Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.7 - Jak pompa ciepła może wytwarzać ciepło z zimna?

Okaże się również, że pompę ciepła ma w domu, i to od dawna, każdy z nas. Do głównych zalet pomp ciepła należy zaliczyć: niską awaryjność oraz bezobsługowe działanie. Pompa ciepła wymaga jedynie okresowych przeglądów serwisowych. Jak w przypadku innych urządzeń, tak również w przypadku pomp ciepła nigdy nie należy samodzielnie modyfikować nastaw serwisowych urządzenia ani tym bardziej konstrukcji instalacji, gdyż grozi to jej uszkodzeniem.

Budowa i działanie pompy ciepła

Pompa ciepła w swoim najprostszym wykonaniu składa się z dwóch wymienników ciepła. Sprężarki, nazywanej też kompresorem, zaworu rozprężnego oraz medium wypełniającego układ, nazywanego czynnikiem chłodniczym. Schemat blokowy najprostszej pompy ciepła pokazany jest na rysunku 1.

Rys.1 Schemat blokowy najprostszej pompy ciepła

W dużej części pomp ciepła stosuje się również zawór czterodrogowy, pozwalający odwrócić kierunek przepływu czynnika chłodniczego w układzie. Zawór rozprężny ogranicza ilość środka chłodniczego w fazie ciekłej, która ulega odparowaniu, ograniczając ilość czynnika dostającą się do parownika. W jednym z wymienników ciepła zachodzi proces parowania cieczy (parownik), w drugim zaś proces jej skraplania (skraplacz).

Czynnik chłodniczy jest substancją, która ma zdolność wrzenia w niskich temperaturach – nawet ujemnych. W warunkach normalnych czynnik chłodniczy jest gazem. W pompie ciepła znajduje się on w obiegu zamkniętym, a ciepło (chłód) do innych mediów przekazywane jest przez wymienniki ciepła. Czynnik chłodniczy w pompie ciepła jest zamknięty pod wysokim ciśnieniem, dlatego może być cieczą lub gazem.

Zmianom stanu skupienia substancji parowanie/skraplanie towarzyszy wydzielanie lub pobieranie energii.

Na przykład, aby spowodować wrzenie substancji, czyli zmianę jej stanu skupienia ze stanu ciekłego na gazowy, trzeba do układu dostarczyć energii. Z kolei energię tę odzyskamy, skraplając odparowany gaz do postaci ciekłej. Energia skraplania jest równa co do wartości energii parowania. Energia, jaka jest potrzebna do zmiany stanu skupienia ze stanu ciekłego w gazowy, jest zaskakująco duża, można powiedzieć niezbyt ściśle, że znacznie większa niż energia potrzebna do dużego podgrzania powstałego gazu.

Jeżeli potrafimy przeprowadzić w systemie parowanie i skraplanie, to w parowniku pobieramy energię z otoczenia, w skraplaczu odzyskujemy ją. Aby sprężyć gaz, musimy dostarczyć energię, co też podwyższa temperaturę. Co bardzo ważne, ilość energii potrzebna do sprężenia gazu (czynnika chłodniczego) jest znacznie niższa niż ilość energii pobierana z otoczenia w procesie zamiany cieczy w gaz.

Otoczenie, z którego pobieramy energię cieplną, nazywamy dolnym źródłem. Skroplony czynnik przekazuje ciepło do górnego źródła, którym jest płytowy wymiennik ciepła, przekazujący ciepło dalej do wody lub glikolu w instalacji i do grzejników.

Rys.2 Praca powietrznej pompy ciepła w trybie grzania

Pompa ciepła nie jest więc żadnym perpetuum mobile. Energię uzyskujemy, pobierając ją od dolnego źródła, a samo dolne źródło w trakcie procesu odparowania cieczy oziębia się. Zadaniem sprężarki jest jedynie podniesienie temperatury gazu do odpowiednio wysokich wartości tak, by można było uzyskać temperatury użyteczne z punktu widzenia instalacji grzewczej.

Zadaniem zaworu czterodrogowego jest zamiana między sobą rolami parownika i skraplacza. Przełączenie zaworu powoduje, że parownik staje się skraplaczem, a skraplacz parownikiem. Obieg czynnika ulega odwróceniu, a my mamy możliwość np. usunięcia nadmiaru ciepła na zewnątrz budynku – chłodzenia. Praca powietrznej pompy ciepła w trybie grzania pokazana jest na rysunku 2 a w trybie chłodzenia na rysunku 3.

Przepływ czynnika chłodniczego i wody (glikolu) zaznaczony jest za pomocą strzałek. Wyższym temperaturom odpowiada kolor czerwony o większej intensywności, niższym temperaturom bardziej intensywny niebieski kolor.

Rys.3 Praca powietrznej pompy ciepła w trybie chłodzenia

Wspomnianą pompą ciepła, którą ma każdy z nas w domu, jest... lodówka. W lodówce odbieramy ciepło z jej wnętrza i usuwamy je na zewnątrz. Moc cieplna (moc grzania) pompy ciepła jest zawsze wyższa niż jej moc chłodnicza. Wynika to z faktu, że ciepło wytwarzane przez pracujący kompresor w grzaniu stanowi dodatkowe źródło ciepła. Natomiast podczas chłodzenia ciepło z niego jest balastem, który trzeba usunąć.

Głównym konsumentem prądu w pompie ciepła jest sprężarka. Moc pobierana przez nią wynosi nawet kilka kW, a sama pompa często zasilana jest z instalacji trójfazowej. Zainteresowani teorią pracy pomp ciepła więcej wiedzy zdobędą, analizując obieg Lindego.

Od czego zależy sprawność pompy ciepła?

Sprawności pomp ciepła jest charakteryzowana przez wartość współczynnika COP (ang. Coefficient of Performance – współczynnik wydajności). Wartość współczynnika COP wylicza się, dzieląc wartość wytworzonej energii cieplnej przez pobraną moc elektryczną. Wartość współczynnika COP jest tym wyższa, im mniejsza jest różnica temperatur górnego i dolnego źródła.

Aby móc porównać sprawność pomp ciepła, wartość współczynnika COP podaje się dla standardowych warunków, np. temperatury dolnego źródła (powietrza) równej 7 stopni Celsjusza i wyjściowej wody równej 35 stopni Celsjusza. Obniżenie wartości temperatury dolnego źródła przy zachowaniu stałej temperatury wody na wyjściu pompy ciepła powoduje obniżenie wartości współczynnika COP. Tak samo jak podniesienie temperatury wody (górnego źródła), przy zachowaniu stałej temperatury dolnego źródła.

Im wyższa jest temperatura dolnego źródła podczas grzania, tym większą sprawność ma pompa ciepła i wyższy współczynnik COP. Z powyższego opisu wynika również, że porównywanie wartości współczynnika COP bez podania warunków, w których został on zmierzony, nie ma sensu.

Pompa ciepła jest typowym niskotemperaturowym źródłem ciepła i nie umożliwia uzyskania wysokich temperatur grzejników. Najlepiej sprawdza się więc z ogrzewaniem wielkopłaszczyznowym np. podłogowym.

Tradycyjne ogrzewanie grzejnikowe w połączeniu z pompą ciepła jest za mało skuteczne ze względu na znacznie większą wymaganą temperaturę wody w instalacji. Ze względu na niską sprawność pomp ciepła dla wysokich temperatur górnego źródła pompy ciepła nie za bardzo nadają się do modernizacji starszych budynków z grzejnikami wysokotemperaturowymi. Czasami stosuje się w ogrzewaniu pompami ciepła tzw. grzejniki niskotemperaturowe o dużej powierzchni wykonane z kilku płyt.

Pompy ciepła są natomiast znakomitym wyborem w przypadku nowo budowanych budynków z ogrzewaniem podłogowym oraz uzupełniającym ogrzewaniem za pomocą grzejników niskotemperaturowych. Wyższe temperatury, z zadowalającą sprawnością, można uzyskać w pompach ciepła wykorzystujących jako czynnik chłodniczy dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym – pompy tego typu są jednak bardzo drogie i rzadko stosowane w budownictwie mieszkaniowym.

Dolne źródło - pompa ciepła

Dolne źródło to źródło niskotemperaturowe, z którego pobieramy ciepło.

Powietrzne pompy ciepła - wady, zalety, działanie

Najtańszym i najczęściej stosowanym dolnym źródłem ciepła jest... powietrze atmosferyczne. Wadą powietrza jako dolnego źródła w naszej strefie klimatycznej jest najmniejsza możliwa do otrzymania wartość sezonowego współczynnika COP.

W powietrznej pompie ciepła powietrze omiata parownik, element ten przypomina radiator o bardzo rozwiniętej powierzchni, przepływ powietrza wymuszają wentylatory. Spotyka się również powietrzne pompy ciepła pracujące bez wentylatora, wykorzystujące zjawisko resublimacji pary wodnej. Wadą powietrza jako dolnego źródła jest duża zmienność temperatur, zarówno w ciągu roku, jak i doby. Zaletą zaś są najniższe koszty wykonania instalacji.

Para wodna znajdująca się w powietrzu skrapla się na wymienniku (procesowi parowanie cieczy i rozprężania gazu towarzyszy obniżenie temperatury wymiennika). Niestety, w chłodniejszych porach roku zamarza na parowniku, obladzając go i powodując tym samym spadek sprawności pompy ciepła. Lód usuwa się z parownika, odwracając obieg czynnika chłodniczego i rozmrażając wymiennik gorącym gazem.

Regulator powietrznej pompy ciepła sam określa konieczność rozmrażania wymiennika. Woda ze stopionego lodu ścieka z parownika i zamarza tuż pod wymiennikiem, powodując oblodzenie powierzchni pod pompą ciepła. Zjawisku temu można zapobiec, umieszczając matę elektryczną o małej mocy tuż pod wymiennikiem oraz odpowiednio montując pompę ciepła. Ogrzewanie maty załączane jest zwykle równolegle z rozmrażaniem pompy ciepła.

Powietrzna pompa ciepła typu split

Powietrzne pompy ciepła wykonuje się jako tzw. splity lub mononblocki. W pompach split parownik znajduje się na zewnątrz budynku (jednostka zewnętrzna), a skraplacz w jego wnętrzu (jednostka wewnętrzna). W przypadku pomp typu monoblock i parownik, i skraplacz znajdują się na zewnątrz budynku.

Jeśli pompa pokazana na rysunku 2/3 znajduje się w jednej obudowie, mamy do czynienia z pompą typu monoblock, jeśli rozdzielimy ją na dwie części w miejscu oznaczonym linią przerywaną, otrzymamy pompę typu split. Zawór trójdrogowy pokazany na rysunku 2/3 montowany jest często poza samą pompą ciepła. Przykładowa jednostka zewnętrzna pompy typu split pokazana jest na fotografii 4.

Fot.4 Jednostka zewnętrzna pompy typu split

Czynnik chłodniczy w pompie typu split nie ma możliwości zamarznięcia. Pompy ciepła typu monoblock znajdują się na zewnątrz budynku, więc w obiegach grzewczych należy zastosować czynnik niezamarzający – wodne roztwory glikolu.

Powietrzna pompa ciepła typu monoblock 

W przypadku pompy monoblock, gdy nie zastosujemy odpowiedniego niezamarzającego roztworu w instalacji, narażamy się na utratę gwarancji producenta. Nieliczni producenci pozwalają wykorzystać wodę w układach typu monoblock, stosując szereg dodatkowych zabezpieczeń powodujących zwiększone zużycie prądu, wymagają stosowania podtrzymania zasilania pomp obiegowych za pomocą zasilaczy UPS oraz ograniczają maksymalny czas pracy układu bez zasilania sieciowego.

Stosuje się również rozwiązanie z pośrednim wymiennikiem ciepła. W układzie takim jednostka zewnętrzna pompy ciepła wypełniona jest glikolem, a ciepło przekazuje do wody za pomocą dodatkowego wymiennika ciepła umieszczonego w ogrzewanym pomieszczeniu. Rozwiązanie takie zmniejsza ilość kosztownego glikolu w instalacji a jednocześnie zapobiega zamarznięciu w niej wody.

Pompy typu monoblock są znacznie łatwiejsze w serwisie i mogą być zainstalowane przez typowego instalatora. Do ich zainstalowania nie są wymagane specjalne uprawnienia jak w przypadku pomp typu split. Pompy monoblock w dużej części wypierają pompy split z rynku w związku z nowymi regulacjami prawnymi nakazującymi używanie nowych czynników chłodniczych o niższym wpływie na efekt cieplarniany.

Te nowe czynniki są często palne i ich stosowanie w pomieszczeniach jest zakazane. Czynnikiem takim jest np. propan stosowany w butlach gazowych (masa propanu w instalacji chłodniczej jest kilkukrotnie niższa niż jego masa w dużej butli gazowej). Powietrzne pompy ciepła małej mocy wykorzystuje się również jako podgrzewacze ciepłej wody użytkowej.

Gruntowe pompy ciepła - pionowy i poziomy wymienik gruntowy

Gruntowe pompy ciepła zapewniają większą wartość sezonowego współczynnika COP niż pompy powietrzne. Pompy gruntowe dzielą się na pompy z poziomym i pionowym wymiennikiem gruntowym. W pompach z poziomym wymiennikiem gruntowym dolne źródło stanowi wymiennik zakopany na małej głębokości, równolegle do powierzchni ziemi. Powierzchnia obszaru wymiennika poziomego jest zwykle kilkukrotnie większa niż powierzchnia domu.

Ciepło odbierane jest z gruntu za pomocą rur, w których płynie niezamarzający płyn, który przekazuje ciepło czynnikowi chłodniczemu za pomocą dodatkowego wymiennika płytowego takiego samego jak w skraplaczu pompy powietrznej. Wymiennik ten oddziela obieg glikolu z wymiennika gruntowego i obieg czynnika chłodniczego. Obieg glikolu z wymiennika gruntowego wymuszany jest za pomocą pompy obiegowej – rysunek 5.

Rys.5 Obieg glikolu z wymiennika gruntowego wymuszany za pomocą pompy obiegowej

Drugim stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie pomp ciepła z bezpośrednim odparowaniem. W rurach wymiennika gruntowego znajduje się czynnik chłodniczy, układ ten więc jest bardzo podobny do pompy powietrznej. W pompach z bezpośrednim odparowaniem wyeliminowano dodatkowy wymiennik, co podnosi nieco sprawność pompy ciepła.

Pompy z wymiennikiem poziomym mają możliwość tzw. pasywnego chłodzenia. W chłodzeniu pasywnym nadmiar ciepła w okresie letnim oddawany jest do gruntu z ominięciem sprężarki, a tylko z wykorzystaniem odpowiedniego układu hydraulicznego i pompy obiegowej – rysunek 6. Praca pompy ciepła z chłodzeniem pasywnym w trybie grzania pokazana jest na rysunku 7.

Rys.6 Gruntowa pompa ciepła - chłodzenie pasywne

Rys.7 Praca pompy ciepła z chłodzeniem pasywnym w trybie grzania

Chłodzenie pasywne, w przeciwieństwie do aktywnego, pobiera znacznie mniej mocy, nie można go jednak stosować w układach z bezpośrednim odparowaniem czynnika. Chłodzenie pasywne jest znacznie mniej efektywne niż chłodzenie aktywne, powoduje jednak regenerację gruntu, podgrzewając go. Pod koniec lata efektywność chłodzenia pasywnego silnie spada w związku ze wzrostem temperatury gruntu. Dalsze informacje w kolejnym odcinku.