Pompy ciepła w systemach wykorzystania odnawialnych źródeł energii

Wykorzystanie ciepła ze źródeł 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 źródeł

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 źródeł 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 źródeł 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 źródeł 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 źródeł 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 źródeł 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 źródłami

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 źródłami i

czynnikiem roboczym, straty spowodowane oporami przepływu oraz straty zachodzące w rzeczywistym

procesie sprężania pary czynnika roboczego.

Marian RUBIK