Pompy ciepła – kierunki rozwoju

Jaka pompa?

Pompy ciepła to urządzenia umożliwiające pobranie ciepła z dolnego, niskotemperaturowego źródła i przekazanie do górnego źródła, o wyższej temperaturze. Jest to kierunek przepływu ciepła odwrotny od naturalnego i dlatego wymaga dostarczenia pewnej ilości energii. Pompy mogą być napędzane energią mechaniczną – są to pompy sprężarkowe lub energią cieplną – pompy absorpcyjne i adsorpcyjne. Sprężarki zasila się energią elektryczną, stąd ich popularność, gdyż mogą być instalowane praktycznie wszędzie. Ciepło do pracy pomp absorpcyjnych wytwarzane jest głównie z gazu ziemnego lub płynnego.

Sprężarkowe pompy ciepła pracują w obiegu termodynamicznym, czyli odwróconym obiegu silnika cieplnego. W obiegu takim czynnik roboczy podlega wielu przemianom, ale jego stan na końcu obiegu jest taki sam jak na początku. W sprężarkowej pompie ciepła roboczy czynnik termodynamiczny, którym może być np. freon lub amoniak, pobiera energię w parowniku (dolne źródło ciepła), gdyż jest chłodniejszy od otoczenia (rys. 1), i przepływa do sprężarki, gdzie jest sprężany i jego temperatura rośnie. Następnie skraplając się, oddaje ciepło np. do instalacji c.o., a przepływając przez zawór rozprężny, jeszcze bardziej traci temperaturę, tak aby była ona niższa od temperatury dolnego źródła, po czym ponownie trafia do parownika.

Na rynku oferowane są również absorpcyjne pompy ciepła, zdobywające coraz większą popularność. Na rys. 2 pokazano schemat ich działania. W tym rozwiązaniu do zwiększenia potencjału temperaturowego wykorzystuje się właściwości roztworów, najczęściej dwuskładnikowych, polegające na podwyższeniu temperatury wrzenia roztworu w stosunku do czystego rozpuszczalnika.

Ciepło ziemi pobierane jest za pomocą najróżniejszych kolektorów gruntowych, powietrznych i wodnych (roztwory glikolu). Mogą to być kolektory poziome, które wymagają dużych powierzchni, lub pionowe, wpuszczane do ziemi zwykle na głębokość od 15 do 150 m. Zdarzają się instalacje z kolektorami posadowionymi jeszcze głębiej, ponad 180 m. Woda powierzchniowa i gruntowa to bardzo wydajne źródła ciepła dla pomp. Takie rozwiązania należy jednak każdorazowo bardzo dokładnie przeanalizować, bo mogą zdarzyć się sytuacje, że po suchej jesieni staw będzie miał na tyle mało wody, że zimą zostanie całkowicie zamrożony.

Odzysk ciepła odpadowego to dziedzina, w której pompy ciepła mają ogromne możliwości. Instalacje wykorzystujące ciepło odpadowe uzyskują COP dla ogrzewania w wysokości nawet 5,4, co jest nieosiągalne dla innych dolnych źródeł ciepła [3]. Jednak bez względu na to, jakie zastosujemy pompy ciepła i dolne źródło uzupełniające (będące rezerwowym na wypadek braku ciepła odpadowego), zawsze warto uprzednio sporządzić bilans ciepła i analizę ekonomiczną instalacji. W bardzo wielu przypadkach będzie to instalacja rzeczywiście opłacalna.

Kierunki rozwoju

Można zatem wysnuć wniosek, że dla dalszego zwiększania popularności wykorzystania pomp ciepła konieczne jest znalezienie innych rozwiązań pierwotnych źródeł ciepła. O czym myślą konstruktorzy? Przede wszystkim o jak najlepszym wykorzystaniu energii cieplnej, która dotychczas była marnowana. Sprężarki chłodnicze napędzane silnikami gazowymi są już stosowane, ale wykorzystywanie ciepła odpadowego ze spalania gazu jako dolnego źródła ciepła spotykane jest w gazowych silnikach napędzających generatory wytwarzające energię elektryczną dopiero od niedawna. Połączenie generatora z pompą ciepła umożliwia wykorzystanie ciepła zawartego w spalinach silnika i zwiększenie sprawności całego układu.

Kogeneracja i systemy zintegrowane to prawdopodobne kierunki rozwoju pomp ciepła, po których spodziewać się można najbardziej ekonomicznych rozwiązań. Jednym z nich jest np. kompaktowy agregat grzewczy z wykorzystaniem adsorpcyjnej pompy ciepła w układzie z zeolitem [6]. Również polscy naukowcy i konstruktorzy mają w tym zakresie ciekawe propozycje. Przykładem jest agregat kogeneracyjny, który może być przyszłością energetyki cieplnej połączonej z produkcją energii elektrycznej [7].

Projekt jest jeszcze w fazie badawczej, ale uzyskane dotychczas wyniki badań napawają optymizmem. Przedstawiona analiza ekonomiczna, w której porównano różne źródła ciepła (kocioł gazowy i na pelety), wykazała, że ta nowa konstrukcja wygrywa pod względem ekonomicznym z każdym innym rozwiązaniem.

Można jednak przypuszczać, że na najbliższych targach ISH we Frankfurcie zobaczymy już nie tylko prototypy, ale agregaty gotowe do zastosowania.

Literatura

1. Mazurek A.B., Mazurek M., Klimatyzacja z absorpcyjnym urządzeniem chłodniczym zasilanym energią słoneczną, materiały konferencyjne „Air & Heat, Water & Energy”, Wrocław/Kudowa-Zdrój, 16–18 czerwca 2011 r.
2. Rubik M., Pompy ciepła, Ośrodek Informacyjny „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 1999.
3. Bugaj A., Miniewicz M., Heat Pump Systems Used for Heating and Cooling, materiały konferencyjne „Air & Heat, Water & Energy”, Wrocław/Kudowa-Zdrój, 16–18 czerwca 2011 r.
4. Krzyżaniak G., Praca zintegrowanego układu grzewczo-chłodzącego w budynku energooszczędnym i pasywnym, materiały konferencyjne „Air & Heat, Water & Energy”, Wrocław/Kudowa-Zdrój, 16–18 czerwca 2011 r.
5. Kosieradzki J., Gazowa pompa ciepła w instalacji grzewczej i chłodniczej, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2010.
6. Kosieradzki J., Gazowe kotły kondensacyjne – kierunki rozwoju, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2011.
7. Prymon M., Wrona J., Analiza ekonomiczna agregatu kogeneracyjnego zbudowanego z wykorzystaniem silnika Stirlinga, materiały konferencyjne „Wentylacja-Klimatyzacja-Ogrzewnictwo-Środowisko”, Krynica-Zdrój, 18–20 maja 2011 r.