Jak działa pompa ciepła?

Z tekstu dowiesz się:

• jak działa czynnik chłodniczy,
• jak działa pompa ciepła w zależności od rodzaju dolnego źródła,
• dlaczego ogrzewanie pompą ciepła się opłaca.

Co to jest pompa ciepła? To urządzenie jest stosowane w domach od prawie stu lat. Znajdziemy ją chociażby w kuchni – jest to po prostu lodówka. Zasada działania pompy ciepła i lodówki jest dokładnie taka sama. Lodówka odbiera ciepło ze swojego wnętrza i transportuje je na zewnątrz, czyli do pomieszczenia, w którym się znajduje. Pompa ciepła pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego, gruntu, zbiornika wodnego bądź też wód gruntowych.

Ale zaraz – jak to? Pobiera energię z zimnego powietrza i przekazuje ją do cieplejszego wnętrza domu? To możliwe? Oczywiście.

Pompa ciepła – działanie czynnika chłodniczego

Aby ciecz parowała, potrzebuje ciepła. Przykładowo: aby woda w czajniku zaczęła parować, musimy ją podgrzać. Z kolei para wodna, skraplając się, oddaje to ciepło. Można to zaobserwować na butelce wyjętej z lodówki – osadzony szron to właśnie para wodna obecna w powietrzu, która schłodzona przez zawartość butelki wykrapla się na jej powierzchni. Oczywiście, ciepło z tej skraplającej się pary wędruje do butelki i jej zawartości.

Wystarczy znaleźć jednak czynnik, który paruje nie jak woda (w temperaturze ok. 100℃), a w temperaturze nawet poniżej zera. Wtedy możemy pobierać ciepło np. z powietrza zewnętrznego o takiej właśnie niskiej temperaturze w okresie zimowym. Parujący czynnik, skraplając się w wymienniku, podgrzewa wodę grzewczą pompowaną do instalacji domowej.

Takie właśnie czynniki są stosowane w układach chłodniczych. Kiedyś były to tzw. freony, związki zawierające chlor i fluor. Obecnie stosowane są bardziej przyjazne środowisku czynniki wolne od tych pierwiastków, a także propan i dwutlenek węgla.

Pompa ciepła – jak działa w zależności od rodzaju dolnego źródła?

Wiemy już, jak jest możliwy transport ciepła z zimniejszej do cieplejszej przestrzeni. Jednak jak działają pompy ciepła w układzie? Wszystko zależy od dolnego źródła: powietrza otaczającego, gruntu lub wody.

Pompa ciepła powietrzna – zasada działania

W przypadku pompy powietrznej wentylator wywołuje przepływ powietrza przez wymiennik, za pośrednictwem którego ciepło jest odbierane przez parujący czynnik chłodniczy. Dalej mamy dwie opcje. Czynnik skrapla się w jednostce zewnętrznej i przekazuje ciepło do wody grzewczej lub glikolu, który jest tłoczony do modułu hydraulicznego w domu i dalej rozprowadzany w instalacji. Jest to pompa typu monoblok. Cały układ chłodniczy jest zamknięty w jednostce znajdującej się na zewnątrz budynku. W tym przypadku musimy zabezpieczyć połączenie jednostki zewnętrznej z budynkiem przed zamarznięciem w czasie, kiedy pompa nie pracuje – na przykład poprzez napełnienie całej instalacji glikolem lub zastosowanie wewnątrz budynku wymiennika glikol-woda. Obecność całego czynnika chłodniczego na zewnątrz umożliwia bezpieczne stosowanie jako czynnika chłodniczego propanu.

Drugi rodzaj powietrznej pompy ciepła, split, różni się od poprzedniej tym, że jednostka zewnętrzna jest połączona z wewnętrznym modułem hydraulicznym przewodami zawierającymi czynnik chłodniczy – tym samym jest niezagrożona zamarznięciem.

Gruntowa pompa ciepła – zasada działania

Jeszcze bardziej stabilnym źródłem ciepła są pompy gruntowe. Tutaj źródłem ciepła jest pionowy odwiert lub ułożony w gruncie poniżej granicy zamarzania wymiennik w kształcie serpentyny wypełnionej glikolem.

Źródło takie wykorzystuje ciepło skumulowane w wyniku ogrzewania ziemi przez promieniowanie słoneczne lub w przypadku odwiertu – geotermalne. Pompa ciepła ogranicza się tu tylko do jednostki wewnętrznej, gdzie zamknięty jest cały obieg chłodniczy: wymiennik pierwotny, który odbiera ciepło z zewnętrznego źródła, i wtórny, który przekazuje je do instalacji grzewczej.

Kolejnym rodzajem źródła geotermalnego jest woda. Może to być:

• zbiornik wodny: jezioro, rzeka
• woda gruntowa.

Zasada działania pompy woda-woda jest podobna jak gruntowej, tylko zamiast wymiennika gruntowego stosowany jest wymiennik woda ze źródła naturalnego-glikol. Występują też urządzenia wykorzystujące jako źródło ciepła instalację kanalizacyjną budynku, ścieki przemysłowe, a także pompy ciepła, w których wymiennik z czynnikiem chłodniczym ułożony jest bezpośrednio w naturalnym zbiorniku wodnym.

Mimo większej stabilności gruntowych pomp ciepła najpopularniejszym rozwiązaniem są jednak powietrzne pompy ciepła – ze względu na niską cenę oraz łatwy i szybki montaż. Ponadto powietrzne pompy ciepła nowej generacji wykazują się optymalną sprawnością nawet przy temperaturach poniżej zera.

Pompa ciepła – jak działa na domowe finanse?

Wiemy już, jak działa pompa ciepła i jakie są jej rodzaje. Teraz trochę ekonomii.

Dlaczego właściwie stosujemy pompę ciepła, czyli urządzenie zasilane energią elektryczną, do ogrzewania budynku i wody użytkowej?

Jeżeli ogrzewalibyśmy za pomocą energii elektrycznej klasycznie, poprzez kocioł elektryczny, to aby uzyskać 1 kW mocy grzewczej, musimy włożyć 1 kW mocy elektrycznej. Należy dodać do tego również straty wynikające ze sprawności układu.

W przypadku pompy ciepła energii elektrycznej używamy tylko do sprężarki, która doprowadza do skroplenia czynnika chłodniczego w pompie ciepła. W zależności od rodzaju pompy ciepła i parametrów pracy z 1 kW mocy elektrycznej uzyskujemy od 3 do 5 kW mocy grzewczej, czyli 3 do 5 razy więcej. Efektywność pompy ciepła określa współczynnik COP, mówiący właśnie o tym, ile razy więcej energii cieplnej uzyskamy w stosunku do włożonej elektrycznej.

Jak widać, pompa ciepła, dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej i pobranej z otoczenia energii cieplnej, pozwala zapewnić komfort cieplny użytkownikom budynków, nie powodując emisji żadnych spalin ani zanieczyszczenia środowiska. Warto zatem zdecydować się na to ekologiczne, a jednocześnie wyjątkowo ekonomiczne urządzenie grzewcze.