Ciepło to jedna z podstawowych potrzeb człowieka. Choć prawda ta jest banalna, warto ją powtarzać i przypominać, szczególnie w kontekście budownictwa jednorodzinnego. Źle ogrzany budynek nie będzie komfortowym miejscem do życia, a tym samym – nie zaspokoi właściwie naszych potrzeb mieszkaniowych i, co może nawet istotniejsze, skutecznie utrudni realizację marzeń związanych z własnym domem.
Obecnie można spotkać się z kilkoma podstawowymi systemami ogrzewania budynków. Do najpopularniejszych należą te, które wykorzystują kocioł opalany gazem, olejem opałowym lub węglem. Współcześnie konstrukcje tego typu urządzeń są już bliskie doskonałości – wykorzystują prawie całą energię chemiczną zawartą w paliwie Nie należy zatem oczekiwać, że powstaną kotły, których eksploatacja będzie dużo ekonomiczniejsza niż w tej chwili. Dalsza obniżka kosztów ogrzewania jest możliwa tylko przy zastosowaniu innych źródeł ciepła. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że gdyby spojrzeć na historię inflacji poszczególnych produktów i usług na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat, towarem, który odnotował najwyższy wzrost ceny spośród wszystkich innych jest właśnie ciepło! Od lat doskonale znane są urządzenia grzewcze wykorzystujące odnawialne źródła energii. Obecnie w zasięgu możliwości finansowych przeciętnego inwestora znajdują się urządzenia korzystające z energii słonecznej – zarówno w postaci bezpośredniego promieniowania, jak i energii zgromadzonej w gruncie, wodzie, a nawet powietrzu. Za ekologiczny sposób pozyskiwania ciepła jest też uznawane spalanie biomasy, czyli m.in. roślin (w tym drewna). Warto zastanowić się, jakie możliwości oferuje nam współczesna technika. Skupimy się jedynie na urządzeniach powszechnie dostępnych, sprawdzonych, które mogą być dostarczane i serwisowane praktycznie przez każdego instalatora i na które może sobie pozwolić przeciętny budujący.
Pompy ciepła
Pompy ciepła to jedne z najnowocześniejszych urządzeń grzewczych. Do ogrzewania domów wykorzystują ciepło gruntu, wody lub powietrza, za które nie trzeba płacić. Pompa ciepła umożliwia wykorzystanie do ogrzewania darmowej energii czerpanej ze środowiska – z gruntu, wody lub powietrza. Przekazywanie ciepła z zimnego otoczenia do instalacji grzewczej, w której temperatura jest wyższa (czyli z dolnego do górnego źródła ciepła), jest możliwe dzięki doprowadzeniu do pompy energii napędowej. W powszechnie stosowanych sprężarkowych pompach ciepła jest to energia elektryczna napędzająca sprężarkę. Sama pompa nie wytwarza ciepła (jeśli nie liczyć jego niewielkiej ilości podczas pracy sprężarki). Zwiększenie temperatury płynu pośredniczącego w wymianie ciepła, nazywanego czynnikiem roboczym, następuje w wyniku przemian termodynamicznych zachodzących w pompie zgodnie z zasadą tzw. parowego obiegu Lindego – tą samą, na której opiera się działanie popularnych chłodziarek i klimatyzatorów. Urządzenie wykorzystuje zjawisko pobierania ciepła w niskiej temperaturze podczas odparowywania płynu, a następnie, po sprężeniu pary, skraplania z oddawaniem ciepła. Typowa sprężarkowa pompa ciepła składa się przede wszystkim z dwóch wymienników ciepła – parownika i skraplacza – oraz ze sprężarki i zaworu rozprężnego. Wszystkie te elementy połączone są rurami, w których krąży czynnik roboczy.
Typy pomp ciepła
Pompy ciepła najczęściej stosowane do ogrzewania domów – w zależności od sposobu pozyskiwania ciepła i przekazywania go do pomieszczeń – można sklasyfikować na urządzenia typu:
• solanka/woda – odbierają ciepło z gruntu za pomocą wymiennika gruntowego, w którym krąży trudno zamarzający roztwór glikolu (nazywany solanką), pośredniczący w wymianie ciepła między gruntem a czynnikiem roboczym pompy; ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
• bezpośrednie parowanie/woda – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a więc w ułożonych w ziemi rurach krąży czynnik roboczy, który w nich odparowuje; dzięki wyeliminowaniu roztworu glikolu i dodatkowego wymiennika pośredniczącego w wymianie ciepła uzyskuje się większą sprawność systemu; ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
• bezpośrednie parowanie/bezpośrednie skraplanie – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a instalacja grzewcza (wodne ogrzewanie podłogowe) jest skraplaczem; ani w wymienniku gruntowym, ani w instalacji grzewczej nie ma płynu pośredniczącego w wymianie ciepła, dzięki czemu efektywność tej pompy jest największa;
• woda/woda – parownik pompy jest ogrzewany wodą czerpaną ze studni, rzeki lub jeziora; ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
• powietrze/woda – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem; ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
• powietrze/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem; ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń;
• woda/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany wodą; ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń.
Jak działa pompa ciepła?
Jak to możliwe, że pompa dostarcza do instalacji grzewczej ciepłą wodę lub nawiewa do pomieszczeń ciepłe powietrze, jeśli jej źródłem ciepła jest woda, grunt lub powietrze o temperaturze niewiele wyższej od 0oC Aby to zrozumieć, prześledźmy, co dokładnie dzieje się podczas pracy pomp ciepła typu solanka/woda lub woda/ woda. Do parownika pompy dopływa rurami solanka z wymiennika gruntowego albo woda ze studni czerpanej (w przypadku pomp typu woda/woda). Jej temperatura wynosi 5–10oC, bo taką maksymalnie ma zimą grunt na głębokości poniżej 1,5 m lub woda gruntowa. Do działania pompy jest konieczne odparowanie czynnika roboczego krążącego w wewnętrznym obiegu pompy. Musi to być zatem płyn, który odparowuje (wrze) w temperaturze niższej niż 5oC. Na skutek wymiany ciepła z czynnikiem roboczym temperatura solanki z wymiennika gruntowego lub wody ze studni obniża się o 2–3oC. Schłodzona solanka płynie z powrotem do wymiennika gruntowego, woda zostaje odprowadzona do studni zrzutowej. Czynnik roboczy, który odparował dzięki ciepłu odebranemu solance lub wodzie, trafia do sprężarki. Tam w wyniku sprężania (czyli wzrostu ciśnienia) jego temperatura podnosi się do kilkudziesięciu stopni Celsjusza. W tym właśnie miejscu do układu jest dostarczana energia napędowa (energia elektryczna do napędu sprężarki). Temperatura czynnika roboczego wzrasta także na skutek tego, że część tej energii zamienia się na ciepło w wyniku tarcia między elementami sprężarki. Już w postaci pary czynnik roboczy trafia do drugiego wymiennika – skraplacza. Tam ogrzewa wodę z instalacji grzewczej (maksymalnie do 60oC), a oddając ciepło, skrapla się. Jego temperatura obniża się przy tym o kilka stopni Celsjusza. Już jako ciecz dostaje się do zaworu rozprężnego, w którym zostaje rozprężony, na skutek czego jego temperatura znacznie się obniża. Z zaworu czynnik płynie znowu do parownika i cykl się powtarza.