Szukaj na tym blogu

środa, 5 sierpnia 2009

Pompa ciepła – prawie jak perpetum mobile.

Choć sprawa jest dość prosta. Na temat pomp ciepła jest wiele w miarę dobrych opracowań wiele osób ciągle jest przekonanych, że sprawność pompy to 300 – 500%.

Zacznijmy od tego, że Pompa ciepła NIE produkuje energii cieplnej! Podobnie zresztą jak pompa wody nie produkuje wody tylko ją przetłacza. Zadaniem pompy ciepła jest transport ciepła ze źródła chłodniejszego do cieplejszego – czyli odwrotnie jak jest to w naturalnych procesach. Z uwagi, że pompa ciepła transportuje ciepło „pod prąd” należy włożyć do tego procesu dodatkową energię (np. energia elektryczna do napędu sprężarki).



Ideową istotę procesu działania pompy ciepła obrazuje powyższy rysunek. Wynika z niego jasno, że energia elektryczna, którą zasilamy pompę służy jedynie do przetransportowania energii z gruntu czy powietrza do budynku. Z uwagi, że w budynku jest wyższa temperatura niż na zewnątrz należy do tego procesu włożyć energię z zewnątrz. W ten sposób zgodnie z przykładem zabieramy, 5kWh energii z gruntu, aby przenieś je do budynku – bilans wychodzi na zero + energia do zasilania pompy 1kWh, czyli sprawność tego procesu to nie, 500% lecz 5 / 5 + 1 czyli 83%.
Ważne jest, aby mieć świadomość skąd bierze się to ciepło oraz że pompy ciepła nie mają sprawności, ponad 100%. Poza tym sprawność nic o pompie nam nie mówi.

Dla użytkownika ważne jest ile ciepła uzyska przy włożeniu danej energii do zasilania pompy i o tym właśnie mówi wsp. COP, czyli Współczynnik wydajności chłodniczej - a nie sprawność !! (COP (ang. Coefficient Of Performance) określany jako stosunek mocy chłodniczej do mocy pobieranej przez urządzenie.

Dla użytkownika pompy tym lepiej im ten współczynnik jest większy gdyż pompa jest bardziej efektywna, dlatego producenci pomp ciepła robią wszystko, aby zaprezentować jak najwyższe współczynniki COP. Aby nie dać się naciągnąć należy wiedzieć od czego współczynnik COP zależy:


Ts, Tp - temperatura skraplacza i parownika (wyrażona w skali absolutnej!!!!)

Z tego wzoru wynika, że temperatura pompy będzie zależeć bezpośrednio od różnicy temperatur między dolnym źródłem ciepłą (grunt, powietrze, solanka) a górnym źródłem ciepła (temperatura, do której woda będzie podgrzewania przez pompę). Jeżeli podstawimy dane do wzoru łatwo zauważymy, że pompa jest tym bardziej efektywna im różnica między górnym a dolnym źródłem jest mniejsza.

Zakładając ze sprężarka działa ze sprawnością 50% zobaczmy jak będzie zmieniał cię wsp COP dla różnych temperatur dolnego i górnego źródła.

źródło dolne 15C
źródło górne 50 C
COP 4.46

źródło dolne 5C
źródło górne 50 C
COP 3.58

źródło dolne -15C
źródło górne 50 C
COP 2.5


Są to wyliczenia dość teoretyczne nie uwzględniają wielu strat pośrednich, ale pokazują dobrze jeden trend im różnica temperatur większa tym pompa mniej wydajna. Tu przestroga dla osób planujących kupić najtańszą na rynku pompę powietrze woda (dolnym źródłem jest powietrze). Jaka będzie wydajność tej pompy jeżeli przyjdzie sroga zima a na zewnątrz będzie -20 ? – podpowiem małą nawet bardzo małą. Znam przypadek gdzie ogrzewanie źle dobraną pompą powietrze woda było droższe niż grzanie prądem! Producenci tych pomp skutecznie omijają ten problem i warto ich o to gruntownie wypytać!

15 komentarzy:

Krzysztof Lis pisze...

Nie no, rysunek kompletnie nie ma sensu. :)

Po pierwsze, strzałka powinna być DO pompy -- bo pompa pobiera energię a nie ją oddaje.

Po drugie, bilans się nie zgadza -- w mieszkaniu powinno wychodzić 5 kWh, do pompy powinna docierać 1 kWh a z gruntu pobierane 4 kWh.

Pompę ciepła z pewnością kupię -- ale w formie klimatyzatora z funkcją grzania. Idealne rozwiązanie na okres przejściowy, gdy mi się nie będzie chciało rozpalić w kotle.

jako pisze...

@ Krzysztof Lis

I tak i nie :)

Do pompy powinna być strzałka 1kW energii elektrycznej, a od pompy <1kWh energii cieplnej odpadowej (pracujące urządzenie się grzeje).

W zależności od lokalizacji pompy, ciepło odpadowe trafi do środowiska (przypadek jak na rysunku), albo ogrzeje dom (przypadek częstszy).

@ Bogdan Szymański

Będę bronił pomp powietrze/cośtam.
To dobre rozwiązanie do grzania, pod warunkiem, że nie jedyne.

Takie pompy mają szereg zalet:

- brak kosztownego i nie zawsze możliwego do wykonania ziemnego żródła dolnego - dolnym źródłem jest po prostu powietrze

- bardzo wysokie COP przez 3/4 roku, gdy powietrze jest ciepłe (latem, przy powietrzu 30C i podgrzewaniu CWU do 40C, COP wynosi aż 30!)

- można podnieść COP zimowe, poprzez wybudowanie gruntowego wymiennika ciepła (GWC) który będzie wstępnie podgrzewał powietrze zimą (potrafi podnieść temp z -20C do np +2C) - przy okazji w ciągu lata taki GWC może nam chłodzić mieszkanie

Nie twierdzę, że pompy powietrzne nie mają wad, mają jednak bardzo dużo zalet, a dla tych, co nie mogą kopać lub wiercić w ziemi, są w zasadzie jedynym wyborem.

Za wikipedią o polskim klimacie: "Średnia temperatura w lecie waha się pomiędzy 16,5°C a 20°C, w zimie – między -6°C a 0°C. Średnia roczna temperatura powietrza w Polsce wynosi 7-9°C (poza obszarami górskimi)."

Jeśli założymy, że gruntowe dolne źródło ma zawsze 8C, to można uznać, że średnia temperatura powietrza jest identyczna. I teraz sedno: wszystko zależy od tego ile i kiedy potrzebujemy ciepła - bo jeśli pobieramy ciepło gdy powietrze ma >8C, to lepsze COP będzie miała pompa powietrzna, a jeśli pobieramy ciepło gdy powietrze ma <8C to lepsze COP będzie miała pompa 'gruntowa'. Pieniądze zaoszczędzone na gruntowym źródle są bardzo duże (kilkanaście-kilkadziesiąt tysięcy), i często w pełni rekompensuję wyższe koszty ogrzewania zimą. Jeśli pompa cały rok grzeje CWU, a potrzeby CO są nieduże (dobrze izolowany dom) lub wręcz żadne (dom pasywny) to rachunek ekonomiczny może zdecydowanie wskazywać na pompę powietrzną.

Jeśli założyć, że możemy pompę uruchamiać okresowo, np tylko w dzień (i gromadzić ciepło na noc), to średnia temperatura będzie jeszcze wyższa niż 7-9C.
Widziałem ciekawe systemy, które zbierają gorące powietrze unoszące się z dachu (nie zimą oczywiście), dzięki temu uzyskując jeszcze wyższe temperatury.

Przy okazji ważna, a często nieznana informacja o niskiej wydajności pomp zimą: głównym powodem niskiej wydajności jest gwałtownie malejąca ilość pary wodnej w powietrzu przy malejącej temperaturze. Bo to głównie para wodna jest nośnikiem ciepła oddawanego na wymienniku. Gdy pary jest za mało, wentylator na parowniku nie jest w stanie przetłoczyć wystarczającej ilości powietrza, które bez pary wodnej niesie zbyt mało energii. Wtedy sprawność rzeczywista jest sporo niższa od teoretycznej wyliczonej dla danej temperatury. Wentylator zużywa dużo energii elektrycznej, a z racji jego umieszczenia poza budynkiem, jego cieplo odpadowe nie podgrzewa mieszkania. I to dlatego dobre pompy mają automatykę, która poniżej pewnej temparatury wyłącza pompę powietrzną i przechodzi na elektryczne (lub inne) ogrzewanie.

Jeśli moc pompy nie jest duża, i mamy odpowiednio skonstruowaną wentylację, to do pompy możemy skierowac powietrze wentylacyjne i odzyskać z niego energię, którą byśmy normalnie utracili. Nawet jeśli mamy wentylację z rekuperacją, to pompa jest w stanie 'wyciągnąć' dodatkowe ciepło utajone, które przeszło przez rekuperator.

Bogdan Szymański pisze...

@ Krzysztof

Nie masz racji. Rysunek nie dotyczy konkretnej sprężarkowej pompy ciepła leczy ogólnej zasady działania pomp ciepła gdzie nie uwzględniam strat energii z pompy do otoczenia. Kierunek strzałki naprawdę nie ma znaczenia. Nie jest to energia cieplna lecz oznacza pracę pompy (w rzeczywistości spora część tej energii jest zamieniana na ciepło ale nie cała tak jak to sugerujesz !)

@ jako

Co do zalet w większości się zgodzę z pewnym zastrzeżeniem.
Pompa ciepła to nie jest tania zabawka aby kupić ją do dogrzewania wody w gdy jest ciepło. Lepiej zainwestować już w kolektory podobnej skali inwestycja do tego energia za darmo.

2 - z tym COP 30 w lecie to przesadziłeś i to zdrowo jeżeli liczyłeś to we wzoru który podałem to jest on dla pompy teoretycznej nie uwzględnia szeregu strat na poszczególnych przemianach. Nawet przy dT 10C nie uzyskasz wyższego COP niż 7-8

Krzysztof Lis pisze...

Panowie, jeśli już upraszczamy rysunek do trzech strzałek, to ich zwroty muszą być tak skierowane, by strumienie ciepła się bilansowały.

Pompy ciepła konstruowane są tak, by straty do otoczenia w samej pompie były jak najniższe. To przecież najprostsza metoda na poprawienie COP.

jako pisze...

@ Bogdan Szymański

"z tym COP 30 w lecie to przesadziłeś i to zdrowo"

w pierwotnej wersji tekstu miałem dopisek 'przynajmniej tak wynika ze wzoru, w praktyce dużo mniej', ale usunąłem, bo chciałem wywołać dyskusję na temat drobnych rozbieżności pomiędzy teorią a praktyką - i udało się :)

"Pompa ciepła to nie jest tania zabawka aby kupić ją do dogrzewania wody w gdy jest ciepło."

Ależ do tej pory nie rozmawialiśmy tu o tanich zabawkach. Zabawką nie czyni fakt, że koszt powietrznej pompy ciepła jest niższy o kilkanaście/dziesiąt tysięcy od pompy gruntowej, co czyni ją dostępną dla dużo większej grupy ludzi.

A grzanie CWU to nie jest żadna zabawa, o czym wie każdy, kto musi grzać wodę prądem. W domach pasywnych koszt grzania CWU 'metodami klasycznymi' to bodaj największy koszt eksploatacyjny.

"Lepiej zainwestować już w kolektory podobnej skali inwestycja do tego energia za darmo."

Oczywiście, że lepiej. Kolektory słoneczne są jedną z bardziej opłacalnych źródeł energii odnawialnej. Namawiam na nie każdego, kto może je zainstalować. No właśnie ... kto może je zainstalować. Ale nie każdy może:
- nie każdy ma dostęp do dachu (niektórzy mają mieszkanie a nie dom),
- nie każdy ma dach zorientowany w dobrą stronę,
- nie każdy ma dach z odpowiednim zapasem wytrzymałości, by można było coś tam doinstalować,
- niektórzy mają dach zacieniony, co znacznie zmniejsza wydajność kolektorów,

Zainstalowanie pompy gruntowej do już istniejącej nieruchomości i zagospodarowanej działki jest trudne, łatwiej zainstalowac pompę powietrzną.

Przede wszystkim to jedyna pompa ciepła 'dla mas' - tutaj odbywa się wręcz cicha rewolucja, bo klimatyzatory z funkcją pompy ciepła są dostępne już od 1000 zł (kiepskiej jakości, to fakt, tu można zacząć mówic o zabawkach) - a za te pieniądze da się kupić co najwyżej jeden kolektor i to bez instalacji. Dla mas taka pompa ciepła nie jest niczym dziwnym, bo wygląda i działa jak klimatyzacja, tylko, że ma dodatkową funkcję taniego grzania. Dla instalatorów też nie jest to nic nowego, bo dla nich jest to zwykła klima na której od lat zjadają zęby. To własnie zabawki dostępne dla mas zmieniają świat - to garbusy i maluchy były przełomem, choć dla wielu to zabawki, a nie samochody.

Powietrzna pompa ciepła może dostarczyć nawet więcej ciepła niż kolektory, a przede wszystkim jest bardziej od nich przewidywalna (moc kolektorów jest bardzo zmienna, moc pompy mniej).
Dla mnie jedną z ważniejszych wad pompy jest duże (to pojęcie względne) zużycie prądu. Jestem zwolennikiem domów off-grid, które same wytwarzają i magazynują energię elektryczną. Kolektory słoneczne wymagają jedynie zasilania niewielkiej pompy cieczy i układów sterowania, pompy ciepła potrzebują do pracy dużo więcej prądu, którego wytwarzanie i magazynowanie jest kosztowne.
Z mojego punktu widzenia dużo ciekawsze są pompy ciepła nie zasilane silnikiem elektrycznym, ale bezpośrednio energią mechaniczną, np. wiatrakiem lub turbiną wodną. Np niewielka cicha turbina VAWT umieszczona na dachu zamiast zasilać bezpośrednio grzałkę wody, mogłaby napędzać pompę ciepła i w ten sposób mieć kilkakrotnie wyższą wydajność.

Co ciekawe, są też systemy, które są połączeniem kolektorów i pompy ciepła. Niewielka pompa ciepła pobiera ciepło utajone z płynów z kolektorów, dzięki czemu zwiększa się wydajność kolektorów w zimie, bo temperatura powrotu jest niska.

Bogdan Szymański pisze...

@ Krzysztof
Ciągle drążysz temat tego rysunku. Ta zielona strzałka nie symbolizuje energii cieplnej lecz pracę pompy

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy.

ΔU = ΔQ + ΔW

Na moim rysunku energia elektryczna pochodzi z poza układu i jest zamieniana w całości na pracę pompy dlatego nie muszę ją dodawać w postaci energii cieplnej do którejś ze stron układu.


@ Jako
Odróżnijmy sprawę klimatyzatora z TESCO od pompy powietrze woda służącej do ogrzewania CO + CWU. Choć te pompy są tańsze od innych wcale nie są takie tanie jest to inwestycja rzędu minimum kilkunastu tysięcy. Z uwagi że jest to sporo na polskie warunki producenci "zapominają" dodać że w przypadku mroźnych dni pompa powinna mieć dodatkowe źródło ciepła(nie neguje to zalet w okresie wiosna lato jesień). Naprawdę znam sporo klientów nabitych na pompę powietrze / woda.
Co mówią przeważnie:
1- gżenie w zimie wcale nie jest takie tanie
2 - w mroźne dni można trochę zmarznąć

Krzysztof Lis pisze...

@Bogdan: oczywiście, że drążę, bo rysunek laikowi kompletnie nic nie powie. Laik musi po spojrzeniu na rysunek zrozumieć, że energia doprowadzona do pompy i ciepło pobrane z gruntu sumują się i pod postacią ciepła są dostarczane do grzejników. (Pomijam straty, rzecz jasna).

Bogdan Szymański pisze...

@ Krzysztof

Dlaczego uparcie twierdzisz że energia doprowadzona do pompy w postaci energii elektrycznej musi sumować się z energią popraną z gruntu. Takie uproszczenie jest w mojej ocenie jest zbyt daleko idące i błędne.
jeżeli mówimy o sprężarkowych pompach ciepła część ok 40-60% energii elektrycznej doprowadzonej do pompy zamieniana jest na pracę i nie zostanie zamieniona na ciepło. Kolejne procenty zostaną stracone na opory przepływów w poszczególnych wymiennikach. Z grubsza mniej niż połowa energii doprowadzonej do pompy w postaci prądu jest zamieniana na ciepło i można ją dodać energii pobranej z gruntu.
Twoje twierdzenie że cała energia elektryczna jest zamieniana na ciepło jest błędne zarówno z punktu widzenia teoretycznego jak i praktycznego.

Krzysztof Lis pisze...

@Bogdan: oczywiście, że prąd zamieniany jest też na pracę w sprężarce -- tylko przypomnij sobie, co z tą pracą dzieje się dalej. Opory przepływu zamieniają straty ciśnienia na ciepło właśnie, więc to kiepski argument do obrony Twojego rysunku. ;p

Bogdan Szymański pisze...

@ Krzysztof
Straty wynikające z oporów przepływu są rozłożone na poszczególne wymienniki oraz przewody rurowe. Wynika z tego że spora część tych strat będzie przypadać na wymiennik znajdujący się poza budynkiem. Tak czy inaczej niema możliwości aby wszystkie straty zamieniane były na ciepło wewnątrz budynku

Krzysztof Lis pisze...

@Bogdan: oczywiście, że nie wszystkie -- ale jak chcesz upraszczać rysunek, to na pewno nie w ten sposób, że energia wprowadzona do sprężarki i pomp obiegowych jest tracona.

A w tym wymienniku ciepła poza budynkiem to co jest cieplejsze -- grunt dookoła niego, czy rurka wymiennika i płynący w niej czynnik? W którą stronę w tym układzie płynie KAŻDE ciepło? W którą stronę płynąć więc będzie ciepło pochodzące z oporów przepływu?

Bogdan Szymański pisze...

Nie jest tracona - jest zamieniana na Prace (to jest na moim rysunku). Zgodzę się że część tej pracy będzie zamieniana na ciepło ale nie cała.

Alojzy Środa pisze...

Kuna System www.kunasystem.pl/ - gwarancja naturalnie czystej wody!

Unknown pisze...

Poszukiwałem hydroforów do instalacji wodnej. Wybrałem Delta Pomorze i polecam.

Michał Fronczykiewiczek pisze...

Mój chłopak rozważał zakup pompy głębinowej za pośrednictwem www.pompy-pomorze.pl - jest zachwycony.