Pompa ciepła

Jak działa pompa ciepła:
   Pobiera ona powietrze, następnie podgrzewa je przechodząc przez ośrodek o wyższej temperaturze. Urządzenie to może też schładzać powietrze latem. Działa ona dzięki doprowadzanej energii napędowej, najpopularniejsza jest sprężarkowa pompa ciepła, zasilana energią elektryczną. Podgrzanie płynu pośredniczącego w wymianie ciepła następuje w wyniku przemian termodynamicznych, realizowanych według obiegu Lindego. Na tej samej zasadzie działa klimatyzator czy lodówka. Pompa nie wytwarza ciepła, lecz przekazuje je z tzw. dolnego źródła, czyli otoczenia, do źródła górnego, czyli pomieszczeń ogrzewanych lub zbiornika z wodą użytkową. Wykorzystuje ona ciepło energii słonecznej zgromadzonej w gruncie, wodzie lub powietrzu.

 Efektywność:
   Sprawność pompy określa tzw. współczynnik efektywności ( czy też współczynnik wydajności grzejnej - COP), czyli stosunek ilości uzyskanego ciepła do ilości energii potrzebnej do jej napędu. Zależy on nie tylko od konstrukcji pompy, ale także od temperatury źródła, z którego pobierane jest ciepło. W naszym klimacie pompy gruntowe i wodne posiadają COP od 3 do 5, natomiast mniejszy współczynnik efektywności wykazują pompy powietrzne. Jeśli pompa ma współczynnik efektywności 3, znaczy to, że z 1-nej kWh energii (np. elektrycznej) uzyskamy 3kWh ciepła. Zgodnie z Rozporządzeniem ministra gospodarki w sprawie wymagań w zakresie efektywności energetycznej współczynnik COP dla sprężarkowych pomp ciepła nie może być mniejsza niż 2,4kWh ciepła. Pompa ciepła pracuje najefektywniej, gdy zastosujemy wraz z nią ogrzewanie podłogowe.

Pompy ciepła dzielimy ze względu na dolne źródło, którym może być:
- powietrze, taką pompę najłatwiej zainstalować, lecz nie jest ona ekonomiczna zimą, gdy temperatura powietrza jest bardzo niska, tylko bardzo drogie urządzenia tego typu mają współczynnik równy 3, tańsze średnio 1,7.

- woda:
        * wody gruntowe, potrzebne są w tym przypadku dwie studnie głębinowe: czerpiąca wodę i zrzutowa;
        * duży zbiornik wodny, jest to najbardziej efektywne źródło pod względem ciepła, na dnie stawu zimą woda ma temperaturę około 10^o C;
Niestety koszt konserwacji przy tym rozwiązaniu jest wysoki, więc zaleca się je raczej do dużych obiektów, z dużym zapotrzebowaniem na ciepło. W przypadku studni zrzutowych wadą jest także, iż jej chłonność cieplna z czasem często maleje, zmniejszając wydajność wodnej pompy ciepła.

W przypadku pompy wodnej, czeka nas najwięcej kontaktów z urzędami. Według prawa wodnego, właściciel gruntu może bez pozwolenia wodnoprawnego korzystać z wód znajdujących się na jego posesji, jeśli pobór wody nie przekracza 5 m³/dobę, a wydajność czerpiących ją pomp nie jest większa niż 0,5m³/h. Pompa ciepła na ogół potrzebuje jej więcej. Dodatkowo woda po przepłynięciu przez wymiennik pompy jest uznawana za ściek, a na zrzut ścieków w takiej ilości także jest potrzebne pozwolenie wodnoprawne - podobnie jak na korzystanie z wody do celów energetycznych, mieszanie wód z różnych warstw wodonośnych oraz wywiercenie studni o głębokości ponad 30 m. Pozwolenie jest wydawane na czas określony przez władze samorządowe. Do wniosku o pozwolenie trzeba dołączyć dokumentację techniczną w formie operatu wodno-prawnego, którego zawartość określa prawo wodne.

 - grunt, tzw. gruntowy wymiennik ciepła ( GWC ), to rozwiązanie jest najczęściej stosowane, ze względu na dużą efektywność cieplną i małą kłopotliwość. Dzielimy je na:
    a) rurowy GWC (obecnie najbardziej popularny) musi być posadowiony głęboko w terenie (min. 1,5m wgłąb),przy tym rozwiązaniu rozróżniamy dwa rodzaje pomp gruntowych:
   * pozioma, na głębokości 1,5m temperatura gruntu wynosi 5-8^o C, nie jest jednak w stanie zagwarantować stabilnego dostarczania ciepła przez cały sezon grzewczy, średni współczynnik efektywności 3
   * pionowa, bardziej efektywna od pompy poziomej, stabilna przez cały sezon grzewczy, lecz co najmniej o połowę droższa. Pionowe rury umieszczane są w odwiertach o głębokości od kilkudziesięciu do ponad 100m, średni współczynnik efektywności 4,5.
 

 Rury są wykonane z tworzywa sztucznego, mają zwykle długość 40-60 metrów oraz średnicę 200 mm (domy do ok. 150-170m2) lub 250mm (domy ok. 170-250m2), w większych domach średnica musi być obliczona przez fachowca. Średnica powinna być równa lub większa średnicy króćca montażowego centrali wentylacyjnej.
Istnieje wiele wariantów wymiennika rurowego:
- prosty(rys.1): z jedną rurą, stosowany przy dużej działce (umożliwiająca ułożenie ok. 30-40 m rury w linii prostej), zaletą jest tu niski koszt, niskie opory własne wymiennika, łatwość czyszczenia;
- wielorurowa -Tichelmanna (rys.2): rura wychodząca z budynku rozdziela się na kilka równolegle biegnących przewodów, które zbiegają się ponownie łącząc się ze sobą tuż przed czerpnią ziemną. Rury równoległe powinny znajdować się w odległości minimum 1m, by zbytnio nie wychłodzić gruntu i przez to nie zmniejszyć wydajności wymiennika.
- łamany(rys.3, rys.4): kształcie litery "U" lub "S", działka może być mniejsza niż w pierwszym przypadku,  koszty są jednak trochę wyższe niż przy wersji prostej (dodatkowy koszt kolan) oraz nieco wyższe opory własne wymiennika.
Zalecane jest stosowanie kolan 33 lub 45^o, których opory są wielokrotnie mniejsze niż kolan 90-stopniowych.

   GWC antybakteryjny jest rodzajem wymiennika rurowego, posiadającego dodatkowo właściwości bakterio- i grzybobójcze.

   b) żwirowy GWC, jest jedną ze starszych odmian gruntowego wymiennika ciepła. Zamiast schodzić w głąb ziemi, gdzie jest odpowiednia izolacyjność cieplna, wykop posadowioy jest płytko, wypełniony żwirem i przykryty izolacją cieplną. Żwir ochładza i osusza przepływające powietrze latem oraz podgrzewa i nawilża zimą, jest ono także filtrowane z pyłków roślin, zanieczyszczeń biologicznych, grzybów, alergenów i bakterii. Posiada pewne wady:
- oddzielony od gleby jedynie geowłókniną, istnieje niebezpieczeństwo dostania się do wnętrza GWC wody, a nawet gryzoni czy owadów;
- nie może pracować przez cały czas: co dobę potrzebuje 12-godzinnej "odnowy" temperatury złoża żwirowego;
- jeśli złoże żwirowe nie zostanie bardzo dokładnie wypłukane przed ułożeniem, lub w trakcie eksploatacji zostanie zalane wodą (gruntową lub opadową), GWC żwirowy może być źródłem zapachu stęchlizny;
- tzreba chronić przd zgnieceniem, jesli to nastąpi złoże nie jest odpowiednio chronione termicznie oraz istnieje ryzyko zawilgocenia;
- złoże żwirowe generuje bardzo wysokie opory przepływu powietrza, stąd w większości przypadków GWC żwirowy powinien być wyposażony w wentylator wspomagający, czasem o mocy nawet kilkuset watów;
- zastosowanie lokalnie występujących kruszyw zwiększa zagrożenie radonem, który może być wprowadzanego wraz z powietrzem ze złoża żwirowego do wnętrza budynku;
Średni współczynnik efektywności 3,5. Koszty eksploatacji GWC to koszty przesyłu powietrza przez złoże żwirowe (a nie jego grzanie lub chłodzenie) oraz koszty energii jaką zużywa wentylator wspomagający (najlepiej zasilany z centrali).
Z powodu licznych problemów w użytkowaniu, obecnie wypierany przez odmianę rurową.
   c) płytowy czy też bezprzeponowy GWC, łączy niektóre właściwości wymiennika rurowego i żwirowego. Na równym złożu żwirowym, warstwy płyt z tworzywa ustawia się na stopkach, powietrze natomiast przepływa nie pomiędzy kamieniami złoża (jak ma to miejsce w przypadku GWC żwirowego), ale nad nimi, w przestrzeni pomiędzy złożem a pokrywającymi go płytami.
- gwarantuje bardzo długą pracę bez konieczności regeneracji, wykorzystuje bardzo mocno możliwości otaczającego go gruntu;
- musi zostać wykonany bardzo starannie przez fachowców;
- nie jest rozwiązaniem szczelnym, w związku z tym nie powinien być stosowany w miejscu, gdzie istnieje ryzyko podniesienia się poziomu wód gruntowych lub zalania wodami opadowymi;
- czyszczenie GWC tego typu, podobnie jak w przypadku GWC żwirowego polega na wykopaniu wymiennika, wypłukaniu i ułożeniu go ponownie;
Rozwiązanie to zastrzeżone jest w urzędzie patentowym i nie może być stosowane bez wiedzy i zgody właściciela patentu.

Gruntowym wymiennik ciepła jest najbardziej efektywny przy największej różnicy temperatur powietrza i gruntu, czyli podczas mrozów i upałów, wiosną i latem, natomiast wiosna i jesienią przy pobieraniu powietrza korzysta się zazwyczaj z czerpni ściennej.

Koszty:

Koszt zużywanej przez pompę energii jest porównywalny do wydatków na drewno czy węgiel, więc przy dzisiejszych kosztach energii pompa nie jest opłacalna. Taka inwestycja podnosi jedak cenę nieruchomości w wypadku sprzedaży.
Przykłady obliczeń kosztów za energię w przypadku różnych COP:
Dane:
dom energooszczędny o pow.130 m2
zużycie energii 60kWh/(m2rok)
roczne zapotrzebowanie na ciepło to 7800kWh (130m2 x60kWh/(m2rok) )
- COP =1,7 przeciętna wydajność pompy powietrznej:
roczne zużycie energii elektrycznej wyniesie 7588kWh (7800:1,7)
przy cenie 0,41 zł/kWh zapłacimy 1880 zł/rok;
- COP = 3 przeciętna wydajność poziomego gruntowego wymiennika ciepła:
roczne zużycie energii elektrycznej wyniesie 2600kWh (7800:3)
przy cenie 0,41 zł/kWh zapłacimy 1066zł/rok;
- COP = 4,5 przeciętna wydajność pionowego gruntowego wymiennika ciepła:
roczne zużycie energii elektrycznej wyniesie 1733kWh (7800:4,5)
przy cenie 0,41 zł/kWh zapłacimy 710zł/rok;

Ekologia:
W Polsce pompa ciepła nie jest w pełni ekologicznym rozwiązaniem.
Z ekologicznego punktu widzenia ma zalety:
- sama pompa nie emituje do środowiska zanieczyszczeń;
- nie degraduje środowiska, z którego czerpie ciepło;
Nie jest w pełni ekologiczna, bo:
- napędem pompy jest energia elektryczna, a ta w Polsce jest wytwarzana w wyniku spalania węgla, co powoduje duże zanieczyszczenie atmosfery. Sprawność systemu wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej w elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych jest mniejsza niż 40%. Jest tylko mniejszym złem niż piec czy grzejnik elektryczny, bo zużywa od nich kilkakrotnie mniej energii. Dopóki w naszym kraju nie powstaną ekologiczne elektrownie pompa ciepła nie będzie w pełni ekologiczna.

Copyright © autor: Jadwiga Górnicz www.dolinka.eu