POMPY CIEPŁA JAKO

ODNAWIALNE ŹRÓDŁO

CIEPŁA

Opracowali:

Rafał Majewski

Honorata Tchórz

Monika Urbańska

Przemysław Tchórz

Artur Szombara

Tomasz Fitak

Jacek Jarno

Piotr Malec

Krzysztof Małek

Rafał Nowak

Rafał Pinda

Jakie znaczenie ma dla nas energia? Można by

pomyśleć, że na to z pozoru proste pytanie da się

odpowiedzieć jednym zdaniem, lecz czy kiedykolwiek

zastanawialiśmy się, ile zużywamy energii. Nawet nie

zdajemy sobie sprawy, że wszystko, co nas otacza,

wszystko, co stworzyła nasza cywilizacja jest zasilane

w ten czy w inny sposób.

Wraz ze zwiększeniem komfortu życiowego wzrasta

zapotrzebowanie na energię, a tej niestety zaczyna

brakować. Coraz częściej słyszy się o rabunkowym

eksploatowaniu zasobów naturalnych, jakimi

obdarowuje nas nasza planeta, również względy

ekologiczne zaczynają mieć coraz większy wpływ na

rozwój technologii wykorzystujących

niekonwencjonalne źródła energii.

WSTĘP

Za niekonwencjonalne uznawane są te źródła energii,

które nie wykorzystują ograniczonych paliw

kopalnych: węgla kamiennego i brunatnego, ropy

naftowej, gazu ziemnego i ich pochodnych. Źródła

takie przetwarzają energię rzek, wiatru, biomasy i

promieniowania słonecznego.

Jednak urządzenia takie jak pompy ciepła czy kolektory

słoneczne z powodzeniem są stosowane w wielu

domach jednorodzinnych. I chociaż wciąż jeszcze nie

można mówić o ich popularności, to oferta rynkowa

tych urządzeń jest spora i wciąż się poszerza. To

wszystko za sprawą coraz większego zainteresowania

ze strony społeczeństwa, które pomijając walory

ekologiczne widzi w nich przede wszystkim bardzo

duże możliwości związane ze zmniejszeniem kosztów

eksploatacji budynków mieszkalnych.

Pompa ciepła większą część energii niezbędnej do

ogrzania budynku czerpie z promieniowania

słonecznego, tyle tylko, że nie bezpośrednio a jedynie

za pośrednictwem nośnika, jakim właśnie może być

powietrze, woda czy grunt. Dzięki temu zaledwie

jedna czwarta energii niezbędnej do pokrycia

zapotrzebowania na ciepło danego budynku musi być

dostarczona przez nas. Tak więc prawidłowo dobrana

gruntowa pompa ciepła, aby wytworzyć 10kW mocy

grzewczej potrzebuje dostarczenia około 2,5kW

energii elektrycznej. Pozostałą część, tj. około 7,5kW

pompa pobierze z gruntu, w którym ciepło z

promieniowania słonecznego zostało uprzednio

zakumulowane.

Pompa ciepła stanowi doskonałą alternatywę

zarówno dla tradycyjnych przestarzałych kotłów jak i

dla tych nowszych. Ogromną zaletą pompy ciepła

jest fakt, że może być ona ustawiona w zasadzie w

dowolnym miejscu, nie wymaga podłączenia do

komina, nie trzeba zachować żadnych norm

dotyczących wentylacji a przede wszystkim jest

całkowicie czysta, tak więc ustawienie jej w suszarni,

czy w garażu nie narazi nas na dodatkowe

niewygody.

►

Już w 1852 roku W. Thomson (alias Lord

Kelvin), przedstawił podstawy teoretyczne

pomp ciepła, a wyniki badań skonstruowanej

przez siebie pompy ciepła opublikował w 1898

roku w Balsberg (Niemcy). Pompa ta była

wykorzystywana do warzenia soli.

►

W 1914 roku w Szwajcarii pompa ciepła była

używana w farbiarni do zatężania ługu

sodowego.

►

Pierwszą instalację z pompą ciepła do

ogrzewania domu zbudowano w 1928 roku.

Instalacja ta oparta była na amoniakalnym

urządzeniu sprężarkowym

TROCHĘ HISTORII

W pełni eksploatowane w sposób ciągły pompy ciepła

zaczęły powstawać w latach trzydziestych, najpierw

w Stanach Zjednoczonych, później w Europie,

głównie w Szwajcarii. Były to urządzenia o dużych

mocach: od kilkudziesięciu kilowatów do kilku

megawatów.

I tak: w 1931 roku w Los Angeles o wydajności 1,05

[MW] ogrzewany był biurowiec, w roku 1938 w

Zurychu, o mocy 175 [kW] ogrzewany był ratusz a od

1941 tamtejsza Politechnika. Również podczas II

wojny światowej pompy ciepła były wykorzystywane

np. do odsalania wody morskiej. W niemieckich i

angielskich łodziach podwodnych pompy ciepła

montowano do ogrzewania i osuszania powietrza.

Ekspansja pomp ciepła do ogrzewania domów

jednorodzinnych nastąpiła w Stanach

Zjednoczonych w latach czterdziestych.

Urządzenia o małej mocy były wykorzystywane w

zimie do ogrzewania a w lecie jako urządzenie

klimatyzacyjne. Pompy ciepła znajdują coraz

szersze zastosowanie na całym świecie. W

Europie najwięcej jest w Niemczech i Szwecji.

Według szacunkowych danych na całym świecie

jest zainstalowanych ponad 60 milionów pomp

ciepła.

PODZIAŁ POMP CIEPŁA

►

urządzenia ziębnicze parowe z odprowadzaniem i

skraplaniem czynnika roboczego; para może być

sprężana mechanicznie, termicznie lub na zasadzie

efektu strumieniowego,

►

urządzenia ziębnicze gazowe, sprężarkowe,

►

urządzenia oparte na efekcie termoelektrycznym.

Prócz tego mogą być stosowane pompy ciepła

wykorzystujące ciepło reakcji chemicznych, oparte na

efekcie elektrodyfuzji oraz magnetyczne, pompy

sorpcyjne.

WIADOMOŚCI

OGÓLNE

Podział ze względu na sposób dostarczenia energii

Najbardziej rozpowszechnioną grupą pomp ciepła są

pompy sprężarkowe, w których praca mechaniczna

musi być dostarczana z zewnątrz bezpośrednio na wał

sprężarki; stosowane są najczęściej. Sprężarkowe

pompy ciepła, w zależności od rodzaju czynnika oraz

sposobu realizowania termodynamicznego obiegu,

mogą być modyfikowane na wiele sposobów:

►

sprężarkowa z czynnikiem jednoskładnikowym,

►

sprężarkowa z czynnikiem dwuskładnikowym,

►

sprężarkowa z obiegiem gazowym,

Pompa z czynnikiem jednoskładnikowym

Zasada działania tej pompy ciepła, zgodnie z jej schematem
przedstawionym na rys. a, jest następująca. Jednoskładnikowa
para czynnika 1 sprężana jest od stanu 1 do stanu 2 i wpływa
do skraplacza, gdzie kondensuje przy stałym ciśnieniu i
temperaturze. Procesowi temu towarzyszy wydzielanie
wysokotemperaturowego ciepła w górnym źródle ciepła.
Wypływająca z kondensatora ciecz o stanie 3 po rozprężeniu
w zaworze, już jako mieszanina dwufazowa (para-ciecz) 4
wpływa do parownika, gdzie w warunkach izobaryczno-
izotermicznych pobiera niskotemperaturowe ciepło z dolnego
źródła i przechodzi w parę 1. Termodynamiczne przemiany
czynnika przebiegają w tej pompie zgodnie z teoretycznym
obiegiem Lindego, przedstawionym na rys. b.

a) schemat, b) termodynamiczny obieg pompy (obieg Lindego) przedstawiony w
układzie współrzędnych temperatura-entropia, gdzie K jest punktem krytycznym
czynnika

Pompa z czynnikiem dwuskładnikowym

Schemat instalacji przedstawia rys. a. Pary czynnika 1 po

sprężeniu 2 ulegają schłodzeniu do pojawienia się pierwszych

kropel, stan 2'. Kondensacja mieszaniny 2* trwa aż do zaniku

ostatnich pęcherzy pary 3'. Skroplona ciecz 3 po rozprężeniu w

zaworze w postaci pary i cieczy 4 wpływa do parownika, gdzie

zamienia się na parę 1.

a) schemat, b) obieg termodynamiczny pompy, c) teoretyczny obieg Lorenza

Obieg ten rys. b jest bliższy idealnemu obiegowi Lorenza rys. c i w
związku z tym jest bardziej sprawny niż obieg Lindego realizowany w
poprzedniej pompie.

Pompa ciepła z obiegiem gazowym

Efektywność pompy ciepła z obiegiem gazowym jest znacznie

mniejsza, niż z obiegiem parowym i dlatego w celu zwiększenia

tej efektywności, zamiast zaworu rozprężającego, należy

zastosować rozprężarkę, pracującą na jednym wale ze sprężarką.

Obieg gazowej pompy ciepła porównywalny może być z

teoretycznym obiegiem Joule'a

a) schemat ideowy, b) teoretyczny obieg termodynamiczny

Mniej popularny rodzaj pomp to pompy

sorpcyjne:

Urządzenia te charakteryzują się dużą niezawodnością

działania, ze względu na brak elementów ruchomych.

Są ciche i nie powodują wibracji instalacji. Oznaczają

się wysoką sprawnością wykorzystania pierwotnej

energii. Pompy te stosowane są przeważnie tam, gdzie

istnieje możliwość wykorzystania energii odpadowej.

►

absorpcyjne pompy ciepła,

►

transformatory ciepła,

►

resorpcyjne pompy ciepła,

Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężarką mechaniczną

Zasada działania tej pompy jest podobna do sprężarkowej pompy ciepła, a

różnica polega na tym, że zamiast parowania i kondensacji czynnik zmienia

stan skupienia na drodze desorpcji i resorpcji. Para czynnika 1 jest sprężana

2 i wpływa do absorbera, gdzie przy podwyższonym ciśnieniu zachodzi

resorpcja w roztworze „ubogim" 3'. Roztwór „bogaty" 3 przez wymiennik i

zawór rozprężny wpływa do desorbera 4, gdzie jako dwuskładnikowa i

dwufazowa mieszanina czynnika roboczego i sorbentu 4' ulega rozdziałowi

na sorbent 5, pompowany do absorbera, i pary czynnika 1. Współczynnik

efektywności tej pompy jest wyższy niż sprężarkowej, gdyż procesy desorpcji

i resorpcji, w przeciwieństwie do kondensacji i wrzenia, nie zachodzą

izotermicznie

Resorpcyjna pompa ciepła ze sprężaniem sorpcyjnym

czynnika

Schemat, zasadę działania oraz przebieg procesów termodynamicznych

w układzie (T, s) tej pompy przedstawia rys. i b. Z analizy schematów,

obiegów i zasady działania pompy resorpcyjnej z sorpcyjnym

sprężaniem czynnika wynika, że jest to zmodyfikowana pompa

resorpcyjna, w której realizowany jest właściwy obieg pompy (1,2,3, 4).

Jej modyfikacja polega na wykorzystaniu do sprężenia par czynnika,

zamiast sprężarki mechanicznej, silnika cieplnego o

termodynamicznym obiegu 5, 6, 7, 8 zastosowanego w pompie

absorpcyknej.

Pompy ciepła są urządzeniami z grupy tzw.

urządzeń energii odnawialnej. Pobór ciepła przez

pompę ciepła następuje z powietrza lub ziemi, z

zewnątrz budynku. Następnie kumuluje je do

odpowiedniej wysokości i przekazuje do

wymiennika ciepła. Pozyskana energia

wykorzystana jest do ogrzania wody użytkowej lub

budynku. Stosunek energii włożonej do energii

uzyskanej jest prawie jak 1:5. Energia włożona to

energia elektryczna potrzebna do napędzania

sprężarki pracującej w pompie.

SCHEMAT DZIAŁANIA

W przypadku pomp z kolektorem gruntowym

użytkownik jest całkowicie niezależny od

warunków pogodowych.

Powietrzne pompy ciepła mogą pracować

wydajnie do temperatury zewnętrznej powietrza

minus 15°C. W wypadkach, gdy temperatura na

zewnątrz budynku spada poniżej minus 15°C

pompy automatycznie wyłączają się i załącza się

inne źródło ogrzewania. Układ jest sterowany

elektronicznie i posiada wysoką niezawodność.

Przy zastosowaniu pomp ciepła koszty ogrzewania

budynku lub wody użytkowej są zdecydowanie

mniejsze w stosunku do tradycyjnych metod

ogrzewania (kotły gazowe, olejowe) i zredukowane

są o około 50-80%. Można, zatem mówić o zwrocie

kosztów zakupu pomp. Szacuje się, iż okres ten

może wynieść od 4-9 lat użytkowania urządzeń a

jest tym krótszy im więcej jest zużywanej energii.

Dodatkową zaletą pompy ciepła jest odwrócenie jej

działania w okresie letnim i możliwość schładzania

pomieszczeń mocno nasłonecznionych. Stosowanie

pomp ciepła jest nie tylko uzasadnione

ekonomicznie, ale i ekologicznie. Ograniczają one

zużycie zasobów kopalń wykorzystując naturalną

energię przyrody i nie degradują środowiska

spalinami.

ZAKRES STOSOWANIA POMP CIEPŁA

Sprężarkowe pompy ciepła posiadają ograniczone

parametry pracy. Wynika to z rodzaju

zastosowanego w obiegu wewnętrznym czynnika

oraz technicznych parametrów sprężarki. Dla

sprężarkowych pomp można przyjąć następujące

zakresy temperaturowe dolnego i górnego źródła

ciepła:

►

dolne źródło ciepła: -7

C do 25

►

górne źródło ciepła: 25

C do 60

DOLNE ŹRÓDŁA CIEPŁA

Parametry, które określają ilościowo dolne źródło ciepła

to:

►

temperatura źródła,

►

zawartość ciepła, i jej zmiany w czasie.

Natomiast od strony technicznej istotne są:

►

możliwość ujęcia

►

pewność eksploatacji.

Wśród źródeł naturalnych można

wymienić:

►

Wody powierzchniowe

Energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z

wymiany ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym

i gruntem. Ponieważ temperaturę wody w rzece kształtuje

wymiana ciepła z otoczeniem, poboru energii można

dokonywać wielokrotnie na długości rzeki. Wadą wód

powierzchniowych jako dolnego źródła są problemy z poborem

energii w okresach niskich temperatur oraz przy minimalnych

przepływach, a także występowanie oblodzenia. Z uwagi na

zanieczyszczenie wód powierzchniowych z reguły wymagane

jest stosowanie wymienników pośrednich i odpowiednich

układów filtrujących, a to zmniejsza efektywność energetyczną

pomp ciepła i podnosi koszty inwestycyjne.

►

Wody podziemne

Stanowią źródło o dobrej koherentności i łatwej

dostępności. Charakteryzują się małymi zmianami

temperatur w ciągu roku i dla warunków

klimatycznych Polski wynoszą przeważnie 5-12

Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do

parownika, a przy dużym zasoleniu może być

zastosowany pośredni wymiennik ciepła.

Najczęstszym rozwiązaniem jest system dwóch lub

większej liczby studni: jednej czerpalnej i jednej lub

kilku zrzutowych. Studnia czerpalna służy do poboru

wody gruntowej, druga do odprowadzania wody

schłodzonej. Głębokość studni w typowych warunkach

geologicznych wynosi 6 – 30 m (na wykonanie

głębszej studni potrzebne jest zezwolenie wodno –

prawne). Odległość między studnią czerpalną i

studnią zrzutową powinno wynosić minimum 15m,

aby nie dopuścić do zmieszania się wody chłodnej z

wodą czerpalną. System woda – woda jest najtańszym

rozwiązaniem, jednak nie zawsze warunki

geologiczne są korzystne dla tego systemu.

►

Zalety:

- niska zależność pogodowa
- mała dewastacja terenu
- niskie opory hydrauliczne, a więc niskie koszty pompowania

glikolu

- niskie koszty dolnego źródła przy istniejących zasobach wodnych

►

Wady:

- wysokie wymagania co do jakości wody (żelazo, mangan,

twardość wody)

- wysokie koszty wykonania studni
- ograniczony czas eksploatacji studni czerpalnej i zrzutowej (15-

20 lat)

Przybliżona cena wykonania układu dwóch studni:

Cena budowy systemu dwóch studni dla pompy ciepła o mocy

grzewczej

2 - 20 kW zwykle wynosi 4 000zł. W cenie zawiera się wywiercenie

2 studni o głębokości 15 metrów i pompa samozasysająca

►

Grunt

Może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp

ciepła o stosunkowo niewielkich wydajnościach

cieplnych. Energia cieplna jest akumulowana w około

10-cio metrowej warstwie gruntu. Przyjmuje się, że na

tej głębokości temperatura jest równa średniorocznej

temperaturze powietrza i wynosi dla naszych

warunków klimatycznych ok. 7-8

C. Z uwagi na koszty

inwestycyjne poziome wymienniki gruntowe układa

się na głębokości 1-2 m. Na tym poziomie

temperatura gruntu zmienia się sinusoidalnie w skali

roku i wynosi ok. 11-17

C w lecie

i 1-5

C w zimie. Wartości odchyleń temperatury od

wartości średniorocznej zależą od właściwości

fizycznych gleby

i głębokości.

Kolektor gruntowy poziomy

Wykonywany jest z poziomo

ułożonych rur wypełnionych

wodnym roztworem glikolu,

denaturatu.

Rury układane są na głębokości

1,2-1,5 m poniżej poziomu

terenu w rozstawie 0,5-1 m. Do

jednego wykopu można włożyć

do 4 rur, przy czym pionowy

odstęp pomiędzy rurami nie

powinien być mniejszy niż 30

cm. Roztwór glikolu, który krąży

w rurach ogrzewa się od gruntu

transportuje pobrane ciepło do

pompy ciepła.

W parowniku pompy ciepła

następuje odebranie ciepła

roztworu glikolu - jego

ochłodzenie

Jeżeli użytkownik dysponuje stawem lub jeziorem, można

wykorzystać je jako źródło ciepła. W znacznym stopniu

minimalizuje się wówczas koszty inwestycji, w porównaniu z

kosztami związanymi z robotami ziemnymi. Wężownicę z rur

polietylenowych w prosty sposób można umieścić na dnie

stawu lub jeziora. W większości wypadków wystarczają stawy

o powierzchni 1000-2000 m² i minimalnej głębokości 1,5 –

2,5m

Kolektor gruntowy spiralny

Kolektor spiralny działa na podobnej zasadzie jak

kolektor płaski. Sekcje kolektora mają postać

spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości 10-

15mb. Kolektory spiralne stanowią alternatywę do

kolektorów płaskich. Wykopanie szerokich rowów o

długości kilkunastu metrów jest mniej kłopotliwe niż

kopanie wąskich rowków. Długość wykopów jest o 30%

mniejsza. Odległość pomiędzy sekcjami nie powinna

być mniejsza niż 4m. Długość przewodów dla

kolektorów płaskich spiralnych trzeba zwiększyć o

30%, gdyż charakteryzują się mniejszym odbiorem

jednostkowym z m2 gruntu. Szerokość wykopu powinna

umożliwić ułożenie płasko na dnie wykopu kręgów rur,

z reguły to 1-1,2 m szerokości na dnie. Zatem na 10 mb

wykopu wymagana ilość rur to 111 mb. Z powodu

oporów przepływu zaleca się, aby długość pojedynczej

pętli nie przekraczała maksymalnie 200 mb/pętlę

Przykład układania

kolektorów poziomych

Przykład zasypania

kolektora spiralnego

Przy tym rozwiązaniu zaleca się zastosowanie

kolektorów słonecznych. Energia promieniowania

słonecznego niewystarczająca do grzania wody

użytkowej (powyżej 45°C) zostaję wykorzystana

przez pompę ciepła podnosząc jej wskaźnik

sprawności. Dodatkowym efektem jest szybka

regeneracja energii gruntu pod koniec i po

zakończeniu sezonu grzewczego, a przed sezonem

grzewczym temperatura zasilania może być nawet

o 3°C wyższa. Zalecana minimalna powierzchnia

kolektorów słonecznych to 2m2 / 10kW mocy

chłodniczej pompy (optymalnie 4m2 / 10kW)

►

Zalety kolektora poziomego:
- mała zależność pogodowa
- prostota wykonania
- brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu

►

Wady kolektora poziomego:
- duży obszar zajmowanego terenu
- skrócony czas wegetacji roślin na terenie nad

kolektorem
- duże opory hydrauliczne, większe koszty pompowania

glikolu

Przybliżona cena kolektorów płaskich:
Kolektor płaski 25 PLN/m2 kolektora (min. 40 m2 na 1kW

mocy pompy ciepła

Kolektor gruntowy pionowy

Kolektor pionowy wykonany jest

z pionowych odcinków rur

umieszczonych w odwiertach

i połączonych na dole U-

kształtką. Poszczególne odwierty

połączone są ze sobą szeregowo

w pętlę. Odcinki poziome łączące

odwierty muszą być umieszczone

na głębokości 1,4-1,5 m pod

powierzchnią gruntu. Odległość

pomiędzy odwiertami powinna

wynosić 2,5-5 m. Najczęściej

głębokość odwiertów wynosi

do 30 m. Kolektor gruntowy

pionowy wymaga znacznie mniej

miejsca pod budowę niż kolektor

poziomy. Rysunki poniżej ukazują

schemat oraz przykład

wykonania odwiertu pod kolektor

pionowy

Przykład wykonywania odwiertu pod kolektor pionowy

►

Zalety kolektora pionowego:
- brak zależności pogodowej
- wysoka efektywność
- mała dewastacja terenu
- niskie opory hydrauliczne, niskie koszty pompowania
glikolu

►

Wady kolektora pionowego:
- potrzeba stosowania specjalistycznego sprzętu
- potrzeba zezwoleń wodno-prawnych dla kolektorów
powyżej 30 m głębokości

Przybliżona cena kolektorów pionowych, sond

►

Powietrze atmosferyczne

Charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur,

zarówno w okresie dobowym jak i w całym okresie

grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują

poważne problemy z oszranianiem i odtajaniem

urządzeń. Wyjątek stanowi możliwość pobierania ciepła

z pomieszczeń w okresie międzygrzewczym poprzez

nieczynną instalację centralnego ogrzewania i

wykorzystanie ciepła np. do podgrzewania ciepłej wody

użytkowej, jednak praca pompy ciepła jest tu

ograniczona właśnie do okresu międzygrzewczego.

Natomiast koszty inwestycji są pomniejszone o koszty

wykonania wymiennika dolnego źródła ciepła oraz

występują korzystne temperatury powietrza

Najmniejsze koszty wykonania dolnego źródła ciepła

są w przypadku powietrza zewnętrznego. Zasysane

jest ono kanałem, schładzane bezpośrednio w

parowniku pompy ciepła i ponownie odprowadzane

na zewnątrz. Nowoczesne pompy ciepła mogą

wytwarzać ciepło grzewcze nawet przy

temperaturze zewnętrznej –20°C. Jednak przy tak

niskiej temperaturze pompa może nie pokryć

całkowitego zapotrzebowania na ciepło do

ogrzewania budynku. W mroźne dni konieczne

będzie dogrzewanie wody grzewczej do wymaganej

temperatury np. przez grzałkę elektryczną.

Pompa powietrze/woda w warunkach polskiego

klimatu wymaga wspomagania dodatkowym

źródłem ciepła: grzałką elektryczną, kotłem

gazowym, olejowym czy na paliwo stałe.

►

Zalety:

- szybka instalacja
- niskie koszty wykonania

dolnego źródła

►

Wady:

wysoka zależność
pogodowa

►

Odpadowe ciepło technologiczne i komunalne (np.

chłodnie kominowe i wentylatorowe, układy

wentylacyjne itp.)

Energia cieplna jest gromadzona w gruncie w sezonie

wiosenno - letnim. Ciepło za pomocą opadów

atmosferycznych i promieniowania słonecznego

przenika do ziemi. Ponieważ przejmowanie ciepła z

gruntu zwiększa się wraz z wilgotnością, najbardziej

skuteczne są pompy pobierające ciepło z wilgotnych

gruntów gliniastych. Pobieranie ciepła z ziemi odbywa

się przy pomocy systemu hermetycznych kolektorów

gruntowych wykonywanych z rur polietylenowych,

przedstawionych na zdjęciu.

Rury polietylenowe

GÓRNE ŹRÓDŁA CIEPŁA

Jako górne źródła ciepła w systemach grzewczych z

pompami ciepła są stosowane instalacje

niskotemperaturowe takie jak: instalacje podłogowe,

ścienne, grzejnikowe. Wybór instalacji zależy od potrzeb

indywidualnych inwestora oraz charakteru obiektu.

Najczęściej wykonywanym rodzajem instalacji górnego

źródła ciepła jest instalacja ogrzewania podłogowego,

projektowana na parametry 40/30

C lub 35/25

C. W wielu

przypadkach stosuje się układy mieszane: grzejniki i

ogrzewanie podłogowe lub w całości ogrzewanie

grzejnikowe. Ostatni z wymienionych rodzajów

ogrzewania najczęściej wykonywany jest podczas

modernizacji istniejących obiektów. W każdym innym

przypadku w celu poprawienia komfortu cieplnego

użytkowników oraz poprawienia temperaturowych

warunków pracy pompy ciepła, dąży się do wykonywania

instalacji niskotemperaturowych.

Parametry techniczne pomp ciepła ograniczają ich

przydatność do następujących celów:

►

ogrzewania podłogowego: 25 – 29

►

ogrzewania sufitowego: do 45

►

ogrzewania grzejnikowego o obniżonych

parametrach: np. 55/40

►

podgrzewania ciepłej wody użytkowej: 55 – 60

►

niskotemperaturowych procesów

technologicznych: 25 – 60

Nie jest to mały obszar zastosowania. Wskutek budowy

dobrze izolowanych termicznie budynków temperatura

obliczeniowa powierzchni grzejnych jest coraz niższa i

zbliża się do wartości

C. Temperatury w granicach do 40

–

C znajdują

zastosowanie w ogrodnictwie, suszarnictwie itp. Ze

względów ekonomicznych oraz strat wynikających z

przesyłu ciepła, pompy ciepła powinno się montować w

pobliżu źródeł ciepła, zarówno dolnego jak i górnego

Innym sposobem korzystania z pompy ciepła jest

podgrzewanie wody basenów kąpielowych, ogrzewanie hal

basenowych, hal sportowych, osuszanie powietrza w

halach basenowych itd. Ciepło z pompy ciepła jest

wykorzystywane do ogrzewania domów mieszkalnych,

ogrzania ciepłej wody użytkowej (CWU), klimatyzacji.

Jednak najlepsze efekty grzewcze daje ogrzewanie

podłogowe niskotemperaturowe, dlatego też jest

najczęściej stosowane

SCHEMAT INSTALACJI POMPY

CIEPŁA

1-sprężarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-zawór rozprężny, 5-dolne
źródło ciepła,

6-górne źródło ciepła

ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA

Pompa ciepła wykorzystuje klasyczną zasadę

termodynamiki, pozwalającą na transport

energii cieplnej z tzw. dolnego źródła do

źródła wysokiego

W obiegach sprężarkowych pomp ciepła główne straty

termodynamiczne związane są z procesami dławienia i

sprężania. Zmniejszając straty powoduje się wzrost

współczynnika wydajności cieplnej i ziębniczej, czyli

wzrost efektywności działania urządzenia. Sposobem

na zmniejszenie tych strat jest stosowanie układów

wielostopniowych, w których sprężanie i dławienie

czynnika roboczego odbywa się wielostopniowo.

Najczęściej stosowane są układy z dwustopniowym

sprężaniem i jedno- lub dwustopniowym dławieniem.

Układy wielostopniowe są droższe od

jednostopniowych, ale ich koszty eksploatacyjne są

niższe. Istotnym czynnikiem jest również to, że

wielostopniowa pompa ciepła pozwala na

efektywniejsze wykorzystanie źródeł ciepła o niskiej

temperaturze.

ZASADY DOBORU POMPY

CIEPŁA

Pompa ciepła jest urządzeniem, które wymaga dość

dokładnego doboru mocy grzewczej oraz dość

starannego skojarzenia z innymi elementami instalacji.

Dobór pompy o zbyt małej mocy nie będzie w stanie

zapewnić komfortu cieplnego. Pompa o zbyt dużej

mocy to z kolei nie niepotrzebne koszty, ale również

droższa eksploatacja. A to może postawić opłacalność

całej inwestycji pod znakiem zapytania. Podstawowym

elementem każdej pompy jest sprężarka. Od niej

zależy trwałość pompy. Można wybrać pompę ze

sprężarką spiralną - typu "scroll" - lub tłokową. Te

pierwsze mogą pracować około 100 tys. godzin, drugie

- tylko około 20 tys. godzin; spiralne są nie tylko

trwalsze, ale też cichsze od tłokowych

Podstawowym parametrem, jaki trzeba wyznaczyć jest moc

grzewcza pompy ciepła w danych warunkach jej pracy. Moc

pompy można dobierać na trzy sposoby:

►

wg mocy odpowiadającej dokładnie wielkości

zapotrzebowania na ciepło w okresie największych

spadków temperatury (najczęściej przyjmuje się – 20°C),

►

wg mocy mniejszej niż zapotrzebowanie

szczytowe: wtedy z góry zakłada się, że brakujące ciepło

będzie okresowo uzupełniane z innych źródeł, takich jak

kolektor słoneczny, kominek,

►

wg mocy większej niż obliczone zapotrzebowanie: wtedy

pompy używa się tylko w okresie, gdy obowiązuje II taryfa

opłat za energię elektryczną,

Aby wyznaczyć moc pompy konieczna jest znajomość

zapotrzebowania ogrzewanego obiektu na ciepło.

Idealnie jest, gdy dla budynku został wykonany audyt

energetyczny. Obliczenia takie wykonują przeważnie

firmy, które mają do czynienia z ogrzewaniem,

klimatyzacją. W praktyce jednak dla mniejszych

obiektów budowlanych, takich jak prywatne domy

mieszkalne nie wykonuje się audytu ze względu na

koszty z tym związane. W takim przypadku szacuje

się zapotrzebowania na podstawie 1 m2 ogrzewanej

powierzchni, przeważnie dla jednorodzinnych domów

mieszkalnych o pow. do 200 m2.

Dla właściwego doboru mocy pompy ciepła konieczna

jest znajomość temperatury parowania i temperatury

skraplania. Wartość temperatury parowania zależy od

temperatury medium dolnego źródła wchodzącego do

pompy ciepła. Temperatura parowania wynosi ok. 0°C

dla układu woda/woda i -5°C dla układu glikol/woda.

Aby określić temperaturę skraplania konieczna jest

znajomość maksymalnej temperatury wody grzewczej.

Maksymalna temperatura wody grzewczej dla

ogrzewania niskotemperaturowego ogrzewanie

podłogowe lub ścienne może wynosić od 35°C do 45°C.

Natomiast dla ogrzewania grzejnikowego wartość tę

ustala się na poziomie ok. 55°C. Przyjmuje się, zatem

przypadku ogrzewania niskotemperaturowego

temperatura skraplania wynosi 30°C lub 40°C,

natomiast dla ogrzewania grzejnikowego jest to 60°C.

CZYNNIKI ROBOCZE STOSOWANE

W POMPACH CIEPŁA

Instalacje chłodnicze projektowane i konstruowane

są zgodnie z przepisami, normami, wytycznymi i

innymi wymaganiami technicznymi. Przemysł

chłodniczy na całym świecie dąży do wymiany

węglowodorów chlorowcopochodnych CFC i HCFC

na nowe czynniki chłodnicze HFC (bez chlorowe).

Naturalne czynniki chłodzące takie jak powietrze,

woda, amoniak, dwutlenek węgla, węglowodory

stanowią alternatywę dla substancji

chlorowcopochodnych.

Według polskiej normy PN-90/M-04611 oraz ISO 817

stosowane są następujące oznaczenia czynników roboczych:

Oznaczenia cyfrowe czynnika chłodniczego poprzedza się literą R

►

seria dwucyfrowa - chlorowcowe pochodne metanu (CH4) - np.

R11, R22;

►

seria 100 - chlorowcowe pochodne etanu (C2H6) - np. R115,

R124;

►

seria 200 - chlorowce pochodne propanu (C3H8);

►

seria 400 - mieszanina i roztwory;

►

seria 500 - czynniki chłodnicze azeotropowe (roztwory o

identycznym składzie masowym cieczy i pary, będących w

równowadze termodynamicznej);

►

seria 600 - związki organiczne - niesklasyfikowane;

►

seria 700 - związki nieorganiczne, np amoniak oznaczony R717;

►

seria 1000 - chlorowce pochodne węglowodorów nienasyconych.

Według innej klasyfikacji czynniki chłodnicze dzieli się

ze względu na budowę chemiczną cząsteczki:

►

CFC (FCKW) - chlorofluorowęglowodory, związki

węgla, w których wszystkie atomy wodoru w

cząsteczce zostały zastąpione atomami chloru i fluoru,

np. R11, R12, R115, R502 oznaczane są CFC-11, CFC-

12, CFC-115, CFC 502. Są to związki trwałe,

rozkładające się jedynie w warstwie ozonowej i są

bardzo groźne dla środowiska;

►

- HCFC (HFCKW) - wodorochlorofluorowęglowodory.

Są to związki węgla, w których nie wszystkie atomy

wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru.

Należy do nich R22 (HCFC-22), R401A, R402A.

Ulegają rozkładowi w dolnych warstwach atmosfery;

►

- HBFC (BrFCKW) - wodorobromofluorowęglowodory,

związki, w których atomy wodoru zostały częściowo

zastąpione atomami fluoru i bromu. R22B1 oznaczany

jest HBFC-22B1, Są bardziej szkodliwe niż CFC;

►

HFC - hydrofluorowęglowodory - związki organiczne, w

których część atomów wodoru zastąpiono atomami fluor.

Należą do nich R134a - oznaczany HFC-134a, R404a, R407a;

►

FC (HFWK) - fluorowęglowodory. W tych związkach atomy

wodoru zastąpione zostały atomami fluoru. Należy do nich

między innymi RC318, oznaczany FC-C318. Nie są szkodliwe

dla warstwy ozonowej;

►

HC - węglowodory nasycone, np. propan R-290 (HC-290) i

n- butan R-600 (HC-600).

R11, R12 i R502 są związkami najbardziej szkodliwymi.

Zastępowane są one przez substancje mniej szkodliwe dla

środowiska, R123 zamiast R11, R143a, R401A, R401B, R401C,

R409A, R290 zamiast R12, R402A, R402B, R408A, R507, R717

zamiast R502, R290, R152a, R402A, R402B, R404A, R407C,

R410A, R410B, R717 zamiast R22. Związek R13 nie ma

jeszcze zamiennika

Zalety pompy ciepła

►

dostarcza prawie darmową energię, pobierając ją z

nie wyczerpywalnego źródła - środowiska. Jest wygodna i

czysta - nie wymaga instalowania komina czy dodatkowego

systemu wentylacji, nie wydziela zapachów; jest w pełni

zautomatyzowana, nie potrzebuje konserwacji ani

okresowych

przeglądów,

►

pracuje cicho - nie jest dokuczliwa dla otoczenia,

►

jest bezpieczna dla środowiska - nie emituje sadzy ani spalin

nie zanieczyszcza, więc otoczenia; układ grzewczy zasilany

przez nią jest ekologiczny,

►

pozwala uniezależnić się od wzrostu cen paliw (gazu, oleju

opałowego) spowodowanych na przykład wyczerpywaniem

się

zasobów naturalnych czy międzynarodowymi konfliktami

gospodarczymi,

►

sprawność pompy ciepła w miarę upływu czasu

nie spada - jest stała w całym okresie jej

eksploatacji,

►

posiada wysoką trwałość 30 lat i więcej,

►

ma możliwość współpracy z innymi

odnawialnymi źródłami ciepła,

►

latem proces może zostać odwrócony, pompa

ciepła schładza

wówczas obiekt i ogrzewa "dolne źródło".

Wady pomp ciepła

►

sprężarka będąca częścią urządzenia wykorzystuje

energię elektryczną - brak zasilania i instalacji

wspomagającej (agregat prądotwórczy, baterie

słoneczne) powoduje przerwanie pracy układu,

►

jest droga - ponad 30% droższa od tradycyjnego

układu

kotłowego (do tego dochodzi koszt wykonania instalacji

dolnego źródła, w przypadku kolektora pionowego

może

być wyższy od samej pompy),

►

niewielu fachowców potrafi zaprojektować układ z

pompą ciepła tak, aby w pełni zaspokajał potrzeby

domowników - dostarczał ciepłą wodę i zapewniał

komfort termiczny w pomieszczeniach.

ASPEKTY EKOLOGICZNE

STOSOWANIA POMP CIEPŁA.

Zastosowanie pompy ciepła w sposób znaczący

zmniejsza emisję wszelkich produktów spalania, w

wyniku ograniczenia zużycia energii chemicznej

zawartej w paliwach pierwotnych. Ponadto ograniczone

zostały możliwości przecieków do atmosfery czynników

roboczych, dzięki nowoczesnym rozwiązaniom

konstrukcyjnym (bez dławnicowe, hermetyczne

sprężarki) oraz niezawodnym zabezpieczeniom przed

przekroczeniem wartości ciśnienia dopuszczalnego.

Również zastąpienie dotychczas stosowanych czynników

roboczych, głównie R12 i R114, odpowiednio przez

R134a i R142b wpłynęło na ograniczenie efektu

cieplarnianego.

Głównym źródłem hałasu w pompach ciepła są

sprężarki oraz wentylatory. Hałas został ograniczony

do wartości poniżej dopuszczalnych w

pomieszczeniach, stosując sprężarki rotacyjne

(łopatkowe i spiralne). Również umieszczenie źródła

hałasu poza ogrzewanym pomieszczeniem poprawiło

komfort używania pompy ciepła. Można stwierdzić,

że obecne nowoczesne rozwiązania pomp ciepła nie

stanowią zagrożenia dla środowiska, a wręcz

przeciwnie - zastępując nimi tradycyjne źródła ciepła

wywiera się korzystny wpływ na stan otoczenia

Pompy ciepła pracują całkowicie bez emisyjnie. To

znaczy całkowicie bez sadzy oraz trujących gazów

- LEWANDOWSKI W.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej

- ZALEWSKI W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i
termoelektryczne

- BRODOWICZ K., DYAKOWSKI T.: Pompy
ciepła

LITERATURA

- RUSOWICZ A.: Pompy ciepła w pierścieniu wodnym.
Chłodnictwo i Klimatyzacja

-
http://www.euronom.pl

- http://www.pompy ciepla.com.pl

Dziękujemy za uwagę

Document Outline

Slide 1
Slide 2
Slide 3
Slide 4
Slide 5
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
Slide 13
Slide 14
Slide 15
Slide 16
Slide 17
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
Slide 22
Slide 23
Slide 24
Slide 25
Slide 26
Slide 27
Slide 28
Slide 29
Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
Slide 39
Slide 40
Slide 41
Slide 42
Slide 43
Slide 44
Slide 45
Slide 46
Slide 47
Slide 48
Slide 49
Slide 50
Slide 51
Slide 52
Slide 53
Slide 54
Slide 55
Slide 56
Slide 57
Slide 58
Slide 59
Slide 60
Slide 61
Slide 62
Slide 63
Slide 64
Slide 65
Slide 66
Slide 67
Slide 68
Slide 69
Slide 70
Slide 71
Slide 72
Slide 73
Slide 74
Slide 75

POMPA CIEPŁA1

Document Outline