Ogrzewanie i chłodzenie z wykorzystaniem pomp ciepła

Podstawową ideą ogrzewania domów ciepłem wytwarzanym ze źródeł odnawialnych jest pozyskiwanie energii w sposób przyjazny dla środowiska naturalnego. Energia zdobywana jest w tym wypadku z czterech źródeł: wody, powietrza, gleby i słońca. Wynika stąd wiele zalet również dla użytkowników, spośród których należy wymienić przede wszystkim ekonomiczną stronę takiego rozwiązania. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na fakt, iż urządzenia do konwertowania ciepła z naturalnych źródeł nie wymagają codziennej, cyklicznej obsługi i są w pełni automatyczne.

Pompy ciepła – historia wynalazku

Historia pomp ciepła ma już ponad 200 lat, a paradoksalnie związana jest z odkryciami na polu chłodnictwa^1,2. Pierwszy chłodniczy agregat absorpcyjny został stworzony w 1810 roku w Szkocji przez J. Lesliego. Dwie dekady później w Ameryce Północnej powstała skonstruowana przez Jacoba Perkinsa chłodziarka sprężarkowa. Do tego międzynarodowego towarzystwa wkrótce dołączył francuz, Nicolas L. Sadi Carnot, wyjaśniając relację pomiędzy pracą a ciepłem – czyli przetwarzania energii mechanicznej w termalną. Przełom nastąpił jednak w 1852 roku, gdy Wiliam Thomson dowiódł, że urządzenia chłodzące mogą również dostarczać ciepło, a następnie zbudował maszynę ogrzewającą opary solanki.

Współczesne pompy ciepła narodziły się jednak nieco później. W 1928 roku T.G. Haldane stworzył pierwszą instalację służącą ogrzewaniu domu opartą na amoniaku. Kolejne próby wykorzystania już istniejącej idei i mechaniki instalacji grzewczych w postaci pomp podjęto w Szwajcarii, a spowodowane było to deficytem węgla po wybuchu II wojny światowej. W pełnym zakresie swoich możliwości technologia pomp ciepła zaczęła rozkwitać dopiero w latach 70. ubiegłego wieku, jak to bywa, po raz kolejny w związku z kryzysem, tym razem naftowym.

W Polsce pompy pojawiły się na początku lat 90. i od tamtej pory zainteresowanie nimi wzrasta. Obecnie jest to częściowo związane z dotacjami unijnymi, które można otrzymać na zakup instalacji i jej montaż.

Systemy pomp

Aktualnie stosowane pompy ciepła ogrzewają i chłodzą pomieszczenia samodzielnie lub we współpracy z innymi urządzeniami. Stąd też wyróżnia się kilka typów czy też trybów ich pracy^2,3:

systemy monowalentne – w których pompy są jedynymi urządzeniami grzewczymi i chłodzącymi, a pokrywają 100% potrzeb w tym zakresie w określonym obiekcie;
systemy biwalentne alternatywne – w których poza pompą ciepła pracuje jeszcze jedno urządzenie grzewcze (np. kocioł gazowy); w przypadku gdy pompa nie jest w stanie sprostać swoim zadaniom zostaje wyłączona, natomiast zadanie ogrzewania przejmuje przykładowy kocioł;
systemy biwalentne równoległe – w tym wypadku, podobnie jak w poprzednim, poza pompą działa jeszcze jedno urządzenie grzewcze, które jednak włącza się w przypadku konieczności dogrzania przy niewydolności pompy i pracuje wraz z nią;
systemy biwalentne częściowo równolegle – tutaj pompa jest zintegrowana z innym urządzeniem, które wspiera jej funkcjonowanie;
systemy biwalentne równoległe monoenergetyczne – gdzie również poza pompą, ciepła dostarcza dodatkowe urządzenie, lecz oba wspierane są jeszcze dodatkowo ogrzewaniem elektrycznym (na najzimniejsze dni).

Każdy z powyższych systemów spełnia te same zadania. Można jedynie zaznaczyć, że przez wzgląd na emisję ciepła w domach ekologicznych montuje się najczęściej systemy monowalentne – porównanie emisji zostanie przedstawione dalej w tekście.

Zasady działania pomp ciepła

Zasady działania pompy ciepła skoncentrowane są na czterech procesach zachodzących po sobie, w których czynnik ciepła ulega następującym przemianom^1,2:

odparowaniu – ma ono miejsce w układzie zamkniętym, a energia pozyskiwana jest z otoczenia (wymienionych już we wstępie źródeł),
sprężeniu – energia ta jest sprężana (podnoszone jest jej ciśnienie), co skutkuje wzrostem temperatury roboczego czynnika grzewczego,
skraplaniu – na skutek procesu kondensacji czynnik chłodniczy skrapla się i oddaje energię skumulowaną (zewnętrzną i sprężoną),
rozprężaniu – ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego sprowadzane są do wyjściowego poziomu i cały proces odparowania zaczyna się od nowa.

Można w tym względzie podać przykładowe wytwarzanie energii z gruntu uwzględniając budowę systemu²:

kolektor poziomy – tam energia pobierana z ziemi zamienia propan w gaz,
kompresor – gdy gaz trafia do kompresora następuje sprężenie i wzrost jego temperatury,
wymienniki – wytworzone ciepło trafia do wymiennika, przez który jest przemieszczane dalej,
odbiornik – ostatecznie trafiając do celu, np. kaloryfera,
zawór rozprężony – po utracie ciepła gaz trafia do zaworu i następuje jego zamiana w stan ciekły (pierwotny),
kolektor poziomy – następnie zostaje przemieszczony do kolektora, gdzie cały proces zaczyna się ponownie.

Należy wspomnieć, że ciepło i zimno wytwarzane są przez zmianę kolejności opisywanych procesów. Wykorzystywany w tym celu jest jednak ten sam zamknięty układ termodynamiczny.

Zastosowanie pomp oraz ich zalety

Do praktycznych form zastosowania pomp ciepła należą²:

ogrzewanie i klimatyzowanie domów jednorodzinnych,
osuszanie i podgrzewanie wody w basenach oraz powietrza basenowego,
podgrzewanie wody użytkowej w budownictwie,
odsalanie wody morskiej (obecnie niestosowane),
oraz cele przemysłowe – głównie w odparowywaniu i zagęszczaniu roztworów/produktów spożywczych.

Generalnie jednak pompy spełniają dwie role – grzewczą i chłodniczą. Przy powyższym istnieje ich kilka rodzajów i można się przyjrzeć występującym między nimi różnicom. Różnice te obejmują przykładowe pompy monowalentne i biwalentne, i tak⁴:

w przypadku pomp ciepła woda/woda – odnotowuje się: wysoką sprawność, redukowanie emisji gazów cieplarnianych, alternatywę w chłodzeniu (pasywne lub rewersyjne), nieobecność systemów odprowadzania spalin (nie ma takiej konieczności), możliwość modułowej współpracy z innymi urządzeniami oraz możliwość ustawienia urządzeń na zewnątrz budynku,
w przypadku pomp solanka/woda – odnotowuje się te same zalety poza dwiema ostatnimi,
pompy solanka woda współpracujące z kotłem gazowym kondensacyjnym – cechują się pierwszymi trzema zaletami wyróżnionymi dla pomp woda/woda,
pompy ciepła powietrze/woda wraz z kotłem gazowym – charakteryzują się redukcją emisji gazów, możliwością dwojakiego rodzaju chłodzenia (rewersyjne i pasywne) oraz niskimi kosztami podgrzewania wody latem,
pompa gazowa ciepła (absorpcyjna) we współpracy z kotłem gazowym, głębinowe studnie – spełnia wszystkie zalety pomp typu woda/woda, lecz brakuje w niej systemu odprowadzania spalin,
pompa ciepła, absorpcyjna, gazowa, z kotłem olejowym (sondy pionowe) – zalety i wady jednakowe z powyższą.

Z analiz wynika⁴, że pompa typu solanka/woda jest najbardziej ekonomiczna. Jej koszty instalacji są jednak najwyższe i nawet pięciokrotnie przewyższa cenę tradycyjnej kotłowni olejowej. Pomimo tego doceniana jest przez użytkowników. Jak wynika z analizy przeprowadzonej przez Rezpondka i Kasprzyka⁵, w Polsce, w 2015 odnotowano wzrost sprzedaży pomp solanka/woda w porównaniu do poprzedniego roku o około 70%, a także były one najchętniej kupowane wśród innych typów pomp ciepła (22,3%). Ich ekonomiczne zalety są więc coraz częściej doceniane. Z kolei inni naukowcy dowiedli⁶, że najbardziej ekonomiczne są pompy biwalentne, a inwestycja w nie może się zwrócić już po 18 latach.

Ekonomiczne aspekty stosowania pomp ciepła

Z pewnością więc instalacja pompy ciepła jest inwestycją długoterminową, lecz można stwierdzić, że jej użytkowanie przynosi wyraźną, comiesięczną gratyfikację. Oszczędność zyskiwana dzięki omawianym systemom jest odczuwalna na bieżąco. Warto ukazać ten fakt na przykładzie wyliczeń kosztów eksploatacji pomp tradycyjnych i cieplnych.

Z analizy przeprowadzonej przez Profesora Jacka Zimnego z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie wynika², że każda z tradycyjnych form ogrzewania budynku, poza korzystaniem z węgla kamiennego, jest znacznie droższa od dostarczanej przez pompy ciepła. Koszt GJ w przypadku pomp ciepła zamyka się w przedziale od 23 do 33 zł. Za tę samą jednostkę ciepła w przypadku: gazu ziemnego należy zapłacić 36 zł, oleju opałowego 56 zł, propanu butanu 81 zł, a energii elektrycznej 92 zł. Nie ma więc wątpliwości, że pompy ciepła to bardzo ekonomiczne rozwiązanie tym bardziej, że nowoczesne urządzenia cechuje współczynnik wydajności grzewczej dochodzący aż do 6 (aczkolwiek w standardzie jest to przedział od 3 do 4). Już słabsza pompa, o wydajności 4, może transformować 25 kWh elektryczności na 100 kWh energii cieplnej, dzięki czemu zyskuje się ¾ ciepła bezpłatnie.

Ograniczenia w montowaniu pomp

Oczywiście przy powyższym istnieją pewne ograniczenia utrudniające stosowanie pomp. Należą do nich⁷:

powierzchnia działek budowlanych – która ogranicza możliwość montowania płaskich kolektorów poziomych,
źródła ciepła na poziomie górnym – co wiąże się ze spadkiem parametrów grzewczych w związku z brakiem termomodernizacji CO,
a także cena – pomimo dotacji unijnych ich cena nadal jest wysoka, gdyż dodatki obejmują jedynie 40% wartości instalacji.

Poza ceną, do wad pomp ciepła zalicza się również czas, który jest potrzebny, by koszty instalacji się zwróciły. Jak już jednak wiadomo z cytowanych wcześniej badań, pomimo tego faktu zainteresowanie systemami pomp wzrasta. Z pewnością mają na to wpływ: ich energooszczędność, realne i comiesięczne niskie obciążanie budżetu domowego, a także proekologiczne walory związane z redukcją emisji trujących gazów do atmosfery.

Źródła:

Mania, T. (2012). Projekt perspektywy RSI. Gdańsk: Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła. Dostępne: http://www.kregiewe.it.kielce.pl/wp-content/uploads/2014/08/PREZENTACJA.pdf
Zimny, J. Pompy ciepła. Materiały do wykładu prowadzonego na AGH w Krakowie. Dostępne: http://pga.org.pl/biblioteka/multimedia/prezentacje/pompy%20ciepla.pdf
Smuczyńska, M. (2013). Pompy ciepła powietrze/woda – praca na cele c.o. i c.w.u. InstalReporter, 10:40-45. Dostępne: https://www.nibe.pl/Documents/nibe_pl/Artykuły/IR_2013_10_Pompy-ciepa-powietrze_woda.pdf
Wasilczuk, J. i Sobiech, M. (2016). Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne stosowania pomp ciepła w budownictwie. MAZOWSZE Studia Regionalne, 19:209-222. Dostępne: http://cejsh.icm.edu.pl/cejsh/element/bwmeta1.element.desklight-423c1482-328e-4ba5-b65e-49bfae559454/c/msr_19_wasilczuk_i_sobiech.pdf
Rezpondek, M. i Kasprzyk, G. (2016). Energetyczno-ekologiczne aspekty zastosowania pomp ciepła w budynku jednorodzinnym. Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Technicznej w Katowicach, 8:75-86. Dostępne: http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-6a334dc1-1b68-41d8-8f72-e8528d70a2a3
Leśniak, W., Janczar-Smuga, M., Podgórski, W. i Klinkowski, M. (2012). Pompy ciepła – ekologiczne źródło energii odnawialnej. Nauki Inżynierskie i Technologie, 3(6):78-89. Dostępne: http://www.climakomfort.pl/wp-content/uploads/2016/01/Pompy_ciepla_ekologiczne_zrodlo-1.pdf
Kurzak, L. i Maciągowska, A. (2013). Wykorzystanie pomp ciepła w budynkach jednorodzinnych. Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym, 2(12):55-60. Dostępne: https://bud.pcz.pl/attachment/id/1652