Abecadlo - Klimatyzatory i pompy ciepła

Klimatyzatory i pompy ciepła - cz. 2

Technika i gadżety
2022 / 10 / 24

W poprzedniej rubryce "Technika i gadżety" pisaliśmy o rosnącej liczbie klimatyzatorów w użyciu, ze względu na ocieplanie klimatu. Tylko w Stanach Zjednoczonych instaluje się 12 nowych systemów centralnego chłodzenia w każdej minucie! Urządzenia te są jednak ogromnym obciążeniem dla środowiska i same dokładają się do rosnących temperatur. Naukowcy poszukują nowych konstrukcji klimatyzatorów, ale praktycznym rozwiązaniem, dostępnym już dziś, mogą okazać się tzw. pompy ciepła.

Ich nazwa wskazuje - również w języku angielskim: heat pumps - że służą do ogrzewania. Ale w USA jak do tej pory służą raczej do chłodzenia pomieszczeń, więc najpopularniejsze są na południu kraju. Ich wielką zaletą jest to, że ten sam system może służyć zarówno do chłodzenia, jak i ogrzewania. Dlatego pompy ciepła zyskują coraz większą popularność również w stanach wysuniętych bardziej na północ.

Zasadę działania pompy ciepła opisywaliśmy w poprzednim odcinku, ale w uproszczeniu można powiedzieć, że jest taka sama jak klimatyzatora. A zmieniając kierunek przepływu ciepła, można ją wykorzystywać do ogrzewania bądź chłodzenia mieszkania. Jest jednak kilka rodzajów konstrukcji tych urządzeń, a każda konstrukcja ma swoje zalety i wady.

Najprostszym rozwiązaniem jest air-source heat pump - czyli pompa ciepła powietrzna. W największym stopniu przypomina zwykły klimatyzator. Urządzenie zainstalowanie na zewnątrz ma nawet taki sam wygląd. Jak sama nazwa wskazuje, pompa taka bazuje na powietrzu na zewnątrz domu, czyli tak samo jak klimatyzator. To znaczy, że temperaturą wyjściową pracy jest temperatura na zewnątrz domu.

To powoduje, że koszt jej używania zależy od pogody. Im większa jest różnica temperatury na zewnątrz i tej, którą chcemy mieć w domu, tym kompresor musi intensywniej pracować. Zużywa więc więcej energii. Warto zauważyć, że w takim klimacie, jaki mamy w New Jersey, koszt pracy pompy będzie zwykle mniejszy latem niż zimą. Bo przy upale 90oF (32oC), pompa musi zmniejszyć temperaturę o 20 stopni Fahrenheita, aby uzyskać komfortowe 70oF (21oC). Natomiast zimą, nawet przy minimalnym mrozie, np. 30oF (-1oC), pompa musi zwiększyć temperaturę aż o 40 stopni Fahrenheita.

Przy dużych mrozach jest jeszcze gorzej, bo pompa ciepła nie jest w stanie pracować. Dlatego musi wspomagać się grzałką elektryczną, aby ogrzać powietrze do akceptowalnej temperatury. To oczywiście zwiększa koszt używania pompy ciepła, bo ogrzewanie elektryczne jest pod względem kosztów niekorzystne. Nie brzmi to zachęcająco, ale pompa ciepła powietrzna i tak jest efektywniejsza od ogrzewania domu gazem czy olejem. Rządowe źródła podają, że nawet o 50%, ale to oczywiście zależy od pogody w danej lokalizacji.

Badanie Northeast Energy Efficiency Partnerships wykazało oszczędności konkretnie w regionie północnego wschodu USA oraz regionu środkowego wybrzeża wschodniego. W porównaniu z innymi systemami, pompy ciepła zaoszczędziły od 3000 kWh do 6200 kWh. Powietrzne pompy ciepła zostały w ciągu ostatniej dekady mocno udoskonalone i efektywnie pracują w znacznie szerszym zakresie temperatur niż dawniej.

Pompa ciepła wygląda podobnie jak klimatyzator, bo działa na tej samej zasadzie. Może jednak również ogrzewać.

Niezależna od pogody jest natomiast pompa ciepła geotermalna (geothermal heat pump). Jest droższa od pompy powietrznej i wymaga wiercenia otworu w ziemi. Ale zamiast polegać na zmiennej temperaturze powietrza, wykorzystuje temperaturę, która pod ziemią jest stabilna. Już na głębokości 10 stóp wynosi ona stale około 54oF (12oC). Dostęp do niej otrzymuje się przez pompowanie płynu do zakopanych wymienników ciepła.

Takie rozwiązanie jest doskonałe zarówno latem jak i zimą. Latem temperatura z ziemi jest już niższa od wymaganej w domu, więc pompa ciepła pracuje w minimalnym stopniu. Zimą natomiast potrzebne jest ogrzanie o zaledwie kilkanaście stopni Fahrenheita. Pompa geotermalna sprawdza się więc nawet w zimnym klimacie, nie wymaga dogrzewania elektrycznego i jej sprawność jest bardzo wysoka.

Stosunkowo nowym typem pomp ciepła jest pompa absorpcyjna (absorption heat pump). Zamiast kompresora do silnego sprężania gazu - jak to jest w tradycyjnej pompie - tu używa się sprężarki o stosunowo małej mocy. Jako gaz wykorzystywany jest bowiem amoniak - nieorganiczny związek azotu i wodoru (NH3) - który jest rozpuszczalny w wodzie. Duża część amoniaku jest rozpuszczana w wodzie, a sprężana jest tylko pozostała część, co wymaga znacznie mniej energii. Potem jednak trzeba uwolnić amoniak z wody, co realizuje się przez jej podgrzewanie. Najczęściej do podgrzewania używa się gazu, dlatego pompa absorpcyjna nazywana jest także "gas-fired".

Pompy absorpcyjne stosuje się w miejscach, gdzie nie ma elektryczności, ale także wtedy, gdy dostępne jest tanie źródło ciepła, jak np. solarne albo gorących wód geotermalnych. Takie pompy przeważnie są wykorzystywane w przemyśle, ale także w dużych domach, o powierzchni co najmniej 4 tysięcy stóp kwadratowych (370 m2). Choć używają do pracy podgrzewania, mogą też służyć jako urządzenia chłodzące.

Pompy ciepła mogą w różny sposób dostarczać podgrzane lub schłodzone powietrze do wnętrza domu. Może to odbywać się przez kanały wentylacyjne, takie same, jak stosuje się w centralnym systemie chłodzenia. Takie rozwiązanie stosuje się najczęściej przy budowie nowego domu lub wtedy, gdy poprowadzenie kanałów jest możliwe.

W domach, gdzie wbudowanie takich kanałów jest trudne, stosuje się rozwiązanie określane jako ductless albo mini-split. Kompresor znajduje się - tak jak w każdym systemie - na zewnątrz domu. Do części wewnętrznej prowadzi kanał, który wymaga tylko 3-calowego otworu w ścianie. Co więcej, części wewnętrznych może być kilka. Każde z nich ma własny termostat, można więc ustawiać niezależną temperaturę dla każdego z pokojów, gdzie urządzenia są zainstalowane.

Takie rozwiązanie umożliwia też wygodną lokalizację kompresora, który jest głośny. Kanał do części wewnętrznej może mieć długość nawet 50 stóp (15 m). Niestety, instalacja jest droższa i nieco bardziej skomplikowana. Instalator musi prawidłowo umiejscowić i obliczyć wydajność każdej części wewnętrznej. Zbyt duża będzie powodować marnowanie energii, zbyt mała spowoduje częste uruchamianie systemu, a mimo to niewystarczające efekty działania.

Przy wyborze pompy ciepła warto zwrócić uwagę na dodatkowe funkcje, dostępne w różnych modelach. Niektóre oferują kompresor pracujący z dwoma prędkościami (two-speed compressor). Jego wydajność może być dzięki temu lepiej dopasowana do aktualnego zapotrzebowania. Kompresor rzadziej wówczas się włącza i wyłącza, co wydłuża jego żywot. Dwa poziomy wydajności świetnie się sprawdzają w systemach podzielonych na strefy. Gdy chłodzenie lub ogrzewanie potrzebne jest tylko w jednej strefie, kompresor nie musi włączać się z całą mocą.

Niektóre pompy ciepła mają też zmienną prędkość wentylatora pompującego do mieszkania ogrzane lub schłodzone powietrze. Wentylator może mieć np. dwie prędkości pracy (dual-speed blower) albo nawet prędkość zmienianą płynnie (variable-speed). Mniejsza prędkość, gdy nie jest potrzebna maksymalna, to nie tylko oszczędność energii. Zwiększa też komfort w mieszkaniu, ograniczając przeciągi i hałas.

Pompy ciepła o wysokiej efektywności mogą być też wyposażone w desuperheater. To rekuperator, który odzyskuje ciepło wydzielane w trybie chłodzenia i wykorzystuje je do ogrzewania domowego zbiornika z ciepłą wodą.

Ceny pomp ciepła są bardzo różne, zależne od ich rodzaju, dodatkowych funkcji i oczywiście marki. Ogólnie można przyjąć, że zawierają się w granicach od 4 do 12 tysięcy dolarów, wraz z instalacją, która też może kosztować bardzo różnie. Generalnie jednak, są to ceny porównywalne do zainstalowania centralnej klimatyzacji. Jeżeli pompa ciepła używana jest zarówno jako klimatyzator, jak i ogrzewanie, zużywać się będzie szybciej. Ale wtedy zastępuje dwa systemy - chłodzenia i ogrzewania. W zależności od intensywności używania, żywotność pomp wynosi od 10 do nawet 25 lat.

Przy ewentualnym zakupie warto sprawdzić programy stanowe, jak i federalne, które mogą oferować finansowe wsparcie. Inwestycja może się opłacić nawet wtedy, gdy dom sprzedajemy. Badanie opublikowane w 2020 roku w magazynie "Nature Energy" pokazało, że dom wyposażony w pompę ciepła może uzyskać cenę nawet o 17 tysięcy dolarów wyższą od domu bez takiego urządzenia.