Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła to technologia, która zapewnia prawdziwie czystą energię do ogrzewania budynku, a przy tym gwarantuje niskie koszty eksploatacji. Montaż pompy ciepła staje się coraz bardziej opłacalny ze względu na wprowadzanie nowych, tańszych, a zarazem bardziej wydajnych technologii. Dla wielu użytkowników znaczenie ma także fakt, że urządzenia tego typu działają w pełni bezobsługowo.

 

Zalety wykorzystywania energii odnawialnej za pośrednictwem pompy ciepła

 

Utrzymanie w budynku odpowiedniej temperatury pozwalającej na zachowanie komfortu termicznego wymaga dostarczenia sporej porcji energii. Wykorzystywane tradycyjnie rozwiązania polegające na spalaniu paliw kopalnych charakteryzują się wprawdzie zadowalającą efektywnością, jednak korzystanie z nich w dużym stopniu przyczynia się do niszczenia środowiska naturalnego. Problemem jest tu nie tylko samo pozyskanie surowców niezbędnych do ich działania – węgla kamiennego, ropy naftowej czy gazu – ale również uboczne efekty ich działania w postaci emisji zanieczyszczeń generujących smog. Używanie urządzeń grzewczych, zwłaszcza spalających drewno i węgiel, jest głównym źródłem najbardziej niebezpiecznych substancji – pyłów zawieszonych, benzalfapirenu i związków azotu. Równie wielkim problemem jest pojawiający się podczas spalania dwutlenek węgla doprowadzający do zmian klimatycznych. W pełni ekologiczną alternatywą jest używanie odnawialnych źródeł energii, szczególnie pomp ciepła – wyjaśnia przedstawiciel firmy GHS Inferno, specjalizującej się w montażu pomp ciepła i wykonywaniu odwiertów pionowych.

 

Stosowanie odnawialnych źródeł energii daje możliwość czerpania z zasobów, które są dostępne dla każdego, niezależnie od lokalizacji czy rodzaju budynku, który ma zostać ogrzany. Pompy ciepła to urządzenia, które są w stanie wykorzystać i przetworzyć ciepło magazynowane w naturalny sposób w środowisku, generując temperaturę wystarczającą do zapewnienia ciepła w obiekcie o niemal dowolnej kubaturze. Choć wymaga to montażu specjalnie przystosowanego urządzenia, co wiąże się z pewnymi kosztami, to jego późniejsza eksploatacja jest tania i ogranicza się do niewielkich wydatków ponoszonych na pobór niedużej ilości energii elektrycznej. W przypadku równoległego montażu instalacji fotowoltaicznej pompa ciepła może pracować bezkosztowo.

 

Zasada, na której działają pompy ciepła, opiera się nie na wytwarzaniu energii cieplnej, jak ma to miejsce w przypadku spalania, a na umożliwianiu jej przepływu z wybranego tzw. źródła dolnego do źródła górnego. Największą zaletą pomp ciepła jest fakt, że do ich efektywnego działania temperatura źródła dolnego nie musi być wcale zbliżona do tej, jaką docelowo osiągnie woda krążąca w instalacji centralnego ogrzewania. Ważne, by była ona wyższa od temperatury otoczenia o przynajmniej kilka stopni. Dzięki swojej konstrukcji pompa ciepła będzie w stanie wykorzystać tę różnicę i zużywając niewielką ilość prądu znacznie ją powiększyć.

 

Zasada działania pompy ciepła i jej możliwości

 

Pompy ciepła działają dzięki praktycznemu zastosowaniu możliwości wykorzystania przemian fazowych i uwalnianej w ich trakcie energii. Choć podstawy teoretyczne umożliwiające wykorzystanie tego zjawiska do celów grzewczych pochodzą jeszcze z połowy XIX wieku, a pierwsze działające pompy ciepła wyprodukowano w latach trzydziestych XX wieku, to dopiero współczesne technologie i odkrycia inżynierii materiałowej pozwoliły na opracowanie efektywnych oraz opłacalnych zarówno z punktu widzenia ekonomii, jak i ekologii pomp ciepła. Zasada działania urządzeń tego rodzaju jest analogiczna do tej, na jakiej opiera się praca każdej domowej lodówki i bazuje na wykorzystaniu sprężarki oraz właściwości przemian fazowych.

 

Najważniejszymi elementami pompy ciepła jest sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny oraz parownik, a także wymiennik ciepła pozwalający na jego odbiór z otoczenia. Przekazywanie energii cieplnej odbywa się za pomocą czynnika roboczego krążącego w instalacji. Często substancją tą jest glikol etylenowy lub propylenowy, który wyróżnia się niską temperaturą zamarzania, a przy tym ma właściwości zbliżone do wody, w tym podobną lepkość, dzięki czemu łatwo wymusić jego przepływ. Czynnik roboczy po ogrzaniu się w źródle dolnym, jest kierowany do parownika, gdzie za pomocą specjalnego wymiennika oddaje swe ciepło czynnikowi termodynamicznemu – w nowoczesnych pompach ciepła jest to zazwyczaj substancja zaliczana do grupy hydrofluorowęglowodorów (HFC), które zastąpiły wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC) wpływające negatywnie na warstwę ozonową. Po podniesieniu temperatury czynnika i przejściu wskutek tego w stan gazowy, a zarazem pewnym wzroście jego ciśnienia, przemieszcza się on do sprężarki. Tu jego ciśnienie ulega znacznemu zwiększeniu, a przy tym w wyniku zwiększenia oddziaływania międzycząsteczkowego wzrasta jego temperatura, osiągając wartość potrzebną do ogrzania wody krążącej w systemie centralnego ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej. Sprężony czynnik w postaci gazowej trafia do skraplacza, w którym przekazuje swoje ciepło, jednocześnie zmieniając swój stan na ciekły. Ochłodzona ciecz przez zawór rozprężny przepływa do parownika, gdzie cały cykl zostaje powtórzony.

 

Ponieważ pompy ciepła współpracują na ogół z ogrzewaniem płaszczyznowym, takim jak popularna „podłogówka” czy instalacje ścienne do uzyskania odpowiedniej temperatury powietrza nie jest konieczna woda tak gorąca, jak w przypadku klasycznych grzejników zasilanych kotłem centralnego ogrzewania. Co ważne, ze względu na parametry pracy pompy ciepła bardzo dobrze współpracują z instalacjami solarnymi, proces ogrzewania wody może więc być jeszcze bardziej efektywny, a zużycie energii potrzebnej do działania pomp obiegowych oraz sprężarki znacznie niższe.

 

Wielką zaletą wielu modeli pomp ciepła jest możliwość odwrócenia ich działania i wykorzystywania w roli efektywnej klimatyzacji, która będzie o wiele tańsza w eksploatacji od tradycyjnej.

 

Gruntowe i powietrzne pompy ciepła

 

Pompy ciepła mogą pozyskiwać energię z różnych źródeł. Do najczęściej wybieranych należą pompy gruntowe oraz powietrzne, choć istnieją również pompy wodne odbierające energię bezpośrednio z wód gruntowych. Mimo tego, że konstrukcja podstawowych urządzeń wchodzących w skład pompy ciepła (m.in. sprężarki, skraplacza, parownika) pozostaje taka sama, to w pompach różnych typów zupełnie inaczej będzie zbudowany wymiennik ciepła.

 

W przypadku pomp gruntowych energia musi być odbierana poniżej poziomu zamarzania gruntu, na głębokości, na której temperatura będzie utrzymywała wartość kilku stopni poniżej zera. W pompach gruntowych z wymiennikiem poziomym cała instalacja składająca się z dość długiego systemu rur jest zwykle zakopywana około 1–2,5 metra pod ziemią. Mogą one być prowadzone spiralnie lub meandrycznie, a szczegóły związane z układem i głębokością zależą od warunków geologicznych – poziomu wód gruntowych i rodzaju gleby. Przesądzają one również o powierzchni, jaką zajmie wymiennik ciepła – grunt, w zależności od tego, jak jest wilgotny i z jakiego materiału będzie zbudowany, może być w stanie dostarczyć od 10 do 40 watów z metra kwadratowego terenu, rozbieżności mogą więc być znaczne.

 

Minusem wymienników poziomych jest duża i niezabudowana ani niczym nieprzesłonięta powierzchnia potrzebna do ich montażu. Inaczej sprawa się ma w przypadku wymienników pionowych, czyli tzw. sond gruntowych. W takiej sytuacji wymiennik jest montowany w wykonywanych odwiertach. Ich ilość i rozmieszczenie zależą od charakterystyki panujących warunków geologicznych, podobnie jak przy wymiennikach poziomych. Odwierty w zależności od długości sond osiągających w niektórych przypadkach nawet 200 metrów są rozmieszczane co kilka, a nawet kilkanaście metrów od siebie, jednak w porównaniu z instalacją poziomą wymagania dotyczące potrzebnej przestrzeni są znacznie niższe. Wadą wymienników poziomych jest wysoki koszt ich instalacji.

 

Alternatywą dla pomp gruntowych są powietrzne pompy ciepła. Urządzenia tego rodzaju wykorzystują energię zgromadzoną w powietrzu, które nawet w chłodne dni ma zwykle temperaturę kilku stopni. Wymiennik pomp powietrznych jest bardzo podobny do rozwiązania stosowanego w klimatyzatorach, choć jego powierzchnia jest znacznie większa. Także tu jest stosowany spory wentylator wymuszający przepływ powietrza. W przypadku montażu powietrznej pompy ciepła wymiennik musi być zlokalizowany w miejscu, gdzie jest dobry dostęp, a także większe nasłonecznienie podnoszące temperaturę. Zwykle wymienniki montuje się w pobliżu południowych ścian budynku, w miejscach osłoniętych przed silniejszym wiatrem, co mogłoby obniżać ich efektywność. Wbrew obiegowym opiniom pompy powietrzne zachowują sprawność również w ujemnych temperaturach, dopiero bardzo silne mrozy uniemożliwiają ich działanie. Największą zaletą powietrznych pomp ciepła są umiarkowane koszty instalacji oraz działania, a także niewielka ilość miejsca potrzebna do montażu.