Pompy ciepła – Zasady działania i zastosowanie
Wstęp
Pompa ciepła jest jedynym znanym urządzeniem umożliwiającym wykorzystanie energii cieplnej źródeł o niskich temperaturach ( o małej egzergii). Jej podstawowa rola polega na pobieraniu ciepła ze źródła o niższej temperaturze (dolnego) i przekazywaniu go do źródła o temperaturze wyższej (górnego). Proces ten wymaga doprowadzenia energii z zewnątrz.
Jako źródło dolne stosuje się energią wody, gruntu oraz powietrza. Pompa ciepła potrafi wyprodukować nawet 6-krotnie więcej energii niż zużywa. Tradycyjne pompy ciepła posiadają jednak mniejszą wartość współczynnika efektywności i produkują z 1kW energii elektrycznej do 4kW energii cieplnej.
Współczynnik efektywności cieplnej COP jest to stosunek wyprodukowanej energii cieplnej, do dostarczonej energii elektrycznej. Czyli tak jak pokazano na rysunku obok COP= 15/3 = 5
Pompa ciepła wykorzystuje niekonwencjonalne źródła energii, a więc nie stanowi zagrożenia dla środowiska. W Europie tego typu instalacje zaczęły powstawać już ponad 30 lat temu, a od 2005 roku obserwujemy bardzo duże zainteresowanie tymi urządzeniami. Do głównych przyczyn wzrostu popularności pomp ciepła jest drastyczny wzrost cen ropy i gazu. Niestety jak na razie Polska jest daleko za resztą Europy, gdzie obserwuje się dużą popularność tego rodzaju instalacji grzewczych (np. w Szwecji -140 tys. instalacji, Francja 55 tys., Niemcy – (60% nowych domów budowanych jest właśnie z pompami cieplnymi) 45 tys., Polska ok. 2 tys.).1
Zasada działania sprężarkowych pomp ciepła
Zasada działania pompy ciepła opiera się głównie na przemianach termodynamicznych czynnika krążącego w instalacji pompy. Czynnik ten zostaje sprężony, co powoduje wzrost temperatury (z 0˚C do ok. 37-50˚C. Ciepło to zostaje odebrane przez źródło górne w skraplaczu i służy do ogrzania budynku. Następnie czynnik trafia do zaworu rozprężnego, gdzie nie tylko zmniejsza swoje ciśnienia, ale przede wszystkim temperaturę z ok. 34˚C do -4˚C. Następnie w parowniku ogrzewa się przez wymianę ciepła z solanką krążąca w dolnym źródle i ponownie trafia do sprężarki rozpoczynając nowy cykl. Tak więc w całej instalacji mamy trzy obiegi czynnika, obieg źródła dolnego (głównie solanki), obieg pompy ciepła (głównie freon) oraz obieg źródła górnego (woda). W ten sposób można wykorzystać pozornie nieużyteczną energię wody, powietrza czy gruntu do ogrzewania domów. W zależności od tego skąd chcemy czerpać naszą energię musimy podjąć decyzję o zakupie odpowiedniej instalacji.
Sprawność ogrzewania pompą ciepła jest zależna od współczynnika COP, a tym samym od różnicy temperatur pomiędzy źródłem górnym i dolnym. Czym mniejsza jest ta różnica, tym sprawność wzrasta. Zaleca się, aby przy pompach ciepła stosować systemy niskotemperaturowe ogrzewania takie jak ogrzewanie podłogowe, czy ścienne (jest to ok.30˚C). Tradycyjne kaloryfery do zapewnienia tego samego komfortu cieplnego, potrzebują dużo wyższych temperatur. Dla budynków komunalnych, czy przemysłowych, jako źródło dolne można wykorzystać odpady komunalne, ścieki, wodę z procesów technologicznych. Dla domów jednorodzinnych pozostają jednak tylko naturalne źródła.
Zajmijmy się wiec poszczególnymi dolnymi źródłami ciepła i w jaki sposób można je wykorzystać
Grunt/woda
Wyróżniamy dwa sposoby wykorzystania ziemi jako źródło dla pompy ciepła: poziome i pionowe. Każde z nich ma swoje wady i zalety, które chcielibyśmy pokrótce przedstawić.
Ziemia jest dość dobrym akumulatorem ciepła, jej temperatura waha się od 7˚C do 12˚C na głębokości ok. 2m. Główną zaletą ziemi jako źródła dolnego jest bardzo niewielka zależność pogodowa jeśli chodzi o kolektory poziome i praktycznie niezależność - sond pionowych.
Kolektory poziome
Rury kolektora wykonane są z polietylenu i układane na głębokości ok. 1,5 m pod powierzchnią ziemi. Głębokość ułożenia kolektora zależna jest od głębokości zamarzania gruntu. Do czynnika który krąży w kolektorze dodawany jest składnik przeciw zamarzaniu oparty na bazie glikolu etylenowego. Stężenie solanki umieszczonej w rurach wynosi od 25% do maksymalnie 30%. Pomiędzy kolejnymi rurami powinna być odległość 0,5 - 0,8 m. Czym dłuższy okres trwania mrozu tym ten odstęp powinien być większy. Odległości te zależą również od przewodności cieplnej gruntu i poziomu jej zawilgocenia. Przy słabym przewodzeniu – mniejsze długości, ale większa powierzchnia kolektora. Niestety, pomimo swej prostaty, tego rodzaju kolektory potrzebują dużej przestrzeni, nawet do 5 razy większej niż powierzchnia ogrzewana. A rośliny nad kolektorem mają skrócony czas wegetacji, co znacznie utrudnia jego zagospodarowanie. Wielkość powierzchni kolektora zależy również od mocy chłodzenia pompy ciepła, oraz od czasu pracy pompy podczas okresu grzewczego(1800h – 2400h). Moc chłodzenia obliczana jest przez odjęcie od mocy grzewczej mocy elektrycznej. Rodzaj gleby ma wypływ na moc poborową właściwą, i tak zgodnie z normą niemiecką VDI 46402 mamy:
| Rodzaj podłoża | Moc poborowa właściwa |
|---|---|
| dla 1800 h | |
| Suchy niespoisty grunt (piasek) | 10 W/m2 |
| Wilgotny spoisty grunt | 25 W/m2 |
| Grunt nasycony wodą | 40 W/m2 |
Z mocy chłodzenia pompy i mocy poborowej właściwej gleby możemy wyliczyć powierzchnie kolektora. Długość rur jest przeważnie zaokrąglana do 100m.
Odmianą poziomego wymiennika ciepła, jest kolektor spiralny. Spirale są kładzione w rowach o średnicy min 0,8m w odległości min 3 m od siebie. Niestety zastosowanie spiral nie zmniejsza powierzchni kolektora.
Warto dodać, że energia ziemi, jest to przede wszystkim zakumulowana energia słoneczna, a więc aby należy zadbać o możliwość regeneracji latem. Nie należy więc utrudniać przepływu promieni słonecznych w głąb ziemi, np. przez zabetonowanie terenu nad kolektorem.
Sondy pionowe
Odzyskują ciepło z głębszych warstw gleby. Sondy umieszczane są w pionowych odwiertach, mają one kształt U-rur połączonych ze sobą szeregowo bądź równolegle. Podobnie jak kolektory poziome, rury te są wykonane najczęściej z polietylenu. Głębokość odwiertów odpowiada od 20 do nawet 100 m, przy czym powyżej 30 m potrzebne są jeszcze odpowiednie pozwolenia wodno-prawne. Przy takich głębokościach odwiertu temperatura grunty wynosi 6-8 ˚C.
Rozkład temperatur wewnątrz gruntu w zależności od pory roku
Pomiędzy dwoma kolejnymi odwiertami powinno być min 6m odległości. Również przy sondach pionowych, przy wyborze mocy poborowej musimy uwzględnić podłoże (norma VDI4640)
| Podłoże | Moc poborowa właściwa |
|---|---|
| Dla 1800 h | |
| Wytyczne ogólne: | |
| Złe podłoże (suchy osad) (λ<1,5 W/(m*K)) | 25 W/m |
| Normalne podłoże skały zwięzłe i nasycone wodą osad ) (λ=1,5 - 3 W/(m*K) | 60 W/m |
| Skały zwięzłe z wysokim przewodnictwem ciepła ) (λ>3 W/(m*K) | 84 W/m |
| Pojedyncze kamienie: | |
| Żwir, piasek, suchy | <25 W/m |
| Żwir, piasek, wodonośny | 65-80 W/m |
| Przy mocnym przepływie wody gruntowej do żwiru i pasku, dla pojedynczego urządzenia | 80-100 W/m |
| Glina wilgotna | 35-50 W/m |
| Wapień (lity) | 55-70 W/m |
| piaskowiec | 65-80 W/m |
| Kwaśne magmatyty (np. granit) | 65-85 W/m |
| Zasadowe magmatyty (np. bazalt) | 40-65 W/m |
| gnejs | 70-85 W/m |
Z jednego odwiertu jesteśmy w stanie uzyskać 30-100 W energii cieplnej. Sondy pionowe wymagają znacznie mniejszych powierzchni niż kolektory poziome, a co za tym idzie nie mają tak dużego wpływu no okres wegetacji roślin na powierzchni.
Pompa ciepła a chłodzenie pomieszczeń
Okazuje się, że pompa ciepła równie dobrze może służyć do chłodzenia pomieszczeń. Możemy mieć do czynienia z tzw. Chłodzeniem aktywnym i pasywnym.
Chłodzenie aktywne
Polega na odwrócenie funkcji pompy ciepła, przez co otrzymujemy chłodziarkę. Należy odwrócić zarówno kierunek tłoczenia sprężarki jak i zawór rozprężający. Odbywa się to przez zastosowanie czterodrożnego zaworu sprężarki oraz drugiego identycznego zaworu rozprężającego, lecz skierowanego w przeciwną stronę. Zawór trójdrożny pozwala włączyć jeden z dwóch zaworów rozprężających w zależności od potrzeby. Wodę w instalacji podłogowej podczas odwrotnego trybu pracy nazywamy wodą lodową. W trybie chłodzenia pompa ciepła ma mniejszą moc niż w trybie ogrzewania.
Chłodzenie pasywne
W tym rozwiązaniu wykorzystuje się chłodzenie ciepłem z dolnego źródła. Sprężarka jest wyłączona, a tym samym do obiegu dostaje się chłodniejsza woda. Jest to funkcja twz natural cooling . Nie jest ona dostępna przy pompach powietrze/woda. Z oczywistych wzglądów, powietrze latem bywa często wyższe niż ciepło pomieszczeń w których się znajdujemy, a więc taka opcja spowodowałaby wzrost temperatury.
Inne rodzaje pomp ciepła
Absorpcyjna pompa ciepła
Do tej pory mówiliśmy o sprężarkowych pompach ciepła. W kolejnej części chcielibyśmy przybliżyć inne rodzaje pomp ciepła. Zaczniemy od absorpcyjnych pomp ciepła. Kompresja czynnika odbywa się tu termicznie. W układzie mamy dwa czynniki nisko – i wysokoprężny (np. amoniak i woda). Zamiast sprężarki i zaworu dławiącego mamy tu do czynienie z warnikiem (zwanym także desorberem) i absorberem. Pary amoniaku z warnika przepływają do skraplacza, gdzie ulegają skropleniu, oddając ciepło . Skroplony amoniak trafia do parownika, gdzie pobiera ciepło, odparowuje i płynie do absorbera. W absorberze zachodzi reakcja egzotermiczna par amoniaku z wodą, w wyniku której wydziela się ciepło. Cykl zamyka przepływ wody amoniakalnej do warnika, w którym pobrane ciepło z dolnego źródła rozkłada wodę amoniakalną na amoniak i wodę. Obecnie stosuje się różna roztwory robocze takiej jak wspomniana już woda-amoniak, bromek litu – woda, bromek litu – metanol, woda – metyloamina, azotan litu-amoniak, rodanek sodu-amoniak i inne.
Chemiczna pompa ciepła
Chemiczna pompa ciepła, nazywana jest również chemicznym transformatorem ciepła. Reakcja egzotermiczna stanowi tu zasilanie górnego źródła i siłę napędową, wymuszającą przepływ czynników. Reakcja endotermiczna zachodzi w wyniku doprowadzenia energii cieplnej do dolnego źródła. Do endotermicznego reaktora doprowadza się 2-propanol oraz strumień ciepła Qz, Strumień ten dostarcza ciepło reakcji endotermicznej oraz podtrzymuje wrzenie i odparowanie produktów reakcji. W obecności katalizatora następuje odwodorowienie i powstanie acetonu i wodoru. Mieszanina 2-propanolu (Tw= 355,5 K) i acetonu (Tw=329,3K) rozdziela się w kolumnie rektyfikacyjnej. Gazowa mieszanina wpływa do skraplacza, skąd część skroplonego acetonu i resztki 2-propanolu są zawracane do kolumny, natomiast wodór i reszta acetonu przepływa przez regeneracyjny wymiennik do reaktora egzotermicznego. W wyniku uwodorowienia acetonu powstaje 2-propanol i wydziela się strumień ciepła Qk.
Elektrodyfuzyjna pompa ciepła
Elektrodyfuzja zachodzi w specjalnym porowatym materiale przewodzącym prąd elektryczny. Pary sodu 1 z parownika są adsorbowane przez porowatą anodę, pokrytą żaroodpornym elektrolitem. Jony sodu migrują i po rekombinacji mają wyższy potencjał elektrochemiczny (wyższe ciśnienie i temperaturę) 2. Pary sodu kondensują w skraplaczu 3, następnie ciekły sód jest rozprężany w zaworze 4 i wpływa do parownika. Pompa tego typu musi pracować w znacznie wyższych temperaturach niż inne rodzaje pomp ciepła. ɛ dla tego typu pomp to ok. 6,51.
Bibliografia:
„Dom energooszczędny z pompą ciepła” wyd. 1/ 2008 czasopisma „Budujemy Dom”
www.dimplex.de - Podręcznik projektowania. Ogrzewanie i chłodzenie pompą ciepła. wyd 11/2006
WWW.slonecznastrona.pl - Energia w pigułce 5: Pompa ciepła
Wyszukiwarka