Rzeczywiste koszty eksploatacji powietrznej pompy ciepła (1). Parowanie i skraplanie

System z pompą ciepła to bardzo zależne od siebie trzy obiegi (dolne  źródło – pompa ciepła – system grzewczy), które można porównać do trzech  kół zębatych. Gdy jedno z nich się zatrzyma, przestanie pracować cały  system. Pierwszy obieg to dolne źródło, czyli akumulator energii  słonecznej znajdujący się w otaczającym nas środowisku. Takim naturalnym  akumulatorem energii może być grunt, woda gruntowa lub powietrze. Pompa  ciepła odbiera ciepło z otoczenia i przekazuje je do instalacji  ogrzewczej.

Wykorzystuje się przy tym fakt, że ciepło zawsze przepływa  od „źródła“ do „odbiornika ciepła“ (od ciepłego do zimnego). Pompa  ciepła wykorzystuje (podobnie jak lodówka) naturalny kierunek przepływu  od ciepłego do zimnego w zamkniętym obiegu czynnika chłodniczego z  parownikiem, sprężarką, skraplaczem i zaworem rozprężnym. Pompa ciepła  „pompuje“ przy tym ciepło z otoczenia na wyższy poziom temperatury,  który można wykorzystać do ogrzewania.

Jesteśmy coraz bardziej świadomi, jakie korzyści niesie zastosowanie pomp ciepła, wciąż jednak czujemy niedosyt informacji dotyczących coraz bardziej popularnych pomp typu powietrze/woda, w tym doboru mocy grzewczej tych pomp ciepła, zbiornika buforowego, szczytowego źródła grzewczego, opłacalności itp.

Pompy na powietrze zewnętrzne cieszą się ogromną popularnością w krajach zachodniej Europy, między innymi takich jak Francja, Niemcy, Austria, a także w Czechy. Według najnowszego raportu Europejskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła EHPA dominującym dolnym źródłem dla pomp ciepła jest – i w najbliższej przyszłości pozostanie – powietrze.

Dlaczego więc Polacy nadal bardzo sceptycznie podchodzą do tej technologii? 29% spośród 7,3 tys. pomp ciepła pracujących w funkcji centralnego ogrzewania, sprzedanych w Polsce w 2013 (wg danych PORT PC), to w dalszym ciągu mały udział pomp ciepła zasilanych powietrzem zewnętrznym. Według mnie jest to spowodowane brakiem dostatecznej wiedzy na temat powietrznych pomp ciepła i błędnym przekonaniem, że takie urządzenie nie jest w stanie ogrzać domu w warunkach polskiego klimatu.

W niniejszym artykule postaram się więc rozwiać wątpliwości, wyjaśnić zasadę działania, pokazać sposób doboru tych pomp ciepła oraz analizę ekonomiczną w oparciu o symulacje wykonane w programie komputerowym NIBE VP DIM oraz obliczenia wykonane w oparciu o arkusze kalkulacyjne.

Powietrzna pompa ciepła – zasada działania

System z pompą ciepła to bardzo zależne od siebie trzy obiegi (dolne źródło – pompa ciepła – system grzewczy), które można porównać do trzech kół zębatych. Gdy jedno z nich się zatrzyma, przestanie pracować cały system. Pierwszy obieg to dolne źródło, czyli akumulator energii słonecznej znajdujący się w otaczającym nas środowisku. Takim naturalnym akumulatorem energii może być grunt, woda gruntowa lub powietrze. Pompa ciepła odbiera ciepło z otoczenia i przekazuje je do instalacji ogrzewczej.

Wykorzystuje się przy tym fakt, że ciepło zawsze przepływa od „źródła“ do „odbiornika ciepła“ (od ciepłego do zimnego). Pompa ciepła wykorzystuje (podobnie jak lodówka) naturalny kierunek przepływu od ciepłego do zimnego w zamkniętym obiegu czynnika chłodniczego z parownikiem, sprężarką, skraplaczem i zaworem rozprężnym. Pompa ciepła „pompuje“ przy tym ciepło z otoczenia na wyższy poziom temperatury, który można wykorzystać do ogrzewania.

Konwersja energii z powietrza zewnętrznego do ogrzewania budynku następuje w trzech obiegach (rys. 1). W obiegu czynnika dolnego źródła (1) darmowa energia cieplna pozyskiewana jest z otoczenia i transportowana do pompy ciepła. W obiegu czynnika chłodniczego (2) pompa ciepła zwiększa niską temperaturę pozyskanego ciepła do wysokiej temperatury. W obiegu czynnika grzewczego (3) ciepło jest rozprowadzane po budynku.

Zasada działania pompy ciepła powietrze/woda

Rys. 1. Zasada działania pompy ciepła powietrze/woda.

Powietrze zewnętrzne (A) jest zasysane przez wentylator do parownika pompy ciepła (B). Tutaj powietrze oddaje energię cieplną do czynnika chłodniczego, a temperatura powietrza spada. Zimne powietrze zostaje wyprowadzone z pompy ciepła. Czynnik chłodniczy – gaz, który krąży w obiegu zamkniętym w pompie ciepła – również przepływa przez parownik. Czynnik chłodniczy ma bardzo niską temperaturę wrzenia. W parowniku czynnik chłodniczy odbiera energię cieplną z powietrza i zaczyna wrzeć (C).

Gaz powstający podczas wrzenia jest kierowany do sprężarki (D), zasilanej elektrycznie (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energią cieplną (w pompach absorpcyjnych). W wyniku sprężania gazu rośnie ciśnienie oraz znacznie wzrasta jego temperatura, od np. 5oC do ok. 80oC. Ze sprężarki gaz jest wtłaczany do wymiennika ciepła (skraplacza), gdzie oddaje energię cieplną do systemu grzewczego (E), po czym ulega schłodzeniu i skrapla się.

Ponieważ ciśnienie jest nadal wysokie, czynnik chłodniczy zostaje przetłoczony przez zawór rozprężny (F), gdzie dochodzi do spadku ciśnienia, aby czynnik chłodniczy powrócił do temperatury pierwotnej. Czynnik chłodniczy ponownie skierowany jest do parownika i cały proces powtarza się. W tym czasie w obiegu czynnika grzewczego energia cieplna wytwarzana przez czynnik chłodniczy w skraplaczu (G) jest odbierana przez wodę w systemie grzewczym (czynnik grzewczy), która zostaje podgrzana do np. 55oC (temperatura zasilania). Czynnik grzewczy krąży w obiegu zamkniętym i przenosi energię cieplną podgrzanej wody do ogrzewacza c.w.u. i wew. systemu grzewczego (np. grzejniki/ogrzewanie podłogowe) budynku (H).

Dobór mocy grzewczej

Pompy ciepła powietrze-woda jako źródło ciepła wykorzystują powietrze zewnętrzne, w związku z czym wykonywanie dolnego źródła w postaci sond pionowych lub kolektora gruntowego jest zbędne, a produkcja ciepła jest możliwa nawet, gdy jego temperatura spada do -20°C, a niekiedy nawet -25°C.

Należy jednak pamiętać, że największym mankamentem tego rozwiązania są sezonowe i pogodowe zmiany temperatury powietrza, przy czym najgorsze warunki są w zimie, kiedy zapotrzebowanie na energię cieplną jest największe, a moc grzewcza pompy ciepła i współczynnik sprawności COP (stosunek mocy grzewczej do poboru energii elektrycznej) spada w miarę obniżania się temperatury powietrza (rys. 2).

Moc grzewcza i pobór energii elektrycznej przez pompę ciepła typu powietrze/woda

Rys. 2. Moc grzewcza i pobór energii elektrycznej przez pompę ciepła typu powietrze/woda przy różnych temperaturach zasilania systemu grzewczego, w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, na przykładzie NIBE F2030 9 kW.

Z tego względu moc grzewczą pompy typu powietrze/woda dobieramy tak, żeby w 100% pokrywała zapotrzebowanie na moc grzewczą budynku do pewnej temperatury powietrza zewnętrznego (np. -8°C), przy której jej sprawność jest jeszcze dla nas opłacalna. Temperaturę tę określa się mianem temperatury lub punktu biwalencji.

Jeżeli przy minimalnej temperaturze obliczeniowej (dla Polski są to wartości w zakresie od -16°C do -24°C w zależności od strefy klimatycznej) moc grzewcza pompy ciepła jest niższa niż zapotrzebowanie na moc grzewczą budynku, to konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła (najczęściej grzałka elektryczna), które będzie wspomagało pracę pompy ciepła w ciągu tych kilku najzimniejszych dni w roku.

Oczywiście możemy „przewymiarować” pompę ciepła, tak żeby jej moc przy minimalnej temperaturze obliczeniowej była równa zapotrzebowaniu na moc grzewczą danego budynku, ale nie jest to ekonomicznie uzasadnione, ponieważ koszt urządzenia o większej mocy będzie znacznie wyższy, podczas gdy roczny koszt eksploatacji urządzenia działającego w trybie monowalentnym (tylko pompa ciepła) i w trybie biwalentnym (pompa wspomagana pracą innego źródła ciepła), będzie podobny lub nawet wyższy. Co jest tego powodem? Przyczyną jest niska sprawność powietrznych pomp ciepła w najzimniejszych dniach w roku (rys. 3).

sprawność powietrznych pomp ciepła

Rys. 3. Współczynnik sprawności COP pompy ciepła typu powietrze/woda przy temperaturze zasilania systemu grzewczego 35°C, w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, na przykładzie NIBE F2030 9 kW.

i paradoksalnie niewielka ilość dni/godzin w roku, w ciągu których temperatura osiąga wartości poniżej -15°C, co z drugiej strony powoduje, że szczytowe źródło ciepła musi dostarczyć niewielki procent rocznego zapotrzebowania na energię cieplną budynku (rys. 4).

temperatury zewnętrzne w Warszawie

Rys. 4. Rozkład temperatur zewnętrznych dla wybranych miast Polski leżących w III i IV strefie klimatycznej.

W kolejnej części postaram się odpowiedzieć m.in. na pytania w jaki sposób wyznaczyć temperaturę biwalencji oraz określić koszty eksploatacji.

dr inż. Małgorzata Smuczyńska

 

Prenumerata Magazynu Instalatora

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