Pompy ciepła » Ogrzewanie energią cieplną z otoczenia
Globalne ocieplenie, zmiany klimatu, emisje CO2 i efekt cieplarniany to hasła często pojawiające się w wiadomościach w ostatnich latach.
Dlatego tak ważne jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, takich jak wodorofluorowęglowodory, metan, podtlenek azotu i dwutlenek węgla (CO2). Zwłaszcza dwutlenek węgla, emitowany przez wiele systemów grzewczych podczas spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny, przyczynia się między innymi do globalnego ocieplenia i zmian klimatycznych.
Z tego powodu pilnie potrzebne są przyjazne dla środowiska lub neutralne dla klimatu alternatywy wykorzystujące odnawialne źródła energii. Jeśli chodzi o ogrzewanie, termin "pompa ciepła" pojawia się wielokrotnie. Czym jednak są pompy ciepła, jak działają i czy naprawdę są rozwiązaniem kryzysu klimatycznego? Chcielibyśmy odpowiedzieć na te pytania i dostarczyć interesujących informacji na ten ważny temat.
W powietrzu, w ziemi, a także w wodzie występuje bardzo dużo ciepła, które można wykorzystać do ogrzewania. Powodem tego jest promieniowanie słoneczne lub gorące jądro Ziemi. Jednak poza wrzącymi gejzerami na Islandii, dostępna energia cieplna niestety nie nadaje się bezpośrednio do ogrzewania. Wynika to z faktu, że temperatury powietrza, wody lub ziemi w sezonie grzewczym są często znacznie niższe niż wymagane 20 stopni Celsjusza (°C), które są zalecane jako docelowa temperatura w pomieszczeniu.
Tutaj potrzebna jest odrobina wiedzy technicznej, aby proces ogrzewania nadal działał, a jednocześnie był wydajny i przyjazny dla środowiska. Pompy ciepła powietrze-woda (1) są na przykład wykorzystywane do podniesienia dostępnej energii cieplnej (2) w powietrzu do znacznie wyższego poziomu (3).
Osiągnięta ten sposób wysoka temperatura lub jej wzrost jest następnie przekazywana do obiegu wodnego systemu grzewczego (4 ). Poszczególne pomieszczenia, całe budynki, a nawet całe kompleksy basenowe mogą być w ten sposób łatwo i wydajnie ogrzewane.
Cała tajemnica polega na tym, że duża część energii grzewczej pochodzi bezpośrednio ze środowiska. Jedynie energia elektryczna wymagana dla pompy (5), która w idealnym przypadku jest generowana z odnawialnych źródeł energii, ma wpływ na koszty.
Pompy ciepła nie są nowym wynalazkiem XXI wieku. Istnieją już od ponad 100 lat. W zasadzie każda lodówka lub zamrażarka jest pompą ciepła. Jedyna różnica polega na tym, że te urządzenia chłodzące wykorzystują obniżenie temperatury we wnętrzu, a nie ciepło odpadowe generowane z tyłu. Aby ułatwić zrozumienie działania pompy ciepła, najpierw przyjrzyjmy się bliżej funkcji lodówki sprężarkowej.
Funkcje lodówki sprężarkowej
Lodówka posiada zamknięty obieg chłodniczy zawierający gazowy lub ciekły czynnik, taki jak izobutan. Izobutan lub R600a ma bardzo niską temperaturę wrzenia i paruje w w temperaturze -11,5 °C.
Gazowy czynnik chłodniczy (1) jest sprężany za pomocą sprężarki (2), która znajduje się poza chłodzoną przestrzenią wewnętrzną (na zewnątrz). Czynnik chłodniczy nagrzewa się do około 60-100 °C w wyniku efektu Joule'a-Thomsona. Gorący i sprężony czynnik chłodniczy jest następnie doprowadzany do pętli chłodzącej lub wymiennika ciepła (3) na tylnej ścianie lodówki. Tam energia cieplna jest po prostu uwalniana do powietrza otoczenia.
Jako że temperatura wrzenia czynnika chłodniczego pod ciśnieniem jest znacznie wyższa niż -11,5 °C, skrapla się on w obiegu chłodniczym i przechodzi w stan ciekły. Dlatego też eksperci nazywają pętlę chłodzącą skraplaczem lub kondensatorem.
Ciekły czynnik chłodniczy przepływa następnie przez rurkę kapilarną do wnętrza lodówki (w środku). Rurka kapilarna służy jako przepustnica lub zawór rozprężny (4), który zmniejsza ciśnienie i rozpyla czynnik chłodniczy. Przewody rurowe parownika (5) zapewniają wystarczającą przestrzeń, aby czynnik chłodniczy powrócił do stanu gazowego poprzez zmniejszenie ciśnienia. Energia cieplna wymagana do odparowania (chłodzenie wyparne) jest pobierana z wnętrza lodówki przez parownik jako wymiennik ciepła. Po parowniku gazowy czynnik chłodniczy jest podawany z powrotem do sprężarki, aby cykl mógł rozpocząć się ponownie. Temperatura jest kontrolowana przez termostat, który włącza lub wyłącza sprężarkę w określonym zakresie temperatur.
Funkcje pompy ciepła
Pompa ciepła również zawiera zamknięty obieg z czynnikiem chłodniczym, dwoma wymiennikami ciepła i sprężarką. Jednak w przeciwieństwie do lodówki, wykorzystuje wzrost temperatury, a nie jej spadek.
W tym celu gazowy czynnik chłodniczy (2) jest sprężany za pomocą sprężarki (1). Podgrzany środek chłodniczy doprowadzany zostaje do pierwszego wymiennika ciepła lub skraplacza (3).
Oprócz rurek doprowadzających chłodziwo ten wymiennik ciepła posiada rury do obiegu płynu chłodzącego (4).
Systemy rur są ze sobą połączone termicznie. Umożliwia to efektywne przekazywanie ciepła ze sprężonego czynnika chłodniczego do obiegu grzewczego z systemem dystrybucji i magazynowania ciepła.
Schłodzony i ciekły czynnik chłodniczy jest kierowany przez przepustnicę (5) do drugiego wymiennika ciepła, parownika lub układu źródła ciepła (6). Oprócz instalacji rurowej dla czynnika chłodniczego, parownik zawiera również termicznie sprzężoną instalację dla obiegu chłodzenia (7). Układ jest zwykle wypełniony płynem niezamarzającym i wodą oraz może kompensować zimno wytwarzane podczas parowania w parowniku za pomocą ciepła otoczenia. W ten sposób środowisko jest chłodzone przez pompę ciepła jako pozytywny efekt uboczny. Czynnik chłodniczy, który jest teraz ponownie w stanie gazowym, zostaje doprowadzony do sprężarki, która zamyka cykl.
Istnieją różne rodzaje pomp ciepła, w zależności od medium, z którego pobierana jest energia do ogrzewania. W tym miejscu chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej najpopularniejszym typom:
Pompa ciepła powietrze-woda
W przypadku pompy ciepła powietrze-woda lub powietrznej pompy ciepła (patrz schemat A), źródłem ciepła jest powietrze z otoczenia. W niektórych przypadkach instalowane są urządzenia typu split, w których sprężarka, parownik i wentylator znajdują się na zewnątrz, a skraplacz z pompą obiegową i technologią sterowania wewnątrz domu. Pompy ciepła powietrze-woda mogą pracować ekonomicznie do temperatury powietrza -20°C .
Nasze rekomendacje dotyczące pomp ciepła powietrze-woda
Pompa ciepła solanka-woda
Pompy ciepła solanka-woda, są również znane jako gruntowe pompy ciepła, wykorzystują naturalne ciepło geotermalne jako źródło energii. W tym celu kolektory gruntowe zakopuje się blisko powierzchni (patrz rysunek B) lub wierci odwierty (40-100 m) (patrz kolejny rysunek C). Nawet jeśli koszty instalacji są znacznie większe, wyższe temperatury gruntu generalnie umożliwiają większą wydajność pompy ciepła.
Pompa ciepła woda-woda
W przypadku pompy ciepła typu woda-woda (patrz szkic D), woda gruntowa jest zazwyczaj wykorzystywana jako źródło ciepła. W związku z tym głębinowe pompy ciepła wymagają studni zasysającej i odprowadzającej wodę z powrotem.
Temperatura wody gruntowej jest stała przez cały rok, bez względu na porę roku, dzięki czemu systemy te mogą pracować bardzo wydajnie. Jednak w wielu miejscach korzystanie z wód gruntowych wymaga uzyskania pozwolenia.
Pompy ciepła powietrze-powietrze
Pompa ciepła powietrze-powietrze wykorzystuje powietrze zewnętrzne lub wywiewane z domu jako źródło ciepła. W przeciwieństwie do pompy ciepła powietrze-woda, energia nie jest przekazywana do obiegu grzewczego wypełnionego wodą, lecz do systemu wentylacji. Pompy ciepła powietrze-powietrze są idealne do domów pasywnych i energooszczędnych budynków, w których ma być zainstalowany system wentylacji z odzyskiem ciepła .
Pompy ciepła do ciepłej wody
Pompa ciepła do ciepłej wody została zaprojektowana specjalnie do przygotowania ciepłej wody użytkowej przy użyciu powietrza z otoczenia i technologii pompy ciepła. Pompa ciepła i zbiornik wody często tworzą całość. W niektórych modelach, pompy ciepła do ciepłej wody użytkowej są dodatkowo wyposażone w elementy grzewcze, które w razie potrzeby mogą podnieść temperaturę wody do około 65°C. Istnieje także możliwość doposażenia tych systemów w dodatkowe przyłącza do kolektorów słonecznych, co umożliwia dalszą optymalizację efektywności energetycznej.
Uzupełnienie pompy ciepła o kolektory słoneczne
Oczywiście możliwe jest skuteczne uzupełnienie i wspomaganie pompy ciepła kolektorami słonecznymi. Mogą one być wykorzystywane bezpośrednio do produkcji ciepłej wody użytkowej lub do zwiększenia mocy źródła ciepła w niskich temperaturach. Możliwości w tym zakresie są tak różnorodne, że zawsze warto zlecić planowanie specjalistom.
Technologia pomp ciepła może być wykorzystywana zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia domów oraz budynków. W związku z coraz upalniejszymi latami, na ścianach mieszkań coraz częściej można znaleźć zmodernizowane systemy klimatyzacji z pompami ciepła. Technologia ta od dziesięcioleci sprawdza się również w pojazdach.
Obecnie nawet urządzenia gospodarstwa domowego działają w oparciu o tę przemyślaną technologię. Suszarki bębnowe są wygodne i użyteczne, ale wymagają również stosunkowo dużej ilości energii elektrycznej. Aby zmniejszyć zużycie prądu przy zachowaniu tej samej wydajności suszenia, nowoczesne modele wykorzystują pompę ciepła. W przypadku suszarek bębnowych z pompą ciepła nie ma potrzeby ciągłego podgrzewania powietrza, które po zakończeniu procesu suszenia jest po prostu wypuszczane do pomieszczenia lub otoczenia. Coraz częściej powietrze suszące jest ponownie wykorzystywane w obiegu zamkniętym, a dzięki zintegrowanej pompie ciepła jest podgrzewane i chłodzone w ukierunkowany sposób.
Pompy ciepła mają wiele mocnych stron, ale także pewne słabości, których nie chcemy ukrywać. Prawdopodobnie największą zaletą jest to, że większość wytwarzanej energii cieplnej jest pobierana ze środowiska i dlatego dostępna jest w nieograniczonych ilościach. Jeśli energia elektryczna wykorzystywana do napędzania sprężarki pochodzi ze źródeł odnawialnych, pompy ciepła są przyjaznymi dla środowiska dostawcami ciepła. Niestety, koszty inwestycyjne są wysokie, pomimo dotacji państwowych. Ponadto integracja z istniejącymi budynkami jest trudna ze względu na czasami niską temperaturę wody zasilającej.
Zalety i wady pomp ciepła
Zalety:
✓ Przyjazny dla środowiska naturalnego dostawca energiit
✓ Wysoka wydajność
✓ Prawie niewyczerpalne źródła ciepła
✓ Wysoka elastyczność w zakresie źródeł energii
✓ Niskie koszty operacyjne, szybka amortyzacja
✓ Praktycznie bezobsługowa eksploatacja
✓ Możliwość pracy w trybie ogrzewania i chłodzenia
Wady:
✗ Wysokie koszty nabycia
✗ Ograniczona temperatura zasilania
✗ Wymagana dobra izolacja budynku
✗ Optymalna wydajność tylko w systemach ogrzewania podłogowego
✗ Utrudniona praca z grzejnikami
✗ Oddzielny system wymagany dla ciepłej wody użytkowej
✗ Planowanie i projektowanie tylko przez specjalistów
Sprawność systemu grzewczego określa stosunek dostarczonej energii do ciepła użytkowego . Jeśli gazowy system grzewczy wytwarza około 9000 kWh ciepła z 10 000 kWh gazu ziemnego, sprawność układu wynosi 0,9. W przypadku pomp ciepła określa się sprawność między 2 a 5! Oznacza to, że z jednej kilowatogodziny (1 kWh) energii elektrycznej generowane jest około 2-5 kWh ciepła, które najlepiej uzyskać z energii odnawialnej.
Pompy ciepła nie są jednak magicznymi maszynami, które w cudowny sposób generują energię z niczego. Wysoka wydajność wynika raczej z faktu, że w tym przypadku w obliczeniach uwzględniana jest tylko wymagana energia elektryczna, a nie dostarczana do środowiska ilość energii.
Nie ma to jednak ostatecznie znaczenia, ponieważ wymagana energia środowiskowa jest dostępna w nieograniczonych ilościach i nie pojawi się na żadnych rachunkach za prąd. W idealnym przypadku nie ma żadnych kosztów operacyjnych, jeśli operator pompy ciepła posiada również system fotowoltaiczny, który wytwarza energię elektryczną dla sprężarki, wentylatora i pomp. Dzięki odnawialnym źródłom energii ogrzewanie może być całkowicie bez emisji CO2.
Aby zachęcić ludzi do przejścia na przyjazną dla klimatu pompę ciepła podczas modernizacji lub przebudowy obecnego lub starego systemu grzewczego,rząd oferuje wsparcie finansowe na nową pompę ciepła. Dotacja na jest jednak powiązana z określonymi kryteriami. Ponadto wsparcie zmienia się z biegiem czasu. Dlatego przed decyzją warto odwiedzić strony rządowe i sprawdzić, jakie programy dofinansowania w danym roku obowiązują.