Pompy ciepła cz.2

Kolektor płaski
Wykonuje się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5÷ 0,8 m z jednego m² gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10-40 W, w zależności od rodzaju gleby. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty, suchy. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m², kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 800 m² dla domu o powierzchni netto ok. 200 m², jeśli grunt jest piaszczysty).

Kolektor spiralny
Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to można zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm. Jednak jest to twierdzenie błędne – w istocie, kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m.
Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła jest grunt, a nie rura, więc niezależnie od sposobu jej ułożenia (rzędami, czy spiralnie) dla pobrania określonej ilości ciepła z gruntu wymagana jest określona powierzchnia „pracującego” gruntu.

Kolektor pionowy
Najskuteczniejszym rozwiązaniem w przypadku ograniczonej ilości miejsca jest kolektor pionowy. Do odwiertów o głębokości 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U. Z 1 m odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 100 W energii cieplnej. Na przykład dla domu o powierzchni 200 m² potrzebną moc cieplną (200 m² x 50 W/m² = 10 kW) otrzymamy przy łącznej długości odwiertów ok. 200 m, czyli mogą to być 4 odwierty o głębokości 50 m każdy. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.

System bezpośrednie parowanie–woda
Popatrzmy na rysunek w ramce „Schemat działania pompy ciepła”(wpis wcześniejszy) i wyobraźmy sobie, że lewą połowę obiegu termodynamicznego – od zaworu rozprężnego do sprężarki – wydłużamy o kilkaset metrów kolektora (poziomego lub pionowego). To znaczy, że rezygnujemy z wymiennika ciepła między obiegiem solanki w kolektorze poziomym lub pionowym a obiegiem pompy ciepła. W takim wydłużonym obiegu termodynamicznym krąży specjalny czynnik (np. propan R 290 lub R 407C), który odparowuje w kolektorze, pobierając ciepło z gruntu. Rury kolektora wykonuje się z miedzi pokrytej warstwą PE. Wyeliminowanie wymiennika ciepła i pompy obiegowej (wymuszającej obieg solanki w kolektorze) pozwala na zwiększenie sprawności COP o ok. 20%.

System powietrzny
Pompa ciepła może się obyć bez źródła dolnego, jeśli ciepło będzie pobierane z powietrza – zewnętrznego lub wewnętrznego. To ciepło może być przekazywane do wody krążącej w obiegu grzejnym podłogówki lub do powietrza wdmuchiwanego np. przez klimakonwektory.

Minusy
Moc grzewcza i sprawność COP spada wraz ze spadkiem temperatury powietrza. Najlepiej działa w lecie, gdy jest niepotrzebna. Podczas srogiej zimy, przy temperaturach -10°C ÷ -25°C (czy jeszcze będą takie zimy?) sprawność pompy ciepła wynosi zaledwie 2 ... 3. Wynika to z fizyki, we wzorze na COP w mianowniku występuje (T2 – T1), zatem im niższa jest temperatura źródła T1, tym mniejsza wartość COP. Sprawność COP = 2 oznacza, że koszt eksploatacyjny ogrzewania pompą ciepła jest tylko 2 razy mniejszy od bezpośredniego ogrzewania elektrycznego (najdroższego ze wszystkich systemów ogrzewania).Spadek mocy i sprawności pompy ciepła w okresach szczególnie mroźnych wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła. Zwykle jest to grzałka elektryczna zamontowana w zbiorniku wody. Może też być inne źródło ciepła już istniejące w domu (np. kocioł).Szczególnie odnosi się to do domów poddawanych modernizacji przez zainstalowanie ogrzewania pompą ciepła bez likwidacji istniejącej instalacji c.o. Biorąc pod uwagę polskie realia klimatyczne, w ciągu roku ilość energii cieplnej dostarczonej przez źródła wspomagające pompę ciepła wynosi zaledwie 5-10% energii dostarczanej przez pompę ciepła.

Plusy
Oczywistym plusem jest brak nakładów inwestycyjnych na dolne źródło ciepła. Aby pobierać ciepło z otaczającego powietrza nie trzeba budować kosztownych kolektorów czy studni, jak to jest w przypadku pompy ciepła czerpiącej energię cieplną z gruntu. To oszczędność kilku do kilkunastu tysięcy złotych na kosztach inwestycyjnych. Z ulgą należy również powitać brak robót inżynieryjnych w ogródku, a nawet w ogóle można się obyć bez ogródka.Chyba że chcemy wspomóc pompę ciepła przez gruntowy wymiennik ciepła, służący również jako czerpnia powietrza do wentylacji i klimatyzacji. Są takie koncepcje, żeby mroźne powietrze (np. o temperaturze -20°C) wstępnie ogrzewać do ok. 0°C, przepuszczając je przez złoże żwiru umieszczonego w gruncie. Brak konieczności budowy dolnego źródła znakomicie ułatwia zainstalowanie pompy ciepła w zamieszkałym domu, w ramach modernizacji już istniejącej instalacji ogrzewania. Pompę ciepła można zainstalować na zewnątrz lub wewnątrz budynku.

Mity nie mity
Zwolennicy kategorycznych poglądów twierdzą, że pompa ciepła czerpiąca ciepło z powietrza nie wchodzi w ogóle w rachubę w surowym klimacie. Twierdzą, że to rozwiązanie jest dobre dla Kalifornii, ale nie dla Polski. Z kolei adwokaci tego rozwiązania (reprezentanci firm oferujących takie pompy ciepła) przytaczają szereg zdroworozsądkowych argumentów.
Po pierwsze, pompy ciepła powietrze-woda są stosowane nawet na północy Szwecji, gdzie klimat na pewno jest surowszy niż w Polsce. Zimy są u nas łagodne i coraz cieplejsze. W najchłodniejszym miesiącu roku – styczniu, średnia temperatura w centralnej Polsce dla ostatnich 30 lat wynosi ok. -1° C, a pompy ciepła działają do -20°C, a niektóre nawet do -25°C. To prawda, ale nie pocieszy nas średnia statystyczna dla wielu lat, gdy w danym roku przez parę tygodni będzie mróz poniżej -15°C.
Trzeba będzie dogrzewać dom z innego źródła ciepła lub przetrzymać dyskomfort życia w wychłodzonym domu. Dłużej trwające niskie temperatury mogą też ujawnić za małą moc pompy ciepła. Można, oczywiście, kupić pompę ciepła o mocy przewymiarowanej, zdecydowanie za dużej w łagodnych warunkach eksploatacji. No cóż, za pompę o dużej mocy trzeba też dużo zapłacić i wówczas może się okazać, że pieniądze zaoszczędzone na dolnym źródle ciepła (a ta oszczędność jest najbardziej wyrazistą zaletą tego rodzaju pomp) zostaną wydane na pompę ciepła o znacznie większej mocy. Zatem twierdzenie, że w mroźne dni nie da się dogrzać domu do znośnej temperatury, bo pompy ciepła powietrze-woda mają za małą moc, to typowy mit-nie-mit.
Można sobie wprawdzie sprawić pompę z wystarczającym naddatkiem mocy, ale to będzie sporo więcej kosztowało. Obrońcy tego rozwiązania bagatelizują też niską sprawność COP, spadającą poniżej 3 w mroźne dni. Mają trochę racji, bo przy rocznych kosztach ogrzewania domu 200m² pompą ciepła woda-woda (o wartości COP ponad 5) wynoszących ok. 1500 zł, w przypadku pompy o COP = 3 zapłacimy 400 zł – 600 zł więcej za rok ogrzewania. Dopiero po ok. 20 latach straty finansowe na ogrzewanie zrównałyby się z ewentualnym kosztem budowy dolnego źródła w gruncie.

Sensowne zastosowania
Pompy ciepła czerpiące ciepło z powietrza szczególnie nadają się do następujących zastosowań.
1) Do wytwarzania c.w.u. Pompa małej mocy, np. 1,6 kW, czerpiąc wewnątrz domu ciepło z powietrza o temperaturze 15°C może podgrzewać wodę do +55°C ze sprawnością COP ok. 3,6. Zwykle taką pompę wyposaża się w dodatkową wężownicę do podłączenia kolektorów słonecznych o S = 2,7 m². Ilość powietrza potrzebna do prawidłowej pracy pompy ciepła – 550 m³/h odpowiada kubaturze małego domu. Jeśli taka pompa ciepła będzie pracowała w piwnicy, to zapewni doskonałą wentylację i osuszanie tej piwnicy.
2) Do wentylacji z odzyskiem ciepła. Są to pompy pobierające ciepło z powietrza usuwanego kanałem wentylacji wywiewnej. Spełniają więc funkcję rekuperatora, odzyskując ciepło z wywiewanego powietrza. Wentylując wspomagają ogrzewanie, mogą też być wykorzystywane do wytwarzania c.w.u.
3) Do ogrzewania służą pompy czerpiące ciepło z powietrza zewnętrznego, nawet gdy temperatura spadnie do -20°C. Oczywiście, to rozwiązanie ustępuje sprawnością pompom czerpiącym ciepło z gruntu, ale nie wymaga budowy źródła dolnego, jest więc idealne do modernizacji starego c.o., lub gdy nie ma możliwości wykonania kolektorów czy studni.

Podsumowanie
Mamy do wyboru kilka różnych systemów ogrzewania pompą ciepła. Już teraz można sformułować pewne zasadnicze wnioski, a przynajmniej kilka "naj".
1) Największą sprawność COP, a więc i najniższe koszty eksploatacyjne osiąga się dla niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego i systemu woda-woda, gdyż ΔT wynosi zaledwie 20K (podłogówka 30°C – woda gruntowa 10°C).
2) Najbezpieczniejszym i nie wymagającym dużej powierzchni gruntu jest system solanka-woda z kolektorem pionowym w postaci kilku sond o głębokości kilkudziesięciu metrów.
3) Najłatwiejszym inwestycyjnie, bo nie wymagającym budowy dolnego źródła jest system powietrze-woda. Jednak sprawność COP tego systemu jest najniższa.
4) Najbardziej awangardowym technicznie rozwiązaniem jest system z bezpośrednim odparowaniem, oferowany przez nielicznych producentów.

* za źródłem "Budujemy Dom"