Pompy ciepła, Pompa ciepła

Typoszereg pomp ciepła typu glikol-woda
Typoszereg pomp ciepła typu woda-woda




Pompy ciepła są to urządzenia mające dwojakie zastosowanie. Mogą służyć jako jednostki wytwarzające ciepło do ogrzewania domów, biur, hal magazynowych oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Można je także stosować jako urządzenia wytwarzające obniżające tempearturę czynnika chłodzącego używanego np. w chłodnicwie, klimatyzacji, przy procesach technologicznych wymagających chłodzenia. Można oczywiście kojarzyć dwie strony wykorzystując jednocześnie stronę zimną i ciepłą pompy ciepła.
Pompy ciepła firmy Hibernatus są skonstruowane na bazie wymienników płytowych i nowoczesnych sprężarek typu scroll. Podstawowy typoszereg pomp obejmuje urządzenia o niewielkich wymiarach i wydajnościach od 6 do 160 kW przeznaczone do ogrzewania domów. Ponadto firma wykonuje pompy ciepła o większych wydajnościach dostosowane do instalacji przemysłowych, przeznaczone do odzysku ciepła odpadowego z procesów technologicznych. Pompy ciepła "Hibernatus" mają wyjątkowo zwartą i kompaktową budowę:



Wymiary pompy o wydajności do 40 kW wynoszą 650 x 600 x 920 mm, a więc są to gabaryty porównywalne do np. pralki automatycznej. Pompa ciepła jest podzielona na dwa segmenty : panel elektryczny znajdujący się w górnej części, oraz moduł właściwy, który stanowi jednocześnie element konstrukcyjny i wykonany jest z pianki poliuretanowej z umieszczoną wewnątrz armaturą, sprężarką oraz wymiennikami ciepła. Obudowa zewnętrzna wykonana jest z blachy stalowej lakierowanej proszkowo. Pompy są wposażone w sterownik komputerowy kontrolujący pracę pompy oraz urządzeń pomocniczych (pompy obiegowe, zawory elektromagnetyczne, dodatkowe źródło ciepła). Sterownik umożliwia komunikację dwustronną z komputerem PC poprzez odpowiedni interfejs.
Wszystkie parametry pracy mogą być kontrolowane przez komputer lub przesyłane do sterownika poprzez modem telefoniczny. Sterownik, dzięki wbudowanemu algorytmowi pogodowemu, obniża energochłonność urządzenia. Pompa automatycznie dostosowuje temperaturę wody zasilającej grzejniki w zależności od temperatury zewnętrznej. Pracą pompy sterują wysokosprawne i niezawodne elementy automatyki elektrycznej austriackiej firmy Schrack. Pompa jest urządzeniem cichym i nie powodującym drgań. Zastosowane do jej konstrukcji nowoczesne materiały oraz doświadczenie firmy gwarantują długą i bezawaryjną eksploatację pompy ciepła. Znakomitym miejscem gdzie można zastosować pompę ciepła jest szeroko pojęty przemysł. Odbiór nadmiaru ciepła w tym przypadku nie musi być realizowany za pomocą tradycyjnych urządzeń chłodniczych, gdzie odebrane ciepło jest bezpowrotnie tracone. Zastosowanie w takich układach pompy ciepła pozwala w dowolny sposób wykorzystać darmową energię. Ciekawym przykładem przemysłowego wykorzystania pompy ciepła jest mleczarstwo, gdzie z jednej strony konieczne jest schładzanie mleka a z drugiej dostarczanie ciepła do innych procesów oraz ogrzewanie budynków i wody użytkowej. Stosowanie pomp ciepła jest obecnie w pełni uzasadnione ekonomicznie.

Eksploatacja instalacji grzewczej opartej na pompie ciepła jest zdecydowanie najtańsza. Koszt eksploatacji ogrzewania opartego na tradycyjnych nośnikach energii takich jak węgiel, gaz ziemny, olej opałowy czy prąd elektryczny jest dużo wyższy niż w przypadku systemu z pompą ciepła. Pompa ciepła jako urządzenie napędzane enrgią elektryczną może, w celu obniżenia kosztów eksploatcji, pracować na tzw. nocnej taryfie. Należy dążyć do zmaksymalizowania czasu pracy pompy w nocy i zminimalizowania czasu pracy w dzień. Dobór pompy ciepła powinien być poprzedzony obliczeniami cieplnymi obiektu. W obliczeniach tych ujmuje się zyski ciepła jawnego i utajonego, infiltrację powietrza i wentylację. Istotne jest także położenie geograficzne, wietrzność, nasłonecznienie i inne specyficzne elementy istotne dla ogrzewania lub klimatyzacji obiektu. Jeśli którykolwiek z czynników nie zostanie uwzględniony to bilans cieplny nie będzie zgodny z rzeczywistością. Może to spowodować poważną różnicę pomiędzy rzeczywistym a wyliczonym zapotrzebowaniem mocy. Konsekwencją tego będzie dobór pompy ciepła o nieodpowiedniej mocy. Pragniemy zwrócić uwagę na to, że nie musimy decydować się na dobór pompy ciepła na moc grzewczą szczytową obiektu. Powinno się rozważyć także wersję doboru pompy ciepła na moc średnią w układzie biwalentnym lub pracę pompy ciepła z dolnymi źródłami alternatywnymi. Obniża to w znacznym stopniu koszty inwestycyjne całej instalacji z pompą ciepła. Zapotrzebowanie na moc szczytową występuje przez krótki czas (2-3 tygodnie w roku). Można więc zainstalować pompę ciepła pokrywającą np. 70% zapotrzebowaniamocy, a pozostałe 30% zabezpieczyć innym, tanim źródłem ciepła np. grzałkami elektrycznymi, piecem gazowym, itp. Sterownik komputerowy pompy ciepła w razie potrzeby sam uruchomi dodatkowe źródło ciepła na odpowiedni czas. Ponadto aby zastosować pompę ciepła pokrywającą zapotrzebowanie na moc szczytową musimy dysponować dolnym źródłem ciepła o wydajności zapewniającej osiągnięcie tej mocy. Wydajność tego źródła może być nieraz ograniczona wielkością terenu, brakiem wód podziemnych, barkiem innych możliwości pozyskiwania energii. W takim przypadku najczęściej stosowanym i sprawdzonym rozwiązaniem są układy biwalentne. Pozwalają one na zinstalowanie pompy ciepła o mocy mniejszej od rzeczywistych potrzeb energetycznych, dla której dostępne dolne źródło ciepła będzie już wystarczające. Koszt eksploatacji systemu grzewczego zależy także od jakości górnego źródła (np. centralnego ogrzewania). Grzejniki współpracujące z pompą ciepła muszą mieć dobre parametry wydajnościowe przy niskich temperaturach zasilania (do 55 °C). W przypadkach starych instalacji CO może się to wiązać z wymianą całej instalacji zdawania ciepła lub jej częściową modernizacją. Dzięki unikalnej konstrukcji trzymiedialne pompy ciepła "Hibernatus" mają dwa obiegi górnego źródła. Obieg podstawowy, o temperaturze do 60 °C, wykorzystywany jako ciepła woda na grzejniki CO, oraz obieg wysokotemperaturowy pozwalający na uzyskanie temperatury do 90 °C. Wodę o tak wysokiej temperaturze możemy użyć np. do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Pompy ciepła produkowane są wg najnowszych technologii przez wysoko wykwalifikowanych pracowników. Każda pompa przed opuszczeniem zakładu jest przez co najmniej 48 godzin testowana na specjalnym stanowisku, gdzie sprawdzana jest jej prawidłowość działania. Hibernatus posiada także nowoczesne stanowisko testowania pomp ciepła, na którym szczegółowo badane są wszystkie nowe pompy ciepła, wyznaczane ich charakterystyki cieplne i określane sprawności. Nowoczesne stanowisko jest w pełni zautomatyzowane i kontrolowane przez komputer. Pompy ciepła są urządzeniami przyjaznymi dla środowiska. Jako urządzenia elektryczne nie emitują żadnych zanieczyszczeń. Niska energochłonność urządzenia powoduje, że całkowity równoważnik efektu cieplarnianego jest niższy od prawie wszystkich innych systemów grzewczych. Szczegółowo aspekt ekologiczny jest opisany w punkcie: "Ekologia a pompy ciepła".



Zasada działania Pompy ciepła są urządzeniami umożliwiającymi transformację energii cieplnej ze źródła niskotemperaturowego, określanego jako tzw dolne źródło ciepła, na wyższy poziom energetyczny określany pojęciem górnego źródła ciepła. Pompa ciepła pozwala więc przekazywać ciepło ze źródła dolnego o niskiej temperaturze (np. ok. 0 °C) do źródła górnego o temperaturze w okolicach +60 °C.
Transport energii cieplnej odbywa się kosztem doprowadzonej do pompy ciepła energii elektrycznej. Ponieważ przepływ ciepła pomiędzy dwoma ciałami zależy od różnicy temperatur pomiędzy tymi ciałami, teoretycznie energię cieplną można odbierać ze źródła o dowolnej temperaturze (także ujemnej). W praktyce pompy ciepłasą ekonomicznie uzasadnione w przypadku jeżeli pracują z dolnym źródłem o temperaturze nie niższej niż -5 °C.

Przepływ energii w pompie ciepła możemy w sposób uproszczony przedstawić na wykresie pasmowym (bilans cieplny pompy ciepła). Energia cieplna Q_D odebrana ze źródła dolnego jest transpotrowana przy pomocy wykonanej pracy L do źródła górnego Q_G. Jak widać Q_G = Q_D + L . W nazewnictwie praktycznym L jest energią elektryczną doprowadzoną do pompy ciepła, Q_D to moc chłodnicza pompy ciepła, Q_G jest to moc grzewcza pompy ciepła. W układach z pompą ciepła możliwe jest wykorzystanie zarówno strony ciepłej (górne źródło) jak i strony zimnej (dolne źródło). Stronę ciepłą wykorzystuje się np. do celów grzewczych, stronę zimną można wykorzystać w przypadku zapotrzebowania na chłód a więc np. w klimatyzacji lub chłodnictwie. W zależności od sposobu wykorzystania pompy ciepła należy dobierać ją ze względu na zapotrzebowanie na moc grzewczą lub moc chłodniczą. Efektywność pompy ciepła E jest stosunkiem energii odebranej z pompy ciepła do energii włożonej w napęd pompy ciepła.



Górne źródło ciepła jest najczęściej wykorzystywane jako źródło ciepłej wody do instalacji centralnego ogrzewania, klimatyzacji i ciepłej wody. W instalacjach przemysłowych jest również wykorzystywane do procesów technologicznych wymagających ciepłej wody. W przypadku pomp ciepła temperatura medium górnego źródła nie przekracza 60 °C. Pompy ciepła "Hibernatus" mają tą niespotykaną cechę, że mogą dostarczać wodę o temperaturze nawet 90°C.



Dolne źródło ciepła jest jednym z najbardziej istotnych elementów systemu. Rodzaj dolnego źródła jest uzależniony od sposobu wykorzystania pompy ciepła oraz warunków instalacji pompy. W przypadku jeżeli pompa jest wykorzystywana jako urządzenie chłodnicze, dolnym źródłem jest np. chłodnia, woda chłodząca z wtryskarek, woda lodowa, itp. Jeżeli pompa ciepła jest wykorzystywana wyłącznie jako urządzenie grzewcze (ogrzewanie domu, ciepłej wody, itd), musimy wykonać dolne źródło z którego jest możliwy skuteczny odbiór energii cieplnej. Dolne źródło powinno się charakteryzować przede wszystkim niezmiennością temperatury w ciągu roku. W praktyce wykonuje się następujące rodzaje dolnych źródeł:

poziomy gruntowy wymiennik ciepła - jest to najczęściej spotykane rozwiązanie dolnego źródła. Są to najczęściej polietylenowe rury o średnicy 63 mm o grubości 2,5-3 mm położone poniżej głębokości przemarzania gruntu (ok. 1,5 m). Ilość rur i ich długość jest uzależniona od mocy chłodniczej pompy ciepła. Wewnątrz rur pompowana jest ciecz niezamarzająca o temperaturze niższej od temperatury gruntu, która odbiera ciepło z gruntu. Zaletą tego typu wymiennika jest łatwość jego wykonania i względnie niski koszt. Wadą jest konieczność dysponowania dość dużą powierzchnią gruntu w którym ma być umieszczony wymiennik oraz podatność na zmiany temperatury zewnętrznej, co przy dłuższym okresie niskich temperatur powietrza może spowodować spadek efektywności pompy ciepła.

pionowy gruntowy wymiennik ciepła - jest podobny do wymiennika poziomego. Rury w tym przypadku są umieszczone pionowo w gruncie na głębokość 100 m o średnicy 40 mm. Rury są wpuszczane do gruntu bardzo szybko metodą płuczki. Podobnie jak w przypadku wymiennika poziomego łączna długość rur jest proporcjonalna do mocy chłodniczej pompy ciepła. Zaletą tego wymiennika jest mała podatność na zmiany temperatury zewnętrznej, mała powierzchnia gruntu potrzebna do wykonania wymiennika oraz dwukrotnie lepsza skuteczność wymiennika niż wymiennika poziomego. Wadą jest stosunkowo wysoki koszt wykonania wymiennika. Podobnie jak w wymienniku poziomym wewnątrz rur przepływa w obiegu zamkniętym ciecz niezamarzająca.

ujęcie wody systemem dwóch studni - Woda pobierana ze studni pompowana jest do pompy ciepła gdzie następuje odbiór ciepła (schłodzenie wody). Schłodzona woda odprowadzana jest do drugiej studni. Studnia powinna się charakteryzować odpowiednim wydatkiem wody. W celu sprawdzenia studni należy wykonać odpowiednie próby pompowania. Potrzebny wydatek wody jest zależny od mocy chlodniczej pompy ciepła i można go w przybliżeniu wyznaczyć z zależności:



powietrze - jest również wykorzystywane jako dolne źródło dla pomp ciepła. Najlepsze efekty uzyskuje się przy wykorzystaniu powietrza o stałej temperaturze np. z wentylacji. Powietrze zewnętrzne nie jest źródłem koherentnym - jego zmiany temperatury są zbyt duże. Pompa ciepła pracuje efektywnie przy temperaturach powietrza do -5 °C. Jest to zdecydowanie jedno z najtańszych źródeł dolnych, ale ma ono niską sprawność w polskich warunkach klimatycznych. "Hibernatus" wykorzystuje powietrze jako dolne źródło (dwie chłodnice glikolowe HCB G130/1e3E) oraz pompę ciepła W14G0 do ogrzewania hali produkcyjnej.

ścieki - są bardzo dobrym dolnym źródłem o wysokiej temperaturze. Odbiór ciepła realizuje się tutaj pośrednio przez umieszczenie w kolektorze ściekowym rur w których płynie ciecz odbierająca ciepło. Rury można umieścić także w zbiorniku fekaliów, szambie, itp.



Pompa ciepła "Hibernatus" składa się z umieszczonej na podstawie sprężarki (1), dwóch lub więcej wymienników płytowych (3), armatury chłodniczej (2) na którą składają się m.in. termostatyczny zawór rozprężny, zawory zwrotne, elektrozawór, wziernik cieczy oraz zawory serwisowe. Obudowa pompy (4) jest wykonana z blachy lakierowanej. W jej górnej części znajduje się panel elektryczny (5) sterujący i kontrolujący pracę pompy ciepła oraz urządzeń pomocniczych takich jak pompy obiegowe, zawory elektromagnetyczne, i inne. Wszystkie elementy poniżej panelu elektrycznego są zalane pianką poliuretanową (6) usztywniającą oraz wygłuszającą konstrukcję.





Pompa ciepła przekazuje energię cieplną ze źródła dolnego do górnego za pomocą czynnika roboczego. W przypadku pomp ciepła "Hibernatus" czynnikem roboczym jest freon R-407C. Sprężony przez sprężarkę freon trafia na skraplacz płytowy. W skraplaczu freon skrapla się przekazując jednocześnie ciepło do źródła górnego (najczęściej woda). Skroplony R22 trafia na zawór rozprężny gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. Zawór rozprężny jest umieszczony bezpośrednio przed parownikiem. W parowniku freon odparowuje odbierając ciepło z dolnego źródła (woda, glikol). Freon w postaci gazowe trafia ponownie na sprężarkę. Transport energii cieplne odbywa się wg. uproszczonego wykresu pasmowego znajdującego się na początku niniejszego opracowania. Pompa posiada odpowiednie zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem lub spadkiem ciśnienia czynnika roboczego. Układ elektryczny jest zabezpieczony przed nadmiernym przciążeniem.










Górne źródło ciepła jest najczęściej wykorzystywane jako źródło ciepłej wody do instalacji centralnego ogrzewania, klimatyzacji i ciepłej wody. W instalacjach przemysłowych jest również wykorzystywane do procesów technologicznych wymagających ciepłej wody. W przypadku pomp ciepła temperatura medium górnego źródła nie przekracza 60 °C. Pompy ciepła "Hibernatus" mają tą niespotykaną cechę, że mogą dostarczać wodę o temperaturze nawet 90°C.