Pompy ciepła

1748 Szkocki naukowiec William Cullen demonstruje wynalazek sztucznego mechanicznego chłodzenia.

1834 Amerykanin Jacob Perkins buduje pierwsze sprężarkowe urządzenie chłodnicze, w którym czynnikiem roboczym jest eter etylowy (1). Urządzenie Perkinsa zbudowane było z czterech podstawowych elementów: sprężarki, parownika, zaworu rozprężnego i skraplacza. O jego pomyśle zapomniano na blisko 50 lat, ponieważ w tamtym czasie nie znano jeszcze zastosowania dla tego typu urządzenia.

1. Maszyna Perkinsa

2. Nicolas Carnot

1834 Francuski uczony Nicolas Léonard Sadi Carnot (2) jako pierwszy opisuje relację między energią cieplną i pracą, czyli m.in. zasad mówiących o tym, że energia mechaniczna może zostać przekształcona w energię cieplną całkowicie, natomiast ciepło jako źródło energii może być tylko częściowo przekształcone w energię mechaniczną. Jego książka z 1824 roku pozostała nieznana aż do jego śmierci w 1832 roku. Została ona wydana tylko prywatnie. Benoît Paul Émile Clapeyron wydobył ją z zapomnienia i przeanalizował w pamiętniku w 1834 r. Potem jego myśl została przeformułowana. Do jego notatek badacze dotarli w 1871.

1852 William Thomson (lord Kelvin) opracowuje teorię będącą teoretyczną podstawą funkcjonowania pomp ciepła. Zauważył, że silniki cieplne mogą być wykorzystywane nie tylko do chłodzenia, ale też do ogrzewania. Uznał też, że tego typu urządzenie grzewcze potrzebowałoby mniej energii pierwotnej w stosunku do znanych dotychczas urządzeń, za sprawą pozyskiwania ciepła z otoczenia. Opisał otwarty obieg powietrzny ze sprężarką i dwoma zbiornikami wody, spełniającymi rolę dolnego i górnego źródła ciepła. Później skonstruował parownię w jednej z warzelni soli w Austrii. W wyniku sprężania powietrza maszyna ogrzewała opary solanki, a uzyskiwane ciepło trafiało ponownie do użytku.

1855...1857 Austriacki inżynier Peter von Rittinger opracowuje i buduje urządzenie uznawane za pierwszą działającą praktycznie pompę ciepła. Poznał zasadę jej działania podczas przeprowadzania eksperymentów z wykorzystaniem utajonego ciepła pary wodnej do odparowywania solanki solnej. Jego teoretyczne rozważania z 1855 roku wykazały możliwe oszczędności energii w porównaniu do bezpośredniego opalania drewnem aż do 80%. Jego pompa ciepła została wykorzystana do suszenia soli na bagnach solnych w miejscowości Ebensee w górnej Austrii.

1873 Carl von Linde buduje w Monachium pierwszą sprężarkową maszynę chłodzącą z amoniakiem jako czynnikiem chłodniczym.

1877 Prawdopodobnie zainspirowani eksperymentami Rittingera w Ebensee, Antoine-Paul Piccard z uniwersytetu w Lozannie i J.H. Weibel z firmy Weibel-Briquet w Genewie zbudowali pierwszy na świecie naprawdę działający system kompresji pary z dwustopniową sprężarką tłokową. Ta pompa ciepła została zainstalowana w zakładzie solnym Bex w Szwajcarii (3). Pracowała ona na większą skalę niż urządzenie Rittingera i produkowała ok. 175 kg/h soli w trybie ciągłym. Aby zapobiec zanieczyszczeniu powierzchni wymiany ciepła, nowy krystalizator był wyposażony w mechaniczny zgarniacz. W 1878 roku rozpoczęto pracę ciągłą. Systemy Piccarda okazały się wielkim sukcesem. Cztery podobne zostały zastosowane w Salines du Salat we Francji, a jeden w Schönbeck w Niemczech. W 1917 r. w Bex uruchomiono drugi, większy zakład.

3. Model instalacji Piccarda w szwajcarskim Bex

1908 Léon Creux patentuje sprężarkę spiralną we Francji i w USA. Niestety ówczesna technologia odlewania i obróbki metali nie była wystarczająco zaawansowana, aby zbudować wystarczająco precyzyjnie dopasowany prototyp. Pierwsze praktyczne sprężarki spiralne pojawiły się na rynku dopiero po II wojnie światowej, kiedy to obrabiarki o wyższej precyzji umożliwiły ich produkcję.

1912 Szwajcar Heinrich Zoelly składa wniosek patentowy, w którym opisuje koncepcję gruntowego dolnego źródła ciepła do pompy ciepła (4). Został wydany w 1919 r. jako szwajcarski patent nr 59350. Jednak techniki produkcji i branża materiałowa nie były jeszcze gotowe na jego pomysły.

4. Instalacja współczesnego układu gruntowego wymiennika dla pompy ciepła

lata 20.-30. XX wieku Czynniki wykorzystywane początkowo w silnikach cieplnych, takie jak dwutlenek siarki i chlorek metylu, były toksyczne. Także amoniak zagrażał ludziom w przypadku wycieku. W latach dwudziestych XX wieku opracowano szereg syntetycznych czynników chłodniczych. Opracowanie czynników CFC R-11 i R-12 jako zamienników amoniaku, dwutlenku siarki i chlorku metylu ogłoszono w 1930 roku. Najbardziej znana z tych substancji została opatentowana pod nazwą freon. Węglowodory fluorowane, chlorowane i niekiedy bromowane są toksyczne tylko w bardzo dużych stężeniach i mają korzystne właściwości termodynamiczne. To był wielki krok naprzód, przynajmniej zanim odkryto problemy dla środowiskowa związane ze stosowaniem chlorofluorowęglowodorów (CFC).

1928 Powstaje pierwsza instalacja wytwarzająca ciepło użytkowe w budynku, wykorzystująca pompę ciepła. Chodzi o ratusz w Genewie, dla którego dolnym źródłem były wody Jeziora Genewskiego. Konstruktorem tej pompy był słowacki inżynier Aurel Stodola. Osiem lat później, w 1936 roku, zamontowano pompę ciepła w ratuszu w Zurychu wykorzystującą wody rzeki Limmat, o mocy cieplnej od 100 kW do 6 MW (5). Aby uniknąć hałasu i drgań, zastosowano niedawno opracowaną sprężarkę z tłokiem obrotowym. Ta historyczna pompa ciepła ogrzewała ratusz przez 63 lata do 2001 roku. Wtedy została zastąpiona przez nową, bardziej wydajną pompę ciepła.

Rozwój tej techniki w Szwajcarii był wywołany w dużym stopniu przez przerwy w dostawach węgla podczas wojen światowych i zagrożenie kryzysem energetycznym. Szwajcarskie firmy Sulzer, Escher Wyss i Brown Boveri zbudowały i uruchomiły w latach 1937-1945 około 35 pomp ciepła. Głównym źródłem ciepła była woda z jeziora, woda z rzeki, wody gruntowe i ciepło odpadowe.

5. Ratusz w Zurychu i kompresor zainstalowanej tam pompy ciepła

1930 Powstaje absorpcyjne urządzenie chłodnicze, którego twórcą był m.in. Albert Einstein. Na podstawie tego urządzenia konstruowane są dzisiejsze absorpcyjne pompy ciepła. Jako napęd w takim urządzeniu służy ciepło ze spalania gazu, a nie sprężarka, a energia cieplna z dolnego do górnego źródła ciepła jest przekazywana dzięki różnicy gęstości absorbentu oraz różnicy ciśnień. Einstein i Leo Szilard uzyskali patent (6) dotyczący urządzenia chłodniczego, które miało możliwość przekazywania ciepła z miejsca  niższej temperaturze do miejsca o temperaturze wyższej, dzięki m.in. różnicy ciśnień, różnicy gęstości zastosowanego absorbentu oraz dostarczaniu ciepła napędowego. Na tym patencie oparta jest współczesna technologia absorpcyjnych pomp ciepła.

6. Patent Einsteina i Szilarda

1945 Elektryk w Norwich, John Sumner, instaluje eksperymentalny system centralnego ogrzewania budynków zasilany pompą ciepła. Do tego celu wykorzystał znajdującą się nieopodal rzekę. System pracował przy średniej mocy cieplnej 147 kW. Został zaprojektowany tak, aby woda krążyła wokół systemów emiterów ciepła budynku w temperaturze 50-55°C. Pomimo sprawności i efektywności systemu nie został on szeroko skopiowany w Wielkiej Brytanii ze względu na względną niskie ceny paliw kopalnych.

1948 Amerykanin Robert Webber projektuje i buduje pierwszą gruntową pompę ciepła. Eksperymentował z wydajnością swojej zamrażarki w piwnicy swojego domu, kiedy przypadkowo poparzył sobie ręce na rurach wylotowych systemu chłodzenia. Postanowił wykorzystać wentylator chłodzący rury, który wyprowadzał ciepło przewodami powietrznymi do wnętrza pomieszczenia, ogrzewając je. Postanowił zbudować większy system do ogrzewania całego domu. Wkopując w ziemię miedziane rurki, wypełnione freonem, stworzył dolne źródło ciepła do ogrzania całego domu. Freon skraplał się i uwalniał ciepło w wymienniku w piwnicy budynku. Po rozprężeniu wracał do wymiennika w gruncie itd.

lata 50.-80. XX wieku Otworowe wymienniki ciepła (borehole heat exchangers, BHE) miały swój początek w eksperymentach przeprowadzanych od lat pięćdziesiątych w Wielkiej Brytanii, Holandii i Szwecji. Pierwszy nowoczesny BHE wykonany z rur PE został zainstalowany w 1980 r. (7).

7. Instalacja z zastosowaniem wertykalnych wymienników ciepła typu BHE

1973...87 James Lovelock informuje o znalezieniu śladowych ilości gazów chłodniczych w atmosferze. W 1974 roku Sherwood Rowland i Mario Molina przewidzieli, że gazy chłodnicze z grupy chlorofluorowęglowodorów dotrą do wysokiej stratosfery. Podejrzewali, że chlor uwalniany w wyniku częściowej dysocjacji związków w atmosferze może zaatakować warstwę ozonową, która chroni nas przed wysokoenergetycznym promieniowaniem ultrafioletowym.

Do 1978 roku obawa stała się pewnością. W 1985 roku odkryto "dziurę ozonową" nad Antarktydą. Wraz z Protokołem z Toronto w 1984 roku przyjęto projekt stopniowej redukcji CFC. Po nim nastąpiła Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej, we wrześniu 1987 r. Protokół Montrealski z rygorystycznymi umowami o wycofywaniu chlorofluorowęglowodorów. Doprowadziło to do powstania ogólnoświatowych programów awaryjnych mających na celu szybkie wycofanie CFC. Nastąpił renesans amoniaku jako czynnika chłodniczego (8). W ciągu zaledwie czterech lat opracowano czynnik chłodniczy HFC R-134a. Niestety R-134a i inne HFC są substancjami trwałymi, a ich efekt cieplarniany jest bardzo wysoki.

8. Instalacja pompy ciepła opartej na amoniaku
powstała na Politechnice Federalnej w Lozannie w 1986 roku

lata 80. XX wieku Istotnym kamieniem milowym było wprowadzenie mikroprocesorów (9). Umożliwiły one nie tylko zmianę mechanicznych sterowników P na sterowniki PID, ale także zastosowanie znacznie większej liczby czujników. Dzięki temu uzyskano znacznie lepszą kontrolę temperatury źródła ciepła i radiatora, co jest szczególnie korzystne w przypadku pomp ciepła z powietrzem zewnętrznym jako źródłem ciepła. Już w 1989 roku firma Carrier wprowadziła elektroniczny zawór rozprężny sterowany mikroprocesorem z czujnikami w parowniku, sprężarce i skraplaczu.

9. Współczesna pompa ciepła podgrzewająca wodę - sterowana elektronicznie

przełom XX i XXI wieku W tym okresie normą stały się systemy polietylenowe z zamkniętą pętlą. Główną cechą, którą zamknięty system grzewczy różni się od otwartego, jest jego izolacja od wpływów środowiska. Taki obwód zawiera pompę cyrkulacyjną, która stymuluje ruch płynu chłodzącego. Obwód pozbawiony jest wielu wad związanych z otwartym obiegiem grzewczym. 

Podział pomp ciepła

Pompy ciepła można podzielić w zależności od dolnego źródła ciepła, czyli środowiska, z którego pobierana jest energia cieplna. Pod tym względem wyróżnia się:

1. ASHP, powietrzne pompy ciepła (źródłem ciepła jest powietrze pobrane z zewnątrz), które dzielą się na:

• pompy ciepła powietrze-powietrze (transportujące ciepło do wewnątrz),
• pompy ciepła powietrze-woda (transportujące ciepło do obiegu grzewczego i do zbiornika domowego z gorącą wodą).

Powietrzne pompy ciepła są względnie proste i niedrogie w instalacji oraz historycznie są najpowszechniej stosowanymi typami pomp ciepła. Jednak z uwagi na użycie powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła mają ograniczenia.

2. GSHP (źródłem ciepła jest grunt lub podobne źródło), dzielące się dalej na:

• gruntowe, a te znów na:
  • gruntowo-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do wewnątrz),
  • glebowo-powietrzne pompy ciepła (gleba jako źródło ciepła),
  • skalno-powietrzne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła),
  • wodno-powietrzne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła, np. wody podziemne, jezioro, rzeka),
• gruntowo-wodne pompy ciepła (transportują ciepło do obiegu grzewczego i domowego zbiornika wody gorącej), z dalszym podziałem na:
  • glebowo-wodne pompy ciepła (gleba jako źródło ciepła),
  • skalno-wodne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła),
  • wodno-wodne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła).

3. Powietrze wylotowe (EAHP)

Pompy ciepła na wylotowe powietrzne pobierają ciepło z powietrza wylotowego z budynku i wymagają mechanicznej wentylacji. Wyróżnia się:

• wylotowe powietrzno-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do powietrza wlotowego),
• wylotowe powietrzno-wodne pompy ciepła (transportują ciepło do  obiegu grzewczego i domowego zbiornika ciepłej wody użytkowej).

4. Wodne pompy ciepła (WSHP)

Wodne pompy ciepła (WSHP) wykorzystują jako źródło ciepła wodę płynącą.

W zależności od zewnętrznego źródła zasilania można je również podzielić na:

• elektryczne,
• olejowe,
• gazowe (GHP - Gas Heating Pumps).

5. Hybrydowe pompy ciepła

Hybrydowa pompa ciepła jest połączeniem różnych typów pomp ciepła w jednym urządzeniu. Taka hybryda wykorzystuje zalety poszczególnych typów pomp ciepła i eliminuje większość ich wad. Pracą takiej hybrydowej pompy ciepła steruje sterownik mikroprocesorowy, który pozwala optymalnie wykorzystać warunki termiczne, co przyczynia się do zwiększenia całorocznej efektywności energetycznej w stosunku do pompy ciepła standardowego typu. Oprócz hybrydowych pomp ciepła wykorzystujących różne rodzaje energii (elektryczna, gaz, ciepło odpadowe) oraz różne zjawiska fizyczne (termodynamiczne przemiany gazowe, absorpcja, adsorpcja, przemiany fazowe wody) pojawiły się takie hybrydowe pompy ciepła, które są połączeniem gruntowej i powietrznej pompy ciepła.

Ponadto ze  względu na  zastosowany napęd wyróżniamy:

1. pompy absorpcyjne, które są napędzane energią cieplną, stosowane głównie w przemyśle,
2. pompy termoelektryczne z napędem elektrycznym,
3. pompy sprężarkowe z napędem mechanicznym, najpowszechniej stosowane w ogrzewnictwie do zasilania w ciepło domów mieszkalnych. 

M.U.