Jak działają pompy ciepła?

Dla wielu osób, które po raz pierwszy spotykają się z czymś takim jak pompy ciepła zasada ich działania może wydawać się nieco niezrozumiała. Tymczasem sprawa jest prostsza niż mogłoby się wydawać.

Jak wspomniałem w artykule Cała prawda o pompach ciepła, zadaniem pompy ciepła jest „wyciągnięcie” ciepła z jednego miejsca a następnie oddanie go przy wyższej temperaturze w innym miejscu. Dlatego mówi się, że pompa ciepła nie wytwarza, a jedynie przenosi (przepompowuje) je z otoczenia do ogrzewanego domu. 

Pompę ciepła można porównać do lodówki czy klimatyzatora, bo w gruncie rzeczy zasada działania tych urządzeń jest identyczna. Lodówka (a precyzyjniej należałoby mówić o chłodziarce) „wyciąga” ciepło z produktów w niej umieszczonych a następnie oddaje to ciepło na wymienniku ciepła umieszczonym z tyłu urządzenia. Celem działania lodówki czy klimatyzatora jest chłodzenie, a wytworzone przy tej okazji ciepło jest odpadem.

Pompy ciepła działają tak samo, tylko podłączane są odwrotnie. Ich celem działania jest dostarczanie do budynku ciepła, a chłodzenie otoczenia odbywa się niejako przy okazji. Jakby ktoś się uparł i wstawił chłodziarkę w miejsce okna balkonowego, tyłem obudowy do środka pokoju, to otrzyma nic innego, jak właśnie (dość niewydajną) pompę ciepła.

Pompa ciepła instalowana jest w domu jako urządzenie wielkości niedużego kotła czy lodówki. Do niego doprowadzane są rury — obwód wymiennika umieszczonego w gruncie oraz obwód grzewczy, niektóre urządzenia zdolne są do podgrzewania wody użytkowej, wtedy posiadają jeszcze jedną parę złącz. Obwód, z którego czerpane jest ciepło, nosi nazwę dolnego źródła pompy ciepła. Obwód, do którego ciepło jest oddawane, nazywany jest górnym źródłem.

Dolne źródło ciepła w przypadku pomp gruntowych (glikol-woda, czerpiących ciepło z gruntu) to duży wymiennik ciepła, składający się najczęściej z kilkuset metrów rur. Umieszcza się go w gruncie w taki sposób, na jaki pozwala teren jego zainstalowania. Może to być wymiennik poziomy (rurki ułożone poziomo w prostych odcinach wykopu), spiralny (gdy kolejne zwoje rurki układane są płasko na dnie wykopu), pionowy (rurki umieszczone w pionowych odwiertach). W tych rurkach znajduje się niezamarzający płyn, zazwyczaj roztwór glikolu i wody. Ten płyn schładzany jest w pompie ciepła do niskiej temperatury a następnie przepompowywany (za pomocą pompki obiegowej) przez te kilkaset metrów rur.

Przepływając przez te rury umieszczone w gruncie płyn niezamarzający się ogrzewa do temperatury nieco wyższej, niż na początku. Ogrzewając się odbiera on ciepło od gruntu, który jest przez cały rok cieplejszy niż ten płyn. Później to ciepło jest odbierane przez „serce” pompy ciepła, którym jest obwód identyczny jak ten znajdujący się w lodówce. Gdy grunt się wychładza, pompa ciepła automatycznie dobiera temperaturę cieczy pompowanej przez dolne źródło, by czerpanie ciepła mogło zachodzić w każdych warunkach.

W przypadku pomp powietrznych (powietrze-woda), dolnym źródłem jest wymiennik ciepła odbierający ciepło od powietrza atmosferycznego.

A jeśli ktoś zastanawia się, jak działa pompa ciepła, czyli co dokładnie dzieje się w jej obudowie, że potrafi ona podnosić temperaturę ciepła, to w zrozumieniu tematu pomoże poniższy schemat.

Czynnik chłodniczy (gaz potocznie zwany freonem — choć z samym freonem ma już niewiele wspólnego) w postaci cieczy pod niskim ciśnieniem przepływa do parownika, w którym odparowując zabiera ciepło z glikolu ogrzanego w wymienniku gruntowym. Jest z oczywistych względów jeszcze chłodniejszy, niż glikol z dolnego źródła. Ten etap widzimy po prawej stronie schematu. Po przejściu przez parownik, mamy chłodny gaz o niskim ciśnieniu.

Następnie gaz ten trafia do sprężarki, gdzie podnosi się jego ciśnienie. Każdy, kto kiedykolwiek pompował dętkę w rowerze (albo uważał na lekcjach fizyki) ten wie, że wiąże się to także z wzrostem temperatury. Na wyjściu ze sprężarki (widocznej na dole rysunku) mamy już gaz sprężony o wysokiej temperaturze.

W trzecim etapie gorący gaz trafia do skraplacza, w którym oddaje ciepło do płynu obiegu grzewczego. Tym płynem najczęściej jest zwykła woda, która krąży w instalacji centralnego ogrzewania. Jest ona zimniejsza od gorącego, sprężonego czynnika roboczego, a zatem czynnik skrapla się tak, jak skrapla się para wodna na lustrze w łazience.Ten etap widzimy po lewej stronie schematu.

Skroplona ciecz z wymiennika (chłodna, o wysokim ciśnieniu) trafia do zaworu dławiącego (widzimy go na górze rysunku), gdzie następuje powtórne zmniejszenie ciśnienia. Odbywa się to podobnie jak w przypadku kranu w kuchni — przed zaworem mamy wodę z wodociągu pod wysokim ciśnieniem, a po delikatnym odkręceniu kranu woda ledwo wypływa, praktycznie już bez ciśnienia. Po przejściu przez zawór dławiący mamy zatem znów chłodną ciecz pod niskim ciśnieniem.

Prawdą jest, że z pompy ciepła otrzymujemy kilka razy więcej ciepła niż włożyliśmy do niej energii elektrycznej. Wynika to bowiem z zasady działania tego urządzenia. Pompa przecież ciepła nie wytwarza, tylko je przenosi. Nie ma tu zatem mowy o żadnych machlojkach obliczeniowych. Ciepło odbierane jest z dolnego źródła przez glikol i to ciepło w całości (wyjąwszy niewielkie straty po drodze) zasila grzejniki czy ogrzewanie podłogowe. Dodatkowo jeszcze energia elektryczna zużyta na napęd samej pompy ciepła zamieniana jest w urządzeniu na ciepło, dzięki czemu tego ciepła użytecznego jest jeszcze więcej.

W praktyce, zależnie od tego, o jakiej pompie mówimy (a mamy pompy gruntowe, powietrzne i wodne — zależnie od tego, co jest dolnym źródłem dla pompy ciepła), tego ciepła jest 2-5× więcej. A zatem ciepło dostarczane przez pompę ciepła jest 2-5× tańsze, niż ciepło z elektrycznego grzejnika.

Powyższy artykuł został opublikowany w serwisie po raz pierwszy 17.12.2005 r. Poniżej znajduje się jego zaktualizowana i uzupełniona wersja.

Nieco szerszy tekst o pompach ciepła, ich zaletach i wadach znajduje się tutaj!

Zobacz także