Niniejsze opracowanie stanowi jedynie wstęp do tematu o pompie ciepła. Informacje będą sukcesywnie uzupełniane w kolejnych artykułach.
Pompa ciepła to narzędzie, za pomocą którego sprężana jest energia wiatru, wody, bądź gruntu,
a w efekcie końcowym przekazywana jest do instalacji grzewczej w budynku (instalacja niskoparametrowa na przykład 55/45 st. C). Pompa ciepła pracuje w sposób przyjazny środowisku, dając tym samym energię na ogrzanie budynku, która jest odnawialna, wykorzystuje bowiem naturalne zasoby i siłę żywiołów. Polityka paliwowa Unii Europejskiej zmierza ku zastąpieniu tradycyjnych źródeł energetycznych, takich jak na przykład węgiel kamienny innymi, bardziej ekologicznymi paliwami. Stosując pompę ciepła skłaniamy się ku tej idei. "Oczywiście można pompie ciepła "zarzucić", że wymaga zasilania energią elektryczną, która w polskich warunkach powstaje, przede wszystkim, ze spalania węgla. Jednakże tu należy podkreślić, że dla uzyskania 1 kW ciepła
z pompy potrzeba spalić znacznie mniej węgla niż dla 1 kW z kotła/pieca elektrycznego lub – mniej niż spala się wprost w kotle węglowym. Poza tym, pozyskanie energii elektrycznej w skali elektrowni węglowej to nie tylko spalanie wspomnianego paliwa ale również np. instalacje odsiarczania
i odpylania spalin, a więc większe możliwości zadbania o środowisko naturalne."
Pompy ciepła dzieli się ogólnie w zależności od ich konstrukcji oraz zasady pracy na:
Pompa ciepła pozwala pobrać ciepło z otoczenia, a następnie wykorzystać go na wyższym poziomie temperatury do ogrzewania. Uzyskane ciepło jest wielokrotnością równoważnika cieplnego włożonej pracy. Przykładowo przy napędzanych elektrycznie pompach ciepła uzyskuje się na każdy kW mocy silnika ciepło w ilości 3 lub 4 kW, podczas gdy przy bezpośrednim ogrzewaniu oporowym najwięcej 1 kW ciepła.
Jak to się dzieje? (Budowa i zasada działania sprężarkowej pompy ciepła)
Jak sama nazwa wskazuje, pompa ciepła, ma grzać, ale jej działanie jest analogiczne do działania lodówki, tyle że w odwrotną stronę. Produktem końcowym jest zatem ciepło, a nie chłód.
Rysunek nr 1.
Schemat działania sprężarkowej pompy ciepła (Źródło [4])
Przebieg teoretycznego procesu zachodzącego w pompie ciepła (oznaczenia na rysunku):
1-2 – sprężanie (izotropia),
2-3 – oddawanie ciepła w skraplaczu (izobara),
3-4 – rozprężanie (izoentalpia),
4-1 – odbiór ciepła w parowniku (izobara i izoterma),
Rysunek nr 2.
Obieg termodynamiczny pompy ciepła powietrze/woda na wykresie "lg p-h" (przedstawienie uproszczone dla temperatury powietrza zewnętrznego -15°C (na wlocie powietrza) i temperatury zasilania 45°C) ((Źródło [3])
Ciepło pobierane jest ze źródła za pomocą niskowrzącego, a zatem znajdującego się pod niewysokim ciśnieniem płynu krążącego w wężownicach, sondach gruntowych lub kolektorach. Ciepło ze źródła (na przykład gruntu, jako dolnego źródła ciepła) przepływa przez parownik pompy ciepła
(w przypadku wody gruntowej musi być stosowany wymiennik pośredni!); przepływ wspomagany jest pompą obiegową (dobraną specjalnie dla roztworu glikolu!). Parownik odparowując czynnik, pobiera pewną ilość ciepła. W sprężarce następuje podwyższenie temperatury czynnika, czemu towarzyszy wzrost ciśnienia. Kolejno para tego czynnika zostaje skondensowana (skroplona)
w skraplaczu. Uzyskane ciepło zostaje przekazane wodzie obiegu grzewczego w instalacji (analogicznie, jak w parowniku; parownik pobierał ciepło, a skraplacz oddaje). "Energia przekazana wodzie grzewczej stanowi sumę ciepła pobranego w parowniku oraz energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę (pomniejszonych o pewne straty, których żaden układ nie może uniknąć)." Kolejno, czynnik grzewczy przepływając przez zawór rozprężny zyskuje wyjściowe parametry termodynamiczne, czyli niskie ciśnienie i niską temperaturę by ulec ponownemu odparowaniu.
Źródłem ciepła może być:
- grunt,
- powietrze atmosferyczne,
- woda powierzchniowa,
- woda gruntowa;
z czego wszystkie za wyjątkiem powietrza nazywane są dolnymi źródłami ciepła.
Jeśli chodzi o wodę powierzchniową (na przykład woda pobierana z rzeki), jej spadek temperatury wynosi: 4-5 Kelvinów, a jednostkowa ilość uzyskiwanego ciepła to: 4500-5900 [W/m2]. Natomiast temperatura wody gruntowej zależy od głębokości zalegania (wybudowanych studni). Spadek temperatury w studniach płytowych wynosi 5-12 Kelvinów. Zaleca się, by odległość między studniami czerpalną i zrzutową przyjmowana była z zakresu: 30-50 [m]. Jednostkowa ilość uzyskiwanego ciepła z 1m3 wody gruntowej jest porównywalna do wody powierzchniowej. Natomiast jednostkową moc pobieraną z gruntu szacuje się na 15-40 [W/m2]. Wymiennik gruntowy najlepiej byłoby umieścić na głębokości 10 [m], gdzie temperatura jest stała, jednakże realia ekonomiczne sprowadzają tę wartość do 30 [cm] poniżej poziomu przemarzania gruntu. Zwykle wymiennik gruntowy umieszcza się na głębokości 1-2 [m].
Rysunek nr 3
Wykonanie dolnego źródła- kolektora gruntowego (Źródło [2])
Rysunek nr 4
Przekrój pompy ciepła Vitocal 300 (Źródło [2])
Autor:
Sylwia Zwierzchowska
Studentka V roku Politechniki Świętokrzyskiej na Wydziale Budownictwa I Inżynierii Środowiska
Bibliografia:
[1] Recknagel, Sprenger, Honmann, Schramek "Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja", Gdańsk 1994
[2] "Pompy ciepła. Poradnik projektanta", Akademia Viessmann w Polsce, Wydanie I, marzec 2006
[3] "Seria fachowa. Pompy ciepła", Viessmann
[4] www.viessmann.de/waermepumpen
