Jak działa pompa ciepła? Wyjaśniamy

2021-11-16 14:18
pompa ciepła
Autor: materiały prasowe Stiebel Eltron Dwufunkcyjna pompa ciepła zintegrowana z zasobnikiem c.w.u. zajmuje niewiele miejsca i jej zamontowanie nie wymaga wiele pracy od instalatora

Jak działa pompa ciepła? Czy jej montaż się opłaca? Działanie pompy ciepła opiera się na cyklicznej zmianie stanu fizycznego (ciecz – gaz – ciecz – gaz) czynnika roboczego krążącego w układzie zamkniętym. Jest on poddany kolejno parowaniu, sprężaniu, skraplaniu i rozprężaniu.

Pompa ciepła to urządzenie, które do ogrzewania pomieszczeń wykorzystuje ciepło z otoczenia – pobiera je najczęściej z gruntu, wody lub powietrza i transportuje do instalacji grzewczej. W ten sposób umożliwia korzystanie z energii, za którą nie trzeba płacić. Poza tym pompa ciepła nie zużywa żadnego paliwa, nie emituje spalin, a efektem jej działania jest jedynie obniżenie o kilka stopni temperatury ośrodka, z którego odbiera ciepło. Brzmi to zachęcająco, prawda? Tak, ale oczywiście musi być w tym jakiś haczyk – nie ma nic za darmo.

A więc po pierwsze, pompa ciepła jest stosunkowo droga. Jednak na szczęście nie aż tak, żeby nie mogła być powszechnie stosowana. Drugi problem – żeby transportować ciepło, pompa musi być zasilana energią. W powszechnie stosowanych urządzeniach jest to energia elektryczna. Jest ona najdroższym spośród popularnych nośników energii. Wprawdzie mówi się, że pompa nie potrzebuje jej dużo i że jej eksploatacja jest bardzo tania. Ale czy rzeczywiście tak jest? Od tego przecież zależy opłacalność jej zastosowania.

Typowy system grzewczy z pompą ciepła składa się z 3 zasadniczych elementów:

  • pompa ciepła
  • dolne źródło ciepła
  • górne źródło ciepła.

Dolnym źródłem ciepła może być instalacja umożliwiająca odbiór ciepła spod powierzchni ziemi lub ze zbiornika wodnego albo urządzenie służące do odbierania go z powietrza (wentylator).

Górnym źródłem ciepła jest zwykle system jego dystrybucji w budynku, czyli instalacja centralnego ogrzewania i przygotowująca ciepłą wodę użytkową (możliwe jest też działanie systemu w odwrotną stronę – instalacja grzewcza staje się wtedy dolnym źródłem i służy do chłodzenia pomieszczeń).

Dlaczego warto mieć pompę ciepła? Jaką wybrać?

Jak działa pompa ciepła? Jak przekazywane jest ciepło?

Jak to możliwe, że ciepło z chłodniejszego otoczenia jest przekazywane do znacznie cieplejszych pomieszczeń?

Urządzenie nazywane pompą ciepła służy do przekazywania ciepła z dolnego źródła o niskiej temperaturze do górnego źródła, w którym temperatura jest nawet o kilkadziesiąt stopni wyższa. Odbywa się to za pośrednictwem krążącego w wewnętrznym obiegu pompy ciepła czynnika chłodniczego, którym jest płyn o określonych właściwościach. Jest on poddawany procesom termodynamicznym: w niskiej temperaturze odparowuje, tym samym pobierając ciepło z otoczenia. Już jako gaz jest sprężany w sprężarce napędzanej energią elektryczną, dzięki czemu rośnie jego temperatura. Staje się ona tak wysoka, że wystarczy do ogrzania wody w instalacji centralnego ogrzewania lub powietrza nadmuchiwanego do pomieszczeń. Oddając ciepło, czynnik roboczy skrapla się i staje się cieczą. Przepływa przez element dławiący, w którym – w wyniku rozprężenia – jego temperatura znacznie się obniża. W tym stanie wraca do wymiennika, w którym odbiera ciepło z otoczenia, i cały cykl się powtarza.

W najpopularniejszych pompach ciepła stosowanych w domach jednorodzinnych za wzrost ciśnienia pary odpowiada sprężarka elektryczna. To właśnie jej praca jest wyjaśnieniem tego, w jaki sposób działa pompa ciepła i może przekazywać ciepło z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze (co – jak mogłoby się wydawać – przeczy drugiej zasadzie dynamiki). Wymiana ciepła między parą czynnika chłodniczego a wodą w instalacji grzewczej odbywa się w wymienniku ciepła nazywanym skraplaczem – bo efektem oddania ciepła wodzie jest skroplenie pary. Choć transport ciepła między dolnym źródłem a górnym w tym momencie się kończy, to w pompie ciepła niezbędny jest jeszcze jeden proces – obniżenie ciśnienia czynnika roboczego, dzięki któremu jego temperatura spada do poziomu niższego niż w dolnym źródle ciepła, co jest warunkiem odbioru od niego ciepła. Za obniżenie ciśnienia odpowiada zawór rozprężny. Do działania sprężarki, a także zasilania innych elementów systemu z pompą ciepła – sterownika czy pomp obiegowych – jest potrzebna energia elektryczna. Może to budzić obawy o koszt eksploatacji.

Przeczytaj też: Pompa ciepła w połączeniu z fotowoltaiką >>>

Jednak energia elektryczna jest tylko częścią energii dostarczanej przez pompę do pomieszczeń w postaci ciepła. Pozostała pochodzi z dolnego źródła, a to znaczy, że jest darmowa. Dzięki temu pompa ciepła należy do najtańszych w eksploatacji urządzeń grzewczych. Koszt ogrzewania nią zależy od uzyskanej efektywności, związanej m.in. z wyborem dolnego i górnego źródła ciepła, ale zwykle jest mniejszy niż ogrzewania kotłem na gaz czy olej, a gdy dolnym źródłem jest woda bądź grunt – także na węgiel.

Jak działa gruntowa pompa ciepła

W przypadku pomp ciepła wykorzystujących ciepło z gruntu, do doprowadzenia ciepła do parownika pompy jest potrzebna specjalna instalacja nazywana wymiennikiem gruntowym. Robi się ją z elastycznych rur, układając je w gruncie w jednej lub dwóch płaszczyznach albo w formie spirali. Aby uzyskać jak najwięcej ciepła, wymiennik należy umieścić na głębokości, na której temperatura gruntu jest najwyższa. Ze względu na koszty i opłacalność inwestycji układa się go tylko trochę poniżej strefy przemarzania gruntu (w zależności od regionu Polski znajduje się ona od 0,8 do 1,4 m poniżej poziomu terenu).

Ilość ciepła, którą da się pobrać z gruntu, zależy przede wszystkim od właściwości fizycznych gleby, a zwłaszcza jej wilgotności, w pewnym stopniu także od nasłonecznienia terenu. Gęstość strumienia ciepła w gruncie gliniastym osiąga ponad 30 W/m2, podczas gdy w suchym, piaszczystym może wynosić zaledwie 10 W/m2, czyli trzykrotnie mniej. Zatem powierzchnia wymiennika niezbędna do osiągnięcia mocy grzewczej 10 kW może się wahać od 330 do nawet 1000 m2. Na wymienniki układane poziomo w gruncie potrzeba sporo miejsca na działce.

Mniej wymagające pod tym względem są wymienniki w postaci pionowych sond. Rury takiego wymiennika umieszcza się w odwiertach o głębokość od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Jest to trudniejsze niż ułożenie rur poziomo, wymaga użycia specjalistycznego sprzętu, więc więcej kosztuje. Może się jednak okazać opłacalne na działkach o bardzo niskim poziomie wód gruntowych, gdzie wymiennik poziomy musiałby mieć bardzo dużą powierzchnię. Orientacyjnie można przyjąć, że do uzyskania 1 kW mocy grzewczej jest potrzebny odwiert o głębokości 20 m (czyli aż 200 m, gdy zapotrzebowanie wynosi 10 kW). Na ogół zamiast jednego bardzo głębokiego robi się kilka płytszych odwiertów, które powinny być oddalone od siebie co najmniej o 5 m.

Energia z wód gruntowych

Jeśli zapotrzebowanie na ciepło jest duże, bardziej opłacalne może być pozyskiwanie energii z wód gruntowych lub powierzchniowych – ich temperatura zimą waha się między 0 a 10°C. Wskaźniki energetyczne takiego rozwiązania są jeszcze korzystniejsze niż w przypadku pomp gruntowych, ale trzeba brać pod uwagę dodatkowe koszty i problemy wynikające z zanieczyszczenia wody. Konieczne jest jej filtrowanie oraz częste czyszczenie, a nawet wymiana korodujących elementów instalacji. Do osiągnięcia mocy 10 kW jest potrzebny przepływ ponad 2 m3/h wody o temperaturze 5°C, więc jej przepompowywanie pochłania znaczną ilość energii, co niekorzystnie wpływa na efektywność systemu.

Gazowa absorpcyjna pompa ciepła

To szczególny rodzaj pompy ciepła, w której do zwiększenia ciśnienia pary czynnika roboczego nie służy sprężarka elektryczna. Zamiast niej w pompie absorpcyjnej jest układ nazywany sprężarką termiczną, złożony z absorbera, generatora, pompy roztworu oraz elementu rozprężnego. Czynnikiem chłodniczym jest wodny roztwór amoniaku R717, który charakteryzuje niska temperatura wrzenia i brak negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Raz napełniony nim układ nie wymaga uzupełniania. Wzrost temperatury czynnika w takim urządzeniu nie następuje w wyniku pracy sprężarki, tylko dzięki działaniu palnika gazowego (na gaz ziemny lub płynny). Ciepło, które dostarcza do generatora, powoduje odparowanie amoniaku z roztworu bogatego (zawierającego dużo amoniaku), a uzyskana w ten sposób para oddaje ciepło do skraplacza, gdzie podgrzewana jest woda zasilająca instalację grzewczą. Następnie czynnik trafia do zaworu rozprężnego, skąd ciekły amoniak o niskim ciśnieniu przepływa do parownika, gdzie pobiera ciepło z dolnego źródła, przez co odparowuje. Pary amoniaku absorbowane są przez roztwór ubogi amoniaku (w absorberze), po czym za pomocą pompy są wtłaczane do warnika. Pobór energii elektrycznej można uznać za znikomy, ponieważ zasila ona jedynie pompę roztworu oraz wentylator (potrzebny do odbioru ciepła z powietrza). Natomiast zużycie gazu jest mniejsze niż w przypadku popularnych kotłów kondensacyjnych o 20-25%. Gazowe absorpcyjne pompy ciepła mogą wykorzystywać różnego rodzaju dolne źródła – powietrze, grunt, wodę oraz ciepło odpadowe. Są przeznaczone do montażu na zewnątrz, co pozwala uniknąć wydatków i ewentualnych kłopotów związanych z montażem przewodu spalinowego, wprowadzeniem instalacji gazowej do budynku i zapewnieniem w nim wymaganej w takim wypadku wentylacji.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Podziel się opinią
Grupa ZPR Media sprzeciwia się głoszeniu opinii noszących znamiona mowy nienawiści przepełnionych pogardą czy agresją. Jeśli widzisz komentarz, który jest hejtem, powiadom nas o tym, klikając zgłoś. Więcej w REGULAMINIE