Aby móc odparować ciecz, trzeba dostarczyć jej energii. Łatwo to zaobserwować na przykładzie wody. Gdy patelnię z wodą podgrzeje się do 100 stopni Celsjusza (doda się energię cieplną), woda zaczyna parować. Jeśli następnie doda się więcej energii cieplnej, temperatura wody nie będzie dalej rosła. Zamiast tego woda zostaje całkowicie zamieniona w parę wodną.
Jak działa pompa ciepła
Poproś o bezpłatną konsultacjęTematy w skrócie
Jak działa pompa ciepła?
Pompa ciepła działa w podobny sposób jak lodówka - tylko w odwrotnej kolejności. Podczas gdy lodówka pobiera energię cieplną z żywności, czyli z jej wnętrza, i przekazuje ją na zewnątrz, pompa ciepła działa odwrotnie: pobiera energię cieplną z otoczenia na zewnątrz budynku i sprawia, że może być ona wykorzystana do ogrzewania w pomieszczeniach. Oprócz powietrza wewnętrznego lub zewnętrznego, pompa ciepła może pobierać energię cieplną z wód gruntowych i ziemi. Ponieważ temperatura uzyskanego ciepła jest zazwyczaj niewystarczająca do ogrzania budynku lub ciepłej wody użytkowej, do jej podniesienia wykorzystywane są procesy termodynamiczne.
Proces obiegu chłodniczego - sedno zasady działania pompy ciepła
Niezależnie od tego, jakie źródło ciepła jest wykorzystywane do wytwarzania ciepła, proces cyklu chłodniczego, który składa się z czterech etapów, jest zawsze częścią sposobu działania pompy ciepła.
Jeśli gaz, taki jak powietrze, jest sprężany (zwiększa się jego ciśnienie), wzrasta również jego temperatura. Można tego doświadczyć, trzymając zamknięty otwór pompki rowerowej i ściskając powietrze - cylinder pompki staje się ciepły.
Ponieważ energii nie można stracić, podczas kondensacji pary wodnej energia cieplna zużyta wcześniej na parowanie jest ponownie uwalniana.
Jeśli ciśnienie cieczy pod ciśnieniem zostanie nagle zmniejszone, temperatura znacznie spada. Można to zaobserwować np. na butli z gazem płynnym w kempingowej kuchence gazowej. Jeśli zawór jest otwarty, na zaworze butli z gazem płynnym może utworzyć się lód, nawet w lecie (tutaj ciśnienie zmniejsza się z ok. 30 barów do 1 bara).
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.
Zasada działania pompy ciepła na przykładzie powietrznej pompy ciepła
Najprostszym sposobem wyjaśnienia tego procesu jest posłużenie się przykładem powietrznej pompy ciepła: Powietrzna 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.
Drugi wymiennik ciepła (skraplacz) przekazuje następnie energię z podgrzanej pary do obiegu grzewczego (ogrzewanie podłogowe, grzejniki, bufor grzewczy i/lub zasobnik CWU). W tym procesie czynnik chłodniczy, który nadal jest pod ciśnieniem, ochładza się i ponownie skrapla. Zanim czynnik chłodniczy będzie mógł wrócić do obiegu, najpierw zostaje rozprężony w zaworze rozprężnym. Po osiągnięciu stanu początkowego można ponownie rozpocząć cykl chłodniczy.
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.
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.