Pompa Ciepła i jej zastosowanie do ogrzewaniu budynków.

Pompa Ciepła i jej zastosowanie do ogrzewaniu budynków.

Jak działa pompa ciepła.

Pompa ciepła jest maszyną cieplną wymuszającą przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych). W układach sprężarkowych do zasilania zazwyczaj wykorzystywany jest prąd.

Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:

·         gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki),

·         przetwórstwie spożywczym (chłodnie, zamrażalnie, fabryki lodu),

·         klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń),

·         chłodnictwie,

·         ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza).

·         podgrzewaniu wody użytkowej

źródło: www.google.com

W chłodziarkach i zamrażarkach ciepło jest "wypompowywane" z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamrażarka.

Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń "wypompowuje" ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu, wody lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia.

Obliczając bilans energetyczny dla budynku, czyli licząc sumę wszystkich strat ciepła przez przegrody typu: ściany zewnętrzne, okna, drzwi, dach, piwnicę oraz wentylację uzyskujemy ile mocy cieplnej Q (wyrażanej w kW) musimy dostarczyć do budynku celem uzyskania żądanej temperatury w pomieszczeniach. Bez względu na źródło ciepła czy to będzie kocioł gazowy lub olejowy, czy podgrzewacz elektryczny lub pompa ciepła, musimy do budynku dostarczyć tyle samo ciepła Q wynikającego z obliczeń.

Najbardziej efektywne i ekonomiczne jest wykorzystanie pompy ciepła, gdy różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem a systemem ogrzewania jest jak najmniejsza. Wskaźnikiem sprawności pomp ciepła jest współczynnik efektywności COP. Zazwyczaj wskaźnik COP jest w zakresie 3-6. Oznacza to, że na 1 kW energii elektrycznej (Q_e) wykorzystanej do napędu uzyskujemy 3-6 kW energii cieplnej (Q)wykorzystanej do ogrzania budynku.

COP = Q/Q_e

 

Ogólna zasada działania systemu ogrzewania z pompą ciepła

źródło: www.google.com

Górne źródło.

W pomieszczeniach budynku musimy zapewnić odpowiednie temperatury powietrza w zależności od typu pomieszczenia od 18^OC w sypialni do 24^OC dla łazienki.

W tym celu możemy wykorzystać:

1.      ogrzewanie płaszczyznowe – podłogowe, ścienne, sufitowe

2.      grzejniki

3.      mieszane – płaszczyznowe + grzejniki

Obliczeniową moc cieplną Q możemy uzyskać zmieniając dwa parametry – powierzchnie grzewczą lub temperaturę medium grzewczego. Im niższa temperatura medium tym powierzchnia grzewcza powinna być większa i na odwrót wyższa temperatura mniejsza powierzchnia. Najlepszy efekt ekonomiczny pracy pomp ciepła osiągniemy przy niskiej temperaturze medium (wody grzewczej) tzn. w zakresie temperatur 28-35^OC. Dlatego w nowobudowanych budynkach najlepiej zastosować ogrzewanie płaszczyznowe. Grzejniki możemy wykorzystać pod warunkiem zwiększenia ich powierzchni grzejnej w stosunku do grzejników dobieranych na parametry pracy jak dla kotłów ( temp. medium 50-65^OC) lub przy zastosowaniu wspomagania wentylatorami elektrycznymi.

Dolne źródło.

Dolnym źródłem dla pomp ciepła wykorzystywanych do ogrzewania budynków może być:

1.      grunt – kolektory poziome, spiralne i pionowe

2.      powietrze zewnętrzne

3.      woda powierzchniowa – rzeki, jeziora, ścieki

4.      woda gruntowa – studnie

Zazwyczaj przyjmuje się, że parametry dolnego źródła dla poszczególnych typów mają temperatury : grunt – od 2 do 8 ^OC, woda gruntowa – od 7do 12 ^OC, powietrze od 40^OCdo -20^OC.

Przykłady układów z wykorzystaniem wody gruntowej i gruntu jako dolne źródło

źródło: www.google.com

Wykorzystanie gruntu i wody wiąże się z dużymi kosztami inwestycyjnymi, wykonania kolektorów poziomych, pionowych lub odwiertów studni. Darmowym inwestycyjnie dolnym źródłem jest powietrze. Jest ono pobierane bezpośrednio z otoczenia, a ciepło odebrane w parowniku jest przekazywane do medium roboczego (wody płynącej przez np. ogrzewanie płaszczyznowe). Jednak powietrze ma  swoje ograniczenia. Produkowane obecnie pompy ciepła typu powietrze-woda pracują efektywnie do temp. powietrza zewnętrznego do około -15^O C, poniżej tej temperatury wspomagają się pracą grzałek elektrycznych. Okres pracy z maksymalnym wykorzystaniem grzałek elektrycznych to do 10% sezonu grzewczego.

Zdjęcie pompy powietrze-woda oferowanej przez firmę NET http://www.newecotechnologies.pl/

Pompy ciepła tak zwane „gruntowe” czyli w układzie solanka-woda, pracują efektywnie w każdym zakresie temperatury zewnętrznej, ponieważ są od niej nie zależne. Jednak i one mogą zacząć nieefektywnie pracować gdy zostanie popełniony błąd obliczeniowy co do mocy dolnego źródła lub na przykład gdy wyschnie studnia. Źle obliczona moc dolnego źródła może doprowadzić do tego, że pompa ciepła nie dostarczy wymaganej mocy cieplnej Q do budynku.

rodzaj źródła	grunt	słońce	powietrze zewnętrzne	woda
				gruntowa	powierzchniowa
temperatura OC	8-12	20-80	4-15	8-12	5-15
jednostkowa moc pobierana ze źródła	15-30 W/m2	30-480 W/m2	1,4-2,2 W/m3 *h -1	4500-5900 W/m3*h-1

Ogólna charakterystyka mocy dolnego źródła ciepła

źródło: Praca Dyplomowa Magisterska Mariusz Adamczyk

Innym ograniczeniem zastosowania pomp ciepła z wykorzystaniem gruntu lub wody jest wysoki koszt inwestycyjny wykonania dolnego źródła. Przy średnim zapotrzebowaniu na moc cieplną Q wymiennik poziomy może mieć powierzchnię nawet 200 m², a nie wszyscy posiadają tak duże działki budowlane. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku wymienników pionowych, odwierty też mogą mieć głębokość do 200 m, nie robimy jednego tak głębokiego odwiertu tylko kilka krótszych.  Obliczenia ekonomiczne wskazują, że koszt wykonania dolnego źródła to koszty eksploatacyjne użytkowania pompy ciepła powietrze-woda przez okres nawet 15 lat. Innym ważnym elementem jest jakość wykonania dolnego źródła, kolektorów poziomych lub pionowych oraz zastosowanie dobrych materiałów czyli na przykład rur PE łączonych zgrzewanymi złączkami.

Podsumowując

Mamy do wyboru kilka różnych systemów ogrzewania budynków pompą ciepła, pewne zasadnicze wnioski to:

·         największy wskaźnik efektywności COP osiągamy (a więc i najniższe koszty eksploatacji) gdy różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem z górnym jest jak najmniejsza

·         najefektywniejszym źródłem ciepła są ścieki a następnie  gruntowe pionowe wymienniki

·         najtańsze inwestycyjnie są pompy powietrze-woda, jednak ich COP jest najniższe

Decyzja co do wyboru pompy ciepła i systemu ogrzewania zawsze zależy od inwestora oraz rozwiązań technicznych zastosowanych w budynku. Na przykład idealnym połączeniem jest pompa ciepła z system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła – „rekuperacją”. Źródłem energii elektrycznej może być układ fotowoltaiczny lub wiatrak. Wtedy możemy osiągnąć naprawdę niskie koszty eksploatacji. Dodatkowo musimy przewidzieć miejsce w budynku na zasobnik na ciepłą wodę użytkowa lub bufor na ciepłą wodę do ogrzewania budynku. Nie wspominam tutaj o zastosowaniu w celu ograniczenia start przez przenikanie ciepła przez przegrody odpowiedniej izolacji oraz oszczędnych okien i drzwi.

Pompa ciepła jest na pewno jednym z najlepszych, dostępnych obecnie na rynku rozwiązań technicznych i ekonomicznych oraz ekologicznych do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Autor

Mariusz Adamczyk

Energy Mariusz Adamczyk

email: energy.adamczyk@gmail.com

blog: http://energooszczednybudynek.blogspot.com/