Pompy ciepła to urządzenia, które efektywnie przenoszą ciepło z jednego miejsca do drugiego, wykorzystując do tego procesy termodynamiczne. Warunki te spełnia lodówka czy klimatyzator, ale przyjęło się, że kiedy mówimy o pompach ciepła, to mamy na myśli urządzenia do ogrzewania domu. Ich działanie opiera się na cyklu, który obejmuje parowanie i skraplanie czynnika roboczego, zazwyczaj będącego specjalnie dobranym środkiem chłodniczym. Pompy ciepła, wykorzystujące niewielką ilość energii elektrycznej do napędzania sprężarki, oferują wydajne rozwiązanie do ogrzewania domów. W porównaniu z tradycyjnymi kotłami gazowymi, piecami olejowymi czy ogrzewaniem elektrycznym, koszty eksploatacji są znacząco niższe, co wynika z efektywności przenoszenia ciepła zamiast jego generowania.
Zasada działania pompy cieplnej
Z perspektywy termodynamicznej, pompy ciepła funkcjonują na zasadzie obiegu, który jest podobny do obiegu Lindego. Obieg Lindego to cykl termodynamiczny wykorzystywany w układach chłodniczych, gdzie czynnik roboczy przechodzi przez szereg przemian.
Pobieranie ciepła (energii) z powietrza
Proces rozpoczyna się od odparowania czynnika chłodniczego w parowniku (jest to wymiennik ciepła), gdzie odbiera on ciepło z otoczenia i przekształca się z cieczy w gaz.
Sprężanie czynnika chłodniczego
Następnie gaz jest zasysany i sprężony w sprężarce, co prowadzi do wzrostu jego ciśnienia i temperatury powyżej temperatury otoczenia, umożliwiając oddawanie ciepła w skraplaczu. Ten etap wymaga zewnętrznego źródła energii.
Oddawanie ciepła do systemu ogrzewania budynku
W skraplaczu znajdują się naprzemiennie ułożone warstwy kanałów – w jednej grupie kanałów wymiennika (skraplacza) krąży czynnik chłodniczy, w drugiej grupie nasze medium grzewcze (zazwyczaj woda). W procesie skraplania, czynnik przekazuje ciepło z gorącego gazu do wody, zmieniając tym samym fazę z gazowej na ciekłą. System następnie przesyła ogrzaną w ten sposób wodę do centralnego ogrzewania, na przykład do grzejników lub instalacji ogrzewania podłogowego.
Powrót czynnika do stanu początkowego
Po oddaniu ciepła i skropleniu, czynnik chłodniczy przechodzi przez zawór rozprężny (dławiący), gdzie jego ciśnienie i temperatura obniżają się. Następnie wraca do parownika, aby rozpocząć cykl na nowo.
Cała instalacja składa się z trzech głównych elementów: źródła dolnego (to zasoby, z którego pompa ciepła pobiera ciepło, może to być grunt, woda lub powietrze), pompy ciepła i źródła górnego (miejsce, gdzie ciepło jest oddawane, instalacja grzewcza, która odpowiada za rozprowadzenie ciepła w budynku).
Pompy ciepła – rodzaje
Mogą być klasyfikowane na podstawie źródła ciepła, z którego pobierają energię, co prowadzi do wyodrębnienia trzech głównych typów: wodnych, gruntowych i powietrznych. Pompy można również podzielić dodatkowo na te które składają się z dwóch oddzielnych jednostek: jednej zewnętrznej (zawierającej parownik i część systemu chłodniczego) oraz jednej wewnętrznej (zawierającej skraplacz i inne komponenty systemu) – typu split, oraz typu monoblok w którym wszystkie komponenty, w tym parownik, skraplacz i system chłodniczy, są zintegrowane w jednej zewnętrznej jednostce.
Wodne pompy ciepła
Zasada działania: Wodne pompy ciepła opierają swoje działanie na wykorzystaniu zbiorników wodnych lub studni głębinowych znajdujących się obok domu. W przypadku wód powierzchniowych rury wymiennika ciepła są umieszczane w wodzie – na dnie jeziora lub zawieszone na odpowiedniej głębokości w wodzie. W przypadku montażu pompy cieplnej wykorzystującej wodę gruntową wykonuje się odwierty pionowe (głębokie) lub poziome (płytkie). Pompa ciepła wodna jest bardzo efektywnym urządzeniem, ponieważ woda posiada doskonałą zdolność do akumulowania ciepła. Są one jednak najrzadziej stosowane, co wynika z trudnej dostępności odpowiedniej wielkości i jakości wód gruntowych. Nieodpowiedni skład wody, zawierającej duże ilości składników mineralnych, takich jak wapń czy żelazo, przyczynia się do zapychania filtrów, wymienników ciepła. Powoduje również zamulenie studni zrzutowej, która po prostu przestaje działać. Wodna pompa ciepła to koszt około 30 000 zł, jej montaż mieści się w granicy 4 000 zł. Pompa do prawidłowej pracy potrzebuje pompy głębinowej, co może wygenerować koszt kolejnych 3 000 zł.
Charakterystyka techniczna: Wysoka efektywność cieplna, zależna od stałej temperatury źródła wodnego. Ograniczenia związane z dostępnością źródła wodnego i wymogami ochrony środowiska.
Powietrzne pompy ciepła
Zasada działania: Wśród powietrznych pomp ciepła wyróżnia się 2 rodzaje urządzeń:
pompy ciepła powietrze-woda – czerpią energię cieplną z powietrza i kierują ją poprzez wymiennik ciepła do obiegu grzewczego oraz instalacji c.w.u.,
pompy ciepła powietrze-powietrze – również pobierają ciepło z zewnątrz, jednak kierują je bezpośrednio do wnętrza pomieszczeń.
Charakterystyka techniczna: Niższa efektywność w porównaniu do gruntowych i wodnych, zwłaszcza w niskich temperaturach zewnętrznych. Niższe koszty instalacji i konserwacji. Powietrzna pompa ciepła to koszt w granicach 15 000 – 30 000 zł. Rozbieżność w cenie jest duża, ponieważ finalny koszt pompy ciepła zależy od jej przeznaczenia. Jeżeli będzie przeznaczona jedynie do ogrzewania domu, całkowity koszt urządzenia będzie bliższy 15 000 zł. Natomiast jeżeli pompa ma służyć również do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, jej cena może wzrosnąć do wspomnianych 30 000 zł.
Gruntowe pompy ciepła
Zasada działania: Wykorzystują stałą temperaturę gruntu, pobierając ciepło ziemi za pomocą rur poziomych lub pionowych zamontowanych w gruncie. W celu jego pozyskania konieczne jest zamontowanie w ziemi wymiennika ciepła wypełnionego płynem niezamarzającym, który pobiera ciepło i transportuje je do pompy ciepła.
Gruntowe pompy ciepła podzielić można na pompy ciepła z:
kolektorem poziomym: pętle rur z płynem niezamarzającym umieszcza się płytko pod powierzchnią ziemi, lecz na dużej powierzchni,
kolektorem pionowym: w celu umieszczenia rur konieczne jest wykonanie odwiertów nawet na kilkadziesiąt metrów w głąb ziemi.
Charakterystyka techniczna: Niemal stała, dodatnia temperatura gruntu sprawia, że uznaje się pompy ciepła gruntowe za najbardziej wydajne. Wysoka efektywność przez cały rok, długa żywotność, niska emisyjność. Gruntowe pompy ciepła są jednak znacznie droższe niż powietrzne pompy ciepła. Koszty instalacji zależą od warunków geologicznych i wielkości systemu. Koszty takiej instalacji to odpowiednio: 12 000 – 30 000 zł za urządzenie, do 30 000 zł montaż oraz około 13 000 – 14 000 zł za realizację dolnego źródła ciepła.
Pompy ciepła – komponenty
1. PAROWNIK
Składa się z sieci rur lub paneli, przez które przepływa czynnik chłodniczy. Rury te często są wykonane z metali o dobrej przewodności cieplnej.
2. CZYNNIK CHŁODNICZY
Specjalna substancja, znana jako czynnik chłodniczy, transportuje ciepło poprzez zmiany swojego stanu skupienia. Istnieje wiele różnych rodzajów czynnika, w tym chlorofluorowęglowodory (CFC), hydrochlorofluorowęglowodory (HCFC), oraz naturalne jak amoniak, propan lub glikol. Wybór czynnika chłodniczego często uwzględnia wpływ na środowisko, w tym potencjał niszczenia warstwy ozonowej. Z tego powodu, substancje takie jak CFC i HCFC są stopniowo wycofywane.
3. SPRĘŻARKA
Tłokowa
Działanie: Wykorzystują ruch tłoka w cylindrze do sprężania czynnika chłodniczego.
Zalety: Wysoka wydajność, niezawodność, uniwersalność, stosunkowo niski koszt.
Wady: Może być głośna, wymagać częstszej konserwacji.
Spiralna
Działanie: Używają dwóch spiral do sprężania czynnika chłodniczego.
Zalety: Cicha praca, wysoka wydajność, mniejsza konserwacja, nieprzerwany przepływ czynnika.
Wady: Wyższy koszt zakupu i naprawy.
Rotacyjna
Działanie: Stosują obracające się elementy do sprężania czynnika chłodniczego.
Zalety: Wysoka wydajność, cicha praca, kompaktowy rozmiar.
Wady: Wyższe koszty, wymaga więcej konserwacji.
Śrubowa
Działanie: Używają dwóch zazębiających się śrub helikalnych do sprężania czynnika chłodniczego.
Zalety: Wysoka wydajność, niezawodność, dobra praca przy ciągłej eksploatacji.
Wady: Najdroższe.
Inwertorowa
Działanie: Modulują prędkość działania w zależności od aktualnego zapotrzebowania.
Zalety: Oszczędność energii, równomierne temperatury, dłuższa żywotność urządzenia.
Wady: Wyższy koszt początkowy.
4. SKRAPLACZ
W skraplaczu znajdują się naprzemiennie ułożone warstwy. W jednej grupie kanałów wymiennika krąży czynnik chłodniczy, w drugiej medium grzewcze (zazwyczaj woda).
5. ZAWÓR ROZPRĘŻNY
Przepuszczając czynnik chłodniczy przez zawór, jego ciśnienie i temperatura ulegają znacznemu obniżeniu. Proces ten jest kluczowy dla umożliwienia ponownego absorbowania ciepła przez czynnik chłodniczy w parowniku.
Zawory Termostatyczne (TEV): Automatycznie dostosowują przepływ czynnika chłodniczego na podstawie temperatury wypływu z parownika.
Zawory Elektroniczne: Elektronicznie sterowane, oferują bardzo dokładną kontrolę przepływu z tego powodu często są stosowane w wysoko efektywnych pompach cieplnych.
Trendy rynkowe
Aktualne trendy odzwierciedlają dynamiczny rozwój tej technologii, która staje się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem w sektorze ogrzewania i chłodzenia. Na pierwszy plan wysuwa się znaczący wzrost sprzedaży, zanotowany w pierwszym kwartale 2023 roku. Sprzedaż wtedy wzrosła o 43-47 tysięcy urządzeń, co świadczy o rosnącej akceptacji tej technologii przez rynek. Dodatkowo, obserwujemy wzrost zainteresowania gruntowymi pompami ciepła. Zyskują one na popularności ze względu na wyższą efektywność i niższe koszty operacyjne, mimo że początkowy koszt instalacji jest wyższy.
Znaczącym czynnikiem napędzającym wzrost rynku pomp ciepła są programy rządowe, takie jak „Moje Ciepło„. Program ten, to inicjatywa dla osób prywatnych w Polsce, mająca na celu promowanie ekologicznych i oszczędnych rozwiązań ogrzewania domów. Program wspiera finansowo zakup i instalację nowoczesnych pomp ciepła w nowych domach jednorodzinnych, z naciskiem na ograniczenie emisji szkodliwych gazów i promowanie odnawialnych źródeł energii. Budżet programu to 600 milionów złotych, a dofinansowanie sięga do 30% lub 45% kosztów, z maksymalną kwotą 21 tysięcy złotych dla pomp gruntowych a dla powietrznych typu powietrze-powietrze i powietrze-woda to 7 tysięcy złotych. Program jest otwarty od kwietnia 2022 do grudnia 2026 roku lub do wyczerpania środków.
Zachęcamy do zapoznania się z innymi tekstami w dziale Ciekawostki oraz naszymi celami i ideami. Jak również do wsparcia Fundacji Utopia darowizną, by kolejne teksty dotyczyły naszych autorskich, wielkich projektów.
Źródła:
https://globenergia.pl/niespodzianka-na-rynku-pomp-ciepla-znamy-najnowsze-dane/#:~:text=Jednocze%C5%9Bnie%20wyra%C5%BAnie%20wzros%C5%82a%20sprzeda%C5%BC%20gruntowych,Ich%20sprzeda%C5%BC%20spad%C5%82a%20o%2055
https://coastalheatpumps.com/2023-heat-pump-trends-technology/
https://energetycznyprojekt.pl/porownanie-pomp-ciepla/