Jak działa ogrzewanie pompą ciepła?

Pompa ciepła nie wytwarza ciepła z prądu. Pobiera energię z powietrza, gruntu albo wody i przenosi ją do instalacji grzewczej budynku. Prąd zasila przede wszystkim sprężarkę, która umożliwia podniesienie temperatury czynnika chłodniczego. Cały proces przypomina działanie lodówki, ale przebiega w odwrotnym kierunku.

Czym jest pompa ciepła?

Lodówka odbiera ciepło ze swojego wnętrza i oddaje je do pomieszczenia przez wymiennik znajdujący się z tyłu obudowy. Pompa ciepła działa podobnie, lecz jej zadaniem jest pobranie energii z otoczenia i przekazanie jej do domu.

Źródłem energii, nazywanym dolnym źródłem ciepła, może być powietrze zewnętrzne, grunt albo woda. Pompa wykorzystuje więc energię środowiska, zaliczaną do energii odnawialnej. Następnie przekazuje ją do górnego źródła, czyli instalacji ogrzewania podłogowego, grzejników lub zasobnika ciepłej wody użytkowej.

Wewnątrz urządzenia działa zamknięty obieg chłodniczy. Krąży w nim czynnik chłodniczy, który przy odpowiednich zmianach ciśnienia może parować i skraplać się w temperaturach pozwalających odbierać ciepło z chłodnego otoczenia.

Jak przebiega obieg termodynamiczny?

Obieg termodynamiczny składa się z czterech powtarzających się etapów. Za transport energii odpowiada czynnik chłodniczy, a jego przemiany zachodzą w czterech głównych elementach pompy:

• Parowanie – czynnik pobiera ciepło z dolnego źródła i zmienia się z cieczy w parę.
• Sprężanie – sprężarka zwiększa ciśnienie czynnika, przez co rośnie także jego temperatura.
• Skraplanie – gorący czynnik oddaje energię instalacji grzewczej i przechodzi w stan ciekły.
• Rozprężanie – zawór obniża ciśnienie oraz temperaturę czynnika, przygotowując go do ponownego poboru ciepła.

Rola poszczególnych podzespołów wygląda następująco:

Ten obieg dotyczy wyłącznie wewnętrznego układu chłodniczego. Ciepło odebrane przez skraplacz trafia następnie do zewnętrznego obiegu grzewczego. W nim pompa obiegowa rozprowadza wodę do podłogówki, grzejników albo zasobnika ciepłej wody. Dzięki temu należy odróżnić przemiany czynnika chłodniczego w urządzeniu od dystrybucji ciepła w budynku.

Dlaczego pompa ciepła potrzebuje prądu?

Energia elektryczna napędza przede wszystkim sprężarkę. Jej zadaniem jest sprężenie czynnika chłodniczego, czyli zwiększenie jego ciśnienia i temperatury. Prąd zasila także sterowanie, pompy obiegowe, wentylator w urządzeniach powietrznych oraz inne elementy pomocnicze.

Pompa nie zamienia jednak całej pobranej energii elektrycznej bezpośrednio w ciepło. Większa część energii przekazywanej do budynku pochodzi z dolnego źródła. Dlatego ilość dostarczonego ciepła może być większa niż ilość prądu zużytego przez urządzenie.

Co oznacza współczynnik COP?

COP określa stosunek ilości ciepła przekazanego do instalacji do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę w określonych warunkach pracy. Przykładowo COP równy 4 oznacza, że przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej urządzenie przekazuje około 4 kWh ciepła.

Nie jest to stała wartość dla całego sezonu. COP zależy między innymi od temperatury dolnego źródła oraz temperatury wymaganej w instalacji grzewczej. Im mniejsza różnica między tymi temperaturami, tym łatwiej pompie pracować efektywnie. Dlatego rzeczywista sprawność może być niższa od wartości podawanej dla pojedynczego punktu pomiarowego.

Skąd pompa pobiera ciepło?

Rodzaj dolnego źródła wpływa na sposób montażu, stabilność pracy oraz koszty wykonania instalacji. Najczęściej spotyka się trzy rozwiązania:

• Pompa powietrzna pobiera energię z powietrza zewnętrznego za pomocą wentylatora. Jej montaż jest zwykle prostszy, ponieważ nie wymaga odwiertów ani kolektorów w gruncie. Temperatura źródła zmienia się jednak wraz z pogodą, co wpływa na efektywność urządzenia.
• Pompa gruntowa wykorzystuje ciepło zgromadzone w ziemi. Dolne źródło tworzą kolektory poziome albo odwierty pionowe. Temperatura gruntu jest bardziej stabilna niż temperatura powietrza, ale wykonanie instalacji wymaga większych prac terenowych.
• Pompa wodna pobiera energię z wód gruntowych lub odpowiedniego zbiornika. Woda może zapewniać stabilne warunki pracy, lecz takie rozwiązanie wymaga dostępu do źródła wody i odpowiednio zaprojektowanej infrastruktury.

W pompach gruntowych i wodnych między źródłem a właściwym obiegiem chłodniczym może krążyć ciecz niezamarzająca, na przykład roztwór glikolu. W pompach powietrznych wymiana energii zachodzi bezpośrednio między powietrzem a wymiennikiem urządzenia.

Kiedy ogrzewanie pompą ciepła działa najefektywniej?

Pompa ciepła najlepiej współpracuje z budynkiem o małym zapotrzebowaniu na ciepło oraz instalacją niskotemperaturową. Z tego powodu często łączy się ją z ogrzewaniem podłogowym, ściennym lub sufitowym. Duża powierzchnia wymiany pozwala ogrzewać pomieszczenia wodą o niższej temperaturze niż w przypadku tradycyjnych grzejników.

Nie oznacza to, że pompa nie może współpracować z grzejnikami. Trzeba jednak sprawdzić, czy instalacja zapewni wymaganą temperaturę przy dostępnej mocy urządzenia. Znaczenie ma także izolacja ścian, dachu, podłogi i okien, ponieważ straty ciepła bezpośrednio wpływają na czas pracy sprężarki oraz zużycie prądu.

Najprościej ująć zasadę działania tak: pompa ciepła wykorzystuje prąd do przeniesienia energii z chłodniejszego otoczenia do cieplejszej instalacji budynku.

Ogrzewanie pompą ciepła opiera się więc na transferze energii, a nie na spalaniu paliwa ani bezpośrednim wytwarzaniu ciepła z energii elektrycznej. O efektywności całego systemu decydują obieg chłodniczy, temperatura źródła, parametry instalacji grzewczej i stan cieplny budynku.