pompy ciepła
Pompy ciepła – to systemy przenoszące energię cieplną w kierunku przeciwnym do źródła jego pochodzenia pobierając przy tym zwykle energię. Może się to odbywać poprzez pobieranie ciepłego powietrza i przekazywanie go w chłodniejsze miejsce, ale również w odwrotnym kierunku.
Najczęściej wykorzystywany system pompy ciepła składa się z czterech głównych elementów, tj. ze skraplacza, zaworu dławiącego (kapilary), parownika i sprężarki. Natomiast nośnikiem ciepła krążącego w systemie jest czynnik chłodniczy.
Pompy ciepła są znacznie bardziej energooszczędne niż zwykłe elektryczne grzejniki oporowe. Jednak jest to opłacalne pomimo tego, że zakup i montaż pompy ciepła wiąże się z wyższymi kosztami. Sprawność tego systemu zaczyna jednak spadać wraz ze wzrostem różnicy temperatur między źródłem ciepła a radiatorem (odbiornikiem). Ta utrata wydajności spowodowana wahaniami temperatury powietrza na zewnątrz a czynnikiem stosowanym w systemie.
Historia pomp ciepła
Historia związana z pompami ciepła sięga roku 1748 kiedy to William Cullen demonstruje sztuczne mechaniczne chłodzenie. Niespełna sto lat później Jacob Perkins buduje praktyczną lodówkę, której skład wchodzi eter dietylowy. Natomiast 18 lat później, w roku 1852 Lord Kelvin opracowuje teorię leżącą u podstaw pomp ciepła. W latach 1855-1857 została opracowana i skonstruowana pierwsza pompa ciepła. Dokonuje tego Peter von Rittinger. Jednak dopiero w 1928 roku skonstruowana została pompa ciepła z obiegiem zamkniętym, która do dziś zapewnia ogrzewanie ratusza w Genewie. Jako źródło wody Aurel Stodola wykorzystał Jezioro Genewskie. W 1945 roku miejski elektryk w Norwich, John Sumner instaluje eksperymentalny system centralnego ogrzewania budynków zasilany pompą ciepła. Do tego celu wykorzystał znajdującą się nieopodal rzekę. Dwa lata później Robert Webber zaprojektował i zbudował pierwszą gruntową pompę ciepła. Jednak pierwsza instalacja na dużą skalę zasilana wodą z Tamizy powstała 1951 roku w Londynie. Powyższe wydarzenia stanowią kroki milowe w powstaniu i rozwoju pomp ciepła.
Zasada działania pomp ciepła
Zasada działania pomp ciepła jest niezwykle prosta, ponieważ wykorzystuje ona naturalny kierunek przepływu ciepła, tj. od wyższej temperatury do niższej. Przepływ ten może zostać wykorzystany do napędzania silnika cieplnego. Jednak do przepływu ciepła w odwrotnym kierunku wymagane jest zewnętrzne źródło energii.
Pompy ciepła wykorzystują właściwości fizyczne lotnego parującego i skraplającego się czynnika chłodniczego (substancja płynna). Pompa ciepła spręża czynnik chłodniczy w taki sposób aby czynnik o wyższej temperaturze znajdował się po stronie pomieszczenia, które ma być ogrzewane przy czym uwalniał ciśnienie po drugiej stronie (tam gdzie ciepło ma być pochłaniane). Ciepło jest zwykle przekazywane przez inżynieryjne systemy ogrzewania lub chłodzenia przy użyciu przepływającego gazu lub cieczy. Natomiast powszechnym źródłem lub odbiornikiem ciepła w mniejszych instalacjach jest powietrze zewnętrzne wykorzystywane przez powietrzną pompę ciepła. Rozwiązaniem w przypadku wystąpienia niekorzystnego zwiększonego przepływu energii w pompach ciepła są np. wentylatory. Służą one także do poprawy efektywności pracy pomp ciepła.
Rodzaje pomp ciepła
Wyróżnia się dwa główne typy pomp ciepła. Kompresyjne pompy ciepła u swojej podstawy działania mają energię mechaniczną (zwykle źródłem jest energia elektryczna), podczas gdy absorpcyjne pompy ciepła jako źródło energii mogą wykorzystywać ciepło (np. paliw kopalnych). Ponadto wyróżnia się kilka innych rodzajów pomp ciepła.
Powietrzna pompa ciepła, gdzie źródłem ciepła jest powietrze pobrane z zewnątrz. Wśród powietrznych pomp ciepła można ponadto wyróżnić pompę ciepła powietrze-powietrze, która transportuje ciepło do wewnątrz oraz pompę ciepła powietrze-woda transportującą ciepło do obiegu grzewczego jak również do zbiornika domowego. Choć w zasadzie pompy te nie różnią się od klimatyzatorów to w przeciwieństwie od nich dostarczają ciepło do budynków. Wśród korzyści wynikających z tego rodzaju pomp ciepła wymienia się względnie prostą i niedrogą instalację co przekłada się przede wszystkim na ich popularność. Jednak ze względów na użycie w konstrukcji powietrza jako źródła ciepła są pod wieloma względami ograniczone.
Powietrzne wylotowe pompy ciepła pobierają ciepło z powietrza wylotowego z budynku, przy czym konieczna jest mechaniczna wentylacja. W zależności od specyfikacji mogą one transportować ciepło do powietrza wlotowego jak również do obiegu grzewczego i domowego zbiornika ciepłej wody.
Wodne pompy ciepła jako źródło ciepła wykorzystują wodę płynącą. Pod względem pobierania zewnętrznego źródła zasilania można je podzielić na: gazowe, elektryczne i olejowe. Właściwy dobór zasilania pozwala na oszczędność i efektywność ostatecznego rozwiązania.
Gruntowe pompy ciepła, których źródło ciepła pochodzi od gruntu lub podobnego rozwiązania (np. ze skał). W zależności od konstrukcji i wykorzystanego źródła ciepła wyróżnia się wiele gruntowych pomp ciepła takich jak: gruntowo-powietrzne, glebowo-powietrzne, skalno-powietrzne, wodno-powietrzne, gruntowo-wodne, glebowo-wodne, skalno-wodne, jak również wodno-wodne pompy ciepła. Gruntowe pompy ciepła nazywane są także jako geotermalne pompy ciepła, przy czym wykazują większą efektywność w porównaniu do powietrznych pomp ciepła, szczególnie przy stosowaniu ich w niższych temperaturach otoczenia. Jednak wydajność gruntowych pomp ciepła zależna jest od możliwości transportu ciepła w gruncie.
Hybrydowe pompy ciepła są połączeniem różnych typów pomp ciepła w jednym urządzeniu. W konstrukcji tej wykorzystuje się zalety innych typów pomp ciepła przy jednoczesnej eliminacji ich wad. Przy czym pracą hybrydowych pomp ciepła steruje sterownik pozwalający najefektywniej wykorzystać warunki termiczne.
Pompa ciepła ze wspomaganiem słonecznym to zintegrowany system, w którego skład wchodzi pompa ciepła oraz panele słoneczne. Zazwyczaj te dwie technologie są używane oddzielnie (lub równolegle) do produkcji ciepłej wody. W systemie tym panele słoneczne pełnią funkcję niskotemperaturowego źródła ciepła, a wytworzone ciepło jest wykorzystywane do zasilania parownika pompy ciepła. Natomiast celem systemu jest zoptymalizowanie kosztów pracy pompy ciepła.
Termoakustyczne półprzewodnikowe pompy ciepła wykorzystuje się powszechnie w laboratoriach kriogenicznych.
Hałas emitowany przez pompy ciepła
Zewnętrzne części mechaniczne (wentylatory) niektórych pomp ciepła (pompy ciepła typu powietrze-woda lub powietrze-powietrze) wytwarzają hałas. Dlatego w 2013 roku Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) rozpoczął program zmierzający do opracowania norm dla takich ograniczenia hałasu w postaci ekranów. Ekrany te mogą znacząco zmniejszyć hałas wentylatorów. Można je jednak zastąpić innymi obiektami, które rozproszą i pochłoną dźwięk takimi jak np. ścianki, płotki itp.
Jednakże pompy ciepła generują również inne źródła hałasu, które związane są ze stratami energetycznymi. Powietrzne pompy ciepła w przypadku wystąpienia temperatur ujemnych wymagają okresowego odszraniania. Stąd też dobiega uciążliwy ciągły hałas, czasami gorszy niż w przypadku pracy wentylatorów.
Poziom hałasu wytwarzanego przez pompy ciepła (zwłaszcza części znajdujące się na zewnątrz budynku) zależy od rodzaju pompy. Zdarza się, że wartości te przekraczają normy i dzieje się to przede wszystkim w godzinach nocnych w miejscach gęsto zamieszkanych. Państwa mają opracowane własne normy poziomu hałasu, które mogą się różnić pomiędzy krajami. Co za tym idzie przekroczenie norm hałasu poprzez montaż zbyt głośnej pompy w Polsce oraz w innych krajach może wiązać się z koniecznością płacenia kar za przekroczenie limitu hałasu, jak również koniecznością zapłacenia odszkodowań w sprawach cywilnych z innymi mieszkańcami.
Zastosowanie pomp ciepła
Obecnie miliony gospodarstw domowych na świecie wykorzystuje pompy ciepła. Przy czym są one wykorzystywane głównie na obszarach o klimacie umiarkowanym oraz tam gdzie występuje tak potrzeba (ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń). W innym przypadku zapewniać mogą ciepłą wodę użytkową. Oprócz tego pompy ciepła są stosowane w ogrzewaniu miejskim i przemysłowym, a także w niektórych laboratoriach.
„Choć w zasadzie pompy te nie różnią się od klimatyzatorów to w przeciwieństwie od nich dostarczają ciepło do budynków”… a klimatyzatory z funkcją grzania to co robią?