Pompa ciepła w klimatyzacji - zimą grzeje, latem chłodzi

Rozpatrzymy cztery tematy. Najpierw dwa sposoby chłodzenia pompą ciepła, nazywane aktywnym i pasywnym. Następnie zastosowanie pompy ciepła w roli rekuperatora, czyli urządzenia odzyskującego ciepło z powietrza usuwanego z pomieszczenia lub wciąganego do pomieszczenia. Nie sposób też pominąć w tym miejscu roli gruntowych wymienników ciepła. Będzie to czwarty temat tego artykułu.

Chłodzenie aktywne

Każda pompa ciepła teoretycznie nadaje się zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia. Przecież pompa ciepła w klimatyzacji to lodówka, tyle że pracująca odwrotnie. Dokonajmy zatem odwrócenia funkcji pompy ciepła i uzyskamy chłodziarkę. Pompy ciepła mogą więc służyć zarówno jako źródła ciepła jak też jako chłodziarki. Aby wykorzystać pompę ciepła do chłodzenia pomieszczeń, wystarczy odwrócić zarówno kierunek tłoczenia sprężarki jak i zawór rozprężający, zmieniając tym samym kierunek przepływu czynnika chłodniczego i, oczywiście, kierunek przepływu ciepła.

Można to zrealizować według schematu odwracalnej pompy ciepła, pokazanego na schemacie poniżej, przy czym w układzie rys. 1a pompa pracuje w trybie ogrzewania, a w układzie rys. 1b - w trybie chłodzenia. W obiegu czynnika chłodniczego sprężarkę podłączono przez zawór czterodrożny, który pozwala odwracać kierunek jej włączenia. Dołączono też równolegle do zaworu rozprężającego drugi identyczny zawór lecz skierowany w przeciwną stronę. Zawór trójdrożny pozwala włączyć w obwód jeden z dwóch zaworów rozprężających.

W trybie ogrzewania rys. 1a sprężarka tłoczy gazowy czynnik chłodniczy do wymiennika ciepła systemu grzewczego (c.o. i c.w.u.). W wymienniku czynnik skrapla się oddając ciepło do systemu grzewczego. Przez przełączenie zaworu czterodrożnego sprężarka działa w kierunku przeciwnym, zatem skraplacz i parownik zamieniają się rolami rys. 1b, i ciepło jest odbierane (parownik) z systemu grzewczego, schładzając jego czynnik (np. wodę w instalacji podłogowej, nazywaną w tym trybie pracy wodą lodową).

Schemat działania odwracalnej pompy ciepła w trybie:

Może cię zainteresować

Pompa ciepła gruntowa czy powietrzna - która jest lepsza? Wybór pompy ciepła do domu jednorodzinnego Hybrydowa pompa ciepła - wszystko, co musisz o niej wiedzieć Dlaczego warto wybrać pompę ciepła do ogrzewania domu? Jak zabezpieczyć monoblokową pompę ciepła powietrze-woda przed zamarzaniem? Rola zaworu przecizamrożeniowego Sposób na tanią ciepłą wodę - pompa ciepła Ecodan QUHZ CO2 O co chodzi z tymi pompami ciepła? Powietrze-powietrze, powietrze-woda? Monoblokowe, powietrzne pompy ciepła do nowych i modernizowanych budynków Pompa ciepła do cwu i kocioł na pellet - jak sprawdzi się ten duet? Bufor ciepła 1000 l - kiedy warto stosować, a kiedy nie? Jakie są dotacje na pompę ciepła 2023 roku? Pompa ciepła czy kocioł pelletowy? Czy pod pompę ciepła potrzebny jest fundament? Oszczędzaj z pompą ciepła!

Zobacz więcej Zwiń

Rys. 1) Schemat działania odwracalnej pompy ciepła w trybie: ogrzewania (a), chłodzenia (b)

Następnie to ciepło jest oddawane przez wymiennik (skraplacz) do układu dolnego źródła (np. do solanki w kolektorze gruntowym). Oczywiście, odwrócony jest też kierunek włączenia zaworu rozprężającego.

W trybie ogrzewania pompa ciepła ma trochę większą moc i sprawność, niż w trybie chłodzenia. Wynika to stąd, że energia elektryczna pobierana przez sprężarkę zamienia się w ciepło, które w trybie ogrzewania dodaje się do ciepła pobieranego z dolnego źródła. W trybie chłodzenia ta dodatkowa energia cieplna również powstaje w sprężarce, pogarszając jednak w tym przypadku bilans chłodzenia.

Praktycznie każdy producent ma w swojej ofercie pompy ciepła odwracalne lub jest w stanie zaoferować taką pompę na zamówienie. Jednak pompa ciepła z opcją chłodzenia jest droższa, nawet do 30%, mimo że tryb chłodzenia uzyskuje się przez niewielkie zmiany konstrukcyjne i programowe.

W niektórych rozwiązaniach (np. VATRA) pompa odwracalna pracując w trybie chłodzenia aktywnego wytwarza wodę lodową do klimatyzowania pomieszczeń, a jednocześnie zużywa pobierane ciepło do ogrzewania c.w.u. Mamy więc "dwa w jednym", tj. można powiedzieć, że klimatyzacja jest realizowana za darmo przy okazji podgrzewania c.w.u. Gdy temperatura c.w.u. osiągnie pewną graniczną wartość, następuje przełączenie układu i ciepło pobierane z wody lodowej jest oddawane do dolnego źródła (np. do solanki w kolektorze gruntowym).

Chłodzenie pasywne

Można powiedzieć, że pompa ciepła w tym rozwiązaniu nie pracuje, gdyż sprężarka jest wyłączona. Korzysta się z możliwości naturalnego schładzania (funkcja "natural cooling") pomieszczeń czynnikiem z dolnego źródła (solanka lub woda) oddającym ciepło do gruntu. Jak wiemy, grunt ma temperaturę ok. 10°C, a więc niższą od temperatury w pomieszczeniach.

Ze względu na wysoką temperaturę powietrza w lecie, funkcja "natural cooling" jest oczywiście niemożliwa w pompach powietrze/woda. W pompach z gruntowym dolnym źródłem ten tryb pracy wymaga niewielkich zmian konstrukcyjnych - dodatkowego wymiennika z układem odpowiednio sterowanych zaworów trójdrożnych i pomp obiegowych rys. 2.

Rys. 2) Schemat działania instalacji chłodzenia pasywnego z zastosowaniem ogrzewania podłogowego

Programator wyłącza sprężarkę pompy ciepła i pracują tylko pompy obiegowe układu pierwotnego B oraz wtórnego E, a zawory trójdrożne C, G włączają wymiennik ciepła chłodzenia D. Zatem woda z ogrzewania podłogowego F, przepływając przez wymiennik D, oddaje swoje ciepło czynnikowi obiegu pierwotnego (solance w kolektorze gruntowym, lub wodzie w układzie dwóch studni). Schładzana woda instalacji połogowej odbiera ciepło z pomieszczenia.

Do chłodzenia pomieszczeń można stosować również instalację nadmuchową, działającą poprzez klimakonwektory lub kasetony sufitowe. Instalacja nadmuchowa ma prostsze sterowanie, gdyż wymaga tylko zastosowania czujnika temperatury powietrza wewnątrz pomieszczeń, który wyłączy system chłodzenia, gdy temperatura spadnie poniżej zadanej wartości. W przypadku podłogówki lub innej instalacji płaszczyznowej (ściennej lub sufitowej), poza czujnikiem temperatury, konieczny jest również czujnik wilgotności, aby automatyka wyłączała system chłodzenia, gdy powietrze osiąga wilgotność bliską punktu rosy.

Chodzi o to, aby uniknąć skraplania się wilgoci z powietrza na chłodnej powierzchni podłogi. Porównując różne rozwiązania chłodzenia pomieszczeń, można je uszeregować w kolejności od najgorszych do najlepszych. Najgorszym rozwiązaniem jest zastosowanie grzejników wodnych, zresztą nie zalecane również do ogrzewania pompą ciepła. Do chłodzenia tym bardziej się nie nadaje, ze względu na niewielką powierzchnię grzejników, a więc słabą wymianę ciepła. Ponadto, grzejniki są montowane nisko przy podłodze, a ciepłe powietrze zbiera się wysoko przy suficie.

Lepszym rozwiązaniem jest chłodzenie zimną wodą krążącą w rurach podłogówki. Wprawdzie wymiana ciepła może się odbywać wyłącznie przez promieniowanie, gdyż ciepłe powietrze nie opada na dół, ale chłodzenie odbywa się całą powierzchnią podłogi. Skuteczność chłodzenia podłogowego można znakomicie poprawić przez wywołanie krążenia powietrza.

W przypadku stosowania instalacji podłogowej zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia, należy zadbać o to, by rury były płytko zagłębione pod posadzką (<1 cm). Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest "strop chłodzący", czyli chłodzenie powietrzem zimnym opadającym od sufitu ku podłodze. Najlepszym rozwiązaniem są konwektory wyposażone w wentylator z regulowanym strumieniem chłodnego powietrza.

Takie rozwiązanie umożliwia szybkie i skuteczne schładzanie pomieszczeń, a także precyzyjną regulację klimatu w pomieszczeniu. Jednak stosowanie klimakonwektorów zarówno do chłodzenia jak i do grzania jest nie najlepszym rozwiązaniem, gdyż grzanie podłogowe ma swoje charakterystyczne zalety, a wadą klimakonwektorów jest generowany przez nie lekki szum, który podczas grzania w nocy może być dokuczliwy.

Najlepszym wyjściem jest stosowanie obu rozwiązań razem, tj. podłogówki wykorzystywanej wyłącznie do ogrzewania w zimie oraz klimakonwektorów używanych wyłącznie w lecie do chłodzenia. W lecie po schłodzeniu pomieszczeń w ciągu dnia, można wyłączyć szumiące klimakonwektory na noc.

Chłodzenie pasywne ma dwie zalety. Pierwszą jest bardzo duża efektywność energetyczna, czyli bardzo niskie koszty eksploatacji, wynikające wyłącznie z niewielkich strat mocy (około 300 W) w pracujących pompach obiegowych. Drugą zaletą jest korzystny wpływ pracy w trybie chłodzenia na regenerację termiczną dolnego źródła wyziębionego po zimowym sezonie grzewczym. W trybie chłodzenia dolne źródło jest podgrzewane ciepłem pobieranym z pomieszczenia.

Wentylacja z rekuperacją

Pompy ciepła powietrze/woda oraz powietrze/powietrze można w różnorodny sposób stosować do wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń. W systemie wentylacji wywiewnej rys. 3 rolą pompy ciepła jest „zagospodarowanie” ciepła traconego wraz z wywiewanym powietrzem.

Trzeba tu zaznaczyć, że we współczesnych domach, szczelnych i dobrze termoizolowanych, wentylacja ma dominujący udział (40-50%) w stratach ciepła. Odzyskanie 70-90% ciepła z powietrza wywiewanego ma więc istotne znaczenie ekonomiczne. Ciepło odzyskiwane z wywiewanego powietrza jest w pompie ciepła zużywane najczęściej do ogrzewania c.w.u., a niekiedy nawet do ogrzewania wody w instalacji c.o.

Świeże powietrze napływa do domu z zewnątrz przez nawiewniki rys. 3. W lecie istnieją możliwości pobierania ciepła z gorącego powietrza wciąganego do budynku z zewnątrz, przy czym pobrane ciepło służy do podgrzewania c.w.u., a niejako "przy okazji" osiągamy efekt klimatyzacji, tj. schłodzenia świeżego powietrza, napływającego z zewnątrz do domu.

Rys. 3) Schematyczna ilustracja wentylacji wywiewnej z pompą ciepła odzyskującą ciepło z powietrza wywiewanego (rys. Nibe Biawar)

Gruntowy Wymiennik Ciepła (GWC)

To świetne, coraz częściej stosowane w polskich domach rozwiązanie. Prosta budowa pozwala wykonać GWC samodzielnie przy niewielkich kosztach materiałów - kilka tysięcy złotych. Dla domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 150 m2 wystarczy kilka m3 czystego żwiru wsypanego do jamy o głębokości do 3 m rys. 4.

Powietrze wsysane z atmosfery, przepływając przez złoże żwirowe, wymienia ciepło ze złożem, którego temperatura niezależnie od pory roku jest stała na poziomie +10°C (± 2°C). Zatem w lecie gorące powietrze się ochładza (np. z +30°C do +20°C), a w zimie mroźne powietrze się nagrzewa (np. z -20°C do 0°C). Warto dodać, że powietrze jest nie tylko chłodzone (w lecie) lub nagrzewane (w zimie), ale również nawilżane lub osuszane, a także filtrowane.

Gruntowy wymiennik ciepła może więc spełniać następujące funkcje:

• klimatyzacja w lecie, tj. schłodzone, uzdatnione powietrze może być wprost wdmuchiwane do pomieszczeń;
• klimatyzacja w zimie, przy czym powietrze wstępnie podgrzane w GWC przepływa przez rekuperator, gdzie ogrzewa się dodatkowo ciepłem pobieranym z powietrza usuwanego z pomieszczeń na zewnątrz;
• w zimie wspomaganie pracy pompy ciepła powietrze/woda. Poprzez odgałęzienie do pompy ciepła rys. 4 powietrze wstępnie ogrzane w GWC spełnia rolę dolnego źródła dla pompy ciepła. Podwyższenie temperatury powietrza (dolnego źródła) o 10 do 20°C pozwala zwiększyć sprawność pompy ciepła nawet o 50%. W ten sposób GWC ma istotny udział w zasilaniu energią cieplną systemu c.o. i c.w.u.

Można też spotkać bardzo zaawansowane technologicznie rozwiązania GWC, oferowane przez firmy jako specjalne produkty. Na przykład system płytowy GWC, oferowany przez firmę pod nazwą GEO-System, albo produkt firmy pod nazwą AWADUKT Thermo, wyróżniający się zastosowaniem antybakteryjnych rur. Są to produkty zalecane do domów energooszczędnych, w szczególności pasywnych.

Rys.4) Gruntowy Wymiennik Ciepła (GWC)