Pompa ciepła nie wytwarza ciepła przez spalanie paliwa. Przenosi energię cieplną z powietrza, gruntu lub wody do instalacji budynku. Wykorzystuje do tego zamknięty obieg czynnika chłodniczego, sprężarkę zasilaną energią elektryczną oraz cztery przemiany termodynamiczne: parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie.
Czym jest pompa ciepła?
Pompa ciepła to urządzenie, które transportuje ciepło z tak zwanego dolnego źródła do ogrzewanego budynku. Dolnym źródłem może być powietrze zewnętrzne, grunt albo woda. Ciepło pobrane z otoczenia ma zwykle zbyt niską temperaturę, aby bezpośrednio ogrzać pomieszczenia, dlatego urządzenie podnosi jego parametry i przekazuje je do instalacji grzewczej.
Proces nie zachodzi bez udziału prądu, ale energia elektryczna napędza przede wszystkim sprężarkę. Samo ciepło jest pobierane z otoczenia, a nie powstaje w wyniku spalania, jak w kotle gazowym czy węglowym.
Pompa ciepła jak lodówka, tylko w odwrotnym kierunku
Najprościej wyjaśnić działanie pompy ciepła na przykładzie lodówki. Lodówka odbiera ciepło z wnętrza komory i oddaje je do pomieszczenia przez wymiennik znajdujący się z tyłu urządzenia. Pompa ciepła wykonuje podobną pracę, ale kierunek przepływu energii jest odwrotny.
Pobiera ciepło z powietrza, gruntu lub wody, a następnie przekazuje je do instalacji ogrzewania budynku. W obu urządzeniach za transport energii odpowiada obieg czynnika chłodniczego, który cyklicznie zmienia stan skupienia oraz ciśnienie.
Jak przebiega cykl termodynamiczny?
Obieg czynnika chłodniczego odbywa się w zamkniętym układzie. Każdy z czterech etapów przygotowuje czynnik do następnego, dzięki czemu proces może powtarzać się przez cały czas pracy urządzenia:
- Parowanie – ciekły czynnik chłodniczy przepływa przez parownik i pobiera ciepło z dolnego źródła. Pod wpływem tej energii zmienia stan z ciekłego na gazowy. Może do tego dojść także wtedy, gdy powietrze zewnętrzne ma temperaturę poniżej zera.
- Sprężanie – gazowy czynnik trafia do sprężarki. Sprężarka podnosi jego ciśnienie, a wraz z nim rośnie temperatura gazu. Właśnie ten etap wymaga doprowadzenia energii elektrycznej.
- Skraplanie – gorący czynnik przepływa przez skraplacz i oddaje ciepło wodzie w instalacji grzewczej albo innemu nośnikowi ciepła. W miarę ochładzania przechodzi ze stanu gazowego w ciekły.
- Rozprężanie – ciekły czynnik przechodzi przez zawór rozprężny. Spada jego ciśnienie i temperatura, dzięki czemu ponownie może pobierać ciepło w parowniku. Cykl zaczyna się od początku.
Uwaga techniczna: sprężarka nie tworzy energii cieplnej z niczego. Zużywa energię elektryczną, aby sprężyć gaz i podnieść jego temperaturę do poziomu umożliwiającego ogrzewanie budynku. Można ją traktować jako element, który podnosi parametry ciepła pobranego wcześniej z otoczenia. Im większa różnica między temperaturą dolnego źródła a temperaturą wymaganą przez instalację, tym większej pracy wymaga sprężarka.
Dlaczego czynnik chłodniczy jest potrzebny?
Czynnik chłodniczy jest nośnikiem energii w obiegu pompy ciepła. Jego właściwości pozwalają mu parować i skraplać się przy temperaturach, przy których woda pozostawałaby cieczą. Dzięki niskiej temperaturze wrzenia ciekły czynnik może odebrać ciepło nawet z chłodnego powietrza, gruntu lub wody.
W parowniku czynnik pobiera energię i odparowuje, a w skraplaczu oddaje ją do instalacji grzewczej i ponownie staje się cieczą. To właśnie przemiany fazowe umożliwiają przenoszenie ciepła z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o temperaturze wyższej. Czynnik pozostaje w szczelnym obiegu, więc nie jest zużywany podczas normalnej pracy urządzenia.
Czy pompa ciepła może chłodzić?
Tak, jeśli urządzenie i instalacja są przystosowane do pracy rewersyjnej. Zawór czterodrogowy odwraca kierunek obiegu czynnika, przez co pompa odbiera ciepło z wnętrza budynku i przekazuje je na zewnątrz. W tym trybie działa podobnie do klimatyzatora.
Podstawowa zasada pozostaje ta sama: urządzenie nie produkuje chłodu, lecz przenosi energię cieplną z jednego miejsca do drugiego. W trybie ogrzewania ciepło trafia do budynku, a w trybie chłodzenia jest z niego usuwane.
Najważniejszy wniosek jest prosty: pompa ciepła wykorzystuje energię elektryczną do przenoszenia ciepła, a nie do jego bezpośredniego wytwarzania. Za cały proces odpowiada zamknięty obieg czynnika chłodniczego, w którym parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie następują cyklicznie.
