Pompa ciepła wykorzystuje darmową energię ze środowiska naturalnego. Ciepło słoneczne zakumulowane w gruncie, wodzie gruntowej lub z powietrza atmosferycznego (określane jako dolne źródła ciepła) i przy pomocy energii elektrycznej przekształca w komfortowe ciepło grzewcze.
Dokładniej
1. w parowniku, energia środowiska naturalnego przekazywana jest czynnikowi roboczemu krążącemu w pompie ciepła
2. czynnik roboczy o niskiej temperaturze wrzenia (nawet poniżej 0°C), ulega odparowaniu a tym samym odbiera pewną ilość ciepła ze środowiska naturalnego - jako czynniki robocze stosowane są zazwyczaj: R407C, R410A, R404A i R134A – są nietoksyczne
3. odparowany czynnik roboczy zasysany jest przez sprężarkę gdzie jest sprężany – wzrasta jego ciśnienie i temperatura
4. para czynnika o podwyższonym ciśnieniu i temperaturze kierowana jest do skraplacza gdzie ulega skropleniu i przekazuje ciepło wodzie grzewczej zasilającej instalację centralnego ogrzewania budynku
5. po oddaniu ciepła w skraplaczu czynnik roboczy przepływa przez zawór rozprężny gdzie powraca do parametrów wyjściowych tj. niskiego ciśnienia i temperatury. Ponownie ulega odparowaniu w parowniku i cykl się powtarza
Wybór nowoczesnej pompy ciepła (Danfoss, Viessmann lub innych producentów) zależny jest między innymi od tego, skąd urządzenie to będzie pobierało ciepło, czy będzie to woda, ziemia czy powietrze. W zależności od źródła wysokiej temperatury urządzenia mogą być podzielone na następujące typy: woda/woda, solanka/woda i powietrze/woda. Pierwszy człon ma za zadanie określić dolne źródło ciepła, natomiast drugi oznacza typ instalacji grzewczej funkcjonującej w budynku.
Najpopularniejsze pompy ciepła to solanka/woda i woda/woda. Mogą one stanowić jedyne źródło ogrzewania budynku, nawet w zimowych okresach, gdzie pojawiają się ekstremalnie niskie temperatury zewnętrzne. Coraz chętniej również wykorzystuje się urządzenia typu powietrze/woda, gdyż ich zainstalowanie jest o wiele prostsze i tańsze, jednak muszą współpracować one z dodatkowymi źródłami wysokiej temperatury. Typ dolnego źródła: solanka/woda
1 = Pompa ciepła
2 = Pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.
Gruntowe pompy ciepła typu solanka/woda działają na bazie ciepła pobranego z gruntu dzięki sondom lub kolektorom i mogą zapewnić kompleksowe ogrzewanie przez cały rok.
Typ dolnego źródła: woda/woda
1 = Pompa ciepła
2 = Pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.
Urządzenie typu woda/woda działa na bazie temperatury pobieranej z wody gruntowej, które jest zawsze ustabilizowana. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie stałego i wysokiego wskaźnika wydajności - również przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych.
Typ dolnego źródła: powietrze/woda
1 = Pompa ciepła
2 = Pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.
Urządzenie typu powietrze/woda korzysta z ciepła znajdującego się w powietrzu zewnętrznym, pracując nawet przy temperaturze -15°C. Zimą może być wspomagane przez dodatkowe urządzenia, takie jak kotły grzewcze czy elektryczne grzałki.
Urządzenie typu powietrze/woda korzysta z ciepła znajdującego się w powietrzu zewnętrznym, pracując nawet przy temperaturze -15°C. Zimą może być wspomagane przez dodatkowe urządzenia, takie jak kotły grzewcze czy elektryczne grzałki.Znakomitym źródłem ciepła jest otaczające nas powietrze, które zawiera ogromny potencjał energetyczny. Opisywane systemy umożliwiają pracę w warunkach temperatur dodatnich, natomiast kiedy te spadną poniżej zera automatycznie włącza się dodatkowe źródło ogrzewania. Powietrzne pompy ciepła cieszą się dużą popularnością dzięki niższym kosztom całkowitym inwestycji, łatwości montażu oraz możliwości zabudowy zarówno w budynku, jak i na zewnątrz (także na małych działkach). Urządzenia typu woda/woda gwarantują uzyskanie najwyższych wskaźników efektywności, jednak niezbędne jest zwrócenie uwagi na odpowiedni dobór podłączenia tego typu dolnego źródła (zazwyczaj odbywa się to przez dodatkowy wymiennik ciepła), dzięki czemu urządzenie jest chronione przed zanieczyszczeniami obecnymi w wodzie.
Zauważalny jest fakt, iż coraz chętniej poszukując komfortowego i taniego w użytkowaniu ogrzewania kierujemy swój wzrok ku pompom ciepła. Z jakiego powodu? Przede wszystkim urządzenia te mają zagwarantować nam niskie koszty ogrzewania domu, a także niezawodną pracę przez kilkadziesiąt lat. To istotne argumenty, gdyż ceny tradycyjnych paliw mocno się wahają i z roku na rok są coraz wyższe. Ciężko jest więc przewidzieć jaki będzie ich poziom za kilka lat.
2/3 kosztów utrzymania budynku to koszty związane z ogrzewaniem. Kiedy zastosujemy tanie w użytkowaniu źródła ciepła możliwe jest zapewnienie sobie niskich kosztów ogrzewania domu nawet przez 50 lat!
Dlaczego warto rozważyć ogrzewanie pompą ciepła?
1. Obniżenie kosztów budowy domu - kiedy wybierzemy to urządzenie nie ma konieczności budowy komina czy magazynu na opał, itp.
2. Nie ma powodu, aby tracić czas na szukanie paliwa dobrej jakości w odpowiedniej cenie. Przy wielu źródłach ciepła jest to istotna kwestia, która wpływa na trwałość kotła, a także jego awaryjność i ostateczny koszt ogrzewania.
3. To jedno z najtańszych w użytkowaniu źródeł ciepła, które nie wymaga problematycznej i uciążliwej obsługi. 4. Obsługa samego urządzenia oraz całej instalacji grzewczej sprowadza się wyłącznie do określonych ustawień regulatora oraz dostosowania pracy instalacji do indywidualnych potrzeb użytkownika.
Niemal błyskawiczny zwrot kosztów inwestycji - realny czas oczekiwania wynosi około 5-7 lat, co w stosunku do oleju opałowego, ogrzewania elektrycznego czy gazu jest doskonałym wynikiem.
5. Duża żywotność - urządzenie może działać nawet przez 50 lat!
6. Urządzenia te są ekologiczne i przyjazne dla środowiska naturalnego - łatwość uzyskania niskoprocentowego kredytu na proekologiczną inwestycję, pomimo faktu, iż urządzenie to jest zasilane energią elektryczną, która pochodzi w naszym kraju głównie z węgla. Należy bowiem wiedzieć, że aby uzyskać 1 kW z pompy ciepła trzeba spalić o wiele mniej węgla niż dla 1 kW z kotła węglowego czy też pieca elektrycznego. Elektrownie wyposażone są w specjalne instalacje służące do odsiarczania oraz odpylania spalin, co sprawia, że nie mają one tak negatywnego wpływu na środowisko.
7. Faktem jest, że udział energii elektrycznej pochodzącej z energii słońca, wiatru i biopaliw systematycznie rośnie. W niedalekiej przyszłości opisywane urządzenia będą zasilane tylko o wyłączenie energią pochodzącą z odnawialnych źródeł, a więc tzw. "zielonym prądem".
8. Pompa ciepła może być z powodzeniem jedynym źródłem służącym do ogrzewania budynku (za wyjątkiem typów powietrze/woda). Świetnie współpracuje również z dodatkowym sprzętem. Łatwość podłączenia do instalacji kolektorów słonecznych czy kominków z płaszczem wodnym. Mogą być również połączone z kotłem olejowym, gazowym czy na paliwo stałe.
9. Urządzenia te poza ogrzaniem mogą również chłodzić pomieszczenia, zwłaszcza w okresie letnim, co z pewnością podnosi komfort mieszkania w danym budynku.
Zalety i wady
- Prawidłowe ogrzewanie budynku - urządzenia te stanowią niskotemperaturowe źródło ciepła, a więc mogą ogrzewać wodę zasilającą instalacje centralnego ogrzewania do stosunkowo niskiej temperatury (55-65°C). To z kolei sprawia, że niezbędne jest zastosowanie odpowiednio skonfigurowanej instalacji grzewczej.
- Wyższy początkowy koszt inwestycji porównując go z tradycyjnymi źródłami ciepła. Co ważne - bardzo szybko się zawraca.
Pompa ciepła dla podgrzewu c.w.u.
Jeśli spojrzymy na koszty eksploatacji budynku, koszt podgrzewania ciepłej wody użytkowej staje się coraz bardziej zauważalny. Jest to konsekwencja sytuacji, w której do podgrzania c.w.u. niezbędny jest wyższy udział ciepła. Zastosowanie pomp jest więc znakomitym, wydajnym, a co najważniejsze - oszczędnym rozwiązaniem.
Należy pamiętać, że pompy ciepła mogą być stosowane zarówno w nowych, jak i w modernizowanych budynkach. Przede wszystkim polecane są jako doskonała alternatywa dla ogrzewania olejem opałowym lub płynnym gazem. Największą zaletą tego rozwiązania są przede wszystkim niższe koszty ogrzewania. Urządzenia te należą do grona niskotemperaturowych źródeł ciepła, co oznacza, że instalacja grzewcza w danym budynku musi być do nich odpowiednio przygotowana. Im niższa jest temperatura wody grzewczej, tym pompa działa oszczędniej, czyli zużywa mniej energii elektrycznej.
Nowy budynek, który ma być docelowo ogrzewany pompą ciepła musi być wyposażony w ogrzewanie podłogowe lub ścienne. W okresie zimowym do zapewniania optymalnej temperatury w konkretnych pomieszczeniach powinna wystarczyć woda grzewcza o temperaturze na poziomie 35-40°C. Ogrzewanie tego typu jest lepsze od innych systemów przede wszystkim dlatego, że jego duża bezwładność cieplna umożliwia wykonywanie dłuższych przerw w pracy urządzenia grzewczego bez spadku komfortu w ogrzewanych wnętrzach.
W przypadku kiedy montaż ogrzewania podłogowego bądź ściennego nie jest możliwy w obiekcie poddanym modernizacji, nie ma problemu, aby pompa ciepła funkcjonowała w instalacji z grzejnikami. Muszą być one jednak zaprojektowane tak, aby sprostały niskiej temperaturze wody grzewczej na zasilaniu (np. 50-60°C). Należy jednak pamiętać o tym, że grzejniki o tak niskiej temperaturze wody grzewczej będą wyróżniały się dużymi gabarytami, a często niezbędne jest zastosowanie kilku urządzeń w jednym pomieszczeniu.
Z pewnością pompa ciepła to doskonałe rozwiązanie dla budynków energooszczędnych o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło. Im budynek jest cieplejszy tym mniejsze są koszty jego ogrzania, a więc inwestycja jest tańsza. Właśnie z tego powodu w momencie modernizowania systemu grzewczego funkcjonującego w danym budynku, tak istotną kwestią jest docieplenie.Ocieplanie zewnętrznych ścian czy wymiana okien pozwolą zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło w poszczególnych pomieszczeniach. Dzięki temu woda grzewcza zasilająca funkcjonujące grzejniki może mieć niższą temperaturę, w okolicach 55°C, Umożliwia to wykorzystanie pompy ciepła bez konieczności wymiany grzejników.
Jeśli zdecydują się Państwo na to urządzenie nie będą musieli rezygnować z funkcjonującego już systemu ogrzewania z wykorzystaniem kotła gazowego, olejowego czy na paliwo stałe. Urządzenia te bowiem mogą swobodnie współpracować z istniejącymi już źródłami ciepła. Instalację można zaprojektować tak, aby w pierwszej kolejności wykorzystać tańsze źródło ciepła, a cała instalacja włączała się automatycznie w razie potrzeby. Do każdej istniejącej już, nowej lub kilkuletniej, instalacji grzewczej na gaz płynny lub olej opałowy można dołożyć pompę ciepła i przynajmniej o połowę obniżyć koszty ogrzewania domu. Jeśli jest to stary i wysłużony już kocioł, oszczędności na kosztach ogrzewania mogą wynieść nawet 70%, w ciągu roku.
Dom o powierzchni 150m2 Koszty ogrzewania i ciepłej wody użytkowej na potrzeby 4 mieszkańców, kilkuletnim kotłem, mogą wynieść:
- dla oleju opałowego: 10.615 zł brutto/rok
- gazem płynnym: 12.464 zł brutto/rok
Powietrzna pompa ciepła typu Split w ok. 80% zastąpi obecny kocioł grzewczy, a koszty ogrzewania (koszt prądu i oleju opałowego/gazu płynnego), zmniejszą się o 40 – 50%. Całkowite koszty ogrzewania domu mogą wówczas wynieść:
- dla oleju opałowego i pompy ciepła: 6.147 zł brutto/rok
- gazem płynnym i pompą ciepła: 5.763 zł brutto/rok
Grunt (pompa ciepła solanka/woda)
W trakcie roku temperatury gruntu są równomierne i na głębokości dwóch metrów wynoszą między 7 a 13°C. Im dalej w głąb tym temperatura rośnie. Kiedy ciepło z gruntu zostanie odebrane musi nastąpić jego regeneracja, czyli ogrzanie. Do 1,8 metra regeneracja możliwa jest głównie dzięki promieniowaniu słonecznemu, opadom deszczu a także wodom roztopowym. Regeneracja dzięki ciepłu dobiegającemu z głębszych warstw ziemi jest na tyle mała, że nie stanowi istotnego znaczenia.
Z kolektora gruntowego najsilniej pobierane jest ciepło zimą, natomiast regenerowany jest on głównie w okresie wiosennym i letnim. Regeneracja gruntu możliwa jest przede wszystkim dzięki promieniowaniu słonecznemu, a także opadom atmosferycznym, co jest gwarancją, że grunt zakumuluje ciepło na kolejny sezon zimowy. Parametry akumulacyjne oraz przewodność cieplna są tym wyższe im więcej jest w gruncie wody i składników mineralnych oraz im mniejsza jest porowatość ziemi. Realne do pobrania z gruntu moce jednostkowe zachowane są w zakresie od ok. 10 do 35 W/m2 powierzchni gruntu (piaszczysty - suchy: 10 do 15 W/m2; piaszczysty - wilgotny: 15 do 20 W/m2; grunt ilasty, - suchy: 20 do 25 W/m2; ilasty - wilgotny: 25 do 30 W/m2; grunt wodonośny: 30 do 35 W/m2). Przykład: Pompa ciepła wyróżniająca się mocą grzewczą 10 kW, przy średniej wydajności poboru ciepła z gruntu 25 W/m2 – powierzchnia podłoża dla ułożenia kolektora gruntowego wyniesie w tym przypadku ok. 340 m2.
Nie potrzebują dużej powierzchni, gdyż rury są prowadzone pionowo w głąb ziemi. Zazwyczaj jest to głębokość wynosząca maksymalnie 100 metrów. Wtedy niezbędne jest uzyskanie pozwolenia Urzędu Gospodarki Wodnej. Jeśli rury prowadzone są głębiej niż 100 metrów, wówczas potrzebujemy pozwolenia Urzędu Górniczego. Do odwiertu wpuszczana jest specjalna prefabrykowana sonda. Następnie wolną przestrzeń zasypuje się materiałem wypełniającym. Sondy te wykonywane są w formie pojedynczej bądź podwójnej U-rury (rury PE). Podwójna U-rura jest o wiele bezpieczniejsza, gdyż w przypadku awarii jednej pętli, cały odwiert nie jest wyeliminowany. Kiedy mamy do czynienia z optymalnymi warunkami hydrogeologicznymi możliwe jest przyjęcie orientacyjnej mocy jednostkowej sondy 50 W/m długości sondy. Odległość pomiędzy tymi elementami powinna wynosić minimum 6 metrów. Zazwyczaj po wykonaniu pierwszego odwiertu możliwe jest precyzyjne określenie rodzaju oraz struktury gruntu. Na bazie tych danych określa się czy szacowana długość sondy będzie wystarczająca, czy niezbędne będzie wykonanie głębszego odwiertu.
Przykład: pompa ciepła charakteryzująca się mocą grzewczą 10kW i średnią wydajnością 50 W/m długości sondy - 2 sondy gruntowe i dwa odwierty, każdy na głębokość 85 metrów.
Woda gruntowa to także doskonały akumulator ciepła słonecznego. Nawet w okresie zimowym utrzymuje ona temperaturę między 7 a 12°C. Wodę gruntową pobiera się ze studni czerpalnej, a następnie tłoczy do parownika pompy ciepła woda/woda. W następnej kolejności chłodną wodę odprowadza się do studni chłonnej - zrzutowej. Woda gruntowa zawiera wiele związków mineralnych, ale również dużo zanieczyszczeń. Z tego powodu dla ochrony parownika w pompie ciepła niezbędne jest stosowanie dodatkowych wymienników pośrednich. Należy mieć świadomość, że nawet w przypadku gdy w badaniu wody okazało się, że nie przekracza ona dopuszczonych przez producenta norm, nie mamy stuprocentowej pewności, że skład ten nie ulegnie zmianie w przyszłości. Czynnik, który musi być wzięty pod uwagę podczas planowania głębokości studni współpracującej z pompą ciepła jest poziom zwierciadła wody gruntowej - ten jest natomiast zmienny.
Przykład: minimalny przepływ wody gruntowej przez urządzenie o mocy grzewczej 10 kW zachowany jest na poziomie 2100 litrów/h.
Najniższe koszty stworzenia dolnego źródła ciepła można osiągnąć w przypadku powietrza zewnętrznego. Zasysa się je przez specjalny kanał, następnie schładza w parowniku powietrznej pompy ciepła, a na koniec powtórnie odprowadzane na zewnątrz. Nowoczesne urządzenia mają możliwość wytwarzania ciepła grzewczego nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych dochodzących do -20°C. Przy takim zimnie urządzenie nie jest w stanie wypełnić całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. W wyjątkowo chłodne dni niezbędne jest dogrzewanie wody grzewczej do optymalnej temperatury, przy wykorzystaniu grzałki elektrycznej. Wodno-powietrzna pompa ciepła w polskim klimacie musi być odpowiednio wspomagana dodatkowymi źródłami, takimi jak grzałki elektryczne czy kotły na olej, gaz lub paliwo stałe.
Moduł odpowiedzialny za produkcję chłodzenia aktywnego posiada 2 funkcje: wydajne chłodzenie aktywne "active cooling" oraz energooszczędne naturalne chłodzenie "natural cooling" bazujące na wykorzystaniu chłodu ziemi. W przypadku tego drugiego trybu do chłodzenia pomieszczeń wykorzystywana jest niska temperatura gruntu. Konieczna jest praca jedynie pompy obiegu grzewczego/chłodzącego oraz obiegu solanki. W momencie gdy wydajność trybu "natural cooling" jest za mała, aby osiągnąć optymalną temperaturę w pomieszczeniach, uruchamiany jest automatycznie tryb "active cooling" wykorzystujący pracę sprężarki oraz obiegu chłodniczego gruntowej pompy ciepła. W aktywnym trybie chłodzenia obieg urządzenia pracuje w odwrócony sposób, a ciepło oddawane jest do dolnego źródła ciepła (sondy gruntowe, kolektory ziemne), co dodatkowo wspomaga jego regenerację w okresie letnim. Dla celów chłodzenia wykorzystywana jest również woda chłodząca o temperaturze maksymalnie 7°C. Temperatura oddawana przez pompy ciepła może być wykorzystywana wydajnie do podgrzewania c.w.u. lub wody basenowej.
Do głównych zalet tego rozwiązania należą:
1. Stała wysoka efektywność chłodnicza w trybie "active cooling",
2. Połączenie funkcji naturalnego oraz aktywnego chłodzenia wnętrz,
3. Wsparcie regeneracji gruntu poza sezonem grzewczym,
4. Kierowanie pracą modułu AC-Box dzięki specjalnemu regulatorowi.
PRZYKŁAD MODUŁU PRZEZNACZONEGO DO PRODUKCJI CHŁODU AKTYWNEGO: AC – BOX pompy ciepła Viessmann
Moduł chłodzenia aktywnego. Jest to dodatkowe wyposażenie opisywanych systemów, które pozwala na aktywowanie funkcji "active cooling", czyli efektywnego chłodzenia wykorzystującego pracę sprężarki.
Nowoczesne pompy ciepła stosowane są między innymi do przy chłodzeniu pomieszczeń w okresie letnim, kiedy temperatura wewnątrz budynków zazwyczaj jest wyższa od tej występującej w gruncie lub w wodach głębinowych. "Natural cooling" jest funkcją umożliwiającą wykorzystanie naturalnego źródła chłodu, czyli właśnie gruntu lub wody, do skutecznego obniżania ciepła wewnątrz pomieszczeń. Bardzo ważne jest to, że jest to najbardziej ekonomiczny sposób na pozyskiwanie chłodu, gdyż nie ma konieczności wykorzystywania w tym przypadku sprężarki pompy ciepła. Regulator urządzeń typu woda/woda lub solanka/woda odpowiada wyłącznie za uruchomienie pompy obiegowej w obiegu pierwotnym (sondy gruntowe lub kolektory ziemne) oraz wtórnym (układy grzewcze i układy klimakonwektorów) aby przenosić chłód. Użytkowanie urządzeń działających w trybie "natural cooling" pozwala na osiągnięcie dodatkowych, niezwykle istotnych korzyści. Przede wszystkim ciepło z budynku, które jest odprowadzane do gruntu wpływa pozytywnie na regenerację gruntu po okresie zimowym, a także jego wychłodzenie w wyniku wyeksploatowania do celów grzewczych.
Do podstawowych zalet należą:
1. Prosty oraz szybki montaż modułu NC-Box, który jest kompleksowo wyposażony w podzespoły niezbędne dla optymalnej pracy "natural cooling",
2. Izolacja cieplna z EPP (spienionego polipropylenu ekspandowanego) pozwala na wyeliminowanie skraplania pary wodnej na zimnych powierzchniach urządzenia,
3. Wbudowany mieszacz pozwalający na ciągłą pracę bez ograniczenia temperatury punktu rosy,
4. Tryb "natural cooling" wpływa pozytywnie na regenerację gruntu w okresie letnim (podnoszenie temperatury gruntu)