Jak działa pompa ciepła? Zasada pracy urządzenia
Pompa ciepła nie wytwarza ciepła przez spalanie, lecz przenosi energię z powietrza, gruntu lub wody do instalacji budynku. Działa podobnie do lodówki, tylko w odwrotnym kierunku – lodówka odbiera ciepło z wnętrza i oddaje je na zewnątrz, a pompa ciepła pobiera je z otoczenia i przekazuje do domu.
Jak przebiega cykl pracy pompy ciepła?
W zamkniętym obiegu krąży czynnik chłodniczy. Dzięki właściwościom fizycznym może on odparowywać w niskiej temperaturze, odbierać energię z otoczenia, a następnie oddawać ją przy wyższej temperaturze do instalacji grzewczej. Cały proces składa się z czterech etapów:
- Parowanie – w parowniku czynnik chłodniczy pobiera ciepło z dolnego źródła, na przykład z powietrza zewnętrznego. Pod wpływem tej energii zmienia stan z ciekłego na gazowy.
- Sprężanie – gaz trafia do sprężarki. Zasilana energią elektryczną sprężarka zwiększa jego ciśnienie, a razem z nim rośnie temperatura czynnika.
- Skraplanie – gorący czynnik przepływa przez skraplacz i oddaje ciepło wodzie w instalacji grzewczej. W czasie ochładzania przechodzi ze stanu gazowego w ciekły.
- Rozprężanie – zawór rozprężny obniża ciśnienie i temperaturę ciekłego czynnika. W takiej postaci może on ponownie trafić do parownika i rozpocząć kolejny obieg.
Najważniejszy etap z punktu widzenia zużycia prądu zachodzi w sprężarce. Energia elektryczna nie służy bezpośrednio do wytworzenia całego ciepła, lecz napędza proces, który podnosi temperaturę energii pobranej z otoczenia.
| Etap | Co się dzieje? | Stan czynnika |
|---|---|---|
| Parowanie | Czynnik pobiera ciepło z dolnego źródła i zmienia stan skupienia. | Przejście z cieczy w gaz |
| Sprężanie | Sprężarka podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika. | Gaz pod wysokim ciśnieniem |
| Skraplanie | Czynnik oddaje ciepło instalacji grzewczej. | Przejście z gazu w ciecz |
| Rozprężanie | Zawór obniża ciśnienie i temperaturę czynnika. | Ciecz o niskim ciśnieniu |
Jaką funkcję pełni czynnik chłodniczy?
Czynnik chłodniczy jest nośnikiem energii w całym obiegu. Jego szczególna cecha to niska temperatura wrzenia. Dzięki niej może odparować także wtedy, gdy temperatura powietrza lub gruntu jest niska. W parowniku odbiera ciepło z otoczenia, a w skraplaczu przekazuje je do instalacji budynku.
Nie chodzi przy tym o jeden konkretny rodzaj substancji. W urządzeniach stosuje się różne czynniki, zależnie od konstrukcji pompy i wymagań technicznych. Przykładem naturalnego czynnika jest propan oznaczany symbolem R290, ale jego zastosowanie zależy od konkretnego urządzenia.
Dlaczego pompa ciepła potrzebuje prądu?
Energia elektryczna napędza przede wszystkim sprężarkę. Po przejściu przez parownik czynnik ma nadal zbyt niską temperaturę, aby ogrzać wodę w instalacji budynku. Sprężarka zwiększa jego ciśnienie, przez co temperatura gazu rośnie do poziomu pozwalającego przekazać ciepło w skraplaczu.
W skład układu wchodzą także wymienniki ciepła, zawór rozprężny, układ sterowania, a w pompach powietrznych również wentylator. Ich praca wymaga energii, jednak sprężarka odpowiada za zasadnicze „podniesienie” temperatury czynnika.
Im większa jest różnica między temperaturą dolnego źródła a temperaturą wymaganą przez instalację grzewczą, tym większego nakładu pracy potrzebuje sprężarka. Z tego powodu pompa zwykle pracuje korzystniej z instalacją niskotemperaturową, taką jak ogrzewanie płaszczyznowe, niż z układem wymagającym bardzo gorącej wody.
Efektywność urządzenia opisuje między innymi współczynnik COP. Przykładowo COP równy 5 oznacza, że przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej urządzenie dostarcza w określonych warunkach 5 kWh ciepła. Rzeczywista wartość zależy od temperatury źródła, temperatury zasilania i warunków pracy.
Czy pompa ciepła działa zimą?
Tak, ponieważ nawet zimne powietrze zawiera energię cieplną. Przy niższej temperaturze zewnętrznej warunki pracy pompy powietrznej są jednak trudniejsze, dlatego jej wydajność może spadać. Grunt i woda gruntowa mają zwykle bardziej stabilną temperaturę, co ogranicza zmienność pracy urządzenia.
Zasada cyklu pozostaje taka sama niezależnie od tego, czy dolnym źródłem jest powietrze, grunt czy woda. Różni się przede wszystkim sposób pobierania energii i konstrukcja wymiennika. Górnym źródłem jest instalacja przekazująca ciepło do budynku, na przykład ogrzewanie podłogowe, grzejniki lub zasobnik ciepłej wody.
Obieg może być także odwracalny. Po spełnieniu wymagań technicznych pompa ciepła może latem odbierać ciepło z budynku i przekazywać je na zewnątrz, działając podobnie do klimatyzatora.
Najprościej zapamiętać to tak: parowanie odbiera ciepło, sprężanie podnosi jego temperaturę, skraplanie przekazuje je do budynku, a rozprężanie przygotowuje czynnik do kolejnego obiegu.
