Powietrzne pompy ciepła przeżywają dziś swój „boom”, zarówno na polu rozwoju technicznego – głównie za sprawą automatyki – jak i w rankingach popularności źródeł ciepła dla domów. Za ich sukcesem stoi rewolucja technologiczna, która pozwoliła przez ostatnie dwie dekady znacznie podnieść ich współczynnik COP i umożliwiła pompom pracę nawet w temperaturach do -25ºC. Warto jednak do tej listy zdobyczy technologicznych dodać jeszcze jeden punkt, który jest ważny dla coraz większej rzeszy inwestorów: powietrzne pompy ciepła potrafią chłodzić pomieszczenia.
Wydajność pomp ciepła typu powietrze -woda jest dziś tak wysoka, że z powodzeniem stają się jedynym źródłem ciepła w wielu domach. Ta wysoka efektywność grzewcza przekłada się również na wysoką efektywność pracy w trybie chłodzenia – na tyle wysoką, że coraz częściej te urządzenia stają się jedynym źródłem chłodu dla domu, wyręczając na tym polu instalacje klimatyzacyjne. To dość świeży, ale bardzo rozwojowy trend, który wart jest szerszego omówienia, pod warunkiem przypomnienia sobie czym są, jak działają powietrzne pompy ciepła oraz jakie rozróżnia się ich typy.
Najogólniej sprawę ujmując, powietrzne pompy ciepła to urządzenia czerpiące energię cieplną z powietrza i służące do ogrzewania nią pomieszczeń lub całych budynków i / lub ogrzewania wody użytkowej, z której mieszkańcy budynku korzystają. Z pozoru wygląda to bardzo prosto, lecz w rzeczywistości konwersja energii zawartej w powietrzu zewnętrznym (czasem zaś wewnętrznym obiegowym lub wewnętrznym odpadowym) na energię cieplną do ogrzewania budynku i wody, następuje w sekwencji kilku etapów i trzech tzw. obiegów energii cieplnej. Obieg dolnego źródła, czyli obieg powietrza, to pierwszy z nich, w którym darmowe ciepło pozyskiwane jest z otoczenia (z powietrza zasysanego przez wentylator) i transportowane do pompy, niezależnie od tego czy znajduje się ona w tej samej obudowie co wentylator, czy też w osobnym module. Skierowane do pompy powietrze trafi a do parownika, w którym oddaje własną energię cieplną do czynnika chłodniczego, po czym już wychłodzone zostaje wyprowadzone z pompy ciepła – i tutaj z reguły jest to wyprowadzenie na zewnątrz, ale w okresie letnich upałów takie powietrze często kierowane jest do wnętrza budynku by wspomagać lub zastępować klimatyzację – ta kwestia będzie dokładniej omówiona w kolejnych rozdziałach. Drugim spośród trzech obiegów jest obieg czynnika chłodniczego, czyli gazu krążącego w obiegu zamkniętym w pompie i po drodze przepływającego przez parownik w którym odbiera ciepło od powietrza. Gaz taki ma bardzo niską temperaturę wrzenia – na tyle niską, że ciepło pobrane z powietrza, już wystarczy do wywołania tego procesu.
REKLAMA
Zdaniem Eksperta
Grzegorz Łukasik
W trybie pracy odwróconej, kiedy to powietrzne pompy służą do chłodzenia, ich efektywność jest odczuwalnie niższa niż w trybie ogrzewania. Z czego ten fakt wynika?
Product Manager
Bosch Termotechnika
Chłodzenie, oprócz standardowego zastosowania grzewczego, jest coraz bardziej pożądaną funkcją wśród pomp ciepła. Ostatnio bardzo popularnymi pompami ciepła są urządzenia powietrze- woda. W trybie grzania pobierają one ciepło (energię) z powietrza i przekazują, je do wodnej instalacji grzewczej. Natomiast w trybie chłodzenia sytuacja jest odwrócona. Do instalacji wewnątrz budynku dostarczana jest chłodna woda, która odbiera ciepło z pomieszczeń, przez co się ogrzewa. Ogrzana woda jest schładzana przez pompę ciepła, a ciepło jest usuwane do powietrza na zewnątrz budynku. Na początku, nie wnikając w szczegółowe parametry pracy pompy ciepła, można ogólnie stwierdzić, że ich efektywność działania w trybie chłodzenia jest zawsze niższa niż w trybie grzania. Wynika to po prostu z praw termodynamiki. Nie dotyczy to tylko pomp ciepła, ale wszystkich urządzeń chłodniczych, jakimi są również klimatyzatory. Jednak na skalę obniżenia efektywności wpływają parametry pracy, a dokładnie poziom temperatur pracy. Jedną z nich jest temperatura powietrza na zewnątrz. Latem jej poziom osiąga wartość 25-35 stopni. Im jest wyższy, tym ciężej pracuje się pompie ciepła, jednak na to użytkownik nie ma wpływu. Drugim parametrem jest oczekiwany poziom temperatur wewnątrz budynku. Jeśli na zewnątrz budynku jest wysoka temperatura, a wewnątrz budynku oczekiwana jest stosunkowo niska temperatura rzędu 18-20 stopni, to pompa ciepła ma na pewno trudniejsze warunki działania, niż gdyby to miał być poziom około 24-25 stopni. Zatem im bardziej intensywne chłodzenie (im niższa żądana temperatura), tym efektywność pracy się obniża. Jednak w przypadku chłodzenia, użytkownicy w pierwszej kolejności zwracają uwagę na poziom komfortu cieplnego niż na efektywność pracy urządzenia.
Zdaniem Eksperta
Efektywność pomp ciepła w trybie grzania jest większa. Dotyczy to tak samo pomp ciepła jak i klimatyzatorów, które są po prostu pompą ciepła typu powietrze-powietrze. Każde takie urządzenie już w karcie katalogowej będzie pokazywało niższą efektywność dla trybu chłodzenia niż dla trybu grzania. Sprawność grzania pompy ciepła możemy określić jako sumę ilości ciepła odebranego w parowniku i pracy dostarczonej do sprężarki podzieloną przez samą pracę sprężarki. W trybie grzania parownik odbiera ciepło z otoczenia zewnętrznego. W przypadku chłodzenia gdzie parownik i skraplacz „zamieniają się” miejscami mamy sytuację gdzie sprawność będzie liczona jako sama energia odebrana w parowniku podzielona przez pracę dostarczoną do sprężarki.
Sebastian Brzeziński
Sales Engineer A2W,
Panasonic Appliances
Air Conditioning Europe
Tutaj parownik będzie naszym źródłem górnym. Czyli temperatura powietrza w budynku dla jednostek wewnętrznych klimatyzacji lub woda krążąca w odbiornikach instalacji C.O. takich jak klimakonwektory, maty kapilarne czy „podłogówka”. Te współczynniki efektywności są odpowiednio nazywane COP (Coefficient Of Performance) – dla trybu grzania i EER dla trybu chłodzenia (Energy Efficiency Ratio). Przenosząc to na język wzorów możemy zapisać energetyczny bilans cieplny pompy ciepła jako:
Sprawność w grzaniu:
Sprawność w chłodzeniu:
Gdzie:
Q – ilość ciepła oddawanego w skraplaczu
Q0 – ilość ciepła pobieranego w parowniku
W – praca dostarczona do sprężarki
Zdaniem Eksperta
Podstawowym zadaniem pompy ciepła jest ogrzewanie budynku lub ciepłej wody użytkowej. Inwestorzy coraz częściej wybierają ten rodzaj urządzeń grzewczych m.in. ze względu na możliwość chłodzenia budynku bez konieczności kupowania kolejnego urządzenia. Podczas doboru powietrznej pompy ciepła dla danego obiektu należy porównać zarówno jej moc grzewczą jak również moc chłodniczą z zapotrzebowaniem budynku. Moc chłodnicza powietrznej pompy ciepła zawsze będzie niższa od mocy grzewczej. Wynika to z jej zasady działania, układ termodynamiczny ma za zadanie przeniesienie energii z dolnego źródła (powietrze) do górnego źródła (instalacja grzewcza), aby to było możliwe sprężarka musi zostać zasilona energią elektryczną. Podczas pracy sprężarki wydzielane jest ciepło. W trybie grzania ciepło dostarczane do instalacji grzewczej jest sumą ciepła pobranego z powietrza oraz ciepła wytwarzanego przez pracującą sprężarkę. Stąd moc grzewcza jest większa niż moc chłodnicza. Analogicznie można przeprowadzić rozważania dotyczące współczynników efektywności energetycznej chłodzenia EER i grzania COP. Efektywność energetyczna jest to stosunek mocy chłodniczej lub grzewczej do energii elektrycznej pobieranej przez pompę ciepła. Zakładając taki sam pobór energii elektrycznej przez pompę ciepła w trybie chłodzenia i grzania oraz mając na uwadze wcześniejsze rozważania dotyczące mocy chłodniczej i grzewczej, widać, iż efektywność pracy pompy ciepła w trybie chłodzenia będzie niższa niż w trybie grzania.
Szymon Lenartowicz
Dział Wsparcia Technicznego i Szkoleń Viessmann
Wrzący gaz kierowany jest do sprężarki, zasilanej oczywiście energią elektryczną, która dzięki jego sprężeniu wywołuje wzrost ciśnienia gazu i w efekcie gwałtowny skok jego temperatury – nawet od poziomu około3-8ºC do maksymalnie 80-85ºC. Tak gorący gaz zostaje przetłoczony ze sprężarki do skraplacza czyli wymiennika ciepła, w którym następuje przekazanie energii cieplnej gazu do systemu grzewczego obiektu. Oddając tą energię cieplną gaz szybko ochładza się i skrapla – cała operacja nadal odbywa się pod wysokim ciśnieniem. Dopiero po tym etapie następuje rozprężenie i przetłoczenie gazu dalej w kierunku parownika. Spadek ciśnienia wywołuje powrót gazu (czynnika chłodniczego) do jego normalnej, początkowej temperatury, co pozwala go skierować do parownika, od którego cykl startuje ponownie. Ostatni z trzech obiegów zaczyna się w miejscu, w którym gaz oddał energię cieplną do wody krążącej w systemie grzewczym, stąd obieg ten nazywany jest obiegiem czynnika grzewczego. Woda odebrawszy od gorącego gazu ciepło w skraplaczu, osiąga temperaturę rzędu 55-60ºC i dzięki działaniu pompy obiegowej przepływa dalej przenosząc energię cieplną do grzejników, lub ogrzewania podłogowego, bądź też do zbiornika z c.w.u. albo – co dość już powszechne – do kombinacji tych trzech opcji.
Gwałtowny rozwój powietrznych pomp ciepła w ostatnich dwóch dekadach doprowadził do tego, że na rynku funkcjonuje ich kilka rodzajów, a ponieważ wszystkie działają w oparciu o tą samą zasadę – opisaną powyżej – i są w gruncie rzeczy do siebie podobne, inwestorzy często tracą orientację, gubią się w tej zawiłej z pozoru typologii i nie są w stanie jasno określić, który rodzaj pompy najlepiej będzie odpowiadać ich potrzebom. Z uwagi na ilość modułów pompy, można wyróżnić konstrukcje typu „monoblok” oraz typu „split”. Zaś z uwagi na ich współpracę z innymi instalacjami służącymi do ogrzewania wody użytkowej i pomieszczeń w budynku, można wskazać na modele pozbawione możliwości współpracy z fotowoltaiką bądź kotłami grzewczymi, oraz na modele „hybrydowe” czyli zaprojektowane dokładnie z myślą o współpracy z kotłami i (lub) panelami słonecznymi. Najistotniejszy jest jednak ten pierwszy podział, poczyniony w oparciu o konstrukcję pompy Wymienione jako pierwsze pompy typu monoblok, czyli jak sugeruje nazwa stanowiące jeden moduł, dzielą się na dwa podtypy. Pierwszy to tzw. monoblok wewnętrzny, czyli możliwie najprostsza instalacja, w której pompa jak i zasobnik na wodę zamontowane są wewnątrz domu, a strumienie powietrza zaciąganego i powietrza wyrzucanego po schłodzeniu prowadzone są swoimi kanałami od zewnątrz i na zewnątrz.
Drugi zaś typ pomp monoblokowych to pompy zewnętrzne, czyli w całości montowane np. na wewnętrznym podwórzu przy ścianie domu bądź na ogrodzie, przy czym nie dotyczy to zasobnika na wodę – ten znajduje się wewnątrz budynku, a z modułem głównym połączony jest dwiema rurami. Natomiast pompy powietrzne typu split to właściwie pompy monoblok rozbite na dwa moduły. Polega to na tym, że na zewnątrz przenoszona jest ta część instalacji, która odpowiada za pozyskiwanie energii z otoczenia, zaś wewnątrz budynku umieszczana jest ta, która za zadanie ma przekazywanie pozyskanego z powietrza ciepła do instalacji grzewczej. Obie części łączą rury z czynnikiem chłodniczym.
COP, czyli efektywność energetyczna pomp typu powietrze-woda
Coefficient Of Performance, czyli Współczynnik Wydajności Cieplnej, to stosunek pomiędzy mocą grzewczą powietrznej pompy, a poborem mocy generowanym przez elektryczne podzespoły jakimi są sprężarka i wentylatory (wentylatory) z naciskiem na sprężarkę. Relację tą należy rozumieć w taki sposób, że jeśli pobierając 1 kWh energii elektrycznej pompa uzyskuje z powietrza 3 kWh energii cieplnej, wówczas współczynnik COP osiąga wartość na poziomie 3. Jak łatwo się domyślić, im niższa temperatura powietrza z którego odbierane jest ciepło, tym niższy poziom COP. Gdy przychodzi do wytłumaczenia współczynnika COP nowym inwestorom, którzy z pompami powietrznymi dopiero zaczynają przygodę, kluczową kwestią staje się zrozumienie faktu dodatniej efektywności takich pomp nie tylko w dodatnich temperaturach, ale również wtedy, gdy termometry pokazują temperaturę ujemną.
Oczywiście, tak jak zostało to wspomniane: wraz ze spadkiem temperatury współczynnik COP pompy też spada, lecz nawet przy temperaturach ujemnych w powietrzu zawsze jest minimalna energia cieplna, co oznacza, że gdy na dworze panuje zima i temperatura osiąga np. -15ºC, pompa wciąż uzyskuje niewielki dodatni bilans, gdyż z każdej jednej kWh energii włożonej w produkcję ciepła inwestor uzyskuje nieco powyżej jednej kWh energii finalnej, co jest niczym innym jak oczekiwanym dodatnim bilansem. Z powyższego wynika pierwszy kluczowy czynnik wpływający na efektywność powietrznych pomp ciepła: temperatura powietrza, czyli dolnego źródła. Jednak warto pamiętać o drugim istotnym czynniku, czyli temperaturze górnego źródła (w systemie ogrzewania obiektu). Efektywność pomp powietrznych jest tym wyższa, im bardziej niskotemperaturowy jest system ogrzewania budynku. Finalnie na COP – z punktu widzenia czysto technicznych aspektów konstrukcji samej pompy – wpływa również powierzchnia odbioru ciepła i efektywność sprężarki (technologia inwerterowa) – ich wpływ na efektywność energetyczną pomp nie może być pominięty, podobnie jak wpływ elektroniki i sterowników. Odczuwalne jest to szczególnie w układach hybrydowych, kiedy to pompa współpracuje z innymi źródłami ciepła (kocioł grzewczy, fotowoltaika, inne pompy, grzałki itp.). Nowoczesne sterowniki wyposażone w swego rodzaju „inteligencję” analizują zapotrzebowanie budynku na ciepło w danym momencie, zestawiając je z warunkami temperaturowymi na zewnątrz i wewnątrz budynku.
Działając w oparciu o odpowiednie algorytmy oraz o wprogramowane dane o taryfach, cenach i kosztach zużycia różnych paliw (gaz zasilający kocioł), sterowniki takie dbają o jak najlepszą ekonomikę systemu i konfigurują poszczególne źródła ciepła w taki sposób, by wyznaczyć właściwą temperaturę przy jak najmniejszym zużyciu energii. Per saldo wpływa to pozytywnie na osiągi powietrznej pompy i na jej COP. Na koniec trzeba wrócić do terminu, który już się w niniejszym omówieniu pojawił – do technologii inwerterowej. Jej działanie można przyrównać do pracy elektronarzędziami z płynną regulacją obrotów i mocy, gdyż umożliwia ona pracę pompy ze zmienną mocą, na przykład w zakresie 20-100%, co pozwala na dostosowywanie pracy instalacji do aktualnego zapotrzebowania obiektu na ciepło. Przekłada się to finalnie na osiąganie pożądanych temperatur w optymalniejszym czasie oraz na zmniejszanie zużycia energii elektrycznej bez zmniejszania sprawności instalacji. Uważny czytelnik zadaje sobie pewnie teraz pytanie, dlaczego wszystkie powyższe aspekty technologiczne są omawiane w kontekście pracy pomp powietrznych w trybie chłodzenia. Otóż ma to swoje uzasadnienie: wysoki poziom efektywności pompy w trybie ogrzewania przekłada się również na jej wyższą efektywność, gdy pracuje w trybie chłodzenia.
Chłodzenie pomieszczeń powietrznymi pompami ciepła
Zanim omówione zostaną metody przy użyciu których powietrzne pompy ciepła można „przestawić” w okresie letnim w tryb chłodzenia, należy uświadomić sobie, że w świecie pomp służących do ogrzewania pomieszczeń lub (i) wody użytkowej rozróżnia się dwa sposoby chłodzenia – chłodzenie aktywne oraz pasywne. W przypadku powietrznych pomp ciepła chłodzenie pasywne nie wchodzi w grę (w przeciwieństwie do pomp gruntowych), dlatego w dalszym ciągu omówienia analizowane będzie tylko chłodzenie aktywne. Jak już to zostało opisane w pierwszym rozdziale, podczas normalnej pracy pompy (czyli w trybie ogrzewania) czynnik chłodniczy krążący w zamkniętym układzie ma temperaturę niższą od otoczenia, jakim jest powietrze na zewnątrz budynku. Czynnik ten odbiera z niego ciepło i finalnie oddaje tą energię w skraplaczu, zaś pozyskana energia – po drodze znacznie zwiększona – zostaje wykorzystana do zasilenia instalacji grzewczej budynku, którą stanowi najczęściej ogrzewanie podłogowe. Siłą sprawczą w tych procesach jest energia elektryczna, pobierana przez sprężarkę, której ilość jest kilkukrotnie mniejsza od energii cieplnej oddanej do budynku (bilans dodatni). Gdy uświadomimy sobie, że kolejność tych procesów można odwrócić, że skraplacz może stać się parownikiem, a parownik skraplaczem, wówczas zrozumiemy, że ten prosty trik umożliwia efektywne odbieranie energii cieplnej z wnętrza budynku i przekazywanie jej do otoczenia zewnętrznego.
Tak właśnie wygląda najpowszechniej stosowana droga do chłodzenia pomieszczeń przy wykorzystaniu pompy służącej przecież z defi nicji do ogrzewania. Niestety tak prowadzony proces chłodzenia jest mniej efektywny energetycznie od procesu ogrzewania, ponieważ pompy ciepła w odwróconym trybie pracy osiągają niższe moce, niż w trybie ogrzewania, co jednak nie przeszkadza w zapewnieniu skutecznego chłodzenia w budynku. W efekcie możliwość pracy zarówno w trybie ogrzewania jak i chłodzenia to atrybut coraz większej liczby pomp typu powietrze-woda dostępnych na rynku – jest to zauważalny trend, który wielu inwestorom pozwoli oszczędzić środki przeznaczane na instalację klimatyzacyjną. Decydując się na powietrzną pompę ciepła z opcją odwróconej pracy i z myślą o jej wykorzystaniu do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim, należy rozważyć jednak kwestię wyboru odbiorników ciepła. Jak wiadomo chłodzenie jest tu realizowane za pomocą tej samej instalacji co ogrzewanie, czyli w przypadku powietrznych pomp ciepła najczęściej za pomocą systemu podłogowego. Ten fakt niesie ze sobą ryzyko wykroplenia wilgoci, gdy zbyt mocno zostanie obniżona temperatura podłogi. Dlatego najlepszym wyjściem jest wyposażenie układu regulującego w czujniki pomiaru wilgotności powietrza i kontroli punktu rosy, co zapewnia wiele dostępnych i dedykowanych sterowników. Jest jeszcze jeden, nieco mniej efektywny sposób wykorzystania powietrznych pomp ciepła do chłodzenia pomieszczeń, jednak czasem sprawdzający się całkiem nieźle i gwarantujący satysfakcję użytkowników. Jest to chłodzenie realizowane w trakcie normalnej pracy pompy, czyli w trybie grzania i dotyczy pomp służących tylko do podgrzewania CWU. Pompy takie posiadają kanały do pobierania ciepłego powietrza z zewnątrz i wyrzucania już schłodzonego, czyli takiego, które oddało energię cieplną do systemu i jest de facto powietrzem zużytym. Właśnie ten strumień powietrza – tradycyjnie wyprowadzany na zewnątrz – można skierować do wnętrza budynku i chłodzić nim pomieszczenia w zastępstwie systemu klimatyzacji, lub uzupełniając jego działanie.
Podsumowanie
Pompy typu powietrze-woda pełnią dziś podwójną rolę i są w stanie zarówno ogrzewać pomieszczenia w budynku jak i schładzać je, przejmując tu w części zadania stawiane przed układami klimatyzacji. Ich świetne działanie w obu trybach pracy nie byłoby osiągnięte bez zastosowania układów automatyki, którymi zarządzają sterowniki. Inteligentna automatyka steruje pracą pompy zarówno pracującej samodzielnie, jak i sprzęgniętej z kotłem czy instalacją solarną, wykorzystując m.in. osprzęt w postaci osuszaczy powietrza, czy czujników temperatury i punktu rosy, dbając o optymalne parametry i racjonalne zarządzanie energią. Dodając do tego dwustronną komunikację z poziomu naściennych modułów czy urządzeń mobilnych, oraz możliwości programowania cykli, osiągamy wysoki poziom komfortu i wygody – a o to przecież w tym wszystkim chodzi.
Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych przez:
De Dietrich Technika Grzewcza Sp. z o.o.,
Vaillant Saunier Duval Sp. z o.o.,
Panasonic Heating & Cooling,
Viessmann Sp. z o.o., Nibe Biawar Sp. z o.o.,
Atlantic Polska oraz Robert Bosch Sp. z o.o. i Stiebel Eltron
Dodaj komentarz