Pompa ciepła – zalety, budowa i zasada działania

Nowoczesne pompy ciepła to urządzenia, cechujące się wysoką wydajnością, niskimi kosztami eksploatacji i wysokim komfortem użytkowania. Rosnąca świadomość społeczeństwa odnośnie ekologicznych źródeł energii, długa żywotność instalacji i bezpieczeństwo sprawiają, że cieszą się coraz większą popularnością. W tym artykule zajmiemy się ich zaletami, budową, podstawowymi typami i zasadą działania.

Czym jest pompa ciepła?

Pompę ciepła możemy zdefiniować jako maszynę, która przenosi ciepło z układu o niższej temperaturze do układu o wyższej temperaturze. Proces ten jest możliwy dzięki przemianom termodynamicznym, takim jak parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie, zachodzącym w obiegu pompy. Inaczej pompą ciepła możemy nazwać urządzenie grzewcze, wykorzystujące energię cieplną do ogrzewania wody i pomieszczeń. W pompach ciepła wyróżniamy dwa główne układy: źródła dolnego, w którym następuje pobranie energii cieplnej z danego źródła (gruntu, powietrza lub wody) i górnego, mający za zadanie przekazywać ciepło do instalacji.

Zalety pompy ciepła

Pompy ciepła stanowią główną alternatywę dla ogrzewania gazowego, elektrycznego i olejowego. Największą zaletą takiego rozwiązania są niskie koszty eksploatacji. Dla przykładu pompa ciepła zużywająca 1kWh energii elektrycznej dostarcza przeciętnie 4 kWh energii cieplnej. Obecnie większość pomp wykazuje się sprawnością na poziomie do 500%. Na uwagę zasługuje też długi okres żywotności instalacji, mogący wynosić nawet 30 lat.

Kolejnym niewątpliwym plusem pomp ciepła, zwłaszcza w dobie wzrostu świadomości ekologicznej społeczeństwa, jest niska szkodliwość dla środowiska. Pompa ciepła nie wykorzystuje do pracy żadnych paliw stałych, poza prądem, niezbędnym do zasilenia sprężarki. Podczas eksploatacji pompa nie emituje  żadnych spalin, dymu czy innych szkodliwych dla środowiska produktów ubocznych. W porównaniu do innych rodzajów ogrzewania, pompa charakteryzuje się najmniejszą emisją dwutlenku węgla.

Dzięki programowi Czyste Powietrze, realizowanemu przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, istnieje także możliwość uzyskania dofinansowania inwestycji w pompę ciepła, pozwalającego obniżyć koszty zakupu i montażu instalacji.

Podstawowe typy pomp ciepła

Zależnie od źródła, z którego pobierane jest ciepło, możemy wyróżnić trzy podstawowe typy pomp, wykorzystywane do ogrzewania wody budynków  – gruntową, wodną i powietrzną. Wszystkie opierają się na tej samej zasadzie działania, różniąc się jedynie miejscem, z którego pobierania jest energia cieplna.

Pompa gruntowa czerpie energię cieplną z ziemi. Z racji niewielkich zmian temperatury gruntu w ciągu roku, uważana jest za stabilne źródło ciepła. Na głębokości ok. 1,5 m temperatura gruntu w waha się od 0 do 8^oC, umożliwiając właściwe działanie pompy. Właściwości magazynujące i zdolność do przewodzenia ciepła zależne są od ilości wody i składników mineralnych, znajdujących się w ziemi.

Dwa najpopularniejsze rozwiązania, stosowane do poboru ciepła z gruntu to kolektory poziome i pionowe.

Kolektor poziomy tworzą zakopane na głębokości 1-2 m wężownice z rur z tworzywa sztucznego. Pobieranie ciepła z gruntu odbywa się dzięki przepływającej przez nie mieszaniny wody i środka przeciw zamarzaniu, nazywanej solanką. Długość rur uzależniona jest od wilgotności i nasiąkliwości terenu. Do minusów takiego rozwiązania należy wymagana duża przestrzeń działki, która musi pozostać wolna od zabudowań, by umożliwić odpowiednią regenerację cieplną gruntu.

Kolektor pionowy zbudowany jest z pojedynczych pętli z rur polietylenowych, wypełnionych najczęściej glikolem, umieszczanych na głębokości 100 m lub większej. Średnia wydajność poboru energii tą metodą wynosi od około 50 W na metr długości sondy. Wartość ta może być jednak wyższa, jeśli sonda znajduje się w bogatej warstwie wodonośnej. Konieczność wykonania projektu geologicznego i głębokich odwiertów sprawia, że koszt takiego rozwiązania jest wyższy, niż w przypadku kolektorów poziomych. Z racji małej powierzchni zajmowanej przez rury, kolektor pionowy stanowi jednak dobre rozwiązanie dla domów, zbudowanych na działkach o małej powierzchni.

Pompa wodna to rozwiązanie grzewcze, w przypadku którego ciepło przenoszone jest z wód gruntowych. Za zasadnością tego rozwiązania przemawia ich stała temperatura roczna, oscylująca w granicach od 7 do 12^o C. Woda gruntowa pobierana jest ze studni zasilającej i transportowana do pompy. Po odebraniu ciepła, odprowadzana jest do studni zrzutowej. Tego typu rozwiązanie jest szczególnie opłacalne w przypadku, gdy dom zbudowany jest blisko jeziora, rzeki lub stawu, gdyż nie istnieje wtedy potrzeba kopania studni.

Pompa powietrza, wykorzystująca energię cieplną pobraną powietrza, jest najtańszym rozwiązaniem z wymienionych. Powietrze pobierane jest przez wentylator do parownika z niezamarzającą cieczą o temperaturze niższej niż temperatura otoczenia. Dzięki tej właściwości może odbierać ciepło z powietrza i przekazywać go do dalszego obiegu – nawet w przypadku, gdy temperatura na zewnątrz jest ujemna. Ilość dostarczanego powietrza może w takim wypadku okazać się niewystarczająca do ogrzania domu. Z tego też powodu powietrzne pompy ciepła wymagają dodatkowego źródła ciepła, np. kotła na paliwo stałe, gazowego, olejowego lub grzałki elektrycznej.

Wydajność pomp ciepła

Wydajnością pompy ciepła określa się różnicę temperatur górnego i dolnego źródła. O jej wartości decydują trzy współczynniki.

COP (Coefficient of Performance) – to współczynnik określający stosunek ilości uzyskanej energii (np. ciepła do ogrzewania) do energii włożonej (np. energii elektrycznej potrzebnej do zasilania sprężarki) w  danym momencie.

COP = |Q| / W

Gdzie Q oznacza energię uzyskaną, a W – moc potrzebną do pracy pompy.

Przykład: jeśli do uzyskania 5 kW energii cieplnej potrzebowaliśmy 1 kW energii elektrycznej, to współczynnik COP = 5.

SCOP – czyli współczynnik efektywności sezonowej, określa stosunek energii cieplnej wyprodukowanej do energii pobranej w całym sezonie grzewczym. Pozwala oszacować koszty ogrzewania w ciągu danego okresu, np. roku.

SPF – współczynnik mówiący  o zużyciu energii w danym czasie, liczony na podstawie rzeczywistych warunków, w których pracuje dana instalacja. Obliczany jest na podstawie dokładnie zmierzonego zużycia prądu i ilości dostarczonego ciepła.

Główne elementy pompy ciepła

1. Czynnik roboczy (chłodniczy):ciecz lub gaz, krążący w obiegu zamkniętym pompy, którego zadaniem jest transportowanie ciepła ze źródła dolnego (o niższej temperaturze) do górnego (o wyższej temperaturze). W zależności od temperatury i ciśnienia czynnik roboczy zmienia stan skupienia. Do naturalnych czynników roboczych, wykorzystywanych w pompach ciepła, zaliczamy m.in. wodę, powietrze, dwutlenek węgla oraz węglowodory, takie jak propan, izobutan itd.). Z racji wysokiej szkodliwości dla środowiska, stopniowo odchodzi się od stosowanych wcześniej związków, będących pochodnymi węglowodorów nasyconych i nienasyconych (np. freony).

2. Parownik: rodzaj wymiennika ciepła, czyli urządzenia, umożliwiającego wymianę ciepła między dwoma lub więcej płynami. Znajdujący się w nim czynnik roboczy o temperaturze niżej niż otoczenia pobiera ciepło dostarczone z gruntu, co powoduje jego wrzenie i przekazanie do sprężarki w formie gazu.

3. Sprężarka: urządzanie napędzane energią elektryczną, którego zadaniem jest podwyższanie ciśnienia czynnika roboczego w pompie. Sprężarka zasysa czynnik chłodniczy w postaci gazowej i spręża do ciśnienia o określonej wartości. Szybki wzrost ciśnienia pociąga za sobą wzrost temperatury czynnika, aż do temperatury skraplania. Najczęściej stosowanym rodzajem sprężarki w pompach ciepła jest sprężarka rotacyjna, w której proces sprężania realizowany jest poprzez elementy wirujące (np. tłoki), przez które przepływa gaz.

4. Skraplacz: wymiennik ciepła, w którym zachodzi proces skraplania czynnika roboczego, dostarczanego w formie pary ze sprężarki. W wyniku skraplania dochodzi do wzrostu temperatury cieczy, która – po zetknięciu z wodą krążącą w sieci – umożliwia przekazanie ciepłą do instalacji grzewczej budynku.

5. Zawór rozprężny: element sterowany temperaturą, pełniący w obiegu pomp ciepła dwie funkcje. Pierwszym jest regulacja przepływu czynnika roboczego, taki sposób, by do parownika dostało się  go tylko tyle, ile ten jest w stanie odparować.  Drugą funkcją jest obniżanie ciśnienia i temperatur czynnika chłodniczego, gdy ten skrapla się po oddaniu ciepła do instalacji grzewczej. Dzięki temu możliwe jest ponowne pobranie ciepła ze środowiska.

Zasada działania pompy ciepła

Zasadę działania pompy ciepła opiszemy na przykładzie pompy powietrznej, wykorzystującej do ogrzewania energię cieplną powietrza.

Dolne źródło połączone jest ze źródłem górnym za pomocą przewodów. W pierwszej kolejności następuje zassanie powietrza przez wentylator i przekazanie go do parownika. Znajduje się w nim układ chłodniczy, wypełniony niezamarzającym czynnikiem roboczym o niskiej temperaturze wrzenia, zależnej od jego składu chemicznego. Pod wpływem ciepła pobranego z powietrza czynnik ten zaczyna wrzeć i w formie gazu zostaje zassany do sprężarki.

W sprężarce dochodzi do szybkiego wzrostu ciśnienia i temperatury gazu do odpowiedniego poziomu, który kontroluje zawór rozprężny. Po osiągnięciu temperatury skraplania czynnik przekazywany jest do skraplacza, w którym oddaje swoją energię cieplną do instalacji grzewczej.

Po oddaniu ciepła, czynnik w postaci cieczy przepływa do zaworu rozprężnego, który – powoli otwierając się – zmniejsza jego ciśnienie. Przy rozprężeniu następuje też spadek jego temperatury. Rozprężony i ochłodzony czynnik trafia do parownika, w którym odparowuje dzięki energii cieplnej z dolnego źródła, rozpoczynając obieg od nowa.