|
W ostatnich latach w Polsce obserwuje się wzrost zainteresowania pompami ciepła, które umożliwiają wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła ze źródeł odnawialnych (zasobów energii wewnętrznej otoczenia) i ciepła odpadowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Zainteresowanie to jest spowodowane wzrostem cen surowców energetycznych, rozwojem i udoskonaleniem konstrukcji różnych systemów pomp ciepła oraz koniecznością ograniczenia zanieczyszczenia środowiska produktami spalania paliw pierwotnych. Równocześnie Polska, zgodnie z postanowieniami UE, musi znacznie zwiększyć w krajowym bilansie energetycznym udział energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych, co wymaga szerszego zastosowania tych urządzeń.
 Jednak społeczna świadomość w dziedzinie niekonwencjonalnych źródeł ciepła (do których zaliczane są pompy ciepła) oraz odnawialnych źródeł energii jest w Polsce ciągle jeszcze niedostateczna. Potwierdzają to wyniki badań przeprowadzonych przez PBS DGA w dniach 22-25.6.2007 r. na reprezentatywnej próbie 1067 Polaków [1]. Wybrane wyniki tych badań pokazano na rys.1.
Wynika z nich, że tylko 8% właścicieli budynków jednorodzinnych wybrałoby pompę ciepła jako źródło ciepła do ogrzewania swego budynku. Z kolei 72% respondentów odpowiedziało, że urządzenia grzewcze zasilane energią odnawialną są za drogie inwestycyjnie i w eksploatacji, aby stosować je we własnym budynku, a 26% pytanych nie słyszało o takich urządzeniach. Zatem konieczna jest szeroka popularyzacja zagadnień związanych z problematyką pomp ciepła, wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz ochrony środowiska, a ogólnie mówiąc zagadnień zrównoważonego rozwoju.
Zasada działania pomp ciepła
Pompy ciepła, w których realizowany jest obieg identyczny z obiegiem chłodniczym (obieg taki zachodzi np. w lodówce domowej lub zamrażarce), umożliwiają wykorzystanie ciepła o niskiej temperaturze (praktycznie bezużytecznego) do wytwarzania ciepła o wyższej temperaturze, które można wykorzystać do ogrzewania i wentylacji pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody użytkowej – rys. 2. Oczywiście proces podnoszenia temperatury wymaga doprowadzenia do pompy ciepła energii napędowej. Może to być energia elektryczna, mechaniczna lub energia chemiczna zawarta w paliwie pierwotnym, przy czym rodzaj energii napędowej zależy od konstrukcji i systemu pompy ciepła.
 Nazwa „pompa ciepła” nie jest poprawna pod względem termodynamicznym (poprawna definicja – to: sprężarka grzejna lub pompa grzejna), lecz została ona rozpowszechniona, nie tylko w języku potocznym i polskim, z następujących powodów:
● działanie urządzenia i jego skutek są zbliżone do działania pompy (p. rys.2),
● w innych krajach stosowane jest również określenie pompa ciepła (Wärmepumpe, Heat pump, Pompe de chaleur, Pompa di calore itd.). (...)
Źródła ciepła niskotemperaturowego
Źródło dostarczające ciepło niskotemperaturowe potrzebne do odparowania czynnika roboczego w parowaczu pompy ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:
● dużą pojemnością cieplną,
● możliwie wysoką i stałą temperaturą,
● brakiem zanieczyszczeń powodujących korozję elementów instalacji lub powstawanie osadów,
● łatwą dostępnością i niskimi kosztami instalacji służącej do pozyskiwania i transportu ciepła.
 Źródła ciepła niskotemperaturowego mogą być wykorzystywane pojedynczo (układy monowalentne) lub mogą być tworzone układy zasilane z wielu, przeważnie dwóch źródeł (układy biwalentne). Układy biwalentne stosowane są w warunkach, gdy jedno źródło ma niewystarczającą moc lub jego temperatura ulega zbyt dużym zmianom w czasie.
Ogólnie można stwierdzić, że temperatura źródła i jej zmiany są istotną cechą wpływającą na współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła. Im temperatura źródła wyższa, tym większa jest sprawność pompy ciepła.
 Wpływ rodzaju źródła ciepła niskotemperaturowego na rozwiązania konstrukcyjne pompy ciepła (...)
Rozwiązania konstrukcyjne sprężarkowych pomp ciepła
Sprężarkowe pompy ciepła z elektrycznymi silnikami napędowymi przeznaczone do zasilania instalacji centralnego ogrzewania lub przygotowania c.w.u., budowane są jako:
● urządzenia zwarte (kompaktowe),
● urządzenia rozdzielone (split).
Kompaktowa pompa ciepła stanowi zwarty zespół, w skład którego wchodzą wszystkie niezbędne elementy, jak np. sprężarka, parowacz, skraplacz, wentylator lub pompa obiegowa, urządzenia regulacyjnosterujące, zabezpieczające, izolacja akustyczna itp. Elementy te zmontowane są we wspólnej obudowie, instalacja napełniona jest czynnikiem roboczym i prace montażowe sprowadzają się do ustawienia pompy na odpowiednio wykonanym fundamencie i podłączenia do instalacji elektrycznej. Niektórzy producenci dostarczają pompy ciepła z dodatkowym, szczytowym źródłem ciepła, np. kotłem olejowym, gazowym lub elektrycznym oraz rozdzielaczami hydraulicznymi. (...)
 Instalacje do pozyskiwania ciepła z dolnego źródła
Powietrze zewnętrzne (...)
Wody powierzchniowe (...)
Wody gruntowe i głębinowe (...)
Grunt (gleba) (...)
Gruntowe, poziome wymienniki ciepła (kolektory poziome) (...)
Wymienniki (sondy) pionowe (...)
Energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty stosowania pomp ciepła
Energia otrzymana z wysokopotencjalnych źródeł energii pierwotnej powinna być wykorzystywana do wytwarzania pracy (przekształcanej w energię elektryczną) oraz w wysokotemperaturowych technologiach. Natomiast niskotemperaturowe ciepło na potrzeby komunalno – bytowe powinno być wytwarzane z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii i przy jak najmniejszym zużyciu paliw pierwotnych, czego bezpośrednim skutkiem jest ograniczenie emisji do atmosfery szkodliwych produktów spalania, tj. CO2 i NOx.
Jednak analizując energetyczną efektywność pompy ciepła należy porównywać skumulowane zużycie energii pierwotnej w pompie ciepła ze skumulowanym zużyciem energii w urządzeniu grzejnym, które pompa ciepła zastępuje.
Bardzo dobre wykorzystanie energii pierwotnej paliwa zapewniają pompy ciepła ze sprężarkami napędzanymi silnikami spalinowymi (gazowymi lub wysokoprężnymi). Na rysunku 12 zestawiono wykresy pasmowe Sankey’a; na podstawie tych wykresów można określić ilości energii pierwotnej koniecznej do uzyskania jednostkowej ilości ciepła w różnych systemach ogrzewania.  Pompy ciepła, wraz z instalacjami do pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego, są urządzeniami względnie drogimi i dlatego decyzja o ich zastosowaniu powinna być poprzedzona wnikliwą analizą uwzględniającą wszelkie uwarunkowania zarówno energetyczne, jak i środowiskowe.
Do podstawowych elementów tej analizy można zaliczyć:
● izolacyjność cieplną ogrzewanego obiektu,
● warunki lokalne i środowiskowe w aspekcie wyboru źródła ciepła niskotemperaturowego, obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego (strefa klimatyczna), ochrony powietrza przed zanieczyszczeniami (strefy chronione),
● warunki energetyczne obecne i perspektywiczne: dostępność i ceny nośników ciepła: gazu przewodowego i bezprzewodowego (płynnego), oleju opałowego, ciepła sieciowego oraz energii elektrycznej (pewność dostawy i ceny),
● możliwość uzyskania zwolnień podatkowych lub niskooprocentowanych kredytów preferencyjnych ze względu na proekologiczny charakter inwestycji.
Kolejnym krokiem analizy zmierzającej do wyboru optymalnego źródła ciepła na potrzeby ogrzewania jest porównanie kosztów wytwarzania ciepła w tych źródłach. (...)
Problemy ekologiczne
Do podstawowych problemów ekologicznych związanych ze stosowaniem pomp ciepła należą:
● efekt cieplarniany,
● degradacja warstwy ozonowej w stratosferze,
● hałas.
Efekt cieplarniany potęgowany jest przez gazy wieloatomowe gromadzące się w górnych warstwach atmosfery. Do gazów tych należą: gazowe produkty spalania, głównie CO2, oraz czynniki robocze przenikające do atmosfery w sytuacjach awaryjnych oraz przez nieszczelności instalacji pompy ciepła.
Stosowanie pomp ciepła zdecydowanie zmniejsza emisję produktów spala nia w wyniku ograniczenia zużycia energii chemicznej zawartej w paliwach pierwotnych.
Korzystny wpływ pomp ciepła na śro dowisko przedstawiono na rys. 13. Ponadto w nowoczesnych pompach ciepła znacznie ograni czono możliwość przecie ków do atmosfery czynni ków roboczych, dzięki no woczesnym rozwiązaniom konstrukcyjnym sprężarek (sprężar ki bezdławni cowe – hermetyczne i półhermetyczne), niezawodnym zabezpie czeniom przed przekrocze niem wartości ciśnienia do puszczalnego (presostaty elektroniczne) oraz nowo czesnym materiałom kon strukcyjnym i uszczelniają cym. Również zastąpienie dotychczas stosowanych, chlorowcopochodnych czyn ników roboczych, o dużych wartościach ODP i GWP, czynnikami z grupy HFC znacznie ograniczyło szkodliwy wpływ pomp ciepła na środowisko. Jeszcze większe nadzieje pod tym względem stanowią techniczne możliwości zastosowania amoniaku R 717 oraz dwutlenku węgla R 744 jako czynników roboczych w po mpach ciepła.
W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku sformułowano, powszechnie dziś obowiązujące, wymaganie w odniesieniu do konstrukcji pomp ciepła. Jest to minimalizacja zawartości czynnika w instalacji. W przypadku amoniaku wymaganie to jest podyktowane względami bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń, a w przypadku czynników syntetycznych minimalizacją ich emisji do atmosfery.
W dążeniu do zwiększenia bezpieczeństwa eksploatacji amoniakalnych pomp ciepła wprowadzono czujnikowe systemy wczesnego ostrzegania, które przy odpowiednich jego stężeniach w powietrzu podejmują działania zapobiegające skażeniu środowiska. Stosowanie systemów wczesnego ostrzegania objęte jest kodeksami i normami bezpieczeństwa, a także wymaganiami towarzystw ubezpieczeniowych.
Dzięki wprowadzeniu amoniaku do obiegu sprężarkowych pomp ciepła o dużej mocy grzejnej, stosowanych w centralach cieplnych, ich współczynnik wydajności grzejnej COP wzrósł o 15÷35% w stosunku do urządzeń z syntetycznymi czynnikami roboczymi.
Głównym źródłem hałasu w pompach ciepła są: sprężarka oraz wentylatory. Ograniczenie hałasu w pomieszczeniach do wartości niższych niż dopuszczalne uzyskano stosując sprężarki rotacyjne (łopatkowe i spiralne) oraz wydzielając z instalacji pomp ciepła źródła hałasu (sprężarkę i wentylator) i lokalizując je po za ogrzewanym pomieszczeniem (pompy ciepła systemu split).
Pompy ciepła w Polsce
Na polskim rynku działa ok. 40 producentów i dostawców pomp ciepła. W Polsce sprzedawanych jest rocznie ok. 1000÷1100 pomp ciepła, przy czym większość z nich (ponad 60%) to pompy z gruntowymi wymiennikami ciepła (kolektory pionowe, poziome i spiralne). Przewaga tych urządzeń wynika z korzystniejszych warunków ich eksploatacji w naszym klimacie. Z badań U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) wynika, że pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym zmniejszają zużycie energii o ponad 44% w porównaniu do „powietrznych” pomp ciepła i o ponad 72% w stosunku do konwencjonalnych urządzeń zasilanych prądem elektrycznym, służących do ogrzewania i klimatyzacji.
Najbardziej efektywnym pod względem energetycznym dolnym źródłem ciepła są kolektory pionowe. Wynika to z prawie stałej i stosunkowo wysokiej temperatury wokół odwiertu na głębokości poniżej 10 m.
Na rysunku 14 pokazano wartości sezonowych współczynników wydajności grzejnej SPF różnych systemów pomp ciepła eksploatowanych w Polsce.
Obserwowana od kilku lat roczna dynamika sprzedaży pomp ciepła w naszym kraju wynosi ok. 25%. W wielu krajowych zakładach rozpoczęto produkcję lub montaż pomp ciepła, które stają się coraz popularniejszym źródłem ciepła, szczególnie w budownictwie rozproszonym i małych zakładach przetwórczych. Niebawem seryjna produkcja tych urządzeń zostanie rozpoczęta w Grodzisku Mazowieckim w firmie Danfoss.
Sprężarkowe pompy ciepła wytwarzane w kraju nie ustępują pod względem energetycznym, funkcjonalnym i estetycznym wyrobom renomowanych firm zagranicznych, a cechują się znacznie niższą ceną. Wiosną 2002 r. powstało Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła, które podjęło próbę skonsolidowania rynku pomp ciepła w Polsce. Stowarzyszenie to uruchomiło Punkt Konsultacyjny Pomp Ciepła oraz dąży do stworzenia bazy danych wykorzystania tych urządzeń w kraju.
Sprawa zastosowania pomp ciepła w Polsce została również usankcjonowana prawnie. Zgodnie z ustawą z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348) pompy ciepła zostały zaliczone do niekonwencjonalnych źródeł ciepła, które powinny być uwzględnione w planach zagospodarowania przestrzennego gmin. Jednak nadal nie opracowano regulacji prawnych w postaci rozporządzeń wykonawczych do tej ustawy w zakresie formalnych uwarunkowań budowy i eksploatacji pomp ciepła, a głównie gruntowych źródeł ciepła niskotemperaturowego.
W ostatnich latach zbiór Polskich Norm został wzbogacony dużą liczbą norm PN-EN dotyczących instalacji ziębniczych i pomp ciepła.
Do głównych norm z tej dziedziny można zaliczyć:
● PN-EN 378-1:2002 łącznie ze zmianą PN-EN 378-1:2002: 2002/A1
– Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje klasyfikacja i kryteria wyboru.
W normie określono wymagania bezpieczeństwa i ochrony środowiska w zakresie projektowania, konstrukcji, produkcji, montażu, eksploatacji, konserwacji i likwidowania instalacji ziębniczych i pomp ciepła oraz ich wyposażenia, dotyczące w szczególności:
– instalacji ziębniczych wszystkich wielkości, stacjonarnych i przewoźnych, w tym pomp ciepła;
– systemów pośredniego ziębienia lub ogrzewania.
Podano klasyfikację i kryteria wyboru systemów ziębienia lub ogrzewania, klasyfikację pomieszczeń oraz czynników ziębniczych wraz z ich doborem.
● PN-EN 378-2:2002:-Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 2: Projektowanie, budowanie, sprawdzanie, znakowanie i dokumentowanie.
W normie określono podstawowe wymagania bezpieczeństwa i ochrony środowiska instalacji ziębniczych oraz ich wyposażenia. Określono zasady projektowania i budowania instalacji ziębniczych i ich części składowych oraz stosowanych materiałów, łącznie z rurociągami. Przedstawiono wymagania dotyczące badania, odbioru, znakowania i dokumentacji.
● PN-EN 378-3:2002- Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 3: Usytuowanie instalacji i ochrona osobista.
Norma dotyczy usytuowania instalacji (projekt rozmieszczenia instalacji i jej obsługi) oraz sprzętu ochrony osobistej.
● PN-EN 378-4:2002 łącznie ze zmianą PN-EN 378-4:2002/A1:2002- Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 4: Obsługa, konserwacja, naprawa i odzysk.
Norma dotyczy wymagań bezpieczeństwa i ochrony środowiska w odniesieniu do obsługi, konserwacji, naprawy instalacji ziębniczych oraz odzysku, ponownego użycia i niszczenia wszelkiego rodzaju czynników ziębniczych. Wymagania te zmierzają do ograniczenia do minimum zagrożenia osób oraz mienia i środowiska naturalnego, wynikającego z niewłaściwego obchodzenia się z czynnikami ziębniczymi lub pochodzącego od zanieczyszczeń prowadzących do poważnego uszkodzenia instalacji i w następstwie tego do emisji czynnika ziębniczego.
● PN-EN 255-1: 2000- Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym. Funkcja grzania. Terminy, definicje i oznaczenia.
Norma została wycofana 15.11.2005 r. i zastąpiona normą PN-EN 14511-1: 2004(U).
● PN-EN 14511-1: 2004(U) – Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 1: Terminy i definicje.
● PN-EN 14511-2: 2004(U) – Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 2: Warunki badań.
● PN-EN 14511-3: 2004(U) – Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 3: Metody badań.
● PN-EN 14511-4: 2004(U) – Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 4: Wymagania.
Problem wykorzystania pomp ciepła, jako ekologicznego źródła ciepła na potrzeby budownictwa, znalazł się również w Dyrektywie Europejskiej 2002/91/WE. Artykuł 5 tej dyrektywy zobowiązuje kraje członkowskie do podjęcia działań niezbędnych do zapewnienia minimalnych wymagań charakterystyki energetycznej, określonych w art. 4, w odniesieniu do budynków nowych. W przypadku budynków nowych o łącznej powierzchni użytkowej powyżej 1000 m2, kraje członkowskie powinny zapewnić, aby przed rozpoczęciem budowy analizowane były możliwości techniczne, środowiskowe i ekonomiczne zastosowania takich alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię, jak:
● zdecentralizowane systemy dostawy energii oparte na energii odnawialnej,
● skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła,
● ogrzewanie lub chłodzenie lokalne lub blokowe, jeśli jest dostępne,
● pompy ciepła.
LITERATURA
[1] Źródła energii odnawialnych a świadomość społeczna. Polski Instalator 9/2007.
[2] Rubik M.: Pompy ciepła. Poradnik. Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie” Warszawa 2007.
[3] Forschungs-Zentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen GmbH – Juli 2007. wydanie 12/2007 CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:
TRADYCYJNĄ E-WYDANIE |
