Pompa ciepła – zasady działania

Pompa ciepła to ekologiczny, oszczędny i bardzo wygodny sposób na ogrzanie domu oraz uzyskanie ciepłej wody użytkowej. W razie potrzeby, możemy także wykorzystać pompę do chłodzenia pomieszczeń.  Artykuł “Pompa ciepła – zasady działania” przybliża sposób, w jaki to urządzenie zamienia ciepło z otoczenia zewnętrznego na energię cieplną wykorzystywaną w domu.

Co trzeba wiedzieć o pompie ciepła?

Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, przy czym zasadniczo różni się od tradycyjnych systemów, ogrzewania. Większość stosowanych instalacji grzewczych wytwarza ciepło w wyniku spalania określonych paliw, jak gaz, olej, węgiel czy energia elektryczna.

I tu dochodzimy do podstawowej informacji. Otóż pompa ciepła nie “produkuje” energii cieplnej lecz pobiera ją ze środowiska (np. powietrza lub wody) i dostarcza do domowej instalacji grzewczej. Tym samym, jest częścią systemu grzewczego, obejmującego trzy części:

• źródło dolne, czyli środowisko zewnętrzne, jak powietrze lub grunt;
• pompę ciepła, która zapewnia przepływ ciepła między dolnym a górnym źródłem czyli zmienia ciepło pobrane z otoczenia na energię wykorzystywaną w domu;
• źródło górne, czyli domowa instalacja grzewcza, np. zbiornik wody użytkowej, ogrzewanie podłogowe.

Reasumując, pompa ciepła “zagospodarowuje” energię ze środowiska naturalnego, zgromadzoną w takich źródłach jak powietrze, grunt czy woda. Ponieważ nie wykorzystuje procesu spalania paliw, nie powoduje niekorzystnych skutków ubocznych. Nie jesteśmy więc narażeni na spaliny, tłuste osady, popiół czy inne odpady.

Dowiedz się, czy pompa ciepła jest dobrym rozwiązaniem dla Twojego domu lub firmy!

Prześlij Twój numer telefonu. Przygotujemy bezpłatną analizę dla Ciebie!

---dolnośląskiekujawsko-pomorskielubelskielubuskiełódzkiemałopolskiemazowieckieopolskiepodkarpackiepodlaskiepomorskieśląskieświętokrzyskiewarmińsko-mazurskiewielkopolskiezachodniopomorskie

Zgadzam się na otrzymywanie za pomocą środków komunikacji elektronicznej, w tym poczty elektronicznej i telefonów komórkowych, informacji handlowej, e-mail w rozumieniu art. 10 ustawy z dnia 18 lipca 2002 roku o świadczeniu usług drogę elektroniczną.

Ogólna zasada działania pompy ciepła

Mechanizm działania pompy ciepła jest dość prosty. Pompa ma za zadanie pobrać ciepło z otoczenia zewnętrznego i przekazać je na potrzeby ogrzewania budynku.

Pompa ciepła działa mechanicznie i wykorzystuje do pracy 2 rodzaje energii:

• 75–80% OZE (odnawialne źródła energii);
• 20–25% energia elektryczna.

Zużycie energii elektrycznej (np. z sieci energetycznej lub z domowej instalacji fotowoltaicznej) zależy m.in. różnicy temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem.

Pompa ciepła działa jak… lodówka

Zasadę działania sprężarkowej pompy ciepła często porównuje się do pracy lodówki. Podobnie jak w inne systemy chłodzenia (zamrażarki, klimatyzatory), pompa ciepła przenosi ciepło z jednego miejsca do innego.

W trakcie tego procesu zmienia się stan czynnika chłodniczego w obiegu urządzenia. Zarówno w przypadku lodówki jak pompy ciepła niezbędne jest zasilanie jej pracy energią elektryczną – potrzebną przede wszystkim do napędu sprężarki.

Lodówka pozyskuje ciepło z umieszczonych w niej produktów, jak sery, mięso czy napoje. W ten sposób obniża temperaturę żywności, a ciepło oddaje na zewnątrz. Pompa ciepła z kolei pobiera energię z otoczenia zewnętrznego (np. cząstek powietrza lub z gruntu) i przekazuje ją do wnętrza domu.

Latem pompa ciepła może działać w sposób, który jeszcze bardziej intuicyjnie kojarzy się z chłodziarką. Działając jak klimatyzator, usuwa ciepło z powietrza wewnątrz domu i przenosi je do powietrza na zewnątrz ( ewentualnie gruntu lub wody).

W zasadzie można to porównanie odwrócić i stwierdzić, że lodówki i zamrażarki są… pompami ciepła!

4 główne elementy pompy ciepła

Za budowę pompy ciepła odpowiadają 4 kluczowe elementy. Pompa ciepła składa się z takich elementów, jak:

• Parownik – to od niego zaczyna się obieg i cała podróż energii pochodzącej z dolnego źródła. Temperatura czynnika znajdującego się w obiegu w tym miejscu jest jeszcze niska.

• Sprężarka – odpowiada za dalszy obieg oraz podniesienie temperatury tzw. czynnika chłodniczego. 

• Skraplacz – skrapla podgrzany czynnik chłodniczy, dzięki czemu umożliwia przekazanie ciepła do obiegu (wody). Wtedy to woda występuje w odpowiedniej temperaturze, która z powodzeniem ogrzewa system, jak i sprawdza się jako woda użytkowa. 

• Zawór rozprężny (występujący także pod nazwą: zawór dławiący) – to na nim kończy się obieg czynnika. Zawór odbiera czynnik chłodniczy w stanie ciekłym (temperatura jest już obniżona). W tym przypadku dochodzi od obniżenia ciśnienia i temperatury czynnika, a następnie przekazanie go do parownika i dalej – aż do źródła dolnego.

Pompa ciepła – zasady działania w 3 krokach:

1.Pobór ciepła z otoczenia

Na tym etapie następuje pobór ciepła z otoczenia, czyli źródła dolnego do parownika. W przewodach doprowadzających energię cieplną płynie ciecz odporna na zamarzanie. Najczęściej jest to glikol etylenowy lub propylenowy. Płyn może pobierać ciepło nawet podczas mrozu, gdyż posiada temperaturę niższą od otoczenia.

2.Przetwarzanie energii w pompie ciepła

Ogrzany czynnik roboczy (glikol) przekazuje energię do obiegu pompy ciepła, w którym płynie środek chłodniczy parujący w bardzo niskich temperaturach. Podgrzana w ten sposób ciecz wrze, a następnie w postaci pary trafia sprężarki.

Tutaj podgrzany gaz zostaje sprężony (wzrost ciśnienia i temperatury) i wykorzystany do ogrzewania budynku.

Sprężona para wędruje do skraplacza (górne źródło ciepła). W tym wymienniku ciepła właściwości czynnika termodynamicznego gwałtownie się zmieniają. Po skropleniu, czynnik oddaje ciepło wodzie w instalacjach grzewczych.

Mimo oddania ciepła temperatura czynnika chłodniczego wciąż jest za wysoka, by mógł on pobrać ciepło z otoczenia. Dlatego musi przejść przez zawór rozprężny, obniżając ciśnienie i temperaturę. Powrót schłodzonego czynnika roboczego do dolnego źródła zamka cały cykl.

3.Dostarczenie ciepła do instalacji grzewczej

Na tym etapie ciepło pozyskane z otoczenia trafia do górnego źródła, najczęściej w postaci wody wykorzystywanej do ogrzewania płaszczyznowego lub podłogowego. Może służyć także do uzyskanie ciepłej wody użytkowej.

Czynnik chłodniczy o obniżonej temperaturze ponownie trafia do parownika, a następnie do źródła dolnego. Z otoczenia zewnętrznego – gruntu lub powietrza – ponownie pobiera energię cieplną. W ten sposób cały cykl zaczyna się na nowo.

Czy do działania pompy ciepła potrzebny jest prąd z sieci energetycznej?

Energia elektryczna jest wykorzystywana tylko do podtrzymania pracy systemu z pompą ciepła – np. sprężarki czy parownika. Szacunkowo, za każdy 1 kW prądu zużytego przez pompę, uzyskujemy do 5 kW darmowej energii cieplnej ze źródeł odnawialnych.

Pompa ciepła może być zasilana energią elektryczną z ogólnodostępnej sieci energetycznej, ale warto też rozważyć połączenie tego systemu z instalacją fotowoltaiczną. Takie rozwiązanie umożliwia ograniczenie rachunków za prąd do absolutnego minimum.

Instalacja oparta o współpracę paneli PV i pompy ciepła staje się bardzo atrakcyjną opcją co najmniej z 2 powodów:

• systematycznego wzrostu opłat za prąd (prognozowane jest utrzymanie tego trendu przez co najmniej dekadę);
• zapowiadanych zmian w fotowoltaice od początku przyszłego roku – instalacja do końca 2021 r. pozwoli skorzystać z obecnych korzystnych rozwiązań przez kolejne 15 lat!

Pompy ciepła – rodzaje

W zależności od dolnego źródła ciepła używanego w danym systemie grzewczym, wyróżniamy kilka rodzajów pomp ciepła. Dolnym źródłem może być grunt, powietrze lub woda płynąca, stąd mówimy o pompach ciepła powietrznych, gruntowych lub wodnych.

Powietrzne pompy ciepła

Powietrzne pompy ciepła są najchętniej wybieranym rodzajem pomp przez właścicieli domów jednorodzinnych. Cechuje je bowiem prostota i niski koszt instalacji. Mogą być zamontowane zarówno wewnątrz, jak na zewnątrz budynku, co daje dużą elastyczność realizacji inwestycji.

Mimo powyższych zalet, ten rodzaj pompy ciepła może nie być wystarczającym rozwiązaniem w wymagających warunkach zewnętrznych. Na przykład podczas dużych różnic temperatur, przydatne byłoby wsparcie pracy pompy ciepła przez dodatkowe źródło ogrzewania.

Wśród powietrznych pomp ciepła najbardziej uniwersalna jest pompa powietrze – woda.

Pompa ciepła powietrze – woda

W systemach z pompą ciepła powietrze – woda, dolnym źródłem ciepła jest powietrze na zewnątrz budynku, a górnym źródłem jest woda w domowych instalacjach.

Pompa ciepła powietrze – woda transportuje ciepło z powietrza zewnętrznego do obiegu grzewczego w domu, na przykład ogrzewania płaszczyznowego. Ciepło może trafiać także do zbiorników ciepłej wody zasilającej krany i prysznice.

W naszym klimacie pompa ciepła typu powietrze-woda ma satysfakcjonującą efektywność. Może ogrzewać budynek przy temperaturze na zewnątrz dochodzących do -25°C. Z kolei latem wydajnie chłodzi pomieszczenia, nawet podczas ekstremalnych upałów przekraczających 35°C.

Pompę ciepła powietrze – woda wykorzystuje się bardzo wszechstronnie. Z pomocą tego urządzenia można ogrzewać dom, uzyskać ciepłą wodę użytkowej (c.w.u) a także chłodzić powietrze wewnętrzne.

Największą efektywność można uzyskać stosując jako górne źródło ciepła płaszczyznowe instalacje grzewcze (podłogowe, ścienne). Tradycyjne grzejniki posiadają relatywnie małą powierzchnię – jest to rozwiązanie dopuszczalne, ale utrudnia osiągnięcie optymalnej efektywności całego systemu.

Dowiedz się, czy pompa ciepła to dobra inwestycja dla Twojego domu lub firmy!

Prześlij Twój numer telefonu. Przygotujemy bezpłatną analizę dla Ciebie!

---dolnośląskiekujawsko-pomorskielubelskielubuskiełódzkiemałopolskiemazowieckieopolskiepodkarpackiepodlaskiepomorskieśląskieświętokrzyskiewarmińsko-mazurskiewielkopolskiezachodniopomorskie

Zgadzam się na otrzymywanie za pomocą środków komunikacji elektronicznej, w tym poczty elektronicznej i telefonów komórkowych, informacji handlowej, e-mail w rozumieniu art. 10 ustawy z dnia 18 lipca 2002 roku o świadczeniu usług drogę elektroniczną.

Gruntowe pompy ciepła

Gruntowe pompy ciepła pobierają ciepło z ziemi, a dokładniej wykorzystują energię geotermalną skumulowaną w gruncie. Wysoka wydajność energetyczna pompy gruntowej pozwala uczynić ją jedynym źródłem ogrzewania domu.

W przypadku tego rodzaju pomp należy jednak się liczyć z bardziej wymagającą instalacją. Koszt inwestycji podwyższają między innymi prace związane z ułożeniem pod ziemią sieci rur z płynem niezamarzającym.

Instalacja z kolektorem poziomym

W przypadku dostępności gruntu o powierzchni kilkudziesięciu metrów kwadratowych (np. płaskiego trawnika) możemy wykorzystać tzw. kolektor poziomy. Są to wężownice z rur wypełnionych płynem niezamarzającym umieszczone na głębokości 1-1,5 m. Płyn niezamarzający – roztwór glikolu etylowego lub propylowego – odbiera ciepło z gruntu i przekazuje je do pompy.

Planując ten rodzaj kolektora warto zwrócić uwagę na stopień nasycenia gruntu wodą. Nasączenie wodą jest bardzo korzystne, gdyż stanowi ona efektywny nośnik ciepła.

Instalacja z kolektorem pionowym

Jeżeli nie możemy sobie pozwolić na przeznaczenie większego obszaru na instalację gruntowej pompy ciepła, możemy zastosować kolektory pionowe. W tym przypadku rury wypełnione płynem niezamarzającym są umieszczone w głębokich pionowych odwiertach. Zazwyczaj jest ich kilka i mają głębokość od 20 do 50 metrów.

Decyzja o ilości i głębokości odwiertów zazwyczaj jest powiązana z budową geologiczną terenu. Z jednej strony mniejsza ilość głębokich odwiertów jest korzystna z uwagi na wydajność energetyczną. Temperatura na głębokości ponad 15 m jest stała przez cały rok wynosi co najmniej 10°C.

Z drugiej strony, wykonanie głębokich odwiertów na skalistym gruncie jest bardzo pracochłonne i generuje wyższe koszty.

Reasumując, chociaż instalacje z kolektorami pionowymi są droższe, to mają niezaprzeczalne zalety. Należy do nich wysoka wydajność energetyczna oraz relatywnie mały obszar przeznaczony na odwierty.

Wodne pompy ciepła

źródło dolne: woda płynąca

Wodne pompy ciepła cechuje bardzo wysoka wydajność energetyczna i mogą stanowić jedyne źródło ogrzewania nieruchomości.

Ich zastosowanie ograniczają jednak wysokie koszty inwestycji. Ponadto niewiele działek posiada dostęp do wody powierzchniowej lub podziemnej jako dolnego źródła ciepła.

Więcej informacji o rodzajach i zastosowaniach pomp ciepła znajdziesz w artykule: Pompa ciepła – co to jest?

Wydajność pompy ciepła – wskaźniki COP, SCOP, SPF

Wybór najlepszej pompy ciepła jest ściśle związany z warunkami, w jakich będzie wykorzystywana. Na etapie projektu budynku możemy zoptymalizować koncepcję całego systemu ogrzewania. W przypadku modernizacji funkcjonującego domu, musimy wziąć pod uwagę istniejącą instalację – na przykład rodzaje grzejników.

W podjęciu decyzji pomocne są wskaźniki określające wydajność i efektywność pompy ciepła – w założonych lub rzeczywistych warunkach pracy. Wskaźniki wydajności będą przydatne zarówno dla projektantów, jak inwestorów. Oto najważniejsze z nich:

Wskaźnik COP

COP zwany jest także współczynnikiem wydajności (ang. Coefficient Of Performance). Określa on proporcję między wyprowadzoną z pompy energią cieplną a doprowadzoną do niej energią elektryczną.

W powyższym przykładzie COP = 4 kW / 1 kW = 4.

Z pokazanego wzoru wynika, że wyższy współczynnik COP oznacza większą wydajność konkretnej pompy ciepła. Wydajność pompy z kolei bezpośrednio przekłada się na wysokość kosztów ponoszonych na ogrzewanie domu czy wody.

Należy jednak pamiętać, że wskaźnik COP jest wartością znamionową pompciepła mierzoną w określonych warunkach zewnętrznych. Producenci zazwyczaj podają wyniki pomiaru dla konkretnych warunków pracy, np. dla temperatury zewnętrznej 2°C i temperatury wody 35°C.

Współczynnik COP umożliwia zatem porównanie ze sobą różnych urządzeń, przy czym należy zwrócić uwagę na podane warunki pomiaru. Aby porównanie było adekwatne, warunki powinny być takie same.

Wskaźnik SCOP

Powiedzieliśmy, że wskaźnik COP odnosi się do pracy w podanych warunkach i może się zmieniać wraz ze zmianą warunków pracy pompy. Rzeczywistą efektywność tego urządzenia bardziej obiektywnie pomaga obliczyć współczynnik SCOP (ang. Seasonal Coefficient Of Performance).

SCOP określa relację dostarczonej energii cieplnej do zużytej przez pompę energii elektrycznej w określonym czasie. Najczęściej obliczenia dotyczą całego roku, co pozwala uwzględnić warunki panujące podczas całego sezonu grzewczego.

Do obliczeń przyjmuje się szereg założeń, takich jak:

powierzchnia budynku;

inne dane budynku (np. obrys, układ pięter, podpiwniczenie, termoizolacja);

instalacja współpracująca z pompą ciepła (np. ogrzewanie podłogowe, tradycyjne grzejniki);

ilość mieszkańców i ich preferencje (np. dot. temperatury w pomieszczeniach);

lokalizacja (Polska jest podzielona na 5 stref klimatycznych.

Przyjmując odpowiednie założenia, możemy oszacować roczne koszty ogrzewania domu za pomocą pompy ciepła.

Wyliczenie rocznych kosztów ogrzewania za pomocą wskaźnika SCOP

Na potrzeby przykładu, przyjmijmy założenia:

• powierzchnia domu do ogrzania wynosi 140 m2;
• dom zamieszkują 4 osoby;
• roczne zapotrzebowanie na wodę użytkową i ogrzanie budynku wynosi 14.000 kWh
• roczne zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła i inne urządzenia pracujące w instalacji grzewczej: 3.050 kWh.

Wyliczenie będzie wyglądało następująco:

SCOP = 14.000 kWh / 3.050 kWh = 4,59

Możemy teraz przygotować prognozę rocznej wysokości kosztów ogrzewania domu pompą ciepła. Oprzyjmy się o wyliczone wcześniej dane:

• roczne zużycie prądu: 3.050 kWh/rok;
• cena brutto za 1 kWh: 0,63 zł.

Roczny koszt ogrzewania pompą ciepła:

3.050 kWh x 0,63 zł = 1.922 zł (w zaokrągleniu w górę do pełnych złotych).

Mimo dużej użyteczności wskaźnika SCOP do projektowania systemu grzewczego z pompą ciepła, powinniśmy pamiętać o istotnym fakcie. Wyliczając efektywność instalacji, wciąż opieramy się na wartościach szacowanych, a nie mierzonych.

Wskaźnik SPF

O ile COP jest wartością znamionową, to współczynnik SPF (ang. Seasonal Performance Factor) pozwala nam zmierzyć efektywność istniejącej instalacji z pompą ciepła. W tym przypadku możemy się oprzeć na pomiarach z całego roku. Dzięki temu w wyliczeniach zostaną uwzględnione rzeczywiste warunki pracy pompy (zmiany temperatury zewnętrznej, zmienne zapotrzebowanie na ciepło i c.w.u.).

Współczynnik SPF liczymy podobnie jak współczynnik SCOP, z jednym istotnym zastrzeżeniem. Nie opieramy się bowiem na danych szacunkowych, ale na dokładnych pomiarach zużycia prądu i ilości dostarczonego ciepła. Tak więc wskaźnik SPF odnosi się do rzeczywistych warunków pracy pompy ciepła i całej instalacji grzewczej.

Niektórzy producenci pomp ciepła podają dla swoich produktów sezonowy wskaźnik efektywności (SPF). W takiej sytuacji wskaźnik SPF należy rozumieć jako uśrednioną wartość COP wyliczoną dla różnych warunków pracy w ciągu roku.

Pompa ciepła – zasady działania: podsumowanie

Podstawowa zasada działania pompy ciepła wydaje się dość prosta. Jednak aby optymalnie wykorzystać wydajność tego urządzenia należy się przyjrzeć cechom konkretnej nieruchomości.

Wybór najlepszej pompy ciepła jest ściśle związany z projektem całej instalacji grzewczej, z którą będzie współpracowała.

Zalety pompy ciepła są niezaprzeczalne i możemy je zgrupować na:

Oszczędność

redukcja kosztów ogrzewania (mimo rosnących cen paliw);

niskie koszty utrzymania pompy;

Komfort

wysoka niezawodność,

wygoda użycia – czystość, brak składu paliwa;

Dbałość o środowisko

energooszczędność;

brak emisji spalin i innych odpadów.

Dowiedz się, czy pompa ciepła to dobra inwestycja dla Twojego domu lub firmy!

Prześlij Twój numer telefonu. Przygotujemy bezpłatną analizę dla Ciebie!

---dolnośląskiekujawsko-pomorskielubelskielubuskiełódzkiemałopolskiemazowieckieopolskiepodkarpackiepodlaskiepomorskieśląskieświętokrzyskiewarmińsko-mazurskiewielkopolskiezachodniopomorskie

Zgadzam się na otrzymywanie za pomocą środków komunikacji elektronicznej, w tym poczty elektronicznej i telefonów komórkowych, informacji handlowej, e-mail w rozumieniu art. 10 ustawy z dnia 18 lipca 2002 roku o świadczeniu usług drogę elektroniczną.

Polecamy: Program Czyste Powietrze