W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu generacji statystyk odwiedzin oraz dostosowania wyglądu strony do Państwa indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies w opcjach programu.

 

Zawartość tej strony wymaga nowszej wersji programu Adobe Flash Player.

Pobierz odtwarzacz Adobe Flash

Jak działa pompa ciepła ?

Pompa ciepła wpięta jest w system ciepłowniczy obiektu. Wraz z innymi urządzeniami ogrzewa wodę dla potrzeb centralnego ogrzewania (CO) i ciepłej wody użytkowej (CWU).
Taki systemem ciepłowniczy jest urządzeniem przepływowym dla przepływu ciepła.
Jest pewnego rodzaju łańcuchem zbudowanym z ogniw którymi po kolei przepływa ciepło aż dotrze do celu czyli do naszego obiektu. Dla poprawnego działania całego systemu istotne jest aby poszczególne jego elementy były właściwie zwymiarowane wobec siebie i aby ich wielkości dopasowane były do skrajnych przewidzianych podczas projektowania przypadków mogących wystąpić w sezonie grzewczym.
Co robi pompa ciepła ?
Transportuje ciepło ze źródła ciepła niskotemperaturowego (tzw. dolnego źródła) do źródła ciepła wysokotemperaturowego (tzw. górnego źródła). Dolnym źródłem ciepła może być grunt, woda z rzek, jezior, studni, skały, ścieki z osiedli, ciepło odpadowe z procesów technologicznych i hodowlanych. Parametry dolnego źródła są takie, że ciepło jakie mamy w nim do dyspozycji, nie jesteśmy w stanie praktycznie wykorzystać do ogrzania domu, podgrzania wody do mycia itp. Temperatura jego jest zbyt niska by nagrzać wodę do zadowalającej nas temperatury. Transportem ciepła z dolnego źródła do górnego wysokotemperaturowego czyli takiego którego parametry temperaturowe są już dla nas wystarczające do wykorzystania, zajmuje się system z pompą ciepła.
Dzieje się to z doprowadzeniem energii zewnętrznej czyli w naszym przypadku energii elektrycznej potrzebnej do napędu elementów pompy ciepła, pomp obiegowych glikolu i wody, zasilenia sterowników, automatyki etc. Zaletą tak stworzonego systemu jest to, że część ciepła pochodząca z dolnego źródła które dotychczas było niewykorzystane, wyrzucane lub niemożliwe do zaadoptowania na potrzeby użytkowe jest obecnie skierowana do celów grzewczych i jest to ciepło darmowe. Użytkownik nie ponosił kosztów wytworzenia tego ciepła. Jest ono prezentem od natury. Dotychczas było bezpowrotnie tracone. Jedynym kosztem eksploatacyjnym jaki ponosimy korzystając z pomp ciepła są koszty związane z napędem pompy ciepła i elementów systemu grzewczego czyli koszty przetransportowania ciepła na wyższy poziom energetyczny. Dla nas są to opłaty za energię elektryczną. Ciepła pozyskiwanego z dolnego źródła są 3, 4 jednostki, energii elektrycznej pobieranej z sieci za którą płacimy jest 1 jednostka. Razem do celów grzewczych uzyskujemy ich sumę czyli 4, 5 jednostek gdy ostatecznie koszty ponosimy za jedną. Stąd jasnym się staje skąd się biorą niskie koszty eksploatacyjne przy ogrzewaniu z wykorzystaniem pomp ciepła.

Rys. 1 przedstawia schematycznie budowę systemu ogrzewania z pompą ciepła typową dla obiektu typu dom.

[A] dolne źródło ciepła
[B] pompa
glikolu
[C] parownik w
pompie ciepła
[D] sprężarka w pompie ciepła
[E] skraplacz w
pompie ciepła
[F] górne źródło ciepła


Rys. 1 [A] to dolne źródło ciepła. Najczęściej jest nim kolektor gruntowy pionowy lub poziomy zakopany w ziemi. Tutaj napiszę parę słów o poziomym kolektorze gruntowym często występującym przy ogrzewaniu domów jednorodzinnych. Opisy innych przypadków rozwiązań dla dolnych źródeł ciepła można łatwo znaleźć w internecie. Grunt, woda, skały akumulują ciepło którego źródłem jest słońce. Gdyby na ziemi nie było warstwy powietrza jaką znamy i w której żyjemy temperatura na powierzchni ziemi wynikająca z ogrzewania przez rozgrzane jądro ziemi i docierające promieniowanie słoneczne wynosiła by ok. – 40°C. Stąd wszystko to co mamy "więcej" ponad tą temperaturę, co umożliwia nam życie, pochodzi od słońca i jest wynikiem zatrzymywania znacznych ilości ciepła słonecznego przez naszą atmosferę. Atmosfera jest pewnego rodzaju "szklarnią" umożliwiającą zatrzymanie części ciepła docierającego do ziemi. Jest ono akumulowane przez całe nasze otoczenie i takie zakumulowane w ziemi ciepło wykorzystamy do ogrzania naszego domu.

                   

By skorzystać z takiego ciepła zakopujemy na głębokości ok. 1,8 m poziomy kolektor gruntowy. Jest to rodzaj wymiennika ciepła pobierającego ciepło z gruntu. Składa się z układu rur polietylenowych o średnicy FI 25 – 42 mm w których płynie roztwór glikolu propylenowego o stężeniu objętościowym 33%. Rury tworzą kilka pętli równoległych względem siebie każda po ok. 100 – 125 m długości. Rozstaw między sąsiadującymi rurami wynosi ok.1m. Schematycznie przedstawia to rys. 2.

W zależności od rodzaju gruntu możliwe jest do pozyskania 10 – 35 W/m2 gruntu. Decyduje jego rodzaj, wilgotność , zawartość związków mineralnych. Stąd wielkość zajmowana przez poziomy kolektor gruntowy zależy od wymaganej mocy grzewczej pompy ciepła i rodzaju gruntu. Grunt bardziej suchy i piaszczysty zwiększa powierzchnię kolektora gruntowego (i koszty inwestycji) dla tej samej pompy ciepła i odwrotnie.
Roztwór glikolu ma temperaturę niższą od temperatury ziemi na głębokości w jakiej wkopany jest kolektor. Stąd przepływający kolektorem glikol ogrzewa się o 3-4 Kelwiny (czyli też stopnie Celsjusza) pobierając ciepło z gruntu. Następnie glikol wpływa do parownika [C] rys.1 pompy ciepła która odbiera ciepło od glikolu obniżając jego temperaturę o też 3-4 Kelwiny. Odbiera ciepło w ilości którą przed chwilą zaabsorbował glikol w kolektorze gruntowym. Tak cykl się powtarza. Stopniowe pobieranie ciepła z gruntu w sezonie grzewczym powoli wychładza go. Poza sezonem grzewczym temperatura w gruncie wraca do poziomu sprzed sezonu grzewczego. Dzieje się tak za sprawą wspomnianego wpływu słońca i atmosfery. Kolektor gruntowy regeneruje się. Stąd mowa o odnawialnym źródle ciepła. Jest to prezent przed kolejnym sezonem grzewczym.
Rys. 3 przedstawia rozkład średnich dwutygdniowych temperatur powietrza w centralnej Polsce w poszczególnych miesiącach – linia zielona. Rozkład temperatur w gruncie na głębokości 1,8 m to gruba niebieska linia. Widać wyraźnie, że temperatura na głębokości 1,8 m też ma swoje ekstrema i "podąża" za temperaturą na powierzchni ale jej maksima i minima występują później o ok. 1,5 miesiąca wzg. maksimów i minimów występujących na powierzchni. Gruba linia niebieska przedstawia rozkład temperatury w roku na głębokości 1,8 m w przypadku gdy nie zaburza go odbieranie ciepła przez pompę ciepła. Stąd mówiąc o wyziębianiu gruntu przez pompę ciepła należy rozumieć obniżenie temperatury od wartości wskazywanych przez grubą niebieską linię na poniższym wykresie. Gruba czerwona linia to okres sezonu grzewczego w Polsce który trwa ok. 240 dni w roku.

   

Zawartość tej strony wymaga nowszej wersji programu Adobe Flash Player.

Pobierz odtwarzacz Adobe Flash


Odebrane z glikolu ciepło powoduje odparowanie czynnika chłodniczego w parowniku [C] rys. 1 pompy ciepła. W zimie parowanie to przebiega przy temperaturze –5 °C i ciśnieniu rzędu 3,8 bara dla czynnika R407c. Następnie pary czynnika są sprężane przez sprężarkę [D] pompy ciepła. Przy sprężaniu pary uzyskują wysoką temperaturę kilkudziesięciu stopni i wysokie ciśnienie rzędu 15 – 25 bara. Wówczas już mogą oddać ciepło do ogrzewanej wody. Dzieje się to w skraplaczu [E] pompy ciepła gdzie zachodzi proces odwrotny do parowania w parowniku [C]. W skraplaczu para oddając ciepło (nagrzewając wodę) przechodzi w ciecz czyli się skrapla. By cykl w obiegu chłodniczym zamknął się ciekły czynnik musi jeszcze przejść proces odwrotny do sprężania czyli rozprężyć się z wysokiego ciśnienia jakie jest w skraplaczu do niskiego jakie jest w parowniku. Dzieje się to w zaworze rozprężnym wrysowanym na rysunku pompy ciepła.
Ogrzana woda w skraplaczu jest już dystrybuowana w zależności od potrzeb do zbiorników CO i CWU. Całość procesu jest kontrolowana przez sterownik mikroprocesorowy który poza pilnowaniem szeregu zadanych temperatur, pełni funkcje zabezpieczające, nadzorujące, kontrolne itp.

Pisząc na wstępie, że system grzewczy z pompą ciepła jest maszyną przepływową dla przepływu ciepła, pewnego rodzaju łańcuchem o wielu oczkach miałem na myśli, że przepływ ciepła następuje po kolei w wielu elementach systemu zależnych od siebie.
Przepływ następuje miedzy gruntem a glikolem w kolektorze, następnie glikolem a czynnikiem chłodniczym w parowniku, następnie czynnikiem chłodniczym a wodą w skraplaczu pompy ciepła, następnie miedzy wodą a warstwą betonu w ogrzewaniu podłogowym, następnie miedzy podłogą a ogrzewanym obiektem.
Ilość tych ogniw jest spora. Błąd w wykonaniu jednego z nich lub rozrzucenie wykonawstwa tych elementów miedzy różne firmy które próbują "coś tworzyć po swojemu" lub ograniczając maksymalnie koszty proponują rozwiązania niewystarczające zwiększa ryzyko nieprawidłowego działania całego systemu.

Mariusz Bartoszewski
tel. 669 14 25 11


Zawartość tej strony wymaga nowszej wersji programu Adobe Flash Player.

Pobierz odtwarzacz Adobe Flash