Jak działa pompa ciepła?

Jeżeli interesuje Cię pompa ciepła, jak działa i jak wybrać odpowiednią dla swojego domu – w tym artykule rozjaśnimy wszystkie te zagadnienia. Przedstawimy również korzyści z zastosowania tego rozwiązania w Twoim domu!

Co to jest pompa ciepła?

Pompa ciepła to urządzenie, którego zadanie polega na „pobieraniu” ciepła ze źródła dolnego (powietrze, grunt lub wody gruntowej) do źródła górnego (obiekt budowlany). Co ciekawe – temperatura dolnego źródła może być znacznie niższa niż źródła górnego. Właśnie z tego powodu powietrzne pompy ciepła mogą wciąż pobierać ciepło z powietrza o temperaturze sięgającej nawet -15 °C i wykorzystywać je do ogrzewania wody w budynku.

Głównym powodem przemawiającym za opłacalnością inwestycji w pompę ciepła jest oczywiście oszczędzanie na rachunkach za ogrzewanie wody w centralnym ogrzewaniu (c.o.) i wody użytkowej (c.w.u.). W porównaniu z ogrzewaniem gazowym, koszty mogą być nawet trzykrotnie mniejsze – a warto przecież mieć na uwadze stale rosnące ceny tego paliwa. Warto oczywiście wspomnieć o względach ekologicznych – dzięki pompom ciepła przyczyniamy się do ograniczania negatywnych zmian klimatycznych.

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła wykorzystuje ogólnodostępne i niemalże nieograniczone źródło energii cieplnej, jakimi są: powietrze, wody gruntowe lub sam grunt. W przeciwieństwie do tradycyjnych i ograniczonych źródeł energii, nie następuje proces spalania, a jedynie przekazywanie ciepła z jednego obszaru do innego. Wymagana jest zatem niewielka ilość energii elektrycznej, która służy do uruchomienia poszczególnych elementów instalacji m.in. sprężarki.

Działanie pompy ciepła jest w zasadzie identyczne ze sposobem, w jaki chłodzona jest lodówka. Różnica polega jedynie na tym, że w przypadku tego urządzenia AGD energia cieplna jest “wydalana” z wewnętrznej części lodówki na zewnątrz. W przypadku pompy ciepła w trybie grzania, energia pobierana jest natomiast z zewnętrznego źródła i przekazywana do środka w celu ogrzania wody z centralnym ogrzewaniu lub w zasobniku wody użytkowej. 

Każdą instalację z pompą ciepła można zasadniczo podzielić na trzy części - dolne źródło ciepła, pompę ciepła i systemy odbierające ciepło.

Jak pompa ciepła pobiera energię z otoczenia?

W celu poboru energii grzewczej z otoczenia w różnych pompach stosuje się odmienne rozwiązania. W przypadku pompy ciepła powietrza jest to wentylator, a pompy gruntowej - kolektory pionowe lub poziome. Czynnikiem roboczym (czyli substancją, dzięki której istnieje możliwość “transportowania ciepła” do domu) jest najczęściej roztwór glikolu, który nie ulega zamarznięciu przy ujemnych temperaturach. W tej części układu czynnik grzewczy ma formę gazową.

W jaki sposób pompa ciepła następnie przetwarza energię?

Czynnik roboczy (mieszanina cieczy i gazu) trafia następnie do parownika, w którym następuje proces przekazania energii z dolnego źródła do pompy ciepła. W kolejnym kroku, kolejny czynnik już w postaci pary trafia do sprężarki, gdzie następuje gwałtowny wzrost ciśnienia i temperatury. Sprężony gaz przekazywany jest do skraplacza, w którym następuje transport energii do źródła górnego. Następnie czynnik powraca przez zawór rozprężny (zmniejszający ciśnienie), gdzie zmienia swój stan skupienia w ciekły.

Jak pozyskane ciepło z odnawialnych źródeł ogrzewa budynek i wodę?

Za “dysponowanie” ciepłem w budynku odpowiada instalacja grzewcza np. ogrzewanie podłogowe, w którym czynnikiem roboczym jest woda. Pompy ciepła są najczęściej montowane z dedykowanym zasobnikiem, którego zadaniem jest magazynowanie ciepłej wody użytkowej. 

Różnice pomiędzy działaniem różnych rodzajów pomp ciepła

Ze względu na charakterystykę dolnego źródła, pompy ciepła różnią się od siebie budową, wydajnością w różnych okresach roku, jak również koniecznością wykonania zróżnicowanych prac montażowych, budowlanych lub ziemnych.

Występuje również duża rozpiętość cen pomp ciepła, jak również poziom późniejszych oszczędności uzyskiwanych za sprawą jej pracy. Decyzja o konkretnym modelu czy rozwiązaniu, powinna być zatem oparta o fachową wiedzę – warto zatem współpracować w zakresie instalacji pompy ciepła wyłącznie ze sprawdzonymi firmami.

Jak działa pompa ciepła powietrze-woda?

Kolejnym rodzajem pompy ciepła jest ta, wykorzystująca energię „zmagazynowaną” w powietrzu. Do największych zalet tego rodzaju układów należy przede wszystkim bardzo łatwy montaż. Nie wymagane są żadne prace ziemne. Ma to zatem mocne przełożenie na niższą cenę pompy ciepła powietrze-woda w porównaniu z gruntowymi. 

Musimy jednak liczyć się z mniejszą wydajnością w trakcie bardzo niskich temperatur – choć najlepsze modele zachowują swoją sprawność nawet przy -15 °C. Dzięki zastosowaniu dodatkowych grzałek możliwe jest również ogrzewanie przy temperaturze -25°C, jednakże wydajność COP pompy w takich warunkach znajduje się w okolicach 1, co sprawia, że działa praktycznie tak samo jak ogrzewanie elektryczne.

Z tego powodu pompy ciepła powietrze-woda są najlepszym rozwiązaniem, gdy za oknem temperatura wynosi powyżej 10°C. Jeżeli szukasz bardziej “wydajnego” źródła energii zimą - dowiesz się o nim w kolejnym akapicie.

Jak działa pompa ciepła gruntowa?

Mało kto wie, że już na głębokości 1-1.5 metra grunt osiąga temperaturę, która pozwala na wydajną pracę gruntowej pompy ciepła. Jednym z najważniejszych elementów tego rodzaju pompy są gruntowe kolektory, które mogą występować w wersji pionowej, jak również poziomej. To za sprawą krążącego w nich czynnika „pobierane” jest ciepło, które następnie jest przekazywane do budynku.

Kolektory poziome są z reguły znacznie łatwiejsze w montażu, co wpływa na zmniejszenie kosztu inwestycji. Wymagany jest jednak duży obszar. Kolektory pionowe umieszczone w głębokich odwiertach to z kolei droższe rozwiązanie, jednak zapewnia bardziej stabilny współczynnik COP (wydajności) (artykuł i linkowanie wewnętrzne) przez cały rok - są zatem skuteczniejsze zimą przy zestawieniu z pompami ciepła powietrznymi. Kolejną zaletą w ich przypadku jest oszczędność przestrzeni na działce.

Jak działa pompa ciepła woda/woda?

Rzadziej stosowanym rozwiązaniem jest pompa ciepła woda/woda, w której kolektory umieszczone są w wodach podziemnych. Trzeba jednak wiedzieć, że jest to dość kosztowna inwestycja i rzadko stosuje się takie pompy w Polsce, choć zapewniają wysoką wydajność.

W instalacji pompy ciepła woda/woda należy zastosować dodatkowy wymiennik ciepła, którego funkcją będzie przede wszystkim oczyszczanie wody podziemnej ze związków mineralnych – bez niego różne elementy instalacji mogłyby się po prostu zapychać. Niestety takie urządzenie to istotne straty energetyczne, choć mogą być one w pewnym stopniu zniwelowane przez bardzo dobrze zaprojektowany system i dobór odpowiednich urządzeń.

Jak działa pompa ciepła powietrze/powietrze?

Na rynku występują również modele, w których wymiana ciepła następuje między powietrzem, a powietrzem. Wspomnieliśmy już, że takie rozwiązanie działa niemalże jak klimatyzator – z tą różnicą, że nie reguluje wilgotności powietrza i nie posiada np. funkcji jonizacji. Z tego powodu nie jest to polecane rozwiązanie do skutecznego ogrzewania dużych domów. Najczęściej służy jako dodatkowe źródło energii cieplnej.  

Podsumowanie

Pompy ciepła należą do grupy urządzeń o raczej mało skomplikowanej budowie - a szczególnie te, które pozyskują energię grzewczą z powietrza. Ich zasada działania jest również dość prosta i wykorzystuje zjawisko znane już od dawna. Z tego powodu dla większości deweloperów budujących domy jednorodzinne w nowoczesny sposób, pompy ciepła stanowią już standard. Brak emisji CO2 to również bardzo istotna kwestia - dotyczy bowiem zarówno naszego zdrowia, jak i innych ludzi. Pompy ciepła to zatem rozwiązanie, które dosłownie oferuje same korzyści i poza koniecznością początkowej inwestycji (a przecież jest wiele programów z dotacjami) nie ma praktycznie żadnych wad.

Źródła:
Rubik Marian : Chłodnictwo i pompy ciepła. Wyd. II rozszerzone, 2021.
Strzyżewski Janusz : Pompy Ciepła. Wyd. I, 2017.