Ten rodzaj kolektorów nie ma jeszcze w języku polskim własnej nazwy. W krajach anglojęzycznych nazwane są: unglazed solar panels, flexible solar panels lub solar pool heaters. Dla potrzeb artykułu będziemy je nazywać kolektorami basenowymi. Są to modułowe urządzenia wykonane z czarnego tworzywa sztucznego odpornego na promieniowanie słoneczne. Ich forma wykonania jest bardzo zróżnicowana. Wykonany jest w formie segmentów kształtem przypominających poduszkę. Rynek oferuje także kolektory basenowe w formie mat, wiązek rur lub elastycznych płyt. Urządzenia te absorbują energię słoneczną bezpośrednio swoją powierzchnią, przekazując energię cieplną do wody basenowej przepływającej przez kanały wewnątrz kolektora. Nie występuje tu, tak jak w przypadku tradycyjnych kolektorów cieczowych, specjalna warstwa absorpcyjna i izolacja termiczna. Woda basenowa jest podgrzewana bezpośrednio w wewnętrznych kanałach kolektora, odbierając energię cieplną od nagrzanych ścianek urządzenia. Moduły tych kolektorów najczęściej można łączyć, tworząc dowolne powierzchnie absorpcyjne. Na schemacie przedstawiono zasadę działania basenowych kolektorów słonecznych. Woda z basenu jest pompowana bezpośrednio do instalacji zasilającej kolektory, przepływając przez nie ogrzewa się i wraca do basenu.

Zalety kolektorów basenowych to:

• łatwość montażu,
• niskie koszty zakupu i eksploatacji,
• prosta instalacja do odbioru ciepła,
• wysoka sprawność w okresie letnim.

Niestety sprawność kolektorów basenowych gwałtownie maleje przy temperaturach powietrza zewnętrznego niższych niż temperatura wody basenowej. Jest to spowodowane brakiem izolacji termicznej. Dlatego urządzenia te są dedykowane do ogrzewania wody w basenach otwartych. Ponadto w instalacji krąży woda, a nie jak w przypadku kolektorów cieczowych roztwór glikolu, dlatego istnieje konieczność opróżnienia instalacji przed okresem zimowym. Pomimo tych wad wydaje się, że te kolektory basenowe są niedrogą i łatwą do zamontowania alternatywą ogrzewania basenów otwartych.

Basenowe pompy ciepła

Pompy ciepła to urządzenia znane na naszym rynku od wielu lat. Pompa ciepła to urządzenie produkujące energię cieplną, wykorzystując przemiany termoenergetyczne w trzech niezależnych obiegach: dolnego źródła, górnego źródła i obiegu chłodniczego. W dolnym źródle jest wykorzystywana najczęściej energia z gruntu, studni głębinowych lub powietrza. Górne źródło to obieg ogrzewania lub podgrzewu ciepłej wody. Sercem pompy ciepła jest obieg chłodniczy składający się ze sprężarki, parownika, skraplacza i zaworu rozprężnego. Zasada działania pompy ciepła polega na przekazywaniu ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten zachodzi wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu energii cieplnej, dzięki wykonanej przez sprężarkę pracy mechanicznej. Istotą działania pompy ciepła jest możliwość produkcji energii cieplnej przy wykorzystaniu dużo mniejszej ilości energii elektrycznej zużytej na pracę sprężarki. Podstawowym wskaźnikiem charakteryzującym sprawność urządzenia jest tzw. COP (coefficient of performance). Jest to stosunek energii cieplnej oddanej przez pompę ciepła do energii pobranej. Współczynnik ten będzie inny dla różnych temperatur dolnego i górnego źródła ciepła. COP będzie spadał wraz z obniżaniem temperatury dolnego źródła ciepła i wzrostem temperatury górnego źródła. Wykres 1 przedstawia zależność współczynnika COP od temperatury powietrza zewnętrznego dla pompy ciepła, gdzie dolnym źródłem ciepła jest powietrze. Sposób wyznaczania danych znamionowych pomp ciepła reguluje norma PN-EN 14511‑3:2012 „Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do grzania i ziębienia – część 3: Metody badań” oraz PN-EN 14825:2012 (U) „Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do ogrzewania i chłodzenia – badanie i charakterystyki przy częściowym obciążeniu”.

Postęp techniczny umożliwił obecnie konstrukcję wielu rodzajów tych urządzeń przystosowanych do indywidualnych potrzeb odbiorcy. Takim specyficznym rozwiązaniem jest basenowa pompa ciepła. W urządzeniach tego typu najczęściej jest ograniczona maksymalna temperatura górnego źródła do 40°C. Basenowe pompy ciepła mają skraplacz przystosowany do pracy z wodą basenową, dzięki czemu nie ma konieczności budowy instalacji z osobnym wymiennikiem ciepła dla wody basenowej. Zaletą basenowych pomp ciepła jest łatwy montaż wewnątrz i na zewnątrz budynku, estetyczny wygląd, małe wymiary, prosty montaż i obsługa. Wadą tych pomp jest brak możliwości podgrzewania wody przez cały rok. Przy niskich temperaturach zewnętrznych (najczęściej około –5°C) praca pompy staje się niemożliwa. Wtedy do podgrzewu wody basenowej konieczna jest praca dodatkowego źródła ciepła (kotłownia, węzeł cieplny). Temperatura zewnętrzna, przy której pompa ciepła zostaje zastąpiona innym źródłem ciepła, jest nazywana punktem biwalentnym.

Przykład

Efektywność powietrznych pomp ciepła przedstawiamy na przykładzie instalacji do podgrzewu ciepłej wody o wydajności 1 m3/dobę. Podgrzew wody odbywa się od temperatury 10°C do 40°C. Symulację podgrzewu ciepłej wody w powietrznej pompie ciepła o mocy 8 kW wykonano za pomocą programu GeoT*SOL. Wyniki obliczeń:

• roczne zapotrzebowanie ciepła dostarczone przez pompę ciepła na podgrzanie ciepłej wody: 14 123 kWh,
• zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła: 4542 kWh,
• punkt biwalentny: –5°C,
• COP przy temperaturze powietrza zewnętrznego 7°C, temperatura wody 35°C: 4,1,
• COP przy temperaturze powietrza zewnętrznego 2°C, temperatura wody 35°C: 3,16,
• COP przy temperaturze powietrza zewnętrznego –7°C, temperatura wody 35°C: 2,75,
• średnie COP liczone dla całego okresu pracy pompy: 3,1.

Jak widać, koszt eksploatacji w przypadku pompy ciepła jest najniższy w porównaniu z innymi nośnikami energii. Trzeba jednak pamiętać o wadach tego rozwiązania, polegających na okresowym ograniczeniu pracy urządzenia w temperaturach poniżej –5°C. Ta cecha eliminuje powietrzne pompy ciepła jako jedyne źródło energii do podgrzewu ciepłej wody czy wody basenowej. Determinuje jednocześnie zastosowanie pompy ciepła równolegle z dodatkowym źródłem dla podgrzewu wody, w razie niesprzyjających temperatur zewnętrznych. W takich instalacjach pompy cieplne współpracują w ramach pracy kotłowni czy węzła cieplnego. Pompa ciepła będzie wtedy dodatkowym źródłem energii obniżającym koszty eksploatacyjne, podobnie jak np. kolektory słoneczne. Kolektory słoneczne mają podobną wadę – zależność pracy własnej urządzenia od warunków zewnętrznych. Kolektory nie pracują przez cały rok, a tylko podczas bezchmurnych dni. Ich wydajność znacznie spada zimą, a w nocy nie pracują w ogóle. Malejące ceny basenowych pomp ciepła, łatwość montażu i eksploatacji, a także niskie koszty użytkowania są cechami decydującymi o atrakcyjności tych urządzeń. Dlatego wydaje się, że basenowe pompy ciepła są obecnie racjonalnym rozwiązaniem obniżającym koszty podgrzewu wody basenowej i ciepłej wody  użytkowej.

MAGAZYN „PŁYWALNIE I BASENY” NR 14