Zasady działania i typy pomp ciepła

Zasada działania

Na pompę ciepła składają się cztery podstawowe elementy: wymiennik do pozyskiwania ciepła z otoczenia, sprężarka, wymiennik do oddawania ciepła do instalacji oraz zawór rozprężny. Wszystkie te elementy tworzą hermetycznie zamknięty układ, wypełniony substancją, która transportuje ciepło. Substancja ta to czynnik chłodniczy o bardzo niskiej temperaturze parowania. Dzięki tej właściwości może on zamienić się w parę nawet przy niskiej temperaturze środowiska, np. w zimie.

Czynnik chłodniczy w postaci pary jest zasysany przez sprężarkę, gdzie następuje jego sprężanie. W trakcie tego procesu zmniejsza się objętość pary i jednocześnie wzrasta jej ciśnienie, czemu towarzyszy wzrost temperatury. Analogiczną reakcję można zaobserwować w czasie pompowania dętek rowerowych – po ich napompowaniu końcówka pompki robi się wyraźnie cieplejsza.

Para czynnika chłodniczego jest następnie wypychana do wymiennika, gdzie oddaje swoje ciepło wodzie krążącej w układzie c.o. Natomiast temperatura pary po oddaniu ciepła obniża się, co powoduje jej skraplanie się.

Następnie skroplony czynnik chłodniczy kierowany jest do tzw. zaworu rozprężnego, z którego wydostaje się przez niewielki otwór pod ciśnieniem większym od ciśnienia atmosferycznego (podobnie jak np. kosmetyczne dezodoranty). Rozprężeniu czynnika towarzyszy na tyle duży spadek ciśnienia i spadek temperatury, że w kontakcie z ciepłem ze środowiska znów paruje. I proces zaczyna się od początku.

Na rynku dostępnych jest kilka typów pomp ciepła. Z reguły różnią się one sposobem pozyskiwania ciepła ze środowiska. Istnieją pompy czerpiące ciepło z gruntu, z wody, a także z powietrza zewnętrznego.

Pompy gruntowe

Pompy solankowe jako magazyn ciepła wykorzystują grunt, tłocząc przez niego czynnik o niskiej temperaturze. Ciepło odebrane z gruntu wykorzystywane jest do odparowania czynnika chłodniczego w pompie ciepła. Czynnik krążący w gruncie to najczęściej roztwór na bazie glikoli etylenowych o niskiej temperaturze zamarzania.

Roztwór może być tłoczony w wymienniku gruntowym poziomym lub pionowym w postaci sond. Poziomy wymiennik zajmuje sporo miejsca, ponieważ do uzyskania 1 kW mocy grzewczej potrzeba średnio 40 m² gruntu. Oznacza to, że na montaż poziomego wymiennika trzeba przeznaczyć trzy razy więcej powierzchni gruntu niż wynosi ogrzewana powierzchnia budynku mieszkalnego. Przy czym powierzchnia gruntu, w którym zostanie umieszczony wymiennik, nie może być przykryta kostką czy asfaltem, ponieważ regeneruje się on pod wpływem promieni słonecznych i wód opadowych. Z tego też powodu wymiennika nie można umieszczać pod budynkami, a także pod drzewami i krzewami.

Decydując się natomiast na wymiennik z sondami pionowymi, nie musimy się specjalnie martwić o wolne miejsce na działce, ale trzeba przewidzieć dojazd dla ciężkiego sprzętu – wiertnic. Aby uzyskać 1 kW mocy grzewczej, odwiert powinien mieć głębokość około 20 m. Przy czym przyjmuje się, że głębokość odwiertu powinna być taka, jaką ma ogrzewana powierzchnia budynku. Typowe długości sond wynoszą od 40 do 100 m. Rzecz jasna, dane te mają charakter orientacyjny, ponieważ konkretne wielkości wymienników gruntowych zależą od bardzo wielu czynników.

Pompy ciepła bazujące na cieple z gruntu są obecnie najbardziej popularne, a ich silną stroną jest stały i stosunkowo wysoki współczynnik efektywności.

Pompy wodne

Wodne pompy ciepła korzystają z wód gruntowych. Aby mogły działać, wierci się dwie (lub więcej) studnie – ssącą i chłonną. Pomiędzy nimi umieszcza się dodatkową pompę, która tłoczy odpowiednią ilość wody gruntowej. Woda ta ma stosunkowo wysoką temperaturę, dzięki czemu czynnik chłodniczy w pompie ciepła paruje. Do uzyskania 1 kW mocy grzewczej wymagany jest przepływ wody o natężeniu około 150 l/h.

Stała i wysoka temperatura wód gruntowych powoduje, że pompy wodne osiągają wysoki współczynnik efektywności. Ich instalacja wymaga jednak dodatkowych nakładów inwestycyjnych na odseparowanie wymiennikiempośrednim wód gruntowych od pompy ciepła – aby zabezpieczyć wymiennik w pompie przez zabrudzeniami i zanieczyszczeniami chemicznymi.

Pompy wodne, mimo znacznie wyższych współczynników efektywności od pomp bazujących na cieple z gruntu, nie są popularne w budownictwie jednorodzinnym. Stosuje się je raczej w instalacjach o dużych mocach.

Pompy powietrzne

Tego typu pompy są z reguły nieco większe od pomp gruntowych o tej samej mocy. Wynika to z tego, że powietrze nie jest specjalnie dobrym magazynem ciepła i dla uzyskania uzyskania dostatecznej ilości energii potrzebny jest spory wymiennik do odzyskiwania ciepła. Efektywność tego typu pomp ciepła, według danych technicznych, jest najniższa z prezentowanych w tym artykule. Jeśli jednak porówna się ją z ceną, to w takim rankingu wygrywają.

Ten typ pomp wykorzystuje ciepło z powietrza zewnętrznego. Szczególnie polecane są jako dodatkowe źródło energii cieplnej. Jeśli z powodu zbyt niskiej temperatury zewnętrznej pompa nie zapewni dostatecznej ilość ciepła potrzebnej do ogrzania budynku, wówczas można włączyć gazowy czy elektryczny system grzewczy. Rozwiązanie proste, inwestycja niezbyt kosztowna i przede wszystkim tania eksploatacja pompy!

Oferowane na rynku pompy powietrzne dostępne są jako urządzenia do zabudowy wewnątrz lub na zewnątrz budynku. Bez problemu można je zainstalować np. podczas modernizacji istniejącego systemu grzewczego.