POMPY CIEPŁA

pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
POMPY
CIEPŁA
w ogrzewaniu
budynków mieszkalnych
Piotr JASIUKIEWICZ, Budrus Technika Grzewcza sp. z o.o., Dział Odnawialne Źródła Energii Oddział Gdańsk
ARTYKUŁ WSTĘPNY
Połowa września tego roku, to kolejny rekord ceny baryłki ropy naftowej na światowych rynkach. To zapowiedź
wzrostu o 10% ceny gazu ziemnego importowanego z Rosji. To ciągłe wzrosty cen węgla z polskich kopalń i paliw
ekologicznych wytwarzanych z odpadków drewnianych.
Wielu z nas zastanawia się, czy obecnie dostępne nośniki
ciepła będą nadal drożały. Czy koszty ogrzewania naszych
domów muszą ciągle rosnąć. Tak właściwie, to od czego
zależą ceny energii cieplnej na świecie. Czy cena ta wynika
z kosztów ich pozyskiwania, czy wręcz przeciwnie, zależy
tylko od polityki międzynarodowej. Na pewno każdy z nas
ma własny pogląd na ten temat.
Zewsząd bombardowani jesteśmy nowymi, niesamowitymi informacjami o zastraszająco szybkim kurczeniu
się obecnych, kopalnych nośników energii (ropy naftowej,
gazu i węgla). Z drugiej strony przeraża nas świadomość,
że nieuchronnie przyczyniamy się do powiększania globalnego efektu cieplarnianego i niszczenia naszej naturalnej
powłoki ochronnej, jaką jest stratosferyczna warstwa ozonowa. Ale czy tak jest na pewno ? Czy ropy naftowej wystarczy jeszcze na ok. 60 – 100 lat? Nikt tego nie wie, ale
pewnym jest to, że z dnia na dzień zasoby ropy i węgla są
coraz mniejsze. Te naturalne paliwa powstawały na naszej
planecie przez miliony lat, a nasza cywilizacja, cywilizacja
dynamicznego rozwoju technicznego, rozpoczęła się tak
naprawdę przed 120 laty, na przełomie XIX i XX wieku.
Tylko tyle czasu wystarczyło, aby zaczęto zastanawiać się,
czy te konwencjonalne zasoby energii wystarczą naszym
dzieciom i wnukom. A może już teraz powinnyśmy zastanowić się jak produkować ciepło nie niszcząc naszej planety? Czy w ogóle są takie możliwości ?
Okazuje się, że tak, i w wielu wypadkach jest to dużo
prostsze niż np. budowa gazociągu na osiedle oddalone od
miasta o kilka kilometrów.
Nasze Słońce, największy i niedościgniony w swej budowie, reaktor termojądrowy, dostarcza do naszej planety
niewyobrażalne ilości energii cieplnej i świetlnej. Szacunki
dowodzą, że energii tej dociera do nas kilka razy więcej niż
wynoszą potrzeby całej naszej planety. To dlaczego energia
ta wykorzystywana jest obecnie w tak niewielkim stopniu
na świecie, a w Polsce wręcz w stopniu marginalnym. Czy
na przeszkodzie stoją problemy techniczne czy polityczne.
342
Odpowiedź jest jednoznaczna.
Obecny rozwój techniki pozwala nam przekształcać
w sposób dowolny energię promieniowania słonecznego
bezpośrednio na ciepło lub na energię elektryczną. Kolektory słoneczne, czyli aparaty wymiany ciepła, które przekształcają promieniowanie słoneczne bezpośrednio na ciepło, które może być bez żadnych przeszkód kierowane do
podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wody basenowej
lub innych procesów cieplnych wykorzystywanych przez
ludzi. Jest to najłatwiejszy sposób wykorzystania darmowej energii słonecznej. Energii, która jest wszechobecna
w naszym życiu. Wystarczy bowiem umieścić na dachu
kolektor słoneczny, podłączyć go do zasobnika c.w.u., aby
już po kilku godzinach przy słonecznym niebie „z kranu
leciała” będzie ciepła woda.
A co można zrobić, aby wykorzystać promieniowanie słoneczne do ogrzewania naszego domu. Wiadomym
jest fakt, że niestety, ale położenie naszego kraju na globie ziemskim nie jest najkorzystniejsze z punktu widzenia
możliwości bezpośredniego ogrzewania domu ciepłem ze
Słońca. W naszej szerokości geograficznej położenie Słońca nad horyzontem w zimę jest bardzo niskie, przez to jego
moc grzewcza (gęstość strumienia ciepła padającego na
absorber) jest niewielka.
Czy można w jakiś sposób zakumulować ciepło słoneczne w okresie letnim i „przechować” je do okresu zimowego. Oczywiście, że tak ! Niedoścignione możliwości
otaczającej nas przyrody sprawiają, że jest to bardzo łatwe
do zrealizowania. Słońce latem rozgrzewa powierzchnię
Ziemi, z tym wszystkim co znajduje się na jej powierzchni
i na niewielkiej głębokości. Rozgrzewa ją, akumulując niewyobrażalne wręcz ilości energii cieplnej. Powierzchnia
Ziemi, czyli grunt ma tą właściwość (podobnie jak ogrzewanie podłogowe), że bardzo długo się rozgrzewa, ale również bardzo długo „trzyma” w sobie energię cieplną i bardzo długo się wychładza. Ciepło zakumulowane w gruncie
na niewielkiej głębokości można w sposób łatwy wykorzystać do ogrzewania naszego domu. Wystarczy umieścić
w nim wymiennik ciepła, który w czasie zimy umożliwi
pobieranie ciepła z gruntu, a pozyskana w ten sposób energia cieplna ogrzewać będzie nasz dom.
Zasoby tej energii nazywane są: energią odnawialną,
bowiem w przeciwieństwie do paliw kopalnych, nigdy się
nie wyczerpią. Ich odnawianie się, czyli regenerację, zatechnika chłodnicza i klimatyzacyjna 9/2007
pompy ciepła
pompy ciepła
wdzięczamy promieniowaniu słonecznemu, a czas życia
Słońca naukowcy szacują na kilka milionów lat, zatem
uzasadnionym jest stwierdzenie, że energia odnawialna nigdy się nie wyczerpie.
Urządzenie grzewcze, które potrafi pobierać ciepło
z gruntu i przekazywać je do instalacji grzewczej budynku, nosi nazwę: pompa ciepła.
Cykl artykułów, który dzisiaj, przy okazji kolejnego zeszytu TCHiK rozpoczynamy drukować, poświęcony będzie
wybranym zagadnieniom związanym z pozyskiwaniem
i przetwarzaniem energii cieplnej z otaczającej nas przyrody poprzez urządzenia chłodnicze – pompy ciepła.
Artykuły te mają na celu przybliżyć Państwu zagadnienia związane z doborem, projektowaniem instalacji grzewczych i przygotowania ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem pomp ciepła. Będą wskazówkami do wyboru
najlepszego dla danego budynku zasobnika energii odnawialnej, z którego pompa ciepła pobierać będzie energię
cieplną do ogrzewania.
Materiały te podzielone zostaną na cztery działy tematyczne. W pierwszym przedstawiona zostanie ogólna idea
działania pompy ciepła i mechanizmy pozyskiwania energii
cieplnej ze środowiska naturalnego. Przypomniana zostanie zasada działania pompy ciepła i przemiany termodynamiczne zachodzące w obiegu chłodniczym, w połączeniu
ze współpracującymi instalacjami grzewczymi. Zwrócona zostanie szczególna uwaga na parametry pracy pomp
ciepła i maksymalne temperatury możliwe do osiągnięcia
z punktu widzenia obiegu chłodniczego i stosowanych
obecnie czynników chłodniczych. Na koniec tego działu
zaprezentowane zostaną najnowsze rozwiązania konstrukcyjne w obecnie oferowanych na rynku pompach ciepła.
Dział drugi poświęcony zostanie wybranym zagadnieniom związanym z budową i dobrem dolnego źródła ciepła
dla pompy ciepła. Przedstawiona zostanie w nim budowa
i mechanizmy pozyskiwania ciepła z otaczającej przyrody. Szczegółowo zaprezentowane zostaną doświadczalne
wskaźniki energetyczne związane z poborem ciepła z gruntu, uzyskane z pomiarów cieplnych z okresu kilkunastu
ostatnich lat, na bazie pomp ciepła pracujących w Polsce.
Wiele uwagi zostanie poświęcone budowie, obliczeniom
cieplnym, sposobom wykonywania i maszynom do wykonywania wymienników gruntowych (poziomych i pionowych), a więc najczęściej stosowanym rozwiązaniom technicznym w Polsce. Szczególnie dużo uwagi poświęcone
zostanie problemom hydraulicznym, związanym z równoważeniem przepływów nośnika ciepła źródła dolnego przez
kilka równolegle połączonych wymienników gruntowych.
Przytoczone zostaną przykłady, w których niewielkie błędy
projektowe zaważyły na nieprawidłowej pracy pompy ciepła.
Dział trzeci, to opis energetyczny budynku, w którym
pompa ciepła ma być źródłem energii cieplnej do ogrzewania. Przedstawione tu zostaną wskaźniki ochrony cieplnej
budynku wymagane dla pompy ciepła oraz często pomitechnika chłodnicza i klimatyzacyjna 9/2007
pompy ciepła
pompy ciepła
jane parametry przyłącza elektroenergetycznego. A ponadto w dziale tym zwrócona zostanie uwaga na współpracę
pompy ciepła z instalacją grzewczą budynku, pod względem temperaturowym (jakościowym) i przepływowym
(ilościowym). Przedstawione zostaną zasady projektowania instalacji grzewczych preferowanych do współpracy
z pompą ciepła. Opisany zostanie tryb doboru pompy ciepła
do danego budynku z uwzględnieniem kosztów inwestycyjnych i późniejszych kosztów eksploatacyjnych. Opisana
zostanie, pod względem projektowym i eksploatacyjnym,
wzajemna współpraca pompy ciepła i instalacji solarnej.
Znajdzie się tu również najistotniejsze zagadnienie dla
użytkownika pompy ciepła, a mianowicie przygotowanie
ciepłej wody użytkowej przez pompę ciepła.
Rozdział ostatni, czwarty poświęcony zostanie aspektom ekonomicznym stosowania pomp ciepła w warunkach polskich. Przedstawione zostaną koszty inwestycyjne
i koszty eksploatacyjne uzyskane z kilku lat pracy pomp
ciepła od ich użytkowników.
Całość opracowania zaopatrzona będzie w bogatą relację zdjęciową z prac instalacyjnych przy pompach ciepła.
Autor serdecznie zaprasza do lektury
kolejnych odcinków cyklu.
POMPY
CIEPŁA
w ogrzewaniu
(1)
budynków mieszkalnych
1. IDEA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA
Nie od dziś znanym jest fakt, że w otaczającej nas przyrodzie zakumulowane są ogromne, wręcz nieograniczone
ilości energii cieplnej. Energia ta zakumulowana jest praktyczne we wszystkim tym, co nas otacza, a więc w powietrzu, gruncie, wodach powierzchniowych i podziemnych,
jak również w Ziemi na dużych głębokościach. Energia
cieplna tam zgromadzona nazywana jest energią odnawialną, ponieważ jej pokłady odnawiają się cyklicznie,
np. w skali roku kalendarzowego, a źródłem ich odnawiania się jest promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni naszego globu. Słońce ogrzewa powierzchnię
Ziemi, a od niej ogrzewa się powietrze i wszystko to, co
się na niej znajduje. Zimą, powietrze, powierzchnia gruntu
i wszystko co się na nim znajduje, ochładza się, z uwagi na
niewielką intensywność promieniowana słonecznego, czyli
z uwagi na niewielką gęstość padających promieni słonecz-
343
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
nych, natomiast latem wszystko
się nagrzewa. Proces ten zachodzi cyklicznie, bez ustanku co
roku. Naukowcy oszacowali, że
ilość energii promieniowania
słonecznego docierającej do Ziemi przekracza dwu i pół krotnie
wszystkie potrzeby energetyczne
wszystkich ludzi na naszej planecie. Obecnie wykorzystujemy ją tylko w kilku procentach.
Dzieje się tak z różnych względów, po pierwsze ze względu na
niedoskonałość przetworników
promieniowania
słonecznego
na ciepło lub bezpośrednio na
energię elektryczną. Aparaty
konwersji energii słonecznej są
Rys. 1. Idea działania pompy ciepła
ciągle modernizowane i udoskonalane, jednak ich sprawność nadal jest niewielka, przez co lowe zapotrzebowanie budynku, wynikające z określonej
powierzchnie absorpcji muszą być duże. Po drugie, z uwa- temperatury zewnętrznej.
gi na duże rozproszenie energii słonecznej, a więc małą
Ogólnie można stwierdzić, że w naszej szerokości geogęstość strumienia ciepła padającą na daną powierzchnię graficznej nośniki ciepła źródeł energii odnawialnej posiaodbiornika.
dają niską temperaturę, na tyle niską, że w sposób bezpoMimo tych niedomagań promieniowania słonecznego, średni nie mogą byś stosowane do ogrzewania domów lub
ma ono jedną bardzo ważną zaletę. Promieniowanie sło- przygotowania ciepłej wody użytkowej. Grunt, powietrze
neczne dociera do nas nieodpłatnie, mówiąc kolokwialnie: zewnętrzne czy wody powierzchniowe, mają zbliżoną temza darmo ! Ta zaleta spycha na dalszy plan wszystkie wady peraturę do warunków atmosferycznych panujących w sei czyni je prawie nieistotnymi.
zonie grzewczym. Należy jednak pamiętać, że energii tej
np. w gruncie jest tak dużo, że wystarczy ona na ogrzanie
Jak energia promieniowania słonecznego ma się do pompy domu mieszkalnego przez cały sezon grzewczy ! Czy mociepła ?
żemy zatem pozwolić sobie na to, aby nie wykorzystać tej
energii, skoro ona tam jest, i jest za darmo ? Ale jak to
Słońce rozgrzewa latem powierzchnię Ziemi, akumulując zrobić, skoro temperatura gruntu jest tak niska ?
w jej górnych warstwach energię cieplną. Energię, którą
Odpowiedź jest prosta. Wystarczy zainstalować urząmożemy wykorzystać do ogrzewania naszego domu.
dzenie chłodnicze, które potrafi wydobyć, pozyskać enerDla naszej szerokości geograficznej, na podstawie wie- gię cieplną z nośnika o niskiej temperaturze i przesłać ją
loletnich pomiarów, można stwierdzić, że Słońce rozgrze- dalej do systemu grzewczego budynku przy dużo wyższej
wa grunt do głębokości 1,5 metra licząc od jego powierzch- temperaturze, tak samo jak realizuje to chłodziarka domoni. Do tej głębokości latem grunt ogrzewa się najłatwiej wa, która chłodzi produkty spożywcze przy niskiej tempei najszybciej, akumulując w sobie energię cieplną. Drugą raturze, a ciepło z ich ochłodzenia przekazuje do kuchni
sprzyjającą nam własnością gruntu (o której mowa będzie podgrzewając w niej powietrze.
w kolejnych odcinkach cyklu) jest to, że bardzo chętnie
Zatem idea działania pompy ciepła jest następująca:
akumuluje on w sobie ciepło i to w dużych ilościach. Wy- energia cieplna zakumulowana w otaczającej przyrodzie
starczy zatem poczekać do zimy i „wydobyć” z gruntu to pobierana jest przez pompę ciepła poprzez specjalnej
ciepło zaakumulowane przez Słońce. Wydaje się, że to nic konstrukcji wymiennik ciepła umieszczony w źródle tej
prostszego, a jednak ..., okazuje się, że nie.
energii. Pompa ciepła energię tą przekształca (transformuNiestety temperatura gruntu zimą znacznie spada i jest je) w taki sposób, że podgrzewa nośnik energii cieplnej
porównywalna ze średnią temperaturą otoczenia w tym instalacji grzewczej budynku (wodę c.o.) do temperatury
okresie, a więc kształtuje się na poziomie ok. +5ºC. Za- +65ºC, przekazując mu strumień ciepła uprzednio pobratem, zgodnie ze wszelkimi prawami termodynamiki, jak nym z otoczenia, tak jak to pokazano na rysunku 1.
również z ogólnie znaną wiedzą praktyczną, niemożliwe
I to cała tajemnica działania pompy ciepła, a więc urząjest ogrzanie budynku mieszkalnego do +20ºC nośnikiem dzenia, które pozyskuje energię cieplną przy niskiej temciepła, który posiada temperaturę +5ºC, pomimo, że za- peraturze i przekazuje ją do systemu grzewczego budynku,
akumulował on w sobie duże ilości energii cieplnej lub też ale już przy dużo wyższej temperaturze.
rozpatrując to jako strumień energii, posiada w sobie dużą
moc cieplną, liczoną w kW, przekraczającą znacznie chwicdn...
344
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 9/2007