Pompy ciepła w systemach wykorzystania odnawialnych z
ródeł energii
Wykorzystanie ciepła ze z
ródeł odnawialnych jest jednym z nowoczesnych i efektywnych sposobów
poszanowania energii i ochrony środowiska. Problemy współczesnej energetyki, związane z malejącymi
zasobami paliw kopalnych i rosnącym zanieczyszczeniem środowiska, są rozwiązywane poprzez
promowanie i wdrażanie nowych technologii pozyskiwania i przetwarzania energii oraz poprzez
racjonalizację jej wykorzystania. Jedną z metod ograniczających zużycie tradycyjnych nośników energii
oraz zmniejszających emisję szkodliwych substancji do otoczenia jest wykorzystanie energii ze z
ródeł
odnawialnych, takich jak powietrze, grunt, wody powierzchniowe i gruntowe, za pomocą pomp ciepła.
Dodatkową zaletą pomp ciepła jest możliwość ich pracy w układzie odwracalnym, tj. jako urządzenie
ogrzewcze lub chłodzące. Eksploatacja pomp ciepła w trybie chłodzenia umożliwia częściową
klimatyzację pomieszczeń, a zatem podniesienie standardu komfortu cieplnego w pomieszczeniach
także w sezonie letnim.
Teoretyczne podstawy działania pomp ciepła są znane już od pierwszej połowy XIX wieku. Pierwszą
pompę ciepła skonstruowano ponad sto lat temu, zaś pierwsza, pracująca do dziś pompa ciepła w
Europie została zainstalowana w Szwajcarii w 1938 r. Następnie rozpowszechnienie pomp ciepła
zostało, z różnych względów, ograniczone aż do czasów wystąpienia tzw. kryzysów energetycznych.
Dopiero w 1976 r. w ramach Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IAE) powołano Komitet ds. Pomp
Ciepła, którego zadaniem była koordynacja działań w zakresie prac badawczo-rozwojowych związanych
z tymi urządzeniami. Natomiast od 1987 r. IAE prowadzi program mający na celu promowanie pomp
ciepła. Zgodnie z tym programem pompy ciepła mają stać się głównym systemem instalacji
budowlanych, łączącym ogrzewanie, chłodzenie, klimatyzację i wentylację pomieszczeń. Według
danych Europejskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła (EHPA) liczba pomp ciepła zainstalowanych w
budynkach mieszkalnych krajów członkowskich UE wynosi obecnie ok. 5,5 miliona sztuk, a według
prognoz liczba ta powinna wzrosnąć w 2010 r. do ok. 9 milionów sztuk.
Pompa ciepła stanowi obecnie dojrzały technicznie, oszczędny i przyszłościowy system ogrzewania,
który jest jednocześnie szczególnie przyjazny środowisku i zapewnia wysoki komfort użytkowania. W
większości krajów problem zastosowania pomp ciepła jest przedmiotem planowych działań wielu
rządów i organizacji międzynarodowych, zmierzających do racjonalizacji użytkowania paliw i energii
oraz ochrony środowiska, zgodnie z programem zrównoważonego rozwoju.
W ostatnich latach w Polsce obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania pompami ciepła. Jest to
spowodowane wzrostem cen surowców energetycznych, rozwojem i doskonaleniem konstrukcji różnych
systemów pomp ciepła oraz koniecznością ograniczenia zanieczyszczenia środowiska produktami
spalania paliw pierwotnych. Jednocześnie Polska, zgodnie z postanowieniami UE, musi znacznie
zwiększyć w krajowym bilansie energetycznym udział energii pozyskiwanej ze z
ródeł odnawialnych, co
wymaga szerszego zastosowania pomp ciepła.
Na polskim rynku działa ok. 40 producentów i dostawców pomp ciepła. W Polsce sprzedawanych jest
rocznie ok. 1000-1100 pomp ciepła, przy czym większość z nich (ponad 60%) to pompy z gruntowymi
wymiennikami ciepła (kolektory - wymienniki ciepła pionowe, poziome i spiralne). Przewaga
gruntowych pomp ciepła nad innymi rozwiązaniami wynika z korzystniejszych warunków ich
eksploatacji w naszym klimacie. Z badań U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) wynika, że
pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła zmniejszają zużycie energii o ponad 44% w
porównaniu z ?powietrznymi? pompami ciepła i o ponad 72% w stosunku do konwencjonalnych
urządzeń zasilanych energią elektryczną służącą do ogrzewania i klimatyzacji. Najbardziej efektywnym
pod względem energetycznym dolnym śródłem ciepła są kolektory pionowe. Wynika to z prawie stałej i
stosunkowo wysokiej temperatury wokół odwiertu już od głębokości 10 m i poniżej.
Obserwowana od kilku lat roczna dynamika sprzedaży pomp ciepła w naszym kraju wynosi ok. 25%. W
wielu krajowych zakładach rozpoczęto produkcję lub montaż pomp ciepła, które stają się coraz
popularniejszym śródłem ciepła, szczególnie w budownictwie rozproszonym i małych zakładach
przetwórczych. Niebawem seryjna produkcja pomp ciepła zostanie rozpoczęta w Grodzisku
Mazowieckim w firmie Danfoss.
Sprężarkowe pompy ciepła wytwarzane w kraju nie ustępują pod względem energetycznym,
funkcjonalnym i estetycznym wyrobom renomowanych firm zagranicznych przy znacznie niższej cenie.
Wiosną 2002 r. powstało Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła, które podjęło próbę skonsolidowania
rynku pomp ciepła w Polsce. Stowarzyszenie to uruchomiło Punkt Konsultacyjny Pomp Ciepła oraz dąży
do stworzenia bazy danych wykorzystania pomp ciepła w kraju.
Zagadnienia zastosowań pomp ciepła w Polsce zostały również usankcjonowane prawnie. Zgodnie z
ustawą z 10 kwietnia 1997 r. ?Prawo energetyczne? (DzU nr 54, poz. 348) pompy ciepła zostały
zaliczone do niekonwencjonalnych z
ródeł ciepła, które powinny być uwzględnione w planach
zagospodarowania przestrzennego gmin. Jednak nadal nie opracowano regulacji prawnych w postaci
rozporządzeń wykonawczych do tej ustawy w zakresie formalnych uwarunkowań budowy i eksploatacji
pomp ciepła, a głównie gruntowych z
ródeł ciepła niskotemperaturowego.
W ostatnich latach zbiór Polskich Norm został wzbogacony dużą liczbą norm PN-EN dotyczących
instalacji ziębniczych i pomp ciepła. Do głównych norm z tej dziedziny można zaliczyć:
# PN-EN 378-1:2002 łącznie ze zmianą PN-EN 378-1:2002: 2002/A1 - Instalacje ziębnicze i pompy
ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe,
definicje klasyfikacja i kryteria wyboru.
# W normie określono wymagania bezpieczeństwa i ochrony środowiska w zakresie projektowania,
konstrukcji, produkcji, montażu, eksploatacji, konserwacji i likwidowania instalacji ziębniczych i pomp
ciepła oraz ich wyposażenia, dotyczące w szczególności: - instalacji ziębniczych wszystkich wielkości,
stacjonarnych i przewośnych, w tym pomp ciepła; - systemów pośredniego ziębienia lub ogrzewania.
Podano klasyfikację i kryteria wyboru systemów ziębienia lub ogrzewania, klasyfikację pomieszczeń
oraz czynników ziębniczych wraz z ich doborem. PN-EN 378-2:2002 - Instalacje ziębnicze i pompy
ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 2: Projektowanie,
budowanie, sprawdzanie, znakowanie i dokumentowanie.
# W normie określono podstawowe wymagania bezpieczeństwa i ochrony środowiska instalacji
ziębniczych oraz ich wyposażenia. Określono zasady projektowania i budowania instalacji ziębniczych i
ich części składowych oraz stosowanych materiałów, łącznie z rurociągami. Przedstawiono wymagania
dotyczące badania, odbioru, znakowania i dokumentacji. PN-EN 378-3:2002 - Instalacje ziębnicze i
pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 3: Usytuowanie
instalacji i ochrona osobista.
# Norma dotyczy usytuowania instalacji (projekt rozmieszczenia instalacji i jej obsługi) oraz sprzętu
ochrony osobistej. PN-EN 378-4:2002 łącznie ze zmianą PN-EN 378-4:2002/A1:2002 - Instalacje
ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 4:
Obsługa, konserwacja, naprawa i odzysk.
Norma dotyczy wymagań bezpieczeństwa i ochrony środowiska w odniesieniu do obsługi, konserwacji,
naprawy instalacji ziębniczych oraz odzysku, ponownego użycia i niszczenia wszelkiego rodzaju
czynników ziębniczych. Wymagania te zmierzają do ograniczenia do minimum zagrożenia osób oraz
mienia i środowiska naturalnego, wynikającego z niewłaściwego obchodzenia się z czynnikami
ziębniczymi lub pochodzącego od zanieczyszczeń prowadzących do poważnego uszkodzenia instalacji i
w następstwie tego do emisji czynnika ziębniczego.
# PN-EN 255-1:2000 - Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie
elektrycznym. Funkcja grzania. Terminy, definicje i oznaczenia.
Norma została wycofana 15.11.2005 r. i zastąpiona normą PN-EN 14511-1:2004 (U).
# PN-EN 14511-1:2004 (U) - Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie
elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 1: Terminy i definicje.
# PN-EN 14511-2:2004 (U) - Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie
elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 2: Warunki badań.
# PN-EN 14511-3:2004 (U) - Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie
elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 3: Metody badań.
# PN-EN 14511-4:2004 (U) - Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie
elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 4: Wymagania.
Problem wykorzystania pomp ciepła, jako ekologicznego śródła ciepła na potrzeby budownictwa, znalazł
się również w Dyrektywie Europejskiej 2002/91/WE. Artykuł 5 tej dyrektywy zobowiązuje kraje
członkowskie do podjęcia działań niezbędnych do zapewnienia minimalnych wymagań charakterystyki
energetycznej, określonych w art. 4 w odniesieniu do budynków nowych. W przypadku budynków
nowych o łącznej powierzchni użytkowej powyżej 1000 m2 kraje członkowskie powinny zapewnić, aby
przed rozpoczęciem budowy były analizowane możliwości techniczne, środowiskowe i ekonomiczne
zastosowania takich alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię, jak: - zdecentralizowane
systemy dostawy energii oparte na energii odnawialnej, - skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i
ciepła, - ogrzewanie lub chłodzenie lokalne lub blokowe, jeśli jest dostępne, - pompy ciepła.
O efektywności pompy ciepła decyduje jakość energetyczna jej działania zdefiniowana jako stosunek
skutku działania pompy ciepła, tj. ilości ciepła użytecznego uzyskanego w skraplaczu, do nakładu, który
trzeba ponieść, aby ten skutek uzyskać, tj. do zużycia energii napędowej, najczęściej elektrycznej.
Jakość energetyczna działania pomp ciepła jest nazywana współczynnikiem wydajności grzejnej
(cieplnej). Wartość tego współczynnika zależy głównie od wymaganej temperatury zasilania odbiornika
ciepła (instalacji c.o., c.w.u. itp.) oraz temperatury śródła, z którego jest dostarczane ciepło do
parowacza pompy ciepła. Wymagana temperatura zasilania zależy przede wszystkim od rodzaju
instalacji c.o., który jest z kolei bezpośrednio związany z charakterystyką cieplną ogrzewanego
budynku, gdyż szczególne warunki eksploatacji pompy ciepła wymuszają stosowanie określonych
rozwiązań i to zarówno w odniesieniu do instalacji c.o., jak i charakterystyk cieplnych budynków.
Dotyczy to również instalacji pozyskiwania ciepła z dolnego śródła (ciepła niskotemperaturowego).
Błędnie zaprojektowana lub wykonana instalacja pozyskiwania tego ciepła, szczególnie w postaci tzw.
wymiennika gruntowego, może niekiedy całkowicie uniemożliwić eksploatację pompy ciepła i narazić jej
użytkownika na duże straty finansowe.
Obecnie nowoczesne pompy ciepła są dostarczane jako zwarte i gotowe do pracy zespoły, wymagające
jedynie przyłączenia do instalacji odbiorczych, instalacji pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego
oraz zasilania w energię napędową. Projektantowi instalacji pozostaje jedynie dobór odpowiedniego,
dostosowanego do warunków lokalnych, systemu pompy ciepła oraz jej mocy cieplnej zależnej od
potrzeb cieplnych ogrzewanego obiektu i systemu pracy (układ mono- lub biwalentny).
Charakterystyka sprężarkowych pomp ciepła w aspekcie wykorzystania
odnawialnych z
ródeł energii
W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego, tj. proces pobierania ciepła ze
śródła o temperaturze niższej To i przekazywania go do śródła o temperaturze wyższej Tg (rys. 1).
Rys. 1. Zasada działania pompy ciepła: a - pompa podnosząca ciecz, b - pompa ciepła, c - spiętrzenie
temperatury czynnika roboczego w pompie ciepła
Pompa ciepła jest zatem urządzeniem, które przekształca wykonaną na jego korzyść pracę w ciepło,
przy czym stosunek skutku działania urządzenia do nakładu, który trzeba ponieść doprowadzając
energię napędową, jest zgodnie z prawem zachowania energii zawsze większy od jedności. Ponieważ
stosunek ciepła przejętego z otoczenia do ciepła powstającego z przekształcenia energii napędowej jest
tym większy, im temperatura To jest bliższa temperaturze Tg (odbiornika ciepła użytecznego -
instalacji c.o., c.w.u.), to efektywność pompy ciepła jest tym wyższa, im mniejsze są wymagania co do
wartości temperatury Tg. Podstawowe zadanie pompy ciepła, tj. przenoszenie ciepła ze śródła dolnego
o niższej temperaturze do śródła o wyższej temperaturze (rys. 1) może być urzeczywistnione różnymi
sposobami (rys. 2).
Obecnie najczęściej w praktyce jest wykorzystywany do tego celu lewobieżny obieg parowy (identyczny
z obiegiem chłodziarki parowej, lecz realizowany w innym przedziale temperatury). Minimalne zużycie
energii napędowej koniecznej do transformacji ciepła z poziomu temperatury To na poziom Tg wystąpi
wtedy, gdy zmiana entropii układu złożonego ze z
ródeł będzie równa zero.
Zmiana entropii wyniesie zatem (rys. 3c)
Ponieważ
oraz
zatem
Przekształcając równanie otrzymuje się
Wprowadzając pojęcie współczynnika wydajności grzejnej j zdefiniowanego wzorem
W normie PN-EN 14511-1:2004 (U) współczynnik wydajności grzejnej ? jest określony jako
efektywność grzewcza i oznaczony COP (skrót od Coefficient of Performance). Gdy: L = Lmin, wtedy ?
= ?max
Wyrażenie (7) określa współczynnik wydajności grzejnej obiegu Carnota wstecz ?c, tj. obiegu
termodynamicznego złożonego z dwóch izoterm i dwóch adiabat, w którym wymiana ciepła ze z
ródłami
zachodzi w warunkach stałej temperatury...
Rys. 3. Sprężarkowa pompa ciepła: a) ideowy schemat instalacji: 1 - agregat sprężarkowy, 2 -
parowacz, 3 - zawór rozprężny, 4 - skraplacz; b) zmiany fazy czynnika roboczego w instalacji pompy
ciepła; c) wykresy obiegu teoretycznego w układach współrzędnych: ciśnienie - entalpia właściwa p-h
oraz temperatura ? entropia właściwa T-s (punkty oznaczają stan czynnika wg rys. b)
Sprężarkową pompę ciepła stanowi instalacja złożona z następujących elementów:
# hermetycznego lub półhermetycznego agregatu sprężarkowego (sprężarka grzejna) z elektrycznym
silnikiem napędowym lub sprężarki dławnicowej napędzanej silnikiem elektrycznym, gazowym lub
spalinowym;
# wymienników ciepła: skraplacza, parowacza i ewentualnie wymiennika regeneracyjnego w układzie
dochładzania ciekłego czynnika roboczego;
# sieci przewodów czynnika roboczego;
# urządzeń regulacyjno-zabezpieczających.
Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła jest mniejszy niż w obiegu Lindego
(teoretyczny) z powodu strat występujących w poszczególnych elementach urządzenia. Główną
przyczyną tych strat jest nieodwracalność procesów wymiany ciepła zachodzących pomiędzy z
ródłami i
czynnikiem roboczym, straty spowodowane oporami przepływu oraz straty zachodzące w rzeczywistym
procesie sprężania pary czynnika roboczego.
Marian RUBIK