Poradnik inwestora. (cz. 6.) Pompa ciepła - zasady funkcjonowania

Co to jest pompa ciepła?

Jak to jest, że „pompa” grzeje? Nazwa urządzenia zapożyczona została z obcych języków (ang. "heat pump", niem. "Wärmepumpe"), nie opisuje jednak ona rzeczywistej realizowanej przez to urządzenie funkcji.

Pompa ciepła przenosi ciepło z „dolnego” źródła o niskiej temperaturze do „górnego” odbiornika, podwyższając jego temperaturę, niczego przy tym nie pompując.Aby wyjaśnić w możliwie prosty sposób, jak działa pompa ciepła, odwołajmy się do urządzenia, które jest nam dobrze znane – domowej lodówki. Pompa ciepła jest dokładnie takim samym urządzeniem pod względem zasady pracy jak lodówka, z tym, że w każdym z tych urządzeń co innego nas interesuje.

Działanie pompy ciepła

Aby to pokazać zajmijmy się na początek lodówką.Czynnik chłodniczy, nazywany także roboczym, jest w normalnych warunkach gazem, a cieczą tylko w określonym ciśnieniu i temperaturze. Czynnik w stanie ciekłym wpływa do wymiennika, nazywanego parowaczem, znajdującego się wewnątrz lodówki. Odbierając ciepło od produktów, które w lodówce się znajdują (lub pobierając ciepło, które przenika do środka przez ściany lodówki) czynnik chłodniczy odparowuje. Powstała para jest tłoczona przez sprężarkę do wymiennika za lodówką (jest to skraplacz), gdzie oddaje swoje ciepło do pomieszczenia i skrapla się. W skraplaczu panuje wyższe ciśnienie, niż w parowaczu, aby więc ciekły czynnik mógł przedostać się ponownie do parowacza, jego ciśnienie musi zostać zdławione i w tym celu w dużych urządzeniach chłodniczych stosuje się specjalne zawory rozprężne lub – już w mniejszych – mniej skomplikowany sposób, jakim jest długa cienka rurka łącząca skraplacz i parowacz, w której następuje redukcja ciśnienia. Ciekły czynnik odparowuje i... cały cykl powtarza się, utrzymując wewnątrz lodówki niższe temperatury, niż panują w jej otoczeniu.

Co to ma wspólnego z pompą ciepła? Bardzo dużo! W pompie ciepła odbywa się taki sam proces, jak opisany dla lodówki. Różnica polega na tym, że w lodówce interesuje nas, na jakim poziomie utrzymywana jest temperatura wewnątrz lodówki, w pompie ciepła zaś, jaką temperaturę możemy uzyskać w skraplaczu, bo to ona decyduje o tym, jak możemy pompę ciepła wykorzystać.Warto tutaj przytoczyć wzór, który jest potrzebny do zrozumienia działania pompy ciepła, pozwala zaobserwować jakie ciepło w parowaczu, a jakie w skraplaczu:

Q = Qo + L

gdzie:

Q – ilość ciepła w skraplaczu,

Qo – ilość ciepła pobrana w parowaczu,

L – praca dostarczona do sprężarki.

W lodówce, do pomieszczenia oddawane jest ciepło odebrane od produktów powiększone o ciepło z wykonanej przez sprężarkę pracy, a wewnątrz lodówki utrzymuje się niska temperatura. W przypadku pompy zaś znaczenie ma ilość oddanego w skraplaczu ciepła, które chcemy wykorzystać do podgrzewania wody lub powietrza. Ważna jest przy tym także temperatura, jaką można w samym skraplaczu osiągnąć. Ta z kolei zależy od użytego czynnika roboczego (chłodniczego) i ciśnienia skraplania. Ciśnienie robocze czynnika ma istotny wpływ na wskaźnik efektywności (stosunek Q do L) sprężarkowych pomp ciepła.W pompach ciepła małej i średniej mocy najczęściej stosowane są związki chemiczne zwane freonami (nazwa używana przez fachowców, chociaż prawdziwe freony nie są już stosowane). Są to czynniki bezbarwne, nietrujące i bez zapachu. Oznaczane są literą R i liczbą np. R502 lub R22. Stale powstają nowe czynniki chłodnicze, a wiele wcześniej stosowanych freonów zostało zakazanych, ze względu na ich szkodliwy wpływ na warstwę ozonu otaczającą kulę ziemską.

Ocena pompy ciepła

Przy ocenie pompy ciepła porównujemy współczynnik wydajności grzejnej φ i temperaturę skraplania, bo ona decyduje o temperaturze roboczej wody lub powietrza, którą potrzebujemy. Dane te charakteryzują daną pompę ciepła. Współczynnik wydajności cieplnej φ (teoretyczny) to φt=T2/(T2-T1). Rzeczywisty to φr= 0,5-0,6 φt. (T- temperatury dolnego i górnego źródła w K). Zwróćmy tu uwagę, że porównywanie danych katalogowych różnych konstrukcji pomp ciepła nie jest prostą sprawą, bo producenci podają je dla różnych parametrów dolnego i górnego źródła ciepła. Współczynnik φ dla parametrów +5/35oC nie jest tym samym dla parametrów +10/55oC. A jak to wszystko, tę naszą zdobytą wiedzę,  wykorzystać? Bo dla nas, jako przyszłych użytkowników takiego źródła ciepła, jest ważne ile da się „wyciągnąć” z proponowanej nam pompy ciepła. O tym właśnie mówi współczynnik φ.Z krótkiego wstępu widać, że aby mieć pożytek z pompy ciepła, czyli uzyskać wysoki współczynnik wydajności grzejnej, musimy spełnić parę warunków, o których wielu zapomina. Skutkiem takiego „zapomnienie” jest brak zadowolenia z zainstalowanej pompy ciepła.

Warto przeczytać:

• Prosumencki tercet – fotowoltaika, pompa ciepła, magazyn energii »
• Pompa ciepła ogrzewa polski rynek »
• Pompa ciepła – co się stanie, gdy zabraknie prądu? »