Jak działa pompa ciepła? Podstawowe zasady i schemat działania

Działanie pompy ciepła – podstawowe zagadnienia

Pompa ciepła powietrzna (powietrze-woda) – urządzenie czerpiące energię z powietrza poprzez wymiennik zewnętrzny (parownik) z wentylatorem i przekazujące pozyskaną energię do sprężarki, w której następuje podniesienie ciśnienia i zarazem temperatury. Energia ta dalej jest przekazywana poprzez kolejny wymiennik (skraplacz) do instalacji c.o., w której płynie woda lub glikol zależnie od instalacji.
Pompa ciepła gruntowa (solanka-woda) – urządzenie czerpiące energię z gruntu, którą następnie przekazuje poprzez wymiennik wewnętrzny (parownik) do pompy ciepła, a dalej przez kolejny wymiennik (skraplacz) do wody. Energia z gruntu odbierana jest poprzez wymiennik gruntowy wykonany w postaci kolektorów poziomych lub jako sondy pionowe. Stosuje się przy tym nazewnictwo solanka-woda; glikol-woda.
Pompa ciepła wodna (woda-woda) – urządzenie czerpiące energię z wód głębinowych, cieków wodnych lub technologii procesowych w przemyśle wykorzystujących wodę technologiczną. Odbiór i przekazywanie energii następuje w taki sam sposób jak w pompach ciepła solanka-woda.
Górne źródło – źródło, do którego pompa ciepła oddaje energię cieplną czyli instalacja c.o. lub c.w.u.
Dolne źródło – źródło, z którego pompa ciepła pobiera energię cieplną, czyli powietrze zewnętrzne, woda lub grunt. W powietrznej pompie ciepła ciepło dostarczane jest do parownika bezpośrednio z powietrza. W pompie ciepła solanka-woda, dolnym źródłem jest oczywiście grunt, a ciepło z gruntu jest dostarczane do parownika przez czynnik pośredniczący – glikol propylenowy. W pompie woda-woda ciepło pochodzi z wody i woda jest również jego nośnikiem bez czynników pośredniczących.
Punkt pracy urządzenia – pompy ciepła dla różnych temperatur górnego i dolnego źródła osiągają różne wartości mocy grzewczej, chłodniczej, czy też elektrycznej. Punkt pracy to punkt, w którym przy danych warunkach dolnego źródła uzyskujemy określoną moc urządzenia i temperaturę zasilania instalacji c.o. Przykładowy punkt pracy powietrznej pompy ciepła: A7W45, „A” z angielskiego „air”, czyli powietrze. „W” – „water” – woda. Oznacza to temperaturę powietrza wlotowego na parownik 7°C oraz temperaturę wody na wyjściu z pompy ciepła 45°C.

Jeśli chodzi o pompy ciepła solanka-woda to punkt pracy opisywany jest przykładowo jako B0W45. Z angielskiego „B” pochodzi od „brine”, czyli solanka (zwyczajowo glikol bywa nazywany solanką), z kolei „W” – „water”, czyli woda. Co analogicznie oznacza temperaturę glikolu na wejściu do pompy ciepła na poziomie 0°C oraz wody na wyjściu z pompy ciepła 45°C. Dla pomp ciepła układu woda-woda określenie to wygląda następująco W7/W45. W trakcie całego sezonu grzewczego punkt pracy zmienia się wraz z wartościami dolnego i górnego źródła ciepła, czyli wraz ze zmianą np. temperatury powietrza zewnętrznego i temperaturą zasilania naszej instalacji c.o.

7. Punkt porównawczy – to punkt pracy pomp ciepła, który pozwala nam wstępnie porównać różnych producentów:

A7/W35 ; A7/W55 dla pompy powietrze-woda
B0/W35 ; B0/W55 dla pompy solanka-woda
W10/W35 ; W10/W55 dla pompy woda-woda

W tych punktach również ustala się klasę efektywności enegetycznej np. A+++/A++. Punkt porównawczy podawany jest w danych technicznych wszystkich producentów.

8. Czynnik chłodniczy – czynnik roboczy temodynamiczny umożliwiający transport ciepła z parownika do skraplacza pompy ciepła przez sprężąrkę, przy realizacji określonych przemian temodynamicznych np. R410, R32, R290.
9. Obszar pracy urządzenia – zakres temperatur dolnego i górnego źródła w jakim pompa ciepła jest w stanie pracować.

Budowa pomp ciepła – podstawowe elementy

Teraz gdy już wstępnie zapoznaliśmy się z podstawowym słownictwem przejdźmy do tego, jak działa pompa ciepła i z jakich elementów się składa. Omówimy jej pracę na przykładzie najbardziej popularnej pompy ciepła, czyli powietrze-woda.

Pompa ciepła składa się z 5 podstawowych elementów:

parownik, odbiera ciepło z powietrza, wody lub solanki/glikolu. Zbudowany jest jako wymiennik o budowie płytowej (dla pomp ciepła solanka–woda i woda-woda) lub w postaci lamelowej (dla pomp ciepła powietrze-woda). Ciśnienie parownik po stronie dolnego źródła wynosi od 3 do 5 bar. Wewnątrz parownika po stronie dolnego źródła może być stosowana woda lub glikol, a dla powietrze-woda, nośnikiem oczywiście jest powietrze. Glikol w dolnym źródle stosuje się wtedy gdy jego temperatura może spaść poniżej 0°C. Po stronie układu chłodniczego czynnikiem, który odbiera ciepło jest gaz (czynnik chłodniczy) np. R410a, R32, R290, R134a,
wentylator, który wymusza przepływ powietrza przez parownik. Przepływ powietrza może być płynnie regulowany poprzez falownik w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło i wysokości temperatury osiąganej na parowniku,
sprężarka, do której dostarczono energię z parownika i w której następuje wzrost ciśnienia, a co za tym idzie wzrost temperatury,
skraplacz, energia cieplna o odpowiednich parametrach, wyprodukowana za pośrednictwem sprężarki, jest oddawana do naszej instalacji c.o. lub instalacji c.w.u. W skraplaczu aby uzyskać wysoką temperaturę niezbędne jest podniesienie ciśnienia na sprężarce. Ciśnienie przed skraplaczem może osiągać wartości przekraczające 20 bar,
zawór rozprężny, do którego trafia skroplony na skraplaczu czynnik chłodniczy. Rozpręża on gaz do wymaganego ciśnienia 1,5-3 bar, jednocześnie powodując obniżenie jego temperatury poniżej temperatury powietrza/wody/glikolu w celu odebrania ciepła z zewnętrznego źródła ciepła.

A teraz zbierzmy to wszystko w całość i zobaczmy jak wygląda połączenie i układ urządzeń w pompie ciepła.

Jak działa pompa ciepła? Schemat krok po kroku

Zasada działania pompy ciepła
Źródło: https://tiny.pl/dxmkd

Etap 1 – rozprężenie czynnika i obniżenie jego temperatury

Jak widzimy, za zaworem dławiącym, który może być w formie zaworu rozprężnego lub kapilary, panuje niska temperatura. Związane jest to z tym, że zawór rozprężny rozprężył ochłodzony wstępnie czynnik chłodniczy, obniżając jego ciśnienie, a to z kolei spowodowało obniżenie temperatury czynnika chłodniczego.

Jeżeli chcielibyśmy szukać przykładu w życiu codziennym to podobnie działa dezodorant, którego jeżeli naciśniemy wypływa z niego gaz. Ta czynność powoduje, że w zbiorniku dezodorantu obniża się ciśnienie i czujemy wtedy w dłoni, że staje się on chłodniejszy.

Etap 2 – zimny czynnik odbiera ciepło z parownika

Czynnik chłodniczy w stanie ciekłym trafia na parownik, gdzie pod wpływem przepływającego cieplejszego powietrza zaczyna się ogrzewać i parować osiągając stan gazowy, ale o niskim ciśnieniu.

Etap 3 – sprężanie ogrzanego gazu i kolejny wzrost jego temperatury

Ogrzany gaz trafia na sprężarkę, gdzie jest sprężany i następuje wzrost ciśnienia, a tym samym wzrost temperatury.

Wartość ciśnienia, a zarazem temperatury, jest uzależniona od tego jaką temperaturę chcemy uzyskać na naszej instalacji c.o. Temperatura sprężonego gazu może spokojnie osiągać 90°C. Wpływ na to ma temperatura powietrza i rodzaj zastosowanego czynnika chłodniczego.

Przykład: pompy ciepła z czynnikiem R290 lub R134a są w stanie osiągać wyższe temperatury i dlatego też wykorzystuje się je w pompach ciepła wysokotemperaturowych.

Przykładem z życia takiego sprężania jest zwykła pompka do roweru – jeżeli pompujemy koło roweru sprężamy powietrze, które również jest gazem i możemy wtedy odczuć ciepło na obudowie takiej pompki w jej dolnej części.
Oczywiście na powstanie tego ciepła ma wpływ również tarcie, ale i wcześniej wspomniane sprężanie.

Etap 4 – oddanie ciepła w skraplaczu

Sprężony gaz trafia na skraplacz, który ma budowę wymiennika płytowego. Po jednej stronie wymiennika jest właśnie nasz sprężony gaz, a po drugiej woda z instalacji c.o. Przepływająca woda odbiera ciepło z gazu, jednocześnie go ochładzając i powodując jego skroplenie. Czyli w tym miejscu przechodzimy ze stanu gazowego czynnika chłodniczego, w stan ciekły o podwyższonej temperaturze.

Działanie w cyklu

Aby znów móc odebrać ciepło z powietrza, ponownie rozprężamy czynnik chłodniczy na zaworze rozprężnym, powodując obniżenie ciśnienia i temperatury. W taki oto sposób zamykamy cały obieg pompy ciepła, który w trybie ciągłym się powtarza. Działanie i układy pomp ciepła solanka-woda i woda-woda są podobne. Różnica polega na tym, że brak jest wentylatora i zamiast prezentowanego parownika stosuje się parownik w postaci wymiennika płytowego, który wyglądem odpowiada naszemu skraplaczowi.

Uwaga! Wartości temperatur przedstawione na rysunku, są wartościami dla zobrazowania całego obiegu. Dla różnych pomp ciepła, czynników chłodniczych i producentów mogą być różne.