Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi energię cieplną z powietrza, gruntu lub wody do instalacji ogrzewającej budynek. Nie wytwarza ciepła przez spalanie paliwa. Energia elektryczna zasila przede wszystkim sprężarkę, która umożliwia podniesienie temperatury czynnika roboczego.
Czym jest pompa ciepła?
Pompa ciepła działa inaczej niż kocioł gazowy, olejowy czy na paliwo stałe. Kocioł wytwarza ciepło podczas spalania paliwa, natomiast pompa ciepła odbiera energię z otoczenia i przekazuje ją do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Źródłem energii może być powietrze zewnętrzne, grunt albo woda. Nawet chłodne otoczenie zawiera energię cieplną, którą można wykorzystać. Pompa potrzebuje do pracy prądu, lecz nie zamienia go bezpośrednio w całość dostarczanego ciepła. Energia elektryczna napędza głównie sprężarkę, a pozostała część energii cieplnej pochodzi z dolnego źródła.
Zasada działania przypomina pracę lodówki, ale przebiega w odwrotnym kierunku. Lodówka odbiera ciepło z wnętrza i oddaje je do pomieszczenia. Pompa ciepła pobiera energię z otoczenia i przekazuje ją do budynku.
Jak działa pompa ciepła?
Przenoszenie energii odbywa się w zamkniętym obiegu czynnika roboczego. Czynnik ten może zmieniać stan skupienia przy niskiej temperaturze, dzięki czemu odbiera ciepło ze źródła o niższej temperaturze, a następnie przekazuje je do instalacji grzewczej.
Obieg termodynamiczny składa się z czterech podstawowych etapów:
- Parowanie – czynnik roboczy przepływa przez parownik i odbiera energię z powietrza, gruntu lub wody. Pod wpływem tego ciepła odparowuje.
- Sprężanie – gazowy czynnik trafia do sprężarki. Jej napęd elektryczny zwiększa ciśnienie czynnika, a wraz z nim jego temperaturę.
- Skraplanie – gorący czynnik przepływa przez skraplacz i oddaje ciepło do górnego źródła, czyli instalacji ogrzewającej budynek. W tym procesie skrapla się i wraca do stanu ciekłego.
- Rozprężanie – zawór rozprężny obniża ciśnienie oraz temperaturę czynnika. Schłodzony czynnik wraca do parownika, a cykl zaczyna się od początku.
Sprężarka jest elementem, który zużywa najwięcej energii elektrycznej. Im większa różnica między temperaturą dolnego źródła a temperaturą wymaganą przez instalację grzewczą, tym trudniejsze zadanie ma sprężarka. Z tego powodu pompy ciepła zwykle najlepiej współpracują z ogrzewaniem niskotemperaturowym, na przykład podłogowym, choć mogą zasilać także instalacje grzejnikowe, jeśli zostały właściwie dobrane.
Pompa ciepła nie tworzy ciepła z samego prądu. Wykorzystuje energię elektryczną do napędzania obiegu, który przenosi ciepło z otoczenia do budynku.
Z czego składa się system pompy ciepła?
W urządzeniu pracuje czynnik roboczy, który krąży w obiegu zamkniętym. Cały system obejmuje wymienniki, elementy regulacyjne oraz instalację odbierającą i przekazującą ciepło. Najważniejsze elementy to:
- Parownik – odbiera energię z dolnego źródła i przekazuje ją czynnikowi roboczemu.
- Sprężarka – podnosi ciśnienie oraz temperaturę czynnika, wykorzystując energię elektryczną.
- Skraplacz – przekazuje ciepło do instalacji grzewczej budynku.
- Zawór rozprężny – obniża ciśnienie i temperaturę czynnika przed jego powrotem do parownika.
Dolne źródło oznacza miejsce, z którego pompa pobiera energię. Może nim być powietrze, grunt albo woda. Nazwa jest funkcjonalna, a nie związana z położeniem. Powietrze zewnętrzne również jest dolnym źródłem, mimo że nie znajduje się pod budynkiem.
Górne źródło to instalacja, do której trafia odebrane ciepło. Może obejmować ogrzewanie podłogowe, grzejniki, instalację ścienną lub zasobnik ciepłej wody użytkowej.
Jakie są rodzaje pomp ciepła?
Podstawowy podział wynika z rodzaju dolnego źródła. Poszczególne rozwiązania różnią się wymaganiami montażowymi i stabilnością pracy.
| Typ pompy | Dolne źródło | Złożoność instalacji | Stabilność wydajności |
|---|---|---|---|
| Powietrzna | Powietrze zewnętrzne | Niska lub umiarkowana, bez odwiertów i kolektorów gruntowych | Zmienna, zależna od temperatury zewnętrznej |
| Gruntowa | Grunt, przez kolektor poziomy lub sondy pionowe | Wysoka, wymaga wykonania wymiennika gruntowego | Wysoka, ponieważ temperatura gruntu jest bardziej stabilna |
| Wodna | Woda gruntowa lub powierzchniowa | Wysoka, często wymaga studni lub dostępu do zbiornika | Wysoka, zależna od warunków wodnych i możliwości poboru wody |
Powietrzna pompa ciepła jest zwykle najprostsza w montażu, ponieważ nie wymaga wykonywania odwiertów ani układania kolektora w gruncie. Jej wydajność zmienia się jednak wraz z temperaturą powietrza. Przy silnym mrozie urządzenie może potrzebować więcej energii elektrycznej, aby dostarczyć ciepło o wymaganej temperaturze.
Gruntowa pompa ciepła korzysta z kolektora poziomego albo sond pionowych. Kolektor wymaga większej powierzchni działki, natomiast sondy zajmują mniej miejsca, ale wiążą się z wykonaniem odwiertów. Stabilna temperatura gruntu sprzyja bardziej równomiernej pracy w ciągu roku.
Wodna pompa ciepła może osiągać wysoką efektywność, lecz jej zastosowanie zależy od warunków na działce, dostępu do odpowiedniego źródła wody oraz możliwości wykonania wymaganej instalacji. Z tego powodu stosuje się ją rzadziej niż pompy powietrzne i gruntowe.
Co oznacza współczynnik COP?
COP, czyli współczynnik wydajności, pokazuje, ile energii cieplnej pompa dostarcza w stosunku do zużytej energii elektrycznej. Przykładowo COP równy 4 oznacza, że przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej urządzenie dostarcza 4 kWh ciepła w określonych warunkach pomiarowych.
Wartość COP nie jest stała. Zależy między innymi od temperatury dolnego źródła, temperatury zasilania instalacji oraz aktualnego obciążenia urządzenia. Im mniejsza różnica między tymi temperaturami, tym łatwiej pompie przekazywać ciepło.
Niektóre pompy mogą także pracować w trybie chłodzenia. Wtedy kierunek przepływu energii zostaje odwrócony i ciepło jest odbierane z budynku. Możliwość wykorzystania tej funkcji zależy od konstrukcji urządzenia oraz instalacji wewnętrznej.
Pompa ciepła jest więc elektrycznym urządzeniem grzewczym, które wykorzystuje energię otoczenia zamiast spalania paliwa. Jej działanie opiera się na czterech etapach obiegu termodynamicznego, a efektywność można oceniać między innymi za pomocą współczynnika COP. Połączenie z instalacją fotowoltaiczną może zwiększyć wykorzystanie własnej energii elektrycznej, choć sposób pracy całego systemu zależy od projektu budynku, instalacji i warunków eksploatacji.
