Pompa ciepła – co to jest i jak działa?

Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi energię cieplną z powietrza, gruntu lub wody do instalacji grzewczej budynku. Nie wytwarza ciepła przez spalanie paliwa, lecz wykorzystuje energię elektryczną głównie do napędzania sprężarki i obiegu czynnika chłodniczego.

Czym jest pompa ciepła?

Pompa ciepła działa jak transport energii między dwoma miejscami. Pobiera ciepło z tak zwanego źródła dolnego, czyli powietrza, gruntu albo wody, a następnie przekazuje je do źródła górnego – instalacji ogrzewania budynku lub zasobnika ciepłej wody użytkowej.

W przeciwieństwie do kotła gazowego czy węglowego nie spala paliwa i nie potrzebuje komina odprowadzającego spaliny. Prąd nie służy tu do bezpośredniego ogrzewania wody jak w zwykłej grzałce. Zasila przede wszystkim sprężarkę oraz pozostałe elementy układu, które umożliwiają przepływ ciepła.

Jak działa pompa ciepła?

Zasada działania przypomina pracę lodówki, ale kierunek przekazywania energii jest odwrotny. Lodówka odbiera ciepło z wnętrza i oddaje je do pomieszczenia przez tylną część obudowy. Pompa ciepła pobiera energię z otoczenia i przekazuje ją do domu.

W układzie krąży czynnik chłodniczy. Może on zmieniać stan skupienia, dzięki czemu odbiera energię z chłodniejszego źródła, a następnie oddaje ją przy wyższej temperaturze. Uproszczony cykl wygląda następująco:

1. Pobranie ciepła – w parowniku czynnik chłodniczy odbiera energię z powietrza, gruntu lub wody i odparowuje.
2. Sprężanie – sprężarka, zasilana energią elektryczną, zwiększa ciśnienie gazowego czynnika. Wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie jego temperatura.
3. Oddanie ciepła – w skraplaczu czynnik przekazuje energię wodzie w instalacji grzewczej albo bezpośrednio powietrzu w budynku, po czym skrapla się.
4. Rozprężanie – zawór rozprężny obniża ciśnienie i temperaturę czynnika, który może ponownie odebrać ciepło ze źródła dolnego.

Najważniejsze elementy sprężarkowej pompy ciepła to:

• Parownik – odbiera ciepło ze źródła dolnego.
• Sprężarka – podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego.
• Skraplacz – przekazuje ciepło do instalacji budynku.
• Zawór rozprężny – obniża ciśnienie czynnika przed rozpoczęciem kolejnego cyklu.

Pompa może działać także zimą, przy temperaturze poniżej 0°C. Ujemna temperatura nie oznacza braku energii cieplnej. Jeśli czynnik chłodniczy w parowniku ma jeszcze niższą temperaturę niż powietrze na zewnątrz, może odebrać od niego ciepło. Przy silnym mrozie wydajność powietrznej pompy zwykle spada, a w niektórych sytuacjach pracę urządzenia wspomaga wbudowana grzałka elektryczna.

Skąd pompa ciepła pobiera energię?

Rodzaj pompy określa przede wszystkim dolne źródło ciepła. W domach jednorodzinnych spotyka się trzy główne rozwiązania:

Pompy powietrzne są najczęściej wybierane do domów, ponieważ ich montaż jest mniej skomplikowany i zwykle nie wymaga wykonywania odwiertów. W odmianie powietrze–woda energia trafia do wody krążącej w instalacji centralnego ogrzewania. W systemie powietrze–powietrze ciepło jest przekazywane bezpośrednio do powietrza w pomieszczeniach.

Pompa gruntowa korzysta z kolektorów ułożonych poziomo albo z sond umieszczonych w odwiertach. Zapewnia stabilne warunki pracy, lecz przygotowanie dolnego źródła wymaga większej działki lub odpowiednich prac w gruncie. Pompa wodna może osiągać wysoką efektywność, ale tylko wtedy, gdy działka zapewnia dostęp do wody o właściwych parametrach i możliwe jest wykonanie odpowiedniej instalacji.

Od czego zależy efektywność?

Wydajność pompy opisuje między innymi współczynnik COP. Określa on stosunek ilości ciepła przekazanego do budynku do ilości energii elektrycznej pobranej przez urządzenie w określonych warunkach. COP nie jest stały. Zależy między innymi od temperatury źródła dolnego oraz temperatury wymaganej przez instalację grzewczą.

Pompa pracuje najoszczędniej z ogrzewaniem niskotemperaturowym, na przykład podłogowym. Duża powierzchnia podłogi może oddawać ciepło przy niższej temperaturze wody. Grzejniki również mogą współpracować z pompą, ale często wymagają wyższej temperatury zasilania, co obniża efektywność urządzenia. Dlatego przy modernizacji istniejącej instalacji trzeba sprawdzić zapotrzebowanie cieplne budynku, wielkość grzejników i izolację przegród.

Dlaczego wybiera się pompę ciepła?

Pompa ciepła nie wymaga codziennego uzupełniania opału ani czyszczenia kotła. Po właściwym doborze i ustawieniu może pracować automatycznie, a w miejscu montażu nie powstają spaliny. Najważniejsze korzyści wynikają z połączenia komfortu z ograniczeniem lokalnej emisji:

• Automatyczna praca bez magazynowania i donoszenia paliwa.
• Brak spalin i popiołu w budynku.
• Możliwość ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.
• Współpraca z instalacją fotowoltaiczną, która może częściowo pokrywać zużycie energii elektrycznej.

Nie oznacza to jednak, że sama pompa zawsze zapewni niskie koszty ogrzewania. Znaczenie ma stan budynku, prawidłowy dobór mocy, rodzaj źródła dolnego oraz temperatura pracy instalacji. Zbyt duże urządzenie może często włączać się i wyłączać, a źle dobrane grzejniki mogą wymuszać pracę na wysokich parametrach.

Pompa ciepła to więc urządzenie, które przenosi ciepło, zamiast wytwarzać je przez spalanie. Jej działanie opiera się na obiegu czynnika chłodniczego, a efektywność zależy od różnicy temperatur między źródłem dolnym i instalacją grzewczą. Najlepsze rezultaty daje połączenie właściwie ocieplonego budynku, poprawnie dobranej mocy oraz niskotemperaturowego systemu ogrzewania.