Wielofunkcyjność pomp ciepła

Ze względu duże zainteresowanie wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, wzrasta popyt na pompy ciepła. Urządzenia te znajdują zastosowanie w ogrzewnictwie, chłodnictwie, klimatyzacji, a także przy przygotowaniu ciepłej wody użytkowej. Zanim jednak zdecydujemy się na taką inwestycję, powinniśmy się zastanowić, czy będzie ona korzystna zarówno pod względem ekonomicznym, jak i jakościowym.

Pompa ciepła jest urządzeniem, które przez realizowanie obiegu termodynamicznego (tzw. obiegu Lindego) przenosi energię z jednego ośrodka, nazywanego dolnym źródłem ciepła, do drugiego – górnego źródła ciepła. Pozyskuje ona niskotemperaturowe ciepło z gruntu, wody albo powietrza atmosferycznego.

Ponieważ temperatura dolnego źródła ciepła jest niższa od pożądanej, w pompach sprężarkowych jest podnoszona za pomocą sprężarki mechanicznej, która powoduje, że krążące w pompie medium przechodzi na wyższy poziom energetyczny. W przypadku absorpcyjnych pomp ciepła funkcję tę spełnia zespół urządzeń: absorber i desorber. Przez odpowiednie procesy, spręża on termicznie medium, w efekcie podwyższając jego temperaturę. Ostatecznie, ciepło o odpowiednich parametrach jest odprowadzane do górnego źródła, którym jest instalacja grzewcza, czyli do ogrzewania podłogowego, ściennego lub do grzejników. Jego temperatura może wynieść od 20^oC do 70^oC.

Koszty

Pierwszymi, zasadniczymi aspektami, które powinny zostać wzięte pod uwagę podczas decydowania o zastosowaniu konkretnego rozwiązania są ponoszone koszty (zarówno te związane z instalacją systemu, jak i jego eksploatacją). Wśród cen ogrzewania za pomocą kotłów zasilanych różnymi surowcami, pompa ciepła jest koncepcją tanią i stabilną. Do jej prawidłowego działania wystarczy zaledwie 25 proc. energii elektrycznej do napędu sprężarki w module, zaś pozostałe 75 proc., pobierane jest z zakumulowanej w gruncie energii słonecznej. Dzięki temu eksploatacja systemu opartego na pompie ciepła jest praktycznie niezależna od cen paliw. W poniższym zestawieniu przedstawiono, w jaki sposób szacunkowo kształtują się koszty ogrzewania (wykorzystujące różne źródła ciepła) dla domku jednorodzinnego o metrażu 140 m kw., którego zapotrzebowanie na energię końcową (wraz z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej) wynosi 100 kWh/m²•r. Pompa ciepła, przy dwustrefowej taryfie płatniczej G12 (dwa rodzaje stawek za energię – w ciągu dnia wyższa o ok. 20 proc., a w nocy niższa o prawie 40 proc. w stosunku do powszechnej taryfy G11) i COP (współczynniku efektywności) równym 4.0, jest przedsięwzięciem najbardziej opłacalnym ze wszystkich niżej przedstawionych. Oznacza to, że po jej instalacji, rachunki za ogrzewanie obniżają się, co znacząco wpływa na zawartość naszego portfela. Dodatkowo wzrasta wartość nieruchomości, która posiada własne źródło energii i jest niezależna od zewnętrznego dostawcy ciepła.

Decydując się na pompę ciepła należy wziąć pod uwagę koszty wstępne, związane z zakupem instalacji i jej montażem, które niestety nie należą do niskich. Cena wraz z odwiertami w gruncie, ogrzewaniem podłogowym lub ściennym oraz opcjonalnym zasobnikiem na ciepłą wodę użytkową, dla wcześniej rozważanego domku jednorodzinnego (o powierzchni 140 m kw.), waha się w granicach 4050 tys. zł. Tego typu inwestycja, dzięki zdecydowanie tańszej eksploatacji, w całości powinna zwrócić się po ok. 5–10 latach. Zgodnie z informacjami podawanymi przez producentów pomp ciepła, żywotność standardowego urządzenia tego typu wynosi od 30 do 50 lat (zakładając średni czas pracy na poziomie 1 800 godzin w ciągu roku).

Ochrona środowiska

W ostatnich latach obserwuje się tendencję do stosowania rozwiązań, które są przyjazne środowisku. Wysoki stopień zanieczyszczenia powietrza, emisja szkodliwych gazów do atmosfery, wysoki poziom hałasu skłaniają do większej dbałości o środowisko. Odpowiedzialność za takie działania spoczywa na władzach, które przez politykę ekologiczną powinny regulować negatywny wpływ na środowisko zarówno dużych przedsiębiorstw, jak i indywidualnego użytkownika. Dlatego w ramach ograniczania emisji szkodliwych gazów, możliwe jest uzyskanie dotacji do inwestycji w pompę ciepła, jako alternatywnego w stosunku do klasycznych rozwiązań wysokoemisyjnych źródła energii. Istnieje również możliwość uzyskania pożyczki niskoprocentowej na planowane przedsięwzięcie. Mechanizm finansowania pomp zostanie dokładniej opisany w numerze 3/2012 kwartalnika „Kreator-Projekty”. Warto jednak zwrócić uwagę na kwestię ochrony środowiska również z perspektywy bezpieczeństwa dla zdrowia naszego i naszych najbliższych. Dzięki powstrzymywaniu emisji spalin, zniweluje się problem związany z zatruciem tlenkiem węgla, które może doprowadzać nawet do śmierci domowników. Pompa, której górnym źródłem ciepła jest ogrzewanie podłogowe lub ścienne to rozwiązanie szczególnie polecane dla alergików, ze względu na przekazywanie ciepła przez promieniowanie, które nie powoduje cyrkulacji powietrza wraz z pyłami. Rozwiązanie to jest polecane małżeństwom posiadającym dzieci, pompa ciepła jest odpowiednio obudowana, nie posiada komory paleniskowej i nie stwarza zagrożenia wybuchem. Dzięki temu, urządzenia te stanowią wyjątkowo bezpieczną alternatywę dla kotłów czy pieców gazowych.

Z korzyścią dla środowiska zostały wykonane również czynniki robocze, cyrkulujące wewnątrz pompy ciepła. Dawniej wykorzystywane mieszaniny zawierające szkodliwe dla warstwy ozonowej związki, zostały wycofane ze sprzedaży i zastąpione takimi, które są przyjazne dla przyrody.

Czas to pieniądz

Kolejną zaletą pompy ciepła jest łatwość jej obsługi, nie trzeba tu – tak jak w przypadku kotłów – monitorować procesu spalania, zajmować się zakupem, dowozem i załadowaniem wkładu. Nie ma również potrzeby wymiany butli zawierającej płynny gaz, co jest niezbędne w przypadku instalacji zasilanych tym paliwem. Przez brak konieczności ingerencji w działanie pompy, zyskuje się czas tracony na czynności konieczne do właściwej eksploatacji, które są niezbędne w przypadku innych rozwiązań. Jedyne ustawienia jakie wystarczy wprowadzić jednorazowo (na początku eksploatacji), a które w razie potrzeby można dowolnie regulować, ograniczają się do określenia wymaganej temperatury w pomieszczeniu oraz temperatury ciepłej wody użytkowej (w przypadku gdy do jej przygotowania wykorzystuje się pompę ciepła).

Wybierając pompę ciepła skraca się również czas poświęcany na konserwację, która nie jest skomplikowana oraz nie musi być wykonywana tak często, jak w przypadku kotłów grzewczych. Wymianę zużytych części lub starych komponentów znajdujących się w module, można dokonać bez konieczności zmiany całej instalacji i jej konfiguracji (tzw. retrofit).

Chłodnictwo i klimatyzacja

Wykorzystanie pomp ciepła do celów chłodniczych i klimatyzacyjnych to kolejny dowód ich wielofunkcyjności. W chłodnictwie stosowane są w ich budowie tzw. zawory czterodrożne (chłodzenie aktywne). Odwracają one działanie pompy (przekazującej ciepło) na chłodziarkę, która pobiera ciepło z otoczenia (w naszym przypadku z pomieszczenia), powodując efekt chłodzenia. Istnieje też możliwość zastosowania w wewnątrz modułu dodatkowego wymiennika ciepła z zaworami trójdrożnymi i pompami obiegowymi, dołączonymi do dolnego źródła (z którego odbierane jest ciepło wykorzystywane w obiegu). Sprężarka znajdująca się wewnątrz modułu pompy podczas opcji chłodzenia, jest wyłączona, natomiast czynnik przekazujący ciepło (w tym wypadku chłód) jest tłoczony do górnego źródła ciepła za pomocą działającej pompy obiegowej (tzw. chłodzenie pasywne). Efekt ten uzyskuje się w lecie z gruntu, którego temperatura jest niższa od powietrza. Takie rozwiązanie nazywane jest systemem naturalnego chłodzenia (z ang. natural cooling).

W klimatyzacji pompy używa się w celu odzysku ciepła z powietrza usuwanego z pomieszczenia lub powietrza zewnętrznego (tzw. rekuperator). Wykorzystując energię odpadową, można ogrzewać wodę lub (w okresie zimowym) wspomagać ogrzewanie pomieszczenia.

Pompy ciepła stosuje się też wewnątrz klimatyzatorów – np. w rozwiązaniach typu split lub multisplit. Pozwala to na przeniesienie ciepła z pomieszczenia do czynnika roboczego (znajdującego się w obiegu pompy ciepła), a następnie dostarczyć go poza pomieszczenie chłodzone. W takim przypadku, zastosowanie pompy nie wiąże się z wykonywaniem odwiertów, ponieważ cała instalacja jest umiejscowiona albo na zewnątrz budynku, albo w kanale wentylacyjnym.

Różnorodność rozwiązań technicznych

Przed wyborem urządzenia należy rozważyć, w jakim celu będzie się go wykorzystywać. W przypadku gdy rozwiązanie to ma pozwolić na przygotowanie ciepłej wody użytkowej, można zastosować pompę ciepła ze zintegrowanym zasobnikiem wody. Jest ona bardzo wygodna i kompaktowa, dzięki czemu można dodatkowo zaoszczędzić przestrzeń w pomieszczeniu.

Ciekawym rozwiązaniem technicznym jest, zastosowana w niektórych urządzeniach, możliwości przegrzewania antybakteryjnego instalacji. Ta funkcja zapewnia dodatkowy komfort użytkowania i staje się kolejnym powodem, dla którego alergicy i osoby posiadające małe dzieci powinny zdecydować się na taki rodzaj ogrzewania.

Niektórzy producenci oferują pompy ciepła posiadające wewnątrz swojego modułu sprężarkę typu scroll. Cechuje się ona dużą sprawnością, żywotnością oraz, w przeciwieństwie do sprężarek tłokowych, emituje zacznie mniej hałasu (pompy wyposażone w nią uważane są za wręcz najcichsze z oferowanych obecnie na rynku). Dodatkowo uznaje się, że tego typu urządzenia posiadają wysoką niezawodność pracy, ponieważ mogą być eksploatowane nawet do 3 tys. godzin w ciągu roku.

Innym typem sprężarki, której warto poświęcić uwagę, jest sprężarka z inwerterową regulacją wydajności. Takie rozwiązanie pozwala na dostosowywanie wydajności urządzenia do bieżącego zapotrzebowania, zapobiegając jednocześnie przeciążeniom i uszkodzeniom silnika w trakcie spadku temperatury w jego wnętrzu.

Zintegrowanie z innymi systemami

Pompy ciepła nie muszą działać samodzielnie. W większości przypadków pracują w układzie z innymi urządzeniami grzewczymi, takimi jak kotły lub kominki. Współpraca kilku elementów pozwala w bardziej efektywny sposób dostosować wykonywaną pracę do bieżących potrzeb, zapewniając tym samym poczucie komfortu. Możliwe jest również zintegrowanie pompy ciepła z kolektorami słonecznymi. Przy takim rozwiązaniu ogranicza się dodatkowo zużycie energii elektrycznej na przygotowanie ciepłej wody użytkowej, a także tworzy się układ przyjazny środowisku.

Podsumowując, koszt eksploatacji pompy ciepła ogranicza się jedynie do doprowadzenia energii elektrycznej do sprężarki, a co za tym idzie, pozwala na uzyskanie sporych miesięcznych oszczędności. Urządzenia te są rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska, wspomaganym finansowo przez państwo (poprzez przyznawane dotacje, ulgi oraz kredyty niskoprocentowe). Mają estetyczny wygląd, są bezobsługowe, ciche i nie wymagają dużej ilości miejsca. Możliwość wykorzystywania ich w celu zarówno ogrzewania, jak i chłodzenia, czyni je rozwiązaniami wielofunkcyjnymi oraz bardzo uniwersalnymi. Dlatego, jeśli tylko posiadamy odpowiedni kapitał wstępny, z całą pewnością warto zainwestować w pompę ciepła.

Anna Janik
Wydział Energetyki i Paliw
Akademia Górniczo-Hutnicza

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 01/2012
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl