Działanie pompy ciepła: co to jest i jak funkcjonuje w praktyce
W ostatnich latach gwałtownie wzrosła popularność pomp ciepła w gospodarstwach domowych. Coraz większa sprzedaż tego systemu ogrzewania widoczna jest nie tylko w wielu krajach Unii Europejskiej, ale również w Polsce. W porównaniu do poprzednich lat, w roku 2022 sprzedaż pomp ciepła na polskim rynku zwiększyła się ponad dwukrotnie. Ekologiczne ogrzewanie pompami ciepła staje się coraz częstszym wyborem w nowym budownictwie, jak również podczas modernizacji starych systemów grzewczych. Z tego artykułu dowiesz się więcej o budowie i funkcjonowaniu pompy ciepła oraz o tym, jak działanie pompy ciepła wpływa na środowisko i jakie oszczędności generuje w gospodarstwach domowych.
Trzy elementy pompy ciepła
Działanie pompy ciepła można opisać za pomocą zasady „odwróconej lodówki”. Lodówka pobiera ciepło ze swojego wnętrza i oddaje je na zewnątrz. Pompa ciepła natomiast pobiera ciepło z otoczenia i przekazuje je w postaci energii cieplnej do wnętrza ogrzewanego budynku.
Wszystkie systemy grzewcze z pompą ciepła, niezależnie od źródła ciepła, składają się z trzech części: dolnego źródła ciepła (grunt, powietrze, woda), układu chłodniczego (pompy ciepła) oraz górnego źródła (instalacji grzewczej, np. ogrzewanie płaszczyznowe lub grzejnikowe).
Dolne źródła ciepła
System źródła ciepła czerpie energię z natury.
- W pompie ciepła solanka/woda instalacja pobiera ciepło z gruntu. Następnie rurami wypełnionymi mieszanką solanki i wody transportuje je do pompy ciepła.
- Instalacja źródła ciepła w pompie gruntowej (zwanej również pompą ciepła woda/woda) transportuje wodę gruntową do pompy ciepła za pomocą studni.
- Pompa ciepła powietrze/woda ma najłatwiejszy do zainstalowania system źródła ciepła, ponieważ nie wymaga on wykonania odwiertów. W tym rodzaju pomp ciepła wszystkie elementy są kompaktowo umieszczone w jednym urządzeniu zasysającym powietrze z zewnątrz za pomocą wentylatora.Pompa ciepła
Właściwa pompa ciepła, jako urządzenie docelowe, znajduje się w drugiej części całego systemu. Przetwarza ona pobrane naturalne ciepło i przenosi je do instalacji grzewczej budynku.
System dystrybucji i magazynowania ciepła
W systemie dystrybucji i magazynowania ciepła krąży woda jako czynnik grzewczy. Pompa ciepła przekazuje energię z czynnika chłodniczego do systemu magazynowania i dystrybucji. W ten sposób ciepło może być tymczasowo przechowywane lub wykorzystane bezpośrednio do ogrzewania i do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Jak działa pompa ciepła w praktyce?
Pompa ciepła pobiera energię z natury — z wód gruntowych, gleby lub powietrza, po czym przetwarza i przekazuje ją w postaci ciepła. Pompa ciepła składa się z:
- parownika,
- kompresora,
- skraplacza,
- i zaworu rozprężnego.
Wymienione elementy tworzą zamknięty układ chłodniczy w pompie ciepła.
Zamiast spalać węgiel lub drewno, pompy ciepła wykorzystują specjalnie przygotowany roztwór z czynnikiem chłodniczym. Czynnik chłodniczy pompy ciepła ma właściwość wrzenia, jak również parowania, już w niskich temperaturach. W poszczególnych częściach pompy ciepła kilkakrotnie zmienia swój stan skupienia: najpierw odparowuje, następnie spręża się, a po przekazaniu ciepła do układu magazynowania i dystrybucji skrapla się i ponownie rozpręża.
Odparowanie płynu chłodniczego w parowniku
W pierwszym etapie, w zależności od rodzaju pompy ciepła, wentylator transportuje powietrze zewnętrzne, kolektor przekazuje ciepło z gruntu lub studni i dostarcza wodę gruntową do pompy ciepła. Parownik jest pierwszym wymiennikiem ciepła w całym systemie — pobiera energię z otoczenia i przekazuje ją do układu chłodniczego. Powietrze, solanka lub woda gruntowa nie mieszają się z czynnikiem chłodniczym. Po pobraniu ciepła parownik transportuje je z powrotem do źródeł energii poprzez wylot powietrza, instalację rurową lub studnię zrzutową.
Czynnik chłodniczy przepływający przez parownik ma przed kontaktem z powietrzem, solanką lub wodami gruntowymi temperaturę od -5 do -10°C. Dostarczone ciepło z natury ogrzewa go i odparowuje pod niskim ciśnieniem. Płyn przechodzi wtedy w stan gazowy i się rozszerza.
Kompresowanie czynnika chłodniczego w formie gazowej w sprężarce
Czynnik chłodniczy w formie gazowej trafia następnie do sprężarki pompy ciepła, nazywanej również kompresorem. Tutaj gaz ten jest zasysany i sprężany pod wysokim ciśnieniem. W tym procesie temperatura pary wzrasta do około 70°C. Sprężanie gazu przez kompresor odpowiada za dużą część zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła.
Kondensacja podgrzanej pary czynnika chłodniczego w skraplaczu
Czynnik chłodniczy, który znajduje się pod wysokim ciśnieniem, dostaje się do skraplacza w postaci podgrzanej pary. Skraplacz, nazywany również kondensatorem, jest używany w uwalnianiu energii cieplnej do podgrzewania wody w obiegu grzewczym. W tym miejscu ogrzana para płynu chłodniczego przekazuje swoje ciepło, które jest wykorzystywane np. do ogrzewania. Podczas tego procesu para czynnika chłodniczego ochładza się, co powoduje jego skroplenie.
Pompy ciepła mają w tym celu zainstalowany płytowy lub współosiowy wymiennik ciepła. Te elementy są wykonane z metalowych rur i służą do przekazywania energii cieplnej. Jest to przykład wydajnej technologii pomp ciepła.
Rozprężenie czynnika chłodniczego przez zawór rozprężny
Skroplony czynnik chłodniczy musi zmniejszyć zarówno temperaturę, jak i zredukować ciśnienie, aby powrócić do stanu pierwotnego. Tego dokonuje tzw. zawór rozprężny, który ponownie zmniejsza ciśnienie czynnika chłodniczego. W trakcie tego procesu ciecz kolejny raz ochładza się i dzięki temu może na nowo pobierać ciepło z otoczenia. Następnie płyn chłodniczy wraca do parownika, gdzie przechodzi w stan gazowy i zamyka w ten sposób obieg pompy ciepła.
Jak działa pompa ciepła z funkcją chłodzenia?
Za pomocą kilku dodatkowych elementów można odwrócić działanie pompy ciepła. W ten sposób ogrzewanie może zostać zamienione na funkcję chłodzenia. Rozróżnia się przy tym chłodzenie aktywne i pasywne.
Chłodzenie pasywne za pomocą pompy ciepła
W przypadku chłodzenia pasywnego pompa obiegowa odprowadza nadmiar ciepła z budynku poprzez specjalny zawór trójdrożny znajdujący się przy pompie ciepła. Przepływ ciepła do chłodnego podłoża jest możliwy dzięki wystarczającej różnicy temperatur pomiędzy gruntem lub wodą gruntową a pomieszczeniami mieszkalnymi. W tym procesie aktywny jest jedynie obieg wody grzewczej oraz źródła ciepła. Chłodzenie pasywne jest niemożliwe do osiągnięcia przy użyciu powietrznej pompy ciepła.
Chłodzenie aktywne za pomocą pompy ciepła
Przy chłodzeniu aktywnym pompa ciepła pełni rolę urządzenia chłodzącego, przy czym działa także sprężarka. W tym przypadku obieg czynnika chłodzącego zostaje odwrócony. Na początku cyklu ciepło nie jest pobierane z otoczenia, tj. powietrza zewnętrznego, ziemi lub wód gruntowych. Zamiast tego drugi wymiennik ciepła przekazuje energię cieplną z wnętrza domu do obiegu czynnika chłodniczego, który teraz pełni rolę parownika. Dzięki aktywnemu chłodzeniu temperatura w pomieszczeniu może zostać obniżona o 3 do 4°C.
Aby umożliwić chłodzenie przy użyciu tego samego obiegu, konieczne jest zainstalowanie specjalnego czterodrożnego zaworu przełączającego oraz drugiego zaworu rozprężnego. Dzięki temu, zarówno pompy ciepła solanka/woda, jak i pompy ciepła powietrze/woda mogą zapewnić aktywne chłodzenie, co stanowi niezwykle wygodne rozwiązanie w okresie letnim.
Wiele pomp ciepła może zostać doposażonych w komponenty umożliwiające zarówno aktywne, jak i pasywne chłodzenie. Zwróć uwagę na funkcję chłodzenia od razu przy wyborze nowej pompy ciepła, jeżeli jest to dla Ciebie istotne.
Przykładem naszej najpopularniejszej pompy ciepła z funkcją chłodzenia jest monoblokowa pompa CHA i splitowa pompa ciepła powietrze/woda BWL-1S.
Co może wpływać na efektywne działanie pompy ciepła?
Na wydajność i działanie pompy ciepła mają wpływ różne czynniki. Zwróć uwagę na poniżej wymienione, by uniknąć problemów z efektywnością instalacji grzewczej.
Dobór właściwego rozmiaru
Wydajność i parametry pompy ciepła powinny być dopasowane do ogrzewanych powierzchni. Zbyt mały system nie jest w stanie skutecznie ogrzać pomieszczeń mieszkalnych. Jednakże za duża pompa ciepła również nie jest efektywna. W okresie przejściowym zdarzają się wtedy często zbyt krótkie przebiegi, które zwiększają zużycie prądu. Dzieje się tak dlatego, że zimne wiosenne poranki lub mroźne jesienne wieczory tylko na krótko generują konieczność ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych.
Zbiornik buforowy odpowiada za równomierne i jeszcze bardziej efektywne działanie pompy ciepła. Aby dopasować odpowiednią wielkość i moc urządzenia, warto przeprowadzić dokładne obliczenia zapotrzebowania, które pozwolą na optymalne wykorzystanie dostępnych zasobów cieplnych.
Grzałka elektryczna
Powietrzne pompy ciepła wykorzystują powietrze z otoczenia do wytwarzania energii. Gdy temperatury są wyjątkowo niskie, potrzebne jest więcej energii niż na przykład w przypadku gruntowej pompy ciepła. Gruntowa pompa ciepła znajduje się głęboko w ziemi i dlatego zawsze pracuje przy prawie takich samych temperaturach. Przy bardzo niskich temperaturach, w słabo ocieplonym budynku, można ewentualnie zastosować zintegrowaną grzałkę elektryczną. W takich przypadkach należy wybrać szczególnie wydajny model pompy ciepła.
Równoważenie hydrauliczne pompy ciepła
Brak regulacji hydraulicznej może pogorszyć efektywne wykorzystanie energii w budynkach. Dochodzi wówczas do sytuacji, że grzejniki lub ogrzewanie podłogowe znajdujące się blisko źródła ciepła są lepiej zaopatrywane w energię cieplną niż te znajdujące się dalej. Równoważenie hydrauliczne sprawia, że woda grzewcza jest równomiernie dystrybuowana pomiędzy wszystkie grzejniki i powierzchnie grzewcze.
Jakie są zalety stosowania pomp ciepła jako systemu grzewczego?
Coraz częściej, w systemach grzewczych i przy ogrzewaniu wody użytkowej, energie odnawialne zastępują paliwa kopalne, tj. węgiel czy drewno. Taki krok pozwala na zmniejszenie szkodliwych emisji CO2 i ochronę środowiska, a użytkownicy zyskują jednocześnie na niższych kosztach energii.
Pompy ciepła stanowią doskonałą alternatywę dla tradycyjnych systemów grzewczych opartych na spalaniu, gdyż czerpią energię z otoczenia. Dzięki temu, zamiast spalać cenne surowce, pompy ciepła wykorzystują naturalne ciepło do produkcji energii. To sprawia, że są nie tylko przyjazne dla środowiska, ale również wyjątkowo wydajne i ekonomiczne.
Jedyne czego potrzebuje pompa ciepła to energia pomocnicza w postaci prądu. Na przykład gruntowa pompa ciepła o rocznym współczynniku efektywności energetycznej (JAZ) równym pięć, na jedną jednostkę zużytego prądu przypada pięciokrotność wytworzonej energii cieplnej. Oznacza to, że ze zużytej energii elektrycznej można pozyskać pięciokrotnie więcej energii w postaci ciepła. Jeśli prąd pochodzi z odnawialnego źródła — np. fotowoltaiki lub od dostawcy zielonej energii — praca pompy ciepła jest szczególnie niskoemisyjna.
Działanie pompy ciepła to technologia sprawdzona od dziesięcioleci. W ostatnich latach nauka, producenci i eksperci z branży dokonali ogromnego postępu w technologii pompy ciepła, dzięki czemu zyskała ona miano nowoczesnego systemu grzewczego.
Znajdź swojego instalatora
Skorzystaj z naszej mapy, aby znaleźć autoryzowanego instalatora/serwisanta Wolf z Twojej okolicy!
Przed zakupem pompy ciepła skontaktuj się z ekspertami firmy WOLF
Przed zakupem pompy ciepła stajesz przed pytaniem, który rodzaj najlepiej odpowiada Twoim potrzebom. Ważną rolę odgrywa tu między innymi działanie pompy ciepła, różne typy z ich zaletami i wadami oraz koszty. Mimo że wszystkie pompy ciepła mają wspólną podstawową zasadę działania, ich funkcjonowanie wiąże się z większym lub mniejszym nakładem w zależności od wybranego źródła ciepła. Pompy ciepła sprawdzają się jako wydajny i przyjazny dla środowiska system grzewczy zarówno w nowym, jak i w starym budownictwie.
Nasi instalatorzy chętnie wyjaśnią Ci, jak działa pompa ciepła i ocenią, czy popularna i prosta w montażu powietrzna pompa ciepła jest dla Ciebie odpowiednia i opłacalna.
