Pompy ciepła dzięki mniejszemu zużyciu energii w porównaniu ze źródłami konwencjonalnymi znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie jako źródło ciepła do ogrzewania mieszkań. Z podobnych powodów mogą być wykorzystane w wentylacji i klimatyzacji do ogrzewania oraz chłodzenia powietrza.
Pompy ciepła w wentylacji i klimatyzacji w podstawowym swoim zastosowaniu służą do ogrzewania powietrza wentylacyjnego. Ze względu na swoją budowę i zasadę działania mogą być również wykorzystane do chłodzenia powietrza klimatyzującego.
Budowa, zasada działania i rodzaje pomp ciepła
W naturalnych warunkach ciepło płynie w kierunku od źródła o wyższej temperaturze do źródła o niższej temperaturze. Pompa ciepła jest maszyną cieplną służącą do odwrotnego transportu ciepła – ze źródła o niższej temperaturze, zwanego źródłem dolnym, do źródła o temperaturze wyższej – źródła górnego. Jej nazwa została utworzona przez analogię do pompy hydraulicznej, pompującej wodę z niżej położonego zbiornika do wyższego. Aby „zmusić” ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku, należy z zewnątrz dostarczyć energię napędową, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Energia ta jest dostarczana najczęściej przez sprężarkę.
Rys. 1. Schemat ideowy pompy ciepła z zaznaczonym kierunkiem obiegu czynnika termodynamicznego
W sprężarkowej pompie ciepła jest realizowany termodynamiczny obieg Lindego. Jej podstawowymi elementami oprócz sprężarki są parownik, skraplacz i zawór rozprężny (rys. 1). Wewnątrz obiegu przepływa roboczy czynnik termodynamiczny (chłodniczy) o odpowiednio dobranych parametrach. W parowniku ma on postać cieczy o niskim ciśnieniu. Pod wpływem ciepła pobranego z dolnego źródła, którym jest jego otoczenie, następuje odparowanie tej cieczy i powstaje para o niskim ciśnieniu. Przemiana ta zachodzi bez zmiany temperatury. Pobierane ciepło jest tzw. niskotemperaturowe (w praktyce od 0 do 60oC), trudne do innego praktycznego wykorzystania. Następnie czynnik jest sprężany w sprężarce, w wyniku czego rośnie zarówno jego ciśnienie, jak i temperatura. Para o wysokim ciśnieniu przepływa potem do skraplacza, gdzie się skrapla i oddaje ciepło skraplania do swojego otoczenia, które stanowi źródło górne. Również ta przemiana przebiega bez zmiany temperatury. Ciecz o wysokim ciśnieniu przepływa teraz przez zawór rozprężny, gdzie następuje obniżenie jej ciśnienia połączone ze spadkiem temperatury. Ciecz o niskim ciśnieniu trafia z powrotem do parownika i w ten sposób obieg się zamyka.
>>> Wybór pompy ciepła. Jak dobrać moc do potrzeb?
>>> Pompy ciepła – efektywność, moc oraz obowiązki użytkowników i monterów
>>> Powietrzne pompy ciepła – zasada działania, wydajność, koszty
>>> Lekcja języka angielskiego: A heat pump
Fot. stock.adobe/ Sevda Ercan
W pompach ciepła do wentylacji i klimatyzacji obecnie stosuje się najczęściej wysokowydajne czynniki chłodnicze R32 lub 410a. Są one przyjazne środowisku i nie niszczą warstwy ozonowej. Niektóre z firm wykorzystują również propan (R290) lub dwutlenek węgla (R744) [1].
Ze względu na swoją budowę przypominającą obieg chłodniczy pompa ciepła po odwróceniu obiegu i zamianie funkcji parownika i skraplacza może również pracować jako układ chłodniczy, co jest wykorzystywane w urządzeniach mających zastosowanie w wentylacji i klimatyzacji.
Na ciepło oddane w skraplaczu, określane jako wydajność pompy ciepła, składa się moc elektryczna sprężarki oraz ciepło pobrane z dolnego źródła w parowniku. Parametrem charakteryzującym pracę pompy ciepła w trybie ogrzewania jest współczynnik wydajności COP (ang. Coefficient of Performance). Jest to stosunek wydajności pompy do mocy elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki. W typowych pompach ciepła osiąga on wartości od 3,5 do 5,0 i zależy przede wszystkim od różnicy temperatury między górnym a dolnym źródłem. W praktyce oznacza to, że w pompie należy się spodziewać uzysku ciepła z dolnego źródła, który jest od 2,5 do 4 razy większy od mocy zainstalowanej sprężarki. Inaczej można powiedzieć, że w skraplaczu 70–80% ciepła pochodzi z dolnego źródła. Reszta jest efektem przetworzenia energii elektrycznej na ciepło. Pompa jest więc urządzeniem energooszczędnym. Jeśli pompa pracuje w trybie chłodzenia, jej pracę charakteryzuje się, podobnie jak w przypadku chłodnic, za pomocą wskaźnika efektywności energetycznej EER (ang. Energy Efficiency Ratio). Jest to stosunek ciepła odebranego od dolnego źródła przez parownik do mocy elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki. Dla typowych pomp ciepła jego realna wartość wynosi od 3 do 4,5 i zależy od temperatury otoczenia skraplacza. Im jest ona niższa, tym efektywność układu większa. Sprężarki w pompach ciepła są najczęściej z napędem elektrycznym i urządzenia takie noszą nazwę elektrycznych pomp ciepła (EHP). Zastosowanie znajdują również sprężarki z silnikami spalinowymi zasilanymi gazem. Pompy z takimi sprężarkami noszą nazwę gazowych pomp ciepła (GHP). Oprócz pomp sprężarkowych spotyka się też pompy absorpcyjne [2], w których sprężarkę zastąpiono układem absorbera i desorbera (warnika) z pompą roztworu czynnika, którym tradycyjnie jest amoniak w roztworze wodnym. Zaletą takich urządzeń jest możliwość wykorzystania niskokosztowego ciepła odpadowego, które może być doprowadzane do warnika w celu ogrzania roztworu. Wtedy jedynym poniesionym nakładem energetycznym jest moc elektryczna do napędu pompy roztworu.
Ze względu na rodzaj czynnika znajdującego się w dolnym i górnym źródle najczęściej stosowane w wentylacji i klimatyzacji EHP dzieli się na:
- pompy powietrze/powietrze, w których w obu źródłach ciepło jest odbierane i dostarczane do powietrza; wykorzystuje się te urządzenia do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego, w aparatach split pracujących w trybie chłodzenia i ogrzewania oraz w układach regeneracji sorbentów do osuszania powietrza;
- pompy woda/powietrze, w których jednym źródłem jest woda, a drugim powietrze; stosowane są np. w układach klimatyzacyjnych z pierścieniem wodnym.
W dalszej części artykułu:
Zastosowanie pomp ciepła w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
– Aparat split pracujący jako pompa ciepła
– Pompa ciepła jako wymiennik do odzysku ciepła
– Pompy ciepła w układzie z pierścieniem wodnym WLHP
– Zastosowanie pomp ciepła w innych, mniej znanych układach
>>> Cały artykuł przeczytasz w nr 1/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa” >>>
dr hab. inż. Barbara Lipska
Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania
Literatura
