POMPY CIEPŁA
Pompa ciepła jest maszyną cieplną wymuszającą przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej.
Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych).
Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:
gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki),
przetwórstwie spożywczym (chłodnie, zamrażalnie, fabryki lodu),
klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń),
chłodnictwie,
ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza).
podgrzewaniu wody użytkowej
W chłodziarkach i zamrażarkach ciepło jest “wypompowywane” z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamrażarka. Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń “wypompowuje” ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia.
Nazwa “pompa ciepła” jest użyta przez analogię do nazwy powszechnie znanej “pompy hydraulicznej” pompującej ciecz (najczęściej wodę) z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej. Zarówno “pompa hydrauliczna” jak i “pompa ciepła” potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyższej temperatury do niższej), przepływ tego ciepła może być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby “zmusić” ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej) należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji “pompa ciepła” i “silnik cieplny” mogą być jednym urządzeniem, podobnie jak jednym urządzeniem mogą być pompa hydrauliczna i silnik hydrauliczny w elektrowni szczytowo-pompowej.
Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez parujący ciekły czynnik roboczy znajdujący się pod niskim, stałym ciśnieniem [ciepło przemiany fazowej] czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), i dalej jako para trafia do sprężarki, gdzie rośnie jej ciśnienie oraz energia wewnętrzna. Para pod wysokim, stałym ciśnieniem oddaje ciepło skraplając się w wymienniku ciepła – skraplaczu (górne źródło ciepła) i czynnik w postaci cieczy przez zawór dławiący, lub rurkę kapilarną, lub turbinę rozprężną gdzie następuje spadek ciśnienia, trafia z powrotem do parownika.
Pompy ciepła wykorzystują jako dolne źródło energię cieplną niskotemperaturową (o niskiej energii) (w praktyce 0 °C – 60 °C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.
Sprawność to stosunek efektu do nakładu. W pompie ciepła za efekt uważa się ilość ciepła przekazywanego w górnym źródle. Gdyby pompa działała wg idealnego cyklu Carnota byłby to iloczyn temperatury górnego źródła pomnożony przez przyrost entropii. Nakładem jest ilość energii dostarczonej przez sprężarkę w postaci strumienia pracy. Z bilansu energii wynika, że wartość tej pracy to różnica pomiędzy ilością ciepła przekazanego w górnym źródle do ilości ciepła pobranego w dolnym źródle. Dla idealnego obiegu całkowita zmiana entropii równa jest zero a więc wzór na efektywność pompy sprowadza się do ilorazu temperatury górnego źródła do różnicy temperatur górnego i dolnego źródła. Efektywność cieplna pompy cieplnej COP jest większa od 1 i zależy silnie od różnicy temperatur górnego i dolnego źródła ciepła.
COPg=EsEe⩽TsTs−Tp=1ηc
gdzie:
Es, Ee – energia przekazana w skraplaczu i dostarczona energia w spręzarce
Ts, Tp – temperatura skraplacza i parownika (wyrażona w skali absolutnej),
ηc – sprawność cyklu Carnota
W praktyce temperatura skraplacza jest od kilku do kilkunastu stopni wyższa od temperatury ogrzewanego pomieszczenia, a temperatura parownika jest o kilka stopni niższa od temperatury dolnego źródła ciepła.
Ze wzoru tego wynika, że pompy ciepła mają dużą efektywność przy małej różnicy temperatur, a tracą ją szybko wraz ze wzrostem tej różnicy.
Równość w powyższym wzorze może być osiągnięta wyłącznie w doskonałej, odwracalnej pompie ciepła. Rzeczywiste urządzenia mają niższą efektywność, z powodu przede wszystkim dwóch efektów:
nieodwracalności procesów przekazu ciepła w parowniku i skraplaczu (odwracalne procesy musiałyby biec nieskończenie wolno, byłyby więc praktycznie bezużyteczne),
strat energii (tarcia) w sprężarce i oporów przepływu czynnika chłodzącego.
Seryjnie budowane sprężarkowe pompy ciepła osiągają typowo sprawność równą 50–60% sprawności pompy doskonałej. W odniesieniu do wystandaryzowanych warunków pracy (temperatura parownika 0 °C = 273 K, temperatura skraplacza 50 °C = 323 K) daje to współczynnik efektywności pompy około 3,5, co oznacza, że ponad 70% dostarczonego przez pompę ciepła pochodzi z dolnego źródła, a reszta pochodzi z pracy spreżania.
Dodatkowo, w przypadku, gdy parownik odbiera ciepło od otaczającego powietrza (zawierającego parę wodną), następuje skokowy spadek sprawności przy temperaturze poniżej 0 °C na powierzchni parownika. Jest to spowodowane oszranianiem się parownika i koniecznością okresowego odwracania obiegu pompy celem odszronienia.
Powietrzne (ASHP)
Powietrzna pompa ciepła (źródłem ciepła jest powietrze pobrane z zewnątrz)
Pompa ciepła powietrze-powietrze ( transportuje ciepło do wewnątrz)
Pompa ciepła powietrze-woda ( transportuje ciepło do obiegu grzewczego i do zbiornika domowego z gorącą wodą)
Wyróżniamy dwa typy powietrznego źródła ciepła i oddzielne typy urządzeń. Obydwa urządzenia używają powietrza zewnętrznego jako źródło ciepła. Pompy powietrzno-powietrzne, które pobierają ciepło z powietrza zewnętrznego i transportują to ciepło do powietrza wewnętrznego (np.domu) są najtańszymi i najbardziej powszechnymi. Nie różnią się one od klimatyzatorów niczym, oprócz tego, że ich celem działania jest ogrzewanie wewnętrznego powietrza zamiast jego chłodzenia. Pompy te dostarczają ciepło do budynku w odróżnieniu od klimatyzatorów, które wyprowadzają ciepło na zewnątrz chłodząc wnętrze.
Pompy ciepła powietrzno-wodne transportują pobrane ciepło z zewnątrz do obiegu grzewczego-ogrzewanie podłogowe jest najbardziej wydajne, ale pompy te mogą również transportować ciepło do domowych zbiorników wody gorącej, a woda ta używana jest do zasilania kranów, pryszniców w budynku. Niemniej jednak, gruntowo-wodne pompy ciepła są bardziej wydajne niż powietrzno-wodne i dlatego najczęściej są lepszym wyborem w dostarczaniu ciepła do ogrzewania podłogowego i domowych systemów ciepłej wody użytkowej.
Powietrzne pompy ciepła są względnie proste i niedrogie w instalacji oraz historycznie są najpowszechniej stosowanymi typami pomp ciepła. Jednak z uwagi na użycie powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła posiadają ograniczenia.
Gruntowe (GSHP)[edytuj | edytuj kod]
Gruntowe pompy ciepła (źródłem ciepła jest grunt lub podobne źródło)
Gruntowo-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do wewnątrz)
Glebowo-powietrzne pompy ciepła ( gleba jako źródło ciepła)
Skalno-powietrzne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła)
Wodno-powietrzne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła, np. wody podziemne, jezioro, rzeka)
Gruntowo-wodne pompy ciepła ( transportują ciepło do obiegu grzewczego i domowego zbiornika wody gorącej)
Glebowo-wodne pompy ciepła (gleba jako źródło ciepła)
Skalno-wodne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła)
Wodno-wodne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła)
Gruntowe pompy ciepła są również zwane geotermalnymi pompami ciepła i zwykle mają większą efektywność niż powietrzne pompy ciepła. Jest to spowodowane tym, że pobierają ciepło z gruntu lub wód podziemnych, które mają względnie stałą temperaturę przez cały rok poniżej głębokości około 9 metrów. To oznacza, że różnica temperatur jest niższa, co prowadzi do większej efektywności.
Powietrze wylotowe (EAHP)
Pompy ciepła na wylotowe powietrze(pobierają ciepło z powietrza wylotowego z budynku, wymagają mechanicznej wentylacji)
Wylotowe powietrzno-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do powietrza wlotowego)
Wylotowe powietrzno-wodne pompy ciepła (transportują ciepło do obiegu grzewczego i domowego zbiornika ciepłej wody użytkowej)
Wodne pompy ciepła (WSHP)
Używają jako źródło ciepła wodę płynącą
W zależności od zewnętrznego źródła zasilania można je również podzielić na:
elektryczne,
olejowe,
gazowe (GHP – Gas Heating Pumps).
Dobór źródła zasilania ma nie tylko wpływ na ostateczną ekonomiczność i efektywność rozwiązania (zastosowanie silników gazowych pozwala na dalsze oszczędności dochodzące nawet do 50% w stosunku do tradycyjnych pomp ciepła), ale również na środowisko (LPG jest rozwiązaniem bardziej ekologicznym niż np. olej opałowy).
Pompa ciepła uzyskuje największe skuteczności energetyczne w połączeniu z ogrzewaniem niskotemperaturowym (ogrzewanie podłogowe). Nowo budowany obiekt powinien posiadać świadectwo energetyczne, z którego można skorzystać przy doborze mocy pompy ciepła. Moc pompy ciepła dobiera się w oparciu o projektowe obciążenie cieplne budynku. Zapotrzebowanie na ciepło dla domu zależy od wielu czynników jak powierzchnia budynku, budowa ścian, ilość i rozmieszczenie otworów okiennych i drzwiowych i wiele innych.
Przy projektowaniu systemów grzewczych z pompą ciepła mamy do wyboru kilka rozwiązań:
system monowalentny – pompa jest jedynym urządzeniem grzewczym;
system biwalentny alternatywny – w systemie pracują dwa urządzenia; po osiągnięciu określonej temperatury zewnętrznej pompa wyłącza się i włącza się drugie urządzenie np. kocioł gazowy lub olejowy;
system biwalentny równoległy – w systemie pracują dwa urządzenia; po osiągnięciu określonej temperatury zewnętrznej włącza się drugie urządzenie i od tej pory obydwa urządzenia pracują równocześnie.