Jeśli zastanawiasz się, jak działa pompa ciepła – przeczytaj poniższy artykuł. Wyjaśniamy w nim mechanizm funkcjonowania urządzeń do pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Będzie nieco fizyki, ponieważ to właśnie przemiany fizyczne pozwalają zasilać system ogrzewania lub przygotowywać ciepłą wodę użytkową w domach i coraz częściej – w przedsiębiorstwach.
Budowa systemu i rola czynnika termodynamicznego
Czynnik termodynamiczny (inaczej: czynnik roboczy) to po prostu nośnik ciepła. Krąży w zamkniętym obiegu pompy ciepła, zmieniając swój stan skupienia zależnie od aktualnego ciśnienia i temperatury. To w nim zawarta jest energia, biegnąca z dolnego do górnego źródła, zatem wraz z poniżej opisywanymi elementami należy do grupy pośredników przekazujących ciepło. Charakteryzuje się stałością przemian termodynamicznych, a jednocześnie współczynnikiem pozyskiwania ciepła o wysokich wartościach.
Pobierając lub oddając ciepło w odpowiednich urządzeniach składowych pompy, czynnik roboczy zasila pompę ciepła, cały czas krążąc w odwracalnym obiegu termodynamicznym. Urządzenia składowe to:
- Parownik – wymiennik ciepła; dochodzi w nim do przyswajania ciepła z otoczenia. Czynnik chłodniczy (w ciekłym stanie skupienia) jest podgrzewany, a następnie paruje. Podczas parowania dodatkowo podnosi własną temperaturę, pobierając ciepło z dolnego źródła. Parownik charakteryzuje się bardzo dużą odpornością na korozję, posiada zabezpieczenia przed osiadaniem brudu i zanieczyszczeń.
- Sprężarka – funkcjonuje dzięki energii elektrycznej. W sprężarce czynnik roboczy spręża się do ciśnienia około 14 bar – wzrost ciśnienia wiąże się ze wzrostem temperatury, a co za tym idzie, czynnik roboczy staje się cieplejszy o kilka stopni. Sprężarka to ważny element obiegu termodynamicznego pompy ciepła. Energia z ziemi czy powietrza jest w tym miejscu przenoszona do instalacji grzewczej. Cechuje się dużą wydajnością, niezawodnością oraz cichą pracą.
- Skraplacz – ten element odpowiedzialny jest za przekazywanie ciepła do instalacji grzewczej. Wykorzystując fakt, że system instalacji grzewczej charakteryzuje się niższą temperaturą czynnika roboczego krążącego za sprężarką, skrapla się on w skraplaczu i oddaje ciepło do układu centralnego ogrzewania. Za pomocą pompy obiegowej woda rozprowadza ciepło do kaloryferów, sieci ogrzewania podłogowego, klimakonwektorów lub bojlera przygotowującego ciepłą wodę użytkową. Charakteryzuje się wysoką wydajnością oraz niskim oporem przepływu.
- Zawór rozprężny – podczas sprężania się czynnika roboczego pozostaje przymknięty, „dławi” czynnik roboczy, a co za tym idzie – możliwe staje się osiągnięcie wymaganego ciśnienia oraz temperatury podczas sprężania, a także oddanie ciepła podczas skraplania do obiegu grzewczego. Kiedy energia cieplna zostanie już przekazana do urządzeń grzewczych, zawór rozprężny zostaje otwarty, a czynnik roboczy w ciekłym stanie skupienia rozpręża się, obniżając swoje ciśnienie oraz temperaturę.
Podsumowując: czynnik roboczy podczas zmiany stanu skupienia przekazuje ciepło. Przechodząc przez procesy termodynamiczne paruje, gdy jest zimno i pozyskuje ciepło z dolnego źródła. Zwiększając ciśnienie w sprężarce ogrzewa się, oddając ciepło do wody lub powietrza w układzie centralnego ogrzewania albo instalacji ciepłej wody użytkowej. Następnie skrapla się, przechodzi do zaworu rozprężnego, i kolejno – do parownika. Czynnik termodynamiczny obniża temperaturę oraz ciśnienie, po czym cały proces powtarza się od początku.
Pompa ciepła a energia elektryczna
Energię elektryczną w prezentowanych urządzeniach pobierają trzy elementy. Pierwszym z nich jest sprężarka, w bardziej szczegółowy sposób opisana wcześniej. Z pomocą energii elektrycznej podnosi ciśnienie czynnika roboczego oraz zwiększa jego temperaturę.
Drugim urządzeniem, które nie obędzie się bez energii z tradycyjnych źródeł jest pompa obiegowa dolnego źródła, odpowiedzialna za przepływ przez sondę pionową lub przez poziomy wymiennik ciepła.
Trzecią i ostatnią składową pompy ciepła, wymagającą zasilania energią elektryczną, jest pompa obiegowa górnego źródła. Jej zadaniem jest zagwarantowanie przepływu ciepłej wody w obiegu centralnego ogrzewania.
Współczynnik wydajności
Różne pompy ciepła charakteryzują się odmiennymi współczynnikami wydajności. Co to oznacza? Niektóre dostarczają więcej energii ze źródeł odnawialnych, inne – mniej. Niektóre potrzebują do funkcjonowania więcej energii elektrycznej, inne – mniej.
Współczynnik wydajności CoP (Ceofficient of Performance) wyraża stosunek ciepła oddanego do instalacji grzewczej czy instalacji ciepłej wody użytkowej do energii elektrycznej pobranej przez pompę. Im wyższy współczynnik wydajności, tym sprawniej działające urządzenie do pozyskiwania energii odnawialnej, a tym samym – niższe koszty eksploatacji.
Wydajność pomp ciepła zależy w dużej mierze od czynników atmosferycznych, z których pozyskują energię, a także od właściwie zainstalowanego systemu grzewczego oraz ustawień sterowników.
Różne mechanizmy działania, wiele korzyści dla użytkowników
Energię pobierać można ze źródeł geotermalnych, z wody i powietrza. Zasoby odnawialne pozwalają zniwelować negatywny wpływ na środowisko, jaki wiąże się ze spalaniem paliw kopalnych, a także zmniejszyć wydatki na ogrzewanie budynków lub przygotowywanie ciepłej wody użytkowej. Służą do tego następujące rodzaje pomp ciepła:
- ziemia/woda
Wykorzystuje poziomie gruntowe kolektory ciepła albo odwiertowe pionowe wymienniki ciepła. W pierwszym przypadku rozmieszczenie instalacji na powierzchni dwa razy większej niż powierzchnia ogrzewanego budynku, przy właściwym wymaganym składzie gleby oraz braku zabudowań czy pokryć asfaltowych pozwala transportować energię skumulowaną w ziemi. Jeżeli konkretny obiekt budowlany nie posiada odpowiedniego obszaru wokół, konieczne jest wywiercenie otworu pionowego, którym energia pompowana będzie do przewodów centralnego ogrzewania i instalacji c.w.u.
- woda/woda
Składa się między innymi z wymiennika ciepła o spiralnej budowie. Do jej poprawnego funkcjonowania konieczne jest wywiercenie dwóch otworów (w przypadku istnienia studni można ograniczyć się do jednego). W pierwszym odwiercie woda pompowana jest do pompy głównej, w drugim – wraca do gleby.
- powietrze/woda
Sposób jej instalacji jest prostszy niż w przypadku pozostałych pomp. Zastanawiasz się, jak działa pompa ciepła powietrze/woda? Samo urządzenie składa się z jednostek zewnętrznych oraz wewnętrznych. Miedziane przewody łączą parownik oraz agregat pompy, transportując przyjazny środowisku czynnik roboczy, a tym samym dystrybuując energię cieplną z parownika w kierunku skraplacza i dalej – do kaloryferów, czy rur ogrzewania podłogowego.
Dzięki zasadom termodynamiki i nowoczesnym technologiom, wykorzystując zasoby przyrody można jednocześnie dbać o środowisko i zasilać systemy ogrzewania w sposób tani, a zarazem ekologiczny.
Realne korzyści i konkretne dane – podsumowanie
Energia pozyskiwania z otoczenia stanowi około 75% wydajności cieplnej pomp ciepła; pozostałe 25% pochodzi z sieci elektrycznych. Te dane pozwalają dostrzec, jak bardzo można ograniczyć eksploatację tradycyjnych źródeł energii o negatywnym wpływie na środowisko oraz stosunkowo wysokich kosztach pozyskiwania, na rzecz darmowych, odnawialnych, ekologicznych zasobów energetycznych.
Mamy nadzieję, że powyższy tekst w wystarczającym stopniu odpowiada na pytanie „Jak działa pompa ciepła” i rozwiewa wątpliwości każdego, kto zastanawia się nad zasadami funkcjonowania urządzeń do pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych oraz zaletami tego typu rozwiązań. Warto docenić potencjał pomp ciepła z myślą o sobie, swoich bliskich i o środowisku.