Pompy ciepła.
Pompy ciepła umożliwiają wykorzystanie zasobów energii odnawialnej zawartej w środowisku otaczającym budynek: w powietrzu atmosferycznym, gruncie, wodzie powierzchniowej lub gruntowej. Urządzenia te pobierają energię z tych źródeł i przenoszą ją do budynku. Nazwa pompa ciepła wywodzi się z idei funkcjonowania pompy wodnej, tzn. „pompowania” – w tym przypadku energii (ciepła). Urządzenie to działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka (gdzie Q0 – ciepło odebrane ze źródła dolnego, L – energia potrzebna do pracy pompy, Q – ciepło dostarczone do źródła górnego): odbiera energię z ośrodka o niskiej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej (odbiornika).
Natomiast celem pracy pompy ciepła jest dostarczenie ciepła do jej źródła górnego, a nie jak w przypadku chłodziarki, odebranie ciepła ze źródła dolnego. Pompa ciepła odbiera energię ze źródła o niskiej temperaturze i przenosi ją do źródła o wyższej temperaturze, gdzie zostaje wykorzystana do ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła wykorzystują tzw. ciepło niskotemperaturowe, trudne do innego praktycznego wykorzystania.
Aby mogło nastąpić przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze musi być, zgodnie z podstawowymi prawami termodynamiki, dostarczona energia z zewnątrz, czyli wykorzystuje się dodatkowe źródło energii z zewnątrz (w formie pracy lub ciepła). W zależności od typu energii jaka jest dostarczana, pompy ciepła dzieli się na:
– napędzane mechanicznie, jeśli dodatkowe źródło dostarcza energię mechaniczną,
– napędzane termicznie (cieplnie), jeśli dodatkowe źródło dostarcza energię cieplną.
Istnieje podstawowa różnica pomiędzy tymi dwoma typami pomp ciepła. W pompach napędzanych mechanicznie do układu dostarczana jest praca, w formie energii elektrycznej, bezpośrednio na wał sprężarki. Pompy te zwane są powszechnie pompami sprężarkowymi. Zaś w pompach napędzanych termicznie, energia cieplna musi być najpierw zamieniona na pracę, i dopiero w takiej formie wykorzystywana jest do sprężania czynnika roboczego. Pompy tego typu zwane są pompami sorpcyjnymi, z których najbardziej rozpowszechnione to pompy absorpcyjne.
Najczęściej stosowane pompy ciepła wykorzystują pracę czynnika roboczego w układzie parowym (z cyklicznymi przemianami fazowymi czynnika roboczego ciecz-para), gdyż jest to najbardziej uzasadnione ekonomicznie. Możliwe są też, choć rzadko stosowane, układy gazowe. Realizacja transportu ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego może wykorzystywać szereg innych procesów. Oprócz wymienionych pomp ciepła z obiegiem parowym i gazowym, stosowane są także pompy wykorzystujące efekty termoelektryczne, reakcji chemicznych, elektrodyfuzji oraz magnetyczne.
Sprężarkowe pompy ciepła mogą być napędzane silnikiem:
– elektrycznym,
– gazowym,
– Diesla.
Większość najbardziej popularnych sprężarkowych parowych pomp ciepła jest napędzana silnikiem elektrycznym.
Absorpcyjne pompy ciepła, mogą być zasilane ciepłem dostarczanym z zewnątrz do obiegu silnika cieplnego:
– ciepłem z urządzeń tradycyjnych, np. z kotłów gazowych,
– ciepłem odpadowym, np. z procesów przemysłowych.
Pompy ciepła mają zastosowanie zarówno w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania. Do ogrzewania domów jednorodzinnych stosuje się pompy o mocy od kilku do kilkunastu kilowatów na poziomie źródła górnego. Są to na ogół pompy sprężarkowe, głównie ze sprężarkami tłokowymi, napędzanymi silnikami elektrycznymi. Większość z nich pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego. Często pompy te współpracują z innymi systemami ogrzewania np. z elektrycznym lub centralnym, włączonym szeregowo lub równolegle. Znaczna ich część działa zimą jako urządzenie grzewcze, latem – jako klimatyzacyjne. Pompy ciepła stosowane są głównie w domach jedno- i dwurodzinnych.
W systemie grzewczym z pompą ciepła ok. 2/3 niezbędnej np. do ogrzewania pomieszczeń energii pochodzi z otoczenia, a jedną trzecią stanowi energia elektryczna niezbędną do napędu sprężarki (w sprężarkowej pompie ciepła). Wtedy pompa ciepła oddaje ciepło w ilości trzy razy większej od pobranej energii elektrycznej.
Pompy ciepła wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania ciepłej wody użytkowej, dzieli się ze względu na czynniki stanowiące dolne i górne źródło ciepła:
– pompa ciepła powietrze/powietrze (P-P): pompa odbiera ciepło od powietrza i do powietrza je przekazuje
– pompa ciepła powietrze/woda (P-W)
– pompa ciepła woda/woda (W-W)
– pompa ciepła grunt/woda
– pompa ciepła woda/powietrze
– pompa ciepła grunt/solanka/woda, gdzie ze względu na duże powierzchnie wymienników ciepła, nie stosuje się w absorberach bezpośredniego odparowania, lecz włącza się solankę jako pośredni nośnik ciepła.
Na ogół pompa ciepła o mniejszej mocy stanowi zintegrowany blok składający się z podstawowych elementów: sprężarki, zaworu rozprężającego, parownika, kondensatora (skraplacza). Ilustruje to przykład pompy ciepła typu grunt / solanka / woda. Do typowego bloku podstawowego dołącza się indywidualnie wymiennik ciepła z solanką i obieg centralnego ogrzewania. Solanka, oddająca ciepło czynnikowi roboczemu pompy ciepła w jej parowniku, cyrkuluje w wymienniku ciepła umieszczonym w gruncie.
Zastosowanie pomp ciepła redukuje zanieczyszczenia środowiska w miejscu ich wykorzystania i często ten właśnie fakt bywa decydującym o wykonaniu takiej instalacji.