Jak działa pompa ciepła? Wyjaśniamy zasadę działania pompy ciepła

Opublikowano: 01.12.2023Autor: Ludwika WykurzDrukujUdostępnij

Rodzaje pomp ciepła

Pompy ciepła to coraz chętniej wybierane odnawialne źródło energii cieplnej. Jednak nazwa obejmuje nie tylko jedną technologię. Jest to kilka różnych technologii, wykorzystujących podobne zasady termodynamiki. Zanim odpowiemy na pytanie jak działa pompa ciepła, dobrze będzie przyjrzeć się jej różnym wariantom.

Pompy powietrzne

Najchętniej wybierana przez indywidualnych inwestorów jest pompa powietrzna. Nawet w tym przypadku mamy do wyboru kilka rodzajów pomp, ze względu na tzw. źródło górne, technologie przenoszenia ciepła i zastosowany czynnik. Ogólna nazwa świadczy o tym, że pompa pobiera ciepło bezpośrednio z powietrza. Energia cieplna, która trafia do instalacji grzewczej lub układu klimatyzacji jest przenoszona przez czynnik chłodniczy.

Pompa powietrze powietrze przejmuje temperaturę z powietrza na zewnątrz budynku (źródło dolne) i oddaje do instalacji wentylacyjnej. Jest to technika, która zapewnia nie tylko ogrzewanie domu, ale chłodzenie w upalne dni. Żeby ochłodzić pomieszczenie pompa stosuje odwrócony proces – odprowadza ciepło z instalacji na zewnątrz.

Lepszym rozwiązaniem do CO i CWU (ciepłej wody użytkowej) jest pompa powietrze woda. Tak jak w pierwszym przypadku urządzenie pobiera temperaturę z powietrza i przenosi ją do urządzeń z wodą użytkową. Dzięki temu zapewnia optymalną temperaturę pomieszczeń i dodatkowo wodę do mycia (szczegółowe zasady działania wyjaśnimy dalej).

Pompa gruntowa i wodna

Pompy wodna i gruntowa również przenoszą temperaturę za pomocą czynnika chłodniczego. Tym razem jednak źródłem są wody gruntowe, powierzchniowe lub sam grunt. Ogólnie pompy gruntowe podchodzą pod definicję tzw. źródeł geotermalnych. Jednak klasyczne źródła geotermalne czerpią ciepło z odwiertów głębinowych, poniżej 100 m głębokości. Pompa gruntowa może natomiast działać całkiem dobrze, pobierając ciepło tuż pod poziomem przemarzania gruntu – zaledwie 80-150 do 200 cm pod powierzchnią ziemi.

Pompa wodna też korzysta z „ochrony” wierzchniej warstwy wód i gruntu przed zamarzaniem. Ciepło czerpie jednak bezpośrednio z wody znajdującej się na działce. Może to być lokalny staw lub jeziorko albo woda ze studni głębinowej.

Ogólna zasada działania pompy ciepła

Powiedzieliśmy już jakie mogą być rodzaje i źródła ciepła, przyjrzyjmy się teraz na jakiej zasadzie działa pompa ciepła, niezależnie od rodzaju.

Jak działa pompa ciepła?

Układ, który umożliwia grzanie i chłodzenie budynku przypomina układ chłodnicy w samochodzie lub system wykorzystywany w lodówkach. Do ogrzewania domu stosuje się jednak odwrócony proces – ciepło jest dostarczane, nie odprowadzane. Oto najważniejsze elementy pompy ciepła:

• Czynnik chłodniczy – substancja płynna lub gazowa, o niskiej temperaturze zamarzania (dużo niższej niż 0 stopni), która przejmuje temperaturę z jednego środowiska (grunt, woda, powietrze) i przenosi ją do innego (budynek). W pompach powietrze powietrze i powietrze woda jest to zwykle gaz z dodatkiem fosforu lub gaz naturalny (np. propan), w pompie gruntowej mieszanka wody i glikolu. W trakcie obiegu czynnik zmienia stan skupienia – paruje przenosząc ciepło i jest skraplany kiedy je oddaje.
• Wymiennik ciepła – urządzenie, przez które przepływa czynnik chłodniczy. To tutaj dokonuje się przejęcie temperatury z tzw. dolnego źródła ciepła.
• Pompa ciepła – właściwa pompa jest urządzeniem, które przekazuje ciepło z czynnika chłodniczego do czynnika w instalacji grzewczej.
• Sprężarka – jeden z najważniejszych elementów pompy. Ciepło pobrane ze źródła dolnego rzadko ma pożądaną temperaturę (chyba, że jest to tzw. geotermia głęboka). Zadaniem sprężarki jest zwiększenie ciśnienia czynnika chłodniczego w postaci parowej lub gazowej i skroplenie go, dzięki czemu temperatura dodatkowo wzrasta. To tutaj zużywa się najwięcej energii elektrycznej potrzebnej do zasilania pompy ciepła.

Wyjaśnijmy teraz po kolei jaka jest zasada działania pompy ciepła:

Temperatura ze źródła dolnego zostaje przejęta przez czynnik chłodniczy. Następnie jest przeniesiona do pompy, gdzie czynnik zostaje sprężony i ulega skropleniu. Temperaturę wyjściową pompa przekazuje do instalacji grzewczej, a czynnik wraca do obiegu.

Po co prąd w pompie ciepła?

Zasada działania pompy ciepła jest zależna od praw termodynamiki. Według II zasady termodynamiki ciepło nie może przejść samoistnie z układu o niższej temperaturze, do układu o temperaturze wyższej. Tymczasem takie jest zadanie pompy ciepła. Powietrze w okresie grzewczym czy stała temperatura pod poziomem przemarzania gruntu jest prawie zawsze niższa niż temperatura w ogrzewanym budynku. Żeby ten proces się udał potrzebne jest włożenie dodatkowej pracy.

Pompa ciepła zużywa niewielkie ilości prądu. Całościowe opłaty przy odpowiednio dobranej i zamontowanej pompie są niższe niż w przypadku kotłów na paliwa różnego typu czy ogrzewanie na prąd.

Ogrzewanie domu za pomocą poszczególnych urządzeń

Chociaż ogólna zasada działania pompy ciepła jest zawsze taka sama, to w przypadku różnych urządzeń rozwiązano to na różne sposoby. Spróbujemy teraz przyjrzeć się bliżej różnicom między działaniem poszczególnych pomp ciepła.

Pompa powietrzna – najważniejsze warianty

Spośród pomp ciepła te są najtańsze i najprostsze w montażu. Jednak niektóre mogą być bardziej wydajne od innych. Jak działa pompa ciepła powietrze powietrze i powietrze woda, i jaki to ma wpływ na ich wydajność?

W pompach powietrznych, jak pisaliśmy wcześniej, źródłem ciepła jest powietrze. Najczęściej jest to powietrze na zewnątrz budynku. Pompa powietrze powietrze jest w zasadzie klimatyzatorem z opcją grzewczą. Bez dodatkowego modułu nie da się nią ogrzewać wody użytkowej. Ciepło jest przekazywane z zewnątrz bezpośrednio do wentylacji.

Urządzenia służące do ogrzewania i ochładzania samego powietrza są stosunkowo tanie i łatwe w montażu. Niestety są też mało wydajne. To dobre rozwiązanie do małych domów, biur, sklepów. Pomieszczeń, gdzie trzeba zrównoważyć roczną temperaturę, a nie opłaca się instalować droższych i bardziej zaawansowanych agregatów.

Najpopularniejszym rozwiązaniem do ogrzewania domu jednorodzinnego jest pompa powietrze woda. Mimo wielu wariantów tego urządzenia, wszystkie nadają się żeby oddawać ciepło do CO i CWU. Trzeba tylko dobrać odpowiednio mocne, żeby podołały ogrzaniu danej powierzchni, plus ciepłej wody używanej przez mieszkańców.

Osoby chcące kupić pompy powietrzne do CO i CWU stają zwykle przed innym dylematem niż sama technologia. Pompy występują w wersji split (z podziałem na część zewnętrzną i wewnętrzną) oraz monoblok (cały agregat jest zintegrowany w jednej skrzynce zewnętrznej). Istnieje wiele opinii na temat jednych i drugich. Tak naprawdę różnice zależą od indywidualnych potrzeb. Obecna technologia pozwala obu pracować równie wydajnie. Jeśli szukasz więcej porad i informacji, sprawdź także zebrane w tym miejscu artykuły o pompach ciepła.

Pompy gruntowe, jedna zasada - wiele możliwości

Pompy gruntowe grupuje się pod jedną nazwą, ponieważ źródło ciepła jest pod ziemią. Jeżeli przyjrzeć się stosowanym technologiom i źródłom, to jest to naprawdę kilka różnych pomp. Jak je rozróżniać? Jaki mamy wybór?

1. Pompy gruntowe poziome – Źródłem ciepła jest grunt pod warstwą przemarzania. Ciepło na tym poziomie zapewnia nie tyle stała temperatura gruntu, co kilka czynników – szczególnie promieniowanie słoneczne, wody powierzchniowe. Z tego powodu ważne jest odpowiednie zaplanowanie miejsca, pod którym znajdzie się kolektor. Musi być stabilne (ziemia nie może być podmywana ani się osuwać), nie powinno się na nim sadzić roślin o długich systemach korzeniowych, zacieniających drzew i krzewów, ani stawiać budynków. Optymalnym rozwiązaniem jest trawnik lub rośliny okrywowe, które zapobiegną erozji, a nie wpłyną na temperaturę.

Powierzchnia wykorzystywana pod wymiennik musi być na tyle duża, w stosunku do powierzchni ogrzewanej, żeby ciepło mogło się odtworzyć. W innym przypadku dojdzie do zamrożenia czynnika i uszkodzenia pompy.

W poziomych pompach gruntowych stosuje się różne rodzaje wymienników ciepła:

• rurowy – najpowszechniejszy, wykorzystuje rury w różnych układach, przez które płynie czynnik chłodniczy (zwykle roztwór wodny glikolu). W tym przypadku konieczne jest zabezpieczenie rur przez przeciekaniem i zamarzaniem oraz ułożenie ich na odpowiednio dużej powierzchni.
• żwirowy – łączy ogrzewanie gruntowe z powietrznym. Czynnikiem przepływającym przez grunt jest powietrze, które przy okazji ulega oczyszczeniu. Niestety, podobnie jak wymiennik rurowy wymaga dużo miejsca na regenerację (najlepiej z podziałem naprzemiennie na część regenerowaną i część pracującą).
• płytowy – podobnie jak żwirowy, nie tylko reguluje temperaturę powietrza, ale je oczyszcza. Oba wymienniki (żwirowy i płytowy) regulują również wilgotność powietrza.

2. Pompy gruntowe pionowe – na podobnej zasadzie, ale z innego źródła korzystają pompy pionowe. Tutaj ciepło jest pobierane z poziomu, gdzie zachowuje stałą temperaturę. Pompy pionowe mogą pobierać ciepło na różnej głębokości. Popularne są pompy z wymiennikami do 30 m, czyli na poziomie standardowych studni głębinowych, gdzie stała temperatura wynosi ok. 10 stopni. Temperatura gruntu wzrasta poniżej 100 m do około 12 stopni Celsjusza. Domowe wymienniki ciepła rzadko przekraczają głębokość 150 m.

Jako ciekawostkę możemy jednak dodać, że tzw. geotermia głęboka przeprowadza odwierty na głębokościach do 2-3 km w głąb ziemi, gdzie temperatura może sięgać nawet 100 stopni. Wadą tego rozwiązania jest wysoka mineralizacja wód na tym poziomie, która zmusza do częstego czyszczenia i wymiany rur.

O ile pompy powietrzne są mniej wydajne w pobieraniu wysokich temperatur, pompy gruntowe nadają się do CO i CWU wysokotemperaturowego.

3. Pompy wodne

Właściwie zasada działania pompy wodnej jest bardzo podobna do działania pompy gruntowej. Różnica polega na tym, że źródłem ciepła jest woda z rzeki, jeziora lub studni. Podobnie jak wymienniki gruntowe, wymienniki pomp wodnych mogą być umiejscowione tuż pod gruntem lub pionowo. Warunkiem założenia pompy wodnej jest dostępność tego źródła ciepła na działce.

Pompa wodna jest niestety droższa niż większość innych modeli. Na koszty składa się nie tylko cena urządzenia i instalacji, ale konieczność czyszczenia. Są one natomiast sprawdzone przez lata użytkowania (stosuje się je już od 80 lat) i mają dużą wydajność grzewczą.

Wybór pompy ciepła zależy od wielu czynników. To źródło energii cieplnej jest silnie uzależnione od lokalnych możliwości. Z tego powodu najchętniej wybieranym wariantem są pompy powietrze woda. W drugiej kolejności bierzemy stosunek ceny i kosztów eksploatacji do wydajności. Co można powiedzieć na ten temat?

Działanie a cena

Czy to jak działa pompa ciepła ma wpływ na jej cenę? To zależy. Niektóre technologie są tańsze, bo wymagają mniejszych nakładów na materiały i montaż. Niestety sam koszt użytkowania takich urządzeń może się okazać nieco wyższy.

Nie zawsze jest to regułą, ale najczęściej wyższa cena odpowiednio dobranej instalacji zwróci się po kilku latach użytkowania. Najlepiej pod tym względem wypadają pompy gruntowe poziome. Dobrze radzą sobie również pompy wodne. To nie znaczy, że dla potrzeb ogrzewania domu jednorodzinnego nie wystarczy pompa powietrzna.

Jakie są konkretne ceny? Odpowiedź na to pytanie nie jest wbrew pozorom prosta. Generalnie pompy wodne i gruntowe są droższe. Ich zakup z montażem może kosztować nawet 80-100 tysięcy złotych. Dużo zależy od tego jaką powierzchnię chcemy ogrzać, jakiej marki pompę kupimy, ile przeznaczymy na rury, izolację i ile weźmie firma montująca.

Wyjątkowo tanio możemy natomiast kupić i zamontować pompy powietrzne typu monoblok. Ich konstrukcja jest kompaktowa. Oznacza to, że wszystkie najważniejsze elementy mieszczą się w jednej skrzynce. Stosując się do instrukcji montażu można założyć taką pompę bez większych problemów samodzielnie. Warto jednak wcześniej sprawdzić fora internetowe i profesjonalne poradniki. Dzięki temu można się ustrzec wielu błędów i rzeczywiście zaoszczędzić.

***

Pompy ciepła mają dość prostą zasadę działania. Jak zwykle „diabeł tkwi w szczegółach”. Prawdziwie oszczędne użytkowanie zależy od prawidłowego montażu. Nie wystarczy wiedzieć jak działa pompa ciepła, ale jak będą działać połączone ze sobą poszczególne elementy.