Pompa ciepła - co to jest i jak działa? Rodzaje i najważniejsze terminy

Pompa ciepła to urządzenie, które potrafi przenosić ciepło z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze, zużywając do tego energię elektryczną. Przykładem pompy ciepła jest lodówka, która pobiera ciepło z wnętrza i oddaje je do otoczenia, chłodząc żywność.

Pompa ciepła nie łamie oczywiście II zasady termodynamiki, która mówi, że ciepło nie może samoistnie przepływać z ciała zimniejszego do ciała cieplejszego. Aby to zrobić, trzeba wykonać pracę nad układem. Pompa ciepła wykonuje pracę za pomocą sprężarki, która zwiększa ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego, który krąży w obiegu.

Pompa ciepła to nowoczesne i innowacyjne urządzenie, które potrafi przenosić ciepło z jednego miejsca do drugiego, wykorzystując do tego celu energię elektryczną. Pompa ciepła składa się z czterech elementów: sprężarki, skraplacza, zaworu rozprężnego i parownika, które tworzą zamknięty obieg, w którym krąży czynnik chłodniczy.

Pompa ciepła ma wiele zalet, takich jak ekologia, ekonomia i uniwersalność, ale także kilka wad, takich jak wysoki koszt, zależność od prądu i niższa wydajność przy niskich temperaturach. Pompa ciepła jest więc ciekawą alternatywą dla tradycyjnych systemów grzewczych, ale wymaga odpowiedniego doboru, instalacji i eksploatacji.

Więcej o energetyce i nowych technologiach przeczytasz na Spider`s Web:

Działanie pompy ciepła polega na przeniesieniu energii z otoczenia (tzw. dolne źródło ciepła) do budynku, tak aby mogło ono efektywnie zasilać jego system grzewczy (tzw. górne źródło ciepła) oraz zapewnić ciepłą wodę.

Pompa ciepła składa się z czterech głównych elementów: sprężarki, skraplacza, zaworu rozprężnego i parownika. Te elementy tworzą zamknięty obieg, w którym krąży czynnik chłodniczy np. glikol. Czynnik chłodniczy to substancja, która ma niską temperaturę wrzenia i łatwo zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy i odwrotnie. Pierwszym zadaniem pracy urządzenia jest odebranie i przekazanie energii z otoczenia.

Zacznijmy od parownika. Parownik to wymiennik ciepła, w którym czynnik chłodniczy, będący w stanie ciekłym, pochłania ciepło z otoczenia (np. z powietrza, ziemi lub wody) i paruje. W ten sposób czynnik chłodniczy zmienia się w gaz o niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze.

Następnie gaz trafia do sprężarki. Sprężarka to urządzenie, które zwiększa ciśnienie i temperaturę gazu, zużywając do tego energię elektryczną. Sprężarka jest sercem pompy ciepła, ponieważ to ona umożliwia przenoszenie ciepła z niższej do wyższej temperatury.

Po sprężeniu gaz kierowany jest do skraplacza. Skraplacz to kolejny wymiennik ciepła, w którym gaz oddaje ciepło do otoczenia (np. do ogrzewania domu lub ciepłej wody) i skrapla się. W ten sposób czynnik chłodniczy zmienia się z powrotem w ciecz o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.

Na końcu ciecz przechodzi przez zawór rozprężny. Zawór rozprężny to urządzenie, które zmniejsza ciśnienie i temperaturę cieczy, przygotowując ją do kolejnego cyklu. Zawór rozprężny jest jak kran, który reguluje przepływ czynnika chłodniczego w obiegu.

Pompy ciepła można podzielić na różne rodzaje, w zależności od tego, skąd pobierają ciepło i do czego je oddają. Najczęściej stosowane są następujące kombinacje:

Pompa ciepła powietrze-powietrze: pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i oddaje je do instalacji wentylacyjnej. Może służyć zarówno do ogrzewania, jak i do chłodzenia pomieszczeń. Jest to najprostszy i najtańszy rodzaj pompy, ale ma też najniższą sprawność i wymaga dodatkowego źródła ciepła w okresach zimowych.

Pompa ciepła powietrze-woda: pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i oddaje je do instalacji grzewczej z wodą. Może służyć do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej. Jest to najpopularniejszy i najbardziej uniwersalny rodzaj pompy, który zapewnia wysoką sprawność i komfort użytkowania. Nie wymaga dużych prac ziemnych ani specjalnych zezwoleń.

Pompa ciepła grunt-woda: pobiera ciepło z gruntu za pomocą kolektora poziomego lub sondy pionowej i oddaje je do instalacji grzewczej z wodą. Może służyć do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej. Jest to najbardziej efektywny i niezawodny rodzaj pompy, który zapewnia stałą temperaturę przez cały rok. Wymaga jednak dużych prac ziemnych i specjalnych zezwoleń.

Pompa ciepła woda-woda: pobiera ciepło z wody gruntowej lub powierzchniowej i oddaje je do instalacji grzewczej z wodą. Może służyć do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej. Jest to bardzo wydajny i stabilny rodzaj pompy, który wykorzystuje wysoką temperaturę wody. Wymaga jednak dostępu do źródła wody i specjalnych zezwoleń.

Rozwiązania typu monoblok i split w pompach ciepła różnią się tym, jak są zbudowane i rozmieszczone elementy układu chłodniczego, który przenosi ciepło z otoczenia do instalacji grzewczej. W pompach typu monoblok cały układ chłodniczy znajduje się w jednej obudowie, która może być umieszczona na zewnątrz lub wewnątrz budynku. W pompach typu split układ chłodniczy jest podzielony między jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną, które są połączone przewodami z czynnikiem chłodniczym.

Zaletą pomp typu monoblok jest to, że są łatwiejsze w instalacji i nie wymagają licencji chłodniczej. Są też cichsze i lepiej izolowane. Wadą jest to, że są większe i cięższe, co ogranicza możliwości montażu. Zaletą pomp typu split jest to, że są mniejsze i lżejsze, co daje większą elastyczność w zakresie instalacji. Wadą jest to, że są trudniejsze w montażu i wymagają licencji chłodniczej. Są też głośniejsze.

Wybór pompy ciepła typu monoblok czy split zależy od wielu czynników, takich jak dostępna przestrzeń, warunki klimatyczne, koszt i preferencje użytkownika. Najlepiej skorzystać z porady fachowca, który oceni warunki na miejscu i zaproponuje optymalne rozwiązanie.

Moc grzewcza pompy ciepła (Pg) to ilość energii cieplnej, którą urządzenie jest w stanie dostarczyć do systemu grzewczego. Moc elektryczna pompy ciepła (Pe) to ilość energii elektrycznej, którą urządzenie zużywa do pracy. Obie wielkości są zależne od typu, modelu i parametrów pompy ciepła, a także od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura źródła ciepła i temperatura ogrzewania.

Moc grzewcza i moc elektryczna pompy ciepła są ważne do obliczenia sprawności energetycznej urządzenia, czyli stosunku ilości ciepła dostarczonego do ilości energii elektrycznej zużytej. Sprawność energetyczna pompy ciepła wyrażana jest przez współczynnik COP (Coefficient of Performance), który jest równy Pg/Pe. Im wyższy współczynnik COP, tym wyższa sprawność i niższe koszty ogrzewania.

Współczynnik COP opisuje proporcje pomiędzy wyprowadzoną z urządzenia energią w cieple a doprowadzoną do niego energią elektryczną w określonych warunkach zewnętrznych. Na przykład COP na poziomie 4, informuje o tym, że aby z pompy ciepła uzyskać 4 kWh ciepła (odnawialnego i darmowego) należy zasilić urządzenie 1 kWh energii elektrycznej, która może pochodzić zarówno z sieci elektroenergetycznej, jak i z odnawialnych źródeł energii, np. z modułów fotowoltaicznych.

Jak widać, pompa ciepła nie wytwarza ciepła, tylko je przenosi z jednego miejsca do drugiego. Jedyna energia, która jest do tego potrzebna, to energia elektryczna, która napędza sprężarkę. W zależności od modelu pompy, energia elektryczna stanowi od 20 proc. do 40 proc. energii potrzebnej do ogrzania domu lub wody. Reszta energii pochodzi z otoczenia, które jest nieograniczonym i odnawialnym źródłem ciepła. Dlatego pompa ciepła jest uważana za ekologiczne i ekonomiczne rozwiązanie.

Aby prawidłowo dobrać moc pompy ciepła do potrzeb budynku, należy uwzględnić wiele czynników, takich jak zapotrzebowanie cieplne, powierzchnia, izolacja, liczba domowników, charakterystyka klimatu i rodzaj instalacji grzewczej. Zbyt duża lub zbyt mała moc pompy ciepła może prowadzić do nieefektywnej pracy, strat energii, niskiego komfortu cieplnego lub wysokich kosztów eksploatacji. Dlatego zaleca się skorzystać z porady fachowca, który pomoże dobrać optymalne rozwiązanie.