Budowa pomp ciepła: powietrze-woda i gruntowych

Pompy ciepła stają się coraz popularniejszym rozwiązaniem w zakresie ogrzewania domów i budynków. Są ekologiczne, efektywne i mogą znacznie obniżyć koszty energii. Aby w pełni docenić ich zalety, warto zrozumieć, jak zbudowana jest pompa ciepła i jak działa. W tym artykule przyjrzymy się budowie i zasadzie działania dwóch głównych typów pomp ciepła: powietrze-woda i gruntowych.

https://www.youtube.com/watch?v=ygUYI2luc3RhbGFjamVjaWVwxYJvd25pY3pl

Pompa ciepła powietrze-woda: budowa i działanie

Pompy ciepła powietrze-woda pobierają energię cieplną z powietrza zewnętrznego i przekształcają ją w ciepło do ogrzewania domu i wody użytkowej. Składają się z dwóch głównych jednostek: zewnętrznej i wewnętrznej.

Jednostka zewnętrzna pompy ciepła powietrze-woda

Jednostka zewnętrzna jest sercem pompy ciepła powietrze-woda. Znajduje się na zewnątrz budynku i zawiera kluczowe komponenty odpowiedzialne za pobieranie ciepła z powietrza:

• Parownik z wentylatorem: Parownik to wymiennik ciepła, w którym czynnik roboczy (substancja krążąca w pompie ciepła) odbiera ciepło z powietrza przepływającego przez wentylator. Czynnik roboczy, mający niską temperaturę wrzenia, paruje już przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego.
• Sprężarka: Para czynnika roboczego trafia do sprężarki. Sprężarka, napędzana energią elektryczną, zwiększa ciśnienie czynnika roboczego. W wyniku sprężania temperatura czynnika roboczego znacząco wzrasta.
• Zawór rozprężny: Zawór rozprężny znajduje się na wyjściu z jednostki wewnętrznej i obniża ciśnienie czynnika roboczego powracającego do jednostki zewnętrznej. Jest to kluczowy element cyklu chłodniczego, który umożliwia ponowne odparowanie czynnika roboczego w parowniku.
• Zawór 4-drogowy (opcjonalnie): Niektóre pompy ciepła powietrze-woda wyposażone są w zawór 4-drogowy. Umożliwia on zmianę kierunku przepływu czynnika roboczego, co pozwala na przełączenie trybu pracy pompy ciepła z ogrzewania na chłodzenie. W trybie chłodzenia parownik staje się skraplaczem, a skraplacz (w jednostce wewnętrznej) staje się parownikiem.

Jednostka wewnętrzna pompy ciepła powietrze-woda

Jednostka wewnętrzna pompy ciepła powietrze-woda, umieszczona wewnątrz budynku, odpowiada za przekazywanie ciepła z czynnika roboczego do systemu grzewczego i wody użytkowej. Główne elementy jednostki wewnętrznej to:

• Skraplacz: Skraplacz to kolejny wymiennik ciepła. Gorący czynnik roboczy, po sprężeniu w sprężarce, trafia do skraplacza. W skraplaczu czynnik roboczy oddaje ciepło do wody krążącej w systemie centralnego ogrzewania (c.o.) lub centralnej wody użytkowej (c.w.u.) i skrapla się, przechodząc z powrotem w stan ciekły.
• Pompa obiegowa: Pompa obiegowa wymusza obieg wody w systemie c.o. i c.w.u., zapewniając efektywną dystrybucję ciepłej wody po budynku.
• Zawór rozdzielający: Zawór rozdzielający kieruje podgrzaną wodę albo do instalacji centralnego ogrzewania, albo do instalacji wody użytkowej, w zależności od aktualnego zapotrzebowania.

Czynniki robocze w pompach ciepła

Czynniki robocze, krążące w obiegu pompy ciepła, odgrywają kluczową rolę w procesie wymiany ciepła. Tradycyjnie stosowane czynniki to R407C, R410A, R404A i R134A. Jednak coraz większą popularność zyskują nowsze czynniki, takie jak R32, charakteryzujące się lepszymi parametrami termodynamicznymi i niższym współczynnikiem GWP (Global Warming Potential), co czyni je bardziej przyjaznymi dla środowiska.

Pozostałe elementy systemu pompy ciepła powietrze-woda

• Pojemnościowy podgrzewacz wody: Służy do ogrzewania i magazynowania ciepłej wody użytkowej. Wewnątrz podgrzewacza znajduje się wężownica, przez którą przepływa gorąca woda z pompy ciepła, ogrzewając wodę w zbiorniku. Dodatkowo, podgrzewacz może być wyposażony w grzałkę elektryczną, która wspomaga ogrzewanie wody w okresach, gdy pompa ciepła pracuje z niższą efektywnością (np. przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych). Termostat kontroluje temperaturę wody i włącza grzałkę w razie potrzeby.
• Zbiorniki przeponowe: Zbiorniki przeponowe, inaczej membranowe naczynia wzbiorcze, zabezpieczają zamknięty układ grzewczy przed wzrostem ciśnienia spowodowanym rozszerzalnością cieplną wody. Składają się z dwóch komór oddzielonych membraną: jednej wypełnionej cieczą, a drugiej gazem. Pozwalają na regulację ciśnienia i minimalizują ryzyko uszkodzenia instalacji.

Gruntowa pompa ciepła: budowa i działanie

Gruntowe pompy ciepła wykorzystują stabilną temperaturę gruntu jako źródło ciepła. Są bardziej efektywne niż pompy powietrze-woda, szczególnie w chłodniejszych klimatach, ponieważ temperatura gruntu na głębokości kilku metrów utrzymuje się na stałym poziomie przez cały rok.

Kolektor gruntowy

Kluczowym elementem gruntowej pompy ciepła jest kolektor gruntowy. To system rur zakopanych w gruncie, przez które przepływa roztwór niezamarzający, zwany solanką (np. roztwór glikolu). Kolektory gruntowe mogą być poziome lub pionowe:

• Kolektor poziomy: Kolektor poziomy to sieć rur ułożonych poziomo w wykopie na głębokości około 1,5-2 metrów. Wymaga większej powierzchni działki, ale jest tańszy w instalacji. Powierzchnia kolektora poziomego powinna być zazwyczaj około 1,5 raza większa od powierzchni ogrzewanego budynku.
• Kolektor pionowy: Kolektor pionowy to rury umieszczone w głębokich odwiertach pionowych. Zajmuje mniej miejsca na działce, ale jest droższy w instalacji, ponieważ wymaga wykonania odwiertów.

Solanka przepływająca przez kolektor gruntowy odbiera ciepło z gruntu i transportuje je do pompy ciepła.

Gruntowa pompa ciepła - jednostka wewnętrzna

Sama gruntowa pompa ciepła, czyli jednostka wewnętrzna, jest zbudowana podobnie jak pompa ciepła powietrze-woda. Składa się z:

• Parownik: Solanka z kolektora gruntowego przepływa przez parownik. W parowniku solanka oddaje ciepło czynnikowi roboczemu, który zaczyna parować.
• Sprężarka: Para czynnika roboczego jest sprężana w sprężarce, co powoduje wzrost jej temperatury.
• Skraplacz: Gorący czynnik roboczy trafia do skraplacza, gdzie oddaje ciepło do wody w systemie grzewczym i skrapla się.
• Zawór rozprężny: Czynnik roboczy po skropleniu przepływa przez zawór rozprężny, gdzie jego ciśnienie zostaje obniżone, i cykl rozpoczyna się od nowa.

Pozostałe elementy systemu gruntowej pompy ciepła

• Pojemnościowy podgrzewacz wody: Podobnie jak w systemie powietrze-woda, gruntowe pompy ciepła często współpracują z pojemnościowym podgrzewaczem wody do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
• Instalacja fotowoltaiczna (opcjonalnie): Aby jeszcze bardziej obniżyć koszty eksploatacji, gruntowe pompy ciepła mogą być wspomagane przez instalację fotowoltaiczną. Energia elektryczna wyprodukowana przez panele fotowoltaiczne może być wykorzystana do zasilania pompy ciepła.

Dobór mocy pompy ciepła i współczynnik COP

Dobór mocy pompy ciepła jest kluczowy dla zapewnienia komfortu cieplnego i efektywnej pracy systemu. Moc pompy ciepła powinna być dostosowana do zapotrzebowania cieplnego budynku. Zapotrzebowanie cieplne zależy od wielu czynników, takich jak:

• Powierzchnia ogrzewana
• Izolacja cieplna budynku
• Rodzaj wentylacji
• Liczba domowników
• Charakterystyka temperaturowa regionu

Szacunkowo, dla domu o powierzchni 180 m² z dobrą izolacją cieplną, zapotrzebowanie cieplne może wynosić około 9 kW (180 m² x 50 W/m²). Jeśli pompa ciepła ma ogrzewać również wodę użytkową, moc należy zwiększyć o około 250 W na każdego mieszkańca.

Współczynnik COP (Coefficient of Performance) określa sprawność pompy ciepła. Współczynnik COP to stosunek ilości ciepła dostarczonego do instalacji grzewczej do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę ciepła. Im wyższy współczynnik COP, tym pompa ciepła jest bardziej efektywna. Dla pomp ciepła powietrze-woda COP wynosi zazwyczaj od 3 do 4, a dla pomp ciepła gruntowych od 4 do ponad 5.

Podsumowanie

Zarówno pompy ciepła powietrze-woda, jak i gruntowe, składają się z podobnych podstawowych komponentów, takich jak parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Różnią się jednak źródłem ciepła i sposobem jego pozyskiwania. Pompy powietrze-woda są prostsze i tańsze w instalacji, ale ich efektywność może spadać przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Pompy gruntowe są bardziej efektywne i stabilne, ale wymagają większych nakładów inwestycyjnych i odpowiednich warunków gruntowych. Wybór odpowiedniego typu pompy ciepła zależy od indywidualnych potrzeb, warunków lokalnych i budżetu.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Jakie są główne różnice między pompą ciepła powietrze-woda a gruntową?

Główna różnica polega na źródle ciepła. Pompa powietrze-woda pobiera ciepło z powietrza, a pompa gruntowa z gruntu. Pompy gruntowe są zazwyczaj bardziej efektywne, ale droższe w instalacji.

Co to jest współczynnik COP?

Współczynnik COP to miara efektywności pompy ciepła. Określa stosunek ciepła dostarczonego do instalacji grzewczej do zużytej energii elektrycznej. Im wyższy COP, tym lepiej.

Czy pompa ciepła może chłodzić dom?

Tak, niektóre pompy ciepła powietrze-woda wyposażone w zawór 4-drogowy mogą pracować w trybie chłodzenia. Pompy gruntowe również mogą być wykorzystywane do chłodzenia pasywnego.

Jak dobrać moc pompy ciepła?

Moc pompy ciepła dobiera się na podstawie zapotrzebowania cieplnego budynku, uwzględniając powierzchnię, izolację, liczbę mieszkańców i klimat.

Czy instalacja fotowoltaiczna jest konieczna do pompy ciepła?

Nie, instalacja fotowoltaiczna nie jest konieczna, ale może znacznie obniżyć koszty eksploatacji pompy ciepła, dostarczając darmową energię elektryczną.

Jeśli chcesz poznać inne artykuły podobne do Budowa pomp ciepła: powietrze-woda i gruntowych, możesz odwiedzić kategorię Ogrzewanie.