Pompy ciepła. Niestandardowe zastosowania i nowe urządzenia

Dyrektywa EPBD, zobowiązująca państwa UE do budowy domów o bardzo niskim zużyciu energii i wykorzystywania energii ze źródeł odnawialnych, zmusza do poszukiwania coraz to nowych technologii i rozwiązań ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Znane od dziesięcioleci pompy ciepła znajdują nowe obszary zastosowania, m.in. dzięki współpracy z innymi technologiami i urządzeniami, w tym wykorzystującymi OZE. Połączenie takich technologii w jednej instalacji daje nie tylko efekt ekologiczny, lecz przede wszystkim wymierne korzyści ekonomiczne w wydatkach na energię.

Możliwości zastosowania pomp ciepła w połączeniu z innymi technologiami stale przybywa. Czeka nas wzrost produkcji energii ze źródeł odnawialnych, nie w dużych elektrowniach, ale małych, rozproszonych źródłach. Pociągnie to za sobą zmiany w dystrybucji energii elektrycznej i konieczność budowy „inteligentnego” systemu elektroenergetycznego, w którym będzie możliwość komunikowania się pomiędzy wszystkimi uczestnikami sieci energetycznej.

Na przykład umożliwi to pompom ciepła korzystanie z energii elektrycznej produkowanej przez turbiny wiatrowe, wtedy gdy rzeczywiście jest ona produkowana, w przeciwnym wypadku urządzenia wyłączą się automatycznie, aby nie zużywać energii ze źródeł konwencjonalnych. Szerokie perspektywy wykorzystania elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła daje upowszechnianie się technologii fotowoltaicznych, a wytwarzana przez nie energia elektryczna może zasilać pompy dostarczające energię do instalacji ogrzewania i ciepłej wody, chłodzące latem.

Gaz ziemny i biogaz (metan) mogą być atrakcyjną alternatywą dla energii elektrycznej do zasilania pomp ciepła. Technologie gazowych pomp ciepła są stale doskonalone. Obiecujące perspektywy zastosowania mają zwłaszcza absorpcyjne pompy gazowe wykorzystujące energię z ciepła spalania gazu.

Nietypowe dolne źródła ciepła

Pompy ciepła kojarzymy głównie z dwoma dolnymi źródłami ciepła – powietrzem i pionowymi lub poziomymi wymiennikami gruntowymi, rzadziej z wodą powierzchniową. Możliwości czerpania energii przez pompy ciepła jest bardzo dużo – jedną z nich jest ciepło odpadowe w procesach technologicznych. Schłodzona w ten sposób woda wraca do instalacji chłodzenia w zakładzie, a ciepło trafia do instalacji c.o. lub c.w.u.

Również ciepło odpadowe powstające przy produkcji wody lodowej w chłodniach może być wykorzystywane do ogrzewania pobliskich obiektów i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Duży potencjał wykorzystywania pomp ciepła mają zakłady przetwórstwa spożywczego, gdzie do produkcji konieczny jest i chłód, i ciepła woda – ciepło odpadowe do produkcji chłodu może wspomagać produkcję ciepłej wody lub pary dzięki pompom ciepła.

Ciepło odpadowe można też wykorzystać w małych gospodarstwach rolniczych do ogrzewania domów lub do podgrzewania wody – np. ciepło powstające w chłodni mleka. Takie gospodarstwo może też wykorzystać nadwyżki ciepła w okresie zimowym powstające w oborach czy chlewniach lub kurnikach. Zwłaszcza obory wymagają dużej liczby wymian i tym samym dużo powietrza o temp. ok. 10–15°C jest „wyrzucane” przez system wentylacyjny obiektu, a mogłoby być wykorzystane w pompach ciepła. Gospodarstwa rolne mogą też korzystać ze zbiorników gnojowicy lub składów obornika jako rezerwuaru ciepła, montując w zbiorniku wymiennik (gnojowica jest bardzo korozyjna i wymaga zastosowania odpowiednich materiałów).

Z kolei składy obornika powinny być wybetonowane – zatem w trakcie budowy warto rozważyć umieszczenie pod nimi gruntowego wymiennika poziomego. Kolejnym atrakcyjnym dolnym źródłem ciepła są ścieki. Ich duży potencjał zaczynają dostrzegać nie tylko oczyszczalnie ścieków. Sieci i kolektory ściekowe stanowią bowiem niezależnie od warunków atmosferycznych i pory roku źródło ciepła o względnie stałej i wysokiej temperaturze. Schemat ideowy takiego systemu pokazano na rys. 1.

W większości tych przypadków ważne jest jednak określenie opłacalnej ekonomicznie odległości pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła, gdyż obiekty hodowlane czy kolektory kanalizacyjne nie sąsiadują bezpośrednio z obiektami mieszkalnymi. Ścieki z sieci kanalizacyjnej mogą być źródłem energii nie tylko do ogrzewania i przygotowania c.w.u., ale też do wytwarzania chłodu latem. W okresie letnim pompy ciepła mogą przekazywać ciepło do kanalizacji i dostarczać chłód do budynków. Z 1 m3 ścieków o różnicy temperatur 1 K pomiędzy ściekami i chłodnym medium można uzyskać prawie 1,5 kWh.

Przykładowo zbiorczy kanał kanalizacyjny o przepływie 100 dm3/s może dostarczyć ok. 500 kW. Ze ścieków daje się „wycisnąć” więcej energii, a granicą ich wykorzystania jest temperatura, która mogłaby być przeszkodą w procesach, jakim podlegają ścieki w oczyszczalniach.

Kolejnym obszarem nietypowego zastosowania pomp ciepła mogą być wody kopalniane, gdyż kopalnie przepompowują olbrzymie ilości wody o stałej, stosunkowo wysokiej temperaturze. W niektórych krajach UE z rozwiniętymi miejskimi sieciami ciepłowniczymi na końcówkach tych sieci stosuje się poza sezonem grzewczym pompy powietrze/woda do podgrzewu c.w.u., zamiast tłoczyć gorącą wodę z odległych ciepłowni.

Pompy alternatywą dla kolektorów słonecznych

Dzięki programom wsparcia montażu kolektorów słonecznych powstaje wiele instalacji wykorzystujących te urządzenia do wspomagania podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Jednak wiele obiektów, zwłaszcza domów wielorodzinnych, nie ma możliwości montażu kolektorów słonecznych, gdyż dociera do nich zbyt mało promieniowania słonecznego, znajdują się w miejscach zacienionych lub pozbawionych wymaganej do montażu tych urządzeń powierzchni. W takich obiektach alternatywne źródło energii stanowić mogą pompy powietrze/woda, które poza sezonem grzewczym zastąpią kotły, niezależnie od tego, jakim paliwem są one zasilane. 

Pompy takie mogą wykorzystywać ciepło z otoczenia lub z powietrza wentylacyjnego. Są też urządzenia ze zintegrowanym zasobnikiem c.w.u. z dodatkowymi wężownicami do podłączenia innego źródła ciepła. Zastosowanie takich układów umożliwia wspomaganie wentylacji pomieszczeń – chłodzenie i osuszanie powietrza wentylacyjnego. Koszty inwestycyjne tych rozwiązań są porównywalne z kosztami instalacji solarnej.

Nowości rynkowe

O ciągłym udoskonalaniu technologii świadczą nowe urządzenia, które pojawiły się ostatnio w ofertach wielu firm. Dotychczas gazowe absorpcyjne pompy ciepła miały moce odpowiednie dla zasilania średnich i dużych obiektów – włoska firma Robur postanowiła wprowadzić na rynek małą gazową absorpcyjną pompę ciepła. Moc nominalna tej pompy wynosi ok. 18 kW i ma być ona konkurentką dla pomp sprężarkowych o mocy 15 kW. 

Absorpcyjne pompy ciepła uważane są w UE za jedną z najbardziej obiecujących technologii gazowych do ogrzewania i produkcji ciepłej wody. Komisja Europejska wspiera m.in. prace nad projektem HEAT4U poświęconym rozwojowi tej technologii.

Innym przykładem może być pompa powietrze/woda Aquarea High Temperature firmy Panasonic. Nowy model (fot. 2) został opracowany specjalnie do zasilania instalacji z tradycyjnymi żeliwnymi grzejnikami wysokotemperaturowymi i podgrzewu c.w.u. Główną zmianą jest nowatorski obieg chłodzenia SCEB (Sub-Cooler and Evaporator Bypass - dochładzacz i by-pass parownika). 

Po stronie wysokiego ciśnienia w obiegu SCEB schładzanie czynnika chłodniczego jest zwiększone, a ilość ciekłego czynnika chłodniczego w parowniku wzrasta, przez to zwiększa się też efektywność parowania. Po stronie niskiego ciśnienia spadek ciśnienia w parowniku jest mniejszy, a tym samym przepływ czynnika zwiększa się i dzięki temu efektywność pracy skraplacza jest większa. 

Firma opracowała też zoptymalizowany algorytm kontroli przepływu czynnika chłodniczego w głównym obiegu i w obejściu przy użyciu dwóch zaworów. Dzięki nowym rozwiązaniom pompy są w stanie zachować wysoką wydajność nawet przy temperaturze –15°C, bez wspomagania grzałką elektryczną.

Z kolei firma Glen Dimplex wprowadziła na rynek pompę ciepła typu powietrze/woda do instalacji wewnętrznej ze zmiennym obiegiem powietrza (fot. 3). Urządzenia odznaczają się elastycznym obiegiem powietrza oraz prostym przyłączeniem hydraulicznym. Na uwagę zasługują m.in. sterowniki z sensorycznym nadzorem obiegu chłodniczego i zintegrowanym licznikiem ciepła. 

Na podstawie zużycia energii można określić rzeczywisty, indywidualny roczny współczynnik efektywności danej pompy. Elektronika współpracuje tu z nowoczesnymi sieciami komunikacyjnymi i udostępnia wszystkie funkcje regulacji ogrzewania i przygotowania c.w.u. W przypadku współpracy z innymi urządzeniami, jak np. kocioł grzewczy czy/i układ solarny, sterownik pompy ciepła przejmuje regulację całego systemu.

Nateo do swoich pomp ciepła opracowało system inteligentnego zarządzania budynkiem, który umożliwi zdalne sterowanie wybranymi instalacjami w domu. Jednostka centralna pozwala w łatwy sposób zarządzać zintegrowanymi urządzeniami. Możliwe jest m.in. ustawianie temperatury w wybranym pomieszczeniu czy automatyczne wyłączanie światła, gdy nikogo nie ma w budynku. System można dostosowywać do indywidualnych potrzeb, instalując dodatkowe moduły, takie jak obsługa alarmu, rolet zewnętrznych czy zraszaczy ogrodowych. 

Natomiast firma Nibe oferuje system na bazie pompy ciepła, w którym jedno kompaktowe urządzenie zapewnia ogrzewanie, chłodzenie, ciepłą wodę i wentylację z odzyskiem ciepła. Sercem systemu jest pompa ciepła typu solanka/woda lub woda/woda, o mocy grzewczej od 5 do 10 kW, z modułem wentylacyjnym. Urządzenie ma wbudowany zasobnik c.w.u., moduł pasywnego chłodzenia oraz zawór trójdrogowy do sterowania produkcją ciepłej wody użytkowej. Moduł komunikacyjny umożliwia sterowanie pompą przez systemy inteligentnego zarządzania budynkiem za pośrednictwem internetu, tabletu, a nawet telefonu komórkowego. Pompy te mogą być konfigurowane z innymi urządzeniami grzewczymi, np. kotłami czy kolektorami słonecznymi.

Literatura

1. Materiały firm: Danfoss, Glen Dimplex, Flowair, Nateo, Panasonic, Sanyo, Robur, SPS Klima oraz organizacji PORT PC.
2. Müller E., Schmid F., Stodtmeister W., Kobel B., Heizen und Kühlen mit Abwasser, in: „Ratgeber für Bauherrn und Kommunen“, 2005.
3. www.heat4u.eu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!