W lodówkach, zamrażarkach i urządzeniach klimatycznych wykorzystuje się zjawisko ochładzania się cieczy wskutek szybkiego parowania. Urządzenia te składają się z czterech podstawowych części: zbiornika substancji chłodzącej, dwóch wymienników ciepła (wewnętrznego i zewnętrznego) i sprężarki. Jako substancji chłodzącej do początku lat dziewięćdziesiątych używano freonu. Substancja ta ma zabójczy wpływ na warstwę ozonową w atmosferze ziemskiej, dlatego obecnie stosuje się inne (przyjazne środowisku) gazy.
Substancja chłodząca w stanie ciekłym jest pompowana do zwojów wymiennika ciepła znajdującego się wewnątrz lodówki. Tam gwałtownie paruje, pobierając ciepło z otoczenia. Następnie, już jako gaz, jest wsysany do sprężarki znajdującej się na zewnątrz lodówki. Sprężony gaz kierowany jest do znajdującego się również na zewnątrz lodówki wymiennika ciepła, w którym oddaje ciepło do otoczenia, a sam ochładza się i skrapla. Ciekła substancja trafia znów do zbiornika, z którego jest kierowana do wewnętrznego wymiennika ciepła i cykl powtarza się.
Czyli lodówka działa jak pompa cieplna pobiera ciepło z wnętrza lodówki i oddaje to ciepło na zewnątrz. Aby lodówka mogła działać, konieczne jest jej zasilanie energią elektryczną, którą głównie wykorzystuje się w sprężarce.


Na odwrotnej zasadzie zbudowano urządzenia grzewcze, które pobiera ciepła z otoczenia, którego temperatura wynosi zimą zaledwie kilka stopni i ogrzewa tym ciepłem cały dom. Pompa ciepła musi współpracować z tak zwanym dolnym i górnym źródłem ciepła. Z dolnego źródła, czyli wody, gruntu lub powietrza, pozyskuje ciepło. Niekiedy dolnym źródłem nazywany jest cały układ pozyskiwania ciepła.

Podstawowe elementy instalacji z pompą ciepła

Podobnie jak kocioł w tradycyjnej instalacji, pompa oddaje wytworzone (pozyskane) ciepło wodzie płynącej do grzejników lub układu ogrzewania podłogowego, nazywanych w systemie górnym źródłem. Tak jak w wypadku dolnego źródła i tu czasem górnym źródłem nazywany jest cały układ oddający ciepło. Często, aby scharakteryzować pompę, mówi się o niej w skrócie, na przykład: układ woda-woda - co oznacza, że ciepło odbierane jest wodzie (dolne źródło), następnie jest przetworzone przez urządzenie i dalej przekazane wodzie w systemie grzewczym w domu (górne źródło).
Pompy ciepła mniejszej mocy, stosowane w domach jednorodzinnych są sprężarkowe. Przekazywanie ciepła odbywa się za pośrednictwem czynnika roboczego, który krąży w obiegu, zmieniając stan skupienia (z gazowego na ciekły i odwrotnie), wskutek czego pobiera i oddaje energię.
Dwa główne elementy urządzenia to parownik i skraplacz. Między nimi są jeszcze dwa: sprężarka i zawór rozprężny. Źródło o niskiej temperaturze (grunt, woda, powietrze) ogrzewa czynnik krążący w układzie (woda, solanka), który przepływając przez parownik, doprowadzany jest do wrzenia, na skutek czego paruje. Para sprężana jest w sprężarce i jej temperatura gwałtownie rośnie. Gorąca - trafia do skraplacza. Odbierane tam od niej ciepło jest przekazywane do górnego źródła, na przykład ogrzewa wodę krążącą w instalacji grzewczej. Skroplona para przez zawór rozprężny i parownik powraca do dolnego źródła. Proces rozpoczyna się od początku.

Pompa ciepła typu grunt-woda z kolektorem poziomym płaskim.

W Polsce ciepło pobierane jest najczęściej:
- z gruntu - za pośrednictwem przewodów zakopanych pod powierzchnią gruntu, poniżej strefy przemarzania, tworzących tak zwany kolektor gruntowy;
- z wody podziemnej poprzez układ dwóch studni.
Co lepsze: grunt, woda czy powietrze? Na to pytanie nie da się udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Dwa elementy inwestycji - koszty i efektywność powinny być zbilansowane w projekcie. Zakładając, że koszt wybudowania kolektora gruntowego jest taki sam jak układu dwóch studni, lepiej zdecydować się na studnie. Powód jest prosty - temperatura wody podziemnej (5-8°C) jest nieco wyższa niż temperatura gruntu zimą (2-4°C), a co za tym idzie - więcej ciepła można z niej odzyskać. Niektórzy fachowcy twierdzą, że zimy w ostatnich latach były dość łagodne i możliwe, że temperatura gruntu poniżej strefy

Pompa ciepła 75% energii uzyskuje za darmo z wody, powietrza lub ziemi. Trzeba zapłacić jedynie za 25% energii zużytej do napędu sprężarki.

przemarzania nie spada drastycznie. Aura jest jednak kapryśna, a układ z pompą ciepła instalowany jest na kilkanaście lat, więc po co ryzykować. Mała popularność systemów powietrznych wynika przede wszystkim z ich małego współczynnika efektywności w naszej szerokości geograficznej (zimą panuje u nas niska temperatura). Co prawda część z tych systemów przystosowana jest do pracy w temperaturze -18°C, ale są to zwykle warunki ekstremalne dla urządzenia. Zaleca się, by powietrzna pompa ciepła pracowała w temperaturze nie niższej niż -5°C.
Rodzaj dolnego źródła zależy przede wszystkim od warunków na działce, gdzie ma być zainstalowana pompa ciepła. Decyzję najlepiej powierzyć specjaliście zajmującemu się projektowaniem układów grzewczych z pompą ciepła.
Górnym źródłem w układach pompy ciepła jest najczęściej woda zasilająca instalację grzewczą, czyli grzejniki lub wodne ogrzewanie podłogowe, rzadziej - powietrze w systemach ogrzewania powietrznego. Pompy ciepła najlepiej współpracują z instalacjami niskotemperaturowymi, w których temperatura czynnika grzewczego nie przekracza 50-55°C. W praktyce projektuje się je na jeszcze niższą temperaturę: 30-35°C.
Wydawałoby się, że ciepło odbierane od wód gruntowych czy gruntu nie zaspokoi potrzeb energetycznych domu jednorodzinnego. Wiele zależy jednak od efektywności procesu przetwarzania ciepła przez urządzenie. Pompy ciepła mają najwyższy współczynnik efektywności spośród wszystkich urządzeń grzewczych.
Współczynnik efektywności to stosunek energii wytworzonej (w wypadku urządzeń grzewczych - cieplnej) do energii pobranej. Dla pomp ciepła współczynnik ten waha się między 3 a 5 - zależnie od rodzaju pompy, producenta, zastosowanych rozwiązań i przyjętych założeń eksploatacyjnych. Pompa o współczynniku efektywności wynoszącym 4 wytwarza czterokrotnie więcej energii, niż pobiera. Oznacza to, że z 1 kWh energii elektrycznej może uzyskać 4 kWh energii cieplnej. Pompa ciepła nie potrzebuje tradycyjnego paliwa, chociaż aby działała, musi czerpać prąd, czyli trzeba ją podłączyć do instalacji elektrycznej. Dzięki wysokiej sprawności pompa ciepła jest jednym z najtańszych w eksploatacji źródeł ciepła.

---

Styropianowy kubek

W technice szuka się materiałów o bardzo małej gęstości, będące dobrymi izolatorami, najlepiej aby były wytrzymałe i niepalne. W ostatnich latach powszechnie stosowany jest styropian. Otrzymuje się go w wyniku gwałtownego ogrzewania parą wodną polistyrenu w formie granulek, wewnątrz których znajduje się niewielka ilość czynnika spieniającego. Komórki styropianu są ze sobą połączone i występują między nimi niewielkie pustki powietrzne (ich ilość i wielkość zależy od gęstości materiału), co powoduje, że gęstość styropianu wynosi w zależności od struktury od 10kg/m³do ponad 40kg/m³. Styropian jest masowo stosowany do produkcji styropianowych płyt izolacyjnych dla budownictwa, do produkcji jednorazowych tacek, talerzy, kubków i opakowań na podgrzane lub schłodzone artykuły spożywcze.
Styropian nie jest idealny, ma wprawdzie małą gęstość, ale jest bardzo kruchy i niszczy się przy ściskaniu. Przede wszystkim jest łatwopalny i wrażliwy na działanie wielu rozpuszczalników organicznych, olejów i smarów. Poszukiwanie coraz to lepszych materiałów izolacyjnych doprowadziło do wynalezienia nowej struktury zwanej aerożelem.

Kostka areożelu

Większość aerożeli jest zbudowana z krzemionki w postaci jakby sztywnej pianki. Na jego masę składa się w 90% do 99,8% powietrze, resztę stanowi porowaty materiał tworzący sztywną strukturę. Stąd aerożele mają wyjątkowo małą gęstość wynoszącą od 1,9kg/m³ do 150kg/m³ i są obecnie "najlżejszymi" stałymi substancjami. Mają więc niewiele większą gęstość niż powietrze, którego gęstość ma wartość około 1,2kg/m³. Czasami nazywa je się zamrożonym dymem. Aerożele są też obecnie materiałami o najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa cieplnego. Mogą więc znaleźć w przyszłości zastosowanie w budownictwie, ponieważ mimo pozornie delikatnej budowy, wiele aerożeli ma wyjątkowo dobre własności mechaniczne. Są odporne na ściskanie i rozciąganie (w przeciwieństwie do styropianu). Wytrzymują nacisk pochodzący od ciężaru rzędu 2000 razy ich własnego ciężaru na gładką powierzchnię. Są jednak bardzo kruche, nieodporne na uderzenia i nieodporne na skręcanie i ścinanie. W chwili obecnej są także bardzo drogie. Aerożele krzemionkowe są stabilne do temperatury topnienia krzemionki, czyli do około 1200°C. To może stanowić ich zaletę w budownictwie ze względu na przeciwpożarowe własności.
Wymienione cechy powodują, że aerożele stają się odpowiednim materiałem przy budowie statków kosmicznych. Stosuje się je także jako warstwę izolacyjną w skafandrach kosmonautów. Zaczynają być wykorzystywane w lotnictwie jako wypełnienia termoizolacyjne w samolotach. Wojskowi już myślą o pokrywaniu aerożelem pojazdów opancerzonych. Próbowano też je stosować do produkcji odzieży codziennego użytku, jednak taka odzież jest za ciepła oraz na razie zbyt droga.
Aerożele z otwartymi porami posiadają zdolność kumulowania drobnych pyłów poruszających się nawet z bardzo dużą prędkością. Ta zdolność została wykorzystana w specjalny kolektorze sondy Stardust wykonanym z aerożelu, który wyłapywał drobinki ziarenek pyłu kosmicznego, aby zbadać skład warkocza komety Wild 2. Być może skorzystają z tego ekolodzy. Stworzono już aerożel, który potrafi absorbować z wody ołów i rtęć. Inna wersja może oczyszczać wodę z ropy naftowej.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w numerze 5 czasopisma Neutrino.

Obecnie próbuje się wytwarzać metamateriały (substancje stworzone w warunkach laboratoryjnych o własnościach niespotykanych w naturze) o bardzo małej gęstości. Za pomocą specjalnej drukarki 3D stworzono strukturę o gęstości podobnej do aerożelu, ale kilka tysięcy razy sztywniejsze. Potrafią one wytrzymać 160 tysięcy razy większe obciążenia od ich własnej wagi. Do wytwarzania stosuje się szablon wykonany ze specjalnego polimeru, następnie za pomocą odpowiedniej drukarki nanosi się właściwą warstwę metaliczną lub ceramiczną, a następnie termicznie usuwa się mikrokratownicę. Taka metoda nosi nazwę mikrostereolitografii.

---

« Poprzednia  Następna »