Ogrzewanie pompą ciepła. Charakterystyka ogrzewania pompą ciepła

2018-10-31 10:30 mgr inż. Dawid Pantera
Kotłownia z pompą ciepła
Autor: D. Pantera Pomieszczenie kotłowni z instalacją pompy ciepłą

Ogrzewania pompą ciepłą znalazło w ciągu ostatnich lat stałe miejsce w technice grzewczej. Ogrzewania pompą ciepła zyskuje na znaczeniu zwłaszcza w przypadku modernizacji instalacji cieplnych. Odpowiednio zaprojektowane i zainstalowane pompy ciepła są w stanie zapewnić w każdym budynku (spełniając jednocześnie niemal każde wymaganie) istotny wkład w oszczędzanie zasobów naturalnych i ekonomiczną produkcję ciepła.

Ogrzewanie pompą ciepła - jak działa?

Pompy ciepła w odpowiedni sposób zagospodarowują energię zgromadzoną w otoczeniu, przekazując ją następnie do instalacji grzewczej. Jak to się dzieje, że ze środowiska o stosunkowo niskiej temperaturze można uzyskać wartości na poziomie 65°C i więcej? Należy zacząć od tego, że w termodynamice nie istnieje dokładne sformułowane pojęcie „zimna”. „Wytwarzanie zimna” oznacza odprowadzanie ciepła z układu, aż do osiągnięcia w nim wartości poniżej temperatury otoczenia. Ilość ciepła potrzebną do ogrzania 1 kg substancji o 1 K określa się jako ciepło właściwe. Odebrana od 1 kg substancji spowoduje spadek jej temperatury o 1 K. Zanim opisane zostanie ogrzewanie pompą ciepła i  procesy w niej zachodzące, warto przypomnieć sobie zasady termodynamiki.

Zasady termodynamiki

I zasada termodynamiki (zachowania energii): w układzie zamkniętym energia nie może zniknąć, a jedynie zamienić się w inną formę energii. Energia cieplna i mechaniczna są równoważne.
II zasada termodynamiki: ciepło przepływa zawsze z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej, nigdy odwrotnie, gdyż potrzebny byłby do tego wydatek energii.

Zasady te mają zasadnicze znaczenie dla procesów wykorzystywanych w pompach ciepła, w których dostarczaną energią jest praca mechaniczna. Sprężarkowa pompa ciepła składa się z czterech podstawowych elementów:

  • wymiennika do pozyskiwania ciepła z otoczenia,
  • sprężarki,
  • wymiennika do oddawania ciepła do instalacji grzewczej,
  • elementu rozprężnego.

Stanowi ona termodynamiczny układ zamknięty, w którym w sposób ciągły krąży substancja robocza, będąca nośnikiem energii cieplnej. Podlega ona następującym po sobie przemianom termodynamicznym: odparowania, sprężania, skraplania i rozprężania. Zgodnie z teorią substancja robocza uczestniczy w procesach wymiany ciepła, pobierając je podczas odparowywania w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu oraz oddając przy skraplaniu następującym w odpowiednio wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu.

Schemat działania pompy ciepła
Autor: D. Pantera Schemat działania pompy ciepła

W wymienniku po stronie środowiska – parowniku – substancja robocza ulega odparowaniu i tym samym pobiera energię. Jako para jest zasysana przez sprężarkę, gdzie dochodzi do zmniejszenia jej objętości (następuje wzrost ciśnienia, czemu towarzyszy wzrost temperatury). Energię odparowania „podnosi” się na wyższy, użyteczny poziom temperaturowy.
Gorąca para substancji roboczej tłoczona jest do kolejnego wymiennika – skraplacza, gdzie oddaje swoje ciepło do wody grzewczej, ulega skropleniu i kierowana jest na zawór rozprężny, który ma za zadanie zdławienie przepływu i rozprężenie. Pod dużym ciśnieniem (sprężania) naciskana jest ona na niewielki otwór (dyszę rozprężną), przy czym po stronie wtórnej dyszy panuje ciśnienie ssania sprężarki. Procesowi rozprężania towarzyszy gwałtowny spadek temperatury, na tyle duży, że substancja robocza osiąga temperaturę niższą niż środowisko, a więc znów może pobrać energię w procesie odparowania; następnie proces się powtarza.

Współczynnik efektywności

Jest miarą efektywności i definiuje się go jako stosunek korzyści do włożonego nakładu pracy. Odnosząc tę miarę do działania pompy ciepła, przez korzyść należy rozumieć ilość energii oddanej na wysokim poziomie temperaturowym (skraplanie), z kolei nakład pracy to niezbędna do tego energia napędowa (sprężanie). W przypadku pomp ciepła stopień sprawności podaje się jako współczynnik efektywności – COP (z ang. Coefficient Of Performance).

Pompa ciepła - efektywność pracy
Autor: D. Pantera Efektywność pracy pompy ciepła

Ogrzewanie pompą ciepła – grunt jako źródło ciepła

Pompy ciepła bazujące na cieple z gruntu są obecnie bardzo popularne, a ich mocną stroną jest stały, stosunkowo wysoki współczynnik efektywności. Dolnym źródłem mogą być kolektor poziomy lub odwierty pionowe.
Kiedyś popularne z powodu prostoty budowy i względnie niskiej ceny wymienniki poziome obecnie ustępują odwiertom, przy wykonywaniu których nie potrzeba dużej powierzchni gruntu.

Instalacje dolnego źródła w oparciu o sondy pionowe wymagają bardziej profesjonalnego sprzętu i większej liczby dokumentów – zajmują się tym jednak firmy wykonujące odwierty. Tym, co łączy dwa dolne źródła ciepła, jest obowiązek ich zgłoszenia przed rozpoczęciem budowy organom administracji geologicznej (staroście) jako prace związane z pozyskaniem ciepła z Ziemi.

Bardzo ważną kwestią w pompach ciepła jest przepływ czynnika niezamarzającego przez parownik. Musi on być zawsze na optymalnym poziomie, nie niższym niż określony przez producenta. Odpowiedni przepływ zapewnia prawidłową pracę parownika i pełne wykorzystanie jego powierzchni wymiany ciepła. O ile dolnym źródłem ciepła jest grunt, o tyle pod pojęciem odpowiedniego przepływu rozumie się taki przepływ czynnika niezamarzającego, który gwarantuje osiągnięcie na parowniku mocy chłodniczej pompy ciepła (określonej według normy PN-EN 14511 dla B0/W35 i podanej w danych technicznych urządzenia) dla różnicy temperatur między zasilaniem a powrotem 3 K.

Jeżeli w dolnym źródle ciepła przewiduje się temperaturę inną niż typowa dla gruntu, przepływ należy obliczyć dla mocy chłodniczej spodziewanej do osiągnięcia przez pompę ciepła dla tych temperatur. Wykres zmiany mocy chłodniczej w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła podany jest również w danych technicznych. Mimo że przepływy czynnika niezamarzającego są niezmiernie ważne w pompach ciepła, niestety nadal spotyka się instalacje, w których nie ma możliwości oceny, czy wszystkie pętle są równomiernie zasilane czynnikiem i czy osiągnięty jest minimalny przepływ czynnika. Bez tego nie ma sensu przystępować nawet do uruchamiania pompy ciepła.

Jak zachowuje się gruntowa pompa ciepła, gdy przepływ czynnika jest mniejszy niż wymagany? Pracuje, nawet całkiem poprawnie, jednak z mniejszą niż deklarowana mocą, a niedobory te wpływają następnie na obniżenie komfortu użytkownika – dłuższy czas oczekiwania na c.w.u. czy spadek temperatury pomieszczeń w czasie mrozów. Ponadto dłuższy czas pracy urządzenia, a także grzałek elektrycznych, które zgodnie z algorytmami pracy pompy załączane są w przypadku niedoboru mocy grzewczej, wpływa na wyższe koszty eksploatacji.

Ogrzewanie pompą ciepła – źródłem ciepła powietrze

Pompy ciepła wykorzystujące powietrze atmosferyczne jako źródło ciepła zyskują na popularności. Nie wymagają nakładów inwestycyjnych w dolne źródło ciepła, ponieważ wykorzystują otaczające powietrze.

Najczęściej ich gabaryty są większe od gruntowych tej samej mocy (choć powoli się to zmienia), gdyż powietrze nie stanowi specjalnie dobrego magazynu ciepła i dla uzyskania energii wymagany jest duży wymiennik do odzyskiwania ciepła. Oferowane na rynku modele dostępne są jako urządzenia typu monoblok (wszystko w jednej obudowie), do zabudowy wewnątrz lub na zewnątrz budynku, a także jako modele typu split (podział na dwie jednostki), w których jedna część montowana jest wewnątrz, a druga na zewnątrz obiektu.

Powietrzna pompa ciepła w nowych domach z niskotemperaturowym ogrzewaniem centralnym osiąga bardzo niskie koszty eksploatacji, bliskie pompom wykorzystującym grunt jako źródło ciepła.

Powietrzna pompa ciepła - jednostka zewnętrzna
Autor: D. Pantera Jednostka zewnętrzna powietrznej pompy ciepła

Temperatura dolnego źródła w przypadku ogrzewania pompą ciepła powietrze-woda zmienia się od 30°C podczas letnich upałów aż po –20°C w mroźne zimy. Zatem pompa ciepła, w zależności od pory roku, będzie charakteryzowała się różnymi mocami grzewczymi, a zmiana jej mocy jest niestety odwrotnie proporcjonalna do zapotrzebowania cieplnego budynku. Co ciekawe, skrajnie niskie temperatury powietrza nie są dla niej tak kłopotliwe, jak te w okolicy 0°C. Powietrze, które wciąż charakteryzuje się wtedy dużą wilgotnością, trafiając na parownik pracującej pompy ciepła, ulega dodatkowemu ochłodzeniu, a wytrącona wilgoć zamarza na ściankach, co powoduje jego zamarzanie i zatykanie.

Oczywiście automatyka rozpozna zamrożenie parownika i zrealizuje funkcję rozmrażania (tzw. gorącym gazem lub elektrycznie), podczas której powstaje bardzo duża ilość pary wodnej, a roztopiony lód spływa do wanny kondensatu umieszczonej pod parownikiem, skąd następnie kierowany jest poza urządzenie. Ilość powstającej w ciągu roku wody nie jest duża, ale odpływ musi być drożny i zabezpieczony przed zamarznięciem, powinien również prowadzić, np. do kanalizacji lub w podłoże chłonne. Zagadnienie to dotyczy pomp ciepła typu monoblok (montowanych na zewnątrz budynku) oraz split. Jednostka zewnętrzna montowana w pobliżu budynku na cokole lub ścianie zewnętrznej wymagać będzie zaizolowanego i niekiedy dodatkowo ogrzewanego odpływu kondensatu.

Podczas odmrażania parownika wyłączany jest wentylator, aby nie powodować wydłużania tego procesu. Mając tę wiedzę, jasny staje się nakaz montażu jednostki zewnętrznej w miejscach nienarażonych na silne podmuchy wiatru. Wentylator pompy ciepła typu powietrze-woda o mocy grzewczej znormalizowanej według normy PN-EN 14511 dla A2/W35 ok. 9 kW wymaga ponad 4000 m³/h przepływu powietrza, a więc ponad 1 m³/s. To wymusza montaż pompy ciepła typu monoblok przeznaczonej do instalacji na zewnątrz budynku lub kanału wyrzutowego w przypadku montowanej wewnątrz, a także jednostki zewnętrznej pompy typu split w miejscach oddalonych od ciągów komunikacyjnych oraz roślinności źle znoszącej niskie temperatury. Zdarza się, że przy niewłaściwie wypoziomowanej pompie ciepła po zakończeniu procesu odmrażania parownika część skroplin zostaje na dnie wanny kondensatu i podczas pracy wentylatora jest wyrzucana na zewnątrz, tworząc lokalne skupiska lodu.

Pompa ciepła ogrzewanie - spadek wartości ciśnienia akustycznego
Autor: D. Pantera Spadek wartości ciśnienia akustycznego w zależności od odległości od źródła dźwięku

Nie bez znaczenia jest także fakt hałasu generowanego przez pracujące wentylatory. Dopuszczalne wartości hałasu emitowanego do otoczenia określone są w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku. W przypadku terenów o zabudowie jednorodzinnej wynoszą one 50 dB(A) w ciągu dnia i 40 dB(A) nocą.
Pompa typu split o wspomnianej wcześniej mocy znormalizowanej 9 kW charakteryzuje się mocą akustyczną na poziomie od 50 do nawet 65 dB(A). Moc akustyczna określa poziom hałasu w źródle, zatem wraz z oddalaniem się od niego wartości te maleją. Są one określane mianem ciśnienia akustycznego, wyrażanego w tych samych jednostkach co moc akustyczna. Różne usytuowanie źródła hałasu wymaga więc zachowania innych minimalnych odległości od granicy działki.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej