Pompa ciepła to nie kocioł. Przepompowywanie energii

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa zobacz pdfa zobacz pdfa

W przeszłości ceny paliw stałych, płynnych czy gazowych były stosunkowo niskie, natomiast koszty najnowszych rozwiązań grzewczych, opartych na pompach ciepła, duże. Z biegiem czasu stosunek tych cen zaczął się zmieniać. Ceny paliw zaczęły gwałtownie rosnąć przy stosunkowo stabilnych kosztach urządzeń. Oszczędności eksploatacyjne z wytwarzania energii cieplnej za pomocą pompy ciepła w porównaniu do innych źródeł pozwalają więc na spłatę inwestycji w stosunkowo krótkim czasie.

Ekologia
Nowoczesne pompy ciepła przyczyniają się znacznie do zredukowania emisji szkodliwych produktów spalin do atmosfery. Poprzez zastosowanie pompy ciepła można zredukować ten udział o połowę w porównaniu do np. kotłowni olejowej, a ok. 80% w stosunku do kotłowni węglowych lub na tak modny obecnie ekogroszek.

Źródłem energii cieplnej jest energia słoneczna. Warunkiem zastosowania pompy ciepła jest posiadanie zasobów pochodnej tej energii w otaczającym nas środowisku naturalnym. A oto niektóre z nich:

* energia cieplna w powietrzu zewnętrznym,
* energia cieplna w gruncie,
* energia cieplna w wodzie gruntowej,
* energia cieplna w wodach powierzchniowych (rzeki, jeziora, stawy).
* energia cieplna wytwarzana w procesach technologicznych.

Pompy ciepła są ekologicznym przetwornikiem ciepła, gdyż ok. 70-80% energii pobierane jest ze środowiska naturalnego lub z procesów technologicznych, a jedynie ok. 20-30% energii pobierane jest z innych źródeł, w naszym przypadku energii elektrycznej. Przy obecnym stanie jej wytwarzania głównie w elektrowniach węglowych mamy do czynienia również z zanieczyszczeniem atmosfery, jednak poprzez systemy odpylania i neutralizacji emisja spalin jest zdecydowanie mniejsza niż w tradycyjnych kotłowniach.

Nie mylić!
Pompy ciepła, niezależnie od sposobu odzysku ciepła z naturalnego środowiska, należą bezsprzecznie do najoszczędniejszych, najwygodniejszych i najczystszych systemów jego wytwarzania na potrzeby grzewcze. Dodatkowym źródłem energii może być bezpośrednio energia słoneczna przy zastosowaniu kolektorów słonecznych. Należy ją jednak traktować jedynie jako dodatkowe źródło energii, gdyż w naszej strefie klimatycznej nie jest możliwe całoroczne i całodobowe jej wykorzystanie.

Wielu instalatorów utożsamia instalację z pompą ciepła z instalacją z kotłem grzewczym o innej zasadzie działania. Nic bardziej mylnego! Aby całkowicie wykorzystać zalety i oszczędności pompy ciepła, należy połączyć wiadomości teoretyczne i praktyczne z techniki chłodniczej i cieplnej.

Podstawowe zasady to:

* zapewnienie dostarczenia odpowiedniej ilości ciepła z „dolnego źródła”,
* zapewnienie odbioru odpowiedniej ilości ciepła przez odbiorniki ciepła, tzw. górne źródło ciepła.

Ta pozornie oczywista zasada w kotle jest rzeczywiście prosta. Palnik („dolne źródło ciepła”) włącza się w przypadku zapotrzebowania odpowiedniej temperatury w instalacji grzewczej („górne źródło ciepła”). Mamy tu do czynienia z bezpośrednią zależnością dwóch obiegów. W pompie ciepła zależność ta jest pośrednia. Stopniem pośrednim jest obieg czynnika roboczego, tzw. freonu, w obiegu wewnętrznym pompy ciepła. Mamy tu więc do czynienia z trzema obiegami. Połączenie automatycznej współpracy dwóch obiegów jest znacznie prostsze niż połączenie automatycznej współpracy trzech obiegów. W przypadku niedostatecznego dostarczenia odpowiedniej ilości ciepła z „dolnego źródła” występują zakłócenia w obiegu pośrednim (freonu) w postaci obniżenia ciśnienia czynnika roboczego. W przypadku niedostatecznego odbioru ciepła przez „górne źródło ciepła” (instalacja grzewcza) występują również zakłócenia w obiegu pośrednim w postaci podwyższania dopuszczalnego ciśnienia czynnika roboczego.

Wynika z tego, że prawidłowy dobór „górnego” i „dolnego” źródła ciepła ma tu niezwykle istotne znaczenie dla bezawaryjnej i oszczędnej pracy całego systemu grzewczego. Często systemy o doborze odbiegającym nieco od prawidłowego funkcjonują bezawaryjnie, jednak koszty ich eksploatacji są wyższe od kosztów systemów z poprawnym doborem wszystkich elementów.

Rynek pomp ciepła
Źle wykonane systemy powodują szerzenie się opinii, że pompy ciepła nie są ekonomicznymi urządzeniami grzewczymi. Szkodzą więc prawdzie o oszczędnej pracy pomp ciepła, a w konsekwencji szkodzą rozwojowi tego rynku. Jestem mimo wszystko przekonany, że popyt na takie systemy grzewcze będzie się dynamicznie rozwijał, biorąc pod uwagę rosnące doświadczenia w Polsce i innych krajach. Powodem tego jest bardzo niepewna stabilność cen paliw płynnych i gazowych, a jednocześnie stosunkowo stabilna cena energii elektrycznej. Proponuję więc firmom instalacyjnym, które przyjmują zlecenie na wykonanie systemu grzewczego z pompą ciepła, a nie mają wystarczającego doświadczenia w tym specjalistycznym zakresie, by zleciły projekt i nadzór firmom o długoletnim doświadczeniu. Zapobiegnie to negatywnym opiniom o działaniu systemu grzewczego z pompami ciepła.

Opinie
Jednym z pozornych mankamentów są wysokie koszty serwisowania. Wynikają one częściowo z tego, że potrzebni są tu specjaliści o wysokiej wiedzy technicznej, których szkolenie i utrzymywanie na najnowocześniejszym poziomie wymagało zainwestowania czasu i pieniędzy. Jednak gdy weźmiemy pod uwagę wszystkie czynności serwisowe związane np. z kotłownią olejową (czyszczenie komina, sprawdzanie sprawności odprowadzenia skroplin, sprawdzenie instalacji olejowej czy nawet utrzymywanie w czystości pomieszczenia kotłowni), koszty te są niekiedy wyższe od kosztów serwisu centrali z pompą ciepła.

Doświadczenia z praktyki
W zależności od systemu „dolnego źródła ciepła” występują różnice w prawidłowym działaniu systemów grzewczych. Każdy system reaguje inaczej na zmianę warunków atmosferycznych, rodzaj grzejników czy charakter budynku. Istotną różnicą jest też stan budynku – istniejący czy w budowie. Należy także rozróżnić „ogrzewanie” użytkowanego budynku od „wygrzewania” nowego. Zapotrzebowanie ciepła w fazie „wygrzewania” budynku jest (w zależności od konstrukcji) prawie 2,5-krotnie wyższe od ogrzewania w okresie normalnej eksploatacji. W takiej sytuacji prawidłowo dobrana pompa ciepła nie jest w stanie zapewnić odpowiedniej ilości mocy grzewczej. Nie ma to miejsca przy kotłach olejowych czy gazowych, gdzie moc grzewcza jest z reguły znacznie wyższa od faktycznego zapotrzebowania ciepła w okresie normalnej eksploatacji budynku po jego „wygrzaniu”. Zwiększenie zapotrzebowania ciepła w okresie „wygrzewania” ma jedynie duży wpływ na zwiększenie zużycia paliwa w okresie wysuszania budynku. Dobór pompy ciepła dla krótkiego wygrzewania budynku spowodowałby znaczne zwiększenie kosztów inwestycyjnych. W tym miejscu zwróćmy uwagę na odmienny charakter działania różnych systemów „dolnego” i „górnego” źródła ciepła.

System gruntowy solanka/woda
W fazie „wygrzewania” budynku pompa ciepła nie dostarczy wymaganej mocy grzewczej i temperatury pomieszczeń mogą być niższe od wymaganych podczas normalnej eksploatacji budynku po osuszeniu. Nie powoduje to jednak zakłóceń w pracy centrali grzewczej. Może natomiast wywołać reklamacje inwestora w związku z niewłaściwą wielkością pompy ciepła (czasami inwestor nie zdaje sobie sprawy, że właściwy dobór leży w jego własnym interesie, tzn. jak najwyższych oszczędnościach w kosztach ogrzewania). Warto uprzedzić inwestora nowego budynku, że „wygrzewanie” trzeba przeprowadzić z udziałem dodatkowych źródeł ogrzewania lub liczyć się ze zwiększonymi kosztami ogrzewania.

System studniowy woda/woda
Teoretycznie system ten jest najefektywniejszym systemem, przynoszącym najwyższe oszczędności eksploatacyjne. Pobór wody do pompy ciepła dozwolony jest ze studni wody gruntowej tzw. pierwszej warstwy. Warunkiem niezawodnej i efektywnej pracy systemu jest bardzo wysoka jakość wody powierzchniowej. Warunek ten jest trudny do osiągnięcia. Woda ta, szczególnie na Wybrzeżu, może posiadać znaczną ilość żelaza. W początkowej fazie eksploatacji efekty pompy zgadzają się w przybliżeniu z oczekiwaniami. Z biegiem czasu, z powodu zanieczyszczania się wymiennika pośredniego czy parownika, spada współczynnik wymiany ciepła, zwiększają się opory przepływu i zmniejsza się przepływ wody. Ma to szczególne znaczenie dla pompy głębinowej, której charakterystyka jest stosunkowa płaska. W początkowej fazie nie jest to odczuwalne po stronie odbiorników, lecz po stronie licznika energii elektrycznej.

Sygnałem o zanieczyszczonym wymienniku będzie wchodzenie pompy w stan awarii zamrożeniowej. A więc po wystąpieniu pierwszej awarii należy przystąpić do czyszczenia wymiennika chemicznie lub najlepiej mechanicznie. Kilkakrotne czyszczenie chemiczne może spowodować uszkodzenie uszczelnień wymiennika, czyszczenie mechaniczne – uszkodzenie mechaniczne wymiennika. Uszkodzenie wymiennika może spowodować w pompach o bezpośredniej wymianie ciepła w parowniku przedostanie się wody do obiegu freonu, co oznacza także uszkodzenie sprężarki.
A więc w przypadku złej jakości należy koniecznie zabezpieczyć parownik pompy ciepła od wpływu wody gruntowej na przedwczesną korozję i rozdzielić obiegi wymiennikiem woda/solanka. Pośrednia wymiana ciepła przez wymiennik i zastosowanie w obiegu parownika mieszaniny wody z glikolem powoduje obniżenie współczynnika efektywności pompy ciepła (COP), a tym samym wydajności grzewczej. Całkowity współczynnik efektywności pompy ciepła (przy zastosowaniu rozdziału obiegu ze studni z obiegiem parownika pompy ciepła za pośrednictwem wymiennika płytowego i przy uwzględnieniu poboru mocy elektrycznej przez pompę głębinową) może okazać się niższy niż w systemie gruntowym solanka/woda o zamkniętym obiegu czynnika. Inwestorom decydującym się na system ze studniami należy o tym otwarcie, najlepiej pisemnie, zasygnalizować. Uniknie się tym samym szerzenia się niesłusznych opinii o nieefektywnej i awaryjnej pracy pomp ciepła.

System powietrze/woda
W pompie ciepła powietrze/woda zachodzi konieczność odszraniania parownika przy temperaturach powietrza nawiewanego do pompy poniżej ok. 5ºC. Odszranianie realizowane jest odwróconym obiegiem freonu w pompie ciepła z wykorzystaniem ciepła gromadzonego wcześniej w zbiorniku buforowym. Minimalna temperatura w zbiorniku buforowym obiegu grzewczego nie może spaść poniżej 30ºC. Przy wyziębionym i wilgotnym budynku, szczególnie przy ogrzewaniu podłogowym, temperatura powrotu wody grzewczej jest zdecydowanie niższa. Powoduje to konieczność wyłączenia automatycznej regulacji pogodowej i długotrwałe manualne rozgrzewanie budynku. W tej sytuacji zaleceniem dla inwestora jest dogrzewanie budynku, np. powietrzną nagrzewnicą elektryczną, jednak ze względu na koszty jest to często zaniechane.
Częstymi przypadkami w procesie inwestycyjnym jest opóźnianie (z różnych powodów) terminu wykonania robót budowlanych. W konsekwencji powoduje to przesunięcie terminu wykonania robót instalacyjnych. Szczególnie przesunięcie robót instalacyjnych z okresu letniego na okres zimowy może wywołać ww. problemy z uruchomieniem ogrzewania i oczywisty wzrost kosztów wykonawczych.
Zwiększenie tych kosztów nie jest najczęściej akceptowane przez inwestora. W umowach istnieją pozycje kar umownych za przekroczenie terminu wykonania inwestycji, natomiast często trudno jest wyegzekwować kary umowne za brak terminowego udostępnienia frontu robót. W przypadku instalacji pompy ciepła powietrze/woda zwróciłbym więc na to szczególną uwagę, by uniknąć nieporozumień umownych i finansowych.

System kolektorów słonecznych
System kolektorów słonecznych jest bardzo efektywnym uzupełnieniem systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jego walory ekologiczne są niepodważalne. Wychodząc jednak z rachunku ekonomicznego, przy założeniu obecnych kosztów inwestycyjnych, okres wypłacalności jest ok. dwukrotnie wyższy niż okres wypłacalności instalacji pompy ciepła. Są to relacje dla typowych domów jednorodzinnych.
Relacje te zmieniają się w przypadku konieczności dodatkowego całorocznego podgrzewania wody w basenach kąpielowych lub w letnich ośrodkach rekreacyjnych, gdzie występuje bardzo duże zużycie ciepłej wody użytkowej w lecie. Oferowanie, tak modnych obecnie, baterii kolektorów słonecznych powinno się więc wiązać z rzetelnym przedstawieniem rachunku ekonomicznego. Nieprzedstawienie takiego rachunku może być powodem późniejszych reklamacji. Niezbędnym elementem systemu solarnego jest układ magazynowania i odbioru ciepła.

W przypadku zainstalowania baterii kolektorów słonecznych należy dążyć do zainstalowania jak największych zasobników ciepłej wody użytkowej o maksymalnie dużych powierzchniach ogrzewalnych wężownicy. Zbyt mały odbiór ciepła z kolektorów słonecznych w słoneczne, letnie dni może wywołać podwyższenie się temperatury w obiegu powyżej określonej temperatury, przy której, ze względu na zabezpieczenie elementów układu, system zostanie wyłączony. I właśnie w okresie największej „podaży” ciepła nie będziemy mieli jego odbioru.

Ważne jest także właściwe zlokalizowanie czujnika temperatury obiegu solarnego. Niewłaściwe jego usytuowanie może spowodować zbyt późne włączanie się pompy obiegowej i późniejsze wykorzystanie ciepła zawartego w kolektorach.

Należy wziąć pod uwagę, że terytorium Polski wykazuje jedną z najniższych intensywności nasłonecznienia w Europie. Jest ono nawet niższe w porównaniu do krajów o niższej temperaturze obliczeniowej dla instalacji grzewczych, np. Białorusi.

Mirosław Kozłow

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij