POMPY CIEPŁA

Kolejnośd prezentowanych treści:

• Energia geotermalna
• Definicja pompy ciepła

– Zastosowanie
– Budowa
– Zasada działania
– Podział

• Sprawnośd pompy ciepła – Ekonomia
• Pompy ciepła a Ochrona Środowiska

Energia geotermalna

Energia geotermalna jest jednym z rodzajów odnawialnych źródeł energii. Polega

na wykorzystaniu wewnętrznego ciepła Ziemi nagromadzonego w skałach oraz w
wodach wypełniających pory i szczeliny skalne. Woda opadowa wnika w głąb ziemi, gdzie
w kontakcie z młodymi intruzjami lub aktywnymi ogniskami magmy, podgrzewa się do
znacznych temperatur. W wyniku tego wędruje do powierzchni ziemi jako gorąca woda
lub para wodna. Woda geotermiczna wykorzystywana

      jest bezpośrednio (doprowadzana systemem rur),
      bądź pośrednio (oddając ciepło chłodnej wodzie
      i pozostając w obiegu zamkniętym).

Im dalej w głąb Ziemi, tym temperatura jest
wyższa. Począwszy od skorupy ziemskiej z każdym
kilometrem w głąb temperatura wzrasta o około
30 stopni C.

Definicja pompy ciepła

Pompa ciepła jest jedynym znanym urządzeniem umożliwiającym
wykorzystanie energii cieplnej źródeł o niskich temperaturach,
pochodzącej z takich źródeł jak powietrze, woda czy gleba, a także
ciepła opadowego, powstającego w procesach produkcyjnych czy też
podczas klimatyzowania pomieszczeo. Jej podstawowa rola polega na
pobieraniu ciepła ze źródła o niższej temperaturze ( dolnego) i
przekazywaniu go do źródła o temperaturze wyższej (górnego). Proces
ten wymaga doprowadzenia energii z zewnątrz.

Zastosowanie

1. Urządzenia ogrzewcze lub klimatyzacyjne domów

jednorodzinnych i niewielkich pomieszczeń

2. Gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki)
3. Małe urządzenia do przygotowywania ciepłej wody

użytkowej

4. Większe urządzenia używane do całorocznej klimatyzacji lub

ogrzewania większych pomieszczeń i podgrzewania wody w
basenach kąpielowych

5. Duże urządzenia znajdujące zastosowanie w klimatyzacji

biurowców, domów towarowych , w systemach ziębno –
grzejnych mleczarni, zakładów mięsnych, browarów, a także
jako urządzenia wykorzystujące ciepło odpadowe w
pralniach, suszarniach i przemysłowych procesach
technologicznych

Budowa

Typowa pompa ciepła składa się ze sprężarki, zaworu rozprężnego, grzałki elektrycznej, wanny
kondensatu, zasobnika z wężownicą, pompy źródła i obiegów C.O. oraz innej armatury
serwisowej i zabezpieczającej. Obudowa pompy jest wykonana z blachy lakierowanej. W jej
górnej części, z reguły, znajduje się
panel elektroniczny sterujący
i kontrolujący pracę pompy ciepła
oraz innych urządzeo pomocniczych.
Całośd jest zamknięta w
wygłuszającej i usztywniającej
konstrukcji.

Budowa pomp ciepła zróżnicowana jest w zależności od technologii danego producenta oraz od
zastosowanego źródła ciepła, jednak częśd składowych elementów pozostaje niezmienna.

Zasada działania

Działanie pompy ciepła opiera się na obiegu termodynamicznym, w którym zachodzą w sposób ciągły cztery procesy. W
parowniku, czynnik roboczy ulega procesowi odparowania (proces odbioru ciepła z otoczenia). Następnie w
kompresorze następuje proces sprężania par czynnika roboczego, a za kompresorem czynnik roboczy posiadający
wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, ulega procesowi skraplania w skraplaczu (proces oddawania ciepła do
systemu). Ostatnim procesem, jakiemu podlega czynnik roboczy w obiegu termodynamicznym, jest proces rozprężania
realizowany na zaworze rozprężnym, dozującym czynnik roboczy do parownika, gdzie następuje ponownie proces
odparowania, a cykl przedstawiony powyżej powtarza się.
W uproszczony sposób zasadę działania pompy ciepła przedstawia poniższy rysunek.

Proces transportu ciepła z ośrodka o niższej
temperaturze do ośrodka o temperaturze
wyższej, możliwy jest jedynie przy udziale
wysokowartościowej energii (exergii)
dostarczonej z zewnątrz. Energia ta jest
energią elektryczną doprowadzoną do
napędu sprężarki będącej jednym z
elementów obiegu termodynamicznego.
W rzeczywistości nie jest możliwy obieg
idealny, dlatego też efektywnośd pompy
ciepła po uwzględnieniu wszystkich strat
(takich jak np.: straty mechaniczne,
termiczne, elektryczne itd.) jest mniejsza. W
dużym uproszczeniu możemy przyjąd, że o
połowę mniejsza jak wielkośd teoretyczna.

Podział

Pompy ciepła dzielone są zazwyczaj na podstawie dwóch głównych kryteriów:

1.

Według sposobu podnoszenia ciśnienia i temperatury czynnika
roboczego. Dwa główne typy pomp:

–

Sprężarkowe - wykorzystujące sprężarki elektryczne, są zdecydowanie

najczęściej stosowane i uważane za najbardziej dojrzałe technicznie.

–

Sorbcyjne pompy ciepła - wykorzystują najczęściej gaz ziemny, a sprężarka
elektryczna zastąpiona jest w nich sprężarką termiczną.

Według źródła ciepła niskotemperaturowego - źródło ciepła, dzieli
pompy ciepła na wykorzystujące :

–

Powietrze,

–

Grunt,

–

Wodę,

–

Ciepło z odzysku.

Grunt jest dużo lepszym akumulatorem ciepła, a jego temperatura
podlega mniejszym wahaniom. Na głębokości 2 metrów wynosi ona,
w zależności od pory roku, średnio od 7 do 13°C. Najczęściej
wykorzystywanymi ich wariantami są kolektory poziome, wkopane w
ziemie na głębokości ok. 1,5 metra lub sondy pionowe, wiercone do
głębokości przekraczających nawet 100 metrów. Ilośd ułożonych rur
lub wierconych sond zależy w głównej mierze od warunków
geologicznych oraz zapotrzebowania energetycznego, jakie ma
pokryd pompa ciepła.

Najtaosze i najłatwiejsze w montażu są pompy ciepła wykorzystujące
powietrze jako źródło ciepła. Niestety, ze względu na duże wahania
temperatur, pompy te mają też najmniejszą wydajnośd i wymagają
najczęściej wspomagania w postaci grzałki elektrycznej w okresach
bardzo niskich temperatur powietrza.

(System
poziomych
kolektorów
gruntowych)

(System pionowych sond gruntowych)

Najkorzystniejszym, ale i najbardziej
wymagającym z wymienionych źródeł ciepła,
jest woda gruntowa. Bardzo dobrze
akumuluje ona ciepło i jednocześnie nie
podlega dużym wahaniom temperatur,
dzięki czemu pompy ciepła działające w
oparciu o to źródło mają bardzo dużą
wydajnośd. Chcąc wykorzystywad wodę
gruntową należy pamiętad o spełnieniu
szeregu wymagao; zarówno technicznych,
jak i formalnych.

(Wg. prawa geologicznego i górniczego wykonywanie odwiertów pod pompy ciepła (w celu
pozyskiwania ciepła ziemi) to tzw. robota geologiczna i wymaga sporządzenia projektu prac
geologicznych. W wypadku odwiertów pod pompy ciepła podlega zgłoszeniu do organu
administracji geologicznej )

Podział pomp ciepła według sposób pracy:

1.Monowalentny (tylko pompa ciepła): Pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła.
Pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania na ciepło. Praktykowane przy dolnym
źródle woda lub grunt.

2.Biwalentny równoległy monoenergetyczny  (pompa ciepła i grzałka): Pompa ciepła
pokrywa ok. 90% zapotrzebowania na ciepło. Grzałka elektryczna będzie załączana
równolegle w przypadku zapotrzebowania.  Praktykowane przy dolnym źródle powietrze.

3.Biwalentny alternatywny (pompa ciepła i kocioł): Praca grzewcza zostaje podzielona
pomiędzy pompę ciepła i drugi układ grzewczy. Tylko w przypadku doposażenia starego
systemu wysokotemperaturowego w pompę ciepła.

Sprawnośd pompy ciepła - Ekonomia

Do scharakteryzowania pomp ciepła używa się współczynnika wydajności

pompy ciepła, tzw. COP, który jest równy stosunkowi uzyskanego w górnym źródle
ciepła do włożonej pracy (w przypadku układu sprężarkowego). Współczynnik ten
może przyjmowad w praktyce wartości od około 3 do kilkunastu, co oznacza dużą
oszczędnośd energii elektrycznej w porównaniu ze zwykłym grzejnikiem
elektrycznym (w którym stosunek ciepła do energii elektrycznej jest bliski liczbie
jeden).

Efektywnośd cieplna pompy cieplnej zależy silnie od różnicy temperatur.

Przy wykorzystaniu pompy do ogrzewania zakłada się, że źródło energii cieplnej jest
darmowe dlatego współczynnik efektywności określa się jako stosunek całkowitej
energii na skraplaczu, do energii pobranej z sieci elektrycznej.

Na koszty inwestycyjne składają się:

•Cena zakupu pompy ciepła.
•Koszt montażu i uruchomienia instalacji.
•Koszt materiałów zgodnie z projektem i przeznaczeniem instalacji kotłowni.
•Koszt wykonania dolnego źródła ciepła.

Pompa ciepła jest najtaoszym w eksploatacji sposobem ogrzewania domu. Dla domu
150-200 m

roczny koszt ogrzewania i c.w.u. wynosi 1500÷2000 zł.

(Badania przeprowadzone pod koniec 2009 r. przez redakcję miesięcznika "Budujemy Dom" na podstawie danych z 19 firm)

•Koszt dokumentacji geologicznej to ok. 2000 PLN.

Pompy ciepła a Ochrona Środowiska

Dotychczas znane nam pompy ciepła pobierające ciepło ze środowiska

wodnego prowadzą do ochładzania wód podziemnych lub powierzchniowych.
Dodatkowo zrzut wody, z której odbierane jest ciepło powoduje, że woda po
przejściu przez pompę ciepła jest odpadem technologicznym w rozumieniu prawa.

W Polsce za odprowadzenie takiej wody do rzeki, jeziora czy też kanalizacji

pobierane są również odpowiednie opłaty.

Na początku dwudziestego wieku Mats Bäckström zbadał, że 1 m

gruntu

może oddad:
5,7 W energii cieplnej................................. pozyskiwanej przez 10 godzin
0,56 W ..................................................... przy pozyskiwaniu przez 1000 godzin
0,33 W...................................................... przy pobieraniu w ciągu 3000 godzin
0,23 energii cieplnej................................... pozyskiwanej w ciągu 6000 godzin (250
dni)

Stąd wniosek, że pobieranie ciepła z ziemi przez 250 dni w roku w stosunku do 10
godzin powoduje spadek pozyskiwania ciepła z gruntu o 2478 %. W związku z tym
pompy ciepła pobierające ciepło z gruntu ochładzają ten grunt co powoduje
degradację środowiska.