Jak działa pompa ciepła? – wyjaśnienie w 3 krokach

jak działa pompa ciepła

Cykl artykułów o odnawialnych źródłach energii (OZE) chciałbym rozpocząć od tematyki pomp ciepła oraz wyjaśnienia w 3 krokach jak działa pompa ciepła. Większość osób stojących przed wyborem źródła ciepła do swojego nowo wybudowanego lub modernizowanego domu z pewnością spotkała się z tym zagadnieniem. W domowej instalacji pompa ciepła może pełnić rolę jedynego źródła ciepła na cele ogrzewania, tak jak kocioł gazowy, olejowy lub kocioł na paliwa stałe. Urządzenia te zyskują w ostatnim czasie na popularności głównie z uwagi na niskie koszty eksploatacji. Pompą ciepła ogrzejemy budynek prawie o połowę taniej niż gazem ziemnym, nie wspominając nawet o gazie płynnym, oleju opałowym czy energii elektrycznej (znacznie droższe rozwiązania).

 Jak działa pompa ciepła?

 Odpowiadając na to pytanie warto najpierw powiedzieć sobie czym jest pompa ciepła…



 Sama nazwa dobrze odzwierciedla zasadę działania urządzenia. „Pompuje” ono darmową energię zawartą w otoczeniu do wnętrza budynku.

 Zrozumieć pompę ciepła – wyjaśnienie w 3 krokach:

 1. Skąd pompa ciepła bierze ciepło

Za pośrednictwem pompy ciepła możemy pobierać zakumulowane ciepło z gruntu powietrza lub wody (tzw. dolne źródło ciepła), którego źródłem jest darmowa energia słoneczna . Zwykła pompa w instalacji c.o. podnosi ciśnienie, natomiast pompa ciepła podnosi temperaturę. W uproszczeniu – ciepło jest wypompowywane z ziemi, powietrza lub wody i przekazywane do wnętrza naszego domu poprzez instalację grzewczą. Instalacja c.o. w naszym domu to tzw. górne źródło ciepła.

Powstaje pytanie jak to możliwe, że ciepło przekazywane jest z zewnątrz, gdzie jest zimniej do wewnątrz budynku, gdzie panuje wyższa temperatura?

Dla zrozumienia tego zjawiska możemy posłużyć się przykładem lodówki, która też jest pompą ciepła. W lodówce ciepło jest „przepompowane” z jej wnętrza (chłodniejszego) na zewnątrz (gdzie jest cieplej). Pompa ciepła na cele grzewcze działa praktycznie tak jak lodówka tylko w drugą stronę. Schładza ziemię na naszej działce lub powietrze dookoła odbierając ciepło, które później jest oddawane do wnętrza naszego domu. Ciepło jest tutaj dostarczane, a nie jak w przypadku lodówki odbierane.

schemat działania lodówki, pompa ciepła

Rys.1. Schemat pracy lodówki

Ciepło płynie zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Pompa ciepłą musi poprzez cykl procesów termodynamicznych odwrócić ten stan rzeczy. Musimy przepompować ciepło z obszaru chłodniejszego (z zewnątrz) do cieplejszego (do wnętrza budynku). W kolejnym kroku wyjaśnię ….

2. Jak wykorzystać pobrane ciepło z zewnątrz do ogrzewania

Spójrzmy na schemat pracy pompy ciepła:

schemat działania pompy ciepła

Rys.2. Schemat pracy pompy ciepła (podane temperatury i ciśnienia są przykładowe)

Zimny czynnik chłodniczy (-12oC) wpływa do pierwszego wymiennika ciepła (parownika), gdzie ogrzewa się (odbiera ciepło od dolnego źródła, czyli: gruntu, powietrza lub wody). Odbiór ciepła jest możliwy ponieważ temperatura docierająca z dolnego źródła jest wyższa ( ma 10oC) od temperatury wspomnianego czynnika chłodniczego (-12oC). Następnie czynnik paruje i odbiera ciepło (jego temperatura wzrasta ze wymienionych -12oC do -4oC). 

Następnie para dostaje się do sprężarki, która zasilana jest energią elektryczną. Podczas sprężania wzrasta ciśnienie z 1 bar do 14 bar, a co się z tym wiąże znacznie wzrasta temperatura (nawet do 90oC). Następnie para przedostaje się do drugiego wymiennika ciepła (skraplacza).

W skraplaczu odbywa się tzw. kondensacja pary, przy której wydziela się ciepło. Czynnik chłodniczy ochładza się (z 90oC do 60oC) oddając ciepło np. do instalacji c.o. Przekazanie ciepła jest tutaj możliwe, ponieważ woda z instalacji c.o. jest zimniejsza od rozgrzanego czynnika w pompie ciepła. W tej sytuacji czynnik może się wystarczająco schłodzić i skroplić.

Następnie czynnik przedostaje się dalej już w postaci ciekłej do zaworu rozprężnego. Tutaj dochodzi do gwałtownego rozprężenia (z 14 bar do 1 bar’a), czyli spadku ciśnienia czynnika, a co za tym idzie spadku temperatury (z 60oC do – 12oC) . W następnej kolejności czynnik trafia do parownika. Cykl się powtarza.

3. Wyjaśnienie procesów przebiegających w obiegu termodynamicznym w pompie ciepła

Poprzez opisany powyżej proces pompa ciepła uzyskuje niezwykle wysoką sprawność. Przy poborze 1 kW energii do napędu sprężarki jesteśmy w s tanie wyprodukować 3-4 kW energii cieplnej.

3.1. Jak to się dzieje, że pompa ciepła pozyskuje ciepło nawet zimnego gruntu, powietrza czy wody?

Zwróćmy uwagę na to, że ciepło występuje nawet w niskiej temperaturze, ponieważ w każdej temperaturze mamy do czynienia z ruchem cząsteczek i energią cieplną. Ciepło nie występuje jedynie dopiero w temperaturze zera absolutnego, która wynosi -273oC (cząsteczki materii nie poruszają się i nie wytwarzają ciepła). Nie jest więc niczym dziwnym odebranie ciepła zimą np. z gruntu na naszej działce poprzez pompę ciepła.

3.2. Jak to się dzieje, że gaz zwiększa swoją temperaturę?

Otóż pompa ciepła sprężając czynnik chłodniczy znacznie podnosi ciśnienie, co z kolei podnosi jego temperaturę, która jest przekazywana poprzez wymiennik do instalacji c.o. Możemy porównać to zjawisko do pompowania pompką np. piłki, która w trakcie pompowania zwiększa ciśnienie, a przez to i temperaturę.

schemat pompa ciepła sprężanie

Rys.3. Cykl sprężania w pompie ciepła

3.3. Jak to się dzieje, że czynnik nagle staje się zimniejszy?

Dzieje się tak poprzez nagły spadek ciśnienia. Przykładem może być spray. Wyczuwalna jest jego niższa temperatura w momencie psiknięcia, gdy zawartość ulega rozprężeniu.

schemat pompa ciepła rozprężanie

Rys.4. Cykl rozprężania w pompie ciepła

3.4. Jak to się dzieje, że tak niska temperatura transportowana z zewnątrz (z gruntu powietrza lub wody) może doprowadzić czynnik chłodniczy do parowania (w parowniku)?

Otóż temperatura parowania lub skraplania zależy od panującego ciśnienia. Jeżeli obniżymy ciśnienie dzięki zaworowi rozprężnemu uzyskamy spadek temperatury parowania. Oznacza to, że nawet „dość niska” temperatura pobierana z dolnego źródła spowoduje odparowanie czynnika chłodniczego, w trakcie którego nastąpi intensywny odbiór ciepła.  

Zjawisko parowania wody poprzez odbiór ciepła otaczającego możemy porównać do odczucia chłodu po wyjściu spod prysznica. Woda odparowując ze skóry odbiera z niej ciepło.

3.5. Jak to się dzieje, że podniesiona temperatura czynnika za sprężarką oddaje tyle ciepła instalacji c.o.?

Zwiększone ciśnienie przez sprężarkę po stronie skraplacza podnosi temperaturę skraplania. Umożliwia to przekazanie znacznej ilości ciepła na zewnątrz, czyli np. do instalacji c.o.

Skraplanie się pary wodnej możemy porównać do tworzenia się rosy na trawie.

Warto znać potencjał jaki drzemie w urządzeniu jakimi jest pompa ciepła. Być może ta wiedza zmobilizuje nas do podjęcia decyzji dot. zakupu tego właśnie produktu. Zyskujemy w tym momencie znaczne oszczędności z tytułu ogrzewania, ale również świadomość pozytywnego oddziaływania na środowisko naturalne. Koszty inwestycyjne nie są małe szczególnie w przypadku pomp ciepła gruntowych, ale pojawiające się dotacje mogą w części zrekompensować początkowy wydatek.

Może Ci się również spodoba

8 komentarzy

  1. pompyciepla24.com napisał(a):

    Bardzo ciekawy artykuł dla osób które szukają odpowiedzi na pytanie jak działają pompy ciepła to idealny!

  2. MMich napisał(a):

    Dziękuję za ten artykuł. Rozjaśnił pewne sprawy. Panie Kamilu, czy może Pan polecić kilka rodzajów powietrznych pomp? Które wg Pana są godne uwagi? Będę wdzięczny.

    • mgr inż. Kamil Czajkowski napisał(a):

      Dziękuję za zapytanie 🙂

      Najlepiej jak by mógł Pan sprecyzować jakiej powietrznej pompy ciepła Pan szuka, czy tylko na cele ciepłej wody użytkowej, czy też na cele centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.

      Skupiając się jednak na konkretnych modelach wyróżnił bym:

      – Pompy ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej:
      1. Rodzimy producent Termet pompa ciepła KP-38HS – zasobnik 200, 250 lub 300 l
      2. Hewalex PCWU 300K-1,8 kW – zasobnik 300 l
      Obie pompy posiadają zasobniki ze stali nierdzewnej, co zapewnia długą żywotność i są w przystępnej cenie.

      – Pompy ciepła do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej:
      1. Vaillant aro THERM VWL (moce 8/10/14 kW)
      2. Viessmann Vitocal 300-A (moc 3 do 9 kW)

      Dość ciekawą ofertę obsługi serwisowej w cenie montażu do końca br. oferuje firma DTS – link
      Promocja dot. jednak tylko wybranych pomp ciepła.

      Pozdrawiam

  3. MMich napisał(a):

    Dziękuję za odpowiedź. Nie zaznaczyłem wcześniej. Chodzi o pompę do c.w.u. dla 4-osobowej rodziny, do budowanego domu. Najlepiej, jeśli w przyszłości będziemy mogli przyłączyć do niej np. kolektor. O Termet nie słyszałem. A nad Hewalexem się zastanawiałem (200 l). Tak samo jak nad Galmetem czy Biawarem.

    • mgr inż. Kamil Czajkowski napisał(a):

      Witam ponownie,

      Myślę, że wszyscy producenci, których Pan wymienił posiadają ciekawe pompy ciepła powietrze-woda wspomagające podgrzew c.w.u. Decyzja zakupowa zależy jak to najczęściej bywa od znalezienia produktu w najlepszym stosunku jakości do ceny.

      Postaram się Panu podpowiedzieć na co warto zwrócić uwagę decydując się na zakup powietrznej pompy ciepła do podgrzewania c.w.u.:

      – właściwa pojemność zasobnika (Pan ma określone 200 l). Zasobnik w pompie ciepła musi mieć dużą pojemność co najmniej 200 l, żeby był w stanie zgromadzić ciepło pobierane z powietrza zewnętrznego. Proces podgrzania takiego zasobnika przez pompę ciepła trwa nawet kilka godzin (w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego). Przy założeniu poboru ciepłej wody 40 l/osobę dla 4-5 osobowej rodziny zasobnik 200 l powinien wystarczyć.
      – materiał z jakiego wykonany jest zasobnik. Dobrze żeby to była stal nierdzewna z dodatkowym zabezpieczeniem w postaci anody tytanowej (długa żywotność bez potrzeby serwisowania :))
      – w przypadku przyszłej decyzji dot. podłączenia kolektorów słonecznych ważne, aby zasobnik w pompie ciepła był wyposażony w dodatkową wężownicę.
      – możliwość programowania czasowego. Jeżeli grzejemy ciepłą wodę zasilając pompę ciepła energią elektryczną z tańszej nocnej taryfy ważne jest, żeby móc zaprogramować pracę urządzenia tylko nocą.
      – Maksymalna długość kanałów powietrznych. Ważne, gdy planujemy schładzać lub osuszać pobliskie pomieszczenia.

      Jeszcze na koniec uwaga – u wszystkich producentów, których Pan wymienił znajdzie Pan pompy ciepła z zasobnikiem o pojemności 200 l oprócz Biawar, gdzie dostępne są jedynie urządzenia z zasobnikiem 270 l – 285 l.

      Pozdrawiam

  4. Tomek napisał(a):

    Bardzo prosto wytłumaczone, fajny artykuł

  5. Klimatyzacja Wrocław napisał(a):

    Pompy ciepła są doskonałą alternatywą dla ogrzewania domu. Jest to rozwiązanie, które po latach zwraca się z nadwyżką. Wiem coś o tym, ponieważ sam prowadzę firmę, która od kilkunastu lat zajmuje się montażem, serwisem pomp ciepła, klimatyzacji w domach, mieszkaniach i firmach. Mamy wielu zadowolonych klientów w okolicach Wrocławia, Oleśnicy, którzy mogą potwierdzić słuszność montaży pompy ciepła w swoim domu.

  6. Hubert Medras napisał(a):

    U siebie w domu mam gruntową pompę ciepła bezpośredniego odparowania od firmy Fonko. Polecam każdemu takie rozwiązanie, bo pompa sprawdza się doskonale i gwarantuje odpowiednią temperaturę w domu, niezależnie od warunków panujących na zewnątrz.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Przeczytaj poprzedni wpis:
cyrkulacja-cieplej-wody-czy-sie-oplaca
Cyrkulacja ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) czy się opłaca?

W dzisiejszym wpisie postaram się przybliżyć tematykę tego, co to jest cyrkulacja ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) czy się opłaca? Opiszę...

Zamknij