Pompę ciepła można porównać
do lodówki czy klimatyzatora, bo w gruncie rzeczy zasada działania
tych urządzeń jest identyczna. Lodówka „wyciąga” ciepło z
produktów w niej umieszczonych a następnie oddaje to ciepło na
wymienniku ciepła umieszczonym z tyłu urządzenia. Pompy ciepła
działają tak samo.
Pompa ciepła instalowana
jest w domu jako urządzenie wielkości niedużego kotła czy lodówki. Do
niego doprowadzane są rury — obwód wymiennika umieszczonego w
gruncie oraz obwód grzewczy, niektóre urządzenia zdolne są do
podgrzewania wody użytkowej, wtedy posiadają jeszcze jedną parę
złącz.
W gruncie umieszczany jest
duży wymiennik ciepła, składający się najczęściej z kilkuset metrów
rur, ułożonych w taki sposób, na jaki pozwala teren jego
zainstalowania. W tych rurach znajduje się niezamarzający płyn,
zazwyczaj glikol. Ten płyn schładzany jest w urządzeniu do niskiej
temperatury a następnie puszczany przez te kilkaset metrów rur.
Przepływając przez te rury umieszczone w gruncie płyn się ogrzewa do
temperatury wyższej. Ogrzewając się odbiera on ciepło od gruntu,
który jest przez cały rok cieplejszy niż ten płyn. Później to ciepło
jest odbierane przez „serce” pompy ciepła, którym jest
obwód identyczny jak ten znajdujący się w lodówce.
Schemat działania pompy ciepła.
Samo serce urządzenia jest
praktycznie identyczne pod względem zasady działania jak w lodówce.
Czynnik chłodniczy w postaci cieczy przepływa do parownika, w którym
odparowując zabiera ciepło z glikolu ogrzanego w wymienniku
gruntowym. Następnie gaz ten trafia do sprężarki, gdzie podnosi się
jego ciśnienie i temperaturę. W trzecim etapie gorący gaz trafia do
skraplacza, w którym oddaje ciepło do płynu obiegu grzewczego.
Skroplona ciecz z wymiennika pod dużym ciśnieniem trafia do zaworu
dławiącego, gdzie następuje powtórne zmniejszenie ciśnienia.
Prawdą jest, że z pompy
ciepła otrzymujemy kilka razy więcej ciepła niż włożyliśmy do niej
energii elektrycznej. Wynika to bowiem z zasady działania tego
urządzenia. Ciepło odbierane jest z gruntu przez glikol i to ciepło w
całości (wyjąwszy niewielkie straty po drodze) zasila grzejniki czy
ogrzewanie podłogowe. Dodatkowo jeszcze energia elektryczna zużyta na
napęd samej pompy ciepła zamieniana jest w urządzeniu na ciepło,
dzięki czemu tego ciepła użytecznego jest jeszcze więcej.
Producenci systemów preferują sprężarki spiralne z 4 głównych powodów
- niski poziom hałasu
- wysoka sprawność
- niezawodność
- trwałość
Kolektor gruntowy
W czasie lata energia
słoneczna jest akumulowana przez powierzchnię ziemi. Ciepło odbierane
jest z gruntu za pomocą rur z tworzyw sztucznych (polietylenowych)
zakopanych w ziemi około 20 cm poniżej głębokości przemarzania dla
lokalnej strefy. Odstępy między rurami: 80-100 cm. Układ ten nazywany
jest poziomym kolektorem gruntowym. W kolektorze , w zamkniętym
obiegu, krąży niezamarzający płyn, odbierając ciepło z gruntu i
przekazując je do pompy ciepła. Wykorzystanie tej energii na cele
grzewcze jest przykładem praktycznego rozwiązania kwestii ogrzewania
domu usytuowanego na dużej działce. Największą ilość energii można
uzyskać z gruntów o wysokiej zawartości wody. Kolektor nie może
znajdować się pod budynkami, a także nie powinien być oddzielony od
atmosfery żadną szczelną nawierzchnią, np. asfaltową lub betonową na
parkingach, która praktycznie uniemożliwia regenerację kolektora
przez opady deszczowe. Zimą natomiast powierzchnie te są odśnieżane,
przez co usuwana jest warstwa izolacyjna pomiędzy gruntem a zimnym
powietrzem.
Sondy pionowe
Sondy pionowe, zwane też
pionowym kolektorem gruntowym, są to zwykle rury z tworzywa
sztucznego umieszczone w pionowych odwiertach, których głębokość i
ilość ściśle zależy od mocy grzewczej pompy ciepła. Zasada działania
jest podobna jak w kolektorze poziomym: w zamkniętym obiegu krąży
niezamarzający płyn odbierając ciepło z gruntu oraz wód podziemnych i
przekazuje je do pompy ciepła. W dolnych partiach gruntu gromadzi się
ciepło, które praktycznie zachowuje stałą temperaturę przez cały rok.
Wykorzystanie ciepła pochodzącego z tego podłoża jest bezpiecznym i
przyjaznym dla środowiska sposobem ogrzewania każdego rodzaju
budynków, zarówno dużych jak i małych, prywatnych i publicznych.
Koszt wykonania sond pionowych jest stosunkowo wysoki, ale w zamian
uzyskujemy niezawodną, energooszczędną formę ogrzewania o stosunkowo
wysokiej temperaturze na wejściu do pompy ciepła. Kolektor zajmuje
niewielką przestrzeń i można go zainstalować nawet na małych
działkach. Po wywierceniu otworu nie ma konieczności przeprowadzania
dużych prac rekultywacyjnych, zatem wpływ na najbliższe otoczenie
jest minimalny. Wody gruntowe nie są wykorzystywane, więc ich poziom
nie zmienia się.
Woda gruntowa
Pompy ciepła pracujące w
układzie z wodą gruntową osiągają najwyższe współczynniki
efektywności ze względu na wysoką temperaturę źródła ciepła wynoszącą
7 – 12oC przez cały rok. System dolnego źródła na bazie wody
gruntowej składa się z dwóch studni: studni czerpalnej, w której
zainstalowana jest pompa głębinowa (dobierana przez firmę wiertniczą
uprawnioną do wierceń studni) oraz drugiej studni chłonnej. Studnie
powinny znajdować się w odległości minimum 15 m od siebie. Warunkiem
zastosowania studni głębinowych do zasilania pomp ciepła jest
odpowiedni wydatek ujęcia (około 25% większy od nominalnego przepływu
solanki przez parownik dla danego typu pompy ciepła) oraz odpowiedni
skład fizykochemiczny wody. W celu zabezpieczenia parownika pompy
ciepła przed osadami pochodzącymi z wody gruntowej lub zamarzaniem,
wymagamy zastosowanie „krótkiego obiegu” glikolu z
pośrednim wymiennikiem ciepła. Patrz również opcje podłączenia.
Zbiornik wodny
Jeśli na Państwa działce
znajduje się jezioro lub staw, należy wykorzystać to i ułożyć na jego
dnie pętle rur polietylenowych obciążając je tak, aby nie wypłynęły
na powierzchnię. Zbiornik powinien charakteryzować się odpowiednio
dużą powierzchnią i głębokością (ok. 3 metrów). W okresie zimy
temperatura wody na głębokości poniżej 2 metrów utrzymuje się na
stałym poziomie około 4oC. Zasada działania takiego wymiennika jest
taka sama jak kolektora gruntowego. Należy pamiętać jednak, żeby przy
wymiarowaniu ilości pętli przyjąć odpowiednio wysoką temperaturę na
wejściu do pompy ciepła (np. 2-3oC dla DeltaT=3K).
Działanie pompy ciepła
System z pompą ciepła to
bardzo zależne od siebie trzy obiegi (kolektor gruntowy - moduł
chłodniczy - 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 kolektor gruntowy, sonda pionowa lub woda gruntowa.
Odebrane z ziemi ciepło transportujemy do pompy ciepła. Posługując
się schematem, dostarczamy do pompy ciepła czynnik o temperaturze
0°C. Jest to wystarczająca temperatura, aby w wymienniku płytowym
(parownik) odparował czynnik obiegu drugiego, tzn. czynnik chłodniczy
w module chłodniczym. Czynnik chłodniczy już w postaci gazowej jest
następnie sprężany przez sprężarkę. Gwałtownemu wzrostowi ciśnienia
towarzyszy znaczny przyrost temperatury, gaz za sprężarką może
osiągnąć temperaturę nawet 90°C. W postaci przegrzanej pary
czynnik chłodniczy wpływa do kolejnego wymiennika (skraplacz), w
którym następuje wymiana ciepła do obiegu trzeciego – systemu
grzewczego (woda grzewcza). W skraplaczu gaz ulega skropleniu i w
postaci ciekłej dopływa do zaworu rozprężnego, w którym następuje
redukcja ciśnienia, a wraz z nim temperatury. Ochłodzony czynnik
chłodniczy po raz kolejny wpływa do parownika zamykając cykl pracy.