Gdyby niniejszy tekst zamieszczony był w czasopiśmie papierowym, nosiłby zapewne tytuł: „Pompa ciepła - opis dla (bardzo, bardzo) początkujących”. Jednak Internet rządzi się swoimi prawami i wszystko wskazuje na to, że obecny tytuł, o wiele lepiej będzie pozycjonował się w wyszukiwarkach. A to oznacza, iż tekst łatwiej będzie odnaleźć w dżungli stron www.
Spróbujmy zatem zrozumieć jak działa pompa ciepła. Nie da się ukryć, że urządzenie to u wielu inwestorów budzi mieszane uczucia, a czasami obawy lub nawet niechęć. Pomimo, że pompy ciepła są obecne na polskim rynku od bardzo wielu lat, w dalszym ciągu można usłyszeć głosy, iż „trudno zaufać skrzynce, która produkuje coś z niczego” (autentyk!). Zdarzają się także wypowiedzi bardziej rozbudowane: „Gdy postawię w domu kocioł na paliwo stałe, to widzę w palenisku płomień i wiem dlaczego mam ciepłe kaloryfery. A pompa ciepła...? Modna nowość, ale wydaje mi się, że z zimna nie można produkować ciepła.”. Skąd bierze się owa nieufność? Zapewne z braku wiedzy. Wielokrotnie byłem jednak świadkiem takiej oto scenki – wiedziony edukacyjnym porywem ekspert zaczynał tłumaczyć bliźniemu zasadę działania pompy ciepła i już po kilku zdaniach słyszał: „Nie, nie! Zbyt skomplikowane. Trzeba mieć doktorat z fizyki, aby to zrozumieć!”
Jak działa pompa. Rys. Kokoszka
Niestety, jeśli ktoś wmówi sobie, że nie jest w stanie czegoś zrozumieć, to niewiele można już zrobić. Taki człowiek po prostu wie, iż żadna siła oraz żaden argument nie przekonają go, ani nie rozszerzą jego wiedzy. Wyciąga zatem wniosek, że szkoda czasu na czytanie czegokolwiek, „bo to przecież i tak nic nie da”. Takie osoby zapewne „porzucą” mój tekst, mniej więcej w tym właśnie miejscu, gdyż nie ukrywam, że jego ambicją (mam nadzieję spełnioną) jest prosty opis zasad działania urządzeń nazywanych pompami ciepła.
Powietrzna pompa ciepła. Rys. Kokoszka
Warto również zdać sobie sprawę, że pompy ciepła nie są urządzeniami egzotycznymi, o których czyta się tylko w Internecie lub w czasopismach. Ich miniaturowe egzemplarze znajdują się w każdym niemal gospodarstwie domowym! Chłodziarki i zamrażarki, bez których większość ludzi nie wyobraża już sobie życia, to nic innego jak właśnie pompy ciepła. Energia jest w tym przypadku „wypompowywana” z produktów przechowywanych na półkach i oddawana na zewnątrz. Kto nie wierzy, niech spróbuje dotknąć elementów w tylnej części lodówki.
W przypadku pompy ciepła, która służy do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, energia jest „wypompowywana” ze środowiska o niskiej temperaturze (grunt lub powietrze na zewnątrz budynku), a następnie służy do podniesienia temperatury wody krążącej w ogrzewaniu podłogowym lub grzejnikach.
Omawiany rodzaj instalacji, służący do ogrzania domu, składa się z trzech zasadniczych elementów: dolnego źródła, górnego źródła oraz stosunkowo niewielkiego, ale technicznie zaawansowanego urządzenia - pompy ciepła. To ona sprawia, że energia cieplna zgromadzona w dolnym źródle (które ma niską temperaturę) jest kumulowana w taki sposób, iż może bez problemu ogrzewać dom.
Schemat działania gruntowej pompy ciepła. Woda gruntowa jako dolne źródło. Rys. Kokoszka
Schemat ogólny działania pompy ciepła. Rys. Kokoszka
Ponieważ poziome dolne źródło musi być zakopane na dużej powierzchni, inwestor decydujący się na tego rodzaju rozwiązanie musi dysponować sporą działką oraz uwzględnić fakt, że nad kolektorem poziomym nie można sadzić drzew ani krzewów o silnych systemach korzeniowych (z czasem mogłoby dojść do uszkodzenia zakopanej rury). Sporą wadą takiego rozwiązania jest również to, że podczas sezonu grzewczego następuje stopniowy spadek temperatury gruntu otaczającego rurki z roztworem glikolu.
Poszczególne „nitki” kolektora płaskiego powinny być ułożone w odległości nie mniejszej niż pół metra od siebie (niektóre źródła sugerują minimum 70 cm). Warto podkreślić, że zagęszczanie kolektora, to znaczy zakopywanie poszczególnych „nitek” w mniejszej odległości od siebie, przynosi niewielkie efekty jeżeli chodzi o jego wydajność. W określonej objętości gruntu zmagazynowana jest bowiem ściśle określona ilość energii i zwiększanie ilości rurek nie może zwiększyć jej ilości. W prawdzie nieznacznie może polepszyć się efektywność jej odbierania, ale zagęszczając kolektor warto pamiętać o rosnących kosztach inwestycyjnych. W każdym razie nie warto oszukiwać samego siebie i zaniżać powierzchni kolektora (obszaru, na którym zasypane są pętle). Modyfikacją kolektora poziomego prostego jest kolektor spiralny (pozwala on na zwiększenie powierzchni wymiany pomiędzy kolektorem, a ziemią). Rurki kolektora układa się wówczas w kształcie spirali w szerokich rowach (około 80 cm) oddalonych od siebie o około dwa metry.
Schemat działania pompy ciepła, kolektor poziomy spiralny. Rys. Kokoszka
Przy określaniu powierzchni kolektora płaskiego spore znaczenie ma rodzaj gruntu w jakim będzie on zakopany. Najlepszym środowiskiem jest wodonośny żwir lub piasek oraz mocno wilgotna glina. Kolektor zakopany w takich warstwach będzie najbardziej wydajny, a zatem jego powierzchnia może być nieco mniejsza. Zdecydowanie najgorszym środowiskiem jest natomiast suchy piasek. Warto pamiętać, że rozwiązaniem poprawiającym wydajność poziomego dolnego źródła może być rozprowadzenie w gruncie leżącym powyżej, rurek drenarskich odprowadzających wodę deszczową z orynnowania budynku lub rozsączających wodę opuszczającą przydomową oczyszczalnię ścieków.
Kolektory pionowe to odwierty o głębokości nawet 200 m (w praktyce jest to najczęściej około 100 metrów – o tym, dlaczego tak jest, będzie mowa nieco niżej), w które zostaje włożona para rur z polietylenu wysokiej gęstości (PE HD), połączonych tzw. sondą. Może ona mieć różny wygląd, ale najprostszą z nich jest u-kształtka. Kolektor pionowy również wypełniony jest płynem niezamarzającym (najczęściej jest to glikol lub spirytus techniczny). Rozwiązanie tego rodzaju cechuje stabilność temperatur podczas sezonu grzewczego - uzyskiwana temperatura zasilania wynosi przeważnie 6 – 8 stopni C, ale zdarzają się przypadki, że dochodzi nawet do 12 stopni C (poniżej pewnej głębokości temperatura gruntu jest stała). Ważną zaletą kolektorów pionowych jest także możliwość ich zastosowania nawet na działkach o bardzo małej powierzchni. Dlatego też od kilku lat odwierty coraz skuteczniej wypierają pierwsze z przedstawionych rozwiązań, czyli kolektory płaskie. Warto pamiętać, że z jednego metra odwiertu uzyskuje się od 30 do 70 W mocy cieplnej (dla suchego żwiru lub piasku jest to <25 W/m, ale gdy jest w nich dużo wody to już 60 - 80 W/m, a nawet 80-100 W/m; iły, gliny 40-55 W/m; wapienie (masywne): 55 - 70 W/m; granity i inne kwaśne skały magmowe: 65 - 85 W/m; bazalty i zasadowe skały magmowe: 40 - 65 W/m). Jak łatwo się domyślić, rzeczywista moc cieplna uzyskiwana z metra odwiertu rzadko odpowiada tej, jaką zakłada się podczas projektowania instalacji (do obliczeń przyjmuje się 50 - 60 W/m). Jednak nigdy nie wiadomo przecież przez jakie warstwy przechodził będzie odwiert. Jest rzeczą naturalną, że po wykonaniu pierwszego otworu koryguje się pierwotne założenia i zmniejsza lub zwiększa sumaryczną długość kolektora pionowego.
Ustawa „Prawo geologiczne i górnicze” weszła w życie w styczniu 2012 roku i zastąpiła ustawę z roku 1994. Przepisy zawarte w tej regulacji wymagają, aby wykonywanie wszelkich prac pod powierzchnią ziemi odbywało się na podstawie zatwierdzonego projektu robót geologicznych. Wyjątkiem są odwierty do 30 m, których celem jest wykorzystanie ciepła ziemi. Do nich prawo geologiczne i górnicze nie ma zastosowania. Jeżeli odwierty tego rodzaju są głębsze niż 30 m, wówczas zachodzi konieczność opracowania projektu robót geologicznych. Nie wymaga on zatwierdzenia, a jedynie zgłoszenia do organów administracji geologicznej. Jeżeli w ciągu 30 dni starosta nie wniesie sprzeciwu, wówczas można wykonać odwierty. Jeżeli wiercenie ma odbyć się na terenie górniczym, albo gdy planowana głębokość ma przekroczyć 100 m, w takim przypadku należy dodatkowo uwzględnić przepisy o ruchu zakładu górniczego i ratownictwie górniczym.
Zdarzają się próby wykonywania dużej ilości płytkich odwiertów (do 30 metrów). Teoretycznie ma to obniżyć koszty, gdyż wspomniane przepisy nie nakładają na inwestora obowiązku wykonania projektu robót przy wykonywaniu tak płytkiego wiercenia. Jednak w praktyce wcale nie jest to rozwiązanie oszczędne. Warto bowiem pamiętać, że pierwsze kilka metrów odwiertu (najczęściej podawana jest wielkość – 5 m) należy traktować jako bezwartościowe z punktu widzenia obsługi pompy ciepła. Dlaczego? Otóż jeżeli temperatura zasilania w okresie sezonu grzewczego wynosi około 6 stopni C, to na pierwszych pięciu metrach pod powierzchnią jest ona niższa. Następuje tam wręcz utrata energii! Kolejnych kilka metrów (przyjmuje się, że około 10) to obszar neutralny (nie zachodzi tam wymiana energii cieplnej). Dopiero poniżej następuje pobór energii. Dlatego też, jeżeli ktoś decyduje się na odwiert głębokości 60 metrów bieżących, to powinien pamiętać, że aż jedna czwarta długości kolektora nie przynosi żadnych korzyści energetycznych (a płacić trzeba za każdy metr wykonanego otworu!). Odwierty do 30 metrów sprawdzają się najlepiej w przypadku pomp ciepła z bezpośrednim odparowaniem, a wynika to z technicznych aspektów ich pracy.
Otwory sond pionowych nie powinny być również zbyt głębokie. Jeżeli odwierty mają powyżej 125 metrów głębokości, to tak zwane opory przepływu w rurach, z których wykonany jest kolektor, wzrastają na tyle, że znacząco rosną koszty zużycia energii elektrycznej przez pompy obiegowe (są one odpowiedzialne za krążenie niezamarzającego płynu w dolnym źródle).
Minimalna odległość pomiędzy odwiertami nie może być mniejsza niż 5 metrów. Należy jednak pamiętać, że im głębsze otwory, tym owa odległość musi być większa. W przypadku odwiertów od 80 do 100 m powinna wynosić już około 8 metrów.
Schemat działania gruntowej pompy ciepła. Kolektory pionowe. Rys. Kokoszka
Doskonałym dolnym źródłem jest woda gruntowa. Ma ona wysoką, stałą temperaturę (w zależności od regionu kraju od 8 do 12 stopni C). Wykorzystanie tego źródła energii, wiąże się z wykonaniem dwóch studni: czerpnej i zrzutowej. Pomimo niewątpliwych zalet (energetycznych oraz ekonomicznych) trzeba podchodzić do tego rozwiązania ze sporą dozą ostrożności. Dużym problemem może być skład wody. Jeżeli jest on nieodpowiedni, to wytrącające się składniki powodują zatykanie elementów instalacji, a co za tym idzie, duże zmiany w ilości przepływającej wody.
Bardzo tanim źródłem energii cieplnej jest powietrze i dlatego coraz częściej bywa wykorzystywane, jako dolne źródło w instalacjach z pompą ciepła. Jeszcze do niedawna sporym problemem był duży spadek sprawności urządzenia oraz mocy grzewczej związany z obniżaniem się temperatury zewnętrznej. Jednak obecnie na rynku pojawiły się pompy ciepła, które nie tylko działają sprawnie nawet przy temperaturze poniżej minus dwudziestu stopni Celsjusza, ale zapewniają również odpowiedni poziom temperatury we wnętrzach.
W przypadku pomp powietrznych należy jednak bardzo dokładnie sprawdzić referencje producenta. Tego rodzaju urządzenia wymagają bowiem zastosowania bardzo zaawansowanych technicznie rozwiązań. W naszym klimacie nie wszystkie powietrzne pompy ciepła zapewnią komfort przy stosunkowo niewielkich kosztach eksploatacyjnych! Należy zdecydowanie postawić na producentów, którzy od lat rozwijają technologię związaną z powietrzem jako dolnym źródłem, a nie na tych, którzy wyczuli akurat koniunkturę.
Schemat kolektora poziomego, prostego, meandrycznego pompy ciepła. Rys. Kokoszka
Należy jednak pamiętać, że na rynku pojawiły się wysokotemperaturowe pompy ciepła, które mają wprawdzie nieco niższą sprawność, ale nadają się doskonale do współpracy z górnym źródłem, które ma charakter wysokotemperaturowy. W praktyce oznacza to tyle, że można odłączyć kocioł gazowy, olejowy lub węglowy i podłączyć pompę ciepła. Jest to zatem rozwiązanie wymarzone dla budynków modernizowanych (pozwala zaoszczędzić na kosztach inwestycyjnych związanych z wymianą instalacji grzewczej).
Ogrzewanie płaszczyznowe - ten rodzaj górnego źródła sprawdza się najlepiej, gdyż pozwala na zastosowanie niskiej temperatury wody krążącej w instalacji. Wśród zalet dolnego źródła o charakterze płaszczyznowym należy wymienić następujące cechy: ciepło oddawane jest przede wszystkim przez promieniowanie (prawie nie występuje konwekcja i unoszenie kurzu), wysoką trwałość (warunkiem jest wykonanie zgodne z zaleceniami), możliwość swobodnego aranżowania wystroju pomieszczeń, korzystny rozkład temperatur w domu, ograniczenie zjawiska wysuszania powietrza, a także wysoką zdolność akumulacji ciepła (nawet wielogodzinna przerwa w zasilaniu pompy ciepła nie powoduje znaczących zmian temperatury panującej w pomieszczeniach).
Innym praktycznym sposobem wykonania górnego źródła dla pompy ciepła jest zastosowanie klimakonwektorów. Są to urządzenia, które służą do utrzymywania zadanej temperatury w pomieszczeniu. Czynnikiem, który krąży w instalacji jest woda. W lecie może ona chłodzić (tylko w przypadku pompy ciepła z funkcją odwracania obiegu), natomiast zimą przenosi ciepło. Minusem takiego rozwiązania jest fakt, że jednym z elementów każdego klimakonwektora jest wentylator (jego praca jest niezbędna zarówno podczas chłodzenia jak i ogrzewania). Nowoczesne modele charakteryzuje wprawdzie bardzo cicha praca, ale całkowite wyeliminowanie dźwięków towarzyszących pracy wiatraczka wydaje się mało realne.
Decydując się na grzejniki trzeba wziąć pod uwagę, że koszty związane z eksploatacją pompy ciepła będą wyższe niż w przypadku ogrzewania płaszczyznowego. Przykładowo, jeżeli przy ogrzewaniu podłogowym (które stosowane jest najczęściej) temperatura zasilania wynosi 35 stopni C, to aby uzyskać podobny komfort cieplny w pomieszczeniach przy ogrzewaniu grzejnikowym niskotemperaturowym należy zwiększyć ową temperaturę o 10 stopni (w praktyce oznacza to wzrost kosztów ogrzewania o około 13 procent - o tyle więcej inwestor zapłaci za prąd zasilający pracę pompy ciepła). Jeżeli natomiast drażnią nas wielkie grzejniki i postanowimy je zmniejszyć, to temperaturę zasilania trzeba będzie zwiększyć o kolejne 10 stopni (a wówczas koszty w porównaniu z ogrzewaniem podłogowym wzrosną o 27 procent!).
Przy zastosowaniu grzejników jako górnego źródła dla pompy ciepła, zalecane jest zastosowanie zbiornika buforowego (zbiornika wody służącego do magazynowania wyprodukowanej ciepłej wody, a tym samym energii).
W przypadku pomp ciepła typu powietrze-powietrze stosuje się układ nadmuchowy, w którym ogrzewane jest bezpośrednio powietrze w budynku. Jednostka nawiewna, wyposażona jest w wentylator, ogrzewa (lub chłodzi) powietrze, a następnie tłoczy je do kanałów. Do pomieszczeń trafia ono przez kratki nawiewne.
Trochę inaczej działają pompy z bezpośrednim odparowaniem. Czynnik chłodniczy krąży bowiem w dolnym źródle i dlatego zbędny jest jeden z wymienników ciepła – parownik oraz pompa obiegowa do cieczy niezamarzającej.
- gruntowe (niezamarzająca ciecz (solanka – w praktyce roztwór glikolu)/woda, bezpośrednie odparowanie/woda),
- wodne (woda/woda, woda/powietrze),
- powietrzne (powietrze/woda, powietrze/powietrze).
Pierwszym z nich jest moc grzewcza (Pg). Określa ona całkowitą moc z jaką sprężarka dostarcza ciepło do instalacji grzewczej. To bardzo ważna wartość, gdyż ma duże znaczenie dla działania całej instalacji, której sercem jest pompa ciepła. Urządzenie, które ma zbyt małą moc grzewczą, nie będzie bowiem mogło efektywnie ogrzać budynku. Z kolei zbyt duża moc będzie skutkować zużyciem energii elektrycznej nieadekwatnym do rzeczywistych potrzeb. Istnieją dwie szkoły dobierania Pg. Pierwsza z nich, preferuje dobranie mocy do maksymalnego zapotrzebowania na ciepło. Pompa ciepła może wówczas skutecznie ogrzać pomieszczenia mieszkalne nawet przy bardzo niskich temperaturach (przyjmuje się przeważnie poziom minus 20 stopni Celsjusza). Taki wariant doboru Pg nie wymaga wprawdzie stosowania wspomagających urządzeń grzewczych (pompa ciepła działa w systemie monowalentnym – jest jedynym urządzeniem grzewczym), ale przy temperaturach wyższych od minimalnych (a takie panują przecież przez większość sezonu grzewczego) pompa będzie zużywała więcej energii niż potrzeba. Druga szkoła dobierania mocy grzewczej mówi, iż Pg powinna stanowić około 70 procent maksymalnego zapotrzebowania. Taki wariant wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń grzewczych (grzałki zintegrowane z pompą, kominek, kocioł). Rozwiązanie tego rodzaju, nazywane biwalentnym. pozwala na zoptymalizowanie kosztów eksploatacji. Moc grzewczą można obliczyć w przybliżeniu jeśli pomnoży się powierzchnię domu przez zapotrzebowanie na moc.
Kolejną wartością, którą można odnaleźć w specyfikacjach pomp ciepła jest moc elektryczna Pe. Określa ona maksymalną ilość mocy jaką wykorzystuje sprężarka. Przyjmuje się, że prąd elektryczny stanowi 25 procent zapotrzebowania energetycznego pompy ciepła. Pozostała część pochodzi ze źródła dolnego. Im mniejsza moc elektryczna, tym tańsza będzie eksploatacja pompy ciepła.
Moc chłodnicza Pch - jej wartość niesie informację o tym, z jaką maksymalną mocą sprężarka może pobierać ciepło z dolnego źródła. Oblicza się ją odejmując moc elektryczną od mocy grzewczej urządzenia. Ważną informację o pompie ciepła niesie też współczynnik COP (coefficient of performance) - współczynnik efektywności nazywany również współczynnikiem wydajności cieplnej. Jest to zależność pomiędzy mocą, która jest uzyskana w pompie ciepła jako ciepło lub chłód (wyrażoną w kW), a mocą, która jest dostarczona do kompresora (również wyrażoną w kW). Im wyższa jest wartość współczynnika COP, tym urządzenie jest bardziej efektywne.
Ważne jest by nigdy nie przestać pytać. Ciekawość nie istnieje bez przyczyny. Wystarczy więc, jeśli spróbujemy zrozumieć choć trochę tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie trać świętej ciekawości. Kto nie potrafi pytać nie potrafi żyć. To słowa Alberta Einsteina, które są jednocześnie zaproszeniem dla czytelników naszego portalu, do zadawania pytań dotyczących pomp ciepła. Prosimy kierować je na adres: redakcja@obud.pl z dopiskiem POMPA CIEPŁA - PYTANIE. Odpowiemy na nie w kolejnych tekstach dotyczących pomp ciepła.
Jak działa pompa. Rys. Kokoszka
Niestety, jeśli ktoś wmówi sobie, że nie jest w stanie czegoś zrozumieć, to niewiele można już zrobić. Taki człowiek po prostu wie, iż żadna siła oraz żaden argument nie przekonają go, ani nie rozszerzą jego wiedzy. Wyciąga zatem wniosek, że szkoda czasu na czytanie czegokolwiek, „bo to przecież i tak nic nie da”. Takie osoby zapewne „porzucą” mój tekst, mniej więcej w tym właśnie miejscu, gdyż nie ukrywam, że jego ambicją (mam nadzieję spełnioną) jest prosty opis zasad działania urządzeń nazywanych pompami ciepła.
Pompa ciepła w każdym domu?
Urządzenie określane mianem pompy ciepła wymusza przepływ energii z obszaru o niższej temperaturze, do obszaru, w którym temperatura jest wyższa. Nawet ktoś, kto dosyć mgliście pamięta lekcje fizyki w podstawówce, stwierdzi zapewne, że proces, o którym wspomniałem, przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu energii cieplnej. A jeżeli nawet ktoś nie pamięta odnośnej regułki, to zawsze może odwołać się do codziennego doświadczenia. Dlatego też tak trudno jest uwierzyć, że energia czerpana z ziemi lub powietrza (w sezonie grzewczym jest to przeważnie kilka stopni powyżej zera, a w przypadku powietrza może to być nawet temperatura ujemna), może „zamienić się” w energię zdolną ogrzać dom. Cała magiczność owej technologii znika jednak natychmiast, gdy uświadomimy sobie, że ów nienaturalny proces może zachodzić tylko dzięki temu, iż wspomagany jest energią z zewnątrz. Jej nośnikiem, w przypadku sprężarkowych pomp ciepła obecnych na rynku, jest prąd elektryczny.Powietrzna pompa ciepła. Rys. Kokoszka
Warto również zdać sobie sprawę, że pompy ciepła nie są urządzeniami egzotycznymi, o których czyta się tylko w Internecie lub w czasopismach. Ich miniaturowe egzemplarze znajdują się w każdym niemal gospodarstwie domowym! Chłodziarki i zamrażarki, bez których większość ludzi nie wyobraża już sobie życia, to nic innego jak właśnie pompy ciepła. Energia jest w tym przypadku „wypompowywana” z produktów przechowywanych na półkach i oddawana na zewnątrz. Kto nie wierzy, niech spróbuje dotknąć elementów w tylnej części lodówki.
W przypadku pompy ciepła, która służy do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, energia jest „wypompowywana” ze środowiska o niskiej temperaturze (grunt lub powietrze na zewnątrz budynku), a następnie służy do podniesienia temperatury wody krążącej w ogrzewaniu podłogowym lub grzejnikach.
Omawiany rodzaj instalacji, służący do ogrzania domu, składa się z trzech zasadniczych elementów: dolnego źródła, górnego źródła oraz stosunkowo niewielkiego, ale technicznie zaawansowanego urządzenia - pompy ciepła. To ona sprawia, że energia cieplna zgromadzona w dolnym źródle (które ma niską temperaturę) jest kumulowana w taki sposób, iż może bez problemu ogrzewać dom.
Schemat działania gruntowej pompy ciepła. Woda gruntowa jako dolne źródło. Rys. Kokoszka
Schemat ogólny działania pompy ciepła. Rys. Kokoszka
Dolne źródło
Pompa ciepła większość energii czerpie z tak zwanego dolnego źródła
. Może być nim: gruntowy kolektor poziomy, kolektor pionowy, woda gruntowa lub powietrze. Kolektor poziomy to najczęściej kilka pętli rur (o średnicy od 3/4 do 1 cala) wykonanych z polietylenu, które zostały ułożone na głębokości mniej więcej 1,5 - 2 m (w zależności od regionu kraju oraz rodzaju gruntu). Jest to tak zwany kolektor poziomy prosty. W rurkach krąży roztwór niezamarzającego płynu (najczęściej glikolu). Na rynku można również spotkać instalacje, w których w kolektorze poziomym krąży czynnik gazowy (pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem).Ponieważ poziome dolne źródło musi być zakopane na dużej powierzchni, inwestor decydujący się na tego rodzaju rozwiązanie musi dysponować sporą działką oraz uwzględnić fakt, że nad kolektorem poziomym nie można sadzić drzew ani krzewów o silnych systemach korzeniowych (z czasem mogłoby dojść do uszkodzenia zakopanej rury). Sporą wadą takiego rozwiązania jest również to, że podczas sezonu grzewczego następuje stopniowy spadek temperatury gruntu otaczającego rurki z roztworem glikolu.
Poszczególne „nitki” kolektora płaskiego powinny być ułożone w odległości nie mniejszej niż pół metra od siebie (niektóre źródła sugerują minimum 70 cm). Warto podkreślić, że zagęszczanie kolektora, to znaczy zakopywanie poszczególnych „nitek” w mniejszej odległości od siebie, przynosi niewielkie efekty jeżeli chodzi o jego wydajność. W określonej objętości gruntu zmagazynowana jest bowiem ściśle określona ilość energii i zwiększanie ilości rurek nie może zwiększyć jej ilości. W prawdzie nieznacznie może polepszyć się efektywność jej odbierania, ale zagęszczając kolektor warto pamiętać o rosnących kosztach inwestycyjnych. W każdym razie nie warto oszukiwać samego siebie i zaniżać powierzchni kolektora (obszaru, na którym zasypane są pętle). Modyfikacją kolektora poziomego prostego jest kolektor spiralny (pozwala on na zwiększenie powierzchni wymiany pomiędzy kolektorem, a ziemią). Rurki kolektora układa się wówczas w kształcie spirali w szerokich rowach (około 80 cm) oddalonych od siebie o około dwa metry.
Schemat działania pompy ciepła, kolektor poziomy spiralny. Rys. Kokoszka
Przy określaniu powierzchni kolektora płaskiego spore znaczenie ma rodzaj gruntu w jakim będzie on zakopany. Najlepszym środowiskiem jest wodonośny żwir lub piasek oraz mocno wilgotna glina. Kolektor zakopany w takich warstwach będzie najbardziej wydajny, a zatem jego powierzchnia może być nieco mniejsza. Zdecydowanie najgorszym środowiskiem jest natomiast suchy piasek. Warto pamiętać, że rozwiązaniem poprawiającym wydajność poziomego dolnego źródła może być rozprowadzenie w gruncie leżącym powyżej, rurek drenarskich odprowadzających wodę deszczową z orynnowania budynku lub rozsączających wodę opuszczającą przydomową oczyszczalnię ścieków.
Kolektory pionowe to odwierty o głębokości nawet 200 m (w praktyce jest to najczęściej około 100 metrów – o tym, dlaczego tak jest, będzie mowa nieco niżej), w które zostaje włożona para rur z polietylenu wysokiej gęstości (PE HD), połączonych tzw. sondą. Może ona mieć różny wygląd, ale najprostszą z nich jest u-kształtka. Kolektor pionowy również wypełniony jest płynem niezamarzającym (najczęściej jest to glikol lub spirytus techniczny). Rozwiązanie tego rodzaju cechuje stabilność temperatur podczas sezonu grzewczego - uzyskiwana temperatura zasilania wynosi przeważnie 6 – 8 stopni C, ale zdarzają się przypadki, że dochodzi nawet do 12 stopni C (poniżej pewnej głębokości temperatura gruntu jest stała). Ważną zaletą kolektorów pionowych jest także możliwość ich zastosowania nawet na działkach o bardzo małej powierzchni. Dlatego też od kilku lat odwierty coraz skuteczniej wypierają pierwsze z przedstawionych rozwiązań, czyli kolektory płaskie. Warto pamiętać, że z jednego metra odwiertu uzyskuje się od 30 do 70 W mocy cieplnej (dla suchego żwiru lub piasku jest to <25 W/m, ale gdy jest w nich dużo wody to już 60 - 80 W/m, a nawet 80-100 W/m; iły, gliny 40-55 W/m; wapienie (masywne): 55 - 70 W/m; granity i inne kwaśne skały magmowe: 65 - 85 W/m; bazalty i zasadowe skały magmowe: 40 - 65 W/m). Jak łatwo się domyślić, rzeczywista moc cieplna uzyskiwana z metra odwiertu rzadko odpowiada tej, jaką zakłada się podczas projektowania instalacji (do obliczeń przyjmuje się 50 - 60 W/m). Jednak nigdy nie wiadomo przecież przez jakie warstwy przechodził będzie odwiert. Jest rzeczą naturalną, że po wykonaniu pierwszego otworu koryguje się pierwotne założenia i zmniejsza lub zwiększa sumaryczną długość kolektora pionowego.
Ustawa „Prawo geologiczne i górnicze” weszła w życie w styczniu 2012 roku i zastąpiła ustawę z roku 1994. Przepisy zawarte w tej regulacji wymagają, aby wykonywanie wszelkich prac pod powierzchnią ziemi odbywało się na podstawie zatwierdzonego projektu robót geologicznych. Wyjątkiem są odwierty do 30 m, których celem jest wykorzystanie ciepła ziemi. Do nich prawo geologiczne i górnicze nie ma zastosowania. Jeżeli odwierty tego rodzaju są głębsze niż 30 m, wówczas zachodzi konieczność opracowania projektu robót geologicznych. Nie wymaga on zatwierdzenia, a jedynie zgłoszenia do organów administracji geologicznej. Jeżeli w ciągu 30 dni starosta nie wniesie sprzeciwu, wówczas można wykonać odwierty. Jeżeli wiercenie ma odbyć się na terenie górniczym, albo gdy planowana głębokość ma przekroczyć 100 m, w takim przypadku należy dodatkowo uwzględnić przepisy o ruchu zakładu górniczego i ratownictwie górniczym.
Zdarzają się próby wykonywania dużej ilości płytkich odwiertów (do 30 metrów). Teoretycznie ma to obniżyć koszty, gdyż wspomniane przepisy nie nakładają na inwestora obowiązku wykonania projektu robót przy wykonywaniu tak płytkiego wiercenia. Jednak w praktyce wcale nie jest to rozwiązanie oszczędne. Warto bowiem pamiętać, że pierwsze kilka metrów odwiertu (najczęściej podawana jest wielkość – 5 m) należy traktować jako bezwartościowe z punktu widzenia obsługi pompy ciepła. Dlaczego? Otóż jeżeli temperatura zasilania w okresie sezonu grzewczego wynosi około 6 stopni C, to na pierwszych pięciu metrach pod powierzchnią jest ona niższa. Następuje tam wręcz utrata energii! Kolejnych kilka metrów (przyjmuje się, że około 10) to obszar neutralny (nie zachodzi tam wymiana energii cieplnej). Dopiero poniżej następuje pobór energii. Dlatego też, jeżeli ktoś decyduje się na odwiert głębokości 60 metrów bieżących, to powinien pamiętać, że aż jedna czwarta długości kolektora nie przynosi żadnych korzyści energetycznych (a płacić trzeba za każdy metr wykonanego otworu!). Odwierty do 30 metrów sprawdzają się najlepiej w przypadku pomp ciepła z bezpośrednim odparowaniem, a wynika to z technicznych aspektów ich pracy.
Otwory sond pionowych nie powinny być również zbyt głębokie. Jeżeli odwierty mają powyżej 125 metrów głębokości, to tak zwane opory przepływu w rurach, z których wykonany jest kolektor, wzrastają na tyle, że znacząco rosną koszty zużycia energii elektrycznej przez pompy obiegowe (są one odpowiedzialne za krążenie niezamarzającego płynu w dolnym źródle).
REKLAMA:
Minimalna odległość pomiędzy odwiertami nie może być mniejsza niż 5 metrów. Należy jednak pamiętać, że im głębsze otwory, tym owa odległość musi być większa. W przypadku odwiertów od 80 do 100 m powinna wynosić już około 8 metrów.
Schemat działania gruntowej pompy ciepła. Kolektory pionowe. Rys. Kokoszka
Doskonałym dolnym źródłem jest woda gruntowa. Ma ona wysoką, stałą temperaturę (w zależności od regionu kraju od 8 do 12 stopni C). Wykorzystanie tego źródła energii, wiąże się z wykonaniem dwóch studni: czerpnej i zrzutowej. Pomimo niewątpliwych zalet (energetycznych oraz ekonomicznych) trzeba podchodzić do tego rozwiązania ze sporą dozą ostrożności. Dużym problemem może być skład wody. Jeżeli jest on nieodpowiedni, to wytrącające się składniki powodują zatykanie elementów instalacji, a co za tym idzie, duże zmiany w ilości przepływającej wody.
Bardzo tanim źródłem energii cieplnej jest powietrze i dlatego coraz częściej bywa wykorzystywane, jako dolne źródło w instalacjach z pompą ciepła. Jeszcze do niedawna sporym problemem był duży spadek sprawności urządzenia oraz mocy grzewczej związany z obniżaniem się temperatury zewnętrznej. Jednak obecnie na rynku pojawiły się pompy ciepła, które nie tylko działają sprawnie nawet przy temperaturze poniżej minus dwudziestu stopni Celsjusza, ale zapewniają również odpowiedni poziom temperatury we wnętrzach.
W przypadku pomp powietrznych należy jednak bardzo dokładnie sprawdzić referencje producenta. Tego rodzaju urządzenia wymagają bowiem zastosowania bardzo zaawansowanych technicznie rozwiązań. W naszym klimacie nie wszystkie powietrzne pompy ciepła zapewnią komfort przy stosunkowo niewielkich kosztach eksploatacyjnych! Należy zdecydowanie postawić na producentów, którzy od lat rozwijają technologię związaną z powietrzem jako dolnym źródłem, a nie na tych, którzy wyczuli akurat koniunkturę.
Górne źródło
Instalacja grzewcza, której zadaniem jest rozprowadzenie ciepła w pomieszczeniach budynku nazywana jest górnym źródłem. Ponieważ większość pomp ciepła to urządzenia niskotemperaturowe, dlatego też najlepiej współpracują z ogrzewaniem niskotemperaturowym. Sprawność pompy ciepła uzależniona jest bowiem od różnicy temperatur pomiędzy dolnym, a górnym źródłem. Im niższa temperatura zasilania górnego źródła, tym pompa ciepła ma większą efektywność (niższe są koszty ogrzewania). W praktyce oznacza to tyle, iż najczęściej stosuje się:ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, ścienne, sufitowe – z tym, że najczęściej spotykane jest pierwsze z nich), klimakonwektory oraz grzejniki niskotemperaturowe
(to właściwie tradycyjne grzejniki, ale ponieważ zasilane są wodą o niskiej temperaturze, więc dla danego pomieszczenia muszą być znacznie większe od tych, jakie zostałyby zastosowane w przypadku ogrzewania wysokotemperaturowego).Schemat kolektora poziomego, prostego, meandrycznego pompy ciepła. Rys. Kokoszka
Należy jednak pamiętać, że na rynku pojawiły się wysokotemperaturowe pompy ciepła, które mają wprawdzie nieco niższą sprawność, ale nadają się doskonale do współpracy z górnym źródłem, które ma charakter wysokotemperaturowy. W praktyce oznacza to tyle, że można odłączyć kocioł gazowy, olejowy lub węglowy i podłączyć pompę ciepła. Jest to zatem rozwiązanie wymarzone dla budynków modernizowanych (pozwala zaoszczędzić na kosztach inwestycyjnych związanych z wymianą instalacji grzewczej).
Ogrzewanie płaszczyznowe - ten rodzaj górnego źródła sprawdza się najlepiej, gdyż pozwala na zastosowanie niskiej temperatury wody krążącej w instalacji. Wśród zalet dolnego źródła o charakterze płaszczyznowym należy wymienić następujące cechy: ciepło oddawane jest przede wszystkim przez promieniowanie (prawie nie występuje konwekcja i unoszenie kurzu), wysoką trwałość (warunkiem jest wykonanie zgodne z zaleceniami), możliwość swobodnego aranżowania wystroju pomieszczeń, korzystny rozkład temperatur w domu, ograniczenie zjawiska wysuszania powietrza, a także wysoką zdolność akumulacji ciepła (nawet wielogodzinna przerwa w zasilaniu pompy ciepła nie powoduje znaczących zmian temperatury panującej w pomieszczeniach).
Innym praktycznym sposobem wykonania górnego źródła dla pompy ciepła jest zastosowanie klimakonwektorów. Są to urządzenia, które służą do utrzymywania zadanej temperatury w pomieszczeniu. Czynnikiem, który krąży w instalacji jest woda. W lecie może ona chłodzić (tylko w przypadku pompy ciepła z funkcją odwracania obiegu), natomiast zimą przenosi ciepło. Minusem takiego rozwiązania jest fakt, że jednym z elementów każdego klimakonwektora jest wentylator (jego praca jest niezbędna zarówno podczas chłodzenia jak i ogrzewania). Nowoczesne modele charakteryzuje wprawdzie bardzo cicha praca, ale całkowite wyeliminowanie dźwięków towarzyszących pracy wiatraczka wydaje się mało realne.
Decydując się na grzejniki trzeba wziąć pod uwagę, że koszty związane z eksploatacją pompy ciepła będą wyższe niż w przypadku ogrzewania płaszczyznowego. Przykładowo, jeżeli przy ogrzewaniu podłogowym (które stosowane jest najczęściej) temperatura zasilania wynosi 35 stopni C, to aby uzyskać podobny komfort cieplny w pomieszczeniach przy ogrzewaniu grzejnikowym niskotemperaturowym należy zwiększyć ową temperaturę o 10 stopni (w praktyce oznacza to wzrost kosztów ogrzewania o około 13 procent - o tyle więcej inwestor zapłaci za prąd zasilający pracę pompy ciepła). Jeżeli natomiast drażnią nas wielkie grzejniki i postanowimy je zmniejszyć, to temperaturę zasilania trzeba będzie zwiększyć o kolejne 10 stopni (a wówczas koszty w porównaniu z ogrzewaniem podłogowym wzrosną o 27 procent!).
Przy zastosowaniu grzejników jako górnego źródła dla pompy ciepła, zalecane jest zastosowanie zbiornika buforowego (zbiornika wody służącego do magazynowania wyprodukowanej ciepłej wody, a tym samym energii).
W przypadku pomp ciepła typu powietrze-powietrze stosuje się układ nadmuchowy, w którym ogrzewane jest bezpośrednio powietrze w budynku. Jednostka nawiewna, wyposażona jest w wentylator, ogrzewa (lub chłodzi) powietrze, a następnie tłoczy je do kanałów. Do pomieszczeń trafia ono przez kratki nawiewne.
Pompa ciepła (ogólne zasady pracy)
Niezamarzająca ciecz krążąca w dolnym źródle pompy ciepła odbiera energię z gruntu, wody lub powietrza. Kiedy dociera do urządzenia wówczas w wymienniku ciepła nazywanym parownikiem oddaje ją zimnemu, ciekłemu czynnikowi roboczemu (chłodniczemu) znajdującemu się pod niskim, stałym ciśnieniem (najczęściej stosowane są obecnie freony hydrofluorowęglowodorowe HFC). Krąży on w obiegu zamkniętym i nie ma kontaktu z otoczeniem. W wyniku tego procesu czynnik chłodniczy ogrzewa się, a następnie paruje (staje się gazem). W kolejnym etapie ów gaz zostaje sprężony przez sprężarkę. Wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie energia wewnętrzna (kto pamięta z fizyki lekcję o obiegu Lindego ten wie o czym piszę, natomiast pozostałe osoby muszą przyjąć rzecz na wiarę, albo sięgnąć po szczegółowy opis tego procesu). Gaz pod wysokim, stałym ciśnieniem oddaje ciepło w drugim wymienniku ciepła (współpracującym z górnym źródłem) – skraplaczu. Ogrzana w ten sposób woda krąży w instalacji zapewniając w budynku odpowiednią temperaturę, a czynnik chłodniczy w postaci cieczy (przez zawór dławiący, rurkę kapilarną lub turbinę rozprężną – dzięki nim następuje spadek ciśnienia), kierowany jest ponownie do parownika i proces rozpoczyna się od nowa.Trochę inaczej działają pompy z bezpośrednim odparowaniem. Czynnik chłodniczy krąży bowiem w dolnym źródle i dlatego zbędny jest jeden z wymienników ciepła – parownik oraz pompa obiegowa do cieczy niezamarzającej.
Inny podział
Pompy ciepła można sklasyfikować stosując różne „klucze”. Jednak najbardziej przydatnym, z punktu widzenia inwestora, wydaje się podział według dwóch kryteriów: z jakiego otoczenia pompa pobiera ciepło i w jaki sposób przekazuje je do pomieszczeń (w jakich warunkach pracują dolne oraz górne źródło). Najczęściej można spotkać pompy ciepła:- gruntowe (niezamarzająca ciecz (solanka – w praktyce roztwór glikolu)/woda, bezpośrednie odparowanie/woda),
- wodne (woda/woda, woda/powietrze),
- powietrzne (powietrze/woda, powietrze/powietrze).
Kilka słów o mocach i współczynnikach
Pompa ciepła nie jest urządzeniem, które „kupuje się na oko”. Musi być ono dokładnie dobrane przez fachowca, który ma nie tylko wiedzę dotyczącą źródeł ciepła, ale przede wszystkim doskonale orientuje się w niuansach chłodnictwa! Niskie koszty eksploatacyjne pojawią się tylko wówczas, gdy urządzenie będzie dopasowane do specyfiki danego budynku. Dlatego najlepiej zdać się na eksperta. Warto jednak poznać cztery ważne wartości podawane przez producentów pomp ciepła.Pierwszym z nich jest moc grzewcza (Pg). Określa ona całkowitą moc z jaką sprężarka dostarcza ciepło do instalacji grzewczej. To bardzo ważna wartość, gdyż ma duże znaczenie dla działania całej instalacji, której sercem jest pompa ciepła. Urządzenie, które ma zbyt małą moc grzewczą, nie będzie bowiem mogło efektywnie ogrzać budynku. Z kolei zbyt duża moc będzie skutkować zużyciem energii elektrycznej nieadekwatnym do rzeczywistych potrzeb. Istnieją dwie szkoły dobierania Pg. Pierwsza z nich, preferuje dobranie mocy do maksymalnego zapotrzebowania na ciepło. Pompa ciepła może wówczas skutecznie ogrzać pomieszczenia mieszkalne nawet przy bardzo niskich temperaturach (przyjmuje się przeważnie poziom minus 20 stopni Celsjusza). Taki wariant doboru Pg nie wymaga wprawdzie stosowania wspomagających urządzeń grzewczych (pompa ciepła działa w systemie monowalentnym – jest jedynym urządzeniem grzewczym), ale przy temperaturach wyższych od minimalnych (a takie panują przecież przez większość sezonu grzewczego) pompa będzie zużywała więcej energii niż potrzeba. Druga szkoła dobierania mocy grzewczej mówi, iż Pg powinna stanowić około 70 procent maksymalnego zapotrzebowania. Taki wariant wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń grzewczych (grzałki zintegrowane z pompą, kominek, kocioł). Rozwiązanie tego rodzaju, nazywane biwalentnym. pozwala na zoptymalizowanie kosztów eksploatacji. Moc grzewczą można obliczyć w przybliżeniu jeśli pomnoży się powierzchnię domu przez zapotrzebowanie na moc.
Kolejną wartością, którą można odnaleźć w specyfikacjach pomp ciepła jest moc elektryczna Pe. Określa ona maksymalną ilość mocy jaką wykorzystuje sprężarka. Przyjmuje się, że prąd elektryczny stanowi 25 procent zapotrzebowania energetycznego pompy ciepła. Pozostała część pochodzi ze źródła dolnego. Im mniejsza moc elektryczna, tym tańsza będzie eksploatacja pompy ciepła.
Moc chłodnicza Pch - jej wartość niesie informację o tym, z jaką maksymalną mocą sprężarka może pobierać ciepło z dolnego źródła. Oblicza się ją odejmując moc elektryczną od mocy grzewczej urządzenia. Ważną informację o pompie ciepła niesie też współczynnik COP (coefficient of performance) - współczynnik efektywności nazywany również współczynnikiem wydajności cieplnej. Jest to zależność pomiędzy mocą, która jest uzyskana w pompie ciepła jako ciepło lub chłód (wyrażoną w kW), a mocą, która jest dostarczona do kompresora (również wyrażoną w kW). Im wyższa jest wartość współczynnika COP, tym urządzenie jest bardziej efektywne.
Zakończenie
Powyższy tekst nie należy do krótkich, a przecież i tak nie wyczerpuje tematu. Przeciwnie w wielu miejscach zaledwie sygnalizuje pewne zagadnienia. Mam jednak nadzieję, że pozwoli swobodniej korzystać z licznych informacji oraz artykułów o pompach ciepła.Przeczytaj artykuły:Pompa ciepła zamiast kotła na olej opałowyPompa ciepła zamiast kotła na ekogroszek Modernizacja systemu grzewczego z wykorzystaniem pompy ciepła Pompy ciepła – fakty i mity |
Ważne jest by nigdy nie przestać pytać. Ciekawość nie istnieje bez przyczyny. Wystarczy więc, jeśli spróbujemy zrozumieć choć trochę tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie trać świętej ciekawości. Kto nie potrafi pytać nie potrafi żyć. To słowa Alberta Einsteina, które są jednocześnie zaproszeniem dla czytelników naszego portalu, do zadawania pytań dotyczących pomp ciepła. Prosimy kierować je na adres: redakcja@obud.pl z dopiskiem POMPA CIEPŁA - PYTANIE. Odpowiemy na nie w kolejnych tekstach dotyczących pomp ciepła.
REKLAMA:
REKLAMA:
Źródło: obud.pl