1. Wstęp

1. Pompa ciepła

Pompy ciepła są obecnie, obok kolektorów słonecznych, najbardziej popularnymi systemami grzewczymi budynków mieszkalnych. Są tym samym, najnowocześniejszymi urządzeniami gromadzącymi energię bez konieczności użycia pieca i paliw - potrzebny jest jedynie prąd elektryczny. Ilości doprowadzanej energii elektrycznej, są niemal kilka razy niższe od otrzymanej energii cieplnej. Zainteresowanie nimi, z roku na rok, staje się coraz większe, a co za tym idzie, powoli stają się stałym elementem rynku urządzeń grzewczych. Powodem ich coraz większej popularności, jest niezaprzeczalnie posiadana przez nie wszechstronność grzewcza, a także niski koszt eksploatacji urządzeń wchodzących w skład całej instalacji. Pompy ciepła, charakteryzują się zatem funkcją ogrzewania budynku, możliwością jego chłodzenia a także możliwością podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Zasada ich działania, nie należy do bardzo skomplikowanych, i prosty jej schemat pokazuje rys.1.1. Pompy ciepła pozwalają na wykorzystanie zakumulowanej w gruncie, wodzie a także w powietrzu energii słonecznej. Pobierając ciepło z otoczenia, podnoszą tym samym jego temperaturę oraz oddają je systemowi grzewczemu. A zatem można stwierdzić, iż działają na tej samej zasadzie co typowa lodówka czy też klimatyzator. Jednakże, do ich celów nie należy odbieranie ciepła, od produktów znajdujących się wewnątrz lodówki, lecz dostarczenie ciepła, czyli to, co lodówka wykonuje na wymienniku umieszczonym z tyłu obudowy.

Rys.1.1. Schemat zasady działania pompy ciepła

Ogrzewanie pompą ciepła składa się z czterech podstawowych elementów: naturalnego źródła ciepła, właściwej pompy ciepła, systemu rozdzielającego oraz akumulacyjnego. W zamkniętym obiegu pompy ciepła medium robocze przejmuje zadanie przekazywania i transportowania ciepła. Właściwy odzysk ciepła ze środowiska zachodzi w parowniku pompy ciepła. Wykorzystuje się do tego właściwość płynnego środka chłodzącego, który wrze i paruje również przy ujemnych temperaturach, gromadząc przy tym pobraną energię. Objętość środka chłodniczego, który przyjmuje postać parową, zostaje następnie zmniejszona w sprężarce. Wzrasta przy tym znacznie ciśnienie, a przez to również temperatura środka chłodniczego. Gorący środek chłodniczy płynie dalej do skraplacza, wymiennika ciepła, w którym ciepło odzyskane ze środowiska zostaje przekazane systemowi grzewczemu. Środek chłodniczy, który przez ochłodzenie jest znowu płynny, może po obniżeniu ciśnienia i temperatury w zaworze rozprężnym znowu pobierać ciepło z otoczenia. Genialny obieg zaczyna się od nowa.

Pompy ciepła o mocy od kilku do kilkunastu kilowatów, służą gównie do ogrzewania typowych domów jednorodzinnych o średniej powierzchni mieszkalnej wynoszącej 175m². Znaczna większość z nich pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego, oraz współpracuje z innymi systemami grzewczymi np. z elektrycznym bądź centralnym. Latem działają jak typowy klimatyzator. Jeżeli chodzi natomiast o pompy ciepła małej mocy (rzędu kilowatów), świetnie nadają się do podgrzewania stosunkowo małych ilości wody użytkowej.

Jednakże, stosowanie ich nie ogranicza się jedynie do samego ogrzewania budynków mieszkalnych, ale także do np. ogrzewania magazynów oraz hal przemysłowych czy też wody w basenie kąpielowym. Tutaj moc urządzenia wynosi nie mniej, niż kilkanaście kilowatów. Duże pompy ciepła, których moc wynosi nawet do kilku megawatów, coraz częściej znajdują zastosowanie w przemyśle, do ogrzewania osiedli a także przy tym wody użytkowej.

Pompy ciepła posiadają sprawność taką samą nawet po kilkudziesięciu latach jej eksploatacji, w przeciwieństwie do kotłów które spalają paliwo, których sprawność z czasem zostaje trwale obniża. Technika spalania różnych paliwa w temperaturze do ok. 2000°C dla potrzeby uzyskania stosunkowo niskiej temperatury pomieszczeń i wody użytkowej staje się techniką przestarzałą a także mało efektywną. Także pomimo najnowszych technologii, wysoka temperatura pieca wciąż powoduje postawanie straty ciepła wydalanego przez komin.

Zasoby paliw kopalnianych stale się kurczą, a tym samym ich cena coraz bardziej idzie do góry. W związku z tym uzyskiwanie energii ze spalanego paliwa będzie z biegiem lat coraz bardziej drożeć. Średni roczny koszt ogrzewania domów jednorodzinnych został przedstawiony na rys. 1.2. Jak widać nawet stosowanie tak popularnej dziś biomasy nie należy do najtańszych.

Rys.1.2. Schemat zasady działania pompy ciepła

Cena prądu, który jest w minimalnym stopniu używany w pompie ciepła, jedynie do napędów urządzeń elektrycznych, według prognoz będzie rosnąć najwolniej. W obiekcie wyposażonym w pompę nie potrzeba budować pomieszczenia na opał, doprowadzać paliwa, budować komina. Nie ma pieca, spalania w wysokiej temperaturze, kurzu, sadzy i spalin wydalanych do atmosfery.

Pompa ciepła jest bezpiecznym urządzeniem bezobsługowym, nie zawierającym szkodliwych, łatwopalnych czy wybuchowych substancji, nie wymagającym paliwa.

Wyposażona w odpowiednią instalację pozwala zapewnić także odpowiedni klimat dzięki wentylacji z odzyskiem ciepła oraz klimatyzacji czyli chłodzeniu w lecie. Elektroniczny sterownik zapewnia użytkownikowi dzienne i tygodniowe programowanie parametrów systemu.

Pompę ciepła można zainstalować zarówno w nowym budynku jak i w starych obiektach podłączając równolegle do istniejących pieców lub je zastępując. Pompa ciepła może, w zależności od wersji, współpracować z piecem na paliwo stałe, ciekłe lub gazowe, z kominkiem lub baterią słoneczną, a także z ogrzewaniem elektrycznym.

Mieszkając na osiedlu domów lub pracując w firmach wyposażonych w pompy ciepła posiadasz zdrowsze, czystsze powietrze w swoim otoczeniu zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz. Przyczyniasz się do ochrony środowiska, zmniejszenia emisji spalin.

		Podział pomp ciepła
Jednoczynnikowe pompy ciepła			Sorbcyjne pompy ciepła			Z obiegiem roztworów
zasilane elektrycznie			absorbcyjne (podwyższające i obnożające)			zeotropowe
zasilane gazowo								nieazeotropowe
zasilane spalinowo			resorbcyjne
inny napęd
wykorzystujące zimno gazowe
wyskotemperaturowe

Rys.1.3. Podział pomp ciepła ze względu na zasadę działania.

Jeżeli chodzi o podział pomp ciepła, to jest on możliwy na kilka sposobów. Istnieje wiele kryteriów którymi można podzielić na grupy to urządzenia. Jednym z nich jest przedstawiony na rys. 1.4. podział ze względu na zasadę działania. Jest to jeden z najważniejszych, i tym samym najbardziej ogólnych podziałów. Również popularnymi podziałami są:

Ze względu na ilość źródeł:

• monowalentne

• biwalentne

• multiwalentne

czy też:

Ze względu na rodzaj źródła

• pierwotne: źródła energii odnawialnej

• wtórne: ciepło odpadowe, ścieki, itp.

1.2. Ogrzewanie budynku

Przed wyborem właściwego źródła ciepła, należy na wstępie dokonać określenia chwilowego zapotrzebowania na ciepło oraz jego zużycie w określonym sezonie grzewczym. W domach które były budowane w latach 1960 - 1985 zapotrzebowanie wynikające na moc cieplną wynosiło ok. 100 - 150 W/m² powierzchni użytkowej domu. Szacując, na dom jednorodzinny o średniej powierzchni 150m². wynosiło ono 15 - 22,5 kW. Domach które zostały zbudowane po 1885 r. objęto szybko normami: PN-91/B-02020 oraz PN-82/B-02020, których konsekwencją był znaczny spadek zapotrzebowania mocy - 50 W/m². Średnio na dom o powierzchni użytkowej ok. 150m² potrzebna moc źródła ciepła wynosiła przeciętnie ok. 7,5 kW.

Jako typowe źródła ciepła należy rozpatrywać:

- paliwa stałe

- gaz płynny

- gaz ziemny

- gaz płynny

- olej napędowy

- sieci ciepłownicze )ciepło sieciowe

- niekonwencjonalne źródła ciepła

Ze względu na rozmaite wymagania projektowe, a także lokalne, na rodzaj systemu grzewczego domu zapada decyzja już na etapie projektowania. Przy doborze systemu grzewczego domu jednorodzinnego, należy przede wszystkim zawsze brać pod uwagę następujące czynniki:

- czynnik ekonomiczny (koszty inwestycji i późniejszej eksploatacji systemu).

- walory użytkowe, (takie jak: bezpieczeństwo, łatwość obsługi, uciążliwość, ….regulacyjność, estetyka, ekologia), .

Najpopularniejsze typy systemów grzewczych, przeznaczonych dla domów jednorodzinnych, wraz z kosztem ich budowy, zostały przedstawione w tabeli nr 1.1.

Tab.1.1. Typy systemów grzewczych domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 130 m² , wraz z kosztem budowy instalacji

Typ systemu	Koszt budowy
Kominek	10 000 PLN
c.o. - gaz sieciowy	20 000 PLN
c.o. - gaz płynny	23 000 PLN
c.o. - gaz opałowy	23 000 PLN
elektryczne - grzejniki konwekcyjne	4 000 PLN
elektryczne - piece akumulacyjne	12 000 PLN

A. Kominek

Kominek ma w swojej funkcji służyć do ogrzewania domu, jednak zaleca się by nie był jedynym źródłem ciepła. Opalany jest paliwami stałymi, takimi jak węgiel brunatny, drewno, trociny oraz koks. Ogrzewanie tego typu posiada mało efektywną regulację mocy grzewczej, stosunkowo niską sprawność spalania jak i uciążliwość w obsłudze. Przyglądając się bliżej cenom paliw, można stwierdzić, że dziś ogrzewanie drewnem jest prawie o połowę tańsze od ogrzewania gazem ziemnym. A ten jest dużo tańszy od oleju opałowego czy gazu płynnego. Powszechnie stosowany kominek, z otwartym paleniskiem, nie jest najlepszym rozwiązaniem, ponieważ większość wytworzonego podczas spalania ciepła ulatuje przez komin. A zatem jeżeli ma działać bardziej efektywnie, powinien być zamknięty szklanymi drzwiczkami.

Rys. 1.3. Schemat budowy kominka wraz z rozprowadzeniem ciepła .

1 - zamknięte palenisko, 2 - obudowa paleniska, 3 - przegroda z blachy stalowej ocynkowanej,

4 - zewnętrzna czerpnia powietrza dla paleniska, 5 - przewód doprowadzający świeże powietrze do paleniska, 6 - kratki wentylacyjne w okapie kominka, ogrzewanie konwekcyjne (usytuowanie dolne), 7 - kratka wentylacyjna wylotowa ciepłego powietrza ogrzewanie konwekcyjne,

8 - odprowadzenie spalin do komina z szybrem, 9 - przewód pobierający gorące powietrze do aparatu nawiewnego typu AN lub ANF, 10 - przegroda termiczna,

11 - aparat ANF z dystrybutorem o odpowiedniej wydajności, 12 - izolowane przewody rozprowadzające ciepłe powietrze, 13 - anemostaty nawiewne ciepłego powietrza
14 - wymienne filtry powietrza obiegowego, 15 - komin spalin

Na rys.1.4. zastał przedstawiony schemat budowy kominka z zamkniętym paleniskiem, ukazujący w jaki sposób ciepło zostaje odprowadzone z instalacji.

B. Centralne ogrzewanie

Centralne ogrzewanie jest jedną z podstawowych metod służących do ogrzewania budynków. Ów centralność polega na tym, iż ciepło zostaje wytworzone w jednym miejscu i kolejno rozprowadzone po budynku, przy pomocy specjalnej instalacji do odbiorników ciepła we wszystkich pomieszczeniach. W przytoczonych instalacjach nośnikiem ciepła najczęściej jest woda. Czasami stosowane są niezamarzające płyny w rodzaju borygo — to w instalacjach, które nie są używane przez całą zimę.

Rys.1.2. Schemat instalacji centralnego ogrzewania z zasobnikiem c.w.u.

Rysunek 1.2. przedstawia typowy schemat układu centralnego ogrzewania. Analizując go można spostrzec, iż składa się z trzech podstawowych elementów, mianowicie: kotła, pompy cyrkulacyjnej oraz grzejników. Kocioł jest przeznaczony do podgrzewania wody płynącej w instalacji. Czasami połączony on zostaje z zasobnikiem gorącej wody. Jego zadaniem jest wytworzenie ciepła jak najtaniej i jak najskuteczniej. Najtaniej, tzn. z możliwie wysoką sprawnością oraz z możliwie taniego paliwa. Pompa cyrkulacyjna powoduje wymuszenie obiegu czynnika przez instalację. Grzejniki natomiast zostają instalowane w poszczególnych pomieszczeniach i tam oddają ciepło do powietrza

Ceny budowy centralnego ogrzewania zależnie od rodzaju paliwa, są bardzo zbliżone jak wynika z danych zamieszczonych w tabeli 1.1..

C. Grzejniki konwekcyjne

Urządzenie to ogrzewa dom w wyniku wykorzystania grawitacyjnego przepływu masy powietrza wewnątrz radiatora grzejnika, dzięki czemu następuje jego ogrzanie. W wyniku różnicy gęstości powietrza ze zmiana jego temperatury następuje przepływ grawitacyjny. Grzejniki najczęściej zasilane są prądem elektrycznym, bądź niekiedy gorącą wodą która dostarczana jest instalacją centralnego ogrzewania.

Rys.1.3. Grzejniki konwektorowe (konwekcyjne)

Grzejniki konwekcyjne, których przykład została przedstawiony na rys.1.3., doskonale współpracują z urządzeniami sterującymi. Niektóre z nich posiadają dodatkowe grzałki, niezależne od systemu centralnego ogrzewania. Ogromną zaletą tego rodzaju grzejników jest to, iż nie ulegają rozgrzaniu do temperatur grożących oparzeniem, co dzięki temu pozwala na ich bezpieczne stosowanie w każdym pokoju. Jednak znaczącą wadą jest podatność na gromadzenie kurzu.

D. Grzejniki konwekcyjne

Innym zastępczym rozwiązaniem służącym ogrzewaniu pomieszczeń zamiast systemu c.o. są tzw. piece akumulacyjne. Koszt ich użytkowania jest zależny od ceny energii elektrycznej. Piece tego typu dają dobre efekty wtedy, gdy możliwe jest przyłączenie prądu w systemie dwutaryfowym, czyli ustalonych godzinach w dzień i w nocy, kiedy prąd jest tańszy. Piece akumulacyjne działają na zasadzie kilkugodzinnego ładowania za pomocą systemu grzałek i magazynowania ciepła w magnezytowych cegłach. Temperatura tych cegieł dochodzi niekiedy nawet do 800 stopni. Następnie ciepło jest wydzielane z grzejnika bądź przez wypromieniowanie bądź też w drodze konwekcji. Są to piece statyczne w odróżnieniu od dynamicznych, w których ciepło jest wyrzucane na zewnątrz za pomocą specjalnej dmuchawy. Napędzające powietrze wentylatory są bardzo ciche, co umożliwia instalację nawet w pomieszczeniach sypialnych.

1. regulator ładowania z uwzględnieniem ciepła pozostałego

2. ograniczniki temperatury

3. listwy zaciskowe

4. pogodowy regulator ładowania (opcja)

5. grzałka rurkowa

6. reduktor szumów wentylatora

7. wentylator promieniowy

8. twarda izolacja termiczna (WERMIKULIT + SUPER-ISOL)

9. rdzeń akumulacyjny (magnezyt)

10. metalowa obudowa

11. izolacja termiczna MICROTHERM (przód i tył)

12. krata wydmuchu powietrza

13. komora mieszania powietrza z bimetalicznym regulatorem otwarcia, kontrolująca temperaturę wydmuchu

D. Niekonwencjonalne źródła ciepła

Odnawialne źródła energii można podzielić na cztery podstawowe grupy:

- czyste źródła ciepła

- czyste źródła ciepła wytarzanego w procesach spalania

- odnawialne źródła ciepła wytwarzanego w procesach spalania

- czyste źródła ciepła elektrycznej

---