Zasada działania pompy ciepła

Majster Guru:– Dzień dobry, w czym mogę pomóc?

– Naturalnie. Jednak wolałbym wiedzieć, o co konkretnie panu chodzi, bo pompy ciepła to tak zwany temat rzeka. Na rynku jest mnóstwo urządzeń, które łączy przede wszystkim zasada działania, natomiast ich budowa i przeznaczenie są bardzo różne.

– W takim razie musimy wytłumaczyć to sobie dokładnie, ponieważ bez zrozumienia, na czym polega funkcjonowanie pompy ciepła, nie da się rozsądnie rozmawiać o zastosowaniu tego urządzenia. Niewiedza powoduje, że często traktowane jest jak jakiś diabelski wynalazek, podczas gdy w rzeczywistości nie ma w nim nic niezwykłego. Pompa ciepła w domowym systemie grzewczym pełni dokładnie takie same zadanie, jak kocioł węglowy, gazowy czy elektryczny, a więc służy do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania (c.o.) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

– Tak, ale tylko w tym sensie, że może zostać przewidziana do ogrzewania domu, zwalniając z konieczności instalowania kotła albo ograniczając jego działanie do najzimniejszych dni w roku, kiedy to zapotrzebowanie na ciepło przekracza możliwości pompy. Między kotłem a pompą ciepła jest jednak zasadnicza różnica. Kocioł wytwarza ciepło, wykorzystując energię elektryczną lub zawartą w paliwie gazowym, płynnym albo stałym, np. w węglu.

Natomiast działanie pompy ciepła polega na przetłaczaniu do instalacji grzewczej budynku energii cieplnej dostępnej w jego otoczeniu, zmagazynowanej w ziemi, wodzie lub powietrzu. Określenie "dom ogrzewany pompą ciepła" jest więc nie do końca trafne, bo głównym zadaniem pompy jest nie produkcja, lecz przenoszenie energii cieplnej. Przeważającą część ciepła do ogrzewania pobiera ona z otoczenia budynku, nazywanego źródłem dolnym. Ciepło to jest następnie przekazywane do instalacji grzewczej domu, którą zwyczajowo określa się mianem źródła górnego.

– Wcale nie takie dziwne, jeśli zechce je pan zapamiętać, posługując się analogią do zwykłej pompy wody. Jak wszyscy wiemy, woda z góry na dół popłynie sama – nie trzeba do tego żadnej pompy. Nie obejdzie się bez niej wtedy, gdy chcemy przenieść wodę z dołu do góry. I tak samo jest z pompą ciepła – tłoczy ona ciepło ze źródła dolnego do źródła górnego.

– Zgadza się. Pompa ciepła wymaga zasilania energią elektryczną, lecz końcowy bilans wypada dla użytkownika niezwykle korzystnie, głównie dlatego, że z ciepła dostępnego w otoczeniu budynku korzystamy zupełnie za darmo. Otóż w przypadku zupełnie przeciętnej pod względem parametrów technicznych pompy ciepła, na każdy 1 kW energii pobranej z sieci elektroenergetycznej przypadają 2–5 kW pobrane z otoczenia. W rezultacie, przy poborze mocy wynoszącym 1 kW, uzyskujemy aż 4 kW użytecznej mocy cieplnej.

O takiej pompie mówimy, że jej współczynnik COP (stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę) wynosi 4 (lub 400%). Wskaźnik COP to podstawowy parametr opisujący sprawność energetyczną pompy – im jest większy, tym mniej energii elektrycznej potrzeba do uzyskania tej samej ilości ciepła.

Pompa większość ciepła pobiera z otoczenia budynku. Właśnie dlatego jest tania w eksploatacji

– Nie ma w tym nic tajemniczego. Na pewno mówiono o tym panu na lekcjach fizyki w szkole średniej, ale cóż – wiedza, z której nie korzysta się na co dzień, szybko ulatuje z głowy... Teoretyczne zasady funkcjonowania pomp ciepła, zwane zasadami termodynamiki, opracowano w XIX stuleciu, a pierwsze urządzenia tego rodzaju uruchomiono ponad 70 lat temu. Zresztą od dziesięcioleci wszyscy użytkujemy chłodziarki i agregaty klimatyzacyjne, które również przepompowują ciepło z miejsca, gdzie jest zimniej, do cieplejszego otoczenia. Bazuje to na podstawowej właściwości fizycznej gazów – ich temperatura rośnie, gdy są sprężane, a spada, gdy ulegają rozprężeniu.

Zasada działania pompy ciepła

Proszę popatrzeć na rysunek powyżej. W pompie ciepła – zupełnie tak samo, jak w agregacie chłodniczym (bo to właściwie jest agregat chłodniczy) – krąży w obiegu zamkniętym gaz nazywany czynnikiem chłodniczym lub roboczym. Zimny czynnik wpływa do pierwszego wymiennika ciepła zwanego parownikiem, gdzie odparowuje, pobierając przy tym ciepło z otoczenia.

Następnie trafia do sprężarki, napędzanej energią elektryczną. Gwałtowny wzrost ciśnienia czynnika powoduje wzrost jego temperatury do ok. 90°C, a potem w postaci tzw. przegrzanej pary wpływa on do drugiego wymiennika ciepła, zwanego skraplaczem. Tam czynnik kondensuje, czyli zmienia stan skupienia z gazowego na płynny, oddając przy tym ciepło. Schłodzony czynnik w postaci ciekłej trafia zaś do zaworu rozprężnego, w którym na skutek spadku ciśnienia gwałtownie się oziębia. Dalej kierowany jest do parownika i cykl zostaje zamknięty.

Jak widać, dzięki pracy sprężarki, ciepło przenoszone jest z parownika do skraplacza. W przypadku lodówki, znaczenie dla nas ma tylko połowa takiego obiegu chłodniczego – na ogół nie zwracamy uwagi na to, że skraplacz ogrzewa nam kuchnię. Dla działania pompy ciepła równie istotne są oba wymienniki: dzięki parownikowi pobieramy ciepło ze źródła dolnego, z kolei skraplacz przekazuje je do górnego źródła, a więc do instalacji grzewczej.