Odwrócona Lodówka Carnota: Zasada Działania i Zastosowanie
- Szczegóły
Pompy ciepła to innowacyjne urządzenia, które zdobywają coraz większą popularność dzięki swojej efektywności i ekologiczności. To prostsze niż myślisz! Zasada działania pompy ciepła jest zaskakująco prosta i - co ciekawe - zbliżona do działania lodówki, jednak odwrócona.
Zasada Działania Pompy Ciepła
W uproszczeniu przypomina to odwrócenie zasady działania lodówki. Lodówka pobiera ciepło ze swego wnętrza i usuwa je na zewnątrz. Pompy ciepła działają na zasadzie transferu ciepła od wewnątrz na zewnątrz urządzenia.
Proces ten jest możliwy dzięki zastosowaniu cyklu chłodniczego, który obejmuje parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie czynnika wewnętrznego. Pompa ciepła korzysta z tej samej zasady, lecz w odmiennym kierunku. Jej działanie polega na pobieraniu energii cieplnej z zewnątrz budynku (z powietrza, ziemi czy wody) i przenoszeniu jej do wnętrza, aby zapewnić ogrzewanie pomieszczeń.
Kluczowym aspektem działania pomp ciepła jest ich zdolność do wykorzystywania energii cieplnej, nawet w ekstremalnie niskich temperaturach otoczenia.
Pompy ciepła, mimo swojej zaawansowanej technologii, działają na zasadzie prostego czterostopniowego procesu znanego jako cykl Carnota, który umożliwia efektywny transfer ciepła z otoczenia do wnętrza budynku:
Przeczytaj także: Sterowniki i usterki ASUS K52J
- Na samym początku procesu, czynnik chłodniczy znajduje się w wymienniku ciepła, gdzie absorbuje energię cieplną z zewnętrznego źródła - powietrza, ziemi lub wody. W wyniku tego absorpcji, czynnik paruje, przekształcając się ze stanu ciekłego w gazowy.
- Następnie gazowy czynnik chłodniczy jest zasysany do sprężarki, gdzie pod wpływem zwiększenia ciśnienia jego temperatura znacząco wzrasta. Jest to kluczowy moment w całym procesie, ponieważ właśnie tutaj czynnik osiąga temperaturę, która umożliwia przekazanie energii cieplnej do systemu grzewczego budynku.
- Podniesiona temperatura czynnika chłodniczego, który jest teraz pod wysokim ciśnieniem, pozwala na oddanie ciepła w kolejnym wymienniku ciepła, gdzie ciepło jest przekazywane do systemu grzewczego budynku, np. ogrzewania podłogowego czy kaloryferów. W procesie tym czynnik przechodzi ze stanu gazowego do ciekłego, co jest znane jako skraplanie.
- Na zakończenie cyklu, ciekły czynnik chłodniczy przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie ciśnienie ulega gwałtownemu obniżeniu. Podczas tego procesu temperatura czynnika także spada, co powoduje, że jest on gotowy do ponownego absorbowania ciepła z zewnętrznego źródła energii.
Pompa ciepła jest urządzeniem, które wykorzystuje odwrócony obieg termodynamiczny, opisany już w pierwszej połowie XIX w. przez francuskiego fizyka Nicolasa L. S. Carnota. W instalacji krąży niezamarzający czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze wrzenia i niskim GWP (współczynniku globalnego ocieplenia). Temperatura czynnika chłodniczego musi być niższa niż temperatura powietrza wokół budynku.
Źródła Energii dla Pomp Ciepła
Pompy ciepła korzystają z trzech głównych źródeł energii cieplnej: powietrza, gruntów oraz wody.
- Powietrze: Nawet w ujemnych temperaturach, powietrze zawiera energię cieplną. Podczas pracy pompy ciepła, sprężarka pobiera czynnik chłodniczy, który krąży w systemie. Czynnik ten ma zdolność do wrzenia w niskich temperaturach, co pozwala mu pochłaniać energię cieplną nawet z zimnego otoczenia. Nowoczesne pompy ciepła są projektowane tak, aby utrzymywać wysoką efektywność nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych.
Pompy ciepła możemy podzielić ze względu na źródło ciepła, z którego korzystają na gruntowe, wodne i powietrzne (tzw. dolne źródło ciepła).
Rodzaje Pomp Ciepła
Pompy ciepła są wszechstronnymi urządzeniami, które mogą korzystać z różnych źródeł energii cieplnej. Wybór odpowiedniego systemu zależy od wielu czynników, takich jak warunki geograficzne, lokalny klimat, specyfika budynku oraz indywidualne preferencje użytkowników.
- Powietrzne pompy ciepła czerpią energię cieplną bezpośrednio z powietrza atmosferycznego. Są stosunkowo łatwe w montażu i nie wymagają skomplikowanej infrastruktury. Ich efektywność może się jednak różnić w zależności od panujących warunków pogodowych, z uwagi na wahania temperatury powietrza.
- Gruntowe pompy ciepła wykorzystują stabilność temperatury ziemi, co czyni je wyjątkowo efektywnymi przez cały rok, niezależnie od sezonowych zmian klimatu. Systemy te wymagają instalacji pętli geotermalnych, które mogą być poziome lub pionowe, w zależności od dostępnej przestrzeni oraz warunków geologicznych. Gruntowe pompy ciepła wykorzystują ciepło zgromadzone pod powierzchnią ziemi i wymagają albo kosztownych wierceń, albo dużej powierzchni do ułożenia instalacji kolektora poziomego wokół budynku. Już na głębokości około 1,5 m temperatura jest stała przez cały rok i zbliżona do średniej rocznej temperatury powietrza (w Polsce jest to około 8 stopni Celsjusza, nie licząc gór), a potem rośnie średnio o około 3 stopnie na każde 100 m.
- Wodne pompy ciepła czerpią ciepło z wód powierzchniowych lub gruntowych, takich jak jeziora, rzeki czy studnie. Wymagają dostępu do odpowiedniego źródła wodnego, ale charakteryzują się także wysoką efektywnością energetyczną, ponieważ woda ma zdolność do stabilnego utrzymania temperatury przez cały rok. Ten rodzaj pompa ciepła wykorzystuje ciepło zgromadzone w zbiornikach wodnych (stawy, jeziora) lub w wodach gruntowych. Mało kto dysponuje własnym niezamarzającym do dna zbiornikiem wodnym, natomiast wykorzystanie wód gruntowych wymaga wykonania specjalnych studni do czerpania i zrzucania wykorzystywanej wody oraz kosztownego filtrowania wody.
Zalety Pomp Ciepła
Korzyści z zastosowania tego odwróconego procesu są nieocenione. Pompy ciepła są nie tylko efektywne energetycznie, ale także przyjazne dla środowiska, gdyż ich działanie opiera się na odnawialnych źródłach energii.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Pompy ciepła oferują szereg zalet, które czynią je atrakcyjnym wyborem dla użytkowników indywidualnych oraz przedsiębiorstw.
- Jedną z głównych zalet pomp ciepła jest ich nadzwyczajne wykorzystanie energii.
- Pompy ciepła są ekologiczną opcją dla osób dążących do maksymalnego zmniejszenia swojego śladu węglowego. Pompy ciepła minimalizują emisję CO2, czerpiąc energię ze źródeł odnawialnych.
- Dzięki różnym dostępnym rodzajom pomp, technologia ta znakomicie sprawdzi się zarówno w nowych, jak i modernizowanych budynkach. Nowe budynki, zgodnie z przepisami zawartymi w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity - Dz.U. 2019 poz. 1065), muszą spełniać normy budynków energooszczędnych. Pompa ciepła jest źródłem ciepła dostosowanym do współpracy z grzejnikami niskotemperaturowymi i ogrzewaniem podłogowym, dlatego lepiej jest przewidzieć takie rozwiązanie na etapie projektowania budynku niż później przeprowadzać kosztowne modernizacje instalacji centralnego ogrzewania.
- Nowoczesne konstrukcje pomp ciepła są zaprojektowane z myślą o zapewnieniu wysokiego komfortu użytkowania.
- Pomimo wyższych kosztów początkowych instalacji, pompy ciepła oferują szybki czas zwrotu inwestycji dzięki oszczędnościom uzyskiwanym z drobniejszych rachunków za energię.
Parametry Efektywności Pomp Ciepła
Kluczowym parametrem określającym sprawność urządzenia jest współczynnik efektywności COP. COP to stosunek ilości dostarczonego ciepła do zużytej energii elektrycznej. Standardowo COP dla nowoczesnych pomp ciepła wynosi od 2,5 do 5. Oznacza to, że pompa dostarcza 2,5 do 5 kWh ciepła na każdy 1 kWh prądu. Wskaźnik ten jest miarą efektywności pompy ciepła w danym momencie.
Dlatego inwestor powinien zawsze brać pod uwagę sezonowy współczynnik efektywności SCOP. SCOP uwzględnia zmienność warunków klimatycznych przez cały rok. Jest to znacznie bardziej miarodajny wskaźnik opłacalności. Wysoki SCOP oznacza niższe rachunki za energię.
Tabela przedstawia uśrednione wartości współczynnika efektywności (COP) dla różnych źródeł. Należy pamiętać, że COP jest mierzony w standardowych warunkach laboratoryjnych. Rzeczywista sprawność jest zmienna i zależy od warunków eksploatacyjnych.
| Źródło ciepła | Wartość COP |
|---|---|
| Woda gruntowa | 4,5 - 5,5 |
| Grunt | 3,5 - 4,5 |
| Powietrze | 2,5 - 4,0 |
Analizując koszty eksploatacji pompy ciepła, należy uwzględnić jej wydajność. Systemy te zapewniają 3 lub więcej kWh ciepła na 1 kWh zużytej energii elektrycznej. To sprawia, że są znacznie tańsze w użytkowaniu niż tradycyjne piece.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Twój przewodnik
Montaż Pomp Ciepła
Montaż pompy ciepła powietrze-woda jest najtańszym i najchętniej wybieranym rozwiązaniem. Ciepło służące do podgrzewania wody jest pobierane z otaczającego dom powietrza i w związku z tym nie wymaga dużej działki ani wierceń.
Pompy ciepła powietrze-woda są mniej wydajne zimą, chociaż postęp technologiczny sprawił, że nawet przy temperaturze powietrza do -20 °C możliwe jest częściowe zaspokojenie potrzeb budynku mieszkalnego w ciepło użytkowe. Decydując się na instalacje pomp ciepła powietrze-woda, warto pomyśleć o układzie biwalentnym, w którym w czasie zimowych mrozów system ogrzewania przestawia się na inne źródło ciepła, w postaci np.
Pompy ciepła powietrze-woda są proste w montażu i mogą występować w dwóch wersjach:
- Split składa się z dwóch modułów. Moduł montowany na zewnątrz składa się z wentylatora, parownika, sprężarki, zaworu rozprężnego i ewentualnie zaworu czterodrogowego, który umożliwia wykorzystanie pompy ciepła do chłodzenia.
- Monoblok to pompa jednoczęściowa montowana w całości na zewnątrz budynku.
Prawidłowa praca pompy ciepła powietrze-woda wymaga właściwej lokalizacji modułu zewnętrznego. Powinien on być umieszczony na trwałym i równym podłożu, ale nie na chodniku (ze względu na zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej), w miejscu osłoniętym od wiatru, ale dobrze nasłonecznionym. Podczas pracy urządzenia emitowane są drgania i hałas rzędu 50-60 dB, w związku z tym lokalizacja nie powinna zakłócać spokoju mieszkańców.
Nie jest zalecany samodzielny montaż pompy ciepła, zwłaszcza że w pompach typu split część instalacji wykonuje na miejscu instalator. Instrukcja montażu pompy ciepła bywa ignorowana lub błędnie rozumiana. Znaczne przechylenie urządzenia może spowodować uszkodzenie obiegu chłodniczego, a niewłaściwy montaż może być przyczyną głośniejszej pracy urządzenia, większego poboru mocy i mniejszej wydajności pompy. Montaż pompy ciepła lepiej więc powierzyć fachowcom.
Decydując się na pompę ciepła trzeba brać pod uwagę, że jest to urządzenie „generujące dźwięki”. Trudno to zgrabnie opisać, aby nie przesadzić w żadną stronę. Uciążliwość odgłosów pracy pompy ciepła może być bardzo różna, od niezauważalnej po powodującą trudności ze snem i zgrzyty międzyludzkie. Producenci podają głośność swoich pomp - zwykle ok. 50 dB - ale zwykłemu człowiekowi to nic nie mówi.
Jak ocenić uciążliwość hałasu pompy ciepła? Jedyna rzetelna metoda: na żywo, stojąc w pobliżu pompy ciepła pracującej na możliwie dużych obrotach (czyli na mrozie). Jeżeli masz sporą działkę i odległe sąsiedztwo - odgłosy pracy pompy ciepła nie powinny stanowić problemu. Gorzej jeśli miejsca do zlokalizowania urządzenia masz niewiele a zabudowa jest ciasna. Najlepiej świadomie zdecydować się na pompę ciepła już na etapie projektowania domu.
Dofinansowanie Pomp Ciepła
Inwestując w pompę ciepła, można skorzystać z dofinansowania w ramach funkcjonującego od 2018 r. programu „Czyste Powietrze”. Założeniem programu „Czyste Powietrze” była wymiana starych i nieefektywnych pieców na paliwa stałe i zastąpienie ich ekologicznymi źródłami energii w gospodarstwach domowych.
Najnowsza edycja programu przewiduje możliwość składania wniosków o dotację do 30 czerwca 2027 r. i 3 grupy beneficjentów, dla których wysokość dofinansowania jest uzależniona od kryterium dochodowego. Maksymalne dofinansowanie w wysokości do 69 tys. zł (do 90% kosztów kwalifikowanych) mogą uzyskać gospodarstwa domowe, w których miesięczny dochód na jednego członka nie przekracza 900 zł w gospodarstwie wieloosobowym lub 1260 zł w gospodarstwach jednoosobowych.
W przypadku budynków jednorodzinnych nadal obowiązuje możliwość skorzystania z ulgi termomodernizacyjnej do 53 tys. zł w postaci odliczenia od dochodu w rocznym zeznaniu PIT.
Tak, dotacje znacząco obniżają początkowe koszty inwestycji w pompy ciepła. W Polsce dostępne są programy wsparcia, takie jak 'Czyste Powietrze'. Programy te oferowane są przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW). W zależności od dochodów i zakresu prac, można uzyskać zwrot nawet do kilkudziesięciu procent.
tags: #odwrocona #lodowka #carnota #zasada #dzialania
