|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 03/2003
Pompy ciepła: drogie w budowie, tanie w eksploatacji, ale to się opłaca!
|
|
|
Coraz więcej słyszy się o stosowaniu pomp ciepła do celów ciepłowniczych w prywatnych mieszkaniach oraz obiektach użytku publicznego. Urządzenie umożliwia wykorzystanie energii cieplnej ze źródeł o niskich temperaturach poprzez proces podnoszenia potencjału cieplnego. Współczynnik efektywności pomp ciepła zależy od konkretnego modelu oraz warunków pracy. Wskaźnik wynosi nawet do 7 co znaczy, że z 1 kW włożonej energii do napędu pompy możemy uzyskać do 7 kW ciepła. Pozostałą część energii, jaką dostarcza pompa pobierana jest z tzw. dolnego źródła ciepła, które może pochodzić z powietrza, gruntu lub wody. Znane są też rozwiązania gdzie wykorzystuje się ciepło odpadowe powstałe z różnego rodzaju działalności przemysłowej lub ścieków komunalnych.
|
Zasada działania pompy ciepła jest analogiczna do urządzenia chłodniczego lub klimatyzatora, z tą różnicą, że wykorzystanie energii jest odwrotne. Istnieją też systemy działające w zimie jako pompy ciepła, a w lecie jako klimatyzatory. Najwięcej takich rozwiązań można spotkać w Stanach Zjednoczonych, Norwegii, Szwecji, byłym RFN, Francji i Włoszech.
Szczyt rozwoju urządzeń miał miejsce w latach 80. Wtedy blisko 30% nowych domów jednorodzinnych w USA wyposażano w takie właśnie układy. Pompy ciepła kompleksowo ogrzewające budynki i wodę użytkową, rzędu kilkunastu kW zdobywają ostatnio coraz więcej zwolenników również w naszym kraju. Najbardziej popularne układy sprężarkowe składają się z czterech podstawowych części: sprężarki, zaworu rozprężnego i dwóch wymienników, z których jeden pełni rolę skraplacza, a drugi parownika. Parownik pobiera ciepło z otoczenia poprzez odparowujący w nim czynnik krążący w układzie. Dalej sprężarka zasysa odparowaną ciecz i podnosi ciśnienie czynnika, co powoduje wzrost jego temperatury. Wytworzona para trafia do skraplacza, gdzie w wyniku różnicy temperatur następuje skraplanie i emisja ciepła wykorzystywanego do celów grzewczych. Na przewodzie pomiędzy skraplaczem a parownikiem znajduje się zawór rozprężny, którego zadanie polega na przepuszczaniu odpowiedniej ilości cieczy do niskociśnieniowej części układu czyli parownika. Do zasilania powszechnych sprężarkowych pomp ciepła stosuje się energię elektryczną. Najtańsze zestawy z pompą dostępne na naszym rynku to klimatyzatory pokojowe o mocy efektywnej rzędu kilku kW z wbudowanym przełącznikiem obiegu na pracę jako pompa ciepła. Te najczęściej wykorzystują energię dolnego źródła z powietrza, a to sprawia że użytkowanie ich w naszym klimacie jest ograniczone, ponieważ podczas spadku temperatur zewnętrznych poniżej –5 st. C wydajność układu znacznie spada i staje się nieekonomiczna. W polskim klimacie najbardziej uzasadnionym źródłem odnawialnym do napędu pomp ciepła jest energia skumulowana w gruncie, wodach powierzchniowych lub wodach gruntowych.
W przypadku kolektora gruntowego jego powierzchnia uzależniona jest od sposobu montażu. Wymienniki układane poziomo na głębokościach od 1,2 do 2 metrów wymagają znacznej powierzchni działki. Pobór energii cieplnej dla kolektorów płaskich w zimie waha się w granicach 20-50 W z 1 m kw. obszaru w zależności od struktury gleby i parametrów lokalnych terenu. Istnieje możliwość zastosowania kolektorów pionowych, lecz te z kolei wymagają nawiercenia otworów o głębokościach 20-150 metrów, a to oznacza większe nakłady finansowe. Cena zestawu pompy ciepła, czerpiącego energię z gruntu za pośrednictwem wymienników poziomych - wraz z montażem - dla małego domku u jednego z krajowych dystrybutorów wynosi około 50 tysięcy złotych. Za taką kwotę otrzymujemy układ rzędu kilkunastu kW. Zwrot kosztów następuje po 5-15 latach w zależności od zakupionego modelu i warunków pracy. Posiadając w okolicy domu rzekę, staw lub jezioro możemy rozważyć ich wykorzystanie jako dolne źródło ciepła do napędu pompy. Tutaj inwestycja jest niższa, lecz pojawia się problem oblodzenia i dużych wahań temperatury. Bardziej stabilnym źródłem jest studnia gruntowa lub głębinowa. Wymiana wody w takim systemie może odbywać się w jednym odwiercie, ale na różnych poziomach (pobór niżej, zrzut wyżej). Innym źródłem dla pomp ciepła mogą być wody geotermalne. Rozwiązanie wymaga zazwyczaj głębszych otworów wiertniczych, co czyni inwestycję opłacalną w przypadku większych systemów ciepłowniczych.
Idea pomp opartych na energii wód termalnych w Polsce ma szanse rozwoju, ze względu na korzystne uwarunkowania geologiczne i dużą ilość nie użytkowanych obecnie poszukiwawczych otworów wiertniczych, których rekonstrukcja często obniża koszty ewentualnych inwestycji. Ciekawy pionierski projekt wykorzystujący sprężarkowe pompy ciepła czerpiące energię z niskotemperaturowych wód geotermalnych został uruchomiony jesienią zeszłego roku w podkrakowskich Słomnikach.
Mniej popularnym rodzajem pomp ciepła w naszym kraju są dwuobiegowe urządzenia absorpcyjne, gdzie oprócz obiegu właściwego, dochodzi jeszcze układ sprężarki termicznej. W absorpcyjnej pompie ciepła niskociśnieniowa para podczas wyjścia z parownika wchłaniana jest przez absorber, czemu towarzyszy proces wytwarzania ciepła. Roztwór sprężany jest do wysokiego ciśnienia, a następnie przesyłany do warnika gdzie zostaje podgrzewany do wysokiej temperatury. Dalej pary przechodzą do skraplacza, gdzie po raz kolejny oddawane jest ciepło. Następuje skroplenie czynnika roboczego i roztwór wraca do absorbera przez zawór rozprężny. Aby układ mógł pracować niezbędne jest dostarczenie energii cieplnej do podgrzania warnika oraz wymuszenie obiegu mediów za pomocą pompy mechanicznej. Najpopularniejszym zasadniczym paliwem do napędu tego typu systemów jest gaz ziemny. Mimo że wspomniane układy absorpcyjne są bardziej niezawodne od klasycznych pomp sprężarkowych stosuje się je w Polsce rzadziej i występują one raczej w jednostkach o większych mocach. Spowodowane jest to w znacznej mierze bardziej złożoną budową konstrukcyjną oraz brakiem specjalistycznych ekip serwisowych. W przypadku sprężarkowych pomp ciepła ich atutem jest fakt, że obsługa urządzenia nie sprawia problemu wykwalifikowanym chłodnikom. Większy system grzewczy, gdzie zasadnicze źródło energii stanowią absorpcyjne pompy ciepła to układ w Pyrzycach, o mocy 21,2 MW. Kolejnym przykładem może być 2,5-megawatowa pompa ciepła, zlokalizowana w Mszczonowie, a zasilająca układ ciepłowniczy w mieście. Oba układy czerpią energię z wód geotermalnych. Systemy podczas niskich temperatur zewnętrznych wspomagane są poprzez szczytowe kotły gazowe.
Omawiając pompy ciepła warto wspomnieć pracach badawczo–rozwojowych prowadzonych w ostatnich latach między innymi przez ministerstwo energetyki USA. Badania skierowane są na technologie oparte na wymianie ciepła warnik – absorber, zwanych w skrócie GAX (generator-absorber heat exchange). Te urządzenia uważa się za jedne z najbardziej przyszłościowych. Charakteryzują się one prostą obsługą eksploatacyjną oraz większą sprawnością energetyczną od wcześniejszych konstrukcji nawet o 40%. W prototypowej pompie ciepła typu GAX wykonanej pod koniec lat 90., energię cieplną, zasilającą urządzenie dostarcza płomień palnika gazowego ogrzewający warnik z czynnikiem chłodniczym i absorbentem. Czynnik chłodniczy stanowi amoniak, a absorbentem jest woda. W warniku następuje odparowanie amoniaku w temperaturze wrzenia, powodując równocześnie wzrost ciśnienia w zbiorniku. Dalej pary amoniaku kondensują się w skraplaczu oddając ciepło do wymiennika wewnętrznego obiegu. Skroplony amoniak przemieszcza się następnie do parownika niskociśnieniowego, gdzie pobiera ciepło z otoczenia i przechodzi w parę o niskim ciśnieniu i temperaturze przekazywaną dalej do absorbera. W tym samym czasie, po odparowaniu amoniaku z warnika, absorbent czyli woda przemieszcza się do absorbera, gdzie łączy się później z parami czynnika powodując reakcję egzotermiczną. Wytworzone ciepło wykorzystywane jest do celów grzewczych poprzez kolejny wymiennik. Ochłodzoną mieszaninę o niskim ciśnieniu przepompowuje się - za pomocą pompy mechanicznej - z powrotem do warnika, zamykając tym samym cykl obiegu. Dla zwiększenia wydajności grzewczej układu wymiennik cieplny zamontowany jest również w górnej części warnika.
Piotr Łepkowski
|
|
|
|
