Pompa ciepła jest coraz bardziej popularnym pomocnikiem wśród ogółu społeczeństwa. W dłuższej perspektywie pozwoli to właścicielom domów i większych budynków zaoszczędzić sporo pieniędzy, a pompa ciepła jest również przyjazna dla środowiska. Ale czy wiesz, jak to działa?
Z czasem pompa ciepła stała się terminem często odmienianym. Jednak nawet na początku tego tysiąclecia tylko garstka ekspertów rozumiała ten termin. Wejście pompy ciepła do naszego słownika świadczy o jej rozkwicie jako ekonomicznego i ekologicznego źródła ciepła.
Niemniej jednak niewiele osób potrafi wyjaśnić zasadę jego działania. W dużej mierze dzieje się tak dlatego, że ucząc fizyki często nie nauczyliśmy się rozumieć dwóch fundamentalnych zjawisk, które odgrywają najważniejszą rolę w tworzeniu naszego klimatu: skraplania i parowania.
Ogólnie rzecz biorąc, pompa nie jest źródłem ciepła ani odwróconą lodówką, jak wielu to nazywa. To typowe sprężarkowe urządzenie chłodnicze, podobnie jak lodówka, klimatyzator czy zamrażarka. Wszystkie te urządzenia to pompy ciepła i – uwaga – podczas pracy wytwarzają więcej ciepła niż zimna.
Zasada działania pompy ciepła, która została wynaleziona kilkaset lat temu, została po raz pierwszy zastosowana do chłodzenia w XX wieku. Z czasem, wraz ze wzrostem cen paliw i rozwojem technologii, około połowy wieku zaczęły pojawiać się próby wykorzystania pompy ciepła jako źródła energii do ogrzewania.
Podstawą pompy ciepła jest obieg chłodzenia. Jest to hermetycznie zamknięty obwód wypełniony płynem chłodzącym – substancją chemiczną o określonych właściwościach termodynamicznych. W obiegu chłodniczym znajdują się między innymi 4 podstawowe elementy: sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny i parownik, które umożliwiają pracę pompy ciepła w tzw. obiegu Carnota.
Zadaniem sprężarki jest zapewnienie cyrkulacji czynnika chłodniczego w obiegu chłodniczym. Sprężarka zasysa opary czynnika chłodniczego i sprężając je nadaje czynnikowi chłodniczemu wyższą entalpię (zwiększa ciśnienie i temperaturę par czynnika chłodniczego). Ciśnienie ssania zmienia się w jednostkach barów, tłoczenie w dziesiątkach barów, a temperatura pary na wylocie ze sprężarki zmienia się w szerokim zakresie temperatur, zazwyczaj powyżej 70°C. Sprężarka to urządzenie, które zużywa energię elektryczną Pi.
Sprężone opary czynnika chłodniczego trafiają do wymiennika ciepła skraplacza (chłodnicy), gdzie przekazują ciepło czynnikowi grzewczemu, np. wodzie grzewczej. Jest to głównie ciepło grupy, które powstaje w wyniku skraplania pary wodnej w ciecz. Dzięki temu przekazywana moc cieplna jest wielokrotnie większa, niż odpowiadałoby to chłodzeniu samych oparów czynnika chłodniczego. Skropliny czynnika chłodniczego o temperaturze kilkudziesięciu °C opuszczają skraplacz. Ciśnienie czynnika chłodniczego pozostaje takie samo jak na wylocie ze sprężarki. Na skraplaczu otrzymujemy moc grzewczą Qt.
Ciekły czynnik chłodniczy wpływa do zaworu rozprężnego. Przechodząc przez zawór, który jest elementem dławiącym (dyszą), ciecz chłodząca rozszerza się (ciśnienie gwałtownie spada do wartości ciśnienia ssania), natychmiast ochładza się i stopniowo zaczyna parować. Przepływ chłodziwa przez zawór rozprężny jest kontrolowany, wielkość otworu rozprężnego jest aktywnie regulowana.
Mieszanina kropel i oparów czynnika chłodniczego jest wtryskiwana do parownika przez zawór rozprężny. Parownik jest wymiennikiem ciepła (nagrzewnicą), który dostarcza ciepło z zewnętrznego źródła (np. powietrza, gruntu lub wody) do czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy intensywnie odparowuje (wrze) i odbiera ciepło grupy (parowanie). Proces parowania odbywa się zazwyczaj w niskich, typowo ujemnych temperaturach (w zależności od temperatury źródła), maksymalnie do +15°C. Przechodząc przez parownik cały czynnik chłodniczy odparowuje i jest zasysany przez sprężarkę w postaci pary. Dostarczamy ciepło wejściowe do parownika (innymi słowy usuwamy moc chłodzenia) Qc. Cały wątek się powtarza.
Prawdą jest, że moc grzewcza na skraplaczu Qt składa się z wkładu sprężarki Pi i mocy chłodniczej parownika Qc: Qt = Pi + Qc.
Z powyższego jasno wynika, że moc grzewcza pompy ciepła jest znacznie wyższa niż moc elektryczna sprężarki, tj. jego skuteczność wielokrotnie przekracza 100%. Stosunek mocy grzewczej do mocy wejściowej sprężarki nazywany jest współczynnikiem ogrzewania, a jego wartości zmieniają się w zależności od warunków pracy obiegu chłodniczego.
W szczególności wartość współczynnika ogrzewania zależy od różnicy między temperaturą źródła a temperaturą ogrzewania: jeśli pompa ciepła musi pompować większą różnicę temperatur, wzrasta wydajność sprężarki, spada wydajność ogrzewania i chłodzenia, a COP wartość maleje. Z tego powodu np. system podłogowy jest bardziej odpowiedni dla pompy ciepła niż klasyczne elementy grzejne.
W kolejnym artykule przyjrzymy się bliżej poszczególnym typom pomp ciepła.
