Budowa pompy ciepła: to warto wiedzieć!

Czym jest pompa ciepła? Krótkie przypomnienie podstaw

Pompa ciepła to urządzenie, które pobiera energię odnawialną z otoczenia, podnosi temperaturę czynnika roboczego z niskiego na wyższy poziom temperaturowy, by dało się tę energię wykorzystać w celach grzewczych. Podstawą działania urządzenia jest odwrócony cykl Carnota – proces, w którym ciepło jest przenoszone z niższej do wyższej temperatury. Dzięki takiemu mechanizmowi pompa ciepła może pozyskiwać energię ze źródeł chłodniejszych (np. powietrza o temperaturze poniżej zera). 

Cykl Carnota realizowany jest w czterech podstawowych etapach:

1. Parowanie.
2. Sprężanie.
3. Skraplanie.
4. Rozprężanie.

Efektywna realizacja każdego z nich jest bezpośrednio związana z bazowymi komponentami urządzenia, które działa w oparciu o dwa źródła ciepła (dolne i górne) oraz trzy jego obiegi. Więcej o zasadzie działania pomp dowiesz się tutaj: Pompa ciepła - jak to działa!

Rodzaje pomp ciepła

W kontekście budowy pompy ciepła warto odnieść się także do podziału tych urządzeń w zależności od typu i zasady działania. Wyróżnia się pompy ciepła:

• sprężarkowe elektryczne – najbardziej rozwinięte technicznie, wykorzystują sprężarkę napędzaną energią elektryczną do generowania ciepła użytecznego;
• sprężarkowe spalinowe – działają na tej samej zasadzie co sprężarkowe elektryczne, jednak sprężarka napędzana jest silnikiem spalinowym, zasilanym gazem lub olejem napędowym, generującym spaliny, które mogą być wykorzystane do ogrzewania;
• absorpcyjne – wykorzystują proces absorpcji, w którym ciecz (amoniak) jest wchłaniana przez wodę, a energia cieplna pochodzi z palnika gazowego zamiast sprężarki elektrycznej;
• adsorpcyjne – wykorzystują adsorpcję i desorpcję czynnika chłodniczego w cyklicznym procesie, stosowane głównie w przemyśle do chłodzenia, a nie do ogrzewania budynków;
• Vuilleumiera – pompy te działają w oparciu o mechanizm cieplny Vuilleumiera, gdzie nie ma elementów mechanicznych, a przepływ ciepła napędzany jest różnicą temperatur, jednak ich zastosowanie jest rzadkie.
• termoelektryczne – wykorzystują efekt Peltiera, w którym prąd elektryczny przepływa przez złącze dwóch różnych materiałów, powodując chłodzenie po jednej stronie i grzanie po drugiej, mają jednak ograniczoną wydajność.

Natomiast bardziej powszechną kategoryzacją pomp ciepła jest podział według dolnego źródła na:

• pompy ciepła powietrzne (powietrze-woda): wykorzystujące temperaturę otoczenia (powietrza);
• gruntowe pompy ciepła (solanka-woda): wykorzystujące energię geotermalną;
• wodne pompy ciepła (woda-woda): wykorzystujące ciepło z okolicznych wód głębinowych, akwenów wodnych.

Więcej na ten temat dowiesz się z tego artykułu: Rodzaj pomp ciepła - warto je znać!

Budowa pompy ciepła – główne podzespoły

Choć pompy ciepła różnią się w zależności od dolnego źródła (powietrza, gruntu lub wody), to ich budowa opiera się na kilku fundamentalnych podzespołach, dzięki którym możliwa jest realizacja cyklu termodynamicznego. Są to: parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny.

Parownik – absorpcja ciepła

Parownik to jeden z dwóch wymienników ciepła pompy. Odpowiada za absorpcję ciepła z dolnego źródła, np. powietrza lub gruntu. Czynnik chłodniczy przepływa przez parownik, odbierając energię cieplną i ulegając przemianie fazowej z cieczy w parę. 

Proces ten pozwala na efektywne przejęcie ciepła z otoczenia nawet przy niskich temperaturach. W pompach gruntowych takich jak Vitocal 300-G parownik współpracuje z wymiennikiem gruntowym, który pobiera ciepło z gruntu za pomocą kolektorów lub sond geotermalnych.

Sprężarka – serce pompy ciepła

Sprężarka odpowiada za przemianę czynnika chłodniczego z pary niskociśnieniowej w parę wysokociśnieniową o wyższej temperaturze. W systemach elektrycznych sprężarki napędzane są energią elektryczną. Istnieją też jednak systemy absorpcyjne, gdzie sprężanie czynnika odbywa się poprzez reakcje chemiczne z wykorzystaniem gazu. Dla pomp ciepła powietrze/woda, takich jak Vitocal 200-S, stosuje się sprężarki spiralne, które cechują się wysoką wydajnością przy niskim zużyciu energii elektrycznej.

Skraplacz – transfer ciepła do systemu grzewczego

Skraplacz to drugi z wymienników ciepła. Odpowiada za przekazywanie energii cieplnej z czynnika chłodniczego do systemu grzewczego, np. podłogówki czy grzejników. W tym procesie czynnik chłodniczy ulega skropleniu, a ciepło jest przenoszone na medium grzewcze (wodę). Skraplacz zapewnia stały przepływ ciepła do systemu, dzięki czemu budynek jest ogrzewany efektywnie, niezależnie od temperatur zewnętrznych.

Zawór rozprężny – regulacja przepływu

Zawór rozprężny odgrywa kluczową rolę w regulacji przepływu czynnika chłodniczego między skraplaczem a parownikiem. Umożliwia obniżenie ciśnienia i temperatury czynnika po opuszczeniu skraplacza, co pozwala mu na ponowne pobranie ciepła w parowniku. Bez zaworu rozprężnego cykl termodynamiczny nie mógłby działać prawidłowo, a pompa ciepła straciłaby swoją efektywność.

Inne ważne komponenty

Parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny to fundamentalne, ale nie jedyne istotne komponenty pomp ciepła. W procesie termodynamicznym, w zależności od rodzaju czy zastosowania pompy (np. Vitocal-060-A przygotowuje wyłącznie c.w.u.), udział mogą brać także:

Zbiornik buforowy

Pełni rolę magazynu ciepła, zwłaszcza w większych instalacjach. Gromadzi nadmiar ciepła wytworzonego przez pompę ciepła i dostarcza je do systemu grzewczego w momencie, gdy jest ono potrzebne, co pozwala na stabilizację pracy urządzenia. Zastosowanie takiego zbiornika ma kilka zalet.

Po pierwsze: zwiększa żywotność pompy, redukując liczbę cykli jej włączania i wyłączania, czyli tzw. taktowania. Po drugie: gwarantuje stały dostęp do ciepła, co jest przydatne zwłaszcza w systemach o zmiennych zapotrzebowaniu na energię cieplną, np. w dużych budynkach lub domach wielorodzinnych. Po trzecie: zbiornik stabilizuje temperaturę w systemie, poprawiając komfort cieplny.

Zbiornik ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

Zbiornik c.w.u. służy do magazynowania podgrzanej przez pompę ciepła wody, która jest wykorzystywana w gospodarstwie domowym. Wykorzystuje się go w systemach, gdzie pompa ciepła pełni również funkcję przygotowania. Wysokiej klasy zbiorniki są odpowiednio izolowane, co minimalizuje straty ciepła, stabilizując temperaturę. W nowoczesnych pompach ciepła elementy te mogą być zintegrowane z pompą lub montowane oddzielnie. 

Elektroniczny układ sterowania

Nowoczesne pompy ciepła Vitocal to układy zautomatyzowane, które samodzielnie monitorują, kontrolują i optymalizują swoją pracę. Nowoczesne systemy elektroniczne pozwalają na zarządzanie temperaturą pomieszczeń, wybór cyklu pracy czy regulowanie mocy grzewczej urządzenia (np. za pomocą aplikacji na smartfonie). Jeśli pompa jest zintegrowana z fotowoltaiką, to układ sterowania może zarządzać optymalnym wykorzystaniem energii elektrycznej produkowanej przez system PV.

Przepustnica regulacyjna

Odpowiada za kontrolę przepływu powietrza lub medium roboczego (np. solanki) przez parownik czy skraplacz. Jej rola jest fundamentalna dla regulacji ilości ciepła pobieranego z dolnego źródła oraz przekazywanego do systemu grzewczego. Dzięki odpowiedniemu ustawieniu przepustnicy można precyzyjnie sterować pracą pompy ciepła, co pozwala na lepsze dostosowanie wydajności do bieżących potrzeb systemu grzewczego. Z kolei jej niewłaściwe ustawienie może skutkować spadkiem efektywności pompy lub jej nadmiernym zużyciem energii.

Układ odszraniania

Nieodzowny element pomp powietrznych, które pracują w warunkach niskiej temperatury. Podczas pobierania ciepła z powietrza zewnętrznego, wilgoć może osadzać się na parowniku i zamarzać, co z kolei obniża wydajność wymiany ciepła. Wyposażenie urządzenia w automatyczny układ odszraniania pozwala zapobiec temu zjawisku, okresowo podnosząc temperaturę parownika, topiąc zamarznięty lód i przywracając pełną wydajność wymiany ciepła. 

Budowa pompy ciepła - podsumowanie

Pompa ciepła to złożony system, którego efektywność zależy od wielu współpracujących ze sobą komponentów, takich jak sprężarka, parownik, skraplacz, zawór rozprężny i systemy dodatkowe. Każdy z nich odgrywa istotną rolę w realizacji cyklu termodynamicznego, dzięki któremu można ogrzać dom czy wodę użytkową za pomocy darmowej, odnawialnej i ekologicznej energii z otoczenia. Dobór technologii grzewczej należy każdorazowo skonsultować ze specjalistą, korzystając z produktów zaufanych i renomowanych marek.

Jesteśmy jedną z nich. Jeśli potrzebujesz bezpłatnej konsultacji z ekspertem - zamów ją już teraz!