Jak działa pompa ciepła? Poznaj zasady działania instalacji

Pompa ciepła nie bez powodu staje się coraz popularniejsza wśród osób zainteresowanych wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii w swoich nieruchomościach. Zapoznając się z wciąż nową technologią w ogrzewnictwie, warto w pierwszej kolejności dowiedzieć się, jak działa pompa ciepła. Podstawowe zasady działania instalacji nie są skomplikowane, dlatego warto je poznać. Wiedza na temat pomp ciepła może być przydatna również dlatego, że ten typ instalacji OZE będzie w kolejnych latach znaczył coraz więcej. Wzrost cen prądu, gazu i pozostałych konwencjonalnych źródeł energii będzie oznaczał wzrost znaczenia pomp ciepła na rynku odnawialnych źródeł energii. Zainteresowanie pompami ciepła może wzrosnąć również z powodu pojawiających się dotacji.

Jak działa pompa ciepłarodzaje pomp ciepła

Podstawowe trzy rodzaje pomp ciepła dzielą się ze względu na źródło pobierania energii. Wyróżniamy powietrzne, gruntowe i wodne pompy ciepła. 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.

Wprowadzając się w tematykę pomp ciepła warto rozpocząć budowanie swojej wiedzy od podstaw. W naszym artykule blogowym wyjaśniamy co to jest pompa ciepła.

Formy pobierania energii – dolne źródło

Jedyną wyraźną różnicą pomiędzy poszczególnymi typami pomp ciepła jest źródło pobierania energii. Najpopularniejsze powietrzne pompy ciepła wykorzystują powietrze zewnętrzne. W przypadku instalacji tego typu, powietrze pobierane jest przez specjalny wentylator, który przekazuje powietrze z otoczenia bezpośrednio do parownika pompy.

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.

Gruntowa pompa ciepła wykorzystuje energię 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.

Górne źródło pompy ciepła

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 – jak działa? Podstawowe zasady funkcjonowania instalacji

Działanie pompy ciepła opiera się na energii pobranej ze środowiska naturalnego – powietrza, wody lub gruntu. Energia ta przekazywana jest wprost do instalacji grzewczej, która zapewnia ciepło w naszym budynku. Jak funkcjonuje mechanizm pobierania energii, który posiada pompa ciepła? Działanie instalacji nie jest wysoce skomplikowane.

Zasada działania pompy ciepła

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. Postać gazowa czynnika przekazywana jest 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. Dzięki sprężarce, ciepło, które pozyskiwane jest ze środowiska jest jedynie ułamkiem 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.

Jak działa pompa ciepła? Poznaj zasady działania instalacji
Powietrzna pompa ciepła – umiejscowienie jednostek zewnętrznych

Pompa ciepła do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń

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.

Pompa ciepła – jak działa chłodzenie w instalacji?

Rewersyjna pompa ciepła umożliwia wyprowadzenie ciepła z instalacji ogrzewania, która oddaje ciepło pozyskane z budynku. 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 potrzebna jest 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.

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, by nie dobrać pompy o zbyt wysokiej mocy grzewczej. Pompa ciepła o mocy grzewczej przekraczającej zapotrzebowanie budynku będzie osiągała gorszą sprawność.

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.

Współczynnik COP – podstawowa miara wydajności pompy ciepła

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 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.

Dla przykładu, 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: https://heatergo.pl/blog/ile-kosztuje-pompa-ciepla/

Koszty eksploatacyjne pompy ciepła

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, gdy budynek, który będzie ogrzewać, będzie posiadał odpowiednią klasę energetyczną. Im lepsza klasa energetyczna budynku, tym wyższa będzie efektywność pompy ciepła. Chociaż pompa ciepła najlepiej sprawdza się w nowoczesnych budynkach, gdzie najczęściej występuje ogrzewanie podłogowe, może funkcjonować w budynkach starszych, których pomieszczenia ogrzewane są grzejnikami. Urządzenie może być jedynym źródłem ciepła, które zapewni odpowiednie ogrzewanie w budynku.

Pompa ciepła – dlaczego warto?

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.

Warto zdecydować się na instalację pompy ciepła, zamiast nadal zajmować się przetwarzaniem tradycyjnych paliw. Pompy ciepła typu powietrznego, gruntowego jak i wodnego stają się coraz popularniejsze, ponieważ pozyskują czystą energię odnawialną, której wartość w ostatnich latach dynamicznie rośnie, szczególnie w kontekście ogrzewania i produkcji prądu. Mamy nadzieję, że udało nam się wyjaśnić jak działa pompa ciepła.

Pompa ciepła może w efektywny sposób uzupełniać się z instalacją fotowoltaiczną. Sprawdź dlaczego: Pompa ciepła i fotowoltaika

Przeczytaj również

Jaka moc pompy ciepła do domu 120m2? Moc pompy ciepła a metraż

Pytanie, jaka moc pompy ciepła do domu 120m2, 150m2 lub 200m2 będzie odpowiednia zadaje sobie wiel(...)

Pompa ciepła w starym domu – czy może być efektywna?

Pompa ciepła w starym domu często może być kojarzona jako nieefektywne źródło ciepła, z uwag(...)

Żywotność pompy ciepła – ile lat działa pompa ciepła?

Żywotność pompy ciepła to jeden z kluczowych tematów dla osób, które stawiają na odnawialne (...)

Dopasuj swój idealny system ogrzewania domu