Systemy pomp ciepła

Czy pompa ciepła się opłaca?

Otrzymujemy wiele zapytań, o koszt zainstalowania i koszt eksploatacji układu grzewczego z wykorzystaniem pompy ciepła! Pytania dotyczą budynków nowych, a także modernizacji istniejących układów grzewczych. Z obliczeń i doświadczeń wynika niezbicie jedno: układ z pompą ciepła nie musi być „z definicji” tańszy w eksploatacji, od innych układów!. Trudno jest ułożyć wzór „na opłacalność stosowania” pompy ciepła, wiadomo jednak...

Czytaj więcej...

Wysokotemperaturowe pompy ciepła - NOWOŚĆ

To w jaki sposób będzie dostarczane ciepło do pomieszczeń, jest jednym z najważniejszych elementów warunkujących ekonomiczne działanie systemu grzewczego z pompą ciepła. Im niższa temperatura odbioru ciepła, tym eksploatacja jest tańsza. Nie zawsze jednak, możliwe jest wykonanie instalacji z niskotemperaturowym odbiorem ciepła. Z taką sytuacją spotykamy się zazwyczaj przy modernizacji instniejących już instalacji. Dlatego, aby uzyskać komfort cieplny i możliwie niski koszt eksploatacji, stworzyliśmy nową wyskotemperaturową serie pomp ciepła.

Czytaj więcej...

Moduły chłodzenia

Urządzenie współpracujące z pompą ciepła. Dzięki niemu uzyskasz komfortową temperaturę w pomieszczeniu w upalne dni. 

Czytaj więcej...

Opłacalność stosowania pompy ciepła!

Otrzymujemy wiele zapytań, o koszt zainstalowania i koszt eksploatacji układu grzewczego z wykorzystaniem pompy ciepła !

Pytania dotyczą budynków nowych, a także modernizacji istniejących układów grzewczych. Z obliczeń i doświadczeń wynika niezbicie jedno: układ z pompą ciepła nie musi być „z definicji” tańszy w eksploatacji, od innych układów !. Trudno jest ułożyć wzór „na opłacalność stosowania” pompy ciepła, wiadomo jednak dokładnie wpływa na koszt eksploatacji takiego układu grzewczego !

Rozważmy nieco kontrastowe przykłady zapotrzebowania na ciepło:

1. Podgrzać 1 l wody od temperatury 30 st.C do temp. 50 st.C
2. Podgrzać 20 l wody od temp 30 st.C do temperatury 31 st.C

Jeżeli natomiast zadania takie powierzyć pompie ciepła, to ... okaże się że drugie zadanie wykonane zostanie znacznie taniej (ok. 2 razy, ale w tym przypadku zależy to jeszcze od innych czynników; n.p. temperatury dolnego źródła !).

Wytłumaczenie tego zjawiska wynika z odmiennych zasad działania pompy ciepła, jest ona maszyną termodynamiczną, nie ma tam żadnego spalania, a odbiorcą energii z zewnątrz – elektrycznej jest głównie silnik sprężarki, także inne układy pomocnicze: pompy obiegowe, układy sterowania. Ogólnie rzecz biorąc każda maszyna cieplna musi stosować się do równania Carnot’a (równanie Carnot’a opisuje idealną maszynę cieplną o sprawności mechanicznej 100% (i termodynamicznej zależnej wyłącznie od temperatur !), dla przypomnienia sprawność termodynamiczna silnika samochodowego może być od ok. 30% do nawet ok. 50%, sprawność dużej elektrowni węglowej to ok. 50% !). Opisane urządzenia służą do zamiany energii zawartej w paliwie na energie odpowiednio: mechaniczną, bądź elektryczną. Pompie ciepła stawiamy nieco inne zadanie: ma ona przenieść ciepło (to też energia) z miejsca o niższej temperaturze (n.p. ok. 0 st.C) do miejsca o temperaturze zdecydowanie wyższej n.p. naszego domu (n.p. 22 st.C), lub naszej wody do kąpieli (n.p. 50 st.C)

Nie wnikając w szczegóły, działanie pompy ciepła porównać można do windy podnoszącej ciężar; Pompa ciepła „podnosi” ciepło – na wyższą temperaturę, zużywając przy tym – podobnie jak winda energię, tu: na poruszanie silnika sprężarki). Oczywiście im wyżej podnosi, tym więcej energii musi zużyć (prawie liniowo). Czyli w przeciwieństwie do tradycyjnego systemu ogrzewania, koszt ogrzewania za pomocą pompy ciepła silnie zależy od temperatury odbioru ciepła !!! I jest tym większy im jest ona większa !

Zatem dla obniżenia kosztu ogrzewania domu za pomocą pompy ciepła należy zastosować jak najniższą temperaturę odbioru ciepła

Jak wiemy z fizyki ciepło z „własnej woli” przemieszcza się z ciała cieplejszego do chłodniejszego (od grzejnika do powietrza w pokoju, z domu na zewnątrz), ale co zrobić gdy różnica temperatur jest niewielka ? Można do kaloryfera dołączyć wentylatorek by zintensyfikować przepływ powietrza (klimakonwektor), można także powiększyć powierzchnię wymiany ciepła, używając jako wymiennika całej powierzchni podłogi i/lub ścian ! (ogrzewanie podłogowe, ścienne). Istnieją już w Kraju domy z ogrzewaniem o temperaturze maks. do 33 st.C ! To już jest w zasadzie wszystko co w tym kierunku możemy zrobić i nie „przedobrzyć” . Mamy już dobry niskotemperaturowy odbiór ciepła, należy jednak zwrócić uwagę na jeszcze jeden szczegół i wnioski z niego płynące: W klasycznym ogrzewaniu temperatura zasilania i powrotu różnią się od siebie o 15 – 20 st.C, a z uwagi na niską w tym wypadku temperaturę zasilania, a także poprawną pracę układu chłodniczego pompy ciepła należy przyjąć że, temperatura powrotu powinna być o 4 – 5 st.C niższa niż zasilania ! Wynika z tego bardzo ważna zależność: prędkość przepływu czynnika musi być 3- 4 razy wyższa ! (czyli „grubsze” oberrury, mocniejsze pompy obiegowe, podłogówka typowa, ale rurki w podłodze co ok. 10 cm).

Ze stosowania ogrzewania podłogowego niskotemperaturowego wynika jeszcze jeden wniosek: nie należy stosować układów obniżeń temperatury; podłoga jest masywna i nie zdąży zareagować (czas reakcji podłogi to kilka – kilkanaście godzin), można natomiast wykorzystywać podłogę jako akumulator ciepła i „ładować” ją ciepłem w czasie obowiązywania tańszej taryfy na energię elektryczną ! – może to dać wymierne oszczędności !

Oczywiście ważna jest też temperatura dolnego źródła – miejsca skąd pompa ciepła pobiera ciepło. Temperatura ta dla powinna być jak najwyższa. W warunkach krajowych prawie zawsze udaje się skonstruować dolne źródło, tak by jego temperatura było co najmniej większa od 0 st.C.

Do dziś typowym urządzeniem służącym do ogrzewania domów, także innych obiektów jest kocioł spalający paliwo (gaz, olej op. drewno), ogrzewający wodę, a następnie kaloryfery.

By jednak kaloryfery nie były zbyt wielkie i kosztowne przyjmuje się że temperatura wody na wejściu/wyjściu do kaloryfera była n.p. 70/50 st. C , taka temperatura, nie jest już odczuwana jako nieprzyjemnie gorąca, wielkość kaloryferów jest jeszcze do przyjęcia, a spalanie i wymiana ciepłą w kotle zachodzi właściwie.

Dolne źródła - rodzaje

Dla ekonomicznego działania pompy ciepła ważne jest dobranie i skonstruowanie odpowiedniego dolnego źródła – miejsca skąd pompa ciepła będzie czerpać ciepło. Pomijając szczęśliwych właścicieli źródeł ciepła odpadowego, w typowych warunkach będą to:

1. kolektor glikolowy poziomy
2. kolektor glikolowy pionowy
3. układ „dwie studnie”

Pierwszy z wymienionych to układ rur z tworzywa zagłębionych w ziemi na niewielkiej głębokości. Do dobrania mamy: głębokość, długość rury, średnicę rury. Głębokość można dobrać znając maksymalną głębokość przemarzania gruntu dla danej okolicy; nasz kolektor postaramy się umieścić ok. 20 cm – 40 cm niżej, przy czym należy zauważyć że dalsze jego zagłębianie niewiele go „ulepszy”, znakomita większość ciepła jakie nasz kolektor pozyska pochodzić będzie: ze słońca, „z góry”, należy jednak zadbać by teren kolektora był jak najlepiej nasłoneczniony (bez drzew, krzewów). Zależnie od układu rur, przewodności cieplnej gruntu, nasłonecznienia, temperatury średniorocznej, .... dobieramy długość rury. Dla warunków w Kraju można przyjąć że 1 kW mocy chłodniczej (czyli ~1,25 kW mocy grzewczej) wymagać będzie ok. 100 m rury. Rurę układa się liniowo, lub spiralnie. Dla ułożenia liniowego można użyć nieco mniej rury, ale wykop pod kolektor spiralny jest tańszy. Typowa gałąź ma moc chłodniczą 1,5 kW ; przepływ ~0,25 m3/h; 150 m rury średnicy 32 mm z PE, i leży w wykopie 1,2 m – 1,8 m głębokim, szerokim na ok. 1,8 m, a długim na ok. 20 m (fotografie). Podobną moc uzyskać można układając liniowo ok. 130 m rury co ~40 cm jedna od drugiej. Tak wykonane gałęzie łączy się równolegle dla uzyskania żądanej mocy chłodniczej. Często spotkać można się z poglądem że spiralny układ kolektora nie nadaje się jako dolne źródło do pompy ciepła, tylko do zrzutu ciepła z klimatyzacji, bowiem następuje przemrażanie gruntu na skrzyżowaniach rury, istotnie takie zjawisko występuje, ale dla typowych w Kraju warunków i podanego „przepisu” na kolektor spiralny temperatura glikolu będzie w nim na poziomie 0 st.C na wlocie i – 5 st.C na wyjściu (na wiosnę) i przemrażanie będzie zachodzić w niewielkim stopniu ! Powierzchniowy wskaźnik mocy to ok. 25 W/m2.

W bardzo podobny sposób wykonuje się kolektor glikolowy pionowy, lecz zamiast wykopów, wykonać należy odpowiednieodwierty. Często stosuje się głębokość odwiertów 30 m – jak wynika z przepisów „robienie dziur” w ziemi do tej głębokości nie wymaga zezwoleń ! Oczywiście jeżeli mamy maszynę wykonującą tanio odwierty o innych głębokościach to nic nie stoi na przeszkodzie by je wykonać, wydaje się jednak że głębokość 20m – 50 m jest optymalna !, należy zauważyć że obie części U-rury w odwiercie umieszczone są bardzo blisko siebie, a zysków ciepła „z wnętrza ziemi” nie należy się spodziewać (wzrost temperatury w odwiercie to ok. 0,7 K na 100 m głębokości !)

Jeżeli mamy już taki odwiert to należy w nim umieścić rurę z tworzywa PE połączoną w tzw. U-rurkę. Można przyjąć że z jednego takiego odwiertu „wyciągnie się” ~0,8 kW mocy chłodniczej. Odwierty takie wykonuje się co najmniej 5 m jeden od drugiego. Tak wykonane wymienniki łączy się w układ równoległo – szeregowy lecz nie więcej niż 3 w jednym poł. szeregowym (8 szt. połączymy w 4 gałęzie po 2 odwierty w każdej, 11 szt. w 5 gałęzi lecz w jednej będą 3 odwierty, ... staramy się przy tym by długości poszczególnych gałęzi były zbliżone !) Niewielkimi różnicami długości nie należy się przejmować; układ ma własności samoregulacji: w krótszej gałęzi będzie większy przepływ i niższa temperatura, więc i roztwór glikolu będzie bardziej lepki, a to oczywiście zmniejszy przepływ !

Słów kilka o materiałach: wymiennik pompy ciepła wykonany jest przeważnie ze stali kwasoodpornej lutowanej czystą miedzią, rury kolektorów z PE (polietylen), pompa obiegu z żeliwa, rzadziej z brązu, rozdzielacze z PE, innego tworzywa lub żeliwa, inne komponenty z żeliwa, mosiądzu, miedzi, brązu. Roztwór glikolu (szczególnie etylenowego) wykazuje duże oddziaływanie korozyjne na niektóre metale, dlatego też należy bezwzględnie stosować odpowiednie inhibitory korozji, zalecany jest też glikol propylenowy; ma on co prawda nieco gorsze własności cieplne, i jest droższy, lecz o wiele mniej toksyczny, bardziej ekologiczny i mniej korozyjny ! W obiegu dolnego źródła NIE STOSUJE SIĘ ELEMENTÓW OCYNKOWANYCH – jak dotąd nie wynaleziono inhibitorów glikol–cynk. Stężenie glikolu powinno być dobrane na najbardziej niekorzystny przypadek - zatrzymanie pompy obiegu; z reguły presostat pompy ciepła wyłączy ją po obniżeniu się temperatury (i ciśnienia) freonu do ok. – 15 st.C, ale chcąc pewnie chronić wymiennik należy przyjąć że będzie to – 20 st. C ! Nie należy „na wszelki wypadek” dawać za dużych stężeń glikolu – w stężeniu powyżej 50% roztwór nie zamarza, a „kaszkuje”, ale ma o wiele większą lepkość i mniejsze ciepło właściwe; wymagałby zatem większej pompy obiegu.

Warto też zastosować oprócz wody, glikolu, inhibitorów; jeszcze składnik zmniejszający lepkość roztworu, także temperaturę krzepnięcia. Mieszanina trzech lub więcej składników ma przeważnie niższą temperaturę krzepnięcia, niż dwóch.

Wybór między poziomym, a pionowym układem dolnego źródła jest oczywisty; pierwszeństwo z uwagi na niższy koszt ma kolektor poziomy, nieco lepsze własności kolektora pionowego (szczególnie na wiosnę), nie zawsze warte są znacznie wyższej ceny.

Pozostaje jeszcze często zalecany układ „dwie studnie”; nie podzielam zachwytów nad jego sprawnością.

Po pierwsze pompa ciepła musi mieć dodatkowe zabezpieczenie ciągłości przepływu wody ! Ale najważniejszy jest skład wody i gwarancja wydatku studni ! Woda nie może zawierać: żelaza, manganu, osadu, być za twarda. Co prawda wymiennik pompy ciepła daje się czyścić (kwasem azotowym, ortofosforowym, szczawiowym), ale trudno mówić o właściwym i bezproblemowym działaniu układu jak czyszczenie jest co pół roku ! Typowe jest też zapychanie się studni zrzutowej (kolmatacja), i tak inwestor może stać się niespodziewanie posiadaczem całkiem sporego stawu z gwarantowaną dostawą wody 24 m3/ dobę ! Oczywiście jeżeli w studni jest woda nie zawierająca wymienionych powyżej składników mineralnych, jest ona ze złoża z głębokości 15 m – 30 m, jej lustro jest na dynamicznym poziomie do 6 m (tańsza pompa), a warstwy geotechniczne gwarantują stały wydatek i pochłanianie studni; to może warto ryzykować i .... grzać dom o ok. 10% taniej, za to płacić za czyszczenie wymienników i konserwację studni. Układ dwie studnie daje oczywiście wyższą temperaturę dolnego źródła (o ok. 8 Kelvinów) ale należy pamiętać że pompowanie wody między dwoma studniami wymagać będzie znacznie większej mocy (~x 2,5) niż wywołanie przepływu w zamkniętym układzie glikolu !

Górne źródło pompy ciepła

Górne źródło ciepła jest to układ (instalacja grzewcza), do którego pompa ciepła oddaje energię cieplną.

Ogrzewanie budynku

Energia cieplna może być przekazywana do ogrzewanego obiektu za pomocą powietrza lub wody. W tym drugim przypadku, będąca nośnikiem ciepła woda, krążyć może w instalacji ogrzewania radiatorowego (grzejnikowego lub klimakonwektorowego), podłogowego lub ściennego. W przypadku pomp ciepła ważne jest, by można było zasilać instalację grzewczą wodą o jak najniższej temperaturze. Zapewnia to wysoką efektywność pracy pompy ciepła.

Dla pompy ciepła najkorzystniejszym typem górnego źródła jest podłogowe lub ścienne ogrzewanie wielkopłaszczyznowe, typowo zasilane wodą o niskiej temperaturze (do 45 °C). Ogrzewanie takie znaczną część ciepła oddaje przez promieniowanie; co oprócz komfortowego odczuwania ciepła i braku krążenia kurzu, pozwala zmniejszyć o 2 - 3 stopnie temperaturę w pomieszczeniu bez utraty odczucia komfortu cieplnego. Przy współpracy pompy ciepła z grzejnikami, należy pamiętać o tym, aby instalacja była przeliczona na maksymalną temperaturę wody zasilającej 55 °C. Można to uzyskać poprzez rozbudowanie powierzchni grzejników lub zastosowanie droższych, ale zajmujących mniej miejsca klimakonwektorów. Pompa ciepła ogrzewa także ciepłą wodę użytkową (C.W.U.). Teoretyczna maksymalna temperatura C.W.U., jaką jest w stanie przygotować pompa ciepła, wynosi ok. 53 °C. W praktyce wartość tej temperatury zależy od efektywności układu wymiennikowego C.W.U. i waha się ona w granicach od 43 °C do 50 °C. Dla mniejszych jednostek (do 15 kW mocy grzewczej) można stosować zbiorniki z wewnętrznymi wymiennikami ciepła; zbiornik wężownicą lub zbiornik z płaszczem(zbiornik w zbiorniku). Dla pomp ciepła o większych mocach zaleca się stosowanie wymienników płytowych w typowym dla nich układzie pracy.

Zbiorniki ciepłej wody użytkowej

Zbiorniki c.w.u. do pomp ciepła. Kompaktowa pompa ciepła jest trochę podobna do kotła dwufunkcyjnego z wbudowanym zbiornikiem c.w.u. . Insatalując taką PCi nie mamy dużego wpływu na działanie systemu przekazu ciepła do c.w.u. - o to zadbał już lepiej czy gorzej konstruktor pompy ciepła.

Typowa pompa ciepła jest zwykle pewnym odpowiednikiem jednofunkcyjnego kotła c.o., pewnym, bo w przeciwieństwie do kotła, koszt ciepła zależy tu silnie od temperatury odbioru: im temperatura wyższa, tym koszt większy ! Uwzględniając jeszcze fakt że typowa pompa ciepła potrafi na wyjściu wytworzyć temperaturę nie wyższą niż 64 °C, to grzanie c.w.u. nie jest wcale takie proste, a przy takich parametrach nieekonomiczne. Obecnie stosowane są:

1.Typowe zbiorniki c.w.u. z powiększoną nawet czterokrotnie wężownicą – zamiast typowego dla takiego zbiornika spadku temperatury ~25K, mają one spadek ok. 6K- 15 K , z trudem pozwala to na uzyskanie temperatury c.w.u. najwyżej 50 °C. Układ jest prostym rozwinięciem typowego i znanego od dziesięcioleci urządzenia, dla zadanej mocy jego koszt jest stosunkowo wysoki

2.Zbiorniki "z odwróconą wężownicą" – jak nazwa wskazuje zamienione są w nich funkcje wężonicy i zbiornika: w wężownicy znajduje się c.w.u. a w zbiorniku woda grzewcza, taki system także musi posiadać wężownicę o znacznej powierzchni, a jego wadą jest spadek temperatury c.w.u. przy większym poborze ! Poza tym jeżeli woda użytkowa jest twarda to wężownica szybko i skutecznie się zakamienia od wewnątrz – wymagając częstego i żmudnego czyszczenia

3.Zbiorniki "z mamką" – jest to odmiana zbiornika z płaszczem, ale tak zrobiona że: płaszcz ma pojemność wodną większą od zbiornika c.w.u. . Często ścianka boczna zbiornika wewnetrznego jest falowana, a zbiornik zachowuje się jak miech; ruchy pod wpływem zmian ciśnienia c.w.u. ścianki bocznej pozwalają na samooczyszczanie się jej z kamienia. To chyba najczęściej obecnie stosowany typ zbiornika, wykonany całkowicie lub cęściowo z stali nierdzewnej (ASI316L), prawidłowo zainstalowany zapewnia spadek temperatury mniejszy od 10K. Układ zapewnia prosty montaż, zbiornik ma stosunkowo duże wymiary

4. Zbiorniki ładowane za pomocą wymiennika płytowego lub podobnego, taki układ także wymaga czyszczenia; wymiennika. Spadek temperatury wynika tu wyłącznie z doboru mocy wymiennika: zaleca się 4 – 6 K. Z uwagi na stosunkowo skomplikowany układ i konieczność stosowania dwóch pomp do ładowania w tym jednej "kolorowej", układ taki stosuje się chętnie dla dużych mocy PCi i wysokiego zapotrzebowania c.w.u. Układ charakteryzuje się stosunkowo niewielką pojemnością zbiornika i jego prostotą

Obecnie stosuje się rozwiązania opisane w p. 2, 3, 4, każde z nich ma wady i zalety. Jednakże rozwiązanie, które jest najbardziej odpowiednie dla instalacji ogrzewania ciepłej wody użytkowej w domach jednorodzinnych to zbiornik z płaszczem („z mamką”) opisany w punkcie 3. Oczywiście każdy przypadek należy rozważyć indywidualnie, dlatego zapraszamy do kontaktu z naszym zespołem doradców technicznych.