Pompa ciepła jest urządzeniem pozwalającym na przepływ ciepła ze strefy o niższej temperaturze do strefy o temperaturze wyższej.

Do funkcjonowania takiego procesu niezbędna jest jednak energia elektryczna pełniąca rolę energii napędowej dla pompy ciepła. Jej ilość uzależniona jest od ilości energii przenoszonej pomiędzy wspomnianymi strefami oraz różnicy temperatur między nimi i wzrasta razem z tymi wartościami. Pompa ciepła nie wytwarza zatem energii cieplnej, a jedynie ją przekazuje.

Podstawowymi elementami pompy ciepła są parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Ponadto urządzenia te wyposażone są w sterownik, pompkę obiegową dolnego źródła, grzałkę elektryczną i czujniki temperatury oraz ciśnienia. Zazwyczaj pompy ciepła zawierają zbiornik ciepłej wody użytkowej, przy czym w przypadku urządzeń o dużej mocy, zbiornik ten stanowi oddzielny element w kotłowni. Czynnikiem roboczym krążącym w instalacji jest płyn charakteryzujący się niską temperaturą wrzenia.

 

Jak działa Pompa ciepła
Pompa ciepła wykorzystuje niskotemperaturową energię zakumulowaną w gruncie, wodach podziemnych lub powietrzu stanowiących dolne źródło ciepła, a następnie przekazuje energię cieplną o wyższej temperaturze do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, czyli tzw. górnego źródła ciepła. Niskotemperaturowe ciepło aerotermalne, geotermalne i hydrotermalne, za pomocą czynnika termodynamicznego charakteryzującego się niższą niż woda temperaturą wrzenia i parowania przy określonych wartościach ciśnienia, przekazywane jest przez parownik do instalacji pompy ciepła. Za zaworem rozprężnym, a przed parownikiem następuje obniżenie temperatury poniżej temperatury dolnego źródła ciepła na skutek obniżenia ciśnienia czynnika roboczego. Dzięki temu energia może być od niego odbierana, a następnie zużywana w wymienniku ciepła, którym jest parownik do odparowania czynnika roboczego krążącego wewnątrz instalacji pompy ciepła (czynnik po odebraniu ciepła zmienia stan skupienia z płynnego na gazowy) stającego się nośnikiem energii cieplnej. Sprężarka spiralna, do której kierowany jest czynnik roboczy w postaci pary, spręża ją i powoduje wykraplanie w kondensatorze pompy ciepła, w temperaturze wyższej od temperatury, jaką ma czynnik przepływający przez wymiennik gdzie następuje oddanie ciepła wodzie (przejście czynnika do fazy ciekłej przy jednoczesnym oddaniu energii parowania powiększonej o pracę włożoną przez sprężarkę). Woda wypełnia grzejniki, a ochłodzony płyn przepływa przez zawór rozprężny, dzięki czemu czynnik roboczy powraca do ciśnienia, które umożliwia wrzenie w temperaturze dolnego źródła ciepła. Następnie czynnik roboczy kierowany jest powtórnie do parownika i cały proces rozpoczyna się od nowa. Podsumowując, w skraplaczu w użyteczny sposób odbierana jest energia pobrana przez czynnik roboczy w parowniku oraz energia napędowa, jaką pobrała sprężarka. Transport ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze jest możliwy jedynie przy udziale energii elektrycznej dostarczonej z zewnątrz do napędu sprężarki jako jednego z elementów obiegu termodynamicznego.

Zasada działania pompy ciepła

Zasada działania pomy ciepła

1- Czynnik obiegu dolnego źródła płynąc w wężownicy odbiera energię cieplną z gruntu, powietrza lub wody.

2- W parowniku pompy podgrzany czynnik obiegu dolnego źródła oddaje ciepło zimnemu czynnikowi chłodniczemu obiegu wewnętrznego pompy ciepła. Czynnik chłodniczy podgrzewa się i odparowuje, stając się gazem.

3- Gaz zostaje sprężony przez sprężarkę. Wytworzone w tym procesie ciepło jest przekazywane w skraplaczu do systemu instalacji centralnego ogrzewania budynku.

4- Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie oraz temperaturę i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces zaczyna się ponownie.

 

Dolne źródła ciepła

Dolnym źródłem ciepła dla pompy ciepła mogą być grunt, woda bądź powietrze. Przy jego doborze należy jednak pamiętać, że temperatura dolnego źródła oraz jej zmiany mają kluczowe znaczenie dla efektywności pracy pompy ciepła. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że im wyższa temperatura dolnego źródła, tym wyższy współczynnik efektywności COP. Zastosowanie pomp ciepła jest zatem w bezpośredni sposób związane z możliwością pozyskania energii cieplnej z dolnego źródła, które powinno charakteryzować się stałą temperaturą w ciągu roku umożliwiającą ekonomiczny odzysk ciepła, zdolnością odbudowy potencjału energetycznego w określonym czasie oraz bezawaryjnym funkcjonowaniem w czasie przyjętego okresu eksploatacji. Oczywiście istotne są także koszty wykonania dolnego źródła. Na coraz większą skalę, oprócz dolnych źródeł przedstawionych poniżej, wykorzystywane są także ciepło odpadowe, ścieki komunalne oraz gnojowica.

Na etapie projektowania jako pierwsze określane jest zapotrzebowanie budynku na ciepło w oparciu o analizę jego energochłonności oraz przeznaczenie (centralne ogrzewanie oraz zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową). Następnie dobierana jest pompa ciepła o odpowiedniej mocy, a ostatnim krokiem planowania inwestycji jest dobór dolnego źródła ciepła w oparciu o moc pompy. Idealnym rozwiązaniem w przypadku wykorzystania pompy ciepła dla celów c.o. oraz c.w.u. są budynki energooszczędne umożliwiające obniżenie temperatury górnego źródła (przy zmianie różnicy temperatur pomiędzy górnym a dolnym źródłem ciepła jest to kwestia kluczowa).

Współczynnik efektywności

Do określenia COP (Ceofficient Of Performance), a więc „sprawności” pompy ciepła będącej stosunkiem oddanej energii cieplnej do energii napędowej niezbędnej do pracy pompy, wykorzystuje się odwrócony obieg Carnota. Współczynnik efektywności zależy od różnicy temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem ciepła. Im mniejsza różnica temperatur, tym efektywniej pracuje pompa ciepła. Niezwykle istotne jest zatem optymalne zaprojektowanie instalacji. Dlatego też systemy grzewcze z niską temperaturą pracy, jak np. ogrzewanie podłogowe lub grzejnikowe niskotemperaturowe, współpracujące z pompą ciepła jako źródłem ciepła, osiągają wysokie współczynniki efektywności przy możliwie najniższych kosztach eksploatacyjnych (dotyczy to także paneli ściennych i klimakonwektorów). Współczynnik efektywności można również obliczyć korzystając z danych technicznych mocy grzewczej i poboru mocy elektrycznej pompy ciepła (moc grzewcza/moc elektryczna potrzebna do napędu sprężarki). Należy dodać, że pompy ciepła pozyskują 75% potrzebnej energii grzewczej ze środowiska naturalnego, natomiast pozostałe 25% stanowi energia elektryczna potrzebna, aby instalacja działała. Zatem, dla COP = 4, 1 kWh prądu elektrycznego pobrana przez pompę ciepła pozwala na „wyprodukowanie” 4 kWh energii cieplnej (energii grzewczej).

Wyróżnia się COP chwilowe i sezonowe (SPF). Z punktu widzenia klienta istotny jest jednak sezonowy współczynnik efektywności będący uśrednioną wartością z pełnego okresu pracy pompy ciepła przy zmianie parametrów jej pracy. Rzecz jasna, im większa wartość współczynnika efektywności, tym wydajniejsza jest instalacja. Idealnym rozwiązaniem dla uzyskania wysokiej wartości współczynnika efektywności jest zatem wspomniane powyżej ogrzewanie podłogowe o temperaturze zasilania 350C, przy czym powinien być spełniony warunek doskonałej izolacji termicznej budynku oraz zastosowania odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego (rekuperacja). W innym przypadku konieczne jest obniżenie różnicy temperatur pomiędzy górnym i dolnym źródłem ciepła, co powoduje wzrost sezonowego współczynnika efektywności o 2-3% na jednostkę temperatury.

Podsumowanie

Podstawowym atutem wykorzystania pompy ciepła dla celów centralnego ogrzewania oraz produkcji ciepłej wody użytkowej są oszczędności płynące z niższych niż w przypadku kotłów konwencjonalnych kosztów ogrzewania. Niewątpliwymi zaletami są także cicha praca, brak odpadów, ognia i dymu. Co do projektu samego budynku, instalacja z pompą ciepła nie wymaga komina, wykonania przyłącza gazowego czy miejsca składowania paliwa, co wpływa na komfort użytkowania tego urządzenia. W przypadku domów jednorodzinnych na kotłownie adaptowane są pomieszczenia gospodarcze, ponieważ pompa ciepła zajmuje niewiele miejsca. Należy pamiętać, że pompa ciepła pracuje przez cały rok. W zimie przygotowuje ciepłą wodę użytkową oraz ciepło dla potrzeb centralnego ogrzewania, natomiast po sezonie grzewczym, oprócz przygotowania ciepłej wody użytkowej, także chłodzi.

Michał Kaczmarczyk, Redakcja GLOBEnergia

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2009

zestaw artykułów pomy ciepła