Jak działa pompa ciepła?

Nowoczesne technologie grzewcze szturmem wkraczają do naszego życia, a ich motorem napędowym jest aktualna sytuacja polityczna (konflikt zbrojny na Ukrainie) i gospodarcza (sankcje i wysoka inflacja), która wymusza wręcz poszukiwanie oszczędności i niezależności energetycznej. Dotyczy to zarówno całych państw oraz pojedynczych gospodarstw domowych, gdzie źródłem ciepła były dotychczas węgiel, gaz czy drewno. W obliczu kryzysu energetycznego, pompa ciepła wydaje się być ekologiczną, a zarazem ekonomiczną alternatywą. Ale jest pewien problem – wiele osób wciąż nie może przekonać się do tego rozwiązania, ponieważ nie rozumie istoty jej działania. Sprawdźmy więc, na czym polega ta technologia.

 

Pompa ciepła – stary pomysł w nowoczesnym wydaniu

Jak się okazuje sam zamysł pozyskiwania „ciepła z niczego” nie jest wcale nowy, ponieważ już w w 1824 r. francuski inżynier i wybitny termodynamik Nicolas Léonard Sadi Carnot opublikował pracę pt. „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance”, w której zaproponował teorię i opisał możliwości jakie mogłaby dawać pompa ciepła. Pierwsze eksperymenty były obiecujące, jednak wielkoskalowe urzeczywistnienie tej idei miało miejsce dopiero przeszło 100 lat później w Zurychu, gdzie opierając się na pracy Carnota, uruchomiono systemy pomp ciepła ogrzewające gmachy publiczne, tj. ratusz, krytą pływalnię i budynek kongresowy. Z kolei pionierską gruntową pompę ciepła zbudował w 1945 r. Inżynier Robert C. Webber, który zastosował sprężarkę o mocy 2 kW, a wszystko w celu ogrzewania własnego domu w Indianapolis, w Stanach Zjednoczonych. Warto dodać, że pierwsze pompy ciepła w swoim zamyśle tylko nieznacznie różniły się od swoich współczesnych odpowiedników, ponieważ zasada działania jest niemal ta sama. Obecnie pierwsze skrzypce należą do elektroniki sterującej, której zadaniem jest optymalizacja procesu wytwarzania i dystrybucji ciepła. Jak więc działa ten wynalazek?

 

Ogólna zasada działania pompy ciepła

Dla wielu pewnie będzie zaskoczeniem, ale zwykła lodówka, którą każdy posiada w domu działa na bardzo podobnej zasadzie co pompa ciepła. Chodzi o to, aby przenieść ciepło ze środowiska do wnętrza budynku, wykorzystując przy tym otaczającą nas ciepłonośną materię, a więc powietrze, wodę czy grunt. Należy tutaj wymienić podstawowe elementy, które wchodzą w skład pompy ciepła zasilanej energią elektryczną:

• parownik,
• sprężarka,
• skraplacz,
• zawór rozprężny,
• czynnik termodynamiczny.

Ogólnie rzecz biorąc wyróżnia się 4 główne rodzaje pomp ciepła: powietrzną (ASHP), wodną (WSHP), gruntową (GSHP) i hybrydową (HSHP). Każda z nich różni się nieco technologią, wymaganiami otoczenia oraz ceną. Co ciekawe, pompy ciepła ją zdolność nie tylko grzania zimą, ale także chłodzenia latem, co pozwala na zachowanie optymalnych warunków termicznych w budynku. Na potrzeby wpisu opisujemy zasadę działania najpopularniejszego, a zarazem najtańszego systemu jakim jest pompa ciepła powietrzna.

 

6 kroków działania pompy ciepła

W typowej pompie ciepła praca całego systemu będzie wyglądała następująco:

• ciepło występujące w otoczeniu (tutaj powietrze) trafia do zewnętrznego parownika, gdzie ogrzewa ciekły czynnik termodynamiczny (najczęściej glikol), który dzięki temperaturze własnej niższej od otoczenia (a zarazem niskiej temperaturze wrzenia) samoistnie przechwytuje ciepło z otoczenia;
• ogrzany w ten sposób ciekły czynnik termodynamiczny przekazuje ciepło do obiegu wewnętrznego pompy ciepła, w którym płynie już zasadniczy czynnik termodynamiczny (z grupy freonów hydrofluorowęglowodorowych) o bardzo niskiej temperaturze wrzenia, czego efektem jest rozpoczęcie parowania – zmiany stanu skupienia z ciekłego na gazowy;
• wrzący czynnik termodynamiczny w postaci gazowej przemieszcza się do elektrycznej sprężarki, która jeszcze bardziej podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika;
• po uzyskaniu optymalnych parametrów, czynnik termodynamiczny kieruje się do skraplacza (wymiennika ciepła), gdzie zaczyna się skraplać (ponowna zmiana stanu gazowego w ciekły), wydzielając przy tym ciepło, które zostaje przekazane wodzie krążącej w instalacji centralnego ogrzewania i dodatkowo w zbiorniku ciepłej wody użytkowej);
• zasadniczy czynnik termodynamiczny, który skraplając się, oddał ciepło ulega schłodzeniu i zostaje przeprowadzony przez zawór rozprężny w celu obniżenia ciśnienia i temperatury;
• następuje dalsze schładzanie czynnika oraz powrót do eksponowanej części zewnętrznej systemu pompy ciepła – cały proces pozyskiwania ciepła może rozpocząć się ponownie.

Jak widać, ogólna zasada działania pompy ciepła jest dość prosta i względnie niezawodna, a co ważne bardzo wydajna, ponieważ uzyskuje sprawność rzędu do 500%. Natomiast w przypadku automatycznego kotła z podajnikiem 5. klasy na węgiel typu „ekogroszek” sprawność energetyczna wynosi przeważnie 88-90%. Cała tajemnica ekonomiczności pompy ciepła tkwi w zastosowaniu sprężarki, która przy stosunkowo niewielkiej ilości ciepła dostarczanej przez czynnik potrafi poprawić sprawność energetyczną systemu do wartości nawet kilkuset procent dla pomp gruntowych.

 

A może pompa ciepła + fotowoltaika?

W ostatnim czasie dużą popularność zyskuje rozwiązanie polegające na łączeniu różnych form OZE, co w tym przypadku oznacza jednoczesne pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego oraz powietrza, wody lub gruntu. Zarówno eksperci ds. energetyki, jak i ekonomiści wskazują, że takie połączenie to duża oszczędność pieniędzy (pisaliśmy o tym artykuł) oraz dobry sposób na bezemisyjną produkcję energii. Argumentami przemawiającymi za takimi systemem są przede wszystkim:

• niski koszt eksploatacji,
• produkcja czystej energii,
• uzyskanie wysokiego poziomu niezależności energetycznej budynku,
• możliwość skorzystania z dotacji oraz ulgi podatkowej np. Program Czyste Powietrze.

Taka inwestycja z pewnością przyniesie wymierne korzyści oraz pozwoli cieszyć się tanią i czystą energią przez wiele lat. Warto jednak pamiętać o doborze profesjonalnej ekipy montażowej, która wykona taką instalację zgodnie ze sztuką.

 

Podsumowanie

W dobie rosnących kosztów utrzymania budynku, szukanie ekonomicznych alternatyw dla dotychczasowych źródeł ogrzewania wydaje się czymś oczywistym. Biorąc pod uwagę niepewną sytuację na krajowym, europejskim i światowym rynku energii, niezależność energetyczna będzie szybko zyskiwała na znaczeniu. Dlatego nie warto czekać, tylko skorzystać z synergii dostępnych na rynku rozwiązań, łącząc różne elementy OZE. Wzorcem niech będzie wspomniany system pompy ciepła i Fotowoltaiki Zator. Oczywiście to nie wszystko, bo coraz bardziej uzasadnionym wyborem wydaje się być montaż pojemnego i efektywnego magazynu energii wraz z systemem zarządzania energią HEMS/EMS (o którym całkiem niedawno pisaliśmy artykuł).