Spis treści
Pompa ciepła nie bez powodu staje się coraz popularniejsza wśród osób zainteresowanych wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii w swoich nieruchomościach. Podstawowe schematy funkcjonowania instalacji nie są skomplikowane, dlatego warto je poznać. Wiedza o tym, jakie są zasady działania pompy ciepła, może być przydatna również dlatego, że w obecnych czasach jej zastosowanie ma niebagatelne znaczenie na rynku OZE.
W naszym artykule przedstawiamy, jak działa pompa ciepła i wspomnimy, o podstawowych parametrach tego urządzenia – zachęcamy do przeczytania.
Pompa ciepła – zasada działania pompy ciepła a rodzaj instalacji
Podstawowe trzy rodzaje pomp ciepła dzielą się ze względu na źródło pobierania energii. Wyróżniamy powietrzne, gruntowe i wodne pompy ciepła. Pompy ciepła są efektywnymi urządzeniami do centralnego ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody, co czyni je wszechstronnymi zarówno w nowo budowanych, jak i starszych budynkach. Każda z nich pobiera energię z innego źródła. Pompy ciepła mogą służyć zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia pomieszczeń – w obu przypadkach kluczowe jest wykorzystanie dolnego źródła. Część instalacji odpowiedzialna za pobór energii określana jest jako dolne źródło pompy ciepła.
Warto budować swoją wiedzę na temat fotowoltaiki od podstaw. Zachęcamy więc do zapoznania się z naszym artykułem: Co to jest pompa ciepła.
Pompa ciepła – jak działa dolne źródło ciepła?
Jedyną wyraźną różnicą pomiędzy poszczególnymi typami pomp ciepła jest źródło pobierania energii. Działanie powietrznych pomp ciepła polega na wykorzystywaniu powietrza z zewnątrz. W przypadku instalacji tego typu, powietrze pobierane jest przez specjalny wentylator, który przekazuje powietrze z otoczenia bezpośrednio do parownika. Powietrzne pompy ciepła są efektywne nawet w umiarkowanie niskich temperaturach. Są one łatwe w instalacji i nadają się zarówno do nowych, jak i modernizowanych budynków.
W przypadku wodnej pompy ciepła, instalacja korzysta z energii hydrotermalnej zawartej w wodach podziemnych, powierzchniowych lub morskich. Najczęściej do tego typu instalacji wykorzystuje się wody gruntowe. Aby się do nich dostać należy wykonać pionowe odwierty na głębokość ok. 100 metrów w głąb ziemi. Wodna pompa ciepła wymaga utworzenia przynajmniej dwóch odwiertów, które będą służyły jako studnie – czerpna i zrzutowa.
Nasuwa się jeszcze pytanie, jak działa pompa ciepła gruntowa? Wykorzystuje onaenergię geotermalną, która zawarta jest w gruncie dookoła budynku. Jej wykonanie wymaga zainstalowania kolektora poziomego lub pionowego. W tym przypadku do pobierania energii służą poziome lub pionowe gruntowe wymienniki ciepła. Wymienniki poziomie rozmieszcza się na głębokości ok. 1,6 metra, natomiast wymienniki pionowe wymagają wykonania odwiertu o głębokości nawet do 130 metrów. Wykorzystanie energii geotermalnej jest wysoce efektywne, ponieważ grunt posiada stabilną i stosunkowo wysoką temperaturę niezależnie od pory roku.
Pompa ciepła – działanie instalacji a wybór górnego źródła
Rola źródła dolnego jest kluczowa dla działania każdej pompy ciepła. Ogrzewanie pompą ciepła możliwe jest dzięki przekazaniu ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego źródła, które odpowiada za ogrzewanie budynku. Najczęściej energia przekazywana jest do instalacji centralnego ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zastosowanie górnego źródła występuje w każdym budynku mieszkalnym – może być nim ogrzewanie podłogowe, często wykorzystywane w domach z pompą ciepła, ale również zwykła instalacja centralnego ogrzewania oparta na grzejnikach. W budynkach, które powstawały w oparciu o najnowsze standardy termiczne, zastosowanie pompy ciepła również ma swoje uzasadnienie i może działać na wysokiej wydajności.
Pompa ciepła – zasady działania systemu
Tak jak zostało już wcześniej wspomniane, działanie pompy ciepła opiera się na energii pobranej ze środowiska naturalnego – powietrza, wody lub gruntu. Jak funkcjonuje mechanizm pobierania energii, który posiada pompa ciepła? Jak się okazuje w praktyce, zasady działania pompy ciepła nie są wysoce skomplikowane.
Ciepło z otoczenia – powietrza, wody lub gruntu – ogrzewa ciekły czynnik chłodniczy w pompie ciepła. Czynnik roboczy przechwytuje ciepło z otoczenia, dzięki swojej niskiej temperaturze. Ogrzany czynnik chłodniczy w pompie ciepła paruje, a następnie w gazowej postaci przekazywany jest on do sprężarki, dzięki której, ciepło zostaje jeszcze bardziej podgrzane i skumulowane. Na tym etapie podgrzany gazowy czynnik chłodniczy pod wysokim ciśnieniem może oddać swoje ciepło do instalacji ogrzewania i zbiornika ciepłej wody użytkowej (źródła górnego).
Po oddaniu ciepła do instalacji ogrzewania czynnik chłodniczy zostaje ponownie skroplony, schłodzony i w formie ciekłej przeprowadzony przez zawór rozprężny. W ten sposób czynnik roboczy ulega dalszemu schłodzeniu i na nowo może pobierać ciepło z odnawialnych źródeł. Opisany cykl rozpoczyna się od początku. Dzięki pompie ciepła możemy wykorzystywać wielokrotność energii pobranej ze środowiska. Z kolei za sprawą sprężarki, ciepło, które pozyskiwane jest ze środowiska stanowi jedynie ułamek energii, która posłuży do ogrzewania domu i ciepłej wody użytkowej.
Najwyższe standardy zachowują pompy ciepła oferowane przez firmę Heatergo – zobacz pompy ciepła Mitsubishi i Panasonic.
Pompa ciepła – jak działa chłodzenie w instalacji?
Pompa ciepła może służyć nie tylko do ogrzewania pomieszczeń, a również do ich chłodzenia. Dolne źródło, które znajduje się w powietrzu, wodzie i gruncie może zarówno pobierać ciepło do ogrzewania, jak i odbierać je z budynku. Rewersyjna pompa ciepła jest dostępna na zamówienie – nie każdy model pozwala na odwrócenie obiegu w celu chłodzenia pomieszczeń.
Instalacja grzewcza z funkcją chłodzenia umożliwia wyprowadzenie ciepła z instalacji ogrzewania, która oddaje ciepło pozyskane z budynku. Jak działa pompa ciepła tego typu? W przypadku aktywnego chłodzenia, sprężarka tłoczy ciecz w przeciwnym kierunku, tak samo jak zawór rozprężny. W ten sposób zmienia się kierunek przepływu ciepła i czynnika chłodniczego. Podczas odbioru ciepła z instalacji ogrzewania, parownik i skraplacz zamieniają się rolami – parownik odbiera ciepło z instalacji ogrzewania, a skraplacz oddaje je do układu dolnego źródła.
Do chłodzenia budynku można stosować również pasywne chłodzenie, w którym nie pracuje sprężarka do pompy ciepła, a jedynie pompy obiegowe w obiegu budynku i w dolnym źródle ciepła. Pompa ciepła usuwa ciepło z budynku i odprowadza je do dolnego źródła – gruntu lub wody. Aktywne chłodzenie możliwe jest dla wszystkich rodzajów pomp ciepła, również pompy ciepła powietrze-woda.
Moc pompy ciepła – rola energii elektrycznej
Eksploatacja pompy ciepła wymaga niewielkiego zużycia energii. Energia ta potrzeba jest do utrzymania pracy systemu, ale nie jest potrzebna bezpośrednio do produkcji energii, która pozyskiwana jest z odnawialnych źródeł. Pompa ciepła dla każdego kW energii, który zużyje, jest w stanie wyprodukować kilka razy więcej energii do ogrzewania. Jak działa pompa ciepła w zależności od swojej mocy? Niżej omawiamy, na co należy zwrócić szczególną uwagę.
Moc grzewcza pompy ciepła (Pg)
Przy wyborze pompy ciepła istotny jest dobór odpowiedniej mocy grzewczej pompy. Powinna ona w pełni pokryć zapotrzebowanie na moc grzewczą, która różni się w zależności od typu zasilanego budynku. Należy pamiętać, że urządzenie o niewystarczającej mocy, nie będzie w stanie ogrzać budynku. Zbyt duża moc pompy ciepła, która będzie przekraczać zapotrzebowanie, spowoduje straty ekonomiczne z powodu zbyt dużego zużycia prądu.
Przy wyborze mocy grzewczej konieczne jest poznanie zapotrzebowania naszego budynku. Dla przykładu: jeżeli nasz budynek potrzebuje 9 kW mocy grzewczej, powinniśmy wybrać pompę ciepła o mocy nominalnej wynoszącej maksymalnie 9 kW. Wybierając pompę ciepła ważne jest, aby nie dobrać pompy o zbyt wysokiej mocy grzewczej. Zasady działania pomy ciepła, o mocy grzewczej przekraczającej zapotrzebowanie budynku, wcale nie zapewnią wyższej sprawności urządzenia, jak mogłoby się wydawać.
Moc elektryczna pompy ciepła (Pe)
Zapotrzebowanie pompy ciepła na prąd elektryczny określa się na poziomie ok. 25%. Pozostałe 75% zapotrzebowania pochodzi ze źródeł dolnych – powietrza, wody i gruntu. Prąd elektryczny wykorzystywany jest głównie przez sprężarkę, która jest głównym elementem pompy ciepła, odpowiadającym za kumulowanie energii cieplnej, która służy do podgrzewania wody użytkowej znajdującej się w instalacji grzewczej.
Warto zaznaczyć, że rzeczywiste zapotrzebowanie na energię elektryczną może się różnić w zależności od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura otoczenia czy rodzaj dolnego źródła. Należy również uwzględnić, że poza sprężarką, prąd elektryczny może być wykorzystywany przez inne elementy systemu, do których zalicza się np. układy sterujące, chociaż ich zapotrzebowanie na moc jest znacznie mniejsze w porównaniu do sprężarki.
Zasady działania pompy ciepła a współczynnik COP
Współczynnik COP (Coefficient of Performance) jest parametrem, który informuje, jaka jest wydajność pompy ciepła. Jest on stosunkiem pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła, a energią potrzebną do zasilenia jej układu.
Współczynnik COP, nazywany również współczynnikiem sprawności, informuje więc, jak działa pompa ciepła. Im większy współczynnik COP, tym uzyskanie określonej ilości ciepła z instalacji jest tańsze, ponieważ potrzebujemy mniejszego nakładu energii elektrycznej z sieci do zasilenia pompy.
Przykładowo jeżeli zapotrzebowanie energetyczne budynku wynosi 8 kW, na które składa się 6 kW energii pochodzącej z darmowego źródła i 2 kW energii pobranej z sieci to COP wynosi 4 ((2 kW+6 kW)/2). Współczynnik COP w wysokowydajnych pompach ciepła do grzania wody mieści się w przedziale 2,5-3,5. W powietrznych pompach ciepła stworzonych zarówno do grzania, jak i do chłodzenia COP wynosi od ok. 3 do 4,2. Z kolei wysoko wydajne gruntowe pompy ciepła mogą osiągać sprawność COP na poziomie 5.
Ile kosztuje ogrzewanie pompą ciepła?
Pompa ciepła nie należy do najtańszych sposobów ogrzewania pod kątem kosztów początkowych. Inwestycja w pompę ciepła wymaga dużego wkładu początkowego, ale potrafi relatywnie szybko się zwrócić. Wiele zależy od rozmiarów inwestycji, zasilanego budynku i rodzaju zastosowanych instalacji. Średni okres zwrotu określa się w przedziale 10-15 lat.
Najtańsze pompy ciepła powietrze-woda mogą kosztować ok. 12 tys. zł. Doliczając koszty montażu, całość może kosztować od 30 do 60 tys. zł. Droższa będzie pompa ciepła typu gruntowego i wodnego, która wymaga wykonania głębokich odwiertów podczas montażu.
Koszt pompy ciepła to temat, który rozwinęliśmy na blogu Heatergo – zachęcamy do zapoznania się z całym artykułem: Pompa ciepła – cena i eksploatacja urządzenia: ile kosztuje pompa ciepła?
Pompa ciepła – działanie instalacji a koszty jej eksploatacji
Ogrzewanie domu pompą ciepła może być tańsze od innych konwencjonalnych źródeł energii. Koszty eksploatacyjne pomp ciepła są niższe od kotłów gazowych, olejowych czy nawet ekogroszku. W dobie wzrostu cen konwencjonalnych źródeł energii jak np. gazu, postawienie na pompę ciepła jako głównego źródła ogrzewania może okazać się wysoce korzystnym rozwiązaniem.
Pompa ciepła będzie wydajniejsza, jeśli budynek, który ma ogrzewać, posiada odpowiednią klasę energetyczną. Im lepsza klasa energetyczna budynku, tym wyższa będzie efektywność pompy ciepła. Chociaż urządzenie grzewcze najlepiej sprawdza się w nowoczesnych budynkach, w których najczęściej występuje ogrzewanie podłogowe. Jednak ze względu na wysoce rozwinięte zasady działania pompy ciepła, instalacja może funkcjonować również w starszym budownictwie.
Zasady działania pompy ciepła i korzyści
Pokrycie zapotrzebowania na energię cieplną warto zacząć realizować według ekologicznych standardów. Pompa ciepła to rozwiązanie, które wchodzi na rynek, ale również dynamicznie się rozwija. W ramach programów dotacyjnych, możliwe jest ubieganie się o dofinansowanie do instalacji pompy ciepła, które zredukuje koszty początkowe związane z nową instalacją.
Wzrost cen prądu, gazu i pozostałych konwencjonalnych źródeł energii oznacza wzrost znaczenia urządzeń na rynku odnawialnych źródeł energii. Nic więc dziwnego, że pompy ciepła typu powietrznego, gruntowego jak i wodnego stają się coraz popularniejsze, ponieważ pozyskują czystą energię odnawialną, której wartość w ostatnich latach dynamicznie rośnie. Dlatego też warto zdecydować się na dopasowaną do swoich potrzeb instalację, zamiast nadal zajmować się przetwarzaniem tradycyjnych paliw.
Pompa ciepła może w efektywny sposób uzupełniać się z instalacją fotowoltaiczną. Sprawdź nasz artykuł na ten temat: Pompa ciepła i fotowoltaika.
Jak działa pompa ciepła? Podsumowanie
Pompa ciepła to zaawansowane urządzenie grzewcze, które wykorzystuje energię z otoczenia – powietrza, wody lub gruntu – do ogrzewania budynków i wody użytkowej. Jej funkcjonowanie opiera się na zasadzie obiegu termodynamicznego, w którym kluczową rolę odgrywa sprężarka, odpowiedzialna za kumulowanie i przekształcanie energii cieplnej. Same zasady działania pompy ciepła nie skomplikowane i bazują na tym samym mechanizmie niezależnie od typu instalacji.
Choć pompa ciepła zużywa energię elektryczną, głównie do zasilania sprężarki, to jej współczynnik wydajności (COP) sprawia, że dostarcza ona znacznie więcej energii cieplnej niż pobiera energii elektrycznej. Dzięki temu jest efektywnym i ekologicznym rozwiązaniem grzewczym, które pozwala na znaczne oszczędności w eksploatacji, przy jednoczesnym minimalizowaniu wpływu na środowisko.
