pompa ciepła

Pompa ciepła – urządzenie grzewcze przenoszące ciepło z ośrodka o temperaturze niższej, czyli dolnego źródła ciepła (powietrza, wody, gruntu) do ośrodka o temperaturze wyższej, czyli górnego źródła ciepła (instalacji grzewczej) wbrew naturalnemu kierunkowi jego przepływu dzięki wykorzystaniu energii napływającej z zewnątrz, np. energii mechanicznej (sprężarkowe pompy ciepła) bądź energii cieplnej (absorpcyjne pompy ciepła). Pompy ciepła działają na zasadzie odwróconego obiegu chłodniczego polegającego na krążeniu czynnika chłodniczego (chłodziwa) pomiędzy poszczególnymi elementami urządzenia – wymiennikami ciepła (parownikiem i skraplaczem), sprężarką i zaworem rozprężnym (dławiącym). Pompy ciepła, w zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła, zróżnicowane są na pompy gruntowe, pompy wodne i pompy powietrzne. Urządzenia te stosowane są głównie w celu ogrzewania pomieszczeń użytkowych lub mieszkalnych bądź przygotowywania ciepłej wody użytkowej; niektóre pompy ciepła posiadają również funkcję chłodzenia (klimatyzacji) pomieszczeń.

Funkcje pompy ciepła

Pompa ciepła (ang. heat pump) jest urządzeniem grzewczym umożliwiającym utrzymywanie optymalnych warunków klimatycznych (głównie temperaturowych) wewnątrz pomieszczeń mieszkalnych i użytkowych w celu zapewnienia komfortu cieplnego korzystających z nich osób bądź uzyskania odpowiednich parametrów temperatury powietrza niezbędnych dla określonych procesów technologicznych i przemysłowych. Główna funkcja urządzenia polega na przenoszeniu ciepła z ośrodka o temperaturze niższej (dolnego źródła ciepła) do ośrodka o temperaturze wyższej (górnego źródła ciepła), czyli wbrew jego naturalnemu przepływowi, przy udziale energii dostarczonej z zewnątrz (np. energii mechanicznej, energii cieplnej).

Funkcje pompy ciepła obejmują:

• ogrzewanie powietrza – podwyższenie temperatury powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych i użytkowych w celu zwiększenia komfortu cieplnego korzystających z nich osób (np. przy niskich temperaturach panujących w okresie zimowym); pompy ciepła stanowiące główne lub uzupełniające źródło ogrzewania;
• przygotowanie ciepłej wody użytkowej (CWU) – podgrzewanie wody wodociągowej do temperatury 55-60°C w celu uzyskania ciepłej wody wykorzystywanej do celów higieniczno-sanitarnych w gospodarstwach domowych lub budynkach użyteczności publicznej (pensjonatach, hotelach); pompy ciepłej wody użytkowej (pompy CWU);
• chłodzenie powietrza – obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych i użytkowych w celu zwiększenia komfortu cieplnego korzystających z nich osób (np. przy wysokich temperaturach panujących w okresie letnim); pompy ciepła wyposażone w dodatkową funkcję chłodzenia (klimatyzacji).

Pompy ciepła stanowią jedne z najbardziej energooszczędnych i ekologicznych urządzeń grzewczych. Pompy ciepła przekazują do instalacji grzewczej większość ciepła pozyskanego z odnawialnych źródeł energii (OZE), czyli gruntu (energii geotermalnej), powietrza (energii aerotermalnej) i wody (energii hydrotermalnej). Stosowanie pompy ciepła do ogrzewania budynków lub podgrzewania wody użytkowej nie powoduje emisji żadnych zanieczyszczeń (np. gazów cieplarnianych, pyłówśrodowiska niż konwencjonalne urządzenia grzewcze zasilane paliwami kopalnymi (np. kotły centralnego ogrzewania). Ich zaletą są również niskie koszty eksploatacji i wysoka wygoda użytkowania.

Budowa pompy ciepła. (Źródło: Shutterstock)

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła przenosi ciepło pozyskane z dolnego źródła ciepła (powietrza, wody, gruntu) do górnego źródła ciepła (instalacji grzewczej) w celu podwyższenia temperatury powietrza w pomieszczeniach budynków lub przygotowania ciepłej wody użytkowej. Proces ogrzewania w pompach ciepła opiera się na zasadzie odwróconego obiegu chłodniczego polegającego na krążeniu czynnika chłodniczego, tzw. chłodziwa (np. czynnika R32 – difluorometanu CH₂F₂, czynnika R410a – mieszaniny difluorometanu CH₂F₂ i pentafluoroetanu CF₃CHF₂), pomiędzy poszczególnymi elementami tego urządzenia – dwoma wymiennikami ciepła (parownikiem, skraplaczem), sprężarką (kompresorem) oraz zaworem rozprężnym (zaworem dławiącym).

Odwrócony obieg chłodniczy stanowiący podstawę działania pompy ciepła obejmuje cztery główne procesy termodynamiczne zachodzące w wyniku pobierania i oddawania ciepła przez krążący w tym obiegu czynnik chłodniczy:

• proces parowania – przemiana zachodząca w parowniku (czyli dolnym źródle ciepła); polega na parowaniu zimnego i rozprężonego czynnika chłodniczego w stanie cieczy wraz z pobieraniem ciepła z otoczenia (np. powietrza, wody, gruntu), co prowadzi do powstania lotnych par czynnika chłodniczego kierowanych do sprężarki;
• proces sprężania – przemiana zachodząca w sprężarce zasilanej energią elektryczną; polega na sprężaniu (podgrzewaniu) lotnych par czynnika chłodniczego, co prowadzi do zmniejszenia objętości właściwej oraz zwiększenia jego ciśnienia i temperatury; powstałe gorące i sprężone pary czynnika chłodniczego kierowane są do skraplacza;
• proces skraplania – przemiana zachodząca w skraplaczu (czyli górnym źródle energii); polega na chłodzeniu sprężonych i gorących par czynnika chłodniczego z oddawaniem energii cieplnej do instalacji grzewczej, co prowadzi do ich skraplania się i powstania przechłodzonej cieczy pod wysokim ciśnieniem kierowanej do zaworu rozprężnego;
• proces rozprężania – przemiana zachodząca w zaworze rozprężnym (dławiącym); polega na rozprężaniu przechłodzonego i sprężonego czynnika chłodniczego w stanie ciekłym, co prowadzi do spadku jego temperatury poniżej temperatury otoczenia; zimna i rozprężona ciecz trafia następnie do parownika i cykl rozpoczyna się od nowa.

Zasada działania powietrznej pompy ciepła. (Źródło: Shutterstock)

Niektóre pompy ciepła (np. pompy powietrzne) wykorzystuje się również jako urządzenia klimatyzacyjne (klimatyzatory) do ochładzania pomieszczeń mieszkalnych w gorącym okresie letnim. Pompy te działają na zasadzie obiegu chłodniczego; skraplacz pełni w nich funkcję parownika pobierając ciepło z pomieszczenia, zaś parownik pełni funkcję skraplacza oddając ciepło do otoczenia, przyczyniając się do spadku temperatury wewnątrz pomieszczenia.

Efektywność pompy ciepła określana jest z wykorzystaniem współczynnika wydajności COP (ang. coefficient of performance) definiowanego jako stosunek ilości ciepła dostarczanego przez pompę do górnego źródła ciepła (np. instalacji grzewczej) do ilości energii elektrycznej pobranej w tym celu przez pompę:

gdzie:

• E_s – energia cieplna oddana przez pompę ciepła w górnym źródle ciepła (skraplaczu);
• E_e – energia elektryczna dostarczona w sprężarce.

Maksymalny współczynnik wydajności pompy ciepła zależy od różnicy temperatury pomiędzy górnym i dolnym źródłem ciepła (skraplaczem i parownikiem) zgodnie z poniższą zależnością:

gdzie:

• T_s – temperatura w górnym źródle ciepła, czyli skraplaczu (np. temperatura wody w grzejniku);
• T_p – temperatura w dolnym źródle ciepła, czyli parowniku (np. temperatura gruntu, wody lub powietrza).

Współczynnik wydajności pompy ciepła jest tym większy, im mniejszą wartość ma różnica temperatur między obiegiem górnego i dolnego źródła ciepła. Pompa ciepła w celu oddania ciepła do instalacji grzewczej potrzebuje dostarczenia mniejszej ilości energii elektrycznej.

Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła są urządzeniami grzewczymi wykazującymi zróżnicowanie pod względem sposobu pozyskiwania ciepła z otoczenia (dolnego źródła ciepła), przepływu pozyskanego ciepła do instalacji grzewczej w pomieszczeniach budynków (np. nawiewów, kaloryferów, ogrzewania podłogowego) bądź rodzaju energii dostarczonej z zewnątrz, która niezbędna jest do przeniesienia ciepła pomiędzy ośrodkiem o niższej temperaturze (dolnym źródłem ciepła) i ośrodkiem o wyższej temperaturze (górnym źródłem ciepła). Podstawowy podział tych urządzeń grzewczych oparty jest jednak głównie na rodzaju dolnego źródła ciepła.

Pompy ciepła, w zależności od rodzaju energii wykorzystywanej do zasilania tych urządzeń grzewczych, zróżnicowane są na:

• sprężarkowe pompy ciepła – podstawą ich działania jest energia mechaniczna wytwarzana przez silnik elektryczny (sprężarkowe elektryczne pompy ciepła) lub silnik spalinowy (sprężarkowe spalinowe pompy ciepła);
• absorpcyjne pompy ciepła – podstawą ich działania jest energia cieplna (termiczna) wytwarzana w wyniku spalania gazowych paliw kopalnych (np. gazu ziemnego lub gazu płynnego, LPG).

Pompy ciepła, w zależności od sposobu przepływu ciepła do instalacji grzewczej budynków, zróżnicowane są na:

• pompy ciepła monoblok (tzw. jednoobiegowe pompy ciepła) – urządzenia grzewcze przeznaczone do montażu na zewnątrz budynku, zawierające parownik, sprężarkę, skraplacz i zawór rozprężny zamknięte w pojedynczej obudowie;
• pompy ciepła typu split (tzw. dwuobiegowe pompy ciepła) – urządzenia grzewcze składające się z jednostki zewnętrznej (zawierającej parownik, sprężarkę i zawór rozprężny) i jednostki wewnętrznej (zawierajacej skraplacz).
• Pompy ciepła, w zależności od sposobu pozyskiwania energii cieplnej z otoczenia (rodzaju dolnego źródła ciepła), zróżnicowane są na:
• powietrzne pompy ciepła (ASHP, ang. air source heat pump) – źródłem ciepła jest energia aerotermalna skumulowana w powietrzu, która następnie transportowana jest do wnętrza pomieszczenia (pompy ciepła powietrze-powietrze) bądź do instalacji grzewczej lub zbiornika ciepłej wody użytkowej (pompy ciepła powietrze-woda);
• gruntowe pompy ciepła (GSHP, ang. ground source heat pump) – źródłem ciepła jest energia geotermalna skumulowana w gruncie lub skałach, która transportowana jest do wnętrza pomieszczenia (gruntowo-powietrzne pompy ciepła) bądź do instalacji grzewczej lub zbiornika ciepłej wody użytkowej (gruntowo-wodne pompy ciepła);
• wodne pompy ciepła (WSHP, ang. water source heat pump) – źródłem ciepła jest energia hydrotermalna skumulowana w wodach podziemnych i powierzchniowych, która transportowana jest do instalacji grzewczej (np. ogrzewania podłogowego); zależnie od źródła zasilania wyróżnia się pompy elektryczne, olejowe i gazowe.

Gruntowa pompa ciepła cechuje się dużą wydajnością i wysokimi kosztami montażu ze względu na konieczność instalacji pionowych lub poziomych wymienników ciepła. (Źródło: Shutterstock)

Powszechnie stosowanymi rodzajami pomp ciepła są powietrzne pompy ciepła i gruntowe pompy ciepła. Pompy powietrzne charakteryzują się dużą wydajnością oraz prostotą i niskimi kosztami montażu. Pompy gruntowe są pompami o wysokiej wydajności; ich montaż jest jednak kosztowny z powodu konieczności instalacji pionowych lub poziomych wymienników ciepła. Pompy wodne, pomimo wysokiej wydajności, są rzadko stosowane ze względu na dostęp do wód gruntowych lub powierzchniowych oraz wysokie koszty montażu. Częstym rozwiązaniem są pompy hybrydowe (np. połączenie powietrznej pompy ciepła z gruntową pompą ciepła) o wysokiej wydajności; oraz łączenie pomp ciepła z niskotemperaturowymi systemami grzewczymi (np. ogrzewaniem podłogowym, panelami fotowoltaicznymi).

Zastosowania pomp ciepła

Pompy ciepła dostarczają energię cieplną do instalacji grzewczej, głównie do ogrzewania płaszczyznowego (np. ogrzewania podłogowego, sufitowego, ściennego) bądź do instalacji centralnego ogrzewania (np. grzejników), dzięki czemu ogrzewają wnętrze pomieszczeń w budynkach mieszkalnych (np. domach jednorodzinnych, bloków mieszkalnych) i użytkowych (np. zakładów pracy, magazynów, hal produkcyjnych). Urządzenia te wykorzystywane są także do przygotowywania ciepłej wody użytkowej w celach higieniczno-sanitarnych (mycia, sprzątania, gotowania, prania) bądź napełniania basenów w ogrodach przydomowych lub publicznych pływalniach. Niektóre rodzaje pomp ciepła (np. pompy powietrzne) posiadają funkcję chłodzenia (klimatyzacji) pomieszczeń w okresie letnim. Pompy ciepła są stosowane również w miejskich sieciach ciepłowniczych i ogrzewaniu przemysłowym (m.in. w przemyśle papierniczym, spożywczym i chemicznym), gdzie dolne źródło ciepła mogą stanowić ścieki, energia geotermalna ziemi, wody powierzchniowe (np. wody rzeczne), gazy spalinowe lub przemysłowe ciepło odpadowe. Pompy ciepła umożliwiają również uzyskanie odpowiednich parametrów temperatury dla określonych procesów technologicznych lub przemysłowych.

Pompa ciepła połączona z panelami fotowoltaicznymi stanowi energooszczędny i ekologiczny system ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i użytkowych. (Źródło: Shutterstock)