Solarne pompy ciepła

Od kiedy dział o ogrzewaniu wyodrębniłem do osobnego bloga, staram się pisywać tu w miarę regularnie nowe artykuły. Niestety, idzie mi to niespecjalnie, co widać, bo nowe teksty pojawiają się rzadko. Teraz jeszcze jestem na urlopie i jest mi jeszcze trudniej coś napisać. Dlatego z entuzjazmem przyjąłem motywacyjnego kopniaka, który mi zaserwowano. Ostatnio pod wpisem Jak działają pompy ciepła czytelniczka spytała, czy możliwe jest takie skonstruowanie pompy ciepła, by była zasilana przez energię słoneczną.

Jest to możliwe, i to co najmniej na kilka sposobów. Ja znam trzy. I te trzy sposoby połączenia pompy ciepła i systemu solarnego właśnie opiszę tu w artykule.

Pompy ciepła są urządzeniem, które pozwala pobrać ciepło ze źródła o niskiej temperaturze (np. zimowe powietrze, gruntowy wymiennik ciepła, podziemny ciek wodny) i oddać je w wyższej temperaturze w użytecznej dla nas formie — w grzejnikach albo w ogrzewaniu podłogowym. Ich zaletą jest to, że do pozyskania jednej jednostki użytecznego ciepła zużywa się ledwie 1/4 czy 1/3 jednostki energii elektrycznej. Z kolei energia elektryczna jest bardzo łatwo dostępna, i to do tego w olbrzymich ilościach. Na każdy metr kwadratowy powierzchni ziemi w Polsce trafia rocznie ok. 1 000 kWh energii słonecznej. To tyle, że wystarczyłoby do ogrzania domu pasywnego o powierzchni ponad 65 metrów kwadratowych, gdybyśmy byli w stanie całą tę energię pozyskać i przetworzyć na ciepło. Połączenie pompy ciepła z systemem solarnym pozwala korzystać z energii słonecznej efektywniej, niż w przypadku na przykład kolektorów słonecznych czy ogrzewania słonecznego.

A zatem — same zalety. Ale jak to wygląda w szczegółach?

Wariant pierwszy. Fotowoltaika i sprężarkowa pompa ciepła.

Ten wariant wydaje się być najbardziej oczywisty i chyba najwcześniej przychodzi do głowy. W końcu pompy ciepła, te popularne, czyli sprężarkowe, zużywają energię elektryczną. A energię elektryczną łatwo przecież wyprodukować z pomocą ogniw fotowoltaicznych, czyli baterii słonecznych. Potem ten prąd z ogniw fotowoltaicznych wystarczy zaprząc do zasilenia sprężarki pompy ciepła i pozamiatane.

W tym wariancie nie ma kompletnie znaczenia, skąd pompa ciepła bierze ciepło, czyli co jest jej tzw. dolnym źródłem. Może to równie dobrze być pompa ciepła powietrze-powietrze (co w najpopularniejszej postaci jest po prostu klimatyzatorem z funkcją grzania), pompa ciepła woda-woda czy dowolna inna.

Ten wariant wydaje się być prosty, ale niestety nie jest aż tak kolorowo. Ogniwa fotowoltaiczne produkują prąd stały, o natężeniu zależnym od natężenia padającego na nie promieniowania słonecznego. Typowa sprężarka pompy ciepła wymaga zaś prądu zmiennego, jedno- lub trzyfazowego. Czyli aby zasilać pompę ciepła energią elektryczną z baterii słonecznych, potrzeba kilka dodatkowych urządzeń. Absolutne minimum to bateria akumulatorów, które będą magazynować prąd — i przetwornica (falownik), która zamieni prąd stały z akumulatorów na prąd zmienny.

Sprawność takiego układu nie przeraża. Energia słoneczna w ogniwach fotowoltaicznych zamieniana jest na prąd ze sprawnością ledwie kilkunastu procent — dla równego rachunku przyjmijmy 15%. Sprawność akumulatorów jest zazwyczaj rzędu 65%, sprawność przetwornicy pewnie nie przekracza 90-95%. Uwzględniając wszystkie straty po drodze, do zasilenia pompy ciepła zużyjemy ledwie 10% energii słonecznej! Wprawdzie pompa ciepła zamieni ten prąd na kilkukrotnie większą ilość ciepła, ale i tak uzysk ciepła stanowić będzie ledwie 30-40% energii słonecznej trafiającej do ogniw fotowoltaicznych.

Niewiele, prawda? Nie dość, że układ drogi (bo drogie są baterie słoneczne), to jeszcze mało efektywny…

Wariant drugi. Kolektor słoneczny i sprężarkowa pompa ciepła

Ten wariant znacząco różni się od poprzedniego, choć po samym nagłówku może zdawać się coś innego.

W tym konkretnie przypadku musimy mieć do czynienia z pompą ciepła, która czerpie ciepło z cieczy. To najpopularniejsze pompy ciepła, wyposażone w gruntowy wymiennik ciepła, czyli zakopaną pod trawnikiem wężownicę zawierającą płyn niezamarzający. Ten czynnik właśnie służy do pobierania ciepła zmagazynowanego w ziemi.

Taka pompa ciepła ma tę wadę, że ten wymiennik ciepła zimą może zamarzać. Grunt na głębokości około półtora metra ma zawsze temperaturę rzędu 5°C. Zawsze, czyli i latem i zimą, i w dzień i w nocy. Wpakowanie tam wężownicy z niezamarzającym glikolem i odbieranie z tego miejsca ciepła obniża jego temperaturę. Przy źle dobranym (zbyt małym) gruntowym wymienniku ciepła, ilość ciepła odbieranego przez glikol będzie tak duża, że wokół niego temperatura spadnie poniżej zera — i grunt zamarznie. Zresztą nawet jeśli to nie nastąpi, w najlepszym przypadku to właśnie te 5°C będzie największą temperaturą dolnego źródła ciepła, jaką taka pompa może uzyskać.

Co istotne, im wyższa temperatura dolnego źródła, tym efektywniej działa pompa. Przepompowanie ciepła z temperatury +5°C do temperatury +30°C wymaga więcej prądu, niż z temperatury +15°C do +30°C. Widać więc, że wychładzanie gruntu pogarsza warunki pracy pompy ciepła i zwiększa zużycie energii. Czy więc nie warto byłoby skorzystać z okazji i podnieść temperaturę dolnego źródła ciepła?

Warto — i czasem można. Na przykład pobierając ciepło z kolektora słonecznego zamiast z gruntowego wymiennika ciepła.

Może troszkę trudno to sobie wyobrazić, ale przecież w kolektorze słonecznym też może płynąć niezamarzający glikol. I jeśli nie chcesz spuszczać z niego wody na zimę, to nie masz wielkiego wyboru — w kolektorze musi krążyć glikol lub podobny płyn. A zatem, jeśli podłączysz kolektor do pompy ciepła i skorzystasz ze słonecznego zimowego dnia, możesz łatwo poprawić warunki pracy pompy ciepła.

Jeśli zaczynasz się buntować przeciwko takiemu rozwiązaniu,  bo przecież kolektor ma podgrzewać ciepłą wodę użytkową, już spieszę z wyjaśnieniami. Oczywiście, takie jest założenie kolektora, ale on efektywnie działa tylko latem. Albo latem, wiosną i jesienią. Tylko nieliczne kolektory słoneczne (kolektory próżniowe, i to też nie wszystkie) mogą skutecznie podgrzewać wodę do mycia również zimą. Cała reszta kolektorów nie da sobie rady. One mają zbyt duże straty ciepła i zimą nie będą w stanie wyprodukować czynnika grzewczego o temperaturze wyższej niż 10-20°C. A to przecież zbyt zimna woda, by się w niej kąpać.

Szczęśliwie czynnik grzewczy o tej temperaturze dla pompy ciepła nie jest zbyt zimny. Doprowadzamy więc do sytuacji, w której pompa ciepła pobiera ciepło z glikolu podgrzanego nieco przez słońce. To pozwala poprawić efektywność energetyczną tej pompy, czyli przy takiej samej ilości wyprodukowanego ciepła, zużywa ona mniej prądu. Ale to nie koniec zalet takiego rozwiązania! Również kolektor słoneczny pracuje efektywniej! Bo straty ciepła w kolektorze zależą od tego, jaka jest temperatura czynnika, który w nim płynie. Im chłodniejszy, tym lepiej — tym mniejsze straty ciepła. Podłączenie kolektora do pompy ciepła w oczywisty sposób obniży jego temperaturę, a zatem pozwoli efektywniej pozyskiwać energię słoneczną. Może się więc okazać, że kolektor, który ledwie radził sobie przy podgrzewaniu wody do mycia w kwietniu, w marcu i grudniu skutecznie odciąży pompę ciepła!

Jest jeszcze jedna, mniejsza zaleta — pompa ciepła zużywa też prąd na napęd pompek obiegowych, które przetłaczają glikol przez gruntowy kolektor ciepła i pompy domowej instalacji grzewczej. Przetłaczanie glikolu przez kolektor słoneczny jest tańsze, bo ma on zazwyczaj mniej zakrętów i krótszą rurkę — co powoduje, że opory przepływu przez kolektor są mniejsze a to daje mniejsze zużycie prądu przez pompę obiegową.

Jeśli masz kolektor słoneczny domowej roboty i rozważasz zakup pompy ciepła, pomyśl o połączeniu obydwu urządzeń. Są ludzie, którzy na etapie budowy domu umieszczają pod blachodachówką długi wąż, który później zamierzają napełnić glikolem i podłączyć do pompy ciepła. Ten wąż i blachodachówka będą się nagrzewać od słońca, oczywiście słabiej niż najtańszy kolektor, ale za to koszt położenia tego węża jest naprawdę znikomy.

Wariant trzeci. Kolektor słoneczny i absorpcyjna pompa ciepła

Jeśli sądzisz, że napędzać pompę ciepła można tylko przez elektryczną sprężarkę, jesteś w błędzie. Bo można ją napędzać też przez elektryczną grzałkę, gazowy palnik czy wręcz wspomniany kolektor słoneczny.

Typowa pompa ciepła zawiera w sobie sprężarkę. I to bez względu na to, czy jest to grzewcza pompa ciepła, samochodowy klimatyzator, czy lodówka (a precyzyjniej pisząc — chłodziarka). Ta sprężarka zasilana jest elektrycznie lub mechanicznie (paskiem klinowym od samochodowego silnika). Ale są też pompy ciepła absorpcyjne, które działają dzięki dostarczeniu do nich ciepła.

Nie chcę tu opisywać zasady działania absorpcyjnej pompy ciepła, bo po pierwsze to trochę skomplikowana historia, a po drugie nie przypuszczam, bym był w stanie to dobrze zrobić. Musi Wam więc wystarczyć informacja, że takie coś jak absorpcyjne pompy ciepła istnieje — i najczęściej montowane jest w chłodziarkach. Takie chłodziarki jeżdżą w samochodach i przyczepach kempingowych, bo dla nich są idealne — do pracy wystarczy im gaz z butli albo prąd podłączony na polu namiotowym. Jednocześnie nie mają hałasującej sprężarki, co też nie jest bez znaczenia.

Absorpcyjne pompy ciepła nie są zbyt efektywne. Gdy stosuje się je jako chłodziarki, mają współczynnik wydajności (coś takiego, jak sprawność) rzędu 0,7 — czyli gdy dostarczymy do nich jedną jednostkę ciepła, one z piwa trzymanego wewnątrz odbiorą tylko 0,7 jednostki ciepła. Gdy stosuje się je jako pompy ciepła, ta wydajność rośnie do poziomu rzędu 1,7 — bo również ciepło wprowadzone przez nas z pomocą grzałki czy palnika możemy później wykorzystać. Dla porównania przypomnę, że pompa ciepła sprężarkowa z jednej jednostki prądu daje 3-4 jednostek ciepła, zatem jej współczynnik wydajności dla pracy grzewczej wynosi 3-4 (dla pracy chłodniczej odpowiednio o 1 mniej — 2-3).

W przypadku absorpcyjnej grzewczej pompy ciepła tę niewysoką wydajność łatwo zaakceptować. Gdyby porównać ją do sprawności gazowego kotła kondensacyjnego, wynoszącą ledwie 108% (co odpowiadałoby współczynnikowi wydajności 1,08), i tak mamy znacznie lepszy wynik — a korzystamy z tego samego nośnika ciepła — gazu ziemnego. I to też niekoniecznie, bo absorpcyjną pompę ciepła można też opalać węglem czy drewnem. No i można też ją zasilać energią słoneczną, do czego zmierzam od początku tego przydługiego wstępu.

W trzecim wariancie energia słoneczna również napędza pompę ciepła, jak w wariancie pierwszym. Tylko, że tym razem, znacznie efektywniej. Kolektor słoneczny zawsze będzie miał większą sprawność, niż ogniwo fotowoltaiczne… Niestety, co zyskamy na energii napędzającej pompę, stracimy na energii, która pompę opuszcza. Tu z jednej jednostki energii słonecznej dostaniemy nie więcej jak jedną jednostkę ciepła. A i tak jest to optymistyczne założenie.

Po co więc się w to bawić? Jeśli mam być szczery, odpowiem wprost — nie wiem. I nie znam tak naprawdę żadnego komercyjnego rozwiązania, które wcielałoby ten trzeci wariant w życie. Słyszałem o pomyśle wykorzystania ciepła słonecznego do napędu czegoś w rodzaju absorpcyjnej lodówki. Nie całkiem lodówki, bo pracująca cyklicznie maszyna była w stanie wyprodukować dziennie kilka kilogramów lodu. Takie rozwiązanie może się przydać w miejscach, gdzie chłodu brak a energii słonecznej jest w bród, czyli w tropikach. I też tylko raczej do przechowywania naprawdę ważnych towarów (leków, szczepionek) a nie do chłodzenia piwa czy klimatyzacji…

Artykuły powiązane tematycznie:

1. Ogrzewanie solarne – jak ogrzać dom kolektorem? Szukając metod na obniżenie kosztów utrzymania domu, inwestorzy często pod...
2. Błędny wybór pompy ciepła W jednym z ostatnich (czerwcowym) numerze miesięcznika Ładny Dom znalazł...
3. Współczynnik wydajności pompy ciepła Jednym z najistotniejszych parametrów dotyczących efektywności i opłacalności korzystania z...
4. Dlaczego pompy ciepła lubią ogrzewanie podłogowe? Jako jedną z wad pomp ciepła podaje się niekiedy wyższy...
5. Jak działają pompy ciepła? Dla wielu osób, które po raz pierwszy spotykają się z...