Jeszcze do niedawna pompa ciepła była znana tylko branży grzewczej i pasjonatom. Technologia była droga i nie każdy mógł sobie na nią pozwolić, nie było też programów dotacyjnych. Od kilku lat jednak Polska jest liderem w rozwoju rynku pomp ciepła, których w Polsce działa już ponad 315 tys. Coraz częściej widać i słychać reklamy firm, które proponują instalację pompy ciepła. Aby być świadomym nabywcą należy zgłębić temat i dowiedzieć się o zasadzie działania wymarzonego urządzenia. Tylko w ten sposób będziemy w stanie zauważyć, gdy nieuczciwy sprzedawca będzie nam obiecywał niemożliwe funkcjonalności pompy ciepła. Na co więc zwrócić uwagę?

Pompa ciepła i jej zastosowanie

W przypadku domowych pomp ciepła do czynienia mamy praktycznie zawsze z wersją sprężarkową, na której skupimy się w tym materiale. Są to więc urządzenia napędzane elektrycznie, które pobierają ciepło z miejsca o niskiej temperaturze (tzw. dolne źródło), a następnie dostarczają je do instalacji w budynku. Odbywa się to na skutek zajścia odpowiednich przemian termodynamicznych, dzięki którym pobrane ciepło zwiększa swoją temperaturę. Zanim to wyjaśnimy to przedstawimy inne zastosowania, które posiada pompa ciepła.

Technologia pomp ciepła towarzyszy nam na co dzień. Na analogicznych zasadach działa lodówka, która jednak różni się wykorzystaniem innych komponentów i przeznaczeniem. Niemniej - mało kto nie ufa lodówkom, dlatego więc nie ma powodów, aby wątpić w przydatność pomp ciepła. Urządzenia te mogą pełnić trzy funkcje: wspomniane ogrzewanie, przygotowanie c.w.u. i chłodzenie. W przypadku tego ostatniego wyróżniamy chłodzenie:

• aktywne - poprzez odwrócenie obiegu pompy ciepła (powietrzne-rewersyjne),
• pasywne - pozyskiwanie chłodu z dolnego źródła poprzez obieg czynnika w instalacji (gruntowe).

Wiemy już o zadaniach pompy ciepła, ale w jaki sposób są one realizowane? Z termodynamiki wiemy, że ciepło przepływa zawsze z ośrodka cieplejszego do zimniejszego. Pompa ciepła dzięki energii elektrycznej jest w stanie odwrócić ten proces. Prześledźmy to punkt po punkcie.

Dolne źródło dla pompy ciepła

Po pierwsze pompa ciepła pobiera ciepło z dolnego źródła (DZ), którym może być: 

• powietrze (najczęściej),
• grunt, 
• woda (najrzadziej).

Zaznaczmy, że energia w tych źródłach jest uznawana za odnawialne źródło energii. Źródłem tej energii jest natomiast energia promieniowania słonecznego, która ogrzewa powietrze i grunt (do pewnej głębokości).

Szczególnie w przypadku pomp powietrznych ma znaczenie temperatura dolnego źródła. W ciągu roku występują duże wahania temperatury, szczególnie w sezonie grzewczym. Im jest niższa temperatura, tym gorsza efektywność urządzenia. Grunt ma lepsze parametry, ale przy niedowymiarowaniu instalacji DZ może pojawić się problem z wychłodzeniem gruntu. Najbardziej stabilnym źródłem są wody podziemne, ale ich wykorzystanie jest marginalne. Powodem są kwestie prawne, jak i ekonomiczne. 

Odbiór ciepła przez parownik

W zależności od temperatury DZ energia kierowana jest na parownik. Ciepło do niego jest dostarczane albo bezpośrednio (powietrze) lub przy pomocy instalacji (np. z glikolem w pompach gruntowych). W nim odparowywuje czynnik chłodniczy, który krąży w obiegu pompy ciepła. Tam właśnie następuje właściwy odzysk ciepła. Wykorzystuje się tutaj właściwość płynnego czynnika chłodniczego polegającą na tym, że paruje on już nawet przy ujemnych temperaturach, jednocześnie gromadząc pobraną energię. 

Serce pompy ciepła - sprężarka

W kolejnym kroku najważniejsza jest sprężarka, a w przypadku pomp najczęściej są to urządzenia typu scroll lub twin rotary. Czynnik chłodniczy w postaci gazowej zostaje zassany i sprężony przez sprężarkę. Wraz z silnym wzrostem ciśnienia, wzrasta również temperatura czynnika chłodniczego. Od tego etapu zależy efektywność pompy ciepła, a dokładnie od od stosunku dostarczonej energii do budynku do wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby pracy pompy ciepła (głównie sprężarki). Można przyjąć, że średnio 70-80% energii cieplnej pochodzi z DZ, a 20-30% ze względu na pracę sprężarki. 

Mając wolumen energii dostarczonej do budynku i tej zużytej przez sprężarkę możemy określić współczynnik efektywności pomp ciepła. Oscylują one zazwyczaj w granicach 2,5-4,5. Więcej na ten temat w artykule COP, SCOP i SPF – co oznaczają współczynniki, które opisują pompę ciepła?

Skraplacz i dostarczanie ciepła do budynku

Następnie czynnik przepływa dalej do skraplacza (wymiennika ciepła), w którym ciepło odzyskane ze środowiska zostaje przekazane instalacji grzewczej. Sam czynnik powraca do stanu cieczy. W zależności od budowy pompy ciepła skraplacz może być zarówno w budynku, jak i poza nim.

• gruntowe i powietrzne split - w budynku,
• monoblok - poza budynkiem.

Ciepło jest wykorzystywane do ogrzewania i przygotowania c.w.u. Jeżeli pompa może działać w trybie rewersyjnym, to oznacza, że posiada także funkcję chłodzenia aktywnego. Wówczas parownik staje się skraplaczem, a skraplacz parownikiem. Nadmiar ciepła jest wyrzucany na zewnątrz.

Zawór rozprężny i powtórka

Po obniżeniu ciśnienia i temperatury w zaworze rozprężnym, czynnik może znowu pobierać ciepło z otoczenia – w ten sposób obieg zostaje zamknięty i krążenie rozpoczyna się na nowo. Poniżej można prześledzić na grafice, w jaki sposób działa pompa ciepła. 

Wyjaśniliśmy jedynie zasady działania. Technikalia, rodzaje sprężarek i ich charakterystyki, czynniki chłodnicze, rodzaje instalacji górnego źródła, przeznaczenie i dobór - to wszystko składa się na rozbudowany świat pomp ciepła. Kwestie ekonomiczne, ekologiczne i społeczne wymagają, aby do tej technologii podchodzić w sposób kompleksowy, co powinno zacząć się od zrozumienia działania urządzenia, które ma stać się głównym rozwiązaniem grzewczym w budynkach. 

Źródło: Termomodernizacja.pl