Ciepło z ziemi i powietrza

Dodano: piątek, 15 czerwca 2018 06:34
Ciepło z ziemi i powietrza

Możliwość pobierania energii cieplnej ze źródła o niższej temperaturze i przekazywanie jej do ośrodka o temperaturze wyższej umożliwiają coraz popularniejsze w użytkowaniu pompy ciepła. Urządzenia te pracują na zasadzie znanej i wykorzystywanej od ponad wieku – pierwowzorem pompy ciepła jest bowiem chłodziarka sprężarkowa produkowana już na początku XIX wieku. Współczesne pompy ciepła wykorzystywane są do ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody użytkowej jak i chłodzenia pomieszczeń w systemie klimatyzacji.

Jak działa pompa ciepła?

Fizyczne podstawy funkcjonowania pompy ciepła oparte są na przemianie termodynamicznej zwanej obiegiem Carnota, która - w uproszczeniu - polega na sprężaniu i rozprężaniu czynnika chłodniczego zwanego popularnie freonem, choć wykorzystywane są też inne związki np. amoniak. W efekcie sprężenia wzrasta jego temperatura oraz ciśnienie, a następnie w postaci pary przegrzanej przepływa do wymiennika ciepła zwanego skraplaczem, który przekazuje energię cieplną do otoczenia. Po przejściu przez skraplacz czynnik chłodniczy ulega gwałtownemu rozprężeniu, znacząco spada jej temperatura i ciśnienie, a po przemieszczeniu się do parownika następuje przejęcie energii cieplnej z innego obszaru.

Zależnie od miejsca umieszczenia skraplacza i parownika urządzenie będzie ogrzewać lub schładzać np. pomieszczenie. Zgodnie z cyklem termodynamicznym i prawem Carnota sprawność układu zależna jest jedynie od różnicy temperatur źródła dolnego (parownika) i górnego (skraplacza) i maleje proporcjonalnie do zwiększania się tej wartości.

Proces "pompowania ciepła" wymaga jednak dostarczenia energii z zewnątrz niezbędnej choćby do napędu sprężarki. Na efektywność przekazywania energii wpływa – oprócz sprawności cyklu Carnot - również sprawność mechaniczna urządzenia. Z punktu widzenia użytkownika istotny jest więc zysk energetyczny pompy ciepła wskazujący na to ile energii użytecznej można pozyskać w porównaniu ze zużytą energią zewnętrzną (elektryczną).

Pompy ciepła solanka-woda oferuje firma Stiebel Eltron
Pompy ciepła solanka-woda oferuje firma Stiebel Eltron

Parametr ten określany jest jako współczynnik efektywności pompy ciepła i oznaczany symbolem COP. Ze wglądu na zmienną jego wartość zależnie od warunków użytkowania, normą PN-EN 14511-2 wprowadzono wymóg uzyskiwania minimalnych wartości COP dla poniższych zastosowań (liczby przy literach oznaczają temperaturę dolnego i górnego źródła ciepła):
Solanka/woda        B0/W35                         4,3
Woda /woda         W10/W35                       5,1
Powietrze/woda     A2/W35                         3,1
Bezpośrednie odparowanie
W gruncie/woda     E4/W35                        4, 3
W praktyce przeciętne sezonowe wartości COP dla urządzeń zasilających system ogrzewania kształtują się na poziomie 3,0-3,5 dla gruntowych źródeł dolnych i 2,5-3 dla pomp typu powietrze/woda, przy czym wartości te uwzględniają również zużycie energii prze niezbędne do pracy wyposażenie.

Czerpanie ciepła z ziemi

Ziemia jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej zasilanym promieniowaniem słonecznym, a wykorzystanie jej za pośrednictwem pompy ciepła wymaga zainstalowania kolektora dolnego źródła w postaci wężownicy ułożonej w gruncie, sond rurowych wstawionych w głębokie odwierty lub wykorzystania wód podziemnych. Kolektory poziome w postaci kilku sekcji wężownic rurowych ułożonych na głębokości 1,5-2 m należą do najtańszych rozwiązań zajmują jednak znaczną powierzchnię której nie można zabudować. Zależnie od rodzaju gruntu i stopnia jego nawodnienia z 1 m2 powierzchni gruntowej kolektora pozyskuje się 10-30 W energii cieplnej.

Z kolei kolektory pionowe praktycznie nie zajmują powierzchni działki ale ich wykonanie wymaga użycia specjalistycznego sprzętu wiertniczego. Zależnie od rodzaju gruntu wykonuje się kilka odwiertów na głębokości do 100 m, a przeciętna efektywność pobierania ciepła wynosi 40-60 W/ m głębokości umieszczenia rur. W obu układach rurowych nośnikiem ciepła jest niezamarzający roztwór solanki lub glikolu krążący w obiegu dolnego źródła dzięki oddzielnej pompie.

Geotermalna pompa ciepła typu glikol/woda lub woda/woda, z funkcją chłodzenia, De Dietrich Technika Grzewcza

Geotermalna pompa ciepła typu glikol/woda lub woda/woda, z funkcją chłodzeniaDe Dietrich Technika Grzewcza

Powietrze jako źródło energii

Dużym zainteresowaniem inwestorów cieszą się pompy ciepła typy powietrze /woda, dzięki relatywnie niskiej cenie i łatwemu montażowi. Jednak nie powinny być one jedynym źródłem ciepła, gdyż przy niskich temperaturach zewnętrznych ich efektywność znacząco spada. W praktyce zapewniają one optymalną pracę ogrzewania, gdy nie zrobi się chłodniej niż minus 3-4°C. W przeciwieństwie do pomp typu woda/woda, z gruntowym kolektorem pobierających ciepło z ziemi o względnie stałej temperaturze, pompy powietrze/woda uzyskują coraz mniejszą moc wraz ze spadkiem temperatury powietrza atmosferycznego, a jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na energie cieplną niezbędna do ogrzania pomieszczeń. Na wychłodzonych elementach parownika osadza się też szron, który musi być okresowo usuwany (podgrzewanie grzałką, wsteczny bieg pompy). Punkt pracy układu, przy którym niezbędne będzie uzupełnienie ogrzewania z innego źródła określa się na podstawie wykresu charakterystyki pracy pompy ciepła. Pompy tego typu są tez dość hałaśliwe - szumi wentylator o dużej wydajności.

Pompa ciepła powietrze-woda do c.w.u., Stiebel Eltron
Pompa ciepła powietrze-woda do c.w.u., Stiebel Eltron

Niskotemperaturowe systemy ogrzewania

Efektywność pozyskiwania energii przez pompy ciepła uzależniona jest przede wszystkim od temperatury pracy systemu ogrzewania, gdyż z reguły nie mamy wpływu na temperatury w dolnym źródle energii.(gruncie, powietrzu). Racjonalne wykorzystanie pomp ciepła wymaga więc zaprojektowania instalacji grzewczej pracującej przy temperaturze nie wyższej niż 35°C przez większą część sezonu grzewczego. Dlatego o instalacji grzewczej zasilanej z pompy ciepła należy zdecydować już na etapie projektowym i realizacji stanu surowego budynku. Jako podstawowy sposób przekazywania ciepła do pomieszczeń przyjmuje się bowiem ogrzewanie podłogowe, co wymaga uwzględnienia przy projektowaniu np. wysokości pomieszczeń, doboru izolacji termicznej jak i odpowiedniego pokrycia podłogowego. Możliwy jest też montaż ogrzewania ściennego jak też i tradycyjnych grzejników wykorzystywanych np. do szybkiego nagrzania pomieszczenia.

W najprostszej wersji pompa ciepła zasila bezpośrednio niskotemperaturowy obieg grzewczy, a dostosowanie intensywności ogrzewania do aktualnych warunków zapewnia termostat pogodowy i pokojowy sterujący pracą pompy ciepła. W przypadku wykorzystania pompy również do przygotowania c.w.u. przełączenie na podgrzewanie zasobnika ciepłej wody następuje poprzez zwór trójdrogowy sterowany czujnikiem temperatury. Układ taki nie pozwala jednak na pełniejsze korzystanie z II tańszej taryfy cen za energię elektryczną i warto zainstalować dodatkowy zbiornik buforowy.

Dzięki niemu część nagrzanej wody przez pompę pracująca w czasie taryfy nocnej można będzie wykorzystać w innej porze bez konieczności jej załączania, choć w przypadku instalacji pompą typu powietrze/woda może być rozwiązaniem nieopłacalnym. Trzeba bowiem przeliczyć do jakiej temperatury powinna nagrzewać się woda w zbiorniku buforowym. Gdy będzie zbyt wysoka to zmniejszy się efektywność pompy ciepła i korzyści z niższej ceny energii nie pokryją straty wynikającej z obniżenia COP szczególnie przy znacznych spadkach temperatury zewnętrznej w porze nocnej i zwiększonym zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania.

autor: Cezary Jankowski

oprac.: Anna Chrystyna

zdjęcie otwierające: Stiebel Eltron

zdjęcia w tekście: Stiebel Eltron, De Dietrich Technika Grzewcza