Pompa ciepła w klimatyzacji - zimą grzeje, latem chłodzi

Print image
Copy link image
time image Artykuł na: 9-16 minut
Pompa ciepła w klimatyzacji - zimą grzeje, latem chłodzi

Dotychczas zajmowaliśmy się pompą ciepła w roli źródła energii cieplnej dla c.o. i c.w.u. Okazuje się, że pompa ciepła w klimatyzacji też się doskonale sprawdza, może efektywnie współpracować z systemem wentylacji. A są to sprawy nie mniej ważne niż ogrzewanie – wystarczy spojrzeć obok na krzywą duszności, czyli zależność odczucia duszności od temperatury i wilgotności.

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:

Schemat działania odwracalnej pompy ciepła Schemat działania odwracalnej pompy ciepła
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 ciepław 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.

Chłodzenie pasywne - schemat
 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.

Pompa ciepła - wentylacja 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.

Gruntowy Wymiennik Ciepła - schemat
rys.4) Gruntowy Wymiennik Ciepła (GWC)

Zdaniem naszych Czytelników

time image

Gość Janek795

18 Wrz 2016, 18:54

Do "dylot" o rzekomej ściemie. Rozumiem, że fizyka tu nie obowiązuje. Zimna podłoga jest zimna i tyle... A powietrze w pomieszczeniu stoi niczym skała i nie krąży. Zastanów się dlaczego w krajach śródziemnomorskich np włochy czy Hiszpania robi się podłogi np z marmuru czy innych ...

time image

Gość adam

16 Cze 2010, 11:43

I to jest w tym wszystkim najlepsze,poniewaz pompa ciepła spełnia szereg innych ról niz tylko tą grzewcza.Pompa ciepła powietrze-woda (a więc taka, która pobiera ciepło z powietrza i przenosi je do wody, czyli ją ogrzewa) działa trochę jak klimatyzacja. Pobiera powietrze, schładza ...

time image

14 Gru 2009, 14:09

W zasadzie masz rację. Bez ruchu powietrza będzie warstwowy rozkład temperatur.Praktycznie, to taki system „sprawdza się” tylko jeśli jest „przeciąg” lub na podłogę skierujemy pracujący wentylator.

time image

14 Gru 2009, 13:47

czy ktoś mi tępemu wytłumaczy jak taka zimna podłoga chłodzi bo na mój rozum to będzie tylko zimna podłoga i nieprzyjemnie przecież nie może to działać tak jak ogrzewanie gdyż zimne podłoga w lecie nie zachowuje się tak jak ciepła w zimie. Przecież aby schłodzić jakiekolwiek ...

Wiecej na Forum BudujemyDom.pl
Pokaż wszystkie komentarze

Dodaj komentarz

time image
time image
Zobacz inne artykuły
Jakie są zalety pompy ciepła do ogrzewania basenu?
Jakie są zalety pompy ciepła do ogrzewania basenu?
Zadaj pytanie ekspertowi Masz wątpliwości lub dodatkowe pytania? Napisz do nas!
expert image
Akceptowane formaty plików: 'jpg', 'jpeg', 'gif', 'bmp', 'png'. Dodawanie wielu plików - wciśnij CTRL.
Administrator danych osobowych: AVT-Korporacja sp. z o.o. z siedzibą: ul. Leszczynowa 11, 03-197 Warszawa. Cel przetwarzania danych: udzielenie odpowiedzi na zadane pytanie. Administrator danych osobowych: AVT-Korporacja sp. z o.o. z siedzibą: ul. Leszczynowa 11, 03-197 Warszawa. Cel przetwarzania danych: udzielenie odpowiedzi na zadane pytanie. Okres przetwarzania danych: Twoje dane przetwarzane będą do czasu istnienia podstawy do ich przetwarzania – czyli w tym konkretnym przypadku, do czasu udzielenia odpowiedzi. Masz prawo do: dostępu do Twoich danych, ich sprostowania, usunięcia, ograniczenia przetwarzania, wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania Twoich danych lub ich przenoszenia. Możesz: odwołać zgodę na przetwarzanie Twoich danych osobowych, zażądać, by Twoje wszystkie dane zostały usunięte. Podstawy prawne: art. 5, 6, 12, 13 Ogólnego rozporządzenia o ochronie danych osobowych (RODO). Czytaj więcej
Dodano plik do wysłania
Poradnik
Cenisz nasze porady? Możesz otrzymywać najnowsze w każdy czwartek!
Budujemy Dom
9,90 zł tylko teraz!
Teraz za darmo!
Od teraz, dla wszystkich! Wystarczy, że się zalogujesz. A otrzymasz dostęp do wszystkich artykułów z papierowego BudujemyDom! Całkowiecie za darmo!
Dom Energooszczędny Vademecum 2018

Dom Energooszczędny Vademecum

Jak zbudować dom energooszczędny

ABC Budowania 2018

ABC Budowania

To, co koniecznie musisz wiedzieć, żeby Twój pierwszy dom był dla Ciebie, a nie dla wroga

Wnętrza 2019

Wnętrza

Nowoczesne, stylowe, piękne wnętrza - zasady, porady, inspiracje

Czas na Wnętrze maj 2019

Czas na Wnętrze

Od inspiracji do realizacji

Twój Dom Twój Styl 2018

Twój Dom Twój Styl

Poradnik shoppingowy

Budujemy Dom maj 2019

Budujemy Dom

Dla budujących dom i wykonawców

Dom Polski 2019

Dom Polski

Jak zbudować dom tańszy niż mieszkanie

Nowoczesne Instalacje 2019

Nowoczesne Instalacje

Jak zbudować dom energooszczędny