Pompa ciepła nie wytwarza ciepła bezpośrednio, lecz przenosi je z powietrza, gruntu lub wody do budynku. Działa podobnie jak lodówka, ale w odwrotnym kierunku. Energia elektryczna napędza głównie sprężarkę, a czynnik chłodniczy przenosi energię w zamkniętym obiegu.
Czym jest pompa ciepła i jak działa w skrócie?
Lodówka odbiera ciepło z wnętrza komory i oddaje je do pomieszczenia. Pompa ciepła wykonuje proces odwrotny – pobiera energię cieplną z otoczenia i przekazuje ją do instalacji ogrzewania budynku. Dlatego nawet zimne powietrze może być źródłem energii. Ma ono niższą temperaturę, ale nadal zawiera ciepło, które można odebrać za pomocą odpowiedniego czynnika chłodniczego.
Urządzenie pracuje w obiegu zamkniętym. Czynnik chłodniczy krąży między wymiennikami, sprężarką i zaworem rozprężnym, zmieniając ciśnienie oraz stan skupienia. W czasie cyklu odbiera ciepło z tak zwanego dolnego źródła, a następnie oddaje je do górnego źródła, czyli instalacji grzewczej w domu.
Jak przebiega obieg termodynamiczny?
Praca pompy ciepła składa się z czterech powtarzających się etapów: parowania, sprężania, skraplania i rozprężania. Za transport energii odpowiada czynnik chłodniczy, którego temperatura wrzenia jest na tyle niska, że może odparować także przy niskiej temperaturze otoczenia.
| Etap | Proces | Efekt |
|---|---|---|
| Parowanie | Czynnik chłodniczy odbiera ciepło w parowniku i zmienia stan z ciekłego na gazowy. | Energia z dolnego źródła trafia do czynnika. |
| Sprężanie | Sprężarka zwiększa ciśnienie gazu. | Rośnie temperatura czynnika, a do napędu sprężarki potrzebna jest energia elektryczna. |
| Skraplanie | Gorący czynnik oddaje ciepło w skraplaczu do instalacji grzewczej. | Czynnik ochładza się i przechodzi w stan ciekły. |
| Rozprężanie | Zawór rozprężny obniża ciśnienie czynnika. | Spada jego temperatura, a czynnik jest gotowy do ponownego odbioru ciepła. |
1. Parowanie czynnika chłodniczego
W parowniku zimny czynnik chłodniczy odbiera energię z powietrza, gruntu lub wody. Pod wpływem tego ciepła odparowuje, czyli przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy. Na tym etapie energia nie trafia jeszcze bezpośrednio do ogrzewania domu. Zostaje przejęta przez czynnik, który może następnie zostać poddany sprężaniu.
2. Sprężanie gazu
Gazowy czynnik trafia do sprężarki. To element, który zużywa najwięcej energii elektrycznej w podstawowym obiegu pompy. Sprężarka zwiększa ciśnienie gazu, a wraz z nim rośnie jego temperatura. Dzięki temu czynnik może osiągnąć poziom wystarczający do przekazania ciepła wodzie grzewczej lub powietrzu w budynku.
Bez tego etapu energia pobrana z otoczenia miałaby zbyt niską temperaturę, aby skutecznie ogrzać pomieszczenia. Sprężarka nie produkuje jednak ciepła w taki sposób jak grzałka. Podnosi parametry czynnika, aby umożliwić przekazanie wcześniej pobranej energii.
3. Skraplanie i oddawanie ciepła
Gorący czynnik w stanie gazowym przepływa przez skraplacz. Po drugiej stronie wymiennika znajduje się instalacja grzewcza, na przykład ogrzewanie podłogowe lub grzejniki. Czynnik oddaje jej ciepło, ochładza się i skrapla, czyli wraca do stanu ciekłego.
W tym momencie energia pobrana z dolnego źródła zostaje wykorzystana do ogrzewania budynku albo przygotowania ciepłej wody użytkowej.
4. Rozprężanie
Ciekły czynnik przepływa przez zawór rozprężny. Zawór obniża jego ciśnienie, a w konsekwencji także temperaturę. Czynnik wraca do warunków, w których może ponownie odebrać ciepło w parowniku. Cykl rozpoczyna się od nowa i trwa tak długo, jak długo budynek potrzebuje ogrzewania.
Skąd pompa ciepła pobiera energię?
Źródło, z którego urządzenie odbiera ciepło, nazywa się dolnym źródłem. Jego temperatura i stabilność wpływają na warunki pracy pompy. Wyróżnia się trzy podstawowe rozwiązania:
- Powietrze – powietrzna pompa ciepła nie wymaga wykonywania odwiertów, ale jej warunki pracy zmieniają się wraz z temperaturą zewnętrzną.
- Grunt – grunt zapewnia bardziej stabilną temperaturę niż powietrze, lecz instalacja wymaga kolektora poziomego albo sond pionowych.
- Woda – woda gruntowa może być wydajnym źródłem ciepła, ale wykorzystanie jej wymaga odpowiednich warunków hydrogeologicznych i instalacji studni.
Pompy powietrzne mogą pracować także podczas mrozu, ponieważ zimne powietrze nadal zawiera energię. Gdy różnica między temperaturą dolnego źródła a temperaturą wymaganą przez instalację grzewczą rośnie, sprężarka musi wykonać większą pracę. Zwykle oznacza to spadek efektywności, szczególnie w przypadku pomp powietrznych.
Dlaczego pompa ciepła jest efektywna?
Efektywność pompy ciepła opisuje współczynnik COP, czyli stosunek ilości dostarczonego ciepła do ilości zużytej energii elektrycznej. Przykładowo COP równy 4 oznacza, że przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej urządzenie dostarcza 4 kWh energii cieplnej w określonych warunkach pracy.
Nie oznacza to, że prąd zamienia się w całości w ciepło. Energia elektryczna napędza sprężarkę i pozostałe elementy pomocnicze, a większa część ciepła pochodzi z otoczenia. Wartość COP nie jest stała. Zależy między innymi od temperatury dolnego źródła, temperatury zasilania instalacji oraz różnicy temperatur, którą musi pokonać urządzenie.
Im mniejsza różnica między temperaturą źródła a temperaturą wymaganą w instalacji grzewczej, tym łatwiejsza praca sprężarki i zwykle wyższy COP.
Pompa ciepła działa więc jak urządzenie transportujące energię. Pobiera niskotemperaturowe ciepło z otoczenia, podnosi jego parametry dzięki sprężarce i przekazuje je do budynku. Cztery etapy obiegu – parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie – tworzą ciągły proces, który pozwala ogrzewać dom bez bezpośredniego spalania paliwa.
