Odnawialne źródła energii w rolnictwie - pompy ciepła

Pompy ciepła do swojego działania wykorzystują naturalne źródło energii, którym jest energia geotermiczna Ziemi zakumulowana w gruntach i skałach, a także w wodach wypełniających struktury porowate skorupy ziemskiej. Energia ta może być odbierana za pomocą specjalnych wymienników ciepła i wykorzystywana głównie do celów grzewczych. Akumulowanie energii w gruncie jest natomiast efektem pochłaniania promieniowania słonecznego oraz wymiany ciepła z otaczającym środowiskiem.(1)

Pompa ciepła jest niskotemperaturowym urządzeniem grzewczym, którego zasada działania opiera się na zjawiskach i przemianach fizycznych (rys. 1)

Rys. 1. Schemat ideowy działania pompy ciepła.

W jej termodynamicznym obiegu zachodzą w sposób ciągły cztery procesy. W parowniku czynnik roboczy ulega procesowi odparowania, poprzez co odbiera ciepło z otoczenia. Następnie w kompresorze następuje proces sprężania czynnika roboczego, a za kompresorem czynnik roboczy posiadający wysoką temperaturę i ciśnienie ulega procesowi skraplania w skraplaczu, dzięki czemu oddaje ciepło do otoczenia. Ostatnim procesem, jakiemu podlega czynnik roboczy jest rozprężanie realizowane na zaworze, który dozuje czynnik roboczy do parownika, a proces zaczyna się ponownie. Proces transportu ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o temperaturze wyższej jest możliwy jedynie przy udziale energii dostarczonej z zewnątrz. Energią tą jest energia elektryczna doprowadzona do napędu sprężarki będącej jednym z elementów obiegu termodynamicznego. Pompa ciepła czerpię energię ze źródła o niskiej temperaturze (ok. 0-10 oC) i dostarcza je do odbiornik podgrzewającego wodę do temperatury ok. 50 oC. W związku z tym najlepszymi odbiornikami ciepła generowanego przez pompę ciepła są systemy niskotemperaturowe np.: ogrzewanie podłogowe, panele ścienne, klimakonwektory lub specjalne niskotemperaturowe grzejniki o zwiększonej powierzchni.(2)

Pozyskiwanie energii z gruntu przez pompy ciepła odbywa się za pomocą specjalnych wymienników zwanych również kolektorami (rys. 2). Jeśli są one umieszczone w ziemi poziomo na głębokości do 2 m, to mówimy wtedy o kolektorach gruntowych. Natomiast w przypadku wymienników umieszczonych w pionowych otworach na głębokości do 150-200 m określamy je pionowymi sondami ciepła. Spośród tych dwóch rozwiązań więcej zalet posiadają sondy pionowe, które pracują w korzystniejszych warunkach temperaturowych, tj. wychłodzenie, a nawet przemarzanie wierzchnich warstw gruntu w zimie, kiedy jest wymagana maksymalna moc grzania, nie wpływa znacząco na wydajność pompy ciepła. Ponadto potrzebują one znacznie mniej miejsca na instalacje, co w wielu przypadkach jest istotne. Niestety główną wadą tego układu jest stosunkowo wysoki koszt wiercenia.(1)

Rys. 2. Schemat układu ogrzewania z pompą ciepła wykorzystującą kolektory pionowe i gruntowe

Stosowanym od niedana rozwiązaniem są również pompy ciepła zwane rekuperatorami, które odzyskują energię z powietrza wentylacyjnego i powtórnie wykorzystują ją do ogrzewania pomieszczeń.

W zależności od zapotrzebowania na ciepło pompy ciepła mogą stanowić jedyne źródło ciepła, ale w wielu przypadkach mogą działać jako urządzenie wspomagające lub być same wspomagane w okresach szczytowych przez inne źródła ogrzewania. Należy również pamiętać, że pompy do swojego funkcjonowania potrzebują energii elektrycznej, której zużycie według różnych szacunków stanowi ok. 25% energii ostatecznie uzyskanej. Dodatkowo w przypadku awarii sieci energetycznej instalacja grzewcza oparta na pompach ciepła nie będzie funkcjonowała. Wadą tego rozwiązania jest jeszcze ciągle dość wysoki koszt początkowy inwestycji. Niemniej jednak, podobnie jak w przypadku innych źródeł OŹE, pompa ciepła umożliwia pozyskanie energii z zasobu odnawialnego bez szkody dla środowiska, co stanowi wartość trudną do przecenienia. Ważną zaletą pomp ciepła, o której rzadko się wspomina jest to, że w okresie letnim może być ona wykorzystywana również do chłodzenia pomieszczeń, wystarczy tylko odwrócić kierunek przepływu czynnika roboczego.


Przypisy:
(1) Nowak W., Stachel A. A., Borusewicz – Gozdur A.: Zastosowanie odnawialnych źródeł energii. Politechnika Szczecińska, 2008.
(2) Tytko R.: Odnawialne źródła energii. OWG Warszawa, 2009.