Przewodnik po lekturze
Pompy ciepła cieszą się ostatnio ogromną popularnością, zwłaszcza w Europie, gdzie niektóre kraje dążą do wprowadzenia zakazu instalacji pieców i kotłów na paliwa kopalne na rzecz bardziej ekologicznych rozwiązań, w tym energooszczędnych pomp ciepła. (Piece ogrzewają powietrze i rozprowadzają je rurami po całym domu, podczas gdy kotły podgrzewają wodę, zapewniając jej ciepłą wodę lub ogrzewanie parowe). W tym roku rząd USA zaczął oferować ulgi podatkowe za instalację pomp ciepła, które zazwyczaj są droższe z góry niż tradycyjne piece, ale w dłuższej perspektywie są znacznie bardziej wydajne.
W sektorze pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii, ograniczona pojemność akumulatorów również skłoniła branżę do sięgnięcia po pompy ciepła. Może więc nadszedł czas, aby szybko zrozumieć, co oznaczają pompy ciepła i do czego służą.
Jaki jest najpopularniejszy typ pompy ciepła?
Biorąc pod uwagę ostatnie szumy, możesz być zaskoczony, dowiadując się, że już używaszpompa ciepła– prawdopodobnie masz ich więcej niż jedną w domu i więcej niż jedną w samochodzie. Po prostu nie nazywasz ich pompami ciepła, tylko używasz określeń „lodówka” lub „klimatyzator”.
W rzeczywistości te maszyny są pompami ciepła, co oznacza, że przenoszą ciepło z miejsca stosunkowo zimnego do miejsca stosunkowo ciepłego. Ciepło przepływa spontanicznie z miejsca gorącego do zimnego. Ale aby je zmienić z zimnego w gorące, trzeba je „pompować”. Najlepszą analogią jest tu woda, która sama spływa ze wzgórza, ale trzeba ją pompować w górę.
Kiedy pompujesz ciepło zawarte w jakimś zbiorniku chłodniczym (powietrzu, wodzie itp.) do zbiornika gorącego, zbiornik zimny staje się chłodniejszy, a zbiornik gorący cieplejszy. Właśnie na tym polega działanie Twojej lodówki lub klimatyzatora – przenosi ciepło z miejsca, w którym nie jest potrzebne, gdzie indziej, a Ty nie przejmujesz się stratą dodatkowego ciepła.
Jak zrobić praktyczną chłodziarkę z pompą ciepła?
Kluczowy wgląd, który wygenerowałpompy ciepła Pojawiła się na początku XIX wieku, kiedy wielu wynalazców, w tym Jacob Perkins, zdało sobie sprawę, że można w ten sposób schłodzić coś bez marnowania lotnych cieczy, które parowały w procesie chłodzenia. Zamiast uwalniać te opary do atmosfery, argumentowali, że lepiej byłoby je zebrać, skroplić do postaci cieczy i ponownie wykorzystać jako chłodziwo.
Do tego właśnie służą lodówki i klimatyzatory. Odparowują one ciekły czynnik chłodniczy i wykorzystują zimną parę do pochłaniania ciepła z wnętrza lodówki lub samochodu. Następnie sprężają gaz, który skraplając się z powrotem do postaci ciekłej. Ta ciecz jest teraz gorętsza niż na początku, więc część ciepła, którą utrzymuje, może łatwo (być może za pomocą wentylatora) przedostać się do otoczenia – czy to na zewnątrz, czy do innego miejsca w kuchni.
Mówiąc szczerze: pompy ciepła są Ci dobrze znane; tyle że ciągle nazywasz je klimatyzatorami i lodówkami.
A teraz przeprowadźmy kolejny eksperyment myślowy. Jeśli masz klimatyzację okienną, możesz to zrobić w ramach prawdziwego eksperymentu. Zainstaluj ją odwrotnie. To znaczy, zamontuj sterowanie za oknem. Zrób to w chłodną, suchą pogodę. Co się stanie?
Jak można się spodziewać, wdmuchuje zimne powietrze na podwórko i oddaje ciepło do domu. Nadal więc transportuje ciepło, ogrzewając dom i zapewniając większy komfort. Oczywiście, schładza powietrze na zewnątrz, ale ten efekt jest minimalny, gdy nie ma się dostępu do okien.
Masz teraz pompę ciepła do ogrzewania domu. Może nie jest to najlepsze rozwiązaniepompa ciepła, ale będzie działać. Co więcej, latem można go też odwrócić do góry nogami i używać jako klimatyzatora.
Oczywiście, nie rób tego w rzeczywistości. Jeśli spróbujesz, z pewnością się nie uda, gdy pierwszy raz spadnie deszcz i woda dostanie się do sterownika. Zamiast tego możesz kupić komercyjną pompę ciepła „powietrzne źródło”, która wykorzystuje tę samą zasadę do ogrzewania domu.
Problem oczywiście polega na tym, że wódka jest droga i szybko się jej skończy, żeby schłodzić wino. Nawet jeśli zastąpisz wódkę tańszym alkoholem salicylowym, wkrótce zaczniesz narzekać na koszty.
Niektóre z tych urządzeń są wyposażone w tzw. zawory odwracające, dzięki którym to samo urządzenie może pełnić podwójną rolę: może pompować ciepło z zewnątrz do środka lub z wnętrza na zewnątrz, zapewniając jednocześnie ogrzewanie i klimatyzację, jak opisano poniżej.
Dlaczego pompy ciepła są bardziej wydajne niż grzejniki elektryczne?
Pompy ciepła są bardziej wydajne niż grzejniki elektryczne, ponieważ nie wymagają energii elektrycznej do wytwarzania ciepła. Energia elektryczna zużywana przezpompa ciepłaGeneruje trochę ciepła, ale co ważniejsze, pompuje ciepło z zewnątrz do domu. Stosunek ciepła uwalnianego do domu do energii przesyłanej do sprężarki elektrycznej nazywa się współczynnikiem wydajności (COP).
Prosty elektryczny grzejnik, który zapewnia całe ciepło generowane przez elektryczny element grzejny, ma współczynnik COP równy 1. Z drugiej strony współczynnik COP pompy ciepła może być o rząd wielkości wyższy.
Jednak współczynnik COP pompy ciepła nie jest wartością stałą. Jest on odwrotnie proporcjonalny do różnicy temperatur między dwoma zbiornikami, do których pompowane jest ciepło. Należy jednak pamiętać, że jeśli pompujesz ciepło z niezbyt zimnego zbiornika do niezbyt ciepłego budynku, współczynnik COP będzie wysoki, co oznacza, że pompa ciepła bardzo efektywnie wykorzystuje energię elektryczną. Jeśli jednak spróbujesz pompować ciepło z bardzo zimnego zbiornika do już ciepłego budynku, współczynnik COP spadnie, co oznacza spadek wydajności.
Efekt jest taki, jakiego intuicyjnie oczekujesz: najlepiej wykorzystać najcieplejsze źródło ciepła, jakie uda ci się znaleźć, jako zewnętrzne źródło ciepła.
Pompy ciepła powietrze-woda, które wykorzystują powietrze zewnętrzne jako zbiornik ciepła, są w tym przypadku najgorszym rozwiązaniem, ponieważ powietrze zewnętrzne jest bardzo zimne w zimowym sezonie grzewczym. Jeszcze lepsze są pompy ciepła gruntowe (znane również jako pompy ciepła geotermalne), ponieważ nawet zimą grunt na średnich głębokościach jest nadal dość ciepły.
Jakie jest najlepsze źródło ciepła dla pomp ciepła?
Problem ze źródłem gruntowympompy ciepłaChodzi o to, że potrzebujesz sposobu na dostęp do tego zakopanego zbiornika ciepła. Jeśli masz wystarczająco dużo miejsca wokół domu, możesz wykopać rowy i zakopać kilka rur na rozsądnej głębokości, na przykład na kilka metrów. Następnie możesz rozprowadzić ciecz (zazwyczaj mieszaninę wody i płynu niezamarzającego) przez te rury, aby absorbować ciepło z gruntu. Alternatywnie, możesz wywiercić głębokie otwory w ziemi i zainstalować rury pionowo w tych otworach. Wszystko to jednak będzie kosztowne.
Inną strategią dostępną dla nielicznych szczęśliwców jest pozyskiwanie ciepła z pobliskiego zbiornika wodnego poprzez zanurzenie rury w wodzie na określonej głębokości. Takie rozwiązania nazywane są wodnymi pompami ciepła. Niektóre pompy ciepła wykorzystują bardziej nietypową strategię, polegającą na pobieraniu ciepła z powietrza opuszczającego budynek lub z solarnego podgrzewania wody.
W bardzo zimnym klimacie sensowne jest zainstalowanie gruntowej pompy ciepła, jeśli to możliwe. Prawdopodobnie dlatego większość pomp ciepła w Szwecji (która ma jedną z najwyższych liczb pomp ciepła na mieszkańca) jest tego typu. Jednak nawet w Szwecji duży odsetek pomp ciepła zasilanych powietrzem przeczy powszechnemu twierdzeniu (przynajmniej w Stanach Zjednoczonych), że pompy ciepła nadają się jedynie do ogrzewania domów w łagodnym klimacie.
Więc gdziekolwiek jesteś, jeśli możesz sobie pozwolić na wyższe koszty początkowe, następnym razem, gdy będziesz musiał podjąć decyzję, jak ogrzać dom, rozważ zastosowanie pompy ciepła zamiast tradycyjnego pieca lub kotła.
Czas publikacji: 19 października 2023 r.