Na czym polega praca pompy ciepła? Zasada działania

Prosta zasada działania pompy ciepła

Schemat działania pompy ciepła można wstępnie streścić w 4 punktach:

• Ciepło z otoczenia (powietrza, wody lub gruntu) ogrzewa czynnik chłodniczy w urządzeniu, a wzrost temperatury płynu wymusza jego parowanie. W parowniku, czynnik chłodniczy odparowuje w niskich temperaturach - pochłania ciepło.
• Para wodna trafia do sprężarki. Sprężanie podnosi temperaturę i ciśnienie pary czynnika chłodniczego. 
• W skraplaczu, dzięki kondensacji para czynnika chłodniczego oddaje ciepło.  
• Schłodzony czynnik wraca do obiegu, cykl się zamyka i może zostać powtórzony.

Od strony technicznej cały proces jest oczywiście bardziej skomplikowany, a jego fundamentami są termodynamiczny cykl Carnota oraz efekt Joule’a-Thomsona. Pierwszy powoduje, że czynnik chłodniczy w pompie jest sprężany i rozprężany, co umożliwia przekształcenia energii cieplnej między różnymi środowiskami. Drugie zjawisko umożliwia rozprężenie gazu przez zawór, jego ochłodzenie i absorpcję ciepła z konkretnego źródła.

Budowa pompy ciepła a zasada jej działania

Aby lepiej zrozumieć, na czym polega praca pompy ciepła, warto wstępnie przyjrzeć się temu, jak zbudowane jest to urządzenie. Jego podstawowymi komponentami są:

• Parownik – wymiennik ciepła, w którym następuje pobór energii cieplnej z otoczenia. W parowniku czynnik chłodniczy odparowuje, pochłaniając ciepło z zewnątrz, co jest pierwszym krokiem w procesie ogrzewania budynku.
• Sprężarka – jest głównym elementem układu chłodniczego. Zadaniem sprężarki jest zasysanie czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze, a następnie sprężanie go do wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury.
• Skraplacz – wymiennik ciepła, w którym czynnik chłodniczy oddaje ciepło, skrapla się i wraca do stanu ciekłego. W skraplaczu ciepło jest przekazywane do systemu grzewczego budynku.
• Zawór rozprężny – komponent obniżający poziom ciśnienia czynnika roboczego tak, by mógł on całkowicie odparować. Rozprężenie gazu w zaworze powoduje jego ochłodzenie zgodnie z efektem Joule'a-Thomsona, przygotowując czynnik do ponownego poboru ciepła w parowniku.

Proces ogrzewania/chłodzenia w pompie ciepła

Działanie pompy ciepła opiera się na cyklicznym procesie, w którym czynnik chłodniczy krąży pomiędzy parownikiem, sprężarką, skraplaczem i zaworem rozprężnym. Cały proces obejmuje:

1. Odparowywanie: W parowniku czynnik chłodniczy odparowuje, pobierając ciepło z otoczenia, np. z powietrza lub gruntu.
2. Sprężanie: Para czynnika chłodniczego jest sprężana w sprężarce, co podnosi jej ciśnienie i temperaturę.
3. Kondensację: Gorący czynnik chłodniczy trafia do skraplacza, gdzie oddaje ciepło do systemu grzewczego budynku, a następnie skrapla się do postaci cieczy.
4. Rozprężanie: Ciekły czynnik chłodniczy przepływa przez zawór rozprężny, gdzie następuje spadek jego ciśnienia i temperatury, co przygotowuje go do ponownego poboru ciepła w parowniku.

Taki cykl umożliwia efektywne przenoszenie ciepła z otoczenia do wnętrza budynku (w trybie ogrzewania) lub odwrotnie (w trybie chłodzenia), co czyni pompę ciepła wszechstronnym urządzeniem do zarządzania temperaturą w budynku.

Należy dodać, iż pompa ciepła wykorzystuje zwykle 2 główne obiegi termodynamiczne:

1. chłodniczy (wewnętrzny),
2. grzewczy (zewnętrzny).

W obiegu wewnętrznym, obejmującym parownik, sprężarkę, skraplacz i zawór rozprężny, czynnik chłodniczy zmienia swój stan skupienia, by efektywnie transportować ciepło. W obiegu zewnętrznym, obejmującym ogrzewanie podłogowe czy grzejniki, ciepło jest rozprowadzane po budynku. Niektóre pompy ciepła mogą mieć dodatkowe obiegi lub układy, jak na przykład odzysk ciepła czy podgrzewanie ciepłej wody użytkowej.

Dlaczego pompa ciepła pobiera prąd?

Skoro pompa ciepła jest urządzeniem ekologicznym i wykorzystującym ciepło z darmowych, odnawialnych źródeł energii, to dlaczego do jej funkcjonowania potrzebny jest prąd? Odpowiedź na to pytanie jest stosunkowo prosta. Energia elektryczna potrzebna jest do działania sprężarki, a w niektórych urządzeniach także do napędzania urządzeń cyrkulacyjnych, systemów monitorujących czy zaworów rozprężnych. Trzeba jednak pamiętać, że pompy ciepła to urządzenia o wysokiej efektywności energetycznej, które – w zależności od współczynnika efektywności COP – z 1 kWh produkują kilkakrotnie więcej kWh energii cieplnej (np. COP = 4 oznacza, że przy poborze prądu z sieci wynoszącym 1 kWh pompa wygeneruje 4 kWh energii cieplnej).

W pompach ciepła występować mogą różne typy sprężarek, np. tłokowe albo spiralne. Każda z nich ma napęd elektryczny, a to, ile pobiera energii, warunkowane jest wieloma czynnikami. Należy wśród nich wymienić m.in. technologię, zapotrzebowanie budynku na ciepło oraz przede wszystkim różnice temperatur występujące między źródłem poboru ciepła a systemem grzewczym.

Zasadniczo im więcej energii potrzeba na ogrzanie lub chłodzenie budynku, tym wyższy będzie pobór prądu. Negatywny wpływ na ten parametr ma ponadto tzw. przewymiarowanie, czyli sytuacja, w której moc pompy ciepła przekracza faktyczne zapotrzebowanie energetyczne budynku (np. wybór urządzenia o mocy 15 kW dla domu, dla którego wystarczająca będzie moc 10 kW). Jest to jeden z czynników przemawiających za tym, że inwestycja w takie urządzenie każdorazowo powinna być konsultowana ze specjalistami, którzy pomogą dobrać pompę ciepła oraz jej parametry zgodnie z faktycznymi wymaganiami budynku i jego użytkowników.

Viessmann to globalny lider w dostarczaniu technologii grzewczych. Jeśli rozważasz inwestycję w pompę ciepła lub potrzebujesz w tej kwestii fachowej porady – możemy Ci pomóc. Zapoznaj się z naszą ofertą lub przejdź do zakładki Kontakt.