Ekologia, wygoda i niskie koszty eksploatacji kuszą wiele osób chcących zamontować pompy ciepła w swoich domach i zakładach pracy. Na czym polega praca pomp i jakie jej rodzaje występują na rynku? Opisujemy najpopularniejsze rodzaje pomp ciepła i wskazujemy na różnice pomiędzy nimi.
Energia cieplna przechodzi z miejsca o wyższej temperaturze, do miejsca o niższej temperaturze. W przypadku pomp ciepła energia jest pobierana z miejsca, które ma temperaturę niższą, niż pomieszczenie, które chcemy ogrzać. W jaki sposób udało się wymyślić urządzenie, które na pierwszy rzut oka przeczy wspomnianej zasadzie fizyki, a tak naprawdę ją wykorzystuje?
Historia pomp ciepła sięga początków XIX wieku. Wtedy to fizycy dzięki swoim obserwacjom i badaniom stworzyli podwaliny pracy tych urządzeń, które powstały wiek później. Protoplastami pomp były pierwsze chłodziarki - w 1834 roku Jacob Perkins opatentował pierwsze tego typu urządzenie. William Thompson (twórca skali Kelvina) zwrócił uwagę, że odwrócone działanie chłodziarek można wykorzystać do ogrzewania. W 1930 roku Albert Einstein wraz z Leo Szilardem opatentowali urządzenie, które potrafiło przekazać energię z miejsca o niższej temperaturze do tego, gdzie temperatura jest wyższa. Pierwsze w pełni sprawne pompy ciepła zaczęto montować jeszcze w okresie międzywojennym.
Pompa ciepła składa się z trzech oddzielnych obiegów, które są połączone ze sobą przez wymienniki ciepła:
Obieg czynnika chłodniczego podłączone jest przez:
Energia cieplna przechodzi tylko z ciała o wyższej temperaturze na ciało o niższej temperaturze, dlatego też czynnik chłodniczy musi mieć w parowaczu niższą temperaturę niż źródło ciepła. Z kolei aby doszło do przekazania energii cieplnej temperatura czynnika chłodniczego w skraplaczu musi być wyższa niż temperatura wody grzewczej. Za powstawanie różnicy temperatur w obiegu czynnika chłodniczego odpowiada sprężarka i zawór sprężony, umiejscowione pomiędzy parowaczem i skraplaczem.
Z zewnątrz budynku montuje się instalację. Przepływający przez nią czynnik niezamarzający ma niższą temperaturę niż otoczenie - dolne źródło ciepła. Ponieważ woda zamarza w temperaturze 0°C, wykorzystuje się inne substancje - np. glikol. Ogrzany czynnik niezamarzający trafia do zbiornika zwanego parowaczem, gdzie oddaje temperaturę innej substancji (czynnik chłodzący), która potrzebuje przyjąć niewiele energii, żeby zmienić swój stan skupienia w gazowy.
Gdy to się stanie, pompa wykorzystuje kolejne prawo fizyki. Czynnik chłodzący zostaje sprężony przez sprężarkę, przez co jego temperatura znacząco wzrasta. Pozwala to następnie ogrzać wodę w wymienniku ciepła, która później płynie do kaloryferów, lub układu ogrzewania podłogowego. Po oddaniu ciepła i co za tym idzie - skropleniu, czynnik zostaje rozprężony, dzięki zaworowi rozprężnemu - co dodatkowo obniża jego temperaturę. Cykl się powtarza.
Podsumowując, pompy ciepła wykorzystują najczęściej 3 obiegi:
Przeczytaj więcej na temat tego, jak działa pompa ciepła.
Zasada poszczególnych rodzajów pomp ciepła jest podobna. Różnią się między sobą głównie:
Źródła ciepła:
Niektóre z wymienionych rodzajów pomp ma specyficzne zastosowanie w laboratoriach, przemyśle, specjalistycznych urządzeniach chłodniczych. W przypadku ogrzewania pomieszczeń we wszelkiego rodzaju budynkach stosuje się najczęściej pompy sprężarkowe.
Ponieważ dla poszukujących dobrego sposobu ogrzewania znaczenie ma przede wszystkim podział ze względu na dolne źródło ciepła, w dalszej części artykułu skupimy się głównie na nim. Obecnie montuje się trzy rodzaje pomp:
Ziemia jest bardzo dobrym i w miarę stałym w swych właściwościach magazynem energii. Pod wierzchnią warstwą, istnieje poziom, na którym niezależnie od pory roku utrzymuje się w miarę stała temperatura - najczęściej kilka stopni Celsjusza powyżej zera. Dzięki tej właściwości gleby, pompa może transportować z niej ciepło do budynku.
Aby wykorzystać energię zmagazynowaną w ziemi, trzeba zamontować kolektor. Jest to urządzenie, w którego obiegu płynie czynnik niezamarzający. Ponieważ ma temperaturę niższą niż grunt, pobiera ciepło z ziemi. Ogrzany czynnik niezamarzający jest transportowany do parownika, gdzie przekazuje energię czynnikowi chłodzącemu. Istnieją dwa rodzaje kolektorów do gruntowych pomp ciepła - kolektor poziomy i kolektor pionowy.
Należy także wiedzieć, że wielkość kolektorów (a co za tym wielkości odwiertów/wykopów) uzależniona jest od rodzaju gleby, w której ma być położona. Mokra gliniasta ziemia, która łatwiej przewodzi i przenosi ciepło, potrafi sprawić, że urządzenie będzie w stanie pobrać 3-4 razy więcej energii niż w przypadku takiego samego kolektora umieszczonego w suchym i piaszczystym gruncie.
Gruntowa pompa ciepła z kolektorem poziomym
Kolektor poziomy w pompie ciepła jest położony kilka metrów pod powierzchnią (najczęściej około 1,5 m) i składa się ze specjalnych rurek. Teren przygotowany pod urządzenie musi mieć następujące cechy:
Jeśli teren, w którym zostanie położony kolektor, nie będzie wystarczająco nasłoneczniony, to w okresie letnim, grunt nie zdoła przyjąć do siebie wystarczającej ilości energii. Przeszkodzi w tym także zabudowanie kostką brukową. Jeśli kolektor poziomy położymy na zbyt małej powierzchni, nie doprowadzimy wystarczającej ilości energii do urządzenia.
Warto jeszcze wspomnieć, że w przypadku kolektorów gruntowych poziomych istnieje możliwość zmniejszenia liczby obiegów z 3 do 2. W kolektorach krąży wtedy czynnik chłodzący (odporny na zamarzanie) zamiast czynnika niezamarzającego. Parowanie występuje w kolektorze, przez co nie trzeba wykorzystywać parownika do przekazania ciepła kolejnemu rodzajowi płynu. Ogranicza to straty cieplne.
Gruntowa pompa ciepła z kolektorem pionowym
Kolektor pionowy można stosować w większej liczbie miejsc niż kolektor poziomy. Ponieważ głęboko w ziemi jest cieplej niż przy powierzchni oraz występują tam niższe wahania temperatury, jest on także bardziej efektywny. Kolektor pionowy nie wymaga dużej powierzchni działki. Do ogrzewania budynku można także wykorzystać większą liczbę sztuk.
Należy pamiętać, że planowanie odwiertów wraz z planem robót geologicznych trzeba zgłosić do starostwa powiatowego (to samo tyczy się kolektora poziomego). Jeśli planuje się odwierty na ponad 30 m głębokości na obszarze górniczym lub ponad 100 m poza tym obszarem, musimy także się postarać o zgodę urzędu górniczego.
Praca wodnych pomp ciepła przypomina nieco sposób działania pomp gruntowych. W tym wypadku kolektor pobiera energię ze zbiornika wodnego lub cieków podziemnych. Zaletą tego rozwiązania jest wysoka efektywność - woda lepiej przechowuje energię niż gleba (jest też cieplejsza) i szybciej się odnawia. Niestety elementy instalacji prędzej korodują, dlatego zaleca się stosowanie wodnych pomp ciepła w przypadku dużego zapotrzebowania na energię. Potrzebne są także odpowiednie filtry, a woda musi posiadać odpowiednią jakość.
Podobnie jak w wypadku pomp gruntowych, do zamontowania pompy wodnej trzeba uzyskać określone zgody. Jeśli pobór wyniesie ponad 5m3 na dobę, musimy uzyskać pozwolenie wodnoprawne. Zazwyczaj jednak nie ma takiej konieczności.
Istnieją dwa typy wodnych pomp ciepła:
Pompa ciepła wykorzystująca zbiorniki wodne
Wykorzystywanie zbiorników wodnych przy domu jest najbardziej opłacalnym i najprostszym sposobem wykorzystywania energii z wody. Nie każdy ma jednak bezpośredni przystęp do stawu, rzeki, lub jeziora. Woda na dnie wspomnianych zbiorników nie zamarza i jeśli nie jest zbyt płytko, posiada odpowiednią temperaturę dla sprawnego działania pompy nawet w mroźne dni.
Pompa ciepła wykorzystująca wody gruntowe
Jeżeli nie ma bezpośredniego przystępu do zbiorników wodnych, można wykopać dwie studnie: czerpną i zrzutową. Pompa pobiera wodę z pierwszej studni, odbiera energię i przekazuje ją systemowi ogrzewania. Następnie wodę oddaje się do studni zrzutowej. Ważne jest pilnowanie, aby studnia zrzutowa nie była zamulona.
Powietrzne pompy ciepła są bardzo popularne ze względu na niski koszt i brak pozyskiwania zgód urzędów państwowych. Ich źródłem dolnym jest powietrze z zewnątrz budynku lub ciepłe powietrze, które jest wywiewane z pomieszczeń. Obecnie produkowane modele potrafią pracować nawet w niskich (- 25°C) temperaturach. Niestety wtedy spada ich współczynnik wydajności (im wyższa różnica temperatur tym jest niższy). Pompa zużywa większe ilości prądu elektrycznego, dlatego często tworzy się układy, w których podczas najcięższych mrozów, część (lub całość) energii jest wytwarzana przez inne źródło ciepła. Należy jednak pamiętać, że klimat się ociepla i coraz rzadziej dochodzi do takich sytuacji. Większość producentów posiada także powietrzne pompy ciepła z funkcją odwrócenia obiegu i chłodzenia pomieszczeń latem.
Współczynnik wydajności pomp ciepła - stosunek ilości ciepła, które dostarczymy do budynku do ilości energii, którą zużywa pompa na swoją pracę. Im wyższa różnica temperatur między górnym i dolnym źródłem ciepła, tym współczynnik staje się niższy. Przykładowo jeśli do budynku dostarczymy 24 kWh energii a pompa zużyje przy tym 6 kWh prądu, to współczynnik będzie równy 4 (24 : 6 = 4).
Pompa ciepła typu SPLIT
Powietrzne pompy ciepła w architekturze split charakteryzują się rozdzieleniem urządzeń na te będące w jednostce wewnętrznej i w jednostce zewnętrznej. W jednostce zewnętrznej znajduje się m.in. parownik i sprężarka. Po odebraniu ciepła i sprężeniu czynnika chłodniczego jest on transportowany rurkami do będącej za ścianą jednostki wewnętrznej. Tam (w skraplaczu) jest oddawane ciepło do instalacji grzewczej. Czynnik chłodniczy wraca rurkami i jest rozprężany w jednostce zewnętrznej.
Pompa typu split ma nieco niższy współczynnik wydajności od pompy typu monoblok i trzeba ją napełnić czynnikiem chłodniczym przy montażu, jednak rozłożenie części urządzenia na dwie jednostki daje wiele wygody i większą cichość pracy. Możliwe jest także wykorzystanie większej ilości jednostek wewnętrznych (np. w typie pomp powietrze/powietrze) - wtedy mówimy o architekturze multisplit.
Pompa ciepła typu MONOBLOK
W przypadku pomp typu monoblok, wszystkie elementy są w jednej jednostce. Jeśli montuje się ją wewnątrz budynku, to trzeba zadbać o specjalne doprowadzenie powietrza. W przypadku umiejscowienia na zewnątrz woda grzewcza kursuje wtedy między jednostką zewnętrzną a pomieszczeniem i pompą rozprowadzającą.
W przypadku awarii prądu istnieje możliwość zalodzenia instalacji. Oczywiście są sposoby na uniknięcie takiego wypadku, gdy zabraknie energii elektrycznej - systemy ogrzewania rur, lub stworzenie dodatkowego obiegu z glikolem między jednostką a wnętrzem budynku i wymiennikiem ciepła.
Pompy ciepła służą przede wszystkim do ogrzewania zimą domów i biur. Są jednak także inne popularne zastosowania. Wśród nich znajdziemy m.in.: pompę na wodę użytkową, pompę ciepła z funkcją klimatyzacji, pompę basenową. Istnieją także pompy ciepła o podwyższonej temperaturze działania.
Basenowa pompa ciepła i pompa ciepła na wodę użytkową
Pompy ciepła wykorzystuje się nie tylko do ogrzewania budynków. Istnieje także inny sposób ich wykorzystania. W domu lub innym miejscu można zamontować pompę, której zadaniem będzie jedynie ogrzewanie wody.
Najczęściej do tego celu wykorzystuje się pompy powietrzne. Jeśli chodzi o gospodarstwa domowe, to wspomniany sposób przydaje się zwłaszcza osobom, które posiadają już instalację grzewczą np. kocioł opałowy. Pompy ciepła ogrzewają latem wodę i nie trzeba do tego celu specjalnie rozgrzewać pieca. Jest także inne zastosowanie pomp. Powstały specjalne odmiany urządzenia, które można wykorzystać do zasilania przydomowych basenów. Przeczytaj, czy opłaca się wykorzystanie pompy ciepła do wody użytkowej.
Pompa ciepła z klimatyzacją
Z wyglądu niektóre pompy ciepła przypominają klimatyzatory i co ciekawe mogą także działać w ten sposób. Część urządzeń pozwala na odwrócenie obiegu - energia jest transportowana z pomieszczeń na zewnątrz budynku. Za kolektor służy wtedy instalacja grzewcza. Płynąca w niej zimna woda pobiera energię z otoczenia. Do zwiększenia efektywności chłodzenia latem można wykorzystać także klimakonwektory. Są one łączone wymiennikiem ciepła z instalacją.
Wysokotemperaturowe pompy ciepła
Na rynku występują także pompy wysokotemperaturowe. Różnią się od reszty tym, że producenci postarali się, aby ogrzewana woda mogła być bardzo ciepła niż w innych modelach. Trzeba pamiętać, że specyfika pracy pomp i wpływ różnicy temperatur, sprawia, że ogrzewa ona dużo wody, choć nie aż tak gorącej, jak w przypadku tradycyjnych metod ogrzewania. Woda jest rozprowadzana na dużej powierzchni w panelach podłogowych, ściennych, lub sufitowych (ew. grzejnikach), dzięki czemu w pomieszczeniach jest odpowiednio ciepło.
Istnieje możliwość stworzenia hybrydowego systemu ogrzewania domu z wykorzystaniem pompy ciepła. Często pompy montuje się już w miejscach, gdzie funkcjonuje już np. kocioł gazowy. Zdarza się, że w wypadku nowego domu, kupujący chce posiadać dwa źródła ciepła. W zależności od cech całego systemu grzewczego, pompy ciepła mogą pracować w trybach:
Innym z kryteriów, pod jakim możemy rozróżniać pompy ciepła, jest sposób ich zasilania. Obecnie większość produktów na rynku wykorzystuje do tego celu energię elektryczną. Nic nie stoi na przeszkodzie wykorzystywać inne źródło. Buduje się pompy zasilane np. gazem ziemnym.
Bardzo często spotykanym kryterium, które wykorzystują sprzedający pompy ciepła, jest nośnik pobieranej energii oraz sposób (nośnik) jej przekazania. Do zapisu tego typu wykorzystuje się ukośnik „/” - po jego lewej stronie zapisuje się nośnik pobieranej energii a po prawej nośnik, którym się ją oddaje. W omawianym podziale mamy cztery typy pomp:
Pompy ciepła typu powietrze/powietrze
Pompy tego typu za dolne źródło ciepła mają powietrze na zewnątrz budynku, jednak nie przekazują energii do instalacji grzewczej opartej o wodne ogrzewanie podłogowe lub grzejniki. W pompach ciepła powietrze/powietrze, ciepło przekazywane jest poprzez dmuchawę do pomieszczenia. Bardzo często występuje możliwość odwrócenia obiegu instalacji i efektywnego schładzania. Wadą tego typu rozwiązań jest np. brak możliwości podgrzewania wody użytkowej, choć istnieją modyfikacje rozwiązujące ten problem.
Pompy ciepła typu powietrze/woda
W pompach typu powietrze/woda schładzanie jest mniej efektywne niż w typie powietrze/powietrze. Taka opcja występuje także rzadziej. O ile w obu wspomnianych rodzajach pomp, ciepło pobierane jest z powietrza, to w urządzeniu typu powietrze/woda, różni się tym, że jest ono oddawane do wodnej instalacji grzewczej. Ten sposób ułatwia podgrzewanie wody użytkowej. Można także wykorzystywać pompy typu powietrze/woda jedynie do tego celu.
Pompy ciepła typu woda/woda
Do pomp ciepła typu woda/woda, należą pompy posiadające wodę jako dolne źródło ciepła. Energia w niej zawarta jest przekazywana do wodnej instalacji grzewczej. Można ją także dodatkowo wykorzystać do podgrzewania wody. Pompy ciepła typu woda/woda są wydajniejsze niż dwa poprzednio opisane rodzaje.
Pompy ciepła typu solanka/woda
Pompy ciepła typu solanka/woda czasem zwane są także typem grunt/woda. Ich źródłem dolnym jest grunt. Solanka to nic innego jak potoczne określenie czynnika niezamarzającego płynącego w kolektorach - chodzi w tym wypadku głównie o roztwór glikolu lub etanolu. Nazwa pochodzi od niewykorzystywanego obecnie w technologii roztworu opartego na solach NaCl. Pompy typu solanka/ woda służą do ogrzewania budynków oraz wody użytkowej. Potrafią być bardzo wydajne, chociaż wiele zależy od rodzaju gleby - dolnego źródła ciepła.
Używamy cookies
Profesjonalizm
Współpraca z renomowanymi producentami pomp ciepła
Kompleksowa usługa
Doradztwo, sprzedaż, montaż i serwisowanie pomp ciepła
Indywidualne podejście
Dobór pompy do każdego typu budynku
Darmowa wizja lokalna
Fachowe doradztwo na każdym etapie współpracy