Jak działa pompa ciepła?

Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła jest urządzeniem, które wielkością i wyglądem przypomina niewielkich rozmiarów lodówkę lub stojący kocioł grzewczy na gaz (podobnie zresztą jak on służy do ogrzewania domu i przygotowywania ciepłej wody). Zasada działania pompy ciepła, pomimo tego, że jest urządzeniem grzewczym, jest zasadniczo identyczne z działaniem lodówki. Jednak, gdy ta ostatnia usuwa ciepło z wnętrza i przekazuje je na zewnątrz, to pompa ciepła usuwa ciepło z przestrzeni zewnętrznej i przekazuje energię do budynku w postaci ciepła.

Pompa ciepła wykorzystuje do ogrzewania ciepło, które dzięki przemianom termodynamicznym (takim samym, jak w lodówkach i klimatyzatorach) “przepompowuje” ze źródła o niższej temperaturze do cieplejszego ośrodka. Przy czym, tym zimniejszym źródłem (tzw. dolnym), z którego jest odbierane ciepło, może być jak już wiemy woda, powietrze i grunt. Natomiast źródłem górnym, do którego ciepło jest dostarczane, najczęściej jest ogrzewana przez pompę woda (rzadziej powietrze) krążąca w instalacji grzewczej (idealnie do pracy z pompą ciepła nadają się niskotemperaturowe systemy grzewcze, takie jak m.in. ogrzewanie podłogowe lub klimakonwektory).

Tak więc, pompa nie wytwarza ciepła (poza pewną ilością, która jest jedynie efektem ubocznym działania jej sprężarki), a tylko przekazuje je ze źródła dolnego do górnego.

Źródło: instalacjebudowlane.pl

Z definicji II zasady termodynamiki wynika, że ciepło może samorzutnie przepływać tylko od wyższego do niższego poziomu temperatury. Jednak zarówno w przypadku lodówki, jak i pompy ciepła, jest odwrotnie. Ponieważ to, co było wcześniej zimne, staje się jeszcze chłodniejsze, a to co było ciepłe robi się jeszcze cieplejsze.

Aby więc “zmusić” ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej), pompa musi być zasilana energią elektryczną. Nie potrzebuje jej jednak dużo, bowiem dzisiejsze systemy wymagają dostarczania jedynie od 25 do 30% energii z zewnątrz, którą wykorzystuje się do napędu sprężarki (tani prąd może być pozyskiwany z fotowoltaiki). Tym samym, nawet 75% energii cieplnej dostarczonej do wnętrza domu pochodzi z otoczenia. Ogrzewanie pompą ciepła kosztuje zatem o wiele mniej niż kotłem na olej, czy gaz. Ponadto przy wytwarzaniu przez nią energii nie zachodzi proces spalania, dzięki czemu do środowiska nie trafiają szkodliwe substancje.

Czynnik chłodniczy w pompach ciepła - jak działa?

Aby pompa ciepła mogła działać prawidłowo, wyposaża się ją w czynnik chłodniczy (zwany inaczej chłodziwem lub ziębnikiem), biorący udział w zachodzącej w urządzeniu wymianie ciepła. Dzięki niemu właśnie, pompa ciepła może pobierać energię cieplną z otoczenia (czyli dolnego źródła). Czynnik chłodniczy o termodynamicznych właściwościach, wrząc pod niskim ciśnieniem i w niskiej temperaturze, pobiera ciepło, które później oddane jest do górnego źródła, w procesie skraplania.

Czynniki chłodnicze w różnych rodzajach pomp ciepła umieszczone są w innych miejscach (ich ogólna zasada działania jest taka sama). Również urządzenia te inaczej go wykorzystują. Dla przykładu:

• w powietrznych pompach ciepła, wentylator odpowiada za doprowadzenie powietrza do układu z czynnikiem chłodniczym, który odparowuje i oddaje ciepło;
• w pompach ciepła gruntowych, ciepło pozyskiwane jest z mieszanki wody z glikolem, przekazywanej do czynnika chłodniczego, który zostaje sprężony i odparowany.

Jak działa pompa ciepła w zależności od rodzaju dolnego źródła?

Rodzaj pompy ciepła, w zależności od źródła ciepła, z jakiego korzysta (z naturalnych zasobów powietrza, wody lub ziemi) nie pozostaje bez wpływu na jej działanie.

Jak działa pompa ciepła powietrzna?

Do najczęściej wybieranych wariantów tego urządzenia w Polsce należą pompy ciepła powietrzne typu powietrze-woda (do ogrzewania oraz przygotowania wody użytkowej). Cechują się one niską ceną oraz łatwym i szybkim montażem. W ich przypadku, wentylator
wywołuje przepływ powietrza przez wymiennik, za pośrednictwem którego, ciepło jest odbierane przez parujący czynnik chłodniczy. Następnie, zaś w zależności od tego czy mamy do czynienia z pompą ciepła monoblok, czy split, proces ten przebiega w określony sposób.

W przypadku pompy ciepła typu monoblok, czynnik skrapla się w jednostce zewnętrznej i przekazuje ciepło do wody grzewczej lub glikolu, tłoczonego do modułu hydraulicznego znajdującego się w budynku (tam z kolei rozprowadzany jest w instalacji). W pompie ciepła tego typu, wszystkie elementy układu chłodniczego, zamknięte są w jednostce umieszczonej na zewnątrz domu. Jest ona hermetyczna, w całości produkowana i montowana w fabryce, w związku z tym, jej montaż obarczony jest niewielkim ryzykiem komplikacji (zwalnia również właściciela z obowiązku rejestracji urządzenia w Centralnym Rejestrze Operatorów).

Jednak w polskich warunkach, wymagane jest zabezpieczenie przewodów wodnych przenoszących ciepło do domu przed zamarznięciem (co może mieć miejsce np. podczas przerwy w dopływie energii elektryczne). Można to zrobić, napełniając całą instalację glikolem i montując między nią, a instalacją c.o. dodatkowy wymiennik (spada jednak wówczas współczynnik COP).

Natomiast w przypadku pomp ciepła typu split, których cały system składa się z dwóch modułów połączonych ze sobą rurami chłodniczymi, ich montaż powierzyć trzeba specjalistom posiadającym uprawnienia F-gazowe. Jednak dzięki temu, że jednostka zewnętrzna jest połączona z wewnętrznym modułem hydraulicznym przewodami zawierającymi czynnik chłodniczy, w sytuacji braku dostaw prądu, układ nie ulegnie uszkodzeniu na skutek zamarznięcia przewodów.

Jak działa pompa ciepła gruntowa?

Gruntowe pompy ciepła do ogrzewania wykorzystują energię skumulowaną w gruncie. Pobierają ją za pomocą wymiennika gruntowego odpowiednio zagłębionego pod powierzchnią ziemi lub w przygotowanych odwiertach w gruncie. Następnie zaś, przekształcają w ciepło do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowywania ciepłej wody użytkowej. We wnętrzu kolektora znajduje się bowiem element chłodniczy (jest nim przeważnie płyn glikolu monopropylenowego), który chłodzi się w parownikach gruntowych pomp ciepła do temperatury mniejszej od temperatury terenu. Czynnik chłodniczy o niższej temperaturze podgrzewa się od terenu, odbierając w ten sposób moc termiczną i dostarczając ją do pompy ciepła.

Dzięki temu, że temperatura na pewnej głębokości, nawet zimą, w czasie dużych mrozów, jest stała i zawsze dodatnia, pompy ciepła gruntowe cechują się niezawodnością (nawet w warunkach najzimniejszego klimatu), najwyższym możliwym komfortem cieplnym i najniższym zużyciem prądu. Należy tu również podkreślić, że ten rodzaj pompy ciepła ogranicza się wyłącznie do jednostki wewnętrznej. To właśnie w niej zamknięty jest cały obieg chłodniczy (wymiennik pierwotny odbierający ciepło z zewnętrznego źródła oraz wtórny, który przekazuje je do znajdującej się w budynku instalacji grzewczej).

W przypadku gruntowej pompy ciepła, czynnik chłodniczy trafiając do parownika wrze w niskiej temperaturze, następnie powstający wówczas gaz jest sprężany i tym samym podgrzewany przez sprężarkę. Później w skraplaczu, czynnik chłodniczy oddaje ciepło do wody grzewczej lub na potrzeby podgrzewania c.w.u. (ulegając przy tym ponownemu skropleniu). Na końcu, znajdując się jeszcze pod ciśnieniem, jest on rozprężany w zaworze rozprężnym i cały proces zaczyna się od nowa.