Projekt okładki i stron tytułowych Przemysław Spiechowski

Ilustracja na okładce Terriana/iStock

Wydawca Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji Adam Kowalski

Redaktor Małgorzata Kopczyńska

Produkcja Mariola Grzywacka

Dział reklamy Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Dział marketingu marketing.pwn@pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzent prof. dr hab. inż. Magdalena Piasecka
Politechnika Świętokrzyska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2025

ISBN 978-83-01-24064-6

https://doi.org/10.53271/2024.151

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2025 r. (Wydanie I)

Warszawa 2025

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 3w21; faks 22 69 54 288;

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Fragment

Wprowadzenie

1. Czym są współczesne pompy ciepła

2 Efektywność energetyczna a pompy ciepła

2.1. Czym jest efektywność energetyczna

2.2. Rola pomp ciepła w poprawie efektywności energetycznej

2.3. Pompy ciepła w polityce energetycznej Polski

3. Rys historyczny powstania i rozwoju pomp ciepła

3.1. Wprowadzenie

3.2. Chronologia ważniejszych wydarzeń, które wpłynęły na rozwój pomp ciepła

3.3. Podsumowanie

4. Podstawy termodynamiczne działania pomp ciepła

4.1. Idealny obieg Carnota. Silnik cieplny

4.2. Idealny obieg Carnota wstecz. Pompa ciepła, chłodziarka

4.3. Działanie pompy ciepła. Obieg idealny i teoretyczny

4.4. Straty w rzeczywistych obiegach parowych

4.5. Obiegi termodynamiczne parowych pomp ciepła w układzie ciśnienie–entalpia

5. Dolne i górne źródła pomp ciepła sprężarkowych

5.1. Podstawy wyboru i podział źródeł ciepła pompy ciepła

5.2. Powietrze atmosferyczne

5.3. Grunt

5.3.1. Podstawowe cechy gruntu jako dolnego źródła pompy ciepła

5.3.2. Powstanie idei wykorzystania gruntu jako źródła ciepła

5.3.3. Wymienniki gruntowe

5.4. Wody gruntowe

5.5. Wody powierzchniowe

5.6. Źródła ciepła odpadowego

6. Zapotrzebowanie na energię użytkową, końcową i pierwotną. Rola pomp ciepła w zmniejszaniu zużycia energii

6.1. Konieczność ograniczenia zużycia energii

6.2. Zapotrzebowanie na energię użytkową

6.3. Zapotrzebowanie na energię końcową

6.4. Zapotrzebowanie na energię pierwotną

6.5. Wyznaczanie zużycia energii końcowej i pierwotnej w hipotetycznym budynku z pompą ciepła

7. Systemy sprężarkowych pomp ciepła

7.1. Różne systemy pomp ciepła i systemy z pompami ciepła

7.2. Sprężarkowa parowa pompa ciepła jako system energetyczny

7.2.1. Rewersyjna pompa ciepła

7.2.2. Kaskadowa pompa ciepła

7.2.3. Pompy ciepła z wielostopniowym sprężaniem

7.3. Sprężarkowe pompy ciepła realizujące gazowe obiegi chłodnicze

8. Współczynniki wydajności cieplnej pomp ciepła

8.1. Ocena efektywności energetycznej pomp ciepła

8.2. Współczynnik wydajności cieplnej COP

8.3. Sezonowy współczynnik wydajności cieplnej SCOP

8.4. Sezonowy współczynnik efektywności energetycznej SPF

8.5. Współczynniki opisujące współpracę pompy ciepła ze słoneczną instalacją grzewczą

8.6. Współczynniki efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych

9. Integracja pomp ciepła z niskotemperaturowymi sieciami ciepłowniczymi małej skali

9.1. Wprowadzenie

9.2. Perspektywiczne rozwiązania technologiczne w sieciach ciepłowniczych

9.3. Pilotażowe instalacje sieci niskotemperaturowych

9.3.1. Pierwsze niskotemperaturowe sieci ciepłownicze

9.3.2. Instalacja pilotażowa w Lystrup – Dania

9.3.3. Instalacja pilotażowa w Kassel Feldlager – Niemcy

9.4. Analiza hipotetycznej niskotemperaturowej sieci ciepłowniczej zasilającej osiedle domów jednorodzinnych w warunkach krajowych

9.4.1. Hipotetyczne osiedle

9.4.2. Niskotemperaturowy system grzewczy osiedla

9.4.3. Zapotrzebowanie na ciepło w budynkach

9.4.4. Działanie systemu grzewczego osiedla

10. Pompy ciepła w systemach energetycznych nowoczesnych zeroemisyjnych miast

10.1. Formalne wsparcie do wykorzystania pomp ciepła w miastach

10.2. Metoda LCA – Ocena cyklu życia

10.3. Pompy ciepła w inteligentnych miastach

10.4. Osiedla dodatnie energetycznie

11. Czynniki robocze stosowane w pompach ciepła

11.1. Czynniki robocze obiegów podstawowych

11.1.1. Charakterystyka czynników roboczych w sprężarkowych pompach ciepła

11.1.2. Nazewnictwo

11.2. Wymagania prawne dotyczące stosowania czynników roboczych

11.3. Podział czynników ze względu na skład i budowę cząsteczkową

11.4. Właściwości najpopularniejszych obecnie i perspektywicznych czynników roboczych

11.5. Czynniki robocze w układach sorpcyjnych

11.5.1. Woda–wodny roztwór bromku litu

11.5.2. Amoniak–woda

11.6. Czynniki robocze obiegów pośredniczących

11.6.1. Wodne roztwory soli

11.6.2. Wodne roztwory glikolu

11.6.3. Roztwory alkoholi jednowodorotlenowych

11.7. Podsumowanie

12. Przykłady obliczeniowe funkcjonowania sprężarkowych pomp ciepła

12.1. Wprowadzenie do obliczeń energetycznych sprężarkowych pomp ciepła

12.2. Przykłady obliczeniowe

13. Absorpcyjne pompy ciepła

13.1. Wprowadzenie do obiegów absorpcyjnych

13.2. Zasada działania absorpcyjnej pompy ciepła

13.3. Absorpcyjna pompa ciepła pracująca wg obiegu idealnego – obieg Carnota

13.4. Właściwości roztworów

13.5. Czynniki stosowane w absorpcyjnych pompach ciepła

13.6. Model obliczeniowy absorpcyjnego urządzenia (pompy ciepła/urządzenia chłodniczego) z zespołem sorpcyjnym H₂O-LiBr

13.7. Model obliczeniowy absorpcyjnego urządzenia (pompy ciepła/urządzenia chłodniczego) z zespołem sorpcyjnym NH₃-H₂O

13.8. Przykład obliczeniowy z wyznaczeniem bilansu energetycznego dla absorpcyjnego urządzenia z zespołem sorpcyjnym H₂O–LiBr

Załącznik 1

Załącznik 2

14. Adsorpcyjne pompy ciepła

14.1. Wprowadzenie

14.2. Zasada działania adsorpcyjnych pomp ciepła/urządzeń adsorpcyjnych

14.3. Obieg termodynamiczny złoża adsorpcyjnego

14.4. Zaawansowane obiegi adsorpcyjne

14.5. Zespoły sorpcyjne do adsorpcyjnych pomp ciepła

14.6. Podsumowanie

15. Wysokotemperaturowe pompy ciepła w zastosowaniach ciepłowniczych

15.1. Przesłanki do wykorzystania pomp ciepła w systemach ciepłowniczych

15.1.1. Przesłanki natury prawnej

15.1.2. Przesłanki natury technicznej

15.2. Warunki techniczne

15.2.1. Uwarunkowania po stronie sieci ciepłowniczej

15.2.2. Dostępne źródła ciepła

15.2.3. Konfiguracja układów

15.2.4. Czynniki robocze

15.3. Strategie doboru i sterowania pomp ciepła

15.4. Uwarunkowania ekonomiczne

16. Zastosowania pomp ciepła. Budownictwo jednorodzinne – mikroskala

16.1. Ogólna charakterystyka i wymagania stawiane układom z pompami ciepła stosowanym w budownictwie jednorodzinnym

16.2. Podział rozwiązań z pompami ciepła w zależności od sposobu przygotowania ciepłej wody

16.2.1. Pompa ciepła z kompaktowym modułem wewnętrznym

16.2.2. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym oraz podgrzewaczem wody o dużej pojemności

16.2.3. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym oraz podgrzewaczem wody do współpracy z kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej

16.2.4. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System z warstwowym zbiornikiem wielofunkcyjnym i przepływowym podgrzewaczem wody

16.2.5. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System ze zbiornikiem buforowym z wbudowanym dodatkowym zbiornikiem ciepłej wody

16.2.6. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System ze zbiornikiem buforowym wbudowaną wężownicą pełniącą rolę przepływowego podgrzewacza wody

16.2.7. Projektowanie instalacji ze zbiornikiem wielofunkcyjnym

16.3. Rozwiązania z pompami ciepła typu powietrze–woda. Podział w zależności od budowy pompy ciepła

16.3.1. Pompy ciepła powietrze–woda typu split

16.3.2. Pompy ciepła powietrze–woda typu monoblok do montażu na zewnątrz budynku

16.3.3. Monoblokowe pompy ciepła powietrze-woda do montażu wewnątrz budynku

16.4. Typowe schematy hydrauliczne z pompami ciepła powietrze–woda typu split

16.4.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej

16.4.2. Układ ze zbiornikiem buforowym z funkcją sprzęgła hydraulicznego

16.4.3. Układ ze zbiornikiem buforowym w układzie szeregowo-równoległym

16.5. Typowe schematy hydrauliczne z pompami ciepła monoblok do montażu na zewnątrz budynku

16.5.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej

16.5.2. Układ ze zbiornikiem buforowym z funkcją sprzęgła hydraulicznego

16.6. Schematy hydrauliczne z pompami ciepła współpracującymi z dolnym źródłem w postaci sond gruntowych, z wykorzystaniem funkcji chłodzenia pasywnego

16.6.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej

16.6.2. Układ z wielofunkcyjnym zbiornikiem buforowym, kolektorami słonecznymi i chłodzeniem pasywnym

17. Zastosowania pomp ciepła. Budownictwo wielorodzinne, budynki użyteczności publicznej – mała i średnia skala

17.1. Ogólna charakterystyka i wymagania stawiane układom z pompami ciepła stosowanym w budownictwie wielorodzinnym i budynkach użyteczności publicznej

17.2. Rozwiązania z pompami ciepła powietrze–woda. Zastosowanie indywidualnych pomp ciepła dla poszczególnych mieszkań

17.3. Rozwiązania z zastosowaniem zbiorczego układu pomp ciepła zasilającego instalację w budynku wielorodzinnym

17.4. Rozwiązania mieszane z centralną instalacją niskotemperaturowych pomp ciepła oraz mieszkaniowymi pompami ciepła niskiej mocy podnoszącymi temperaturę czynnika

17.4.1. Przykłady rozwiązań mieszanych – połączenie centralnej instalacji pomp ciepła z mieszkaniowymi pompami ciepła na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody

17.4.2. Przykłady rozwiązań mieszanych – mieszkaniowe pompy ciepła współpracujące z sondami gruntowymi

17.4.3. Przykłady rozwiązań mieszanych – połączenie centralnej instalacji pomp ciepła z ogrzewaniem podłogowym i mieszkaniowymi pompami ciepła woda–woda na potrzeby przygotowania ciepłej wody

17.4.4. Przykłady rozwiązań mieszanych w budynkach użyteczności publicznej, w szczególności budynkach biurowych – połączenie centralnej instalacji z pompą ciepła oraz pętlą wodną, miejscowymi pompami ciepła powietrze–woda/woda–powietrze i wieżą chłodniczą

17.4.5. Przykłady rozwiązań z pompami ciepła w budynkach użyteczności publicznej, obiekt hotelowy z instalacją pomp ciepła na potrzeby ogrzewania i chłodzenia budynku

17.4.6. Przykłady rozwiązań z pompami ciepła w budynkach użyteczności publicznej, wykorzystanie magistrali wodociągowej w funkcji dolnego źródła pomp ciepła

17.4.7. Przykład rozwiązania z pompami ciepła z wykorzystaniem ciepła odpadowego w małej i średniej skali

18. Zastosowania pomp ciepła. Skala makro

18.1. Obiekty wielkokubaturowe – ogrzewanie i chłodzenie budynków, przygotowanie ciepłej wody

18.2. Pompy ciepła w sieciach ciepłowniczych

18.3. Pompy ciepła w zakładach produkcyjnych, gospodarka obiegu zamkniętego w procesach o temperaturze poniżej 100°C

18.4. Pompy ciepła w zakładach produkcyjnych, gospodarka obiegu zamkniętego. Pilotażowe instalacje z pompami ciepła w procesach o temperaturze powyżej 100°C

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Wprowadzenie

Dorota Chwieduk

Niniejsza książka pokazuje wykorzystanie pomp ciepła różnej skali w kontekście efektywności energetycznej. Efektywność energetyczna jest koniecznością dzisiejszych czasów jako podstawowa w ograniczeniu zużycia energii i poszanowaniu praw środowiska. Stosowanie pompy ciepła jest bardzo dobrym rozwiązaniem umożliwiającym istotne ograniczenie zużycia energii końcowej, powodującym brak szkodliwych emisji w miejscu jej działania, a także jest technologią bezobsługową (poza serwisem), co jest szczególnie istotne dla komfortu jej użytkowania. Jej stosowanie umożliwia odpowiednie wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych i energii odpadowej, a także realizację gospodarki obiegu zamkniętego. Pompa ciepła staje się więc istotnym ogniwem energooszczędnej gospodarki energetycznej, a jej rola powinna rosnąć w kolejnych latach.

W publikacji przedstawiono kompleksowe podejście do zagadnień pomp ciepła, począwszy od podstaw termodynamicznych, poprzez rozważania dotyczące ich działania w ujęciu teoretycznym i praktycznym, a skończywszy na zaprezentowaniu perspektywicznych technologii i zastosowań pomp ciepła. Opisane zostały różne technologie współcześnie stosowanych pomp ciepła, uwzględniając wyraźny ich podział na pompy ciepła sprężarkowe i pompy ciepła sorpcyjne.

W części dotyczącej podstaw termodynamicznych działania pomp ciepła zaprezentowano podstawowe obiegi termodynamiczne, które są realizowane w tych urządzeniach w celu pozyskania ciepła lub uzyskania efektu chłodzenia, dzięki pracy dostarczonej z zewnątrz. Zaprezentowano budowę i działanie różnych typów pomp ciepła. Przedstawiono także stosowane obecnie i perspektywiczne czynniki chłodnicze pomp ciepła.

W książce można znaleźć szereg informacji odnośnie do różnych zastosowań pomp ciepła w małej i dużej skali. Rozważano różne warianty ich pracy w odniesieniu do cyklu grzania i chłodzenia. Jednocześnie przedstawiono pompy ciepła jako jedyne urządzenia grzewcze lub grzewczo/chłodzące działające w układach monowalentnych, a także jako urządzenia współpracujące z innymi urządzeniami w systemach wieloźródłowych hybrydowych. Odniesiono się do różnych metod wyznaczania ich efektywności energetycznej oraz systemów energetycznych, których są częścią składową. Przedstawiono rolę pomp ciepła w nowoczesnych zintegrowanych systemach energetycznych małych osiedli miejskich i pozamiejskich, a także dużych miast, jako urządzeń zapewniających uzyskanie zaplanowanego efektu poszanowania energii i środowiska.

Pierwsza część książki ma charakter rozważań podstawowych i akademickich. Druga jest ukierunkowana na problematykę praktycznego stosowania pomp ciepła i przedstawia szereg przykładów z wyraźnym podziałem zastosowań na skalę mikro, średnią i makro. Widoczne jest, iż pompy ciepła pełnią podstawową rolę w poprawie efektywności energetycznej zarówno indywidualnych budynków, jak i całych kompleksów budynków, instalacji i systemów energetycznych.

Należy podkreślić, że książka poza funkcją poznawczą ma też charakter edukacyjny. Zawiera bowiem przykłady obliczeniowe związane z podstawami działania i wykorzystaniem dwóch podstawowych rodzajów pomp ciepła (sprężarkowych i sorpcyjnych). Przykłady te w szczególności dotyczą podstaw termodynamicznych działania pomp, ich funkcjonowania w warunkach rzeczywistych, wyznaczania współczynników wydajności grzewczej i chłodniczej oraz możliwych do uzyskania efektów energetycznych, tj. oszczędności energii końcowej i pierwotnej, oraz efektów środowiskowych, tj. redukcji emisji szkodliwych gazów i substancji do otoczenia.

Niniejsza publikacja proponuje kompleksowe podejście do zagadnień pomp ciepła, od podstaw termodynamicznych, poprzez opisanie różnych technologii współcześnie stosowanych pomp ciepła, po technologie perspektywiczne i zastosowania pomp ciepła. Książka ta może być wykorzystywana przez studentów, nauczycieli akademickich i pracowników naukowych, przez przedstawicieli branży technicznej instalacyjnej, a także wszystkich innych interesujących się tematyką pomp ciepła i nowoczesnych energooszczędnych i prośrodowiskowych rozwiązań w energetyce. Książka może być wykorzystywana przy tworzeniu nowoczesnych koncepcji energetycznych pojedynczych budynków, małych i dużych osiedli i całych miast, przy przygotowywaniu studiów wykonalności niezależnych energetycznie obszarów miejskich, spółdzielni energetycznych i klastrów energetycznych na terenach pozamiejskich.

1. Czym są współczesne pompy ciepła

Dorota Chwieduk

Abstrakt

Rozdział ma charakter wprowadzający do bardziej szczegółowych rozważań zawartych w kolejnych rozdziałach i pokazuje, czym są współczesne pompy ciepła. Przedstawiono w skrócie zagadnienia podstaw termodynamicznych działania sprężarkowych i sorpcyjnych pomp ciepła. Opisano ogólnie możliwości stosowania pomp ciepła w różnych warunkach dostarczania i odbioru energii, wskazując na ich rolę w poprawie efektywności energetycznej systemów grzewczych i kompleksowych systemów energetycznych miast. Zwrócono uwagę na rolę pomp ciepła, jaką mogą pełnić w nowoczesnych systemach grzewczych umożliwiając realizację gospodarki energetycznej obiegu zamkniętego. Podkreślono też, jak ważnym elementem systemów energetycznych są pompy ciepła przy realizacji samowystarczalnych lub nawet dodatnich energetycznie osiedli, w szczególności ich niskotemperaturowych sieci ciepłowniczych.

Słowa kluczowe

Pompy ciepła sprężarkowe; pompy ciepła sorpcyjne; efektywność energetyczna; energia ze źródeł odnawialnych; samowystarczalność energetyczna.

Aby zrozumieć ideę wykorzystania i istotę działania pomp ciepła w nowoczesnych systemach energetycznych i możliwości uzyskania znacznych oszczędności energetycznych, a w konsekwencji zapewnienie odpowiednich efektów środowiskowych, konieczne jest poznanie podstaw fizycznych zjawisk zachodzących w pompach ciepła i ich otoczeniu. Przede wszystkim istotne jest poznanie podstaw termodynamicznych działania pomp ciepła, a w szczególności podstawowych obiegów termodynamicznych, które są realizowane w tych urządzeniach w celu pozyskania ciepła lub uzyskania efektu chłodzenia, czyli odbioru ciepła (z miejsca chłodzonego) dzięki pracy dostarczonej z zewnątrz. Obiegi termodynamiczne realizowane w pompach ciepła są oparte na idealnym obiegu Carnota wstecz (lewobieżnym), a w odniesieniu do obiegów rzeczywistych bazują na teoretycznym obiegu Lindego (lewobieżnym). Mogą też być wykorzystywane inne obiegi, jak np. obieg Brytona, jednakże są one stosowane znacznie rzadziej.

W zależności od warunków odbioru ciepła w dolnym źródle i warunków dostarczania ciepła w górnym źródle dobiera się odpowiedni typ pompy ciepła (z odpowiednią jej charakterystyką grzewczą) i jej moc napędową. Możliwe do uzyskania moce grzewcze zależą także w sposób bezpośredni od czynnika roboczego zastosowanego w danej pompie ciepła i parametrów jego pracy. Wszystko to determinuje efektywność działania pomp ciepła i chłodziarek, która jest standardowo wyznaczana i opisywana przez odpowiednie współczynniki efektywności, tzw. współczynniki wydajności grzewczej lub chłodniczej wyznaczane w ustalonych stałych warunkach, jak i współczynniki sezonowe dla długich, co najmniej sezonowych okresów czasu pracy pompy.

Obecnie najbardziej powszechne są pompy ciepła sprężarkowe. Należy podkreślić, że bardzo istotnym elementem przy doborze i zwymiarowaniu pomp ciepła jest zarówno znajomość potrzeb grzewczych użytkownika, jak i wiedza o dostępności dolnych źródeł ciepła, ich parametrach, w tym wydajności energetycznej, a także o ich jakości cieplnej i środowiskowej. Pompy ciepła mogą wykorzystywać różne odnawialne źródła ciepła i źródła ciepła odpadowego, jako dolne źródła ciepła. Możliwe są różne warianty wykorzystania tych źródeł, w tym układy monowalentne i hybrydowe – wieloźródłowe (biwalentne – dwuźródłowe). W układach monowalentnych pompy ciepła są jedynym urządzeniem grzewczym i z reguły dotyczy to systemów mikro i małej skali. W przypadku układów wieloźródłowych poszczególne źródła ciepła wzajemnie się uzupełniają i mogą współpracować ze sobą w sposób szeregowy, równoległy, alternatywny itp. Możliwe są w konsekwencji różne tryby pracy pompy ciepła i współpracy pompy ciepła z innymi urządzeniami i instalacjami grzewczymi. Takie rozwiązania stosuje się w systemach różnej skali, od skali mikro do dużej skali.

Pozyskane w dolnym źródle ciepło może być wykorzystywane do różnych celów grzewczych na różnym poziomie temperaturowym, w konsekwencji górne źródła ciepła mogą reprezentować różne rodzaje instalacji grzewczych, lub też instalacji dostarczania ciepła procesowego. W systemach ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej powszechnie wykorzystywane są źródła niskotemperaturowe. Ostatnio zauważalne jest także wykorzystanie źródeł ciepła wysokotemperaturowego, głównie ciepła odpadowego do celów przemysłowych lub w sieciach ciepłowniczych wysokotemperaturowych.

Należy zwrócić uwagę na jeszcze jeden coraz powszechniej analizowany problem, a mianowicie na źródło pochodzenia energii napędowej pomp ciepła. Możliwe jest wykorzystanie różnych źródeł pochodzenia energii elektrycznej do zasilania systemów grzewczych z pompą ciepła (sprężarki, a także urządzeń pomocniczych). Energia elektryczna może tradycyjnie pochodzić z sieci elektroenergetycznej, co w przypadku Polski oznacza przede wszystkim energię elektryczną generowaną w elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych. Energia elektryczna może też pochodzić z instalacji wykorzystujących odnawialne źródła energii, co stopniowo zaczyna być widoczne na krajowym rynku elektroenergetyki. Instalacjami takimi mogą być instalacje fotowoltaiczne, siłownie wiatrowe, elektrownie biogazowe, wodne.

Źródło pochodzenia energii elektrycznej niezbędnej do zasilania sprężarkowych pomp ciepła ma istotne znaczenie przy wyznaczaniu ich efektywności energetycznej, jeżeli odnosimy się do zużycia energii pierwotnej. Dzięki wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych do napędu pompy ciepła można bowiem w istotny sposób ograniczyć zużycie paliw kopalnych, a w konsekwencji emisję szkodliwych gazów i substancji do otoczenia. Jednocześnie pompy ciepła są urządzeniami, które umożliwiają największe ograniczenie zużycia energii końcowej do zaspokojenia potrzeb grzewczych odbiorców spośród wszystkich stosowanych rozwiązań technologicznych. Jest to bardzo istotne w związku z koniecznością poprawy efektywności energetycznej stosowanych urządzeń i systemów energetycznych oraz czekającą nas już wkrótce za około 25 lat dekarbonizacją gospodarki krajowej.

Pompy ciepła sorpcyjne są stosowane o wiele rzadziej niż pompy ciepła sprężarkowe i to nie tylko w Polsce, ale i na całym świecie. Ich zasada działania jest podobna, tyle że pompy ciepła sprężarkowe napędzane są mechanicznie, a pompy ciepła sorpcyjne – cieplnie. W przypadku pomp ciepła sorpcyjnych mamy do czynienia z obiegiem chłodniczym, do którego dostarczana jest praca sprężania z drugiego obiegu cieplnego, obiegu napędowego sprężarki cieplnej. Spośród pomp ciepła sorpcyjnych najczęściej stosowane są absorpcyjne pompy ciepła, następnie pompy adsorpcyjne. Pompy ciepła absorpcyjne są przede wszystkim stosowane w dużej i średniej skali. Są one wykorzystywane w ciepłowniach geotermalnych, a także ciepłowniach bazujących na odpadowych źródłach ciepła.

W pompach ciepła absorpcyjnych wykorzystuje się zjawisko zdolności do pochłaniania przez jeden czynnik, pełniący funkcję absorbenta, drugiego czynnika, który jest czynnikiem chłodniczym. Mamy w tym przypadku do czynienia z dwoma płynami, z których jeden o wyższej temperaturze wrzenia (absorbent) pochłania drugi o niższej temperaturze wrzenia (czynnik chłodniczy). Pochłanianie odbywa się w całej objętości i powstaje roztwór. W czasie procesu absorpcji (pochłaniania), który odbywa się przy niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze, uwalniane jest ciepło (przy czym, w odniesieniu do trzech standardowych poziomów temperatury w urządzeniach sorpcyjnych odpowiadających trzem źródłom ciepła, absorpcja odpowiada średniej temperaturze procesów zachodzących w pompie ciepła; dolna – niska temperatura odpowiada natomiast procesowi parowania, który zachodzi w parowniku w obiegu chłodniczym pompy ciepła). Odparowanie czynnika chłodniczego z roztworu zachodzi przy wysokiej temperaturze i ciśnieniu w desorberze (inne nazwy to warnik, generator), do którego dostarczane jest ciepło wysokotemperaturowe. Sprężone pary czynnika chłodniczego o wysokiej temperaturze i ciśnieniu przechodzą do obiegu chłodniczego (do skraplacza). Procesy sorpcji (skąd też nazwa urządzeń) dotyczą więc absorpcji (pochłaniania) i desorpcji (uwalniania – odparowania) czynnika chłodniczego z roztworu absorbenta i pełnią kluczową rolę w realizacji przemian termodynamicznych.

Pompy ciepła adsorpcyjne stosowane są zwykle w średniej skali, rzadko w mikroskali. Podstawowym problemem przy stosowaniu adsorpcyjnych pomp ciepła jest ich nieciągły tryb pracy ze względu na charakter zachodzących w nich przemian. Co prawda proponowane są pewne metody umożliwiające likwidację tego ograniczenia, co przedstawiono w jednym z rozdziałów tej książki. W pompach ciepła adsorpcyjnych zjawisko pochłaniania ma charakter powierzchniowy. Ośrodek pochłaniający, adsorbent, jest ciałem stałym o porowatej strukturze. Czynnik pochłaniany jest czynnikiem chłodniczym w postaci płynu, czyli występuje zarówno w postaci cieczy, jak i gazu, w zależności od procesów, którym podlega. W wysokiej temperaturze i ciśnieniu następuje uwalnianie (odparowanie) czynnika chłodniczego z adsorbenta (ośrodka stałego), który przepływa do obiegu chłodniczego do skraplacza i oddaje ciepło średniotemperaturowe w czasie przemiany skraplania.

Występują też takie technologie sorpcyjne, które nadal są mało znane i zaliczane są ciągle do technologii niszowych. Należą do nich pompy ciepła resorpcyjne, transformatory ciepła i strumienicowe pompy ciepła. Są one rzadko wykorzystywane ze względu na względnie niską efektywność ich działania i ograniczone warunki ich praktycznego stosowania. Nie znaczy to, że w przyszłości się nie rozpowszechnią, w szczególności w układach wykorzystujących ciepło odpadowe.

Efektywność sorpcyjnych pomp ciepła i chłodziarek jest wyznaczana przy wykorzystaniu standardowych współczynników wydajności grzewczej lub chłodniczej definiowanych podobnie jak dla pomp ciepła sprężarkowych. Jednakże w przypadku pomp ciepła sorpcyjnych ich funkcjonowanie jest oparte na dwóch obiegach termodynamicznych: lewobieżnym – chłodniczym i prawobieżnym – silnika cieplnego. Zadaniem tego pierwszego jest tradycyjna funkcja chłodzenia lub grzania, a drugiego pełnienie funkcji napędowej, czyli dostarczenie energii niezbędnej do sprężenia czynnika chłodniczego na odpowiedni poziom ciśnienia i temperatury, co w konsekwencji umożliwia przekazanie ciepła do odbiorcy na średnim poziomie temperatury (w skraplaczu) lub odebranie ciepła z dolnego źródła w przypadku działania urządzenia jako chłodziarki. W celu realizacji obiegu prawobieżnego konieczne jest dostarczanie z zewnątrz ciepła wysokotemperaturowego, które może pochodzić z tradycyjnych procesów spalania paliw konwencjonalnych i biomasy, a także bardziej innowacyjnych, takich jak spalanie biogazu lub też z procesów przemysłowych i komunalnych, jako ciepło odpadowe. Możliwe jest też wykorzystanie energii odnawialnych, np. energii słonecznej wysokotemperaturowej pozyskanej przez kolektory słoneczne, z reguły rurowe próżniowe lub koncentryczne paraboloidalne – rynnowe, zdecydowanie rzadziej przez kolektory płaskie, ze względu na uzyskiwane w nich znacznie niższe temperatury czynnika roboczego kolektorów słonecznych.

Tak więc do zrozumienia działania pomp ciepła sorpcyjnych i ich efektywności energetycznej konieczne jest poznanie podstaw poszczególnych obiegów termodynamicznych realizujących funkcje chłodnicze (grzewcze) i napędowe. W konsekwencji celowe jest zapoznanie się z zasadami funkcjonowania takich pomp w danym środowisku, pozyskania ciepła niskotemperaturowego w obiegu chłodniczym i ciepła wysokotemperaturowego w obiegu napędowym w celu przekazania pozyskanego ciepła na poziomie średniotemperaturowym do odbiorcy, co odbywa się w absorberze i skraplaczu. Warunki, w których ciepło jest pozyskiwane i dostarczane do odbiorcy, wpływają na możliwe funkcje pomp ciepła i ich efektywność energetyczną oraz ekonomiczną. W zależności od sposobu realizacji odpowiednich obiegów termodynamicznych i dostępności wysokotemperaturowych źródeł ciepła, a także odbiorców ciepła średniotemperaturowego, tworzona jest odpowiednia klasyfikacja pomp ciepła.

Pompy ciepła, w szczególności sprężarkowe, już dawno osiągnęły dojrzałość technologiczną, jednakże dopiero ostatnio można zauważyć bardzo duże zainteresowanie ich zastosowaniem. Wynika to oczywiście z uwarunkowań ekonomicznych, ale jednocześnie z roli, jaką mogą pełnić w nowoczesnej niskoemisyjnej gospodarce energetycznej. Duży postęp technologiczny umożliwia ich pracę w takich warunkach odbioru ciepła w dolnym źródle i dostarczania ciepła w górnym źródle, które do tej pory były uznawane za całkowicie nieopłacalne z punktu widzenia efektywności energetycznej. Obecnie nawet w niekorzystnych warunkach pracy możliwe są do osiągnięcia znaczne oszczędności w zużyciu energii konwencjonalnej zarówno w skali mikro, tj. w budownictwie jednorodzinnym, w średniej skali w budownictwie wielorodzinnym, budynkach użyteczności publicznej, jak i w skali makro, gdy pompy ciepła mogą dostarczać ciepło dla całych osiedli, wsi i miast.

Pompy ciepła mogą być wykorzystywane w niskotemperaturowych systemach centralnego ogrzewania i chłodzenia, stanowiąc ich istotne, a często nawet podstawowe ogniwo. Swoją kluczową rolę zawdzięczają podwójnej funkcji, jaką mogą pełnić w tym samym czasie, a mianowicie funkcji grzania i chłodzenia równocześnie, kiedy to jeden obiekt będący dolnym źródłem jest chłodzony, a drugi stanowiąc górne źródło ciepła jest ogrzewany. W tym przypadku szczególnie efektywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie możliwości funkcjonowania pomp ciepła w pętli wodnej, która może być stosowana zarówno w małej, jak i dużej skali. Taką pętlę wodną może stanowić nowoczesna sieć ciepłownicza, zwłaszcza ta niskotemperaturowa.

Coraz częściej są także możliwe różne przemysłowe zastosowania pomp ciepła. Przykładowo pompy ciepła mogą wykorzystywać, jako dolne źródło, ciepło odpadowe z procesów technologicznych, a w górnym źródle dostarczać ciepło technologiczne do innych procesów w tym samym obiekcie przemysłowym, w układach tego typu zwykle stosowane jest połączenie kaskadowe pomp ciepła.

Na szczególną uwagę zasługuje fakt, iż pompy ciepła zaczynają pełnić rolę ważnych elementów składowych systemów energetycznych, umożliwiając realizację gospodarki energetycznej w obiegu zamkniętym (w języku angielskim circular economy). Na razie takie funkcjonowanie jest spotykane głównie w średniej skali, przykładowo w zakładach wodociągów i kanalizacji, w oczyszczalniach ścieków, ale możliwości praktycznych jest znacznie więcej.

Ideą gospodarki obiegu zamkniętego jest wykorzystywanie jedynie własnych surowców, w tym odpadów, do zaspokojenia wszystkich potrzeb energetycznych. Przykładowo w miejskich zakładach wodociągów, kanalizacji i oczyszczania ścieków można produkować biogaz w czasie procesów anaerobowej (beztlenowej) fermentacji osadów ściekowych. Biogaz może być wykorzystywany do generacji energii elektrycznej, która z kolei jest wykorzystywana na potrzeby zakładu, tj. do zasilania wszelkich odbiorników energii elektrycznej, w tym także pompy ciepła. Pompa ciepła jako dolne źródło wykorzystuje ciepło zawarte w ściekach, a w górnym źródle przekazuje ciepło do obiegów ogrzewczych budynków i podgrzewania wody użytkowej na terenie zakładu, a także do podgrzewania masy fermentacyjnej w komorze fermentacyjnej biogazowni. Fermentacja musi się bowiem odbywać w podwyższonej temperaturze w obecności odpowiednich bakterii fermentacyjnych (odpowiednich do danej temperatury procesu fermentacji). W ten sposób pozyskiwana i zużywana energia jest zamknięta w obiegu energetycznym danego zakładu, generującym energię elektryczną, ciepło, a także chłód, gdy jest to wymagane. Zakład nie korzysta z żadnej energii z zewnątrz, sam pokrywa wszystkie własne potrzeby energetyczne, bazując na własnych surowcach i źródłach energii dostępnych na miejscu.

Zastosowanie pomp ciepła umożliwia realizację samowystarczalnych obiegów energetycznych, w małych obiektach, jak i w większych dzielnicach miejskich, czy też wydzielonych obszarach miejskich i wiejskich, osiedlach i klastrach energetycznych. Wytwarzanie i konsumpcja energii w tym samym miejscu, znana obecnie w mikro skali i zwana energetyką prosumencką, jest także przyszłością większych systemów energetycznych, w tym obiegów scentralizowanych, niezależnie od szerokości geograficznej, klimatu i dostępności do energii odnawialnej i paliw konwencjonalnych.

Pompy ciepła stają się więc w coraz większym stopniu jednym z istotnych elementów systemów energetyki rozproszonej, a także mogą być istotnym elementem systemów scentralizowanych. Mogą one współpracować z innymi urządzeniami i instalacjami wykorzystującymi różne odnawialne i odpadowe źródła energii. Ważne jest, aby współpraca ta odbywała się w sposób zsynchronizowany i prowadziła do efektywnego wykorzystania poszczególnych źródeł w danym czasie. W konsekwencji coraz ważniejsze staje się magazynowanie energii i to zarówno o charakterze krótko, jak i długoterminowym, jak i odpowiednie zarządzanie, monitorowanie i sterowanie jej wytwarzaniem, przesyłaniem i wykorzystaniem przez odbiorcę końcowego. Efektywność wykorzystania energii jest także ściśle związana ze świadomością energetyczną i środowiskową odbiorców. Rola użytkowników energii, jako aktywnych uczestników rynku energii jest coraz bardziej widoczna i będzie rosnąć.

Proponowane są różne metody wyznaczania zintegrowanej efektywności energetycznej działania systemów wieloźródłowych z pompami ciepła. Tylko niektóre ze stosowanych obecnie współczynników efektywności energetycznej zostały formalnie uznane jako wielkości standardowe, znormalizowane. Metodyka oceny działania wieloźródłowych systemów energetycznych, w tym systemów wykorzystujących różne odnawialne źródła energii, jest dopiero kształtowana i podlega różnym modyfikacjom. Konieczne jest wprowadzenie nowych wskaźników efektywności energetycznej do oceny całych złożonych systemów wieloźródłowych.

Współczesne systemy energetyczne wykorzystujące energię z różnych źródeł odnawialnych, a także energię konwencjonalną powinny być oceniane w sposób zintegrowany, pod kątem osiągnięcia zarówno redukcji zużycia energii końcowej, pierwotnej, jak i efektu środowiskowego. Co więcej, ocena ta powinna być znacznie rozszerzona poza standardowe ramy i prowadzona w odniesieniu do tzw. pełnego cyklu życia. Cyklu, który uwzględnia zarówno energię wbudowaną w dane urządzenie, instalację, budynek, jak i energię zużywaną przez nie w czasie ich eksploatacji, a także ostatecznie energię służącą do ich przetworzenia w celu wtórnego wykorzystania.

Oszacowanie oszczędności zużycia energii końcowej i pierwotnej wg metod standardowych jest już niewystarczające. Celowe jest nowe podejście do oceny energetycznej i środowiskowej działania systemów wieloźródłowych z pomami ciepła. Zwłaszcza, że wszystko wskazuje, iż pompy ciepła będą podstawowym elementem nie tylko obecnie znanych, ale i tych mało jeszcze rozpowszechnionych, a wydaje się bardzo perspektywicznych technologii, takich jak technologie energetyczne wbudowane w obudowę budynku i jego wnętrze, stanowiąc w ten sposób nierozerwalną część budynków, tzw. budynków interaktywnych energetycznie. Budynki takie już powstają, a wkrótce mają się stać podstawowym elementem inteligentnych miast.

Jak już wcześniej zauważono, w związku z rosnącą świadomością społeczeństwa co do konieczności stosowania energooszczędnych i prośrodowiskowych technologii energetycznych, wykorzystanie pomp ciepła szybko się rozpowszechnia, i to nie tylko w nowoczesnych energooszczędnych inwestycjach, ale i standardowych instalacjach grzewczych. W konsekwencji stają się one coraz bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem nie tylko energetycznym, ale i finansowym, zwłaszcza po ostatnim wzroście cen konwencjonalnych nośników energii. Jednocześnie, polityka energetyczna i środowiskowa Unii Europejskiej wprowadza znaczne ograniczenia emisyjne, aż do całkowitego wycofania użytkowania energii z paliw kopalnych, nawet z gazu, co w sposób naturalny wspomaga wykorzystanie energooszczędnych technologii, w tym pomp ciepła.

Konieczne jest kompleksowe podejście do zagadnień wykorzystania i zużycia energii, w tym energii zużywanej przez urządzenia i systemy energetyczne. Ograniczenia dotyczące wykorzystania paliw kopalnych, i to nie tylko węgla, ale i gazu, oznaczają ukierunkowanie na zupełnie nowe formy energii, energii pozyskiwanej z odnawialnych źródeł i energii odpadowej. Coraz bardziej widoczna staje się tendencja elektryfikacji ciepłownictwa, w której to właśnie pompy ciepła mają odegrać podstawową rolę.