Pompy ciepła to jedne z najbardziej efektywnych urządzeń grzewczych. Stosowane są w układach centralnego ogrzewania i chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz w systemach klimatyzacji. Mogą służyć także do podgrzewania wody w basenach.
Centralne ogrzewanie z pompą ciepła
Najbardziej powszechne zastosowanie pomp ciepła to nisko- i średniotemperaturowe systemy centralnego ogrzewania, o parametrach zasilania 30–40°C. Związane jest to z tym, że urządzenia te osiągają największą efektywność przy niskiej różnicy temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. W związku z powyższym, pompy ciepła spotyka się przede wszystkim w budynkach o dobrym standardzie energetycznym, wyposażonych w systemy ogrzewania płaszczyznowego. Możliwe jest także zastosowanie pomp ciepła w instalacjach z tradycyjnymi grzejnikami, wymaga to jednak doboru grzejników dostosowanych do parametrów wody grzewczej dostarczanej przez pompę ciepła (muszą być odpowiednio większe niż w przypadku współpracy z kotłem). Jako alternatywę dla nadmiernej rozbudowy powierzchni odbioru ciepła, a także jako rozwiązanie dla modernizowanych instalacji c.o., można zastosować dwusprężarkowe pompy ciepła, które osiągają wysokie temperatury zasilania (do 65ºC) przy zwiększonym współczynniku efektywności.W instalacjach wyposażonych w pompy ciepła stosuje się z reguły zbiorniki buforowe, które magazynują energię cieplną wytworzoną w źródle i stopniowo oddają do instalacji grzewczej. Zastosowanie buforów ciepła pozwala z jednej strony na okresową pracę urządzenia grzewczego, z drugiej — w przypadku budynków o większym zapotrzebowaniu na energię cieplną — umożliwia
współpracę z innymi źródłami ciepła (np. grzałka elektryczna, kolektor słoneczny albo kocioł gazowy).
Moc i efektywność pompy ciepła
Parametrami opisującymi pracę pompy ciepła, są jej moc grzewcza oraz współczynnik efektywności COP (z ang. Coefficient of Performance). Moc pompy ciepła dobierana jest w zależności od zapotrzebowania budynku na energię cieplną oraz przy uwzględnieniu tego, czy urządzenie stosowane będzie wyłącznie do zasilania instalacji grzewczej, czy też będzie dogrzewać wodę użytkową. Jak można łatwo obliczyć, dla przykładowego budynku jednorodzinnego o powierzchni 100 m kw. i wskaźniku zapotrzebowania energii cieplnej na poziomie 50 W/m kw. (standardowy nowy budynek), wymagana moc pompy ciepła będzie równa ok. 5–10 kW.
Drugi z parametrów opisujących pracę pompy ciepła — współczynnik efektywności COP, określa stosunek ilości ciepła uzyskanego w skraplaczu pompy w odniesieniu do zużytej energii napędowej. W typowych rozwiązaniach domowych przyjmuje on wartość 4-5, co oznacza, że w wyniku doprowadzenia do układu pompy 1 kW energii elektrycznej, uzyskuje się około 4-5 kW energii cieplnej. Efektywność pompy ciepła zależy przy tym głównie od warunków, w jakich ona pracuje. Nowoczesne pompy ciepła (np. z serii IVT Greenline) wyposażone są w inwerterowe sprężarki i pompy cyrkulacyjne, co powoduje, że pompa ciepła wytwarza dokładnie taką ilość energii cieplnej w danej chwili, jaka wymagana jest na pokrycie strat ciepła budynku. Zastosowanie tej technologii zwiększa efektywność energetyczną urządzenia, dając niższe koszty eksploatacyjne.
Podgrzewanie wody użytkowej w pompach ciepła
Pompy ciepła, poza centralnym ogrzewaniem, mogą służyć także do podgrzewania wody użytkowej. W zależności od zastosowanego wariantu, urządzenie to może równocześnie ogrzewać dom i przygotowywać ciepłą wodę lub funkcje te mogą być rozdzielone.
Pierwszy wariant znajduje zastosowanie w systemach o małej mocy grzewczej (5–25 kW), wystarczającej dla domów o powierzchni do 250 m kw. Zasobnik c.w.u. może być w tym przypadku zintegrowany z pompą ciepła (urządzenia kompaktowe) lub stosowany oddzielnie. W kompaktowych pompach ciepła pojemność zintegrowanego zasobnika c.w.u. jest ograniczona i wynosi z reguły ok. 200 dm sześc. Żeby podgrzać większą objętość wody, konieczne jest zastosowanie rozwiązania z oddzielnym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej (o pojemności nie mniejszej niż dobowe zużycie wody), wyposażonym w wężownicę, zasilaną z pompy ciepła. W takiej sytuacji niezbędne jest także zamontowanie dodatkowej grzałki elektrycznej w mocy 6–9 kW (co podnosi koszty eksploatacyjne systemu).
W drugim wariancie instaluje się oddzielny zbiornik c.w.u., który zasilany jest z innego źródła niż pompa ciepła obsługująca instalację grzewczą (może to być druga pompa ciepła lub np. kolektory słoneczne, kocioł gazowy). Wariant ten stosowany jest wtedy, gdy zbyt niska temperatura górnego źródła nie pozwala na skuteczne realizowanie funkcji podgrzewania wody użytkowej (dzieje się tak m.in. w dużych instalacjach o mocy powyżej 20 kW).
Pompy ciepła w chłodzeniu
Pompy ciepła dobrze sprawdzają się także w systemach chłodzenia. Wyróżnić można dwa tryby chłodzenia za pomocą pomp ciepła: aktywne oraz pasywne.
Wykorzystanie pompy ciepła do chłodzenia w trybie aktywnym realizowane jest przez zmianę kierunku przepływu czynnika chłodniczego, a w efekcie odwrócenie ról skraplacza i parownika. W takim układzie ciepło pobierane jest z pomieszczeń (w wyniku ochłodzenia czynnika wypełniającego instalacje płaszczyznowe) i przekazywane do wymiennika gruntowego, wodnego lub do powietrza. Żeby możliwa była praca pompy ciepła w trybie chłodzenia aktywnego, konieczne jest odwrócenie kierunku włączenia sprężarki i zaworu rozprężnego (co można osiągnąć przez zastosowanie np. zaworów czterodrożnych).
Pompy ciepła odwracalne są droższe od tradycyjnych pomp służących wyłącznie do ogrzewania. Urządzenia pracujące w trybie chłodzenia aktywnego charakteryzują się mniejszą mocą i sprawnością niż w trybie grzania (wynika to z faktu, iż energia elektryczna pobierana przez sprężarkę zamienia się w ciepło, które pogarsza bilans pracy urządzenia). W niektórych rozwiązaniach, pompa odwracalna pracując w trybie chłodzenia aktywnego, wytwarza wodę lodową do chłodzenia pomieszczeń, a jednocześnie zużywa pobierane ciepło do ogrzewania wody użytkowej.
W chłodzeniu pasywnym wykorzystuje się możliwość naturalnego schładzania (z ang. natural cooling) pomieszczeń czynnikiem z dolnego źródła (solanka, woda) oddającym ciepło do gruntu. W tym przypadku sprężarka pompy ciepła jest wyłączona, a więc urządzenie nie pobiera energii elektrycznej. Praca w trybie chłodzenia jest możliwa dzięki zastosowaniu dodatkowego wymiennika ciepła z układem odpowiednio sterowanych zaworów trójdrożnych i pomp obiegowych. Naturalne schładzanie, z uwagi na wysoką temperaturę powietrza w lecie,
nie jest możliwe w pompach ciepła typu powietrze-woda.
Do zalet chłodzenia pasywnego należy duża efektywność energetyczna, wynikająca z niewielkich strat mocy w pracujących pompach obiegowych oraz korzystny wpływ na regenerację termiczną dolnego źródła ciepła, wyziębionego po zimowym sezonie grzewczym.
Pompa ciepła w klimatyzacji
Pompy ciepła typu powietrze-woda i powietrze-powietrze mogą być w różny sposób stosowane do wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń.
W przypadku pomp ciepła powietrze-woda, w systemie wentylacji mechanicznej wywiewnej (lub nawiewno-wywiewnej) możliwe jest odzyskiwanie energii cieplnej z powietrza usuwanego z budynku i wykorzystywanie go do podgrzania wody użytkowej lub wody w instalacji centralnego ogrzewania. Analogicznie, w systemie wentylacji mechanicznej nawiewnej (lub nawiewno-wywiewnej), w okresie letnim, istnieje możliwość odbierania ciepła z gorącego powietrza zewnętrznego i wykorzystywania go do podgrzewania c.w.u. (uzyskuje się przy tym schłodzenie powietrza napływającego do pomieszczeń z zewnątrz).
Drugi rodzaj pomp ciepła stosowanych w klimatyzacji to urządzenia typu powietrze– powietrze (popularne klimatyzatory). W wersji podstawowej umożliwiają one chłodzenie pomieszczeń — powietrze wewnętrzne za pomocą wentylatora jest kierowane na skraplacz, gdzie oddaje ciepło sprężonemu czynnikowi roboczemu, który następnie ulega rozprężeniu i na parowniku oddaje ciepło do otoczenia. Bardziej zaawansowane modele poza funkcją chłodzenia zapewniają także ogrzewanie, realizowane przez odwrócenie pracy klimatyzatora (zamiana ról skraplacza i parownika).
Spośród dostępnych rodzajów klimatyzatorów najpopularniej stosowane są obecnie urządzenia typu split (lub multisplit), składające się z jednostki wewnętrznej, wyposażonej w wymiennik ciepła (pełniący funkcję parownika lub skraplacza w zależności od trybu pracy) i wentylator oraz jednostki zewnętrznej, w której znajduje się wymiennik ciepła, wentylator, sprężarka oraz zawór rozprężny. Umieszczenie sprężarki w jednostce zewnętrznej eliminuje problem nadmiernego hałasu w pomieszczeniu.
Podsumowanie
Coraz powszechniejsze stosowanie pomp ciepła w budownictwie mieszkaniowym jest wynikiem korzystnych parametrów eksploatacyjnych tego typu urządzeń, a także zwiększających się oczekiwań mieszkańców w zakresie komfortu cieplnego. Duże znaczenie przy zastosowaniu pomp ciepła ma również rozwój budownictwa niskoenergetycznego i pasywnego, w przypadku którego pompy ciepła stanowią najbardziej naturalne źródło ciepła.
Krzysztof Sornek