Pompy Ciepła
Pompy ciepła to urządzenia, które coraz częściej pojawiają się w ofercie wielu firm i budzą wiele emocji u klientów. Jako jedna z niewielu firm na runku polskim posiadamy dogłębną wiedzę i doświadczenie w tworzeniu tego typu instalacji.
W wielu materiałach reklamowych i handlowych, dotyczących tych urządzeń, dostępnych na rynku polskim, możemy dopatrzeć się informacji nierzetelnych lub nieprawdziwych, które mogą klientów wprowadzać w błąd. Niestety, wynika to głownie z chęci łatwego zysku i jest przekazywane przez nieuczciwych sprzedawców, wykorzystujących brak odpowiednio wysokiego poziomu wiedzy technicznej klientów.
Na rynku wytworzył się trend, że posiadanie pomp ciepła stało się czymś modnym i świadczącym o nowoczesnej oraz bardzo energooszczędnej instalacji grzewczej w domu czy w firmie.
Mało kto jednak wie czym jest pompa ciepła i ile jest jej odmian. Niewielu przyszłych użytkowników zdaje sobie sprawę z tego, że właściwy wybór rodzaju pompy ciepła decydować będzie o zadowoleniu albo rozczarowaniu z pracy tego urządzenia.
A sytuacja jest taka, że w Polsce najczęściej oferowane są pompy ciepła zaprojektowane nominalnie dla krajów śródziemnomorskich, wykonane przez producentów z Włoch i Francji. Urządzenia zaprojektowane przez tych producentów nie są dostosowane do warunków klimatycznych panujących w naszym kraju. Są to zazwyczaj bardzo proste w konstrukcji pompy ciepła typu powietrze/woda, których zakres stosowania kończy się gdy temperatura na dworze spada poniżej -5... - 7 st. C. W krajach śródziemnomorskich nie ma z tym problemu ale w Polsce to problem podstawowy, bo to jest u nas normalny stan temperaturowy w zimie. Wielokrotnie spotkaliśmy się z sytuacją, gdzie zły dobór urządzenia doprowadził do jego awarii czy nawet zniszczenia. Dlatego bardzo ważne jest aby dobrze poznać oczekiwania klienta i warunki jakim mają sprostać pompy ciepła. Z perspektywy klienta warto przyjrzeć się dokumentacji techniczno-ruchowej, a nie tylko ofercie handlowej, w której często zostały pominięte pewne kluczowe parametry pracy i ograniczenia stosowalności. Na tym etapie lepiej zasięgnąć rady inżynierów z zakresu chłodnictwa niż opinii handlowców.
Podczas wyboru takiego urządzenia nie powinniśmy kierować się jedynie kryterium najniższej ceny, ponieważ tańsze rozwiązania przeważnie nie są dostosowane do naszej strefy klimatycznej nie wspominając już o jakości i trwałości takich urządzeń. Pompa ciepła to instalacja na wiele lat przez co warto kupić produkt trwały i niezawodny.
Zanim zaprosimy Państwa do zakupu czy zlecenia projektu budowy pompy ciepła w naszej firmie, wyjaśnimy czym ona jest i na co należy zwrócić uwagę przy jej wyborze.
Samo określenie ,,pompa ciepła’’ budzi wiele kontrowersji, bo sama nazwa jest z punktu widzenia logiki mało sensowna. W tym urządzeniu nie ma bowiem żadnej pompy w rozumieniu technicznym ani niczego co mogłoby pompować ciepło. Co to zresztą znaczy pompować ciepło?
Nazwa jest zaczerpnięta z języka angielskiego i pomimo tego, że jest wyjątkowo niefortunna to przyjęła się w życiu codziennym i trudno ją teraz czymś bardziej stosownym zastąpić. Należy ją jednak traktować wyłącznie jako hasło i nie zagłębiać się w sens słów.
Czym zatem jest pompa ciepła?
W podstawowej formie jest to zwykła, klasyczna instalacja chłodnicza. Skąd wzięła się nazwa? Bo trzeba było w jakiś sposób zróżnicować nazwy pod kątem wykorzystywanego efektu działania, a efekty są dwa: chłodzenie i grzanie. Każde urządzenie chłodnicze jest jednocześnie pompą ciepła i to jest podstawowa kwestia bo każde urządzenie chłodnicze jednocześnie chłodzi i grzeje.
Najlepiej przedstawić to na przykładzie.
Stojąca w kuchni chłodziarka domowa, z punktu widzenia swojej funkcji podstawowej, odbiera ciepło od zmagazynowanych i przechowywanych tam produktów spożywczych (chłodzi). Proces realizuje instalacja chłodnicza, która odbiera ciepło z wnętrza chłodziarki i oddaje je do otoczenia. Ilość oddawanego ciepła do otoczenia jest powiększona o energię elektryczną, którą pobrała sprężarka chłodnicza, realizująca obieg termodynamiczny czynnika chłodniczego.
Jeżeli jednak spojrzymy na to z drugiej strony to okazuje się, że chłodziarka ta, a w zasadzie jej instalacja chłodnicza, pobrała od dość chłodnego otoczenia i produktów spożywczych, w jej wnętrzu, energię cieplną i dzięki proporcjonalnie niewielkiej ilości energii elektrycznej, pobranej przez silnik sprężarki, sprężyła pary czynnika chłodniczego, co skutkuje jednoczesnym ich podgrzaniem do temperatury ok. 60-70 st.C. Te pary czynnika chłodniczego są potem schładzane a następnie skraplane w skraplaczu. Podobnie jak od par spirytusu w destylatorze, w skraplaczu, jest odbierane ciepło skraplania. To dlatego ,,plecy’’ czyli skraplacz chłodziarki są miejscowo gorące a potem ciepłe. Chłodzi je powietrze w kuchni, odbierając przy okazji ciepło. Czyli tym samym powietrze się ogrzewa albo raczej jest ogrzewane. Zatem urządzenie chłodnicze jest w tym przypadku urządzeniem ogrzewającym kuchnię. I właśnie dlatego, aby uwypuklić efekt grzewczy wymyślono i wprowadzono nazwę ,,pompa ciepła’’.
Podstawową istotą zrozumienia procesów termodynamicznych i zasad działania pompy ciepła, jest zaakceptowanie faktu, że z punku widzenia fizyki pojęcie ,,zimna’’ nie istnieje. Wielu ludzi zastanawia się, jak to możliwe aby od czegoś, co jest zimne, można jeszcze odebrać ciepło?Otóż można, bo to co nam się wydaje, że jest zimne, wcale takie nie jest. Jest względnie ciepłe. My kierujemy się wewnętrznym uczuciem chłodu i to jest jeden z głównych problemów braku zrozumienia istoty sprawy.
Kolejnym powodem braku zrozumienia takiego stanu rzeczy jest to, że zamiast posługiwać się powszechnie, bezwzględną skalą temperatury, wyrażaną w Kelwinach, posługujemy się starą skalą Celsjusza opartą na parametrach fizycznych wody czyli na jej punkcie zamarzania i wrzenia przy ciśnieniu normalnym (atmosferycznym). Jeżeli przyjmiemy, zgodnie z układem jednostek SI, że najniższą temperaturą możliwą do uzyskania jest 0 K to wszystko co ma temperaturę wyższą ( np. punkt zamarzania wody to aż 273,15K) jest mniej lub bardziej ciepłe! Dzięki wykorzystaniu instalacji chłodniczych i ich sprężarek, zasilanych energią elektryczną, transferujemy energię cieplną ( jakby pompujemy ją w myśl autorów nazwy) na wyższy poziom energetyczny i temperaturowy, dzięki czemu możemy wykorzystać ją do procesów grzewczych.
Tyle podstaw teoretycznych dotyczących zasady działania.
Efektywność energetyczna pomp ciepła.
Z czego wynika efektywność energetyczna pomp ciepła?
Jeżeli nie mamy własnego lasu i nie dysponujemy nieograniczonymi zapasami drewna na opał, lub własnej kopalni węgla czy szybu naftowego to jest to aktualnie jeden z najtańszych sposobów ogrzewania. Nie mówimy tu o tym, że jest tańszy eksploatacyjnie o 10 czy 15 % od ogrzewania wykorzystującego gaz, olej opałowy czy prąd elektryczny w grzejnikach elektrooporowych, ale tańszy średnio 3-4 razy od nich. To sprawia, że pomimo około dwukrotnie wyższej ceny inwestycji, w porównaniu z najlepszym kotłem kondensacyjnym dostępnym na rynku, różnica w cenie nowych instalacji spłaca się maksymalnie po 2-3 latach. Generalnie im ktoś lubi cieplejsze warunki bytowe tym szybciej ona się spłaca.
W dużym skrócie zasada działania efektywnej pompy ciepła dla domu jednorodzinnego w naszej strefie klimatycznej, jest taka:
przyjmijmy, że mamy wywiercone dwie studnie głębinowe o rozsądnej ekonomicznie głębokości ( zwykle od kilkunastu do 30 m głębokości). Z jednej z tych studni, za pomocą pompy głębinowej o wydajności ok. 2 m3/h, pompujemy wodę przez chłodnicę płytową lub płaszczowo-rurową pompy ciepła a następnie wodę tę wlewamy do drugiej studni oddalonej zazwyczaj minimum kilkanaście metrów od pierwszej. Woda trafiająca do chłodnicy ma w zależności od lokalizacji studni zwykle temperaturę na poziomie 8-10 st.C. W chłodnicy pompy ciepła odbieramy ciepło od wody, schładzając ją do ok 3 st. C. Przy gorszym wariancie ( od 8 do 3 st. C) odbieramy moc cieplną na poziomie 11,6 kW.
Wynika to z zależności powszechnie znanego bilansu cieplnego :
Q = m x cp x ( T2 – T1 ) [kJ]
gdzie :
Q- energia cieplna ciała [ kJ]
m- masa ciała [kg]
cp- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu = 4,195 [kJ kgK]
T2- temperatura końcowa = 276,15 [K]
T1 temperatura początkowa = 281,15 [K]
Ta zależność odnosi się przy tym zapisie do energii cieplnej a nie do mocy. Jest wyrażona w [kJ] a nie w [kW].
Ponieważ, jak powszechnie wiadomo, moc jest wartością energii odniesioną do jednostki czasu, w którym została wykonana, to wystarczy obie strony równania podzielić przez ten sam przedział czasowy. W tym przypadku przez 1 godzinę czyli 3600 sekund.
Dlaczego w ten sposób?
Ponieważ wydajność pompy głębinowej mamy wyrażoną w m3 na godzinę i będzie to łatwo wyliczyć.
Gęstość wody słodkiej to w przybliżeniu 1000 kg/m3. Zatem masowe natężenie przepływu dla pompy podanej w omawianym przykładzie to 2000 [kg]/3600[s] = 0,55[kg/s]
Przyjmijmy, że Qch to moc chłodnicza [kW] wyrażona zależnością:
Qch [kW] = Q [kJ] / 3600 [s]
Zależność bilansu cieplnego odniesionego już tym razem do mocy chlodniczejj, dla tego przykładu zapiszemy w ten sposób :
Qch = 0,55 [kg/s] x 4,195 [kj/kgK] x (276,15 [K] – 281,15 {K])
Qch = -11,536 [kW]
Uwaga: Znak minus oznacza, że woda głębinowa została schłodzona a nie ogrzana.
Jeżeli chcemy wykorzystać to ciepło do przygotowania wody użytkowej o temp około 45-50 st C i zapewnić ciepłą wodę dla prawidłowo wykonanego ogrzewania podłogowego, o maksymalnej temperaturze wody 30 st C ( temperatura wymagana przy największych mrozach na dworze), potrzeba dostarczyć do sprężarki moc elektryczną na poziomie jedynie 2,65 kW. Zgodnie z przedstawionymi zasadami działania w skraplaczu uzyskamy łącznie 14,2 kW mocy grzewczej co zaspokaja zapotrzebowanie na ciepło domu jednorodzinnego o powierzchni ok 200-240 m kw.
Innymi słowy otrzymujemy moc cieplną 5,35 raza większą od pobranej z sieci elektrycznej. Reszta jest pobrana ze środowiska naturalnego jako energia geotermalna.
To jest przykład efektywności bardzo, dobrze zaprojektowanej pomp ciepła. Takie pompy budujemy od kilku lat, na indywidualne zamówienie klientów.
Ale odmian pomp ciepła jest bardzo wiele.
Generalnie ich sprawność zależy od tego jaka jest temperatura i rodzaj medium chłodzonego (czyli tego, od którego odbieramy ciepło) oraz od tego jaką temperaturę chcemy uzyskać do celów grzewczych.
Najpopularniejszym rozwiązaniem stosowanym powszechnie są klimatyzatory z funkcją pompy ciepła.
Ich funkcją jest zarówno chłodzenie jak i ogrzewanie pomieszczeń w układzie rewersyjnym.
W urządzeniach tych specjalny zawór zamienia kierunki przepływu czynnika chłodniczego przez co chłodnica i skraplacz zamieniają się wzajemnie funkcjami pracy.
Szczególnie w ostatnich kilku latach, dzięki zastosowaniu przetwornic częstotliwości, wiodący producenci wprowadzili na rynek urządzenia, które mogą skutecznie pracować w trybie grzania nawet przy temperaturach do – 27 st.C na dworze. Oczywiście ich efektywność energetyczna jest wtedy na poziomie 1,9 ( co i tak przewyższa w efektywności prawie dwukrotnie każdy inny grzejnik elektryczny), ale takie stany pogodowe nie trwają długo. Średnia temperatura w zimie na przeważającym obszarze naszego kraju waha się w okolicy 0 st.C co poprawia ten wskaźnik średnio do wartości ok 3.
Szczególnie dobrze sprawują się one w pasie nadmorskim gdzie rzadko temperatura spada poniżej zera i ten wskaźnik jest na poziomie 3,5.
Ich efektywność jest trochę mniejsza od opisanego rozwiązania ale i nakład inwestycyjny jest trochę mniejszy. Przy okazji mamy też realizowaną klimatyzację w lecie a to już bardzo ważny argument ,,za’’.
Innym rodzajem są pompy ciepła z tzw. wymiennikami gruntowymi w postaci ułożonych rur z tworzyw sztucznych w układzie poziomym lub pionowym, w których płynie glikol lub alkohol i odbieramy ciepło od gruntu i wód podskórnych.
Takie rozwiązania stosuje się gdy nie ma możliwości skorzystania z wody głębinowej a zależy nam na równoległym ogrzewaniu domu i przygotowaniu ciepłej wody użytkowej.
Można też odbierać energię cieplną z wód jezior lub rzek.
Aktualnie prowadzimy w naszej firmie prace nad nową konstrukcją pompy ciepła, skojarzoną i wspomaganą, zasobnikiem akumulacyjnym lodu, baterią fotovoltaiczną i energią wiatrową, która przy odpowiednich regulacjach prawnych i zastosowaniu dwukierunkowych liczników energii elektrycznej jest w stanie przez cały rok pracować praktycznie za darmo. Ta instalacja jest już bardzo zaawansowana w budowie. Planujemy całkowite jej uruchomienie do końca 2017 roku. Liczymy na to, że umożliwi nam to przedstawienie oferty kompleksowej i wprowadzenie na rynek tego rozwiązania do początku 2018 roku.