Jak dokładnie działa i na czym polega praca pompy ciepła?

Pompy ciepła stanowią obecnie jedno z najbardziej zaawansowanych i efektywnych technologicznie rozwiązań w zakresie ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ich działanie opiera się na wykorzystaniu odnawialnej energii zawartej w otaczającym nas środowisku: powietrzu, gruncie czy wodzie. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów grzewczych, pompy ciepła nie generują ciepła w wyniku spalania paliw, lecz przenoszą je, stosując zasady termodynamiki i procesy przemiany fazowej czynnika chłodniczego. 

Fundamenty działania pompy ciepła – termodynamika w praktyce

Podstawowy mechanizm pracy pompy ciepła można przedstawić jako odwrócony obieg termodynamiczny, analogiczny do obiegu Carnota, stosowany w urządzeniach chłodniczych. W tym układzie ciepło jest pobierane z tzw. dolnego źródła (np. powietrza, gruntu, wody) i przekazywane do górnego źródła, którym jest instalacja centralnego ogrzewania lub system przygotowania ciepłej wody użytkowej. Kluczowy element umożliwiający ten proces to czynnik chłodniczy, który w obiegu zamkniętym ulega przemianom fazowym – odparowuje i skrapla się, przenosząc energię cieplną.

Podstawowe elementy konstrukcyjne pompy ciepła

• Parownik – wymiennik ciepła dolnego źródła, w którym czynnik chłodniczy odparowuje, pobierając energię cieplną z otoczenia nawet przy niskich temperaturach (np. -20°C).
• Sprężarka – serce pompy, gdzie następuje sprężenie pary czynnika chłodniczego, co powoduje wzrost jego ciśnienia oraz temperatury do wartości umożliwiających efektywne ogrzewanie.
• Skraplacz – wymiennik, w którym gorący czynnik chłodniczy oddaje ciepło do instalacji grzewczej, ulegając skropleniu.
• Zawór rozprężny – element obniżający ciśnienie cieczy czynnika chłodniczego, co obniża jej temperaturę i pozwala na powtórne rozpoczęcie cyklu.

Cykl ten powtarza się stale, umożliwiając przenoszenie energii cieplnej z otoczenia do wnętrza budynku z wysoką efektywnością.

Źródła ciepła wykorzystywane przez pompy ciepła

Kluczowym aspektem różnicującym pompy ciepła są rodzaje dolnych źródeł ciepła, z których czerpią energię. W praktyce wyróżniamy trzy główne typy:

1. Powietrzne pompy ciepła – pobierają ciepło z powietrza atmosferycznego. To najpopularniejszy i najprostszy w instalacji rodzaj pomp, które sprawdzają się w większości lokalizacji. Wymagają jednak odpowiedniego doboru do warunków klimatycznych, ponieważ ich efektywność spada wraz z obniżeniem temperatury zewnętrznej.
2. Gruntowe pompy ciepła – wykorzystują stabilną temperaturę gruntu, korzystając z kolektorów poziomych lub sond pionowych. Zapewniają wysoką efektywność przez cały rok, jednak wymagają znacznych nakładów na instalację, w tym odwierty lub wykopy.
3. Wodne pompy ciepła – czerpiące energię z wód gruntowych lub innych zbiorników wodnych. Charakteryzują się wysoką stabilnością działania i efektywnością, jednak konieczne jest zapewnienie dostępu do odpowiednich zasobów wodnych, co ogranicza ich zastosowanie.

Przebieg procesu termodynamicznego w pompie ciepła

Krok 1: Pobór ciepła i parowanie czynnika chłodniczego

W wymienniku ciepła, czyli parowniku, obiegowa ciecz nośna (np. roztwór glikolu) przekazuje energię do czynnika chłodniczego, który odparowuje w niskiej temperaturze. 

Krok 2: Sprężanie i podwyższenie temperatury

Para czynnika chłodniczego trafia do sprężarki zasilanej energią elektryczną. Sprężanie zwiększa ciśnienie oraz temperaturę gazu, często do poziomu kilkudziesięciu lub nawet ponad stu stopni Celsjusza, co umożliwia efektywne przekazanie ciepła do instalacji grzewczej.

Krok 3: Oddanie ciepła i skraplanie

W skraplaczu gorący gaz oddaje zgromadzone ciepło do obiegu grzewczego (np. systemu grzejników lub ogrzewania podłogowego), ulegając przy tym skropleniu. Woda cyrkulująca w instalacji odbiera tę energię i rozprowadza ją po budynku, zapewniając komfort termiczny.

Krok 4: Rozprężanie i przygotowanie do kolejnego cyklu

Skroplony czynnik podlega rozprężeniu w zaworze rozprężnym, gdzie ciśnienie i temperatura ulegają znacznemu obniżeniu, umożliwiając ponowne odparowanie w parowniku i kontynuację cyklu.

Wydajność i parametry pracy pomp ciepła

Wydajność pompy ciepła opisują dwa kluczowe wskaźniki:

• COP (Coefficient of Performance) – stosunek energii cieplnej dostarczonej do instalacji do energii elektrycznej zużytej do napędu sprężarki. Przykładowo COP na poziomie 4 oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej pompa dostarcza 4 kWh ciepła.
• SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) – wartość uwzględniająca zmienność warunków zewnętrznych w ciągu całego sezonu grzewczego, dająca obraz rzeczywistej efektywności systemu.

Warto podkreślić, że wyższy COP i SCOP przekładają się bezpośrednio na niższe koszty eksploatacji oraz mniejszy ślad węglowy. W praktyce wartości COP dla nowoczesnych pomp ciepła mieszczą się w zakresie 3-5, a SCOP dla warunków umiarkowanego klimatu to około 3,5-4,5.

Dobór, instalacja i eksploatacja

Dobór odpowiedniej pompy ciepła należy poprzedzić precyzyjną analizą zapotrzebowania energetycznego budynku, uwzględniającą m.in. jego izolację termiczną, rodzaj instalacji grzewczej oraz lokalne warunki klimatyczne i geologiczne. Przewymiarowanie urządzenia nie zwiększa jego sprawności, a może skutkować wyższym zużyciem energii i kosztami.

Instalacja gruntowych i wodnych pomp ciepła wymaga wykonania odpowiednich odwiertów lub wykopów, co wiąże się ze znacznymi kosztami i koniecznością posiadania odpowiednich pozwoleń. Powietrzne pompy ciepła cechują się łatwiejszym montażem i niższymi kosztami początkowymi, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem dla wielu inwestorów.

Zastosowanie pomp ciepła i ich wszechstronność

Pompy ciepła nie tylko ogrzewają pomieszczenia i podgrzewają wodę użytkową, ale mogą także pełnić funkcję chłodzenia, odwracając cykl termodynamiczny. Systemy z funkcją chłodzenia aktywnego wykorzystują odwrócony przepływ czynnika chłodniczego, co pozwala na usuwanie nadmiaru ciepła z wnętrza budynku w cieplejszych miesiącach.

Połączenie pompy ciepła z instalacją fotowoltaiczną stanowi synergiczne rozwiązanie, pozwalające na znaczne ograniczenie kosztów energii elektrycznej, a także zwiększenie niezależności energetycznej gospodarstwa domowego.

Podsumowanie

Pompy ciepła to zaawansowane urządzenia, które w sposób wydajny i ekologiczny wykorzystują naturalne zasoby energii cieplnej. Ich praca opiera się na cyklu termodynamicznym, w którym czynnik chłodniczy przenosi ciepło z dolnego źródła (powietrza, gruntu, wody) do górnego źródła – instalacji grzewczej budynku. Wysoka efektywność, wyrażana współczynnikami COP i SCOP, pozwala na uzyskanie nawet czterokrotnego zysku energii cieplnej względem zużytej energii elektrycznej.

Wybór odpowiedniego typu pompy ciepła powinien uwzględniać warunki lokalne, charakterystykę budynku oraz dostępność źródeł ciepła. Instalacja powinna być wykonana przez specjalistów, którzy zapewnią prawidłowe działanie i bezpieczeństwo systemu.

Z punktu widzenia użytkownika domowego, pompy ciepła oferują komfort, niezależność od paliw kopalnych oraz redukcję kosztów eksploatacji. Współpraca z innymi systemami odnawialnej energii, takimi jak fotowoltaika, dodatkowo zwiększa ich opłacalność i ekologiczność.

Inwestycja w pompę ciepła, wsparta dostępnymi programami dofinansowań, stanowi strategiczny krok w kierunku zrównoważonego i nowoczesnego ogrzewania, odpowiadającego na wyzwania współczesnego budownictwa i ochrony środowiska.