Jak działa pompa ciepła? Zasada działania - prosty przewodnik dla każdego
Jak działa pompa ciepła? Zasada działania - prosty przewodnik dla każdego
Pompy ciepła to przyjazne środowisku i ekonomiczne w użytkowaniu urządzenia przeznaczone do ogrzewania domów i przygotowywania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Jaka jest zasada działania pompy ciepła? Jakie urządzenie wybrać - gruntowe, powietrzne czy wodne?
Zadaniem pompy ciepła jest zasilanie w ciepło instalacji c.o. oraz przygotowywanie c.w.u. W przeciwieństwie do kotła grzewczego pompa ciepła nie wytwarza jednak ciepła, tylko pozyskuje je z tzw. źródła dolnego, którym może być grunt, woda lub powietrze. Jest to możliwe dzięki znajdującemu się w pompie wymiennikowi ciepła (parownikowi), który wypełniony jest oziębionym czynnikiem roboczym. Czynnik roboczy pod wpływem ciepła z otoczenia ogrzewa się i przechodzi w postać gazową. Pompa ciepła składa się jeszcze ze sprężarki, która spręża gaz - jego objętość maleje, za to temperatura rośnie. W kolejnym elemencie, nazywanym skraplaczem, gaz oddaje ciepło, które trafia do układu odbiorczego (źródła górnego), a ochłodzony przepływa przez zawór rozprężny, wraca do parownika i cały cykl rozpoczyna się ponownie.
Aby pompa ciepła mogła działać, potrzebne jest zasilanie z sieci albo z fotowoltaiki. Dlatego bardzo ważne jest to, aby wybrać urządzenie dobrej jakości i dopasowane do parametrów konkretnego budynku. W przeciwnym razie można niemiło zaskoczyć się wysokością rachunków za prąd (dowiedz się, jak uniknąć rachunków grozy przy pompie ciepła).
O zakupie pompy ciepła warto pomyśleć już na etapie projektowania domu. Pozwoli to nie tylko na wybór najlepszej lokalizacji urządzenia i zasobników c.w.u, ale także na optymalny dobór parametrów całej reszty instalacji grzewczej.
W przypadku pomp ciepła jej cykle pracy powinny trwać wiele godzin. Bardzo często dąży się w ogóle do pracy ciągłej. Ewentualnie może być uruchamiana na kilkanaście godzin w ciągu doby, tak aby wykorzystywała tańszy prąd w taryfie dwustrefowej lub pracowała w godzinach, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest dość wysoka, fot. NIBE
Jak działa gruntowa pompa ciepła
Ze względu na rodzaj źródła dolnego, z którego pompa pozyskuje ciepło, urządzenia tego typu dzielimy na gruntowe, powietrzne i wodne. Charakterystykę zaczniemy od tych pierwszych. Pompy ciepła gruntowe czerpią ciepło z ziemi, która - zasilana promieniowaniem słonecznym oraz ciepłem z wnętrza Ziemi - jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej. Aby dało się ją pozyskiwać, potrzebne są jedne z następujących typów kolektorów:
poziome - to system wężownic z rur wypełnionych niezamarzającym wodnym roztworem glikolu etylowego lub propylowego. Płyn ten, krążąc w rurach, odbiera ciepło z gruntu, a następnie przez wymiennik ciepła przekazuje je pompie ciepła. Rury umieszcza się w gruncie na głębokości 1,5-2 m. Taki system jest najtańszy do wykonania, ale na tę opcję mogą się zdecydować tylko właściciele odpowiednio dużych działek. Instalacja zajmuje bowiem przynajmniej kilkaset metrów kwadratowych, a terenu tego nie wolno zabudować, wybrukować ani obsadzić drzewami. Na grunt muszą bowiem padać promienie słoneczne;
pionowe - w tym wariancie wielkość działki nie ma znaczenia, bo płyn krąży w kolektorach zagłębionych pionowo. Umieszcza się je w pionowych odwiertach, które mają głębokość przynajmniej kilkudziesięciu metrów. Wiąże się to z koniecznością użycia specjalistycznego sprzętu wiertniczego, co wpływa na koszty inwestycji w pompę ciepła;
w systemie z bezpośrednim odparowaniem - są to miedziane rury z plastikową powłoką, w których zamiast glikolu krąży czynnik roboczy pompy. Rurociąg pełni funkcję parownika, dzięki czemu wyeliminowany jest jeden wymiennik ciepła - pomiędzy płynem niezamarzającym w kolektorze ziemnym a czynnikiem roboczym pompy. Taki układ ma większą sprawność energetyczną, ale nie jest zbyt popularny w naszym kraju.
Powietrzna pompa ciepła - zasada działania pomp ciepła typu split i monoblok
Powietrze jest gorszym nośnikiem ciepła od gruntu, do tego jego temperatura jest wybitnie niestabilna - wysoka jest latem, a spada wtedy, gdy zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu jest największe. Mimo to pompy ciepła powietrzne cieszą się bardzo dużym zainteresowaniem. Z czego to wynika?
Pompy ciepła powietrznesą tańsze od gruntowych. Łatwiejszy jest też ich montaż. Pompa ciepła typu split składa się z dwóch jednostek. W zewnętrznej umieszczony jest wentylator, wymiennik ciepła, sprężarka i zawór rozprężny. W tej montowanej w budynku znajduje się natomiast skraplacz i pompa obiegowa c.o. Taką pompę musi zamontować instalator z uprawnieniami chłodniczymi. Napełnia się ją bowiem czynnikiem chłodniczym w trakcie montażu, a nie na etapie produkcji.
Natomiast pompa ciepła typu monoblok ma wszystkie podzespoły w jednej obudowie i jest już fabrycznie napełniona odpowiednią ilością czynnika roboczego. Z domem łączą ją jednak przyłącza hydrauliczne, które trzeba zabezpieczyć przed mrozem, gdyż płynie w nich woda grzewcza lub roztwór płynu niezamarzającego.
Niezależnie od typu, pompę ciepła powietrzną można zamontować w dowolnym momencie. Nie ma obawy o to, że podczas robót ziemnych zniszczy się wypielęgnowany trawnik czy rabaty z kwiatami, bo urządzenie instaluje się na gruncie. Praktycznie nie ma też znaczenia wielkość działki.
Niestety, pompy powietrzne nie są urządzeniami idealnymi. Choć w ostatnim czasie bardzo je udoskonalono (niektóre modele mogą działać nawet przy bardzo dużym mrozie, rzędu -25°C), są mniej efektywne od modeli gruntowych i wodnych, o których za chwilę. Dlatego w czasie dużych mrozów często wymagają wspomagania ze strony tradycyjnych instalacji grzewczych (kocioł, kominek). Taki system grzewczy nazywamy biwalentnym.
Wodne pompy ciepła
W tego typu pompach ciepła źródłem dolnym jest - jak wskazuje nazwa - woda. Jest ona znacznie lepszym nośnikiem ciepła niż grunt, nie mówiąc już o powietrzu. Temperatura wody podziemnej wynosi zwykle ok. 10°C. Co więc przesądza o tym, że takie pompy stanowią margines sprzedaży?
Do działania wodnej pompy ciepła potrzebne są dwie studnie - czerpna i zrzutowa. Woda zasysana z pierwszej przepływa przez wymiennik pompy ciepła i ochłodzona trafia do studni zrzutowej. Warunek jest taki, że wody gruntowe nie mogą zawierać dużych ilości żelaza i manganu, które zatykają filtry i wymiennik pompy ciepła. Rzadko kiedy udaje się spełnić to wymaganie.
Aby wykorzystać ciepło z wody można też zastosować kolektory poziome. Działają analogicznie do gruntowych kolektorów poziomych, ale w tym przypadku umieszcza się je na dnie zbiornika wodnego. W tym wariancie nie ma problemu z nadmierną ilością minerałów, ale mało kto ma dostęp do stawu czy rzeki.
Obecnie wybór pomp ciepła jest niezwykle bogaty. Różnią się one wieloma parametrami, kupowanie jakiegokolwiek urządzenia tylko na podstawie porównania np. mocy nominalnej oraz ceny to zupełnie bezsensowny pomysł. Jedna pompa powietrzna będzie miała np. 12 kW mocy nominalnej, lecz już tylko 5 kW przy -10°C na zewnątrz. Inna zaś 9 kW, ale zarówno nominalnie, jak i przy -10°C. Która z nich będzie faktycznie lepsza, niech każdy odpowie sobie sam.
Ponadto pompy ciepła występują w kilku wariantach montażowych. Różnice są zaś naprawdę duże. Możemy kupić zarówno samą pompę ciepła, jak i cały gotowy zestaw, niejako centralę grzewczą, gdy pompa połączona jest od razu z zasobnikiem c.w.u. oraz całym niezbędnym osprzętem. W pompach ciepła typu split fachowiec z tzw. uprawnieniami f-gazowymi musi wykonać instalację freonową pomiędzy domem i budynkiem. Natomiast w pompach ciepła monoblokowych nie jest to potrzebne, ale za to trzeba zabezpieczyć system przed zamarznięciem wody pomiędzy budynkiem i pompą. Nie ma więc prostej odpowiedzi na pytanie, który rodzaj pompy ciepła jest najlepszy. Dobra będzie pompa ciepła wysokiej jakości oraz dostosowana do specyfiki budynku.
Jednostka wewnętrzna pompy ciepła może być zintegrowana z zasobnikiem c.w.u. oraz całym niezbędnym osprzętem. Takie urządzenia najczęściej określa się jako All in One lub All in Split, fot. ZYMETRIC
Pompa ciepła zasada działania: podsumowanie
Omawiane pompy ciepła mają dość prostą budowę i zasadę działania. Zasilana prądem pompa ciepła sama nie produkuje ciepła, tylko czerpie je z dolnego źródła ciepła - z gruntu, wody lub powietrza. Następnie trafia ono do domowej instalacji grzewczej, co pozwala ogrzać dom. W tej roli najlepiej sprawdza się ogrzewanie płaszczyznowe, które działa efektywnie przy niskich temperaturach wody w obiegu.
Z punktu widzenia efektywności pracy pompy ciepła kluczowe jest to, jakie będzie źródło dolne. Najlepszym akumulatorem energii cieplnej są grunt i woda. Niestety, pompy ciepła gruntowe wymagają sporych nakładów inwestycyjnych i dużej działki. Z kolei na pompy ciepła wodne - ze względu na specyficzne wymagania odnośnie warunków wodno-gruntowych - mogą zdecydować się nieliczni. Dlatego najwięcej właścicieli domów jednorodzinnych wybiera pompy ciepła powietrzne, które mają przystępną cenę, a do tego są łatwe w montażu.
Fot. otwierająca: Adobe Stock
FAQ Pytania i odpowiedzi
Jak w prosty sposób wytłumaczyć zasadę działania pompy ciepła?
Wyobraź sobie lodówkę, ale działającą "na odwrót". Lodówka pobiera ciepło z wnętrza i oddaje je na zewnątrz. Pompa ciepła robi to samo, ale pobiera ciepło z otoczenia (z gruntu, wody lub powietrza) i przekazuje je do Twojego domu, aby go ogrzać.
Jaki rodzaj pompy ciepła jest najlepszy?
Nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Pamiętaj! Przed wyborem pompy ciepła warto skonsultować się ze specjalistą, który dobierze odpowiednie urządzenie do Twoich potrzeb i warunków. Wybór pompy ciepła zależy od wielu czynników, takich jak:
1. Wielkość działki: Pompy gruntowe wymagają dużej powierzchni do instalacji kolektorów.
2. Rodzaj gruntu: Wodne pompy ciepła wymagają odpowiednich warunków wodno-gruntowych.
3. Budżet: Pompy gruntowe są zazwyczaj droższe w instalacji niż powietrzne.
4. Indywidualne preferencje: Pompy powietrzne są łatwiejsze w montażu i tańsze.
Czy pompa ciepła może być jedynym źródłem ogrzewania?
Tak, w większości przypadków pompa ciepła może być jedynym źródłem ogrzewania. Współczesne pompy ciepła są wydajne i mogą ogrzewać dom nawet w niskich temperaturach. W przypadku bardzo dużych mrozów warto rozważyć dodatkowe źródło ciepła, np. kominek.
Czy pompa ciepła wymaga specjalnej instalacji grzewczej?
Pompy ciepła najlepiej współpracują z ogrzewaniem podłogowym lub ściennym, które działają efektywnie w niskich temperaturach. Można je jednak również podłączyć do tradycyjnych grzejników.
Czy pompa ciepła jest droga w eksploatacji?
Pompa ciepła jest energooszczędna, ale potrzebuje prądu do działania. Koszty eksploatacji zależą od wielu czynników, takich jak:
1. Rodzaj pompy ciepła: Pompy gruntowe są zazwyczaj bardziej efektywne energetycznie niż powietrzne.
2. Klasa energetyczna urządzenia: Im wyższa klasa, tym niższe zużycie prądu.
3. Stopień izolacji budynku: Dobrze ocieplony dom zmniejsza straty ciepła.
4. Ceny energii elektrycznej.
Z mediami jestem związany od 20 lat. Bardzo lubię pisać i redagować, starając się dopasować przekaz do konkretnej grupy odbiorców. W AVT Korporacja pracuję od dekady. Początkowo zajmowałem się infrastrukturą sportową, potem budownictwem - w miesięczniku „Budujemy Dom” i w tematycznych dodatkach specjalnych.
Moją największą pasją jest zwiedzanie bliższych i dalszych miejsc, o których piszę na swoim blogu podróżniczym. Poza tym interesuję się tematyką międzynarodową i geografią polityczną. W wolnych chwilach jeżdżę na rowerze, pływam i gram w koszykówkę.
Skomentuj
