Pompa ciepła jest urządzeniem bezkonkurencyjnym w stosunku do tradycyjnych układów konwencjonalnych, a rozwój budownictwa niskoenergetycznego jest bez nich nie do osiągnięcia.
W związku z topniejącymi rezerwami paliw kopalnych, planowaną redukcją emisji substancji szkodliwych do środowiska naturalnego oraz koniecznością ograniczenia zapotrzebowania na energię elektryczną, jak również potrzebą rozwoju technologii i ożywienia rynku związanego z techniką grzewczą, chłodniczą i klimatyzacyjną Unia Europejska narzuciła kierunek wykorzystania OZE w energetyce. Do produkcji ciepła wykorzystywana jest głównie energia słoneczna (przez kolektory słoneczne) oraz pompy ciepła. Pompy ciepła wykorzystują transport energii ze źródła dolnego do górnego, zapewniając przy tym odpowiednio wysoką temperaturę po stronie odbioru. Ich zastosowanie pozwala pozyskiwać zarówno energię z otaczającego środowiska, jak również ciepło wyrzucane w różnego rodzaju procesach przebiegających w budynkach użytkowych i przemysłowych.
Bardzo istotna jest decyzja Komisji Europejskiej z dnia 1 marca 2013 r. uznająca pompy ciepła za źródła odnawialne i przedstawiająca sposób ich klasyfikacji. Decyzja daje wytyczne dotyczące obliczania energii odnawialnej z pomp ciepła w odniesieniu do różnych ich technologii na podstawie dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE (2013/114/UE).
Pompa ciepłazgodnie z nomenklaturą techniczną jest to typowe urządzenie chłodnicze, które pracuje jak transformator energetyczny, pobierając energię ze źródła o niskim potencjale energetycznym (temperaturowym) i za pomocą dostarczonej z zewnętrz energii do zasilania sprężarki podwyższa jej poziom do żądanej temperatury. 75% energii pochodzi ze środowiska, a transport energii zapewniony jest przez energię napędową dostarczoną w postaci oleju, gazu lub energii elektrycznej. Energia pozyskiwana jest z dolnego źródła, natomiast ciepło o podwyższonej temperaturze przekazywane jest do górnego źródła (ogrzewanie podłogowe, grzejnikowe itp.). Dolne źródło energii niskotemperaturowej może stanowić np. grunt, wody powierzchniowe i podziemne, powietrze atmosferyczne, zbiorniki lodu, ciepło odpadowe. Dolne źródło powinno charakteryzować się odpowiednią stabilnością podczas okresu pracy pompy. W zależności od zastosowanych rozwiązań technicznych można wyróżnić wiele rodzajów pomp ciepła. Obecnie najbardziej znane są urządzenia sprężarkowe. W rozwiązaniach specjalistycznych spotkać można pompy ciepła termoelektryczne, a obecnie olbrzymie oczekiwania związane są z zastosowaniem urządzeń absorpcyjnych.
Rys. 1 Układ pompy ciepła w układzie kolektora poziomego umieszczonego w gruncie (źródło: Dimplex)
Kolektor poziomy (kolektor gruntowy, rys. 1) to system rur zakopanych na głębokości ok. 1,5 m pod powierzchnią terenu, w których przepływa mieszanina wody i glikolu. Wielkości wymiennika zależą m.in. od rodzaju gruntu, najwięcej ciepła dostarcza grunt gliniasty i nasycony wodą. Kolektor poziomy zajmuje sporo miejsca i nad nim nie można sadzić roślin o długich korzeniach ani np. lokalizować podjazdu. Jeśli rury są zakopane zbyt płytko, wydajność instalacji podczas mrozów znacznie spada. Korzystne jest dlatego przewymiarowanie wielkości kolektora poziomego.
Rys. 2 Układ pompy ciepła w układzie studni wierconych przy wykorzystaniu naturalnych warstw wodonośnych (źródło: Dimplex)
W przypadku pompy ciepła w układzie studni wierconych (rys. 2) woda gruntowa jest pobierana ze złoża poprzez jedną studnię, przepływa przez wymiennik ciepła pompy ciepła i jest oddawana przez drugą studnię oddaloną o kilkanaście metrów od pierwszej. Istotna jest jakość wykorzystywanej wody, trzeba np. stosować specjalne wymienniki oddzielające zmineralizowaną wodę od wymiennika pompy ciepła albo wymienniki ze stali tytanowej.
Rys. 3 Układ pompy ciepła w układzie odwiertów pionowych – sondy pionowe (źródło: Dimplex)
W przypadku zastosowania sond pionowych (rys. 3) rury wpuszczane są w głąb ziemi, najczęściej do ok. 100 m. Zwykle wystarcza wykonanie paru odwiertów oddalonych od siebie o kilka metrów. Zajęta jest niewielka powierzchnia działki, całą resztę można dowolnie zagospodarować. Projekt geologiczny i głębokie wiercenia zwiększają koszty, ale taki układ pompy ciepła charakteryzuje się stałą mocą i wysoką sprawnością przez cały sezon grzewczy.
Rys. 4 Układ pompy ciepła powietrznej w układzie jednostki zewnętrznej (źródło: Dimplex)
Zastosowanie pompy ciepła powietrznej jest najtańszym rozwiązaniem (rys. 4), ponieważ nie trzeba wykonywać żadnych prac ziemnych. Jednak przy mroźnej zimie znacznie spada moc oraz sprawność takiej pompy i dlatego montuje się ją zawsze wraz z dodatkowym urządzeniem grzewczym.
Układ pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci zbiornika lodu (rys. 6) to dosyć nowatorskie rozwiązanie. Zbiornik wypełniony wodą jest zakopany w ziemi i wyposażony w dwa wymienniki ciepła (do pobierania ciepła i do regeneracji złoża). Wykorzystując pompę ciepła, energia znajdująca się w wodzie w zbiorniku lodowym jest pobierana aż do chwili zamarzania wody, gdy wydziela się dodatkowa energia krystalizacji. Przy zmianie stanu skupienia wody wytwarzana jest duża ilość ciepła.
Rys. 5 Układ hybrydowy pompy ciepła powietrznej połączonej z systemem ogniw fotowoltaicznych – PV (źródło: Dimplex)
Sprężarkowe pompy ciepła
Podstawowe elementy sprężarkowej (najpopularniejszej) pompy ciepła przedstawione są na rys. 7: źródło ciepła oznaczono – 1, odbiornik ciepła – 5, wymienniki ciepła: skraplacz – 2 i parownik – 4, elementy rozprężne, tj. kapilara lub zawór rozprężny (dławiący) – 6, sprężarka – 3 (najczęściej napędzana energią elektryczną). W układzie pompy ciepła krąży niskowrzący czynnik chłodniczy, który realizuje lewobieżny obieg termodynamiczny.
W układzie urządzenia krąży czynnik chłodniczy, który pobiera ciepło niskotemperaturowe w parowniku urządzenia (z powietrza, wody gruntu lub ciepła odpadowego itd.) i odparowuje w niskiej temperaturze i ciśnieniu. Pary czynnika zasysane są przez sprężarkę, która podnosi ich ciśnienie. Pary czynnika sprężone do wysokiego ciśnienia osiągają odpowiednio wysoką temperaturę, która pozwala podgrzać medium grzewcze przepływające przez skraplacz. Ciepło odbierane w skraplaczu powoduje, że czynnik się skrapla. Czynnik w formie ciekłej trafia do zaworu rozprężnego, w którym dławiony jest do niskiego ciśnienia i niskiej temperatury. Rozprężony płyn roboczy o niskiej temperaturze jest w stanie ponownie odparować w parowniku zasilanym niskotemperaturową energią odnawialną pozyskiwaną z dolnego źródła i cykl się powtarza.
Rys. 6 Układ pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci zbiornika lodu (źródło: Skorupa Energy Technic)
Sprężarkowe pompy ciepła zasilane gazem (GHP)
Zastosowany w gazowych sprężarkowych pompach ciepła (ang. GHP – Gas Heat Pump) układ chłodniczy jest taki sam jak w urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Różnicę stanowi napęd sprężarki, którym jest silnik gazowy zamiast elektrycznego. W GHP stosowane są silniki tłokowe o wysokiej sprawności, przystosowane do pracy odpowiadającej wymaganiom układu chłodniczego. Sprawność podnoszona jest przez wykorzystanie ciepła chłodzącego silnik do produkcji c.w.u. Z reguły tego typu urządzenia przygotowywane są jako układy multisplit, co oznacza zestawy jednostek łączonych w kaskady, pracujące bezpośrednio na czynniku chłodniczym wprowadzanym do pomieszczeń budynku. Powietrze w pomieszczeniach jest ogrzewane lub chłodzone poprzez klimakonwektory zainstalowane w budynku. Zastosowanie układu na bezpośrednim odparowaniu czynnika w odbiornikach pozwala uzyskiwać wyższe sprawności ze względu na niskie temperatury skraplania i wysokie temperatury parowania. Istnieją rozwiązania umożliwiające przejście z czynnika chłodniczego na układ wodny, który jest bardziej uniwersalny i bezpieczniejszy ze względu na mniejsze własności penetracyjne wody i jej obojętność w stosunku do organizmów żywych. Przejście na układ wodny okupione jest jednak stratami mocy i temperatury, co znacznie obniża efektywność GHP.
Rys. 7 Schemat sprężarkowej pompy ciepła (źródło: Dimplex)
Sorpcyjne pompy ciepła
Urządzenia absorpcyjne wykorzystują tzw. zjawisko sorpcji, czyli pochłaniania jednej substancji, tzw. sorbatu, przez inną substancję, tzw. sorbent. Sorpcja dzieli się na adsorpcję (czynnik chłodniczy pochłaniany jest powierzchniowo przez adsorbent stały, np. żel krzemowy, lub adsorbujący dwutlenek siarki) i absorpcję, czyli proces pochłaniania substancji ciekłej lub gazowej w całą objętość substancji. Absorbent ciekły to np. woda absorbująca amoniak, natomiast absorbent stały to np. chlorek wapnia absorbujący amoniak.
Sorpcyjne pompy ciepła, w porównaniu z pompami sprężarkowymi, znajdują w praktyce mniejsze zastosowanie, choć ich zaletami jest niezawodność, cicha praca i wysoka sprawność. Znajdują zastosowanie tam, gdzie możliwe jest wykorzystanie energii odpadowej z różnych procesów technologicznych.
Urządzenia absorpcyjne są obecnie badane na szeroką skalę i coraz częściej można je spotkać w instalacjach na rynku europejskim. Wykorzystanie wysokosprawnych palników gazowych do zasilania generatorów absorpcyjnych pomp ciepła pozwala na całoroczną pracę jednostek.
Dla adsorbcyjnych pomp ciepła ograniczeniem są wysokie wymagania temperaturowe dolnego źródła oraz cykliczna praca.
Efektywność pomp ciepła
Efektywność działania pompy ciepła określana jest przez odpowiedni współczynnik w zależności od rodzaju urządzenia. W przypadku pomp sprężarkowych powszechnie stosowany jest współczynnik sprawności COP (Coefficient of Performance), który stanowi stosunek ciepła odebranego w skraplaczu urządzenia do pracy włożonej do napędu sprężarki. Na wartość tego współczynnika wpływa wiele czynników (budowa pompy ciepła – rodzaj sprężarki, wymienników, czynnika chłodniczego, dodatkowych elementów itd.), głównie jednak temperatura dolnego i górnego źródła. Ogólnie im różnica między temperaturami dolnego i górnego źródła jest mniejsza, tym bardziej wydajna jest pompa ciepła, a zatem osiąga ona wyższą wartość współczynnika COP.
Bilans energetyczny pompy ciepła:
Qk = Q0 + L lub qk = q0 + l
COP = Qk/L lub COP = qk/l
gdzie:
Qk – ilość ciepła odebrana w skraplaczu pompy ciepła,
Q0 – ilość ciepła pobrana z dolnego źródła (w parowniku pompy ciepła),
L – moc elektryczna włożona do napędu sprężarki,
qk – jednostkowa wydajność grzejna obiegu,
q0 – jednostkowa ilość ciepła pobrana z dolnego źródła w parowniku pompy ciepła,
l – właściwa praca sprężania.
W celu określenia wydajności sezonowej wyznaczane są wartości SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Do wyznaczenia współczynnika uwzględniającego również elementy instalacji wykorzystywany jest tzw. SPF (Seasonal Performance Factor),niem. JAZ, który uwzględnia zmienne w czasie warunki pracy pompy ciepła, pozwalając dokładniej oszacować koszty eksploatacji, a zarazem koszty ogrzewania domu. Współczynnik SPF oznaczany jest odpowiednią cyfrą w zależności od rodzaju elementów, które są nim ujęte. Przykładowo SPF1 obejmuje wyłącznie pompę ciepła (bez pomp wody, wentylatorów itd.), natomiast SPF3 uwzględnia dodatkowe elementy, tj. pompę wody, wentylator, a nawet dodatkowy podgrzewacz.
W przypadku pomp ciepła zasilanych ciepłem, np. gazowych absorpcyjnych pomp ciepła zasilanych ciepłem, wyznaczany jest współczynnik GUE (Gas Utilization Efficiency).
Współczynnik wydajności grzewczej absorpcyjnej pompy ciepła:
GUEg = (Qk + QA) /QW
Współczynnik wydajności chłodniczej absorpcyjnej pompy ciepła:
GUEch = Q0/QW
gdzie:
Qk – ilość ciepła odebrana w skraplaczu pompy ciepła,
Q0 – ilość ciepła pobrana z dolnego źródła (w parowniku pompy ciepła),
Qw – ilość ciepła wykorzystana do zasilenia generatora/warnika,
QA – ciepło powstałe w procesie absorpcji.
W celu wyznaczenia efektywności sezonowej wyznaczany jest współczynnik SPF z odpowiednim oznaczeniem, w przypadku urządzeń napędzanych ciepłem oznaczony jako SPER (Seasonal Performance Efficiency Ratio).
Podsumowanie
Bez względu na temperatury pompa ciepła jest w stanie poradzić sobie z zapotrzebowaniem ciepła i chłodu w najbardziej skrajnych warunkach pogodowych pod jednym warunkiem: pompa ciepła musi być prawidłowo zamontowana w budynku do tego przystosowanym, czyli budynku, który spełnia wszystkie kryteria budynku efektywnego energetycznie. Na razie pompy ciepła są niedoceniane, ponieważ wiedza na ich temat jest przekazywana w sposób niejasny i zawiły, co spowodowało, iż wokół pomp ciepła narosły niesamowite mity i historie z pogranicza science fiction. Reasumując, bez względu na rozwój technologii wytwarzających ciepło i chłód pompa ciepła jest urządzeniem bezkonkurencyjnym w stosunku do tradycyjnych układów konwencjonalnych, a rozwój budownictwa niskoenergetycznego z przejściem do budynków plus energetycznych w UE jest nie do osiągnięcia bez technologii pomp ciepła.
Tomasz Mania
Jakub Doroszkiewicz
Joanna Kawa
Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła
