Pompy ciepła

Ten koniec tygodnia to zarazem początek lata. Niektórzy dodają – „astronomicznego lata”. Nie jest to zbyt trafne określenie, bo właśnie od 21 czerwca dni zaczynają się skracać, a Słońce zaczyna obniżać łuk, który zakreśla na niebie.

Niemniej, w lipcu możemy zwykle spodziewać się temperatur wyższych niż w czerwcu, gdyż oceany i większe zbiorniki wody nagrzewają się powoli i opóźniają czas nadejścia najgorętszych dni.

Meteorolodzy wyznaczają inne okresy pór roku. Dla nich lato rozpoczyna się 1 czerwca i trwa do 31 sierpnia. Operując pełnymi miesiącami, łatwiej jest im prowadzić statystyki. Nasz czas wycieczek, wakacji, biwaków też zaczyna się w Memory Day pod koniec maja i kończy w Labor Day na początku września. Chińczycy natomiast określają lato jako okres, w którym Słońce zakreśla wysokie łuki nad horyzontem i za początek lata uważają 6 maja a koniec 6 września.

Lato, jakby nie liczyć, to okres najwyższych temperatur i powszechnego korzystania z klimatyzacji, która wydaje się niezbędna w naszym klimacie i w naszych czasach. Wprawdzie ostatnie lata były tylko „w miarę” ciepłe, takie, jakie powinny być (mimo okrzyczanego „globalnego ocieplenia”) i nasi dziadkowie nawet nie pomyśleliby o ochładzaniu. Ale skoro technika pozwala, to air-conditioner huczy za oknem.

Wszystkie sklepy, banki, urzędy, chłodzone są przez całe lato, czy potrzeba czy nie. Właśnie w lecie jest największe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Po rozpowszechnieniu się klimatyzacji, powstał problem, że urządzenia te włączane są w dzień, gdy energia elektryczna jest również wykorzystywana przez przemysł. Najlepiej byłoby włączać klimatyzację tylko w nocy, pozostawiając w dzień energię elektryczną dla innych odbiorców. Udało się to z ciepłem gromadzonym w zbiornikach wody i w ceramicznych piecach (akumulacyjnych). Od wielu lat jest to również praktykowane z ochładzaniem.
W centrum Chicago i wielu większych miastach amerykańskich pobudowano niewysokie budynki bez okien, w których coś ciągle szumi. To wielkie stacje klimatyzacyjne, obsługujące okoliczne wieżowce. Pompy cieplne pracują tam w nocy schładzając setki ton wody lub zmieszanego z wodą glikolu (płynu do chłodnic samochodowych). Rano, gdy zapotrzebowanie na prąd wzrasta, pracują tylko mniejsze pompy przetłaczające wyziębiony płyn do okolicznych budynków.

Jak pisałem przed dwoma tygodniami, klimatyzatory to pompy ciepła, przemieszczające ciepło jakby „pod górę”, z już chłodniejszych miejsc do cieplejszych? I robią to z dużą sprawnością, gdyż mogą przemieścić kilka a nawet kilkanaście razy więcej energii cieplnej niż same w tym czasie zużyją. Oczywiście, najłatwiej to robić, gdy różnice temperatur pomiędzy pomieszczeniem chłodzonym i otoczeniem, gdzie „wyrzuca się” ciepło, są niewielkie.

W lecie, gdy ochładzacze są włączane, warunki ich pracy nie są łatwe. Za oknem, temperatura jest zwykle o 10 – 20 stopni Fahrenheita wyższa niż ta, którą chcemy mieć w pomieszczeniu. Dodatkowo, powietrze jest nasycone wilgocią. Wykroplenie wilgoci wymaga usunięcia prawie tyle samo ciepła, co ochłodzenie powietrza. Z ochładzaczy często kapie woda. Woda ta, w nowszych modelach, jest używana do spryskiwania rurek odprowadzających ciepło, co usprawnia cykl chłodzenia. Złe wypoziomowanie ochładzacza okiennego może powodować, że skraplana woda wlewa się do mieszkania.

Niektóre urządzenia nie ochładzają, lecz tylko wykraplają wodę. Najczęściej robi się to w pomieszczeniach poniżej poziomu gruntu (basement). Tam ściany są raczej chłodne, gdyż ziemia poniżej fundamentów ma przez cały rok temperaturę 50-60 F (10-15C). Wilgotne powietrze, wchodząc do piwnicy, ochładza się i pozostawia wilgoć skroploną na ścianach. Mimo niższej temperatury, daje to wrażenie duszności. Pomocne są dehumidifiers, małe pompy cieplne ochładzające zwoje rurek, na których wykrapla się woda, lecz ciepło wyrzucane jest do tego samego pomieszczenia. W rezultacie, temperatura powietrza w pomieszczeniu nieco się podnosi, ale procentowa zawartość wilgoci jest dużo mniejsza.

Do pomieszczeń, w których trudno jest zainstalować typowy air-conditioner reklamowane są przenośne ochładzacze. Trzeba jednak być ostrożnym z zakupem, bo gdy ciepła nie wyrzucamy na zewnątrz pomieszczenia, efekt chłodzenia jest pozorny. Na twarz możemy skierować strumień chłodnego powietrza, ale ciepło pozostaje w pomieszczeniu i praca motoru nawet podniesie średnią temperaturę.

Najlepiej wyprowadzać ciepło do miejsc, gdzie jest niska temperatura. Sprawność ochładzaczy podnosi się wielokrotnie i oczywiście koszt eksploatacji maleje. Takimi miejscami są rzeki, stawy a nawet wilgotna ziemia, kilkanaście – kilkadziesiąt stóp poniżej poziomu gruntu. Coraz popularniejsze są instalacje pomp cieplnych, w których wykorzystywane są rury instalowane w tych zawsze chłodnych miejscach. Jeden z największych objętościowo budynków świata, Merchandise Mart (4 miliony stóp kw.), jako chłodnice swoich pomp cieplnych używa kanału łączącego Jezioro Michigan z Mississippi.

Pompy cieplne używane w lecie jako ochładzacze, mogą po pewnej modyfikacji służyć w zimie jako grzejniki. Jak już wspomniałem, urządzenia te przepompowują kilka razy więcej ciepła niż zużywają energii. Zamiast zużywać energię w grzejnikach, można napędzać pompy cieplne, które wpompują do pomieszczeń kilka razy więcej ciepła. Od lat urządzenia takie montowane są w ścianach pokoi motelowych. W lecie ochładzają, w zimie grzeją.

W zimie za oknem nie ma zbyt dużo energii cieplnej i efektywność pomp cieplnych spada. Bardzo efektywne jest korzystanie z ciepła podpowierzchniowych warstw ziemi. Tam temperatura jest stała, w naszych szerokościach geograficznych nieco ponad 50F (10C). Znacznie mniej energii zużyje się pobierając ciepło z tych warstw, niż z zimowego powietrza. Również wyrzucanie ciepła pod ziemię jest łatwiejsze niż do gorącego powietrza w lecie. Zakładanie pod ziemią rur z glikolem jest jednak kosztowne i dokładne analizy ekonomiczne jeszcze nie zachęcają do tych instalacji.

Bardzo opłacalne jest zastosowanie pomp cieplnych do ogrzewania wody w basenach. Eksploatacja starszych systemów grzania gazowego lub elektrycznego jest bardzo kosztowna. Utrzymywanie podgrzanej wody w małym basenie przez cały sezon kosztuje tysiąc (i więcej) dolarów. Natomiast pompa cieplna, czerpiąca energię z ciepłego latem powietrza i „wpompowująca to ciepło do wody w basenie, zużywa nie więcej niż 10% tej energii, jaką zużyłby grzejnik elektryczny.

Czytelnicy często zwracają mi uwagę, że używam w felietonach liczb, jednostek, terminów technicznych, których wielu nie rozumie. Moim zdaniem, posługiwanie się liczbami jest konieczne, bo samo tylko określanie „dużo”, „mało”, „często”, prowadzi do paradoksalnych błędów. A używane jednostki i terminy techniczne powinny być precyzyjnie określane, bo w potocznej mowie roi się od dziwolągów typu „biorezonans”, „bioprądy” itp.

Czas więc na porcję liczb i terminów. O „tonach” ochładzaczy już wspomniałem dwa tygodnie temu. To taka zdolność ochładzania, jaką ma tona (amerykańska, czyli 2 tys. funtów – około 900kg) lodu topiącego się w ciągu doby. Często używana jest British termal unit (Btu), czyli ciepło potrzebne do zmiany temperatury 1 funta wody o 1 stopień Fahrenheita. Przyjęto w zaokrągleniu, że 1 „tona” to zdolność przepompowywania 12 tysięcy Btu na godzinę.

Małe urządzenia ochładzające mają wydajność 10, 20, 30, 60 tysięcy Btu na godzinę, duże (sklepowe, przemysłowe) to setki tysięcy a nawet miliony Btu na godzinę. Piece gazowe ogrzewające mieszkania i domy to 50 – 100 tysięcy Btu na godzinę. Palniki gazowe w kuchenkach mają wydajność od kilku do 10 tysięcy Btu/godz (a może i więcej). Z jednego kilowata prądu elektrycznego uzyskuje się około 3.5 tysięcy Btu/godz.

W Europie używano „kilokalorii” – kcal. To taka ilość ciepła, która zmienia temperaturę 1 kilograma wody o 1 stopień Celsjusza. Proste przeliczenie pokazuje, że 1 kcal to około 4 Btu. Obecnie, jako standardową jednostkę ciepła przyjęto dżul (Joule). Od dawna była to jednostka pracy (mechanicznej), ale jak wiadomo każdą pracę można zamienić na ciepło. Kilokaloria to około 4 kilodżule (4 kJ) a 1 Btu to około 1 kJ.

Kilokalorie są obecnie używane głównie jako wartość cieplna pożywienia (chociaż w poważniejszych opracowaniach używa się kilodżuli). Jeżeli zjadamy dziennie 2500 kilokalorii (oznaczanych często dużą literą jako Kalorie), to ciepłem wydzielonym z naszego ciała możemy podgrzać 100 kg wody w ciągu doby zaledwie o 25 stopni Celsjusza. Wody w wannie nalanej z zimnego kranu (10C) nie ogrzejemy, prędzej nasze ciało się wychłodzi poniżej temperatury potrzebnej do funkcjonowania naszego organizmu.

Inaczej niż w Europie oznacza się jednostki izolacji cieplnej. Przepisy o oszczędzaniu energii wymagają odpowiedniego izolowania ścian i sufitów domów. Izolacja R19 przepuszcza 1Btu ciepła na godzinę przez powierzchnię 1 stopy kwadratowej ściany. Izolacja R30 odpowiednio więcej.

Jeżeli średni dom (2tys. stóp kwadratowych powierzchni) ma około 20 tysięcy stóp ścian izolowanych R19, to przy różnicy temperatury 95F na zewnątrz i 76F wewnątrz, przez ściany będzie „przeciekało” 20 tysięcy Btu na godzinę. Do tego dochodzi ciepło przedostające się przez sufit, ciepło z wykroplonej wilgoci, ciepło słoneczne przez okna, ciepło z urządzeń domowych itd. Wielkość centralnego air-conditioner musimy więc określić na 30 – 50 tysięcy Btu/godz.
Obliczenia są trudne i zależą od klimatu. Najczęściej patrzymy więc, jaki A/C ma sąsiadka i czy jej z tym dobrze. Ale lepiej powierzyć projekt jednej ze specjalistycznych firm. W rejonie Chicago, ochładzanie i ogrzewanie staje się polską specjalnością.

Kończąc dzisiejszy felieton, chciałbym przeprosić czytelników za kilkutygodniową przerwę, gdyż wyjeżdżam na wakacje. Jeżeli zdrowie dopisze, planuję wznowić pisanie pod koniec lipca.
(ami)