Jak działa pompa ciepła? Podstawowe zasady i schemat działania

W tym artykule poznasz uproszczony schemat budowy i działania pompy ciepła. Przedstawiamy podstawowe elementy pozwalające zrozumieć, jak działa pompa ciepła. Ta wiedza pozwoli zrozumieć Ci działanie nie tylko pompę ciepła do zastosowań grzewczych, ale także działanie samochodowej i domowej klimatyzacji oraz lodówki, bo z pompami ciepła obcujemy na co dzień.

Działanie pompy ciepła – podstawowe zagadnienia

1. 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.
   
2. 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.
   
3. 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.
   
4. Górne źródło – źródło, do którego pompa ciepła oddaje energię cieplną czyli instalacja c.o. lub c.w.u.
   
5. 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.
   
6. 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

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.

Poznaj różnice w działaniu 3 rodzajów pomp ciepła

Przedstawiona zasada działania pompy ciepła dotyczy w zasadzie każdej pompy.

Rodzaj i typ pompy ciepła będą wpływały na sposób odbioru ciepła z dolnego źródła oraz oddawać ciepło do górnego źródła.

Możesz poznać dokładniejsze schematy działania pomp ciepła poznając artykuły:

1. Jak działa powietrzna pompa ciepła?
2. Jak działa gruntowa pompa ciepła?
3. Jak działa wodna pompa ciepła?