Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła (ang. heat pump) służy do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Pompa ciepła przepompowuje, a ściślej transferuje przy udziale zjawisk fizycznych (przemian z zakresu termodynamiki) ciepło o niższej temperaturze z zewnątrz budynku na poziom o wyższej temperaturze do wnętrza budynku przy udziale wkładu w postaci ciepła, pracy lub najczęściej energii elektrycznej.

Zjawisko to określa się mianem przenoszenia ciepła ze źródła dolnego (zewnątrz), np. gruntu, wody, powietrza do źródła górnego (wewnątrz) w postaci najczęściej wody ale również powietrza.

Pompa ciepła to taka lodówka co grzeje

Cały proces działania pompy ciepła oparty jest na cyklu chłodniczym, a ściślej w przypadku pomp ciepła wykorzystywanych do ogrzewania na odwróconym cyklu chłodniczym. Pompa ciepła w trybie grzania spręża (podgrzewa) czynnik chłodniczy o temperaturze zewnętrznej, który staje się gorący.

W najprostszy sposób można zobrazować działanie pompy ciepła jako odwrócony obieg lodówki: Lodówka odbiera ciepło z produktów, które są w niej przechowywane, a następnie oddaje je do otoczenia. Natomiast, pompa ciepła pobiera ciepło z otoczenia, tj. gruntu, powietrza lub wody, które następnie przenosi do wnętrza budynku.

Mamy tutaj do czynienia z obiegiem zamkniętym czynnika roboczego (gazy cieplarniane: R410a, R32, R290), który będzie krążył w rurach a następnie za pomocą sprężarki zasilanej energią elektryczną jest sprężany i rozprężany. Przy sprężaniu i rozprężaniu występują procesy skraplania i parowania wykorzystującymi przemiany fizyczne, a więc w pełni ekologiczny, pochodzący ze środowiska.

Magia fizyki do ocieplania twojego domu

W pompie ciepła montowany jest parownik i skraplacz (wymiennik ciepła). Zasysane z zewnątrz cieplejsze powietrze tafia do zimnego będącego w stanie rozprężonym wymiennika. W parowniku czynnik chłodniczy odparowuje i w skraplaczu oddaje energię do czynnika chłodniczego. W skrócie podgrzany powietrzem czynnik paruje, a więc zmienia swój stan skupienia z ciekłego na gazowy. Następnie w postaci gazowej transportowany jest do sprężarki, która podnosi jego ciśnienie w procesie sprężania, doprowadzając w rezultacie do wzrostu temperatury. Oczywiście w kolejnym cyklu, czynnik chłodniczy jest rozprężany, po wytraceniu ciepła i utraceniu swojej energii cieplnej jest ponownie przenoszony na zewnątrz w postaci zimniejszej niż występująca w środowisku.

Nie byłyby te wszystkie procesy możliwe, gdyby nie występowały różnice ciśnień. Panujące ciśnienie predestynuje temperatury, w których zachodzą odparowywanie i skraplanie czynnika chłodniczego. Wysokie ciśnienie na skraplaczu powoduje wzrost temperatury skraplania i przekazanie dużej ilości ciepła przy skraplaniu czynnika. Analogicznie, spadek ciśnienia na parowniku zmniejsza temperaturę parowania i w momencie kiedy czynnik odparowuje, możliwe jest pozyskanie z otoczenia (z zewnątrz) znacznej ilości ciepła.

rys1. Schemat działania pompy ciepła.  

W skrócie; zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ciepło spontanicznie płynie od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Dlatego nigdy nie będzie tak, żeby ciepła spontanicznie od otoczenia zimniejszego do otoczenia cieplejszego. Można jednak odwrócić kierunek tego procesu przy wykonaniu pracy. Zgodnie z zasadami fizyki, praca wymagana do przeniesienia tej energii będzie znacznie mniejsza niż ilość ciepła uzyskana w jej wyniku. Wszystkie te składowe pompy ciepła parownik, skraplacz, śmigła wentylatora, sprężarka zasilone energią elektryczną, obrazują wspomnianą pracę, której wydatek jest znacznie mniejszy niż wyprodukowana energia cieplna. Wyprodukowana w taki sposób energia cieplna w przypadku pompy ciepła przekazywana jest do systemu centralnego ogrzewania.

Jak mierzymy efektywność pompy ciepła?

Efektywność polegająca na tym, że wartość pozyskanej energii cieplnej kilkukrotnie przewyższa nakład poniesionej pracy jest tym kluczowym argumentem, który  stanowi fundament do wykorzystywania pomp ciepła jako ekonomicznego, opłacalnego, charakteryzującego się dużą sprawnością urządzenia wykorzystywanego do ogrzewania naszych budynków oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Cały fenomen pompy ciepła polega na tym, że zużywając 1 kW energii elektrycznej jest w stanie wpompować do budynku z reguły około 4 kW ciepła. Sprawność takiego układu zależy od różnicy temperatur, stąd im wyższa temperatura na zewnątrz tym sprawność rośnie i na odwrót; im temperatury niższe tym sprawność maleje.

Wydajność pompy ciepła wyraża się parametrem, współczynnikiem wydajności COP (ang. Coefficient of Performance) lub sezonowym współczynnikiem efektywności SCOP (ang. Seasonal Coefficient of Performance). Im wyższa wartości obu parametrów, tym sprawność, wydajność pompy ciepła jest lepsza, tzn. potrzebuje dostarczenia mniejszej ilości energii elektrycznej do wytworzenia energii cieplnej.

Pompy ciepła dostępne aktualnie na rynku charakteryzują się wysokim współczynnikiem wydajności przekraczającym bardzo często wartość 4, a przy niższych temperaturach zewnętrznych 3, co ma ogromne znaczenie przy wyborze źródła ogrzewania. Oznacza to sprawność systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła na poziomie  300-400%, co przekłada się na 3-4 razy oszczędniejsze źródło w porównaniu do konwencjonalnego ogrzewania elektrycznego opartego na kotłach elektrycznych, grzejnikach elektrycznych, wentylatorach, etc.

Pompy ciepła stale są udoskonalane, wzrasta ich wydajność dlatego w obliczu postępującej transformacji energetycznej, mającej na celu łagodzenie zmian klimatycznych stanowią idealne, oszczędne, ekologiczne źródło ogrzewania. Aktualnie oferowane na rynku pompy ciepła są w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie budynku na ciepło i stanowi jedyne źródło ogrzewania.

Jaka pompa ciepła do domu? 

Przy doborze pompy ciepła należy wykonać audyt energetyczny budynku, żeby dowiedzieć się, jakie jest zapotrzebowanie budynku na ciepło. Trzeba dokonać analizy, żeby dowiedzieć się, ile w sezonie grzewczym ciepła wyrażonego w kWh potrzebuje nasz budynek, żeby zapewnić w nim ciepło i nie doszło w nim do wychłodzenia. Im lepsza izolacja budynku, ocieplenie ścian, dachu, podłóg, stropów, szczelniejsze okna, drzwi, skuteczniejsza wentylacja, tym niższe będzie zapotrzebowanie na energię cieplną. Przy każdej pompie ciepła podawana jest jej moc, na przykład jeżeli zapotrzebowanie budynku wynosić będzie 9 kW to w pełni wystarczającym źródłem ogrzewania, nawet na największe mrozy będzie pompa ciepła o mocy 9 kW.

Typy pomp ciepła

Najczęstszy podział pomp ciepła dokonywany jest w oparciu o dolne źródło, tj. miejsce z którego pochodzi ciepło. Dlatego możemy wyróżnić trzy typy pomp ciepła:

• pompy gruntowe (źródłem ciepła jest grunt): najefektywniejsze, jednak kosztowny montaż wymagający dokonywania głębokich odwiertów przy wymienniku pionowym lub dużej powierzchni działki przy wymienniku poziomym, decyzja o tym źródle ogrzewania zwykle podejmowana na etapie planowania budowy,
• pompy wodne (źródłem ciepła jest woda), często efektywniejsze od gruntowych, jednak wymagają dużych pokładów wód gruntowych lub obecności zbiornika wodnego, wadą jest wysoki koszt instalacji,
• pompy powietrzne (źródłem ciepła jest powietrze), najpopularniejsze, możliwe do zamontowania na każdym etapie budowy, a przede wszystkim w domach już istniejących, ich zaletą jest najniższy nakład finansowy spośród wszystkich wymienionych typów pomp ciepła.