2.1. Specyfika stosowania pomp ciepła w budownictwie

Pompy ciepła są urządzeniami, które działają na podobnej zasadzie jak inne sprzęty domowe, np. lodówka. W przeciwieństwie do nich przetwarzają jednak energię, która pochodzi ze źródeł odnawialnych i będącą zgromadzoną w:

• powietrzu;
• gruncie;
• wodzie.

Energia ta jest przetwarzana na ciepło użytkowe, które jest przeznaczone do ogrzewania:

• budynków;
• ciepłej wody;
• chłodzenia pomieszczeń.

Należy przy tym zaznaczyć, że w przypadku:

• wody;
• powietrza;
• poziomych gruntowych wymienników ciepła.

Źródłem energii jest energia promieniowania słonecznego, która jest zakumulowana w formie ciepła. Inaczej sytuacja się przedstawia w przypadku pionowych, gruntowych wymienników ciepła, kiedy łączy się wykorzystanie magazynowej energii cieplnej oraz geotermalnej. Oprócz powyższych spostrzeżeń, warto zauważyć, że pompy ciepła wykorzystują odnawialne źródła energii, a także przyczyniają się do zwiększenia efektywności energetycznej instalacji grzewczych.

Na rysunku 10 przedstawiono ogólną charakterystykę pracy gruntowej pompy ciepła.

Rysunek 10. Gruntowe pompy ciepła.

Źródło: Gruntowe pompy ciepła, http://www.gospodarzzenergia.pl/gruntowe-pompy-ciepla, data odczytu: 29.09.2016 r.

Należy zauważyć, że pompy ciepła są urządzeniami, które wykorzystują ciepło niskotemperaturowe bądź odpadowe. Jak wyżej zaznaczono ich działanie polega na pobieraniu ciepła z wody, powietrza bądź gruntu, po czym jest ono przekazywane o podwyższonej temperaturze do ogrzewania centralnego. Na rysunku 11 przedstawiono zasadę działania pompy ciepła.

Rysunek 11. Zasada działania pompy ciepła.

Źródło: Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Kraków 2010, s. 94

Na główne elementy tworzące pompę ciepła składają się:

• parownik, który odpowiada za pobierania ciepła z dolnego źródła;
• sprężarka;
• zawór rozprężny;
• skraplacz, który odpowiada za oddawanie ciepła do instalacji grzewczej.

2.2. Stosowanie pomp ciepła w budownictwie

Przedstawienie problemu stosowania pomp ciepła warto zacząć od zarysowana ich ogólnego podziału. W pierwszej kolejności należy wskazać na rodzaje dolnych źródeł ciepła, które różnicują metody pozyskiwania ciepła ze środowiska naturalnego. Wyróżnia się w tym kontekście następujące rodzaje pomp ciepła:

• powietrze/woda (P/W);
• woda/woda (W/W);
• solanka/woda (S/W);
• bezpośrednie parowanie/woda (BP/W).

Na rysunku 12 zobrazowano schemat obiegu czynnika w pompie ciepła typu powietrze/woda.

Rysunek 12. Schemat obiegów w pompie ciepła typu powietrze/woda (P/W).

Źródło: E. Różycka, Analiza …, op.cit., s. 1359

Na rysunku 13 przedstawiono schemat obiegu czynnika w pompie ciepła typu solanka/woda.

Pierwsza część nazwy (powietrze, woda, solanka, bezpośrednie parowanie) dotyczy metody, jaką jest pozyskiwane ciepło z dolnego źródła. W przypadku powietrza oraz wody energia jest pobierana bezpośrednio ze środowiska naturalnego i jest doprowadzana w sposób bezpośredni do parownika pompy ciepła. Terminem „solanka” określa się zamarzający roztwór glikolu propylenowego z wodą przepływający przez kolektor gruntowy. Do bezpośredniego parowania dochodzi wówczas, gdy kolektor gruntowy jest parownikiem.

Rysunek 13. Schemat obiegów w pompie ciepła typu solanka/woda (S/W).

Źródło: Różycka E., Analiza …, op.cit., s. 1360

Schemat obiegu czynnika w pompie ciepła typu woda/woda w układzie otwartym został zaprezentowany na rysunku 14. Na rysunku 15 przedstawiono schemat obiegu czynnika w pompie ciepła typu bezpośrednie parowanie/woda.

Druga część nazwy (woda, woda, woda, woda) jest związana z rodzajem czynnika roboczego w górnym źródle ciepła. Warto zauważyć, że niezależnie do czego jest wykorzystywana pompa cieplna, najczęściej wykorzystywanym czynnikiem roboczym górnego źródła ciepła jest woda grzewcza. Poniższe zdjęcie przedstawia przykładową gruntową pompę ciepła typu solanka/woda.

Rysunek 14. Schemat obiegów w pompie ciepła typu woda/woda (W/W) w układzie otwartym.

Rysunek 14. Schemat obiegów w pompie ciepła typu woda/woda (W/W).

Źródło: Różycka E., Analiza …, op.cit., s. 1359

Na rysunku 16 zaprezentowano budowę gruntowej pompy ciepła typu solanka/woda z wbudowanym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej.

Rysunek 15. Schemat obiegów w pompie ciepła typu bezpośrednie parowanie/woda (BP/W).

Źródło: Różycka E., Analiza …, op.cit., s. 1360

Rysunek 16. Gruntowa pompa ciepła typu solanka/woda z wbudowanym zbiornikiem ciepłej wody użytkowej.

Źródło: Laskowski P., Rodzaje pomp ciepła i zasada ich działania: woda, powietrze czy grunt, http://muratordom.pl/instalacje/kolektory-pompy-ciepla/zasada-dzialania-pompy-ciepla-powietrze-woda-grunt,30_3744.html, data odczytu: 29.09.2016 r.

Poza wyżej wymienionymi istnieje jeszcze inny podział rodzajów pomp ciepła. Zostały one przedstawione w tabeli 13.

Tabela 13. Podział pomp ciepła.

Źródło: Różycka E., Analiza opłacalności zastosowania niekonwencjonalnych źródeł energii w projektowanym budynku jednorodzinnym. Kolektory słoneczne, pompy ciepła, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set of Envronment Protection) nr 11, rok 2009, s. 1358

Warto zauważyć, że stosunek energii wykorzystywanej do tej, która jest odprowadzana wykazuje tym wyższy współczynnik, im niższa jest różnica temperatur między górnym źródłem ciepła a dolnym źródłem ciepła. Podkreślić przy tym trzeba, że tego rodzaju systemy grzewcze mogą być projektowane w charakterze ogrzewania:

• podłogowego;
• sufitowego;
• ściennego.

Na rysunku 17 zobrazowano możliwości wykorzystania pomp cieplnych w budownictwie jednorodzinnym.

Rysunek 17. Instalacja grzewcza z pompą ciepła.

1) pompa ciepła, 2) ogrzewania/chłodzenie podłogowe, 3) ogrzewanie/chłodzenie sufitowe, 4) ogrzewanie chłodzenie za pomocą klimakonwektorów, 5) ogrzewanie urządzeń pomocniczych (na przykład suszarek), 6) przygotowanie ciepłej wody, 7) pokrywanie potrzeb zewnętrznych (na przykład podgrzewanie basenu); punkty A-E oznaczają następujące źródła ciepła niskotemperaturowego: A) zewnętrzne, wentylacyjne, B) wymiennik lub bezpośredni pobór z głębokości co najmniej 2 m, c) sondy gruntowe pionowe, D) woda studzienna, E) kolektor gruntowy poziomy

Źródło: Rubik M., Pompy ciepła w systemach wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) na potrzeby sektora budownictwa energooszczędnego, [w:] K. Pieńkowski (red.), Propozycje wdrożeń Odnawialnych Źródeł Energii na obszarze Polski, Fundacja Innowacyjnej Gospodarki, Białystok 2012, s. 97