Pompa ciepła wykorzystuje niskotemperaturowa energię słoneczną zakumulowaną w gruncie i wodach podziemnych tzw. dolne źródło ciepła i przekazuje energie cieplną o wyższej temperaturze, podniesionej nawet do +60°C do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej (górne źródło ciepła). Energia słoneczna ogrzewa wierzchnie warstwy ziemi w okresie wiosenno –letnim, natomiast pompa ciepła potrafi wykorzystać te energie również w okresie zimowym, gdy zapotrzebowanie na nią jest największe. Powłoka ziemi jako dolne źródło ciepła stanowi zatem swego rodzaju akumulator energii słonecznej pozwalający przechować ja do okresu zimowego. Pompa ciepła, dzięki zachodzącym w niej procesom, umożliwia efektywne wykorzystanie tego ciepła, gdyż energia z poziomu temperaturowego np. +4 °C do +8°C przenoszona jest na poziom użyteczny najczęściej +50°C.
Jak to się dzieje?
ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA
1 - sprężarka
2 - skraplacz
3 - parownik
4 - zawór rozprężny
5 - dolne źródło ciepła
6 - górne źródło ciepła
Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego - specjalnego płynu wypełniającego instalację wewnętrzną pompy ciepła. Czynnik roboczy przepływający przez wymiennik ciepła tzw. parownik (3) ogrzewa się od płynu wypełniającego instalacje dolnego źródła ciepła (5) i parując zamienia się w gaz. Czynnik roboczy w postaci gazowej trafia do sprężarki (1), gdzie w wyniku kompresji znacznie wzrasta jego temperatura. Następnie przegrzana para ochładza się i skrapla w wymienniku ciepła, tzw. skraplaczu (2), podczas oddawania ciepła wodzie wypełniającej instalacje górnego źródła ciepła, czyli centralnego ogrzewania i cieplej wody użytkowej (3). Po zredukowaniu wysokiego ciśnienia w zaworze rozprężnym (4), czynnik roboczy wraca do parownika i cały proces rozpoczyna się ponownie.
Ekonomia eksploatacji
Przedstawiony poniżej wykres obrazuje koszt uzyskania 1GJ energii z rożnych źródeł. Jak widać na wykresie i jak uczy nasze doświadczenie praktyczne nadal ( mimo zmian cen ) najtańszym konwencjonalnym źródłem energii cieplnej pozostaje węgiel. Niespodzianka jest następny słupek. Okazuje się ze ogrzewanie pompa ciepła jest tańsze od węgla o ok. 20 oraz o ponad o polowe od gazu ziemnego. Rożnica do pozostałych źródeł energii jest jeszcze bardziej wyraźna.
Dlaczego tak się dzieje ?
Jak opisaliśmy poprzednio pompa ciepła wykorzystuje energię zgromadzoną w ziemi – która jest bezpłatna. Dopiero energia zużywana do pracy urządzenia odzyskującego energie z gruntu wpływa na nasz rachunek. Energia ta napędza jedynie prace sprężarki pomp obiegowych znajdujących sie w pompie ciepła. Zatem jeśli w rachunku ekonomicznym pominiemy ciepło ziemi ( gdyż za niego nie płacimy) okazuje się ze pompa ciepła zużywając 1kWh energii elektrycznej dostarcza nam przeciętnie 3-4 kWh energii cieplnej. Stad bilans kosztów ogrzewania wygląda tak zachęcająco.
Współczynnik ten nazywany jest współczynnikiem efektywności i oznaczany jako COP=Ec/Ee
Gdzie: Ec- energia cieplna uzyskana
Ee- energia elektryczna zużyta
Nie należny mylić go ze sprawnością gdyż licząc prawidłowo sprawność urządzenia należałoby uwzględnić energie uzyskaną z ziemi
n= Ec/(Ee+Ez) gdzie Ez –energia uzyskana z ziemi.
Ponieważ za energie pozyskana z gruntu nie płacimy COP osiąga zwykle wartości 300-400% i ma charakter bardzo poglądowego wskaźnika ekonomicznego w przeciwieństwie do technicznej sprawności.
Zdjęcie kotłowni z pompa ciepła w Wielkiej Wsi k/ Tarnowa, skąd pochodzę przedstawione powyżej wyniki pomiarów. Poniżej schemat zastosowanej instalacji :
COP jest tym wyższe im niższa jest temperatura w obiegu c.o. oraz im wyższa jest temperatura dolanego źródła. Zatem np. stosując ogrzewanie podłogowe lub ścienne o temp obiegu 35 °C a jednocześnie wykorzystując wodę ze studni o temp +10-12°C jako dolne źródło ciepła możemy uzyskać COP na poziomie 500-600%Na wysokiej efektywności pompy ciepła nie kończą się jej zalety ekonomiczne. Nie wymaga ona zakupu paliwa np. węgla na zimę, co wiąże się z pewnym prefinasowaniem ( najpierw np. we wrześnio wydajemy pieniądze na węgiel na cała zimę a potem go dopiero zużywamy). Bardzo skromne rachunki za energie elektryczną dostajemy dopiero po zużyciu. Oszczędza się tez prace związana z rozładowaniem i składowaniem węgla, obsługą kotła (ładowanie węglem, wynoszenie popiołu). W przeciwieństwie do jakichkolwiek kotłów pompa ciepła nie wymaga komina, co jest pewna oszczędnością miejsca w budynku, które można przeznaczyć na inne cele oraz kosztów budowy. Warto tu podkreślić, ze brak jakichkolwiek wyziewów z komina odróżnia pompę ciepła od najczęściej stosowanych kotłów: gazowych, węglowych, olejowych itd. I stanowi o jej zaletach w ekologii. Pompa ciepła nie zatruwa w najmniejszy nawet sposób środowiska naturalnego. Do pracy pompy oprócz dolnego źródła ciepła, czyli np. gruntu, wystarczy energia elektryczna, co tez jest pewną zaletą w stosunku do gazu ziemnego, który nie wszędzie jest dostępny. Niedawno prasa podała o zelektryfikowaniu ostatniej w Polsce osady bez prądu w górach kolo Bielska- Białej, dlatego właśnie można założyć ze z dostępnością energii elektrycznej nie ma problemu. Tam gdzie gaz również jest dostępny, pozostaje zaleta ekonomiczna- jedno przyłącze do budynku ( prąd ), jedna opłata przyłączowa - zamiast dwóch za gaz i prąd.Jeśli już jesteśmy przekonani do zalet korzystania z energii płynącej z instalacji z pompa ciepła, zastanówmy się, co jest do tego potrzebne.
Z czego składa się instalacja z pompą ciepła?
Pierwsza myśl jest oczywista: z pompy ciepła. Pompę kupuje się jako całość. Nalepy ją dobrać do zapotrzebowania energii w budynku. Dodatkowo należny zaopatrzyć się w pozostałe elementy węzła cieplnego wg projektu. Warto pamiętać przy tym, ze pompa ciepła powinna współpracować nie tylko ze zbiornikiem centralnej cieplej wody użytkowej, ale tez ze zbiornikiem buforowym w obiegu centralnego ogrzewania. Bufor taki zapewnia bardziej płynna prace pompy ciepła, co wpływa dodatnio na jej trwałość i sprawność. Najwięcej pytań budzi na ogól tajemnicze sformułowanie: dolne źródło. Warto się przy nim zatrzymać na chwile, gdyż prawidłowe jego wykonanie wpływa nie tylko na działanie samej pompy ale i na. koszt inwestycji.
Najczęściej stosowane instalacje dolnego źródła ciepła
Studnie pozwalające na pozyskiwanie energii z wód gruntowych. Stala temperatura wód od +8 oC do +12 o predysponuje to źródło do wykorzystania ze względu na wysoką roczną zdolność grzewczą. Woda po schłodzeniu o 4oC w pompie ciepła zostaje odprowadzona do drugiej studni chłonnej oddalonej o około 15 m.
Ten sposób wykonania instalacji dolnego źródła jest najtańszy, a jednocześnie bardzo efektywny zważywszy, ze woda ze studni ma zwykle temperaturę wyższa od gruntu co wpływa na COP w sposób uprzednio opisany.
Studnia musi zapewniać wystarczająca wydajność wody – w przeciwnym razie jej brak doprowadzi do zatrzymania pracy pompy ciepła i zostaniemy bez ogrzewania.
Zatem w przypadku, gdy nie można uzyskać odpowiedniej ilości wody ze studni stosujemy inne rozwiązania:
Kolektor gruntowy poziomy to rury polietylenowe, wewnątrz których krąży płyn niezamarzający transportujący ciepło. Polietylenowy płaszcz wyklucza możliwość powstania korozji. Kolektor ten okłada się w gruncie poniżej strefy przemarzania. Powierzchnia ułożenia kolektora jest ok. 2 do 2,5 razy większa od powierzchni ogrzewanego budynku
Na zdjęciach przykłady realizacji kolektora gruntowego poziomego.
Kolektor gruntowy pionowy wykonany jest jako wymiennik w kształcie litery U z polipropylenowych rur wypełnionych niezamarzającym płynem. Umieszcza się go w pionowych odwiertach o głębokości od 15 do 100 m. średnia odległość miedzy odwiertami wynosi około 4 m.
Układ sterujący:
Pompa ciepła wyposażona jest w sterownik zapewniający wysoki komfort użytkowania. Poprzez zastosowanie odpowiedniej aplikacji, pompa ciepła ma możliwość dostosowania się do danego obiektu, obniżając koszty eksploatacji do minimum, spełniając przy tym wszystkie wymogi współczesnych regulatorów. Regulator pompy ciepła umożliwia jednoczesne sterowanie kilkoma okładami, w tym: obiegiem centralnego ogrzewania, ciepła woda użytkowa, woda lodowa, okładem ogrzewania podłogowego, dodatkowym obiegiem grzewczym, okładem dezynfekcji cieplej wody użytkowej, dodatkowym źródłem ciepła, okładem pomp ciepła w kaskadzie i okładem solarnym.
Wyposażenie standardowe:
- pompa ciepła z wbudowanym mikroprocesorowym regulatorem
- sterowanie podstawowym układem instalacji ogrzewania i przygotowania cieplej wody użytkowej
- cyrkulacji cieplej wody użytkowej oraz źródłem biwalentnym.
Wyposażenie dodatkowe:
- czujniki temperatury co, cwu, zewnętrznej i wewnętrznej
- sterowanie dodatkowymi układami grzewczymi i chłodzenia wraz z czujnikami temperatury i stycznikami pomocniczymi.
Przykłady instalacji pomp ciepła - odzysk ciepła odpadowego
Energia odpadowa z procesów technologicznych jest najbardziej ekonomicznym dolnym źródłem ciepła. W zakładach produkcyjnych często występuje potrzeba jednoczesnego chłodzenia i ogrzewania. Zastosowanie pompy ciepła pozwala równocześnie dostarczyć energie do ogrzewania i obsłużyć procesy chłodnicze.
Przykładowe gałęzie przemysłu, w których są stosowane pompy ciepła:
- zakłady tworzyw sztucznych,
- mleczarnie,
- oczyszczalnie ścieków,
- przetwórstwo mięsa,
- zakłady wydobywcze (wykorzystanie ciepła z wód kopalnianych)
Przykład poniżej to zakład produkujący puszki i korytka elektrotechniczne. Produkcja odbywa się z tworzywa sztucznego. Zakład używa obrabiarek chłodzonych cieczą:
Temp cieczy chłodniczej wynosi ok. 30oC. Przy 40oC brak chłodzenia blokuje produkcje. Sytuacje takie zdarzały się w zakładzie latem przy pełnym obciążeniu produkcją zakładu. Aby rozwiązać problem, stosujemy pompę ciepła. Jako dolne źródło wykorzystujemy zbiornik z cieczą chłodnicza z obrabiarek.
Po zastosowaniu pompy ciepła temperatura cieczy chłodniczej spada do ok. 12 oC, a odzyskanym ciepłem w zimie ogrzewamy magazyn. W lecie nadmiar ciepła jest odprowadzany na zewnątrz. Może tez służyć do ogrzewania centralnej wody użytkowej. Uzyskaliśmy zatem nie tylko poprawę warunków produkcji, ale wykorzystujemy ciepło odpadowe ogrzewając magazyn zima bez dodatkowych kosztów.
Zdjęcie po lewej stronie pokazuje temp 54oC w obiegu C.O. Po prawej stronie okład pompy ciepła ze zbiornikiem buforowym.
Można zatem wymienić efekty ekonomiczne i ekologiczne takiego rozwiązania:
• Produkcja odbywa się bez przeszkód ( wzrost wydajności pracy)
• Prawie zerowy koszt ogrzewania magazynu (ciepłem odzyskanym z produkcji)
• Brak jakichkolwiek problemów z paliwem, odpadami i emisja powstających pyłów w porównaniu z ogrzewaniem magazynu innymi metodami
Przy tej okazji warto zauważyć, ze pompa ciepła może służyć również do chłodzenia. Wystarczy do tego celu odwrócić cykl pompy i chłodzić pomieszczenia a zbędne ciepło odprowadzać na zewnątrz. Tak pracują lodówki i klimatyzatory, które często eksploatujemy nieświadomi tego, ze wyposażone są w pompę ciepła.
mgr inz. Tomasz Sumera
Osrodek Innowacji NOT w Tarnowie
Źródło: Fundacja Poszanowania Energii w Gdańsku