Choć może trudno w to uwierzyć, pompa ciepła działa dokładnie w ten sam sposób, jak zwykła domowa chłodziarka. Chłodziarka odbiera ciepło od produktów żywnościowych i oddaje je do otoczenia za pomocą radiatora umieszczonego z tyłu obudowy. Pompa ciepła odbiera ciepło z otoczenia budynku i przekazuje je do instalacji centralnego ogrzewania. W podobny sposób działają także klimatyzatory. Wymienione urządzenia pracują jednak w innych zakresach temperatur.
Pompa ciepła jest urządzeniem, które wykorzystuje rozmaite zjawiska fizyczne, po to, aby przenieść ciepło z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze. Samoczynny przepływ ciepła od ciała zimniejszego do cieplejszego nie jest możliwy, dlatego pompie ciepła trzeba dostarczyć energii napędowej (rys. 40).
Rys. 40. Zasada funkcjonowania pompy ciepła.
Ze względu na rodzaj napędu i zasadę działania możemy wyodrębnić trzy podstawowe grupy pomp ciepła, z którymi możemy zetknąć się na co dzien:
| 1. | pompy absorpcyjne (z napędem cieplnym); | |
| 2. | pompy termoelektryczne (z napedem elektrycznym); | |
| 3. | pompy sprężarkowe (z napędem mechanicznym, silnik sprężarki zasilany jest najczęściej prądem elektrycznym). |
Ad.1. Urządzenia tego typu stosowane są dziś powszechnie w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego energii odpadowej. Podobne rozwiązania stosuje się także w chłodziarkach absorpcyjnych.
Ad.2. Pompy termoelektryczne (ogniwa Peltiera) mają zastosowanie wszędzie tam gdzie zachodzi konieczność ciągłego i efektywnego odprowadzania dużych ilości ciepła z niewielkich przedmiotów.
W związku z tym ogniwa Peltiera zyskały popularność we współczesnej elektronice - stosuje się je do chłodzenia półprzewodników.
Ad.3. Sprężarkowe pompy ciepła to aktualnie podstawowa grupa urządzen stosowanych w technice grzewczej i chłodniczej. Tego typu pompy oferowane są na rynku jako alternatywa dla kotłów na paliwo organiczne oraz ogrzewaczy elektrycznych. Z tego powodu sprężarkowe pompy ciepła zostaną opisane nieco szerzej.
W literaturze przedmiotu, źródło energii dla pompy ciepła, niezależnie od rodzaju i stanu skupienia substancji, w której zakumulowana jest energia cieplna w środowisku naturalnym, nazywa się dolnym źródłem ciepła.
Sprężarkowe pompy ciepła, stosowane do ogrzewania budynków mieszkalnych, wykorzystują energię odnawialną pochodzenia słonecznego. Ziemia ogrzewana jest energią Słońca przez cały rok. W Polsce najwięcej tej energii dociera od wiosny do jesieni. Powietrze, woda lub grunt są w stanie zakumulować energię słoneczną i zapewniają jej zapas na całą zimę. Wymienione nośniki stanowią doskonałe niskotemperaturowe dolne źródła ciepła dla pomp ciepła.
Rozważmy nastepujący przykład: Jeśli będziemy ogrzewać zbiornik wody o pojemności 10 l przez jedną godzinę, za pomocą grzałki elektrycznej o mocy 1 kW, to temperatura wody podniesie się o ok. 86°C (patrz s. 39). Woda w zbiorniku o pojemnooci 100 l, ogrzewana taką samą grzałką także przez jedną godzinę, zwiększy swoją temperaturę o zaledwie 8,6°C. Do obydwu zbiorników dostarczyliśmy taką samą ilość energii - 1 kWh.
Przykład powyższy dowodzi, że dolne źródło ciepła dla pompy ciepła nie musi mieć wysokiej temperatury aby posiadać duży potencjał energetyczny.
Temperatura dolnego źródła ciepła nie może być jednak zbyt niska i nie powinna podlegać zbyt dużym wahaniom. Dolne źródło ciepła powinno być łatwo dostępne ze względu na koszty wykonania instalacji przeznaczonej do pozyskiwania i transportu ciepła. Dolne źródło ciepła nie może zanieczyszczać instalacji i powodować korozji jej elementów.
Sposoby pozyskiwania energii z dolnych źródeł ciepła stanowią treść podrozdziału: Sprężarkowe pompy ciepła.
W dużym uproszczeniu, sprężarkowa pompa ciepła składa się z dwóch wymienników ciepła (parownika i skraplacza), sprężarki i zaworu rozprężnego. Oczywiście pompa ciepła wyposażona jest w szereg urządzeń dodatkowych, takich jak pompy obiegowe, presostaty, zawory termostatyczne, układy elektryczne zabezpieczające sprężarkę, itp. Wszystkie elementy znajdują się zazwyczaj wewnątrz solidnej obudowy a do programowania pompy służy specjalny panel sterujący.
W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego, tj. proces pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej (dolnego źródła ciepła) i przekazywania tego ciepła do źródła o temperaturze wyższej (górnego źródła ciepła).
System grzewczy, wykorzystujący sprężarkową pompę ciepła, posiada trzy obiegi: obieg dolnego źródła ciepła, obieg górnego źródła ciepła i obieg termodynamiczny. Obieg termodynamiczny połączony jest z obiegiem dolnego źródła ciepła za pomocą parownika, a z obiegiem górnego źródła ciepła za pomocą skraplacza.
Obieg dolnego źródła ciepła odbiera ciepło z niskotemperaturowego źródła i przekazuje je do pierwotnej strony wymiennika (parownika) w pompie ciepła. Zarówno dolne źródło ciepła jak i czynnik roboczy ma temperaturę niższą od temperatury wymaganej przez system centralnego ogrzewania. Do wtórnej strony parownika doprowadzony jest czynnik roboczy obiegu termodynamicznego - zimny czynnik termodynamiczny.
Obieg górnego źródła ciepła odbiera ciepło od gorącego czynnika termodynamicznego i rozprowadza je do odbiorników. Przekazywanie tego ciepła odbywa się w wymienniku pompy ciepła zwanym skraplaczem. Do pierwotnej strony skraplacza doprowadzony jest czynnik termodynamiczny, natomiast do wtórnej strony skraplacza doprowadzony jest czynnik roboczy górnego źródła ciepła (woda grzewcza).
Rys. 41. Obieg termodynamiczny w sprężarkowej pompie ciepła.
W obiegu termodynamicznym odbywa się przekazywanie ciepła z niższego na wyższy poziom temperatury. Odbywa się to w zamkniętym procesie obiegowym, poprzez cykliczną zmianę fizycznego stanu czynnika termodynamicznego - sprężanie, skraplanie, rozprężanie, parowanie. Proces taki zachodzi z udziałem dostar-czonej z zewnątrz energii, służącej do napędu spreżarki (prądu elektrycznego).
Sprężarka spręża gazowy czynnik termodynamiczny, czego skutkiem jest gwałtowny wzrost jego temperatury. Gorący gaz, przechodząc przez skraplacz, oddaje wiekszość swojego ciepła wodzie grzewczej. W momencie ochładzania się gaz ulega skropleniu. Czynnik termodynamiczny, już w postaci cieczy ale jeszcze pod wysokim ciśnieniem, przechodzi nastepnie przez zawór rozprężny. W trakcie rozprężania następuje gwałtowne ochłodzenie czynnika. Zimna ciecz, pod niskim ciśnieniem, przepływając przez parownik odbiera ciepło od czynnika roboczego dolnego źródła ciepła. W wyniku podgrzania, ciecz obiegu termodynamicznego odparowuje i zamienia się ponownie w gaz. Gazowy czynnik termodynamiczny pod niskim ciśnieniem, trafia ponownie do sprężarki i cykl obiegu termodynamicznego powtarza się.
W nowoczesnych pompach ciepła, jako czynniki robocze obiegu termodynamicznego, wykorzystuje się najczęściej związki zwane freonami. Związki te, lub ich mieszaniny, są bezbarwne, bezwonne i nietrujące oraz - ze wzgledów ekologicznych - bezchlorowe.
3.6.3. Moc i efektywność sprężarkowej pompy ciepła.
Energie niezbedn1 do spre?ania czynnika termodynamicznego trzeba dostarczya pompie ciep3a z sieci elektrycznej. Dwie spooród wielu wartooci, które charakteryzuj1 pompy ciep3a to moc grzewcza oraz pobór mocy elektrycznej. Stosunek obu tych wartooci okreolany jest jako wspó3czynnik efektywnooci (COP) pompy ciep3a.
Moc grzewcza pompy ciepła jest podawana w pewnym ściśle określonym zakresie temperatur, który z kolei zależy od rodzaju dolnego i górnego źródła ciepła. Moc pompy ciepła dobiera się na podstawie uprzednio oszacowanego zapotrzebowania cieplnego budynku.
Współczynnik efektywności sprężarkowej pompy ciepła w typowych instalacjach jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatur pomiedzy górnym a dolnym źródłem ciepła (wyrażona w stopniach Kelvina). Współczynnik ten osiąga zazwyczaj wartość od 3 do 4,5. Trzeba tu podkreślić, że współczynnik efektywności tradycyjnych systemów grzewczych, przyjmuje wartości od 0,5 do 0,99. Spośród dostepnych w handlu urządzeń grzewczych, pompy ciepła posiadają najwyższą sprawność.
Niezależnie od zastosowanego urządzenia grzewczego, zapotrzebowanie na ciepło dla budynku uwzględnia zewnetrzną temperaturę obliczeniową, przyjętą dla danej strefy klimatycznej. W sezonie grzewczym, temperatura na zewnątrz budynku może spaść o kilka stopni poniżej przyjętej wartości obliczeniowej.
Aby w ciągu kilku najchłodniejszych dni zapewnić stuprocentowe pokrycie zapotrzebowania
na ciepło trzeba zastosować dodatkowe urządzenie grzewcze. W przypadku pompy
ciepła, niedobór mocy można uzupełnić za pomocą grzałki elektrycznej, zainstalowanej
w zbiorniku buforowym wody kotłowej. Można wykorzystać także tradycyjny kocioł
grzewczy lub kominek z płaszczem wodnym. Czasami
do tego celu można użyć kolektorów słonecznych. Odpowiedniej wielkości bateria
kolektorów słonecznych może ogrzewać wodę w zbiorniku buforowym, zimą, w ciągu
dnia. Bardzo dobre rezultaty daje podgrzewanie energią słoneczną
czynnika roboczego, który płynie przez dolne źródło pompy ciepła.
| Powrót do Strony Głównej |