Ekologiczne ciepło - Pompy ciepła

W erze daleko posuniętego rozwoju technologii, kiedy do funkcjonowania wszelkich urządzeń potrzebna jest energia, znacznie zwiększyło się zapotrzebowanie na nią, a jednostkowe zużycie w przeliczeniu na jednego mieszkańca globu wciąż wzrasta. W perspektywie wyczerpujących się konwencjonalnych zasobów energii, rosnącego zanieczyszczenia środowiska i związanych z tymi procesami zaburzeń ekosystemów poszukujemy nowych, alternatywnych źródeł energii, oszczędzamy i dbamy o środowisko naturalne.

Jedną z alternatyw dla tradycyjnie przyjętych rozwiązań są pompy ciepła, będące najbardziej energooszczędnymi urządzeniami dostępnymi w ofercie producentów, które mogą ogrzewać budynki i zaopatrywać je w ciepłą wodę przez cały rok. Pompa ciepła pracuje z niewyczerpywalnym i, co ważne, bezpłatnym źródłem energii pochodzącym z wnętrza ziemi lub powietrza. Pompa ciepła jest urządzeniem elektrycznym (zasilanym energią elektryczną o napięciu 230V lub 400V), jednak aby osiągnąć pełną moc grzewczą zużywa jedynie 30 proc. energii elektrycznej zasilania, natomiast pozostałe 70 proc. to energia czerpana z otoczenia.


Obieg czynnika chłodniczego umożliwia „przepompowanie” ciepła na wyższy poziom temperatur

Podobnie jak woda nie może samoczynnie płynąć do góry, tak i ciepło jest naturalnie przekazywane tylko w jednym kierunku – od ciała cieplejszego (źródło ciepła) do ciała chłodniejszego (chłodnica). Aby zmusić ciepło z otoczenia do płynięcia w odwrotnym kierunku – od temperatury niższej do wyższej - należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. 

Najważniejszym elementem pompy ciepła jest obieg czynnika chłodniczego napędzany przez sprężarkę. Pod względem budowy jest on identyczny z obiegiem czynnika chłodniczego w chłodziarkach domowych, odznacza się także podobną niezawodnością. Inne jest jednak zadanie obiegu: w przypadku chłodziarek produkty spożywcze włożone do ich wnętrza pozbawiane są ciepła, które oddawane jest do otoczenia poprzez wymiennik umieszczony z tyłu chłodziarki. W przypadku pompy ciepła - otoczenie (woda, grunt, powietrze) - pozbawiane jest ciepła i jest ono doprowadzane do systemu grzewczego. Napęd elektryczny zwiększa temperaturę uzyskanego w ten sposób ciepła i oddaje ją wodzie w obiegu grzewczym.

Przy wyborze właściwego systemu grzewczego należy rozpatrzyć wiele czynników, takich jak koszty energii, dostępna powierzchnia zabudowy, wydajność pracy urządzenia, moc grzewcza, sposób pozyskiwania ciepła. Ważne jest też odpowiednie dobranie źródła dolnego o właściwych parametrach oraz zaprojektowanie instalacji centralnego ogrzewania. W zależności od wyżej wymienionych uwarunkowań użytkownik może wybrać między gruntowymi pompami ciepła a powietrznymi pompami ciepła.


Pozyskiwanie energii spod ziemi – zasada działania gruntowej pompy ciepła

Gruntowe pompy ciepła, zwane także pompami geotermicznymi, do ogrzewania domów i podgrzewania wody wykorzystują ciepło gruntu. Dzięki temu typowi pompy można zatem pobierać energię bezpośrednio „z własnej ziemi” – trudno wyobrazić sobie większą niezależność.

Raz zagospodarowane ciepło gruntu jest dostępne przez cały rok, niezależnie od pogody.




Gruntowa pompa ciepła umożliwia eksploatację gruntu, jako źródła ciepła poprzez trzy obiegi, idealnie współpracujące ze sobą: solankę, pompę ciepła oraz system grzewczy.

Solanka to mieszanina wody i nieszkodliwej dla środowiska substancji niezamarzającej, która krąży w długich rurach z tworzywa sztucznego, ułożonych w ziemi. Energia zakumulowana w gruncie przekazywana jest do obiegu solankowego.

Poprzez parownik (wymiennik ciepła znajdujący się w pompie ciepła) solanka oddaje ciepło czynnikowi chłodniczemu cyrkulującemu w pompie. W tym miejscu rozpoczyna się drugi obieg. Czynnik chłodniczy zostaje ogrzany, wrze, paruje i opuszcza parownik (drugi wymiennik ciepła znajdujący się w pompie ciepła) pod postacią gazu, poczym jest zasysany przez sprężarkę, która stanowi centralny element pompy ciepła.

Następuje sprężenie czynnika pod dużym ciśnieniem, co wiąże się z jeszcze silniejszym jego ogrzaniem. Dodatkowo energia napędowa sprężarki jest przekształcana w ciepło i przechodzi do czynnika chłodniczego.
Bardzo gorący, znajdujący się pod ciśnieniem czynnik chłodniczy oddaje swoje ciepło w skraplaczu za pośrednictwem wymiennika ciepła do obiegu wody grzewczej – czyli do trzeciego obiegu. Medium nośnika ciepła ma niższą temperaturę niż skraplająca się para, a ciepło skraplania przechodzi na medium nośnika ciepła. Czynnik chłodniczy ponownie przechodzi w stan ciekły i przepływa przez zawór rozprężny z powrotem do parownika, zamykając obieg.


Ciepło powierzchniowe, czy z głębi ziemi?

Gruntowe pompy ciepła są wszechstronne i mogą współpracować zarówno z pionowymi sondami gruntowymi, jak i z poziomymi kolektorami (wymiennikami) gruntowymi. Wybór systemu trzeba uzależnić od powierzchni działki, a także od uwarunkowań geologicznych. Ilość ciepła, jaką można pozyskać z gruntu, zależy przede wszystkim od wilgotności ziemi. Wyjątkowo korzystne są wilgotne gleby gliniaste, mniej odpowiednie są gleby silnie piaszczyste.




Niewątpliwym atutem rozwiązania z wykorzystaniem sond pionowych jest przewidywalna i stała moc ciepła źródła dolnego, związana z niewielkimi wahaniami temperatury gruntu. Pompy z sondami gruntowymi osiągają dzięki temu nieco wyższą sprawność, niż te z kolektorem płaskim. Sondy nie wymagają ponadto dużej ilości miejsca w ogrodzie. Wystarczy jeden punktowy odwiert, aby uzyskać dostęp do ciepła ziemi na głębokości 50-200 m. Jednak zastosowanie tej metody wiąże się z wyższymi kosztami ze względu na konieczność wykonania robót ziemnych w szerokim zakresie (wiercenie otworów, układanie kolektorów rurowych).

Tańsze kolektory gruntowe można instalować tylko na większych działkach. Wykorzystują one energię słoneczną akumulowaną w wierzchniej warstwie gruntu i są układane w wielu obwodach do głębokości ok. 120 – 150 cm.


Pompy ciepła typu glikol-woda z oferty Junkersa

Pompy ciepła Junkers to jedne z najnowocześniejszych pomp ciepła w Europie. Produkowane są w Tranas w Szwecji, fabryce z ponad 30-letnim doświadczeniem w produkcji tego typu urządzeń. Jako jedne z nielicznych na polskim rynku osiągają na zasilaniu instalacji grzewczej temperaturę +65ºC (bez konieczności pracy dogrzewacza elektrycznego) wykorzystując przy tym czynnik chłodniczy R407C. Uzyskanie tak wysokiej temperatury możliwe jest dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych sprężarek chłodniczych produkowanych przez firmę Mitsubishi Electric. Dzięki tak wysokiej temperaturze zasilania zniknął problem, z jakim borykają się powszechnie produkowane pompy ciepła, a mianowicie: zbyt niska temperatura ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła Junkers mogą podgrzewać ciepłą wodę użytkową do temperatury +58ºC bez wykorzystania dogrzewacza elektrycznego.

Każda pompa ciepła standardowo wyposażona jest w urządzenie elektryczne, które zmniejsza prąd rozruchowy sprężarki, tzw. miękki start. Dzięki niemu rozruch i zatrzymanie sprężarki odbywa się niemal bezszelestnie i nigdy nie występuje w budynku problem przygasania światła przy rozruchu pompy ciepła.

Junkers oferuje pompy ciepła typu glikol-woda o mocach grzewczych w zakresie od 6 do 11 kW (TM 60-1 … 110-1) i od 6 do 17 kW (TE 60-1 …170-1).

Obie pompy posiadają wbudowany regulator pogodowy REGO z wyświetlaczem w języku polskim, sterującym dwoma obiegami grzewczymi (1 z mieszaczem i 1 bez mieszacza), obiegiem c.w.u. oraz pracą wbudowanego 3- stopniowego dogrzewacza elektrycznego, funkcją płynnego rozruchu, funkcją wygrzewania jastrychu. Rodzaj instalacji potrzebny dla źródła dolnego to solanka, sondy pionowe lub poziome wymienniki gruntowe. Pierwsze uruchomienie pomp jest bezpłatne. Urządzenia objęte są 3-letnią gwarancją od daty pierwszego uruchomienia przez instalatora montującego pompę w obecności Koordynatora Serwisu Junkers.

Pompy TM produkowane w zakresie od 6 do 11 kW dostarczają energię cieplną do instalacji grzewczej budynku i jednocześnie podgrzewają ciepłą wodę użytkową w zintegrowanym w jednej obudowie zasobniku c.w.u. o pojemności 164 dm3 dobranym specjalnie dla czteroosobowej rodziny. Jako przykład może posłużyć dwufunkcyjna pompa ciepła typu woda-glikol TM 75-1 marki Junkers o znamionowej mocy cieplnej 7,3 kW i poborze mocy elektrycznej tylko 1,6kW dla parametrów instalacji 0/35°C; współczynnik efektywności COP dla 0/350C wynosi 4,6. Pompa ma wbudowaną sprężarkę typu Scroll (Mitsubishi Electric). Napięcie zasilania urządzenia wynosi 400 V, a jej głośność sięga 34 dB(A). Jest to kompaktowa pompa ciepła z wbudowanym 163 litrowym dwupłaszczowym stalowym zasobnikiem c.w.u., 9 kW dogrzewaczem elektrycznym, pompami solanki oraz obiegu grzewczego, w komplecie z zespołem zaworów napełniających dolnego źródła, separatorem powietrza dla dolnego źródła, filtrami dolnego i górnego źródła ciepła oraz czujnikami temperatury zewnętrznej i wewnętrznej. Wymiary całkowite urządzenia to 640x600x1800 mm, a jego ciężar sięga 217 kg.

Pompy TE produkowane w zakresie od 6 do 17 kW podłączyć do nich można zasobnik c.w.u. o pojemności od 290 dm3 do 450 dm3, dobrany specjalnie do współpracy z pompami ciepła zapewniając wyższy komfort c.w.u. Przykładowo jednofunkcyjna pompa ciepła typu woda-glikol TE 140-1 marki Junkers o znamionowej mocy cieplnej osiąga dla 0/35°C wartość -14,4 kW i pobór mocy elektrycznej to tylko 3,1 kW, a współczynnik efektywności COP dla 0/35°C jest równy 4,7. Ten typ pompy jest nieco lżejszy i mniejszy, niż TM 75-1, ponieważ jej wymiary wynoszą odpowiednio: 640x600x1500 mm oraz 181 kg. Pompa TE 140-1 to pompa ciepła z wbudowanym zaworem trójdrogowym do współpracy z osobnym wolnostojącym zasobnikiem, z dogrzewaczem elektrycznym o mocy 9 kW, pompami solanki oraz obiegu grzewczego, w komplecie z zespołem zaworów napełniających dolnego źródła, separatorem powietrza dla dolnego źródła, filtrami dolnego i górnego źródła ciepła oraz czujnikami temperatury zewnętrznej i wewnętrznej.












Ciepło powietrza – łatwy sposób pozyskiwania ciepła

Powietrzne pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody wykorzystują ciepło zawarte w powietrzu atmosferycznym lub wentylacyjnym. Instalacja tego typu pompy jest prosta i w przeciwieństwie do pomp gruntowych nie wiąże się z koniecznością wykonywania odwiertów ani układania w ziemi kolektorów. To z kolei przekłada się na niższy koszt instalacji. Moc, a tym samym uzysk energii przy wykorzystaniu pompy powietrznej są jednak niższe, niż w przypadku pompy gruntowej.

Powietrzna pompa ciepła również działa na bazie trzech współpracujących ze sobą obiegów, a są to: powietrze, pompa ciepła, system grzewczy. Wentylatory doprowadzają ciepłe powietrze otoczenia do pompy ciepła. Powietrze oddaje swoje ciepło czynnikowi chłodniczemu poprzez parownik i po schłodzeniu jest ponownie odprowadzane na zewnątrz. Czynnik chłodniczy zostaje ogrzany, wrze, paruje i opuszcza parownik pod postacią gazu. Następnie jest zasysany przez sprężarkę, stanowiącą centralny element pompy ciepła. Dochodzi do sprężenia czynnika pod dużym ciśnieniem i jeszcze silniejszego jego ogrzania. Energia napędowa sprężarki jest przekształcana w ciepło i przechodzi do czynnika chłodniczego. Będący pod ciśnieniem czynnik chłodniczy w postaci gazu oddaje swoje ciepło w skraplaczu za pośrednictwem wymiennika ciepła do obiegu wody grzewczej w systemie grzewczym. Medium nośnika ciepła ma niższą temperaturę niż para. Para skrapla się, a ciepło skraplania przechodzi na medium nośnika ciepła. Czynnik chłodniczy ponownie przechodzi w stan ciekły i przepływa przez zawór rozprężny z powrotem do parownika, zamykając w ten sposób obieg.

Pompy ciepła wykorzystujące jako źródło ciepła powietrze zewnętrzne są urządzeniami typu split, składającymi się z modułu wewnętrznego i zewnętrznego.

Urządzenie zewnętrzne umieszczane jest na zewnątrz domu i zawiera wentylator oraz przeważnie sprężarkę i parownik. Urządzenie wewnętrzne umieszczone jest wewnątrz domu i zawiera zasobnik c.w.u., dogrzewacz elektryczny, pompę grzewczą i moduł sterujący. Części zewnętrzna i wewnętrzna pompy ciepła są ze sobą połączone systemem elastycznych rur. Niewątpliwą zaletą takich pomp jest ich prosty montaż – nie wymagają pozwoleń oraz nie zabierają dużo miejsca, ale wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej spada ich moc. Dlatego tego typu pompy stosuje się, jako wspomaganie istniejących instalacji grzewczych lub jeżeli pompa ciepła jest podstawowym źródłem ciepła należy zastosować dodatkowe źródło tzw. mocy szczytowej, które będzie mogło dogrzewać nasz dom w przypadku dużych mrozów.

Przy temperaturach zewnętrznych poniżej -20°C cały system musi być wygrzewany albo grzałką albo dodatkowym kotłem, dlatego największe zastosowanie mają tego typu pompy na północy naszego kraju (zwłaszcza na terenach nadmorskich).

Ważnym elementem użytkowania pompy ciepła jest to, że stoi ona na zewnątrz, przez co w zasadzie hałas, jaki emituje, nie jest uciążliwy. Aby zwiększyć komfort użytkowników sprężarka w pompie umieszczona jest w specjalnych amortyzatorach, aby zagwarantować cichą i bezwibracyjną pracę pompy.


Junkers oferuje pompy ciepła typu powietrze-woda w zakresie od 6 do 9 kW

Przykładem może być dwufunkcyjna pompa ciepła typu powietrze-woda AE 100-1+ ASC160 marki Junkers o znamionowej mocy cieplnej 8,9kW i poborze mocy elektrycznej 2,3 kW dla parametrów instalacji +70/350. Współczynnik efektywności COP przy tych samych parametrach instalacji wynosi 3,9. Maksymalna temperatura na zasilaniu osiąga 65°C (przy temp. zewn. +7°C).

Pompa ciepła pracuje do temperatury zewnętrznej -20°C (poniżej tej temperatury pracuje sam dogrzewacz elektryczny). Urządzenie charakteryzują następujące parametry: napięcie zasilania 400 V, głośność 53 dB(A). Pompa jest wyposażona w sprężarkę Scroll (Mitsubishi Electric), graficzny regulator pogodowy REGO z czujnikiem zewnętrznym sterujący jednym obiegiem grzewczym, wyświetlacz w języku polskim, posiada możliwość sterowania pracą wbudowanego dogrzewacza elektrycznego oraz funkcję płynnego rozruchu. Rodzaj instalacji dla źródła dolnego to powietrze zewnętrzne. Wymiary całkowite urządzenia - moduł zewnętrzny. 640x820x1190 mm, a moduł wewnętrzny 615x600x1660 mm, ciężar modułu zewnętrznego wynosi 145 kg, a wewnętrznego 122 kg. Komplet stanowi moduł zewnętrzny z wbudowaną sprężarką i wentylatorem oraz moduł wewnętrzny z regulatorem pogodowym oraz z wbudowanym 160 litrowym zasobnikiem c.w.u. z płaszczem wodnym i 3-stopniowym elektrycznym dogrzewaczem o mocy 13, 5 kW, pompami obiegu ogrzewającego i obiegu c.o., oraz 12 litrowym naczyniem wzbiorczym dla instalacji c.o.


Oszczędności

Pompa ciepła powinna pracować oszczędnie, tj. przy możliwie najniższym zużyciu prądu powinna wytwarzać jak najwięcej ciepła. Im mniejsze temperatury instalacji pozwolą nam wygrzewać budynek – tym mniejsze rachunki za ogrzewanie będziemy płacić. Najlepsze efekty przy ogrzewaniu budynku osiągniemy, jeżeli będziemy stosowali pompę ciepła w połączeniu z systemem ogrzewania podłogowego. Nie zmienia to faktu, iż nawet, jeżeli będziemy mieli grzejniki (ale o temperaturach nie większych niż 50-55°C), układ będzie pracował bardzo ekonomicznie.

Ekonomiczność pomp ciepła wynika także z ich ekologiczności. Urządzenia te nie wymagają podłączenia do gazu czy komina, co z kolei pozwala zaoszczędzić pieniądze przy projektowaniu i budowie domu. Pompa ciepła jest dobra alternatywą dla ogrzewania olejem opałowym lub gazem płynnym.

Jeżeli porównamy koszty wyposażenia budynku ok.170m2 w kotłownię gazową z kosztami związanymi z instalacją pompy ciepła, może się okazać, że zainwestowanie w ogrzewanie domu dodatkowych 11’000 PLN (w stosunku do kotłowni gazowej) może obniżyć roczne koszty związane z ogrzewaniem od 1’500 do 2’000 PLN rocznie. Co za tym idzie po 6 latach możemy spodziewać się zwrotu zwiększonych nakładów inwestycyjnych na pompę ciepła (przy założeniu, że koszty gazu i prądu w tym czasie nie ulegają zmianie). W przypadku kotłowni gazowej musimy uwzględnić nie tylko koszt kotła gazowego, ale również komina, osobnego pomieszczenia czy samego projektu instalacji gazowej.


Jako przykład podajemy następujące rozwiązanie praktyczne:

w nowo wybudowanym domu wolnostojącym o powierzchni użytkowej ok. 170m2 i obliczonym zapotrzebowaniu na c.o. w wysokości 8 kW z instalacją grzewczą mieszaną – częściowo ogrzewanie podłogowe oraz grzejniki o parametrach nie większych niż 50°C - zamieszkałym przez cztery osoby zastosowano dwufunkcyjną pompę ciepła TM 75-1 marki Junkers. Wykonano trzy odwierty po mniej więcej 65m głębokości każdy. Układ c.w.u. wspomagany jest systemem solarnym opartym na 2 płaskich kolektorach słonecznych serii Excellence marki Junkers.
Temperatura w budynku utrzymywana była średnio ok. 21-22°C. 
Z danych licznika energii elektrycznej podłączonego bezpośrednio do pompy ciepła wynikało, iż w okresie od 10.01.2009 do 09.01.2010 pompa ciepła zużyła ok. 2.000 kWh. Całkowite zużycie energii elektrycznej w tym okresie zmierzone przez PGE wynosiło ok. 6.150 PLN. A kwota należności brutto dla dostawcy energii elektrycznej za całkowite zużycie energii elektrycznej w budynku wynosiła ok. 4.200 PLN (zgodnie z jednostrefową taryfą C11).