Zasada działania pompy ciepła. Jakie są różnice w instalacji pompy gruntowej i powietrznej?
Pompa gruntowa wymaga wykonania instalacji do odbioru ciepła z gruntu, dlatego też jej montaż jest droższy niż pompy powietrznej dostarczającej energię z powietrza. Sprawdź, jakie są podobieństwa i różnice w montażu i działaniu obydwu urządzeń służących do ogrzewania domu.
Jak działa pompa ciepła?
Każda sprężarkowa pompa ciepła jest zbudowana z czterech zasadniczych elementów – sprężarki, zaworu rozprężnego i dwóch wymienników ciepła – skraplacza i parownika. Są one połączone rurami i tworzą tak zwany obieg chłodniczy napełniony płynem roboczym (nazywanym też czynnikiem chłodniczym). Płyn odparowuje w parowniku na skutek odbioru ciepła, jego para jest sprężana przez sprężarkę, co sprawia, że oprócz wysokiego ciśnienia osiąga też wysoką temperaturę, a następnie oddaje ciepło w skraplaczu. Potem już jako ciecz ponownie trafia do parownika, po drodze przepływając przez element dławiący – zawór rozprężny. W nim, na skutek spadku ciśnienia, obniża się też jego temperatura, osiągając wartość umożliwiającą odbiór ciepła w parowniku. Na tym podobieństwa między pompą gruntową i powietrzną się kończą. Różnice w ich budowie wynikają z przystosowania ich do obioru ciepła z tak różnych substancji jak grunt i powietrze.
Gruntowa pompa ciepła - zasada działania, montaż
Możliwości odbioru ciepła z gruntu są dwie. Pierwsza, wykorzystywana znacznie częściej, polega na wykonaniu instalacji pośredniczącej w wymianie ciepła między gruntem a parownikiem – wówczas mamy do czynienia z solankową pompą ciepła (typu glikol-woda). Druga wymaga wykonania odpowiednio dużego parownika. Takie rozwiązanie spotyka się w pompach ciepła z bezpośrednim odparowaniem. W obu przypadkach potrzebny jest wymiennik gruntowy, czyli zakopana w ziemi rura tworząca pętlę. W wariancie z bezpośrednim odparowaniem przepływa przez nią płyn roboczy pompy ciepła, w drugim ciecz niezamarzająca do temperatury -14 oC – wodny roztwór glikolu, rzadziej etanol, a kiedyś także roztwór soli NaCl (stąd wzięło się określenie solanka). Żeby pojedyncza pętla nie była zbyt długa, przez co pompa obiegowa wymuszająca przepływ solanki musiałaby mieć dużą moc, pętli wykonuje się kilka – tworzą one tak zwany kolektor poziomy lub pionowy.
Kolektor poziomy układa się na powierzchni kilkuset metrów kwadratowych, na pionowy wystarczy kilkadziesiąt (między odwiertami trzeba zachować minimum 5-8-metrowe odstępy, w zależności od głębokości), ale zdarza się, że jest on blisko dwukrotnie droższy. Ułożenie kolektora poziomego jest zadaniem stosunkowo prostym i zdarza się, że inwestorzy z powodzeniem robią to we własnym zakresie, korzystając jedynie z wytycznych uzyskanych od projektanta. W ten sposób może się udać nieco ograniczyć koszt inwestycji. Kolektorów pionowych nie da się wykonać bez specjalistycznego sprzętu, więc w tym wypadku nie można liczyć na oszczędności dzięki własnej pracy, chyba że ma się akurat dostęp do wiertnicy i umie ją obsługiwać.
Sprawdź też:
Układ typu glikol-woda. Glikol przepływający przez ułożone w ziemi rury jest wcześniej schładzany w parowniku pompy ciepła w postaci wymiennika płytowego. Temperatura glikolu staje się wtedy niższa niż temperatura gruntu i dzięki temu glikol może odbierać ciepło mimo niskiej temperatury gruntu (nawet -4 oC, ale zwykle nieco powyżej zera). W ten sposób stopniowo się ogrzewa i gdy znów dociera do parownika, może to ciepło oddać.
Przepływ glikolu wymusza pompa obiegowa napędzana energią elektryczną. Ze względu na spore opory jego przepływu przez rury pompa pobiera znaczną ilość tej energii – kilkanaście procent tego, co pochłania cały system grzewczy z gruntową pompą ciepła.
Pompy ciepła glikol-woda to urządzenia, które umieszcza się w budynku, by podgrzewanej w nich wodzie nie groziło zamarznięcie. Ich montaż polega na podłączeniu do prądu oraz wykonaniu połączeń z instalacją c.o. i c.w.u., a także z rurami wymiennika gruntowego doprowadzonymi z zewnątrz.
Układ z bezpośrednim odparowaniem. Choć jest stosowany rzadziej, jest efektywniejszy. Przez ułożone w ziemi rury przepływa płyn roboczy pompy ciepła, który w tych rurach odparowuje – wymiennik gruntowy jest jednocześnie parownikiem. Opory przepływu są znacznie mniejsze, a pompa obiegowa w ogóle nie jest potrzebna, bo ruch płynu wymusza sprężarka. Nie ma też wymiennika płytowego, w którym solanka przekazuje ciepło płynowi roboczemu. Sprawność układu jest dzięki temu wyższa, a urządzenie ma niewielkie rozmiary.
Pompy gruntowe z bezpośrednim odparowaniem to zwykle urządzenia do montażu poza domem – w studzience. Wynika to z dążenia do zachowania jak najmniejszej odległości między sprężarką a wymiennikiem gruntowym, by obieg chłodniczy był jak najkrótszy. Z tego względu nie bywają zintegrowane z zasobnikiem c.w.u., który musi być umieszczony w ogrzewanym pomieszczeniu. Powodem, dla którego pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem są u nas mniej popularne niż solankowe, jest przede wszystkim wyższy koszt takiego rozwiązania wynikający z konieczności zastosowania bardzo długich miedzianych rur i napełnienia ich dużą ilością czynnika roboczego oraz większe ryzyko awarii sprężarki w przypadku uszkodzenia wymiennika gruntowego (smarujący ją olej przepływa wraz z czynnikiem roboczym przez cały wymiennik).
Jak działa pompa powietrzna? Najpopularniejsze rodzaje pomp
Duży kłopot lub brak możliwości wykonania wymiennika gruntowego, a także jego wysoka cena to najczęstsze powody, dla których inwestorzy rezygnują z zastosowania do ogrzewania domu gruntowej pompy ciepła. Żaden z tych problemów nie występuje, jeśli się wybierze pompę powietrzną. Pompy ciepła typu powietrze-woda wymagają podłączenia do prądu i wykonania połączeń hydraulicznych. Prace ziemne mogą przy tym nie być konieczne, choć i w tym wypadku może się zdarzyć potrzeba poprowadzenia rur pod ziemią.
Urządzenia te są produkowane w kilku wariantach – monoblokowe do montażu w domu, monoblokowe do montażu poza domem oraz dwuczęściowe (split), których jeden element (zawierający hałaśliwy wentylator) ustawia się poza domem, a drugi – zawierający układ hydrauliczny i ewentualnie zintegrowany z nim zasobnik c.w.u. – w domu. Trudność i koszt połączenia urządzenia znajdującego się poza domem z instalacją wewnątrz zależy od wyboru miejsca montażu (może być niemal dowolne).
Przy jego wyborze należy jednak uwzględnić hałaśliwość wentylatora i sprężarki pompy ciepła oraz możliwe trudności z jej serwisowaniem i naprawą. Problemy wynikające z ustawienia pompy ciepła w pomieszczeniu – konieczność wykonania kanałów doprowadzającego i odprowadzającego dużą ilość zimnego powietrza oraz hałaśliwość tłoczącego je wentylatora – sprawiają, że pompa monoblokowa wewnętrzna nie jest rozwiązaniem popularnym. Stosuje się je powszechnie jedynie w przypadku pomp ciepła małej mocy przeznaczonych wyłącznie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Wtedy kanały powietrzne są niewielkie, tak jak i sama pompa ciepła, która bywa wtedy zintegrowana z zasobnikiem na podgrzewaną wodę. Jej mała sprężarka i niewielki wentylator pracują dość cicho, więc obecność takiego urządzenia nie przeszkadza nawet blisko sypialni.
Dzięki brakowi kanałów powietrznych i hałasu w pomieszczeniu popularniejszym rozwiązaniem jest pompa powietrze-woda zewnętrzna. Lecz jeśli jest to urządzenie monoblokowe, w przypadku awarii zasilania może w nim zamarznąć woda, którą podgrzewa. W naszym klimacie jest to spory problem, zwłaszcza w rejonach, gdzie przerwy w dostawie energii elektrycznej nie należą do rzadkości. Trzeba więc jakoś zabezpieczyć pompę na taką okoliczność, przez co jest to rozwiązanie kłopotliwe. Dlatego najgodniejszymi polecenia są pompy ciepła powietrze-woda typu split. Właśnie wśród nich są urządzenia najbardziej zaawansowane technicznie, o najlepszych osiągach, uzyskujące najwyższe wskaźniki efektywności.
Najpopularniejsze są te z parownikiem i sprężarką w jednostce zewnętrznej. Ich skraplacz jest wtedy w jednostce wewnętrznej, więc obie części pompy ciepła są połączone rurami, przez które przepływa płyn roboczy. Zamarznięcie mu wprawdzie nie grozi, ale ze względu na wysoką temperaturę w układzie chłodniczym połączenie sprężarki znajdującej się na zewnątrz ze skraplaczem w budynku trzeba bardzo dobrze zaizolować cieplnie, by ograniczyć straty energii. I tak nie udaje się ich w ten sposób zupełnie wyeliminować, dlatego zwłaszcza tam, gdzie odległość jednostki zewnętrznej od wewnętrznej musi być duża, lepsze jest rozwiązanie z czynnikiem pośredniczącym. Wtedy na zewnątrz znajduje się tylko wentylator i dodatkowy wymiennik ciepła powietrze-glikol, a cały układ pompy ciepła (parownik, sprężarka i skraplacz), czyli obieg chłodniczy, są w jednostce wewnętrznej. Jednostkę wewnętrzną z zewnętrzną łączy się rurami napełnionymi roztworem glikolu, który transportuje energię odbieraną z powietrza w umieszczonym na zewnątrz wymienniku do parownika znajdującego się w jednostce wewnętrznej.
Czynnik pośredniczący jest oczywiście przyczyną dodatkowych strat energii, za to mniejsze są straty ciepła przez ścianki rur układu chłodniczego. W dodatku instalacja jest tańsza, bo drogi układ chłodniczy z rur miedzianych odpornych na wysoką temperaturę i ciśnienie jest krótki i zmontowany fabrycznie w jednostce wewnętrznej – nie trzeba płacić za jego wykonanie instalatorowi i nie jest tak bardzo narażony na uszkodzenie jak wtedy, gdy znajduje się na zewnątrz. Poza domem wykonuje się tylko obieg glikolowy z tanich rur z tworzywa sztucznego. Nie trzeba go izolować, bo jego temperatura jest bliska temperaturze otoczenia. A jeśli jest poprowadzony pod ziemią, w najchłodniejszym okresie jego temperatura może nawet nieco wzrastać dzięki odbiorowi energii z gruntu.
