Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła: technologia atrakcyjna ekonomicznie i ekologicznie

W przeciwieństwie do kotłów na węgiel, olej opałowy czy gaz ziemny pompy ciepła wykorzystują odnawialne źródła energii, dzięki czemu przyczyniają się do ochrony środowiska naturalnego. Zastosowanie pomp ciepła w miejscu tradycyjnych kotłów prowadzi do ograniczenia zużycia pierwotnych paliw kopalnych, a tym samym do redukcji emisji szkodliwych produktów ich spalania, w formie CO2 oraz NOx. Ponadto instalację centralnego ogrzewania z zastosowaniem pompy ciepła charakteryzują niskie koszty eksploatacyjne, co w obliczu planowanych podwyżek cen nośników ciepła: gazu przewodowego oraz bezprzedowodowego (płynnego), oleju opałowego, ciepła sieciowego oraz energii elektrycznej (pewność cen oraz dostaw) ma szczególne znaczenie.

Gdyby pompa ciepła zastąpiła ogrzewanie węglowe to korzyści ekonomiczne byłyby niewielkie w porównaniu do korzyści ekologicznych oraz eksploatacyjnych. Komfort użytkowania pompy ciepła, czystość, niezawodność, brak popiołu oraz większa piwnica (zwolniona po węglu) znacznie przeważają nad argumentami ekonomicznymi. W celu ochrony środowiska oraz racjonalizacji zużycia energii w krajowym budownictwie mieszkaniowym instalacje grzewcze powinny być projektowane jako niskotemperaturowe i oparte właśnie na pompach ciepła, jako głównym źródle energii cieplnej w budynkach. Bez powszechnego stosowania pomp ciepła utrudniony będzie rozwój idei budynków zero energetycznych czy plus energetycznych, jak również realizowanie celów polityki klimatyczno-energetycznej 3×20.

Rynek pomp ciepła w Polsce

W Polsce systemy grzewcze zasilane pompami ciepła stanowią obecnie około 20% rynku wszystkich urządzeń grzewczych. Zgodnie z analizą p. Pawła Lachmana (PORT PC) począwszy od roku 2018 powietrzne pompy ciepła odnotowują średnio 100% przyrost sprzedaży (rok do roku). Biorąc pod uwagę Uchwały Antysmogowe szacuje się, iż zainteresowanie pompami ciepła będzie szczególnie widoczne w okresie wejścia w życie najważniejszych zapisów tychże uchwał, co przypada na lata 2026-2028 (w zależności od województwa).  

Stosowanie pomp ciepła w polskim budownictwie mieszkaniowym, biorąc pod uwagę:
• łatwość dostępu oraz montażu (brak systemu kominowego oraz kotłowni)
• niskie koszty inwestycyjne, szczególnie w przypadku nowego budownictwa
• wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, a tym samym przeciwdziałanie efektowi cieplarnianemu oraz niszczeniu warstwy ozonowej wydaje się jedynym słusznym kierunkiem, który jest dodatkowo premiowany w ramach programów: Czyste Powietrze, Ulga Termomodernizacyjna, Stop Smog.

Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła transportuje energię cieplną z dolnego do górnego źródła ciepła za pomocą czynnika roboczego (chłodniczego), który krążąc w zespole urządzeń przechodzi ciąg przemian (tworzących tzw. lewobieżny obieg Lindego ).

Dana energia cieplna (czyli ciepło do podgrzania wody w instalacji centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej) pochodzi z:
• ciepła przegrzania oraz
• ciepła skraplania pary czynnika chłodniczego (roboczego).

Sprężarka zasysa parę czynnika z parownika oraz podnosi jej ciśnienie do wartości, która umożliwia wykorzystanie ciepła przegrzania oraz skraplania pary czynnika roboczego na cele grzewcze. Zmiana fazy czynnika roboczego zachodzi dzięki energii cieplnej, pochodzącej z dolnego źródła tj. z powietrza, wody, gruntu kosztem energii elektrycznej zasilającej pracę układu sprężania.

Zatem pompa ciepła składa się z 3 głównych części:
• dolnego źródła ciepła
• sprężarkowej pompy ciepła
• górnego źródła ciepła połączonych siecią przewodów czynnika roboczego.

Aby lepiej zrozumieć działanie powyższych części posłużymy się lodówką, która jest przykładem pompy ciepła o bardzo małej wydajności.

Zasada działania lodówki

Zadaniem lodówki jest dbanie o świeżość produktów spożywczych. Jest to realizowane poprzez utrzymywanie produktów znajdujących się w komorze lodówki w odpowiednio niskiej temperaturze. Gdy do komory lodówki wkładamy żywność np. owoce/warzywa o temperaturze pokojowej -> lodówka „pobiera” energię zakumulowaną w produkcie i oddaje ją na zewnątrz. Pobór energii zakumulowanej w jedzeniu przebiega w 3 etapach: ETAP 1: dzięki wymiennikowi zabudowanemu w komorze lodówki (dolne źródło ciepła) czynnik chłodniczy pobiera ciepło zakumulowane w jedzeniu ETAP 2: kolejno sprężarkowa pompa ciepła podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego ETAP 3: za pośrednictwem wymiennika zabudowanego z tyłu lodówki (górne źródło ciepła) czynnik chłodniczy oddaje ciepło do pomieszczenia, w którym stoi lodówka.

Pompa ciepła pracująca na cele centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej w budynku działa na podobnej zasadzie co lodówka, z odpowiednio większą wydajnością. Sprężarkowa pompa ciepła za pośrednictwem czynnika roboczego transportuje ciepło z dolnego do górnego źródła ciepła.

Typy pomp ciepła

Pompy ciepła dzielą się na następujące typy:
• woda-woda
• solanka-woda
• solanka-powietrze
• powietrze-woda
• powietrze-powietrze

Pierwszy człon dotyczy rodzaju źródła ciepła: Woda – źródłem ciepła są wody gruntowe Solanka – źródłem ciepła jest grunt Powietrze – źródłem ciepła jest powietrze zewnętrzne Najczęściej wybieranym dolnym źródłem energii w pompach ciepła jest powietrze. Wynika to z faktu, iż pompa ciepła typu powietrze-woda cechuje się najniższymi kosztami inwestycyjnymi oraz dużą łatwością montażu. Drugi człon dotyczy sposobu przekazywania ciepła do ogrzewanego pomieszczenia: Woda – Nośnikiem ciepła w budynku jest woda Powietrze – Nośnikiem ciepła w budynku jest powietrze Tryby pracy pompy ciepła 1. Monowalentny sposób pracy Pompa ciepła to jedyne źródło ciepła wykorzystywane do ogrzewania oraz przygotowywania ciepłej wody. 2. Monoenergetyczny sposób pracy Za dostarczanie ciepła odpowiadają dwie wytwornice: pompa ciepła oraz grzałka elektryczna, która pokrywa szczytowe zapotrzebowanie na ciepło. Grzałkę elektryczną montuje się na zasilaniu instalacji wykorzystującej ciepło np. w zasobniku buforowym. Udział grzałki w pokryciu zapotrzebowania na ciepło budynku nie powinien przekroczyć 5%. 3. Biwalentny, alternatywny sposób pracy Za pokrycie zapotrzebowania na ciepło w budynku odpowiada: pompa ciepła oraz dodatkowe źródło ciepła z innym nośnikiem energii. W danym układzie pompa ciepła pracuje do temperatury biwalentnej (szczegółowo omawianej w artykule – podlinkować). Poniżej danej temperatury za dostarczanie ciepła odpowiada drugie źródło w postaci np. kotła gazowego lub olejowego. 4. Biwalentny, równoległy sposób pracy Za pokrycie zapotrzebowania na ciepło w budynku odpowiada: pompa ciepła oraz dodatkowe źródło ciepła z innym nośnikiem energii. Przy czym: od pewnej określonej temperatury zewnętrznej do pompy ciepła dołączana jest druga wytwornica – urządzenia pracują wspólnie na cele grzewcze. Druga wytwornica ciepła uzupełnia pracę pompy ciepła przy najniższych temperaturach zewnętrznych, przy których występuje deficyt energii cieplnej.

Pompa ciepła z możliwością chłodzenia

Istnieje możliwość odwrócenia kierunku obiegu pompy ciepła, aby wykorzystać to samo urządzenie na cele chłodzenia pomieszczeń. Odwrócony cykl oznacza, iż budynek jest źródłem ciepła, a powietrze zewnętrzne dane ciepło przejmuje.

Odbiór nadmiaru ciepła z budynku może się odbywać za pomocą:
• chłodzenia poprzez system ogrzewania podłogowego, przy czym w tym systemie uzyskana wydajność chłodnicza sięga 25 W/m2, co odpowiada średnio 25-50% całego obciążenia chłodniczego
• Chłodzenie za pomocą konwektorów wentylatorowych (klimakonwektorów)
• Chłodzenie powietrzne z wykorzystaniem chłodnicy zamontowanej w centrali wentylacyjnej, gdzie osiągana wydajność chłodnicza to około 5 W/1 m3/h.

Podobnie jak w przypadku klimatyzacji: wykorzystanie pompy ciepła na cele chłodzenia budynku mieszkalnego wymaga odpowiedniego projektu, uwzględniającego obliczenia obciążenia chłodniczego oraz uwzględnienia warunków punktu rosy.

Na obciążenie chłodnicze wpływają czynniki:
• zewnętrzne – promieniowanie słoneczne, przenikanie ciepła przez przegrody
• wewnętrzne – liczba osób, oświetlenie, urządzenia elektryczne
• zakłócające – napływ powietrza zewnętrznego. Punkt rosy jest kluczowy dla instalacji pod względem wykroplenia wilgoci znajdującej się w budynku.

Jeśli temperatura w instalacji jest niższa niż temperatura punktu rosy powietrza w pomieszczeniu to na powierzchni instalacji dochodzi do kondensacji pary wodnej (zbierają się skropliny). -20°C na zewnątrz: skąd pompa ciepła pobiera energię do ogrzewania? Upraszczając zasadę działania pompy ciepła otrzymujemy następujący wniosek: pompa ciepła „ogrzewa” budynek dzięki sprężonej parze czynnika chłodniczego. Para to efekt wrzenia. Czynniki chłodnicze cechuje wrzenie przy bardzo niskich temperaturach powierza zewnętrznego, sięgających nawet -50°C. W związku z tym przy -20°C tym bardziej zachodzi proces wrzenia i zamiany stanu skupienia czynnika na parę, która po sprężeniu „oddaje” ciepło na cele instalacji C.O. oraz C.W.U. Jednocześnie należy pamiętać o tym, iż ilość ciepła, jaką powietrzna pompa ciepła przetransportuje jest zmienna i zależna od temperatury powietrza na zewnątrz.