Pompy ciepła Częstochowa

Pompy ciepła Częstochowa – montaż

W ciągu ostatnich lat można zaobserwować znaczący wzrost zainteresowaniem pompami ciepła na polskim rynku instalacyjnym. Dzieje się tak dlatego, że w świetle rosnących cen energii poszukuje się coraz bardziej efektywnych urządzeń, które można zastosować do celów grzewczych (instalacje centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej). W tym celu pompa ciepła przy niewielkim nakładzie energii wykorzystuje ciepło niskotemperaturowe pochodzące ze środowiska zewnętrznego, za które inwestor nie ponosi żadnych kosztów.  Ponadto, obecnie widoczny trend zmniejszania zapotrzebowania na ciepło budynków oraz obniżania parametrów pracy instalacji c.o. na niskotemperaturowe powoduje, że coraz bardziej korzystny staje się wybór pompy ciepła jako podstawowego źródła ciepła zarówno w nowobudowanych jak i istniejących budynkach.

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem, którego głównym zadaniem jest transport ciepła z tzw. dolnego źródła o niższej temperaturze do tzw. górnego źródła o temperaturze  wyższej. Zasadę działania pompy ciepła można porównać do chłodziarek i klimatyzatorów, ponieważ odbiera ona ciepło z ośrodka o niższej temperaturze i przekazuje je do innego ośrodka o wyższej temperaturze. Główną różnicą w tym przypadku jest to, że klimatyzator chłodzi pomieszczenia odprowadzając z nich ciepło na zewnątrz podczas, gdy pompa ciepła ogrzewa pomieszczenia doprowadzając do nich ciepło korzystając z tego samego obiegu termodynamicznego  (tzw. lewobieżny obieg Carnota). Innymi słowy w klimatyzatorze źródłem niskotemperaturowym jest chłodzone pomieszczenie, w pompie ciepła jest nim otoczenie na zewnątrz ogrzewanego pomieszczenia. Porównanie pracy pompy ciepła
z klimatyzatorem przedstawiono na rysunku 1.

pompy ciepła częstochowa

Rys.1. Przepływ ciepła w budynku wyposażonym: a) w klimatyzator, b) w pompę ciepła

Mechanizm działania pompy ciepła oparty jest o podstawowe prawa termodynamiki, które stanowią, że przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o temperaturze wyższej wymaga dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz. Ze względu na formę w jakiej ta energia jest dostarczana rozróżniamy dwa rodzaje pomp ciepła:

  1. Sprężarkowe pompy ciepła wykorzystujące energię mechaniczną uzyskaną w wyniku pracy sprężarki napędzanej silnikiem elektrycznym.
  2. Sorpcyjne (absorpcyjne) pompy ciepła wykorzystujące ciepło do zasilania tzw. sprężarki termicznej.

Najbardziej rozpowszechnionym na rynku instalacyjnym rozwiązaniem są sprężarkowe pompy ciepła, które dostępne są w wersji kompaktowej (wszystkie elementy w jednej obudowie) lub wersji split (z oddzielnymi modułami: wewnętrznym i zewnętrznym).

Poszczególne etapy pracy sprężarkowej pompy ciepła przedstawiono na rysunku 2.

pompy-ciepla-czestochowa2

Rys. 2. Schemat ideowy pracy pompy ciepła.

 

Można rozróżnić 4 etapy pracy sprężarkowej pompy ciepła:

  • etap 1 – ciepło z dolnego (niskotemperaturowego) źródła powoduje odparowanie przepływającego przez parownik czynnika roboczego pompy ciepła.
  • etap 2 – para czynnika roboczego jest zasysana przez sprężarkę. Następnie, w efekcie sprężania czynnika roboczego podnosi się jego ciśnienie i temperatura.
  • etap 3 – w skraplaczu następuje skroplenie pary czynnika roboczego, podczas którego ciepło oddawane jest do górnego źródła o wyższej temperaturze, które stanowi system grzewczy budynku (instalacja c.o. i c.w.u.)
  • etap 4 – schłodzony, ciekły czynnik roboczy zostaje rozprężony przez zawór rozprężny, czemu towarzyszy spadek ciśnienia i temperatury. Następnie, czynnik roboczy trafia do parownika gdzie zamyka się obieg.

Podstawowe elementy sprężarkowych pomp ciepła:

Sprężarka jest maszyną roboczą, która zasysa i spręża parę czynnika roboczego do ciśnienia, przy którym temperatura nasycenia umożliwia wykorzystanie ciepła przegrzania i skraplania w skraplaczu. Do najpowszechniej stosowanych typów sprężarek zaliczyć można: sprężarki tłokowe (sprężanie następuje w wyniku posuwisto-zwrotnego ruchu tłoka w cylindrze, zakres mocy do 200 kW), sprężarki rotacyjne (sprężanie następuje w wyniku rotacyjnego ruchu tłoka w cylindrze, zakres mocy do 10 kW), sprężarki spiralne (sprężanie następuje w wyniku toczenia się jednej spirali po powierzchni drugiej, w wyniku czego malejące objętości powodują wzrost ciśnienia, zakres mocy od 5 do 70 kW). Ponadto, w przypadku większych obiektów stosuje się sprężarki śrubowe (sprężanie następuje w przestrzeni utworzonej przez zazębiające się śruby, zakres mocy od 150 do 1600 kW) oraz sprężarki przepływowe, odśrodkowe, tzw. turbosprężarki (sprężanie następuje w wyniku działania siły odśrodkowej, przepływ pary spowodowany jest ruchem wirnika, zakres mocy od 350 kW). Pracą sprężarek sterują presostaty, które odpowiadają za stabilizację ciśnienia (w zależności od wartości ciśnienia samoczynnie załączają lub przerywają zasilanie sprężarek)

Parownik jest wymiennikiem ciepła, w którym czynnik roboczy pompy ciepła odparowuje odbierając ciepło z dolnego, niskotemperaturowego źródła. Do często spotykanych rozwiązań należą parowniki lamelowe gdy dolnym źródłem ciepła jest powietrze oraz parowniki płytowe, wężownicowe i płaszczowo-rurowe gdy dolnym źródłem jest woda lub solanka.

Skraplacz jest wymiennikiem ciepła, w którym podczas skraplania czynnik roboczy pompy ciepła oddaje ciepło do górnego źródła (obiegu wody grzejnej w instalacji c.o. lub powietrza w wentylacji). W celu ogrzewania wody stosuje się skraplacze płytowe, wężownicowe oraz w przypadku większych instalacji płaszczowo-rurowe. W przypadku ogrzewania powietrza stosuje się skraplacze lamelowe.

Urządzenia rozprężne (dławiące) ich zadaniem jest rozprężenie czynnika roboczego pompy ciepła zanim zostanie skierowany do parownika. Innymi słowy urządzenia rozprężne obniżają ciśnienie oraz regulują strumień czynnika roboczego dopływającego do parownika.
W pompach ciepła stosuje się następujące urządzenia rozprężne:

  • Termostatyczne zawory rozprężne – najczęściej stosowane, regulowane na podstawie wskazań czujnika temperatury umieszczonego na przewodzie ssawny za parownikiem.
  • Elektroniczne zawory rozprężne – regulowane na podstawie obciążenia pompy ciepła za pośrednictwem układu mikroprocesorowego
  • Rurki kapilarne – w celu regulacji ciśnienia wykorzystuje się zjawiska kapilarne. Rurki kapilarne stosowane są w pompach ciepła, klimatyzatorach i chłodziarkach małej mocy.

Filtry (odwilżacze) zatrzymują stałe zanieczyszczenia (wióry, osady, nagar olejowy), wiążą kwasy oraz absorbują wilgoć z czynnika roboczego pompy ciepła.

Czynnik roboczy nazywany również czynnikiem chłodniczym jest substancją chemiczną, która krążąc w obiegu pompy ciepła ma za zadanie przenosić ciepło z dolnego źródła (niższy poziom temperatury) do górnego źródła (wyższy poziom temperatury). Czynnik roboczy pompach ciepła stanowią głównie związki chloru i fluoru. W praktyce spotyka się jednolity system nazewnictwa czynników roboczych (chłodniczych) wg standardu ISO oparty na ich budowie chemicznej (numer identyfikacyjy poprzedza litera R od ang. słowa Refrigerant). Do najczęściej stosowanych czynnikór roboczych w pompach ciepła należą: R417a, R419a, R407c, R410a, R507a, R404a.

Na rynku instalacyjnym dostępne są również rewersyjne pompy ciepła z czterodrogowym zaworem umożliwiającym odwrócenie obiegu czynnika roboczego w okresie letnim, co daje możliwość chłodzenia pomieszczeń. W efekcie odwrócenia obiegu czynnika roboczego parownik staje się skraplaczem, a skraplacz parownikiem dzięki czemu pompa ciepła może zastępować klimatyzator.

Dolne i górne źródła ciepła

Efektywność pracy pompy ciepła jest w znaczącym stopniu uzależniona od doboru dolnego i górnego źródła ciepła. Dzięję się tak dlatego, że pompa ciepła pracuje efektywniej przy mniejszej różnicy temperatur pomiędzy parownikiem a skraplaczem, a więc pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła. Istotne jest to zarówno przy doborze górnego źródła (instalacja c.o.), jak i dolnego źródła ciepła.

Górne źródła ciepła.

Jednym z najbardziej korzystnych rozwiązań górnego źródła ciepła jest niskotemperaturowa instalacja ogrzewania podłogowego. Ogrzewanie podłogowe charakteryzują niskie parametry pracy (temperatura zasilania 20-35 st.C), które utrzymują możliwie niską różnicę temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła.

W przypadku, gdy górne źródło ciepła oparte jest na klasycznych grzejnikach
(np. płytowych) istnieje konieczność zwiększenia ich powierzchni w celu obniżenia temperatur ich pracy w porównaniu z klasyczną instalacją c.o. pracującą na wyższych parametrach.

W przypadku, gdy pompę ciepła wykorzystuje się do ogrzewania powietrza, stosuje się skraplacze powietrzne, w których skraplający się czynnik roboczy przekazuje ciepło przepływającemu przez niego powietrzu wentylacyjnemu.

Pompa ciepła wykorzystywana jest również do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Na rynku instalacyjnym dostępne są wersje z wbudowanym zasobnikiem oraz umożliwiające podłączenie zewnętrznego zasobnika c.w.u. W przypadku, gdy górne źródło stanowi ciepła woda użytkowa, istotna jest jej temperatura. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż w klasycznych instalacjach temperatura c.w.u. wynosi ok. 45-55 st. C. Jednakże, ze względu na wydajność pompy ciepła utrzymanie temperatury ciepłej wody na poziomie 45 st.C powinno wystarczyć aby móc w pełni komfortowo z niej korzystać.

Dolne źródła ciepła.

Ze względu na rodzaj dolnego źródła ciepła, pompy ciepła można podzielić na:

  1. powietrzne pompy ciepła, której dolnym źródłem ciepła jest powietrze,
  2. gruntowe pompy ciepła, których dolnym źródłem ciepła jest grunt,
  3. wodne pompy ciepła, których dolnym źródłem ciepła są wody powierzchniowe i gruntowe.

Powietrze atmosferyczne jest najłatwiej dostępnym dolnym źródłem ciepła niskotemperaturowego dla pompy ciepła.  Zaletami powietrznych pomp ciepła są niskie koszty inwestycyjne i nieograniczona dostępność powietrza atmosferycznego jako dolnego źródła. Do niekorzystnych właściwości powietrza jako dolnego źródła ciepła zaliczyć można: niskie współczynniki przejmowania ciepła (wymagana duża powierzchnia parownika) oraz małą pojemność cieplna (konieczność przetłaczania dużego strumienia masy powietrza przez parowacz oznacza dodatkowe zużycie energii elektrycznej przez wentylatory). Pomimo iż powietrze charakteryzuje się dużymi wahaniami temperatury zarówno w skali roku, jak i doby, to obecnie dostępne powietrzne pompy ciepła z funkcją odszraniania parownika umożliwiają ich pracę w zakresie temperatur zewnętrznych od -20 do 40 st.C.

Grunt jako sezonowy magazyn ciepła wykorzystywany jest jako dolne źródło ciepła gruntowych pomp ciepła. Korzyści z zastosowania gruntu jako dolnego źródła ciepła wynikają z zależności, że wraz ze wzrostem głebokości gruntu wahania temperatury maleją. Poniżej głebokości ok 5-10 m temperatura gruntu się stabilizuje. Należy zauważyć, że również wierzchnie warstwy gruntu charakteryzują się mniejszą zmiennością temperatury od powietrza atmosferycznego. Dlatego też, stosowane są poziome i pionowe gruntowe wymienniki ciepła zwane również kolektorami gruntowymi. Ich dobór uzależniony jest od dostępności powierzchni gruntu. Kolektory gruntowe poziome układane są w ziemi zazwyczaj w układzie meandrycznym bądź spiralnym. W kolektorach (sondach) pionowych wykorzystywane są u-rurki. Ciepło zmagazynowane w gruncie przenoszone jest z kolektora geruntowego do parownika za pomocą tzw. solanki, którą zazwyczaj stanowi wodny roztwór glikolu. W przypadku pomp ciepła z bezpośrednim odparowaniem kolektor gruntowy stanowi parownik przez który przepływa czynnik roboczy.  Do istotnych wad gruntowych pomp ciepła zaliczyć można wysokie koszty inwestycyjne, głównie na roboty ziemne.

Woda jako jako dolne źródło ciepła pompy ciepła może być wykorzystwana z ujęć gruntowych oraz powierzchniowych (stawy, jeziora w przypadku pomp ciepła średniej i dużej mocy).  Woda charakteryzuje się korzystnymi właściwościami takimi jak: małe wahania temperatur w ciągu roku, duża pojemność cieplna i wysokie współczynniki przejmowania ciepła, które umożliwiają zwartą kostrukcję wymienników ciepła. Do istotnych wad wody jako dolnego źródła ciepła zaliczyć należy wysokie koszty inwestycyjne (ujęcie wody)
i eksploatacyjne (jakość wody) oraz ograniczoną dostępność zależną od lokalizacji.

Zarówno powietrze atmosferyczne, grunt i woda zaliczane są do tzw. odnawialnych źródeł. Jako odnawialne, dolne źródło ciepła w pompach ciepła wykorzystywana może również być energia promieniowania słonecznego. Pompa ciepła pracuje wtedy w układzie z kolektorami słonecznymi, przez które podobnie jak w przypadku kolektorów gruntowych, przepływa wodny roztwór glikolu tramsportując ciepło do parownika. Uzupełnienie stanowią tzw. odpadowe źródła ciepła niskotemperaturowego takie jak: powietrze i gazy odlotowe, ścieki oraz woda chłodząca w ściekach przemysłowych.

Z uwagi na dolne i górne źródło ciepła pompy ciepła można podzielić następująco: typu powietrze/powietrze, powietrze/woda, solanka/woda, grunt/woda, woda/woda itd.

Efektywność sprężarkowych pomp ciepła

Efektywność pracy sprężarkowych pomp ciepła określa współczynnik wydajności cieplnej COP (ang. Coefficient Of Performance). Jest to stosunek mocy cieplnej uzyskanej w skraplaczu (górnym źródle) do mocy elektrycznej pompy ciepła (sprężarki i urządzeń pomocniczych takich jak pompy obiegowe dolnego i górnego źródła, wentylatory itd.).  Oznacza to, że współczynnik wydajności cieplnej COP pompy ciepła jest tym wyższy im więcej ciepła użytkowego zostanie przekazane do systemu grzewczego i mniej energii elektrycznej zużyte do jej napędu. W praktyce COP pompy ciepła wyznaczane jest w laboratorium w ściśle określonych temperaturach dolnego i górnego źródła ciepła.  Producenci obok COP podają te warunki korzystając z oznaczeń międzynarodowych wg obowiązujących norm.

Przykładowe oznaczenia warunków pracy dla jakich zostało określone COP:

A2/W35 – pierwsza litera oznacza rodzaj dolnego źródła ciepła (w tym przypadku A oznacza powietrze z ang. słowa Air), występująca po niej liczba to temperatura dolnego źródła (w tym przypadku 2 st.C), druga litera oznacza rodzaj górnego źródła ciepła (w tym przypadku W oznacza wodę z ang. słowa Water) oraz ostatnia liczba to temperatura górnego źródła ciepła (w tym przypadku 35 st.C).

W ozaczeniach powszechnie dostępnych pomp ciepła mogą wystąpić również litery B i E, które oznaczają odpowiednio solankę (ang. Brine) oraz bezpośrednie odparowanie w gruncie (ang. Earth).

Producenci podają często COP dla różnych warunków pracy pomp ciepła, ewentualnie dla różnych parametrów pracy górnego źródła (W35, W45, W55).

Należy zwrócić szczególną uwagę, że im mniejsza jest różnica pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła, tym większe jest COP pompy ciepła i vice versa. Dlatego też niezwykle istotne jest interpretowanie oznaczeń w jakich warunkach COP było wyznaczane.

W przypadku rewersyjnych pomp ciepła dodatkowo podawany jest współczynnik wydajności chłodniczej, który jest stosunkiem mocy chłodniczej uzyskanej w parowniku do mocy napędowej sprężarki.