Czynnik roboczy pobiera energię cieplną z otoczenia i odparowuje, przechodząc ze stanu ciekłego w gazowy. Już na tym etapie wykorzystywane jest ciepło o niskiej temperaturze.
Jak działa pompa ciepła
Poproś o bezpłatną konsultacjęJak działa pompa ciepła?
Pompa ciepła to nowoczesne i energooszczędne urządzenie grzewcze, które wykorzystuje energię cieplną zgromadzoną w otoczeniu – w powietrzu, gruncie lub wodzie – do ogrzewania budynków oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Do działania potrzebuje jedynie niewielkiej ilości energii elektrycznej.
Zasada działania pompy ciepła
Pompa ciepła działa na tej samej zasadzie fizycznej co lodówka, lecz w odwrotnym kierunku. Lodówka odbiera ciepło z wnętrza urządzenia i oddaje je na zewnątrz. Pompa ciepła pobiera natomiast energię cieplną z otoczenia i przekazuje ją do instalacji grzewczej w budynku.
Nawet gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska, zawiera ono energię cieplną, którą pompa ciepła może wykorzystać. W przypadku pomp gruntowych i wodnych źródło ciepła ma dodatkowo bardziej stabilną temperaturę przez cały rok.
Skąd pompa ciepła pobiera energię?
W zależności od rodzaju urządzenia, pompa ciepła może wykorzystywać:
- powietrze zewnętrzne,
- grunt,
- wodę gruntową lub powierzchniową.
Energia ta ma stosunkowo niską temperaturę, dlatego musi zostać „podniesiona” do poziomu odpowiedniego do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej.
Cykl pracy pompy ciepła – krok po kroku
Działanie pompy ciepła opiera się na zamkniętym obiegu czynnika roboczego, który przechodzi przez cztery główne etapy:
Gazowy czynnik roboczy jest sprężany, co powoduje znaczny wzrost jego temperatury. Sprężarka jest jedynym elementem pompy ciepła, który wymaga energii elektrycznej do pracy.
Gorący czynnik roboczy oddaje ciepło do instalacji grzewczej budynku (np. ogrzewania podłogowego lub grzejników). W trakcie tego procesu czynnik skrapla się, przechodząc ponownie w stan ciekły.
Czynnik roboczy zostaje rozprężony, co obniża jego ciśnienie i temperaturę. Następnie wraca on do parownika, a cały cykl rozpoczyna się od nowa.
Zasada działania pompy ciepła na przykładzie powietrznej pompy ciepła typu powietrze/woda
Najprostszym sposobem wyjaśnienia tego procesu jest posłużenie się przykładem powietrznej pompy ciepła typu powietrze/woda: Pompa ciepła może składać się z jednej lub dwóch jednostek. W obu przypadkach wbudowany wentylator aktywnie zasysa powietrze z otoczenia i kieruje je do wymiennika ciepła. Przez wymiennik ciepła przepływa czynnik chłodniczy, który w bardzo niskich temperaturach zmienia swój stan fizyczny. W kontakcie z otaczającym powietrzem czynnik chłodniczy nagrzewa się i stopniowo przechodzi w stan pary. Do zwiększenia powstałego ciepła do wymaganej temperatury wykorzystywana jest sprężarka. Powoduje to sprężenie pary i wzrost zarówno ciśnienia, jak i temperatury pary czynnika chłodniczego.
Ciągłe powtarzanie procesu
Procesy te zachodzą w obiegu zamkniętym w pompie ciepła. Do transportu ciepła wykorzystywana jest ciecz (czynnik chłodniczy), która odparowuje w bardzo niskich temperaturach. Do odparowania tej cieczy wykorzystywana jest energia cieplna, np. z ziemi lub powietrza zewnętrznego. Nawet temperatury rzędu minus 20 stopni Celsjusza są wystarczające do dostarczenia energii. Zimne opary czynnika chłodniczego, na przykład -20 stopni Celsjusza, są następnie silnie sprężane. W tym procesie nagrzewa się ona do temperatury nawet 100 stopni Celsjusza. Para czynnika chłodniczego jest skraplana i oddaje ciepło do systemu grzewczego. Następnie ciśnienie ciekłego czynnika chłodniczego ulega znacznemu obniżeniu. To powoduje, że temperatura cieczy spada z powrotem do poziomu początkowego. Proces ten można rozpocząć od początku.
Czynnik chłodniczy: niezbędny do działania pompy ciepła
Do działania pompy ciepła niezbędny jest specjalny czynnik chłodniczy. Jego kluczową cechą jest wyjątkowo niska temperatura wrzenia. Dzięki temu ciecz zamienia się w gaz nawet w bardzo niskich temperaturach – czasami nawet poniżej -20°C. Dlatego pompa ciepła działa niezawodnie nawet zimą, gdy temperatury zewnętrzne są niskie.
Nawiasem mówiąc, najnowsza generacja pomp ciepła Viessmann wykorzystuje naturalny czynnik chłodniczy propan (R290), który pod względem właściwości nie ustępuje w niczym konwencjonalnym czynnikom chłodniczym.
Sprężanie wymaga prądu elektrycznego
Niezbędnym elementem obiegu chłodniczego jest sprężarka. Dzieje się tak dlatego, że bez sprężania temperatury wyjściowe są zbyt niskie, aby móc ogrzać budynek do komfortowej temperatury - tym bardziej w bardzo zimne dni z dwucyfrowymi temperaturami minusowymi.
Efektywność energetyczna pompy ciepła
Pompa ciepła nie wytwarza ciepła w tradycyjny sposób, lecz przenosi je z otoczenia do budynku. Dzięki temu nawet około 70–75% energii wykorzystywanej do ogrzewania pochodzi ze środowiska naturalnego, a jedynie pozostała część z energii elektrycznej potrzebnej do napędu urządzenia.
To sprawia, że pompy ciepła są rozwiązaniem wyjątkowo efektywnym energetycznie i przyjaznym dla środowiska.
Praca przy niskich temperaturach
Pompy ciepła mogą pracować również przy niskich temperaturach zewnętrznych. Wydajność urządzenia zależy jednak od rodzaju dolnego źródła ciepła:
- pompy gruntowe i wodne oferują bardzo stabilną efektywność przez cały rok,
- pompy powietrzne mogą notować spadek wydajności przy silnych mrozach, jednak nowoczesne urządzenia są przystosowane do pracy także w takich warunkach.
Pompa ciepła do ogrzewania i chłodzenia
Pompa ciepła działa niezawodnie nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Pompy ciepła typu woda-woda i solanka-woda są szczególnie wydajne w dostarczaniu ciepła, ponieważ grunt i wody gruntowe utrzymują stałą temperaturę przez cały rok. Jednak pompy ciepła typu powietrze-woda działają również w temperaturach poniżej zera. Pompy ciepła Viessmann, takie jak Vitocal 250-A, pozostają niezawodne nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych (poniżej -10 °C).
Dzięki funkcji odwracalności pompy ciepła mogą również chłodzić latem
Zasada działania pompy ciepła jest odwracalna. Oznacza to, że pompa ciepła może nie tylko ogrzewać pomieszczenia, ale także je chłodzić, pod warunkiem spełnienia wymagań technicznych. Istnieją dwie różne metody chłodzenia:
- Chłodzenie naturalne: pompa ciepła pozostaje wyłączona. Niższa temperatura źródła ciepła otoczenia (ziemia, woda gruntowa) jest wykorzystywana do chłodzenia pomieszczeń za pomocą wymiennika ciepła.
- Chłodzenie aktywne: Funkcja pompy ciepła jest aktywnie odwracana, tak aby ciepło było transportowane z pomieszczeń na zewnątrz. Ten tryb pracy jest podobny do działania lodówki.
Szczegółowy opis działania funkcji chłodzenia można znaleźć w naszym przewodniku po chłodzeniu naturalnym i aktywnym.
Odwrócenie funkcji pompy ciepła w celu chłodzenia
Zasada działania pompy ciepła jest odwracalna. Z tego powodu pomieszczenia mogą być nie tylko ogrzewane, ale także chłodzone – o ile spełnione są wymagania techniczne. Należy rozróżnić chłodzenie naturalne od chłodzenia aktywnego. Podczas gdy w tym drugim przypadku funkcja pompy ciepła jest aktywnie odwracana, w chłodzeniu pasywnym lub naturalnym pozostaje ona wyłączona.
FAQ – Często zadawane pytania dotyczące działania pomp ciepła
Zużycie energii przez pompę ciepła zależy między innymi od jej wydajności (roczny współczynnik wydajności) i wymaganej mocy grzewczej. Większość energii grzewczej pochodzi ze środowiska; energia elektryczna jest potrzebna głównie do działania sprężarki.
Tak, większość nowoczesnych pomp ciepła może oprócz ogrzewania pomieszczeń również wytwarzać ciepłą wodę dla gospodarstwa domowego. Istnieją również samodzielne pompy ciepła przeznaczone specjalnie do produkcji ciepłej wody, które przez cały rok efektywnie podgrzewają wodę pitną. Mogą one wykorzystywać powietrze wywiewane z domu (np. z piwnicy lub pralni) lub pobierać ciepło z powietrza zewnętrznego. Więcej informacji na temat tego specjalnego rodzaju pomp ciepła można znaleźć w naszym przewodniku po pompach ciepła do ciepłej wody.
Tak, firma Viessmann oferuje pompy ciepła, które osiągają wysokie temperatury zasilania (np. 70°C) i dzięki temu mogą być stosowane również w dobrze izolowanych budynkach istniejących, wyposażonych w tradycyjne grzejniki.
Więcej informacji na ten temat można znaleźć w naszym przewodniku po pompach ciepła w starszych budynkach.
Połączenie pompy ciepła i systemu fotowoltaicznego jest idealnym rozwiązaniem. Energia słoneczna wytworzona w ciągu dnia może być wykorzystana bezpośrednio do zasilania pompy ciepła, co dodatkowo obniża koszty eksploatacji i zwiększa niezależność energetyczną.
Pompa ciepła wykorzystuje ciepło zgromadzone w ziemi. Istnieją dwie główne metody wykorzystywane w tym celu:
- Sondy gruntowe: są one wiercone pionowo na głębokość do 100 metrów. Wymagają one niewielkiej przestrzeni i są szczególnie wydajne.
- Kolektory gruntowe: są one układane poziomo na dużym obszarze na niewielkiej głębokości. Są tańsze w instalacji, ale wymagają większej powierzchni ogrodu.
Najbardziej odpowiednia metoda zależy od warunków panujących na Twojej nieruchomości. Więcej szczegółów znajdziesz w naszych przewodnikach dotyczących kolektorów gruntowych i sond geotermicznych.
W praktyce stosuje się wiele sprężarek, w tym sprężarki tłokowe lub sprężarki spiralne, które wszystkie mają napęd elektryczny. Pobór mocy do sprężania zależy od wielu czynników. Należą do nich zapotrzebowanie na ciepło, technologia sprężarki i wreszcie różnica temperatur między źródłem ciepła a systemem grzewczym. Zgodnie z ogólną zasadą: Im wyższa różnica temperatur między źródłem ciepła a temperaturą zasilania, tym więcej musi pracować sprężarka.
Energia elektryczna dla pomp ciepła poprawia ocenę cyklu życia pompy ciepła
Od pewnego czasu dostawcy energii elektrycznej oferują specjalne taryfy dla pomp ciepła z ulepszonymi warunkami dla klientów końcowych. W tym przypadku właściciele instalacji odnoszą podwójną korzyść. Taryfy te pomagają obniżyć koszty ogrzewania do minimum. Jednocześnie prąd jest zazwyczaj wytwarzany z wykorzystaniem energii odnawialnych. Energia jest "czysta", co jeszcze bardziej poprawia i tak już pozytywną ocenę cyklu życia pompy ciepła.
