Pompy ciepła

Pompa ciepłaNiestabilna sytuacja na rynku gazu i innych ropopochodnych nośników energii, powodująca rosnące ceny energii potrzebnej do ogrzewania domów czy też budynków użyteczności publicznej zmuszają do poszukiwania tańych, alternatywnych i odnawialnych źródeł energii.

 

Jednym z takich odnawialnych źródeł są pompy ciepła. Umożliwiają one ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej przy wykorzystaniu odnawialnej energii w formie ciepła środowiska.

 

Przeszło trzy czwarte energii koniecznej do ogrzewania, pompa ciepła czerpie ze środowiska naturalnego. Dla pozostałej części, potrzebuje ona prądu jedynie jako energii napędu sprężarki.

 

Ciepło środowiska naturalnego, a więc ciepło snoneczne zmagazynowane w powietrzu, wodzie i gruncie może być wykorzystywane bez żadnych ograniczeń.

 

Sposób działania pompy ciepła odpowiada zasadzie funkcjonowania lodówki. W przypadku tej ostatniej poprzez parownik odbierane jest ciepło chłodzonym obiektom (wnętrze lodówki lub zamrażarki). Ciepło to, poprzez skraplacz (kondensator) zamontowany w urządzeniu jest oddawane do pomieszczenia. Do zasilania elementów lodówki, rownież potrzebny jest prąd elektryczny. Gdybyśmy pozostawili w pomieszczeniu otwartą lodówkę, to po pewnym czasie stwierdzilibyśmy wzrost temperatury, wynikający z zamiany energii elektrycznej na pracę sprężarki. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że lodówka generuje ciepło na swojej tylnej ściance jednocześnie pozbywając się tego ciepła ze swojego wnętrza. Na tej samej zasadzie działa pompa ciepła, jednak element na którym nam najbardziej zależy, to właśnie nasz "tył lodówki" ogrzewający wodę do centralnego ogrzewania czy też przygotowania ciepłej wody użytkowej.

 

Decydując się na ogrzewanie pompą ciepła wybierają Państwo wyjątkowo niskie koszty ogrzewania i eksploatacji jak również zmniejszoną emisją szkodliwych substancji. Na miejscu instalacji emisja ta jest ograniczona nawet do zera. Nowoczesne pompy ciepła bardzo efektywnie ogrzewają, przygotowują ciepłą wodę, zapewniają wentylację i chłodzenie. Oferują Państwu optymalny komfort mieszkania przy łatwych do policzenia, niskich kosztach ogrzewania. Olej i gaz będą coraz droższe!

 

Pompy ciepła zaliczają się do najefektywniejszych i ekologicznie najbezpieczniejszych technik w zakresie energii odnawialnych.

 
Są w stanie, w odróżnieniu od bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej:

  • wykorzystywać zmagazynowaną energię słoneczną, także nocami, niezależnie od pory roku.
  •  Dzięki wykorzystaniu bezpłatnej energii z otoczenia i minimalnych kosztach eksploatacji oszczędność pomp ciepła jest bardzo duża.
  • Ponieważ pompa ciepła charakteryzuje się najmniejszym współczynnikiem emisji CO2 spośród wszystkich źródeł ciepła, jest na pierwszym miejscu wśród urządzeń grzewczych pod względem przyjazności dla środowiska.
  • Komfort i jakość życia są dodatkowymi ważnymi czynnikami, które mogą Państwa przekonać do wyboru pompy ciepła.

     

 

 
Zasada działania pompy ciepła

Zasada działania pompy ciepłaW przypadku pompy ciepła, ciepło pobrane zostaje ze środowiska naturalnego, czyli gruntu, wody lub powietrza, a nastęnie doprowadzone jest do systemu grzewczego budynku. Proces krążenia czynnika chłodzącego przebiega według podstawowych i prostych procesów fizycznych. Czynnik roboczy, a mianowicie płyn wrzący już przy niskich temeperaturach (często potocznie nazywany już nieużywanym freonem), zostaje doprowadzony do obiegu krążenia i kolejno: odparowany, skondensowany, skroplony i rozprężony.

W parowniku znajduje się płynny czynnik roboczy pod niskim ciśnieniem. Poziom temperatury ciepła ze środowiska przy parowniku jest wyższy niż zakres temperatury wrzenia czynnika roboczego odpowiadającemu danemu ciśnieniu. Ten spadek temperatury powoduje przeniesienie ciepła ze środowiska na czynnik roboczy, przy czym ten ulega wrzeniu i odparowaniu. Wymagane do tego celu ciepło, zostaje pobrane z tzw. dolnego źródła ciepła.

W sprężarce następuje podwyższenie temperatury. Stale zasysa ona i spręża parę czynnika roboczego z parownika. Przy tym wzrasta cinienie pary oraz jej temperatura. Para czynnika roboczego dostaje się ze sprężarki do kondensatora opływanego przez wodę grzewczą (jest to tzw. górne źródło ciepła). Temperatura wody grzewczej jest niższa niż temperatura kondensacji czynnika roboczego. Para ulega więc schłodzeniu i przy tym ponownemu skropleniu (skondensowaniu).

Energia cieplna pobrana w parowniku i doprowadzona dodatkowo przez sprężanie energia elektryczna zostają ponownie uwolnione przez proces kondensacji w kondesatorze i przkazane wodzie grzewczej.

Następnie czynnik roboczy jest odprowadzany przez zawór rozprężny do parownika. jest on rozprężany z wysokiego ciśnienia kondensatora do niskiego ciśnienia panującego w parowniku. Przy wejściu do parownika początkowe ciśnienie i początkowa temperatura zostają ponownie osiągnięte i obieg krążenia powtarza się.

 
Rodzaje pomp ciepła

Typy pomp ciepłaDo realizacji układów ogrzewania opartych o pompy ciepła mamy możliwość wykorzystania jednego z kilku typów dolnego źróła ciepła. Każde zastosowane dolne źródło ciepła charakteryzuje się nieco innymi parametrami i sposobem przekazywania energii cieplnej. Dlatego wybór typu dolnego źródła należy wykonać już na etapie planowania inwestycji.

Główne typy układów pomp ciepła w zależności od dolnego źródła:

  • Układ glikol-woda z sondami pionowymi
  • Układ glikol-woda z kolektorem poziomym
  • Układ woda-woda oparty o system dwóch studni
  • Układ powietrze-woda
  • Układ powietrze-powietrze

 

Najbardziej wydajnymi źródłami energii, są instalacje oddające ciepło pochodzące z dużych głębokości gruntu - czyli układ woda-woda oparty o system dwóch studni oraz układ glikol-woda z sondami pionowymi.
Z kolei najbardziej popularnym, ze względu na niskie koszty inwestycyjne, przy zachowaniu wysokiego, stałego współczynnika wydajności są układy oparte o kolektory poziome. Przeszkodą w instalacjach tego typu układu może być dość duża powierzchnia terenu, jaka musi być przeznaczona do wykonania dolnego źródła.
Jeżeli nie chcemy wykonywać odwiertów ani niszczyć darni już zagospodarowanego terenu, to najlepszym rozwiązaniem są pompy ciepła oparte o powietrze jako nośnika dolnego źródła ciepła. Bardzo dobre wyniki uzyskuje się przy tego typu układach wykorzystując gruntowe wymienniki ciepła i system rekuperacji w jednym układzie ogrzewania.

 
Chłodzenie za pomocą pompy ciepła

Chłodzenie za pomocą pompy ciepłaNiektóre pompy ciepła oferują dodatkowe korzyści, umożliwiając ich stosowanie do chłodzenia budynku. Można przy tym rozróżnić dwie różne metody chłodzenia pompą ciepła:

 

  • Chłodzenie bezpośrednie (chłodzenie pasywne): Solanka wzgl. woda gruntowa pobierają przez wymiennik ciepła ciepło z obiegu grzewczego i odprowadzają je na zewnątrz budynku. Przy tym sposobie działania wszystkie funkcje pompy ciepła, oprócz regulatora i pomp obiegowych, są nieaktywne.
  • Działanie odwrócone (chłodzenie aktywne): Odwraca się sposób działania pompy ciepła, tak że pracuje ona jak chłodziarka.


Do zastosowań chłodzenia, szczególnie skuteczne są klimakonwektory wentylatorowe wyposażone w wentylator z regulowanym strumieniem powietrza. Dzięki temu przez ich wymiennik ciepła można przepuszczać duże ilości powietrza, co umożliwia szybkie i skuteczne schłodzenie pomieszczenia. Dodatkowa możliwość regulacji wydajności wentylatora pozwala na precyzyjną regulację klimatu pomieszczenia. Konwektory wentylatorowe są ponadto niewrażliwe na roszenie, jeżeli odprowadzać się będzie powstający kondensat Niezależnie od metody chłodzenia ? odwrócona praca pompy ciepła, czy ?pasywne chłodzenie? ? konieczna jest w każdym przypadku kontrola punktu rosy przez regulator pompy ciepła. Tak więc w trybie chłodzenia powierzchnia ogrzewania podłogowego nie może spaść poniżej 20°C. Kontrola punktu rosy utrzymuje temperaturę zasilania w użytym do chłodzenia systemie grzewczym na poziomie wyższym od punktu rosy, aby wykluczyć niebezpieczeństwo skraplania się wilgoci z powietrza na powierzchni podłogi.

 
Koszty eksploatacji pompy ciepła

Koszty eksploatacji pompy ciepłaPompy ciepła są urządzeniami, które ostatnio budzą bardzo duże zainteresowanie potencjalnych inwestorów i są coraz częściej stosowane do ogrzewania domów. Pojawia się wię pytanie - ile to kosztuje?

Zgodnie z zasadą budowy i działania pompy ciepła, z 1 kilowata energii elektrycznej dostarczonego do pompy ciepła otrzymujemy w zależności od parametrów pracy od 3 do nawet 6 kilowatów energii cieplnej. W prosty sposób porównując ten koszt można okreśić, iż cena jaką zapłacimy za użytkowanie pompy ciepła, będzie nawet do 6 razy niższa, niż przy ogrzewaniu prądem. Z kolei prąd jest około 3 razy droższy od najtańszych nośników energii cieplnej. Stąd wynika prosta zależność, że koszt eksploatacji pompy ciepła może wynieść nawet 2 razy mniej niż najtańszego opału - np. węgla kamiennego.

Przy obecnych cenach materiałów i usług, różnica w kosztcie wykonania instalacji pompy ciepła dla średniego domku jednorodzinnego, a instalacji pieca gazowego dobrej klasy z osprzętem i przyłączami wacha się na poziomie 12-15 tys. zł.

Aby obliczyć, kiedy koszty się wyrównają i zaczniemy naprawdę oszczędzać, należy prześledzić następujące wartości (ceny połowa 2008 roku):

  • Cena 1kWh energii elektrycznej (dzienna) - 0,436 zł
  • Cena 1kWh energii elektrycznej (nocna) - 0,226 zł
  • Cena 1 litra oleju - 2,87 zł
  • Cena 1 litra gazu - 1,83 zł

 

Weźmy przykładowy budynek o powierzchni ogrzewanej 170m2 i zapotrzebowaniu na ciepło w wysokości 40W/m2. Piec musi także przygotować 300 litrów ciepłej wody dla 4 domowników.

Wyliczone wartości zapotrzebowania na ciepło wynoszą odpowiednio:

  • Ogrzewanie - 17'302 kWh
  • Ciepła woda- 3'114 kWh

Łączne zapotrzebowanie na ciepło wyniesie 20'416 kWh

Dla pompy ciepła o mocy 7kW, roczne koszty pracy będą wyglądały następujaco:

  • Koszt pracy ogrzewania - 967 zł
  • Koszt przygotowania ciepłej wody - 255 zł
  • Koszty stałe - 60 zł

Razem koszty roczne dla pompy ciepła - 1'282 zł


Z kolei te same koszty dla pieca gazowego wyniosą:

  • Koszt pracy ogrzewania - 3'518 zł
  • Koszt przygotowania ciepłej wody - 633 zł
  • Koszty stałe - 190 zł
  • Koszt przeglądów - 280 zł

Razem koszty roczne dla pieca gazowego - 4'621 zł


Dla kotła olejowego wyniosą one :

  • Koszt pracy ogrzewania - 6'207 zł
  • Koszt przygotowania ciepłej wody - 1'117 zł
  • Koszt przeglądów - 280 zł

Razem koszty roczne dla pieca olejowego - 7'604 zł

 

Weźmy pod uwagę jedynie najbardziej popularne rozwiązanie, jakim jest piec gazowy.
Różnica roczna w kosztach eksploatacji pomiędzy pompą ciepła a piecem gazowym wynosi w naszym przykładzie 3'339 zł.

Jeżeli podzielimy naszą różnicę w wykonaniu instalacji - czyli 15'000 zł przez różnicę (oszczędność roczną), to wyjdzie nam wartość 4,49 która jest ilością czasu w latach, kiedy instalacja nam się zwróci.

Reasumując. Po ok. 4,5 roku wyrównają się nam koszty pompy ciepła z instalacją pieca gazowego. Jednakże po 10 latach czysta oszczędność, po odjęciu różnicy w kosztach instalacji, sięgnie już wartości 18,5 tys zł ! (zapłacimy o ok. 33,5 tys zł mniej za media niż w przypadku pieca gazowego).

Oczywiście nie bierzemy w naszym przykładzie innych oszczędności - np. wykorzystując pompę ciepła do chłodzenia budynku, nie potrzebujemy zużywać energii do klimatyzowania pomieszczeń (energia na dogrzewanie ciepłej wody w sezonie letnim = energia, która chłodzi budynek).

Oczywiście aby pompa była urządzeniem ekonomicznym w ekploatacji, należy przestrzegać kilku ważnych zasad przy planowaniu inwestycji.

 
Na co należy zwrócić uwagę montując pompę ciepła

Dobór pompy ciepłaPrzy projektowaniu układów cieplnych zasilanych pompą ciepła, należy w pierwszym rzędzie odpowiednio zwymiarować moc pompy jaka będzie pracowała w układzie. Częstym błędem jest zbytnie przewymiarowanie źródła zasilania, a co za tym idzie zwiększenie kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i ekploatacyjnych.

W przybliżeniu można samemu policzyć wymaganą moc pompy. Ogrzewana powierzchnia w m2 zostaje pomnożona przez odpowiednie zapotrzebowanie na ciepło określone następującymi parametrami:

1. 35 - 55W - Nowe budownictwo wg przepisów dotyczących izolacji cieplnej z 2004r
2. 55 - 65W - Nowe budownictwo wg przepisów dotyczących izolacji cieplnej z 1995r
3. 70 - 90W - Budynek wybudowany przed 1995r, normalna izolacja cieplna
4. 120W      - Stare budownictwo bez szczególnej izolacji cieplnej

Do powyższej mocy cieplnej, naliczy doliczyć jeszcze 0,25kW na osobę celem przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Czyli przykładowo nowo budowany dom, o bardzo dobrej izolacji cieplnej i o powierzchni 200m2 dla 4 osób wymaga: 200m2 x 35W + 4osoby x 0,25kW = 7kW + 1kW = 8kW

Drugim bardzo ważnym elementem jest temperatura górnego źródła - czyli temperatura na wyjściu z pompy ciepła do systemu zasilania domu. Im wyższa temperatura górnego źródła, tym niższa sprawność pompy ciepła. Przykładowo pompa ciepła o mocy 12kW przy temperaturze górnego źródła wynoszącym 30°C ma współczynnik wydajności około 5.6, przy temperaturze 42°C - 4.5, natomiast już przy temperaturze 65°C spada on do 2.3

Stąd wynika proste uzasadnienie, dlaczego pompy ciepła powinny pracować na tzw. niskotemperaturowym źródle ciepła - czyli m.in. ogrzewaniu podłogowym. Tego typu ogrzewanie będzie dużo tańsze w eksploatacji. Oczywiście nic nie wyklucza wykorzystania w takim układzie grzejników, lecz należy pamiętać o ich przewymiarowaniu - powinny być odpowiednio większe.

Podobna sytuacja ma miejsce przy przygotowywaniu ciepłej wody. Temperatura wody wynosząca 42-43°C jest optymalna do kąpieli. Zaczyna już delikatnie parzyć, lecz jeszcze jest bezpieczna dla domowników. Dlatego też uzyskiwanie wyżych parametrów temperatury na wyjściu z układu, nie ma uzasadnienia zarówno użytkowego, jak i ekonomicznego.

Jezeli chcemy jeszcze bardziej obnizyc koszty eksploatacji systemu opartego o pompe ciepla, nalezy zaprojektowac uklad w oparciu o tzw. akumulator ciepla pracujący jedynie na taniej, nocnej taryfie energetycznej. Rozwiązanie to polega na zmagazynowaniu ciepła w postaci gorącej wody w zbiornikach w czasie obowiązywania taryfy nocnej, obowiązującej od późnego wieczora do wczesnego ranka oraz kilku godzin popołudniowych. W czasie obowiązywania droższej taryfy dziennej, gdzy będzie zwiększony pobór ciepła - np. do ogrzewania budynku, czy przygotowania ciepłej wody, pompa może się nie włączać, a jedynie oddawać ciepło z przygotowanego wcześniej akumulatora. Dopiero przekroczenie krytycznej, minimalnej temperatury uruchomi sprężarkę - ale i tak nie do pracy ciągłej, a jedynie do pokrycia chwilowego zapotrzebowania. Dopiero później automatyka układu znowu zgromadzi ciepło na długie godziny pracy systemu. Jest to najtańsze ze wszelkich możliwych rozwiązań systemu ogrzewania.

Dość ważnym elementem - nie tylko dla układów wyposażonych w pompę ciepła, ale do wszystkich typów zasilania - jest sposób wentylacji budynku minimalizujący ucieczkę ciepła poprzez kominy wentylacyjne, czy systemy mikrowentylacji okiennej. Jeżeli budynek jest zaprojektowany tak, że ciepło pozostaje wewnątrz mimo ciągłej wymiany powietrza na świeże, to mamy pewność, iż eksploatacja jego będzie tania i pozwoli na utrzymanie zdrowej atmosfery wewnątrz. Więcej na ten temat można przeczytać w dziale poświeconym systemom rekuperacji.

Pompy ciepła można instalować wykorzystując różne nośniki dolnego źródła ciepła. Są to powietrze, woda oraz grunt. Z kolei wykorzystując ciepło gruntu mamy do wyboru dwa typu kolektora zewnętrzmego - kolektory gruntowe lub sondy ziemne (pionowe odwierty studniowe)

 

 Pompa ciepła w pytaniach i odpowiedziach...