Pompa ciepła nie wytwarza ciepła przez spalanie ani bezpośrednie ogrzewanie prądem. Przenosi energię cieplną z powietrza, gruntu lub wody do instalacji grzewczej budynku. Jej działanie można porównać do lodówki pracującej w odwrotnym kierunku: lodówka odbiera ciepło z wnętrza i oddaje je do pomieszczenia, a pompa pobiera ciepło z otoczenia i przekazuje je do domu.
Jak działa obieg termodynamiczny?
Podstawą pracy urządzenia jest zamknięty obieg termodynamiczny. Krąży w nim czynnik chłodniczy, czyli substancja, która może zmieniać stan skupienia w niskiej temperaturze. Dzięki temu pobiera ciepło z otoczenia nawet wtedy, gdy na zewnątrz jest chłodno.
Obieg składa się z czterech etapów. Najważniejszym elementem układu jest sprężarka. Napędzana energią elektryczną zwiększa ciśnienie czynnika, a wraz z nim jego temperaturę. To pozwala przekazać ciepło do instalacji ogrzewającej budynek.
| Etap | Opis procesu | Stan czynnika |
|---|---|---|
| Parowanie | Czynnik pobiera ciepło z dolnego źródła, na przykład z powietrza, gruntu lub wody, i zaczyna parować. | Z cieczy zmienia się w gaz. |
| Sprężanie | Sprężarka wykonuje pracę zasilaną prądem. Zwiększa ciśnienie czynnika, przez co rośnie także jego temperatura. | Gorący gaz pod wysokim ciśnieniem. |
| Skraplanie | Czynnik oddaje ciepło do instalacji grzewczej budynku. Ochładzając się, skrapla się. | Ciecz pod wysokim ciśnieniem. |
| Rozprężanie | Zawór rozprężny obniża ciśnienie i temperaturę czynnika, przygotowując go do ponownego pobrania ciepła. | Zimna ciecz, która trafia do parownika. |
Po przejściu przez zawór rozprężny czynnik wraca do parownika i cały cykl zaczyna się od początku. W trybie ogrzewania energia przepływa więc od otoczenia, przez czynnik chłodniczy i wymienniki ciepła, do instalacji w budynku.
Jaką rolę pełnią czynnik chłodniczy i sprężarka?
Czynnik chłodniczy działa jak nośnik energii. W parowniku odbiera ciepło i odparowuje, a w skraplaczu oddaje je instalacji grzewczej i wraca do postaci cieczy. Jego właściwości pozwalają realizować ten proces przy temperaturach, przy których woda nie mogłaby pełnić takiej samej funkcji.
Sprężarka odpowiada za podniesienie ciśnienia oraz temperatury gazowego czynnika. Zużywa energię elektryczną, ale nie zamienia jej bezpośrednio na ciepło tak jak grzałka. Wykonuje pracę potrzebną do przemieszczenia energii cieplnej z niższego poziomu temperatury na wyższy.
Skąd pompa ciepła pobiera energię i gdzie ją oddaje?
Źródło, z którego urządzenie pobiera energię, nazywa się dolnym źródłem. Może nim być powietrze zewnętrzne, grunt albo woda. Powietrzna pompa ciepła wykorzystuje wymianę ciepła z powietrzem, gruntowa korzysta z energii zgromadzonej w ziemi, a wodna pobiera ją z wód gruntowych.
Ciepło trafia następnie do górnego źródła, czyli instalacji ogrzewającej budynek. Może to być ogrzewanie podłogowe, grzejniki lub instalacja nawiewna. Im mniejsza różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem, tym łatwiej urządzeniu przenieść energię i tym korzystniejsze są warunki jego pracy.
Ta sama zasada termodynamiczna działa w pompach typu powietrze–woda, gruntowych i wodnych. Różnica dotyczy przede wszystkim środowiska, z którego pobierane jest ciepło, oraz konstrukcji instalacji. Warianty split i monoblok opisują sposób rozmieszczenia elementów układu, a nie odmienną zasadę fizycznego działania.
Dlaczego pompa ciepła może dostarczać więcej ciepła niż zużywa prądu?
Prąd zasila głównie sprężarkę i pozostałe elementy potrzebne do pracy układu. Nie jest jedynym źródłem energii cieplnej. Większa część ciepła pochodzi z otoczenia, dlatego ilość energii oddanej do budynku może być większa niż ilość energii elektrycznej pobranej przez urządzenie.
Do opisu tej zależności służy współczynnik COP (Coefficient of Performance). Pokazuje on, ile energii cieplnej urządzenie dostarcza przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej. Przykładowo COP równy 4 oznacza, że w danych warunkach pompa przekazuje 4 kWh ciepła, zużywając 1 kWh prądu. Rzeczywista wartość zmienia się wraz z temperaturą dolnego źródła, temperaturą zasilania instalacji i obciążeniem urządzenia.
Pompa ciepła nie tworzy całej dostarczanej energii od zera. Energia elektryczna napędza proces, który umożliwia odebranie ciepła z otoczenia i przekazanie go do budynku.
Dlatego jej wydajność nie oznacza sprawności grzałki przekraczającej prawa fizyki. Jest to efekt transportu energii cieplnej. Im mniejszego podniesienia temperatury wymaga układ, tym korzystniejsze mogą być warunki pracy pompy.
