W budownictwie w dzisiejszych czasach jednym z bardzo ważnych aspektów stała się oszczędność energii. Jedną z głównych przyczyn tej tendencji są stale rosnące ceny tradycyjnych nośników energii oraz większa świadomość społeczeństwa związana z dbałością o środowisko naturalne. W związku z tym poszukuje się odnawialnych źródeł energii w celu ogrzewania budynków i pozyskania ciepłej wody w nich używanych.
Ciepło w budynkach od lat jest wytwarzane na zasadzie spalania paliwa. Na początku wykorzystywano paliwa w postaci stałej jak drewno czy węgiel, później zaczęto korzystać z paliw ciekłych i gazowych takich jak oleje opałowe czy na przykład gaz ziemny. Zasoby większości wykorzystywanych substancji palnych są nieodnawialne. Produkcja ciepła w wyniku spalania wiąże się z dużymi stratami energii .Najpierw poddając składniki palne paliwa reakcji spalania wytwarzana jest temperatura rzędu kilkuset a nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza, aby ogrzać czynnik grzewczy do temperatury kilkudziesięciu stopni Celsjusza, a następnie powietrze w pomieszczeniu do około dwudziestu stopni. Na każdym etapie przekazywania energii dochodzi do dużych strat , przez co następuje wysoki nakład na energię końcową. Spalanie wiąże się również z zanieczyszczeniem środowiska. W jego wyniku dostaje się wiele pyłów oraz toksycznych związków chemicznych do atmosfery. W celu ochrony zdrowia ludzi konieczne jest budowanie na przykład kosztownych instalacji oczyszczania spalin. Obserwuje się również ciągle rosnące ceny tradycyjnych nośników energii. Koszty eksploatacyjne ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej są wysokie i stale rosną. Rozwiązaniem tych problemów z pewnością są odnawialne źródła energii, oraz budownictwo w technologii pasywnej lub termomodernizacja istniejących budynków o jak najmniejszym zapotrzebowaniu na energię użytkową. W wielu przypadkach najtańszym pod względem kosztów eksploatacji sposobem zaopatrzenia w ciepło budynków jest pompa ciepła. Pompa ciepła nie jest źródłem ciepła, służy ona tylko do transportowania ciepła zakumulowanego w środowisku, gdzie istnieje niższa temperatura, do pomieszczenia z wyższą temperaturą. Ideą stosowania pomp jest odbieranie energii zgromadzonej w dolnym źródle ciepła, którym jest na przykład grunt, woda czy powietrze. W takim przypadku ważniejsza jest ilość ciepła, którą można odebrać z danego źródła, niż jego temperatura. Różnice temperatur w układach z pompą ciepła są znacznie mniejsze niż w układach z kotłem spalającym paliwo, dzięki temu straty energii na poszczególnych etapach przekazywania ciepła są znacznie niższe. Koszty inwestycyjne instalacji z wykorzystaniem pompy ciepła w zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła są z pewnością znacznie wyższe od montażu kotła, ale eksploatacja takiej instalacji jest tania i zdecydowanie korzystna dla środowiska naturalnego.
Jak działa pompa ciepła
Podstawowa pompa ciepła zbudowana jest z parownika, skraplacza, sprężarki i zaworu rozprężnego. Parownik to wymiennik ciepła znajdujący się po stronie dolnego źródła ciepła, natomiast skraplacz jest wymiennikiem po stronie górnego źródła. W obiegu znajduje się czynnik roboczy, który musi mieć odpowiednie właściwości, a mianowicie jego temperatura wrzenia musi być możliwe niska, a objętość po odparowaniu mała. Czynnik ten krąży w obiegu pompy ciepła. W parowniku ciepło jest pochłaniane z dolnego źródła poprzez odparowanie czynnika w niskiej temperaturze, po czym sprężarka podnosi jego ciśnienie, a co za tym idzie także temperaturę. Następnie czynnik trafia do skraplacza, gdzie skrapla się, oddając energię górnemu źródłu ciepła, po czym przepływa przez zawór rozprężny po to, żeby zostało obniżone jego ciśnienie, co umożliwia ponowy pobór ciepła w parowniku.
Zastosowanie pomp ciepła do ogrzewania
W związku z powyższym, z pompami ciepła lepiej współpracuje ogrzewanie płaszczyznowe niż grzejnikowe. Ciepło, przy zastosowaniu ogrzewania płaszczyznowego, przekazywane jest w pomieszczeniu w większości za pomocą promieniowania, a nie jak w przypadku tradycyjnych grzejników głównie poprzez konwekcję. Dzięki temu komfort cieplny jest odczuwany przy niższych temperaturach powietrza w pomieszczeniu, powietrze nie wysusza się tak bardzo, nie ma odczucia mniej czy bardziej ogrzanych stref w pomieszczaniu, nie dochodzi do znacznych ruchów powietrza, w związku z czym na przykład do unoszenia zanieczyszczeń z podłogi w przypadku zastosowania ogrzewania podłogowego. Temperatury powierzchni grzejnych dla ogrzewania podłogowego wynoszą 24-26°C, dla sufitowego 30- 35°C, ściennego 25-30°C. Są to niskie temperatury, w porównaniu do konwekcyjnego ogrzewania, odpowiednie do współpracy z pompami ciepła. Dodatkową zaletą grzejników płaszczyznowych jest możliwość chłodzenia pomieszczeń z wykorzystaniem pomp ciepła. Cechą ogrzewania płaszczyznowego jest akumulacyjność ciepła przez elementy konstrukcyjne budynku (na przykład dla ogrzewania podłogowego jest to podłoga). Daje to korzyści przy zastosowaniu pomp ciepła na przykład w przypadku przerw w dostawie prądu. W przypadku współpracy pompy ciepła z ogrzewaniem istotne jest także wykorzystanie zbiornika buforowego, co dla układów niskotemperaturowych jest efektywniejsze, po za tym pozwala zapewnić minimalny przepływ w instalacji, co stanowi hydrauliczne zabezpieczenie oraz optymalizuje czas pracy sprężarki w pompie, czyli pozwala na możliwie długie czasy pracy i czasy przerwy, dodatkowo stanowi zapas ciepła w przypadku braku energii elektrycznej.
Rodzaje pomp ciepła w zależności od wykorzystywanego źródła ciepła:
Powietrzna pompa ciepła
Jest to pompa ciepła typu powietrze/woda, co oznacza, że jako dolne źródło ciepła wykorzystuje ona otaczające powietrze, natomiast w obiegu górnego źródła ciepła krąży woda. Zastosowanie polegające na wykorzystaniu otaczającego powietrza, jako źródła ciepła wymaga najmniej wysiłku i nakładów kosztów inwestycyjnych w porównaniu do pomp typu woda/woda i grunt (solanka)/woda. Zaletami tego rozwiązania jest to, że powietrze jest ogólnie dostępne, wystarczy umieścić pompę ciepła w budynku i podłączyć kanał z powietrzem zewnętrznym, albo umieścić pompę po za budynkiem, bez stosowania kanału. Wadą jest mała pojemność cieplna powietrza i duże wahania jego temperatury w ciągu roku, przez co w okresie letnim urządzenie działa z wysoką efektywnością, a zimą z mniejszą. Przy temperaturze około -20°C pokrywanie zapotrzebowania na ciepło za pomocą powietrznej pompy ciepła jest nieopłacalne i stosuje się dodatkowe, szczytowe źródło ciepła, uruchamiające się przy określonej temperaturze zewnętrznej. Ważne jest jeszcze odpowiednie umiejscowienie powietrznej pompy ciepła ze względu na hałas pracy wentylatorów, na przykład z dala od okien budynku.
Gruntowa pompa ciepła
Gruntowa pompa ciepła to pompa typu solanka/woda. Dolnym źródłem ciepła w takim przypadku jest grunt, który gromadzi ciepło od promieniowania słonecznego .Możliwości akumulowania ciepła przez grunt zależy od zdolności magazynowania wody przez niego, zależność wprost proporcjonalna, czyli im grunt zatrzyma więcej wilgoci tym więcej ciepła nagromadzi. Ważne jest ,aby nie dopuszczać do zbyt mocnego wychłodzenia gruntu w czasie eksploatacji pompy ciepła-grunt nie powinien zamarzać. W sezonie letnim należy pozwolić aby grunt mógł się zregenerować .W dolnym źródle istnieje obieg z czynnikiem roboczym najczęściej solanką lub roztworem glikolu, czynnik ten musi być odporny na zamarzanie. Zdecydowanie ogromną zaletą wykorzystania gruntu jako źródła dolnego jest stabilność temperatur w przeciągu roku. Stosowane są dwa rodzaje gruntowych wymienników ciepła a mianowicie sondy pionowe i kolektory poziome. Przy sondach pionowych konieczne są odwierty gruntowe, które mają od kilkudziesięciu do nawet 150 metrów głębokości. Zależnie od rodzaju gruntu możliwe jest pobranie z niego różnej mocy. Przyjęto, iż z jednego metra długości takie sondy można pozyskać średnią moc w granicach 50-55 W. Rury umieszczone poziomo pod powierzchnią ziemi to kolektory poziome na przykład można umieścić je spiralnie. Głębokość na jakiej najczęściej umieszcza się wymiennik to ok.1,5 metra. Moc jaką można pobrać z gruntu zależy od rodzaju gruntu, średnia moc jaka jest możliwa do uzyskania z jednego metra rury poziomego wymiennika wynosi w przybliżeniu 20 W.
Katarzyna Kowalska PZDR nr 7
Źródła: Oszczak W. Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydawnictwo Komunikacji i łączności.
Firma Viessmann. Podręcznik architekta, projektanta i instalatora – Pompy ciepła. Viessmann Werke.
Damian Żabicki, Niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe, „Rynek Instalacyjny” 6/2017
Zbigniew Karmowski, Piotr Rynkowski, Analiza techniczno-ekonomiczna wykorzystania pomp ciepła na przykładzie wybranego obiektu, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska”
Fot. Katarzyna Kowalska
