Pompa ciepła jest urządzeniem pobierającym energię ze środowiska otaczającego obiekt do którego doprowadza się tę energię. Urządzenie w którym zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego.
Pompa ciepła jest jedynym na świecie rozwiązaniem, w którym za pomocą jednego kompaktowego urządzenia uzyskuje się ogrzewanie, chłodzenie, ciepłą wodę i wentylację z odzyskiem ciepła, którego pracą można sterować za pomocą systemu zarządzania budynkiem, Internetu czy sieci GSM (GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATION czyli System zarządzanie przez Internet, telefon, komórek, tablet i system inteligentnego zarządzania budynkiem), dzięki aplikacjom mobilnym.
Pompa ciepła działa na podobnej zasadzie jak domowa chłodziarka. Ze względu na rodzaj napędu i zasadę działania możemy wyodrębnić trzy główne podstawowe grupy pomp ciepła:
1- Sprężarkowe pompy ciepła (SPC)
- SPC (z napędem mechanicznym, silnik sprężarki zasilany jest najczęściej prądem elektrycznym), stosowane w technice grzewczej i chłodniczej. Jest to alternatywna dla kotłów na paliwo organiczne oraz ogrzewaczy elektrycznych. SPC to aktualnie podstawowa grupa urządzeń stosowanych w technice grzewczej i chłodniczej.
2- Termoelektryczne pompy ciepła (TPC)
- Lub ogniwa Peltirea (z napędem elektrycznym). Stosowane do ciągłego i efektywnego odprowadzenia dużych ilości ciepła z niewielkich przedmiotów, np. chłodzenie półprzewodników we
współczesnej elektronice. Mają zastosowanie wszędzie tam gdzie zachodzi konieczność ciągłego i efektywnego odprowadzania dużych ilości ciepła z niewielkich przedmiotów. W związku z tym pompy te zyskały popularność we współczesnej elektronice – stosuje się je do chłodzenia półprzewodników.
3- Absorpcyjna pompa ciepła (APC).
Pompy absorpcyjne (z napędem cieplnym), powszechnie stosowane w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego ciepła odpadowego, W przeciwieństwie do pomp sprężarkowych w pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko –i wysokoprężny (np. amoniak –woda).
Urządzenia tego typu stosowane są dziś powszechnie w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego energii odpadowej. Podobne rozwiązania stosuje się także w chłodziarkach absorpcyjnych.
4- Pompy ciepła pozostałych typów
Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów Chemiczny transformator ciepła
Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a Elektro dyfuzyjne pompy ciepła
Magnetyczne pompy ciepła
POMPY CIEPŁA – możliwości i ograniczenia
Pompy ciepła mają istotny wpływ stymulujący rozwój i stosowanie niekonwencjonalnych źródeł energii. Pozwalają nie tylko wykorzystać energię z niskotemperaturowych źródeł ciepła, ale również zagospodarować wszystkie odpadowe źródła ciepła.
Wykorzystanie darmowej energii, np. słonecznej, geotermalnej i odpadowej, oprócz względów czysto ekonomicznych, ma także istotny wpływ na ograniczenie emisji produktów spalania do środowiska naturalnego i tym samym przyczynia się do jego ochrony.
Pompy ciepła mają też swoje wady, np. wysoką cenę, która bez preferencyjnych kredytów stanowi istotną barierę w ich stosowaniu.
Wadą jest również konieczność wprowadzania dodatkowych systemów zabezpieczających, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego freonami, w przypadku pomp sprężarkowych, lub czynnikami stosowanymi w pompach absorpcyjnych (NH3, H2SO4, BrLi, CH3OH itp).
Pompy ciepła - Aspekty prawne i ekologiczne
• W polskim prawodawstwie Pompy ciepła nie są zaliczane w sposób bezpośredni do OZE, oczekiwane są ustawowe orzeczenia w tej sprawie. Procedury stosowane w UE i kolejne decyzje Parlamentu Europejskiego i Rady Europy zmierzają do realizowania postulatu włączenia PC do tej grupy.
• Dopiero w marcu 2015 r. doszło w Polsce do uchwalenia przez Sejm RP Ustawy o OZE (w innych krajach UE zrobiono to znacznie wcześnie).
• Obecnie polskie przepisy nie kwalifikują np. pompy ciepła (w tym Ustawa Prawo Energetyczne) do OZE, czyli brak prawnego potwierdzenia przysługującego pompie ciepła, w której wykorzystuje się rzeczywiście energię z nisko potencjalnego źródeł środowiska (powietrze, woda, grunt itp.).
Schemat technologii pomp ciepła - lub 4 elementy
1- Dolne źródło ciepła (DŹC): to ośrodek lub materia, która ma za zadanie dostarczyć do urządzenia
„wejściową” energię niskotemperaturową. Jego rodzaj decyduje o wyborze odpowiedniej pompy ciepła.
Dostępne źródła ciepła można obecnie już sklasyfikować na naturalne (odnawialne !!) oraz sztuczne.
Źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:
jak najwyższa temperatura i jej stabilność w czasie;
łatwa dostępność;
duża pojemność cieplna;
brak zanieczyszczeń powodujących korozję materiałów instalacyjnych;
niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
Dolne źródło ciepła dla pomp ciepła
Grunt jako dolne źródło ciepła
Powietrze jako dolne źródło ciepła
Wody geotermalne jako dolne źródło ciepła
Woda morska jako dolne źródło ciepła
Rzeki (woda rzeczna) jako dolne źródło ciepła
Ciepło słoneczne jako dolne źródło ciepła
System ciepłowniczy jako dolne źródło ciepła
Ciepło odpadowe z przemysłu jako dolne źródło ciepła
Nietypowe dolne źródła ciepła
4- Jednostka pompy ciepła : Elementy składowe pomp ciepła oraz zachodzące dzięki nim procesy termodynamiczne.
5- Górne źródła ciepła (GŹC): Jest niezwykle ważnym elementem instalacji z pompą ciepła, czyli system dystrybucji ciepła/chłodu w budynku (Instalacja grzewcza, grzejniki, ogrzewanie podłogowe..). Temperatura górnego źródła ma istotne wpływ przede wszystkim na efektywność pracy pompy ciepła a więc kosztów jej eksploatacji, (niska temperatura zasilania to mniejsze obciążenia sprężarki i mniejsze wydatki energii).
6- Energia elektryczna: Dodatkowa energia potrzebna jest do zasilenia sprężarki i pomp Podstawy teoretyczne
Obieg termodynamiczny pompy ciepła
W parowaczu: Ciepło odebrane z DŹ i przekazane w parowaczu powoduje parowanie czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła. Zadaniem czynnika roboczego jest przekazywanie ciepło z DŹ do GŹ ciepła.
W skraplaczu: Sprężony czynnik przekazuje ciepło do instalacji w obiekcie w wymienniku, tzw.
skraplaczu, powoduje to skroplenie i spadek temperatury czynnika roboczego, a jednocześnie wzrost temperatury wody w instalacji w obiekcie.
W zaworze rozprężnym : czynnik roboczy jest rozprężany i jego temperatura ulega obniżeniu, potem ogrzewa się w parowaczu czyli obieg zaczyna się od początku.
W sprężarce: następnie para czynnika roboczego jest sprężana, co powoduje wzrost jej temperatury.
Ogrzewanie/chłodzenie pompą ciepła
• Istnieje możliwość odwrócenia kierunku obiegu pompy ciepła, aby wykorzystać to samo urządzenie zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia.
• Przy ogrzewaniu, dolne źródło ciepła jest zlokalizowane poza budynkiem (ciepło z powietrza, wody, gruntu).
• W przypadku chłodzenia, cykl jest odwrócony: budynek sam w sobie jest źródłem ciepła podczas gdy powietrze, woda lub grunt przejmują ciepło. Aby wykorzystać pompę ciepła do chłodzenia , wystarczy odwrócić zarówno kierunek tłoczenia sprężarki jak i zawór rozprężający, zmieniając samym kierunek przepływu czynnika chłodniczego i oczywiście kierunek przepływu ciepła.
Czynniki robocze
Jest to substancja, która krążąc podlegający cyklowi przemian termodynamicznych, jest w obiegu zamkniętym (na zmianę w postaci ciekłej i gazowej) pośredniczy w przekazywaniu ciepła.
Kluczową rolę w pracy pompy ciepła, pełni czynnik roboczy. Musi on spełniać szereg warunków.
Pod względem parametrów roboczych cechować się musi zdolnością wrzenia w niskiej temperaturze. W ten sposób czynnik jest zdolny wrzeć przy odbieraniu ciepła otoczenia, nawet o niskiej (ujemnej) temperaturze.
Gazy będąc w zamkniętym systemie (stała objętość), zwiększają swoją temperaturę wraz z rosnącym ciśnieniem (sprężanie) i na odwrót – przy zmniejszającym się ciśnieniu (rozprężanie) ich temperatura również maleje. Obecnie w pompach ciepła najczęściej stosuje się następujące czynniki robocze w obiegu chłodniczym (Refrigerants):
• R 134 a (hydrofluorowęglowodór - czynnik jednorodny o wzorze chemicznym CH₂F-CF₃),
• R 407 C (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R134a),
• R 410 A (mieszanina zeotropowa R32 i R125),
• R 404 A (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R143a).
Co zawiera obliczenia i opis projektu dolnego źródła ciepła
Najważniejszym zadaniem w zastosowaniu pomp ciepła jest właściwy wybór dolnego źródła:
• obliczenia i dobór wymiennika (procedura montażu dla wykonawcy, jak będzie posadowiony wymiennik, konieczny jest również rysunek z wymiarami)
• możliwość czyszczenia i konserwacji
• procedurę w przypadku stwierdzenia nieszczelności (procedurę wyjęcia wymiennika)
• automatyki sterującej
Współczynnik efektywności COP (Coefficient Of Performance)
• Efektywności energetycznej pracy pompy ciepła wyraża się współczynnikiem COP, którego definicja jest następująca:
• Współczynnik COP określa chwilową efektywność pracy pompy ciepła w ustalonych warunkach, jednak dla oceny efektów zastosowania pompy ciepła w dłuższym okresie, stosowany jest współczynnik SPF (Roczna lub sezonowa efektywność pompy ciepła).
Współczynnik efektywności SPF lub SCOP (Seasonal Performance Factor , Seasonal Coefficient of Performance)
• Sezonowy współczynnik efektywności sprężarkowej pompy ciepła określa stosunek ilości ciepła przekazanego przez pompę ciepła (do instalacji grzewczej) do ilości dostarczonej do niej energii elektrycznej.
• wartość współczynnika SPF ujmuje różne warunki temperaturowe pracy pompy i jest bliższa późniejszej rzeczywistej efektywności pracy urządzenia, jako okres porównawczy dla SPF przyjmuje się rok, można zdefiniować kilka rodzajów współczynnika SPF.
Charakterystyka pomp ciepła w budynkach energooszczędnych
• Pompy ciepła stanowią źródło ciepła nowej generacji, które jest szczególnie predestynowane do zasilania niskotemperaturowych ogrzewań i instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej, szczególnie w budownictwie energooszczędnym i pasywnym.
• Dodatkową zaletą tych urządzeń jest możliwość ich wykorzystania do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim, co jest szczególnie istotne w budownictwie pasywnym.
• Główne bieżące tematy rozwoju pomp ciepła to: Pompy ciepła w inteligentnych sieciach przyszłości (smart grid), hybrydowe pompy ciepła, przemysłowe pompy ciepła, termiczne pompy ciepła oraz pompy ciepła dla ciepłej wody użytkowej.
• Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej, im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej.
• Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania.
• Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba zapłacić.
Trendy na Europejskim rynku ciepła
Istnieją trzy wyraźne tendencje na europejskim rynku ciepła i są to:
• pompy ciepła dla których dolnym źródłem jest powietrze cieszą się największym zainteresowaniem,
• urządzenia przeznaczone do ciepłej wody są najszybciej rozwijającą się częścią rynku,
• ostatnim trendem są pompy ciepła dużych mocy, które wykorzystywane są w przemyśle i ciepłownictwie.
Współpraca pomp ciepła z termicznymi kolektorami słonecznymi
• Czołowi producenci pomp ciepła pracują nad połączeniem technologii pomp ciepła (PC) z kolektorami słonecznymi.
• Kolektory słoneczne wykorzystywane są jako dolne źródło ciepła lub służą do regeneracji dolnego źródła ciepła PC.
• Połączenie technologii PC (np. typu solanka/woda) z kolektorami słonecznymi prowadzi do zwiększenia sprawności systemów kolektorów słonecznych oraz wzrostu efektywności pomp ciepła.
• W większości stosowanych układów solarnych do podgrzewania wody użytkowej sprawność systemu nie przekracza wartości 30-35%. W przypadku połączenia kolektorów z dolnymi źródłami ciepła PC sprawność systemu solarnego może przekroczyć 50-60%. Jest to możliwe dzięki stosunkowo niskiej temperaturze dolnego źródła ciepła PC (ok. 0 - 10 oC).
• Kolektory słoneczne mogą zapewniać pokrycie do 60% rocznych potrzeb ciepła dla podgrzewu CWU lub do 30% ciepła potrzebnego łącznie dla podgrzewania wody użytkowej i wspomagania ogrzewania domu.
• Kolektory słoneczne stanowią uzupełnienie systemów grzewczych, zarówno tradycyjnych (z kotłem grzewczym), jak i wykorzystujących energię odnawialną (z pompą ciepła).
• Współpraca kolektory słoneczne z pompą ciepła może być realizowana w wielu wariantach – zarówno po stronie obiegu pierwotnego (Dolne źródło ciepła), jak i wtórnego (Odbiór ciepła) pompy ciepła.
• Panele PV mogą być wykorzystywane do zasilania PC, pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła obniżając zużycie energii pierwotnej i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej.
• W nowych budynkach znane są rozwiązania zasilania pomp ciepła wyłącznie z paneli (PV), czyli ze 100% procentowym udziałem energii zielonej.
• Interesujące wydaje się zastosowanie hybrydowych kolektorów słonecznych fotowoltaicznych i termicznych (PV/T) jednocześnie jako dolne źródło ciepła i źródło zasilania elektrycznego dla pompy ciepła.
Ocena wydajności systemów PC - wskaźniki ekologiczne
• Do oceny destrukcyjnego wpływu pompy ciepła na warstwę ozonową oraz efektu cieplarnianego wprowadzono kilka wskaźników ekologicznych, wśród których najważniejsze to:
• - GWP (Global Warming Potential) – globalny potencjał efektu cieplarnianego; czynnikiem odniesienia jest CO2, dla którego GWP = 1, GWP jest miarą tego, ile masa danych gazów cieplarnianych przyczynia się do globalnego ocieplenia. To jest względem skali, która porównuje dany gaz z dwutlenkiem węgla o tej samej masie (którego GWP jest umownie równe 1). GWP oblicza się w określonym przedziale czasu.
• - ODP (Ozone Depletion Potential) – potencjał niszczenia ozonu; czynnikiem odniesienia jest freon R11, dla którego ODP = 1, ODP danej substancji określa jako stosunek globalnej utraty ozonu ze względu na daną substancję do globalnej straty ozonu ze względu na CFC-11 o tej samej masie.
• - HGWP (Halocarbon Global Warming) – potencjał zdolności tworzenia efektu cieplarnianego; czynnikiem odniesienia jest freon R11, dla którego HGWP = 1.
• TEWI (Total Equivalent Warming Impact) : całkowity równoważnik tworzenia efektu cieplarnianego. TEWI jest sumą bezpośredniej (chemicznej) oraz pośredniej (energii) emisji gazów cieplarnianych z działania lub stosowania CFC lub fluorowęglowych systemów użytku codziennego.