Jak działa pompa ciepła?

Niezależnie czy mowa o budynku mieszkalnym, biurowym czy przemysłowym, pompa ciepła jako wydajne i bardzo nowoczesne urządzenie grzewcze znajdzie zastosowanie w każdym z nich. Oznacza to, że poszczególne obiekty, choć różnią się nie tylko funkcją, ale i skalą, mogą korzystać z komfortu termicznego dzięki pompie ciepła. To innowacyjne urządzenie bazujące na energii odnawialnej znajdującej się w otoczeniu, czyli w powietrzu, wodzie czy ziemi. Czym właściwie jest pompa ciepła i jak to się dzieje, że prosty system rur, zaworów i wentylatorów generuje ciepło zdolne ogrzać praktycznie dowolny budynek?

Pompa ciepła – jak powstała?

Od około dekady można zaobserwować rosnącą popularność stosowania urządzeń grzewczych bazujących na odnawialnych źródłach energii. Jednym z nich jest pompa ciepła, która w sposób bardzo wydajny dostarcza ciepło zarówno dla domów jednorodzinnych, firm, jak i budynków użyteczności publicznej, np. szkół czy urzędów.

Sama koncepcja pompy ciepła została zaproponowana przez Nicolasa Léonarda Sadi Carnota (1796-1832). Był to francuski inżynier i termodynamik, który oficjalnie zaprezentował ją w 1824 r., publikując pracę „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance” (tłum. z fr.: „Refleksje na temat siły napędowej ognia i maszyn zdolnych rozwinąć tę moc”). Wówczas była to sensacja w świecie nauki techniki, ponieważ kreowanie „ciepła z niczego” zakrawało o magię, mimo osadzenia na ówczesnym stanie wiedzy technicznej.

Praktyczne zastosowanie wynalazku na większą skalę było możliwe dopiero w 1928 r. w Genewie, gdzie korzystając z podstaw teoretycznych Carnota, zaprezentowano pompę ciepła ogrzewającą ratusz miejski – urządzenie pracuje do dziś. Ponadto pomysł doczekał się kontynuacji w amerykańskim Indianapolis przez inżyniera Roberta C. Webbera, który w 1948 r. zmodyfikował urządzenie do postaci gruntowej pompy ciepła, aby ta ogrzewała jego własny dom.

Zasada działania pompy ciepła

Co łączy pompę ciepła, lodówkę i klimatyzator? Zasada działania, która jest bardzo podobna, a różni się tylko pewnymi niuansami z zakresu pozyskania i uwalniania energii cieplnej oraz kierunku jej transmisji. Warto zauważyć, że pompa ciepła może być używana nie tylko do ogrzewania, ale również chłodzenia, co znacznie podnosi jej funkcjonalność i uniwersalność.

Pompa ciepła (ang. Heat Pump) to urządzenie grzewcze, które pozyskuje energię cieplną ze środowiska, a następnie przenosi ją do budynku przy pomocy czynnika chłodniczego krążącego systemem rur, pomp, wymienników ciepła i zaworów. Należy dodać, że jest to rozwiązanie wykorzystujące obieg chłodniczy – zastosowanie czynnika chłodniczego o niskich temperaturach parowania oraz sprężarki pozwala osiągnąć mu stan wrzenia, docierając do wymiennika ciepła (skraplacza) wewnątrz budynku. Wówczas następuje skroplenie pary, a tym samym oddanie energii cieplnej do bufora grzewczego i/lub zbiornika c.w.u., a także grzejników/instalacji podłogowej. W efekcie czynnik chłodniczy wychładza się, spada jego ciśnienie, a następnie wraca systemem rur na zewnątrz budynku, aby rozpocząć nowy cykl obiegu chłodniczego polegający na pozyskaniu energii cieplnej ze środowiska.

Oczywiście istotny jest tutaj osprzęt w postaci: wentylatora (dostarcza powietrze do wymiennika ciepła), elektrycznej sprężarki (podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika), wymienników ciepła (parownika i skraplacza), zaworu rozprężnego i pompy obiegowej. Równie ważnym jest także zbiornik, czyli bufor grzewczy, który podnosi efektywność instalacji i zapewnia jej stabilność. Do tego można dodać zbiornik na ciepłą wodę użytkową, aby w pełni wykorzystać potencjał jaki oferuje pompa ciepła.

Podsumowując zasadę działania pompy ciepła, można przyjąć, że proces składa się z następujących etapów:

• odparowywanie,
• sprężanie gazu,
• kondensacja,
• rozprężanie.

Każdy z nich jest niezbędny do wykonania cyklu chłodniczego, na którym opiera się działanie pompy ciepła. Ważną zaletą takiej instalacji jest jej bezobsługowość oraz ograniczenie się do regulacji temperatury przy pomocy naściennego panelu sterowania lub zdalnie z urządzenia mobilnego. Jedyne czynności podejmuje serwis, który raz w roku dokonuje przeglądu stanu technicznego i konserwacji systemu.

Rodzaje pomp ciepła

Wraz z rozwojem techniki grzewczej opartej na OZE, zaczęto stosować różne rodzaje pomp ciepła, które pozyskują energię z różnych źródeł, najczęściej powietrza, wody, ziemi lub mieszanymi. W efekcie na rynku dostępne są takie systemy jak:

• powietrzna pompa ciepła – ASHP (Air Source Heat Pump),
• wodna pompa ciepła – WSHP (Water Source Heat Pump),
• gruntowa pompa ciepła – GSHP (Ground Source Heat Pump),
• hybrydowa pompa ciepła – HSHP (Hybrid Source Heat Pump).

Ponadto można też spotkać się z podziałem uwzględniającym strukturę urządzeń, czyli monoblock i split. Pierwszy z nich składa się tylko z jednego modułu umieszczonego na zewnątrz budynku – cykl chłodniczy odbywa się na zewnątrz, a ciepło jest dostarczane do/z budynku przewodami wypełnionymi wodą lub glikolem. Drugi natomiast obejmuje dwa moduły – zewnętrzny (wentylator z parownikiem) oraz wewnętrzny (skraplacz) połączony przewodami z czynnikiem chłodniczym. Zastosowanie każdego z nich jest uwarunkowane nie tylko preferencjami i możliwościami inwestora, ale także warunkami technicznymi i standardem energetycznym budynku.

Dotacje na pompy ciepła – o czym pamiętać?

Każdy inwestor zamierzający skorzystać z programu dofinansowań na zakup i montaż pompy ciepła powinien zwrócić uwagę, czy dany zestaw został ujęty na liście ZUM (lista Zielonych Urządzeń i Materiałów). Wykaz zawiera ekologiczne i bezpieczne urządzenia, zgodne w wymogami unijnymi. Dodatkowo należy pamiętać o rejestracji niektórych pomp ciepła. Jest to zależne od typu urządzenia, ilości krążącego czynnika chłodniczego, pośrednio indeksu GWP, a także wartości ekwiwalentu CO₂. Więcej informacji na temat rejestracji pomp ciepła można znaleźć na portalu Centralnego Rejestru Operatorów. Mając na uwadze powyższe, a tym samym decydując się na montaż systemu grzewczego opartego na technologii pompy ciepła, warto wybierać urządzenia od renomowanych producentów, którzy stosują nie tylko najnowocześniejsze rozwiązania, ale również bezpieczne i ekologiczne komponenty. Cennym źródłem wiedzy będą także serwisy online poświęcone poszczególnym programom wsparcia, tj.:

• Czyste Powietrze,
• Moje Ciepło,
• Mój Prąd.

Niezbędne informacje można uzyskać również u dystrybutorów urządzeń, instalatorów czy serwisantów, którzy na co dzień zajmują się techniką grzewczą.

Podsumowanie

Wiedza o tym, jak działa pompa ciepła, pozwala zrozumieć ten rodzaj techniki grzewczej, oraz zyskać zupełnie nowe spojrzenie na sposoby ekologicznego ogrzewania budynku – wykorzystujące głównie odnawialne źródła energii. Jest to bardzo ważne zarówno w zakresie energooszczędności, jak i realnego dbania o środowisko naturalne poprzez wybór pompy ciepła jako bezemisyjnego źródła ogrzewania budynku. Sposób działania takiego systemu pozwala uzyskać oszczędności oraz wysoką ergonomię użytkowania, czyli istotne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi rodzajami ogrzewania.