Aby wykorzystać ciepło z otoczenia, pompy ciepła wymagają tylko niewielkiej mocy elektrycznej do napędu procesów i do działania pompy obiegowej. W zależności od tego, czy pozyskują energię z powietrza, gruntu, czy z wody, różnią się nieco pod względem technologii i cen. Inne mogą być również wymogi prawne związane z ich montażem.
Pompa ciepła: zasada odwróconego działania lodówki
Kiedy na dworze robi się naprawdę chłodno, jest to tylko kwestia czasu, zanim zrobi się też chłodno w budynku, ponieważ ciepło zawsze przemieszcza się zgodnie z kierunkiem zmian temperatury: od obszaru cieplejszego do chłodniejszego. To pozornie nieuniknione prawo naturalne pompa ciepła “obchodzi” realizując pewien trik.
Dzięki niemu możliwe jest przenoszenie ciepła w odwrotnym kierunku, tj. od chłodnej przestrzeni do cieplejszej. Jak to możliwe?
Działanie pompy ciepła jest zasadniczo identyczne z działaniem dobrze znanego urządzenia codziennego użytku: lodówki.
Jednakże, gdy lodówka transportuje ciepło z wnętrza i przekazuje je na zewnątrz, pompa ciepła transportuje ciepło z przestrzeni zewnętrznej (wody, powietrza, gruntu) i przekazuje energię do domu w formie ciepła. Pompa ciepła nie tworzy ciepła, lecz przenosi je z jednego miejsca do drugiego, zużywając do tego energię elektryczną do napędu sprężarki. Pompa ciepła wykorzystuje obieg termodynamiczny sprężania i rozprężania czynnika chłodniczego, zgodny z zasadami termodynamiki opisanymi przez Carnot’a.
Pompa ciepła: genialna i prosta technologia!
System ogrzewania pompy ciepła składa się z trzech części:
- systemu źródła ciepła, który pobiera energię potrzebną ze środowiska;
- samej pompy ciepła, która pozwala na to, że odzyskane ciepło z otoczenia jest użyteczne;
- oraz systemu dystrybucji i przechowywania ciepła, który rozprowadza lub tymczasowo przechowuje ciepło w domu.
Proces “pompowania ciepła” przebiega w trzech krokach.
Krok 1: Pobór ciepła
W systemie źródła ciepła krąży ciecz, często roztwór glikolu (dawniej była to tzw. solanka), czyli woda zmieszana ze środkiem przeciwzamarzaniowym lub sama woda. Ciecz absorbuje ciepło z otoczenia, np. z gruntu lub wód gruntowych, i transportuje je do pompy ciepła.
Wyjątkiem są powietrzne pompy ciepła. Zasysają one powietrze zewnętrzne przez wentylator, który dostarcza ciepło z otoczenia bezpośrednio do pompy ciepła.
Krok 2: Wykorzystanie ciepła
Pompy ciepła mają również obieg, w którym krąży gazowy czynnik chłodniczy. W wymienniku ciepła, tzw. parowniku, następuje przekazanie energii środowiska z pierwszego obiegu do czynnika chłodniczego. Efektem jest odparowanie czynnika chłodniczego przy niskim ciśnieniu. W przypadku powietrznych pomp ciepła to powietrze zewnętrzne ogrzewa czynnik chłodniczy.
Para czynnika chłodniczego jest pobierana przez sprężarkę. Podnosi ona ciśnienie i poziom temperatury czynnika chłodniczego, więc robi się on cieplejszy. W innym wymienniku ciepła, tzw. skraplaczu, gorący czynnik chłodniczy w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem jest skraplany i oddaje ciepło. Następnie skroplony czynnik chłodniczy trafia do zaworu rozprężnego. Tam ponownie zmniejsza się jego ciśnienie, a czynnik zmienia stan skupienia z ciekłego na mieszaniny pary i cieczy
Krok 3: Ogrzewanie
W ogrzewanym budynku znajduje się instalacja grzewcza i zasobniki magazynujące ciepło. Zwykle krąży w niej woda jako czynnik grzewczy. Woda przejmuje ciepło, które czynnik chłodniczy oddał w skraplaczu w trakcie skraplania i kieruje go do systemu dystrybucji, takiego jak ogrzewanie płaszczyznowe lub grzejniki, do zbiornika wody grzewczej lub ciepłej wody użytkowej. W pompach ciepła typu powietrze/powietrze odbiór ciepła jest realziwany przez powietrze w budynku.
Historia pomp ciepła
Rozwój technologii pomp ciepła sięga XIX wieku. W 1824 r. francuski fizyk Nicolas Carnot opisał zasady idealnego obiegu cieplnego, które do dziś stanowią podstawę działania pomp ciepła i urządzeń chłodniczych. Dobre sto lat później w Zurychu uruchomiono jedne z pierwszych dużych instalacji pomp ciepła do ogrzewania ratusza, budynku kongresowego, urzędów i krytej pływalni. Pierwszą gruntową pompę ciepła w budynku mieszkalnym uruchomiono w USA w 1945 roku w domu Roberta C. Webbera w Indianapolis. Urządzenie wyposażone było w sprężarkę o mocy około 2 kW i zasilało popularny wówczas w Stanach Zjednoczonych system ogrzewania powietrznego. Od tego czasu pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody stały się niezawodnym i przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem grzewczym, a dzięki wieloletniemu doświadczeniu i postępowi technologicznemu ich efektywność energetyczna i zakres zastosowań są stale rozwijane.