14. Znaczenie ekologiczne

• Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, które nie powoduje żadnej niskiej emisji zanieczyszczeń. Jedyną emisją zanieczyszczeń, jaką „generują” pompy ciepła, jest ta związana z zanieczyszczeniami powstałymi podczas produkcji energii elektrycznej w elektrowniach oraz przy wytwarzaniu podzespołów pompy ciepła. Poprawne działanie pompy ciepła, czyli bezawaryjny transport energii z dolnego do górnego źródła ciepła (lub odwrotnie), nie powoduje degradacji środowiska. Co więcej, zamontowany filtr przy powietrznej pompie ciepła, może skutecznie ograniczyć dostawanie się szkodliwych zanieczyszczeń do budynku, nawet o kilkadziesiąt procent. Takie rozwiązanie poprawia komfort w pomieszczeniach, w których spędza się dużą ilość czasu jak sypialnie lub pokoje do użytku dziennego.

• Ponadto urządzenie może współpracować z fotowoltaiką, co jeszcze bardziej zmniejszy negatywny wpływ człowieka na środowisko. Niewielkim problemem w tym rozwiązaniu może okazać się fakt, że pomp ciepła używamy głównie w sezonie zimowym, kiedy wytwarzanie prądu z paneli fotowoltaicznych jest najmniejsze. Ten problem stara się rozwiązać system „On grid”, który powoduje odkupienie przez firmę dystrybuującą prąd w sieci, energię elektryczną jaką udało się wytworzyć z paneli fotowoltaicznych.

• Większość domów jednorodzinnych jest ogrzewane za pomocą kotłów stałopalnych o słabej bądź średniej efektywności spalania. Oznacza to, że do środowiska gruntowego, wodnego oraz atmosfery dostają się substancje szkodliwe, które negatywnie wpływają na działanie fauny oraz flory. Zastąpienie wspomnianych kotłów przez pompy ciepła, to nie tylko oszczędność pieniędzy w dłuższym przedziale czasu, ale również marginalizacja negatywnego wpływu źródła ogrzewania na otaczające go środowisko.

Przypisy

1. Ruszczyński P. Portal o tematyce pomp ciepła i termodynamiki https://ecieplo.pl/ (dostęp 04.09.2021r.)
2. HCT Pompy Ciepła. Oficjalna strona internetowa firmy zajmującej się produkcją gruntowych pomp ciepła http://www.hct.com.pl/index.php (dostęp 05.09.2021r.)
3. Hewalex. Oficjalna strona internetowa firmy zajmującej się produkcją oraz montażem paneli słonecznych i pomp ciepła https://www.hewalex.pl/strony/o-firmie.html (dostęp 07.09.2021r.)
4. GLOBEnergia. Oficjalna strona internetowa firmy zajmującej się doradzaniem w kwestii odnawialnych źródeł energii http://globenergia.pl/oferta/ (dostęp 08.09.2021r.)
5. European Heat Pump Association. Oficjalna strona internetowa stowarzyszenia do spraw pomp ciepła w Europie https://www.ehpa.org/ (dostęp 08.09.2021r.)
6. Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła. Oficjalna strona internetowa Polskiego stowarzyszenia do spraw pomp ciepła https://portpc.pl/ (dostęp 09.09.2021r.)