Poradnik
Pdf Print16x16
Niestabilna 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.
  • Pompy ciepła - teoria

    1. Zasada działania pompy ciepła
    Pompa ciepła wykorzystuje klasyczną zasadę termodynamiki (tzw. cykl Carnota), pozwalającą na transport energii cieplnej z tzw. dolnego źródła do źródła wysokiego; przedstawia to rysunek poniżej.

    2. Budowa instalacji.

    Podstawowe elementy instalacji pompy ciepła przedstawione zostały na rysunku 2.

    Rys. 2. Elementy instalacji pompy ciepła: 1-sprężarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-zawór rozprężny, 5-dolne źródło ciepła (grunt/woda/powietrze), 6-górne źródło ciepła (ogrzewanie grzejnikowe lub podłogowe) .

    Poszczególne elementy łączone są ze sobą rurkami miedzianymi, lutowanymi srebrem, tworząc wewnętrzny obieg pompy ciepła. Jest on wypełniony czynnikiem roboczym, który posiada właściwości pozwalające mu wrzeć w niskiej temperaturze, (np. 0°C). Czynnik przepływając przez parownik (3) pobiera ciepło z dolnego źródła (5) i zaczyna wrzeć stając się parą o niskim ciśnieniu oraz temperaturze. Zassany przez sprężarkę (1) ulega sprężeniu, co wiąże się z gwałtownym wzrostem jego temperatury. Gorący czynnik trafia do skraplacza (2) i oddaje w nim ciepło do górnego źródła (6). Podczas tego procesu skrapla się i w postaci cieczy trafia do zaworu rozprężnego (4), w którym zostaje zdławiony od ciśnienia skraplania do ciśnienia, jakie jest w parowniku. Proces rozpoczyna się ponownie.

    3. Procesy termodynamiczne zachodzące w pompie ciepła.

    Sprężarkowa pompa ciepła działa identycznie jak klasyczne sprężarkowe urządzenia chłodnicze, czyli lodówka. W inny sposób zagospodarowuje się uzyskiwane ciepło. W pompie ciepła parownik służy do pozyskiwania, przy niskiej temperaturze, ciepła z otoczenia. W skraplaczu to samo ciepło oddawane jest, przy wyższej temperaturze, do ogrzewanego medium. Przepływ ciepła od niższej do wyższej temperatury realizowany jest w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy, będący nośnikiem energii cieplnej. Podlega on przemianom termodynamicznym, stanowiącym zamknięty lewobieżny obieg termodynamiczny. Przepływ ciepła odbywa się kosztem energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę. O efektywności transformacji ciepła decyduje różnica między temperaturami górnego i dolnego źródła. Mniejsza różnica powyższych temperatur daje wyższą efektywność pracy pompy ciepła. Dlatego też, pompa ciepła najefektywniej pracuje w układach grzewczych niskotemperaturowych np. z ogrzewaniem podłogowym. O efektywności pracy pompy ciepła mówi tzw. współczynnik efektywności lub wzmocnienia (COP), określający stosunek energii cieplnej uzyskanej do energii elektrycznej pobranej przez silnik sprężarki. Zasadę budowy i działania pompy ciepła obrazuje rysunek poniżej.

    Rys. 3. Procesy termodynamiczne zachodzące w pompie ciepła: 1 - Przegrzane pary czynnika chłodniczego o wysokim ciśnieniu, 2 - Skraplanie czynnika chłodniczego w wymienniku, 3 - Dochłodzona ciecz czynnika chłodniczego o wysokim ciśnieniu, 4 - Rozprężony czynnik chłodniczy o niskim ciśnieniu, 5 - Odparowanie czynnika chłodniczego w parowniku, 6 - Przegrzane pary czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu, 7 - Powrót wody z instalacji grzewczej, 8 - Podgrzewanie wody przez oddający ciepło skraplający się czynnik, 9 - Zasilanie instalacji podgrzaną w pompie ciepła wodą, 10 - "Ciepła" ciecz z obiegu dolnego źródła, 11 - Chłodzenie cieczy poprzez odparowywujący czynnik chłodniczy, 12 - Schłodzona w pompie ciepła ciecz obiegu dolnego źródła.

    W obiegach sprężarkowych pomp ciepła główne straty termodynamiczne związane są z procesami dławienia i sprężania. Zmniejszając straty powoduje się wzrost współczynnika wydajności cieplnej i ziębniczej, czyli wzrost efektywności działania urządzenia. Sposobem na zmniejszenie tych strat jest stosowanie układów wielostopniowych, w których sprężanie i dławienie czynnika roboczego odbywa się wielostopniowo. Najczęściej stosowane są układy z dwustopniowym sprężaniem i jedno- lub dwustopniowym dławieniem. Układy wielostopniowe są droższe od jednostopniowych, ale ich koszty eksploatacyjne są niższe. Istotnym czynnikiem jest również to, że wielostopniowa pompa ciepła pozwala na efektywniejsze wykorzystanie źródeł ciepła o niskiej temperaturze.

    4. Dolne źródła ciepła

    • Wody powierzchniowe. Energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z wymiany ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym i gruntem. Ponieważ temperaturę wody w rzece kształtuje wymiana ciepła z otoczeniem, poboru energii można dokonywać wielokrotnie na długości rzeki. Wadą wód powierzchniowych jako dolnego źródła są problemy z poborem energii w okresach niskich temperatur oraz przy minimalnych przepływach, a także występowanie oblodzenia. Z uwagi na zanieczyszczenie wód powierzchniowych z reguły wymagane jest stosowanie wymienników pośrednich i odpowiednich układów filtrujących, a to zmniejsza efektywność energetyczną pomp ciepła i podnosi koszty inwestycyjne.
    • Wody podziemne. Stanowią źródło o dobrej koherentności i łatwej dostępności. Charakteryzują się małymi zmianami temperatur w ciągu roku i dla warunków klimatycznych Polski wynoszą przeważnie 5-12°C. Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika, a przy dużym zasoleniu może być zastosowany pośredni wymiennik ciepła. Wadę stanowi wysoki koszt inwestycyjny i eksploatacyjny ujęcia.
    • Grunt. Może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp ciepła o stosunkowo niewielkich wydajnościach cieplnych. Energia cieplna jest akumulowana w około 10-cio metrowej warstwie gruntu. Przyjmuje się, że na tej głębokości temperatura jest równa średniorocznej temperaturze powietrza i wynosi dla naszych warunków klimatycznych ok. 7-8°C. Z uwagi na koszty inwestycyjne poziome wymienniki gruntowe układa się na głębokości 1-2 m. Na tym poziomie temperatura gruntu zmienia się sinusoidalnie w skali roku i wynosi ok. 11-17°C w lecie i 1-5°C w zimie.
    • Powietrze atmosferyczne. Charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur, zarówno w okresie dobowym jak i w całym okresie grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują problemy z oszranianiem i odtajaniem urządzeń. Natomiast koszty inwestycji są pomniejszone o koszty wykonania wymiennika dolnego źródła ciepła oraz występują korzystne temperatury powietrza.
    • Odpadowe ciepło technologiczne i komunalne (np. chłodnie kominowe i wentylatorowe, układy wentylacyjne itp.)

    5. Rodzaje kolektorów

    • Kolektor gruntowy poziomy. Wykonywany jest z poziomo ułożonych rur wypełnionych wodnym roztworem glikolu, denaturatu. Rury układane są na głębokości 1,2-1,5m poniżej poziomu terenu w rozstawie 0,5-1m. Do jednego wykopu można włożyć do 4 rur, przy czym pionowy odstęp pomiędzy rurami nie powinien być mniejszy niż 30cm. Roztwór glikolu, który krąży w rurach ogrzewa się od gruntu i transportuje pobrane ciepło do pompy ciepła. W parowniku pompy ciepła następuje odebranie ciepła z roztworu glikolu - jego ochłodzenie. Jeżeli przyszły użytkownik dysponuje stawem lub jeziorem, można wykorzystać je jako źródło ciepła. W znacznym stopniu minimalizuje się wówczas koszty inwestycji, w porównaniu z kosztami związanymi z robotami ziemnymi. Wężownicę z rur polietylenowych w prosty sposób można umieścić na dnie stawu lub jeziora. W większości wypadków wystarczają stawy o powierzchni 1000-2000m2 i minimalnej głębokości 1,5-2,5m, rysunek 14.
    • Kolektor gruntowy spiralny. Kolektor spiralny działa na podobnej zasadzie jak kolektor płaski. Sekcje kolektora mają postać spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości 10-15mb. Kolektory spiralne stanowią alternatywę do kolektorów płaskich. Wykopanie szerokich rowów o długości kilkunastu metrów jest mniej kłopotliwe niż kopanie wąskich rowków. Długość wykopów jest o 30% mniejsza. Odległość pomiędzy sekcjami nie powinna być mniejsza niż 4m. Długość przewodów dla kolektorów płaskich spiralnych trzeba zwiększyć o 30%, gdyż charakteryzują się mniejszym odbiorem jednostkowym z m2 gruntu. Szerokość wykopu powinna umożliwić ułożenie płasko na dnie wykopu kręgów rur, z reguły to 1-1,2m szerokości na dnie. Zatem na 10mb wykopu wymagana ilość rur to 111mb. Z powodu oporów przepływu zaleca się, aby długość pojedynczej pętli nie przekraczała maksymalnie 200mb/pętlę. Przy tym rozwiązaniu zaleca się zastosowanie kolektorów słonecznych. Energia promieniowania słonecznego niewystarczająca do grzania wody użytkowej (powyżej 45°C) zostaję wykorzystana przez pompę ciepła podnosząc jej wskaźnik sprawności. Dodatkowym efektem jest szybka regeneracja energii gruntu pod koniec i po zakończeniu sezonu grzewczego, a przed sezonem grzewczym temperatura zasilania może być nawet o 3°C wyższa. Zalecana minimalna powierzchnia kolektorów słonecznych to 2m2/10kW mocy chłodniczej pompy (optymalnie 4m2/10kW).
    • Kolektor gruntowy pionowy. Kolektor pionowy wykonany jest z pionowych odcinków rur umieszczonych w odwiertach i połączonych na dole U-kształtką. Poszczególne odwierty połączone są ze sobą szeregowo w pętlę. Odcinki poziome łączące odwierty muszą być umieszczone na głębokości 1,4-1,5m pod powierzchnią gruntu. Odległość pomiędzy odwiertami powinna wynosić 2,5-5m. Najczęściej głębokość odwiertów wynosi do 30m. Kolektor gruntowy pionowy wymaga znacznie mniej miejsca pod budowę niż kolektor poziomy.

    6. Zasady doboru pompy ciepła

    Pompa ciepła jest urządzeniem, które wymaga dość dokładnego doboru mocy grzewczej oraz dość starannego skojarzenia z innymi elementami instalacji. Dobór pompy o zbyt małej mocy nie będzie w stanie zapewnić komfortu cieplnego. Pompa o zbyt dużej mocy to z kolei niepotrzebne koszty początkowe, ale również droższa eksploatacja. A to może postawić opłacalność całej inwestycji pod znakiem zapytania. Podstawowym elementem każdej pompy jest sprężarka. Od niej zależy trwałość pompy. Można wybrać pompę ze sprężarką spiralną - typu "scroll" - lub tłokową. Te pierwsze mogą pracować około 100 tys. godzin, podczas gdy drugie - tylko około 20 tys. godzin; spiralne są nie tylko trwalsze, ale też cichsze od tłokowych.
    Podstawowym parametrem, jaki trzeba wyznaczyć jest moc grzewcza pompy ciepła w danych warunkach jej pracy. Moc pompy można dobierać na trzy sposoby:
    - wg mocy odpowiadającej dokładnie wielkości zapotrzebowania na ciepło w okresie największych spadków temperatury (najczęściej przyjmuje się -20°C); - wg mocy mniejszej niż zapotrzebowanie szczytowe: wtedy z góry zakłada się, że brakujące ciepło będzie okresowo uzupełniane z innych źródeł, takich jak kolektor słoneczny, kominek; - wg mocy większej niż obliczone zapotrzebowanie: wtedy pompy używa się tylko w okresie, gdy obowiązuje II taryfa opłat za energię elektryczną.

    Aby wyznaczyć moc pompy konieczna jest znajomość zapotrzebowania ogrzewanego obiektu na ciepło. Idealnie jest, gdy dla budynku został wykonany audyt energetyczny. W praktyce jednak dla mniejszych obiektów budowlanych, takich jak prywatne domy mieszkalne nie wykonuje się audytu ze względu na koszty z tym związane. W takim przypadku szacuje się zapotrzebowania na podstawie 1 m2 ogrzewanej powierzchni, przeważnie dla jednorodzinnych domów mieszkalnych o pow. do 200m2. Przedziały wartości tych współczynników dla poszczególnych typów budynków przedstawia tabela poniżej.

    Rodzaj ogrzewanego budynku

    Wsp. zapotrzebow. kc [W/m2]

    Stare budownictwo bez ocieplenia

    >80

    Budynki nowe lub stare słabo ocieplone (do 5cm styropianu lub wełny mineralnej)

    65÷75

    Budynki nowego bud. o średnim ociepleniu (o grubości do 10cm)

    45÷55

    Budynki nowego bud. bardzo dobrze ocieplone (co najmniej 20cm ocieplenia)

    35÷45

    Zapotrzebowanie obiektu na ciepło potrzebne do ogrzania wynosi:

    Qgb = kc * P,
    gdzie P - powierzchnia ogrzewanego obiektu w m2. W bilansie cieplnym budynku należy uwzględnić także zapotrzebowanie mocy na przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Jest to szczególnie ważne w: hotelach, restauracjach, obiektach sportowych itp. gdzie zużycie CWU jest zazwyczaj dość wysokie. Szacunkowo przyjmuje się, że moc potrzebna do przygotowania CWU w budynku mieszkalnym wynosi od 100W do 300W na osobę. W przypadku budynków użyteczności publicznej wykonuje się dokładne obliczenia według obowiązujących norm. Reasumując, wymagana moc pompy ciepła wyniesie:

    Qw = Qgb * k b + Qcwu,
    Współczynnik kb=1, gdy pompa ciepła będzie pracowała w systemie monowalentnym (samodzielnie). Możliwa jest praca pompy ciepła w systemie biwalentnym, ze wspomaganiem innym źródłem ciepła.
    W takim przypadku współczynnik kb = 1 - Qbiw / Qgb,
    gdzie Qbiw - moc źródła biwalentnego.

    Znając wartość wymaganej mocy grzewczej Qw, należy dobrać pompę ciepła o mocy większej lub równej tej mocy.