Zasada działania

Zasada działania

Działanie pompy ciepła można wyobrazić sobie na zasadzie domowej lodówki, która pobiera z produktów żywnościowych ciepło, by następnie oddać je na zewnątrz, poprzez radiator do pomieszczenia. Na podobnej zasadzie działa pompa ciepła, ponieważ przemiany termodynamiczne i podstawowe elementy konstrukcyjne w obu urządzeniach są identyczne. Jedyna różnica między nimi to efekt ich pracy, a więc zastosowanie. W lodówkach pożądany jest chłód, zaś ciepło jest odpadem, natomiast w pompach ciepła jest odwrotnie - to uzyskiwane ciepło jest podstawowym produktem działania urządzenia. Chłodzenie tzw. dolnego źródła ciepła jest efektem ubocznym.

Idea działania pompy ciepła

Idea działania pompy ciepła

Układ technologiczny jest dość prosty - kluczowy jest tutaj transport ciepła z dolnego do górnego źródła (ciepło jest jakby sztucznie "pompowane" w górę, stąd nazwa urządzenia). Dolne źródło ciepła ma zazwyczaj niższa temperaturę, niż górne, stąd transport ciepła wymaga dostarczenia pewnej energii, gdyż odbywa się wbrew naturalnej tendencji do przepływania ciepła od temperatury wyższej do niższej. Pierwszym elementem układu jest parownik - płytowy wymiennik, w którym ciepło z natury (grunt, woda, powietrze) odbierane jest do układu z czynnikiem roboczym o niskiej temperaturze wrzenia. Pod wpływem temperatury czynnik wrze i odparowuje. Następnie sprężarka dodatkowo podwyższa jego ciśnienie, a co za tym idzie - także temperaturę. To właśnie tutaj konieczna jest energia elektryczna - na szczęście w całym układzie uzyskuje się kilkakrotnie więcej ciepła, niż wydatkujemy w postaci prądu. Pompa ciepła ze współczynnikiem COP 4,5 pobiera cztery i pół razy mniej prądu niż grzała elektryczna.

Sprężony czynnik oddaje ciepło do układu na kolejnym wymienniku ciepła, zwanym skraplaczem. Jednocześnie przechodzi w stan ciekły i kierowany jest poprzez zawór dławiący z powrotem do parownika. Cały cykl grzania zaczyna się na nowo.

Jak już wspomniano, dolnym źródłem ciepła może być grunt, woda, lub powietrze. Z zależności od typu dolnego źródła ciepła wyróżnia się kilka typów pomp ciepła. Najważniejsze z nich to typ glikol-woda oraz typ powietrze-woda.

Pompy ciepła BUDERUS

Pompy ciepła typu glikol-woda (gruntowe) pozyskują energię z gruntu, poprzez instalację odpowiedniego wymiennika. Może to być wężownica rozłożona poziomo w gruncie (wymagana dość duża powierzchnia), lub pionowe sondy (konieczne odwierty). Kluczowy jest dobór dolnego wymiennika ciepła - długość wymiennika lub głębokość odwiertów, gdyż bez tego cały układ nie będzie dobrze pracował. Dużą zaletą jest wysoka sprawność pompy ciepła oraz stabilność pracy - temperatura gruntu utrzymuje się bowiem na prawie stałym poziomie, niezależnie od pór roku.

Kolektor poziomy to przewody zakopane poniżej strefy przemarzania gruntu, co dla Częstochowy i okolic wynosi poniżej 1,2 m. Temperatura gruntu na tej głębokości jest w dużej mierze niezmienna w ciągu roku. Kolektor poziomy to z reguły kilka pętli o długości rur ok. 100 m umiejscowionych poniżej wspomnianej strefy przemarzania gruntu. Podział rury kolektora przykładowej długości 500 m na pięć równoległych pętli długości 100 m ma na celu zmniejszenie oporów przepływu, aby pompa obiegowa wymuszająca przepływ glikolu nie musiała osiągać dużych mocy, zmniejszając tym samym sprawność całego systemy ogrzewania. Warto wiedzieć, że gliniasty i wilgotny grunt oddaje 2-3 krotnie więcej ciepła niż suchy i piaszczysty. Uśredniając, do ogrzewania dobrze ocieplonego domu wykonanego w technologii współczesnej (zapotrzebowanie ciepła 50-60 W/m2), kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 3 do 5 razy większą niż powierzchnia domu, z czego sam wykop musi być o ok. 20% większy od układanego kolektora. Pomiędzy poszczególnymi rurami należy utrzymać odległości od 0,4 m do 1,2 m, a zależą one od rodzaju gruntu i jego zdolności do uzupełniania ciepła. 

                                 Kolektor poziomy pompy ciepła

Kolektor poziomy dla gruntowej pompy ciepła

Rury kolektora wypełniane są roztworem wodnym glikolu, a dawniej stosowano roztwór wodny soli, czyli solankę. Ta nazwa nadal jest używana, jednak odnosi się zwykle zarówno do kolektorów wypełnionych roztworem wodny soli jak i współczesnym glikolem. Dociekliwi mogą stwierdzić, że warto zakopać wymiennik jeszcze głębiej niż strefa przemarzania gruntu, aby mieć pewność stałej temperatury gruntu, jednak ciepło odbierane przez glikol pochodzi również z promieni słonecznych, a te bardzo słabo docierają do gruntu poniżej 1,8 m. Nie należy utrudniać penetracji energii słonecznej poprzez np. zabetonowanie powierzchni gruntu nad kolektorem, ponieważ część energii słonecznej przenika do gruntu przy pomocy wody deszczowej. Pokrewną wersją kolektora poziomego jest kolektor spiralny – jego mniejsze wymiary pozwalają zainstalować go na nieco mniejszej przestrzeni, ale największą zaletą jest mniejsza ilość wykopów. Wykopanie kilku rowów o szerokości 1 m i długości do 20 m jest tańsze niż prace ziemne przy kolektorze płaskim o powierzchni 400-600 m2.

Sondy pionowe to najskuteczniejsze rozwiązanie w przypadku ograniczonej ilości miejsca. W celu umieszczenia sondy w gruncie, wymagane są odwierty dla rur o średnicach DN32 lub DN40 i głębokościach 30-150 m. Sonda pionowa to inaczej rury zgięte w kształcie litery U, w których krąży glikol. Głębokość poszczególnych odwiertów nie jest tak istotna jak ilość metrów wszystkich odwiertów. Z 1 m odwiertu można uzyskać 30-70 W energii cieplnej (w zależności od gruntu), co oznacza że dla domu o powierzchni 150 m2 wymagane jest ok. 110-130 m odwiertów, więc np. 4 odwierty po 30 m każdy. Minimalna odległość między nimi to min. 6 m.

                                Sondy pionowe pompy ciepła

Sonda pionowa dla gruntowej pompy ciepła

Ważnym zagadnieniem są pozwolenia niezbędne do wykonania sond pionowych. Do 30 m, zgodnie z Prawem geologicznym i górniczym, nie jest wymagany projekt geologiczny, natomiast powyżej 30 m roboty takie uznawane są jako roboty geologiczne i wymagają projektu robót geologicznych.

Gruntowe pompy ciepła zapewniają stały dostęp do taniej energii cieplnej w ciągu całego roku, mogą pracować cały czas i nie są podatne na wahania temperatury zewnętrznej. W związku z tym ich sprawność i współczynnik COP będzie stały we wszystkich porach roku.

Pompy ciepła typu powietrze-woda są tańsze w zakupie, gdyż nie wymagają żadnych inwestycji w dolne źródło ciepła. Możemy zapomnieć o odwiertach i wykopach. Pompy powietrzne energię czerpią bezpośrednio z powietrza zewnętrznego budynku. Sprawność takich pomp ciepła może być na podobnym, a nawet wyższym poziomie, co pomp ciepła poprzedniego typu, ale zależy ona od temperatury powietrza, która oczywiście podlega zmianom związanym z pogodą i porą roku. By uniknąć niedostatku ciepła w najchłodniejsze dni, pompa powietrze-woda wyposażona musi być w grzałkę elektryczną wspomagająca w ekstremalnych sytuacjach. Innym rozwiązaniem jest włączenie do układu c.o. rezerwowego źródła ciepła, np. kotła na gaz, kominka z płaszczem wodnym, kotła na drewno lub pellet itp. Takie rozwiązanie pozwoli na pełen komfort obsługi, przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów eksploatacji.

                                Powietrzna pompa ciepła

 Powietrzna pompa ciepła (brak ingerencji w grunt)

Pompy ciepła powietrze-woda dzielą się konstrukcyjnie na dwie grupy: typu Split, gdzie układ jest rozdzielony na jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną; oraz typu Monoblok, gdzie całe urządzenie mieści się w jednej jednostce zewnętrznej. Pompy Split są nieco tańsze, z kolei Monobloki osiągają z reguły nieco lepsze parametry pracy.

Pompa powietrzna typu Split wyróżniają się tanim montażem i szybkim zwrotem inwestycji. Cała pompa ciepła składa się z dwóch części: zewnętrznej i wewnętrznej. W części zewnętrznej przebiega większość procesów termodynamicznych, takich jak: parowanie czynnika roboczego, sprężanie i rozprężanie. W tym urządzeniu znajduje się wentylator, parownik, sprężarka, zawór rozprężny i zawór czterodrogowy. W skład części wewnętrznej wchodzi skraplacz, zawór trójdrogowy, dodatkowa grzałka elektryczna oraz zasobnik do ciepłej wody użytkowej. Obie części połączone są szczelnie rurociągami, w których w obiegu zamkniętym krąży płyn chłodniczy tworząc obieg dolnego źródła ciepła. Pompy ciepła typu Split są najczęściej wyposażone w układ inwertera, który jest odpowiedzialny za modulację mocy sprężarki w jednostce zewnętrznej. Jest to technologia zapożyczona z rozwiązań klimatyzacyjnych i ma za zadanie tak modulować aktualną moc chłodniczą sprężarki, aby dopasować moc grzewczą pompy ciepłą do aktualnego zapotrzebowania na ciepło budynku. Są to obecnie najbardziej popularne pompy ciepła w Polsce.

Pompa powietrzna typu Monoblok wyróżnia się wysoką sprawnością i kompaktowym rozmiarom. Podobnie jak pompa Split, pompa Monoblok składa się z dwóch części, jednak to część zewnętrzna posiada w sobie wentylator, sprężarkę, skraplacz, zawór rozprężny i parownik, a część wewnętrzna grzałkę elektryczną i zasobnik ciepłej wody użytkowej. Jest to urządzenie wykonane szczelnie, całkowicie hermetycznie, jednak modulacja zachodzi jedynie w przypadku, gdy urządzenie jest wyposażone w co najmniej dwa stopnie mocy (dwie sprężarki). Wówczas sterowanie mocy grzewczej odbywa się poprzez załączanie kolejnych sprężarek w urządzeniu. Dopasowanie do aktualnego zapotrzebowania na ciepło budynku realizowane jest poprzez skrócenie czasu pracy sprężarki, co oznacza wymierne korzyści w postaci dłuższej żywotności pompy ciepła. Pompy typu Monoblok potrafią osiągnąć znacznie wyższe moce, przez co nadają się z powodzeniem również do ogrzewania budynków większych od domów jednorodzinnych.

 

Opłacalność zastosowania pompy ciepła jako głównego źródła ciepła w domu opisaliśmy w naszym artykule.

Zapraszamy również do naszej galerii zrealizowanych instalacji.

Aktualne ceny montażu pomp ciepła.

Współpracując z renomowanymi producentami pomp ciepła, profesjonalnie doradzimy i dopasujemy potrzebne urządzenia do Państwa potrzeb.