Pompa ciepła jest urządzeniem termodynamicznym przenoszącym energię cieplną z ośrodka o temperaturze niższej do ośrodka o temperaturze wyższej. Proces ten – wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła opisanemu przez drugą zasadę termodynamiki – jest możliwy dzięki dostarczeniu zewnętrznej energii napędowej w postaci energii elektrycznej zasilającej sprężarkę. Urządzenie stanowi praktyczną realizację odwróconego cyklu Carnota, a jego najbliższą fizyczną analogią jest lodówka – z tą zasadniczą różnicą, że w pompie ciepła interesuje nas ciepło wydzielane po stronie skraplacza, kierowane do instalacji grzewczej budynku.
Zasada działania
Sercem pompy ciepła jest zamknięty obieg chłodniczy z krążącym czynnikiem roboczym. Przepływając kolejno przez cztery główne elementy układu, czynnik podlega następującym przemianom tworzącym lewobieżny obieg Lindego: izobarycznemu parowaniu, izentropowemu sprężaniu, izobarycznemu skraplaniu i izentalpowemu dławieniu.
Izobaryczne parowanie – odparowanie czynnika roboczego przy stałym ciśnieniu. Czynnik w stanie ciekłym odbiera ciepło od dolnego źródła i zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy, nie zmieniając przy tym ciśnienia.
Izentropowe sprężanie – sprężanie pary przez sprężarkę bez wymiany ciepła z otoczeniem (adiabatyczne) i bez strat energii (odwracalne). Ciśnienie i temperatura czynnika gwałtownie rosną, a entropia pozostaje stała.
Izobaryczne skraplanie – skraplanie pary przy stałym ciśnieniu. Czynnik w stanie gazowym oddaje ciepło do instalacji grzewczej i powraca do stanu ciekłego, nie zmieniając ciśnienia.
Izentalpowe dławienie – rozprężanie cieczy przez zawór rozprężny bez wykonywania pracy i bez wymiany ciepła z otoczeniem. Ciśnienie i temperatura czynnika gwałtownie spadają, a entalpia pozostaje stała.
W parowniku czynnik roboczy odbiera ciepło od dolnego źródła i odparowuje. Sprężarka podnosi ciśnienie i temperaturę pary, po czym w skraplaczu para oddaje ciepło do instalacji grzewczej i skrapla się. Zawór rozprężny obniża ciśnienie cieczy, zamykając obieg. Około 75% energii użytkowej pochodzi bezpłatnie ze środowiska, a jedynie 25% stanowi wkład energii elektrycznej.
Efektywność pompy ciepła opisuje współczynnik COP (Coefficient of Performance):COP=WQH
gdzie Q_H to energia oddana do instalacji grzewczej, a W – energia elektryczna pobrana przez sprężarkę. Nowoczesne pompy ciepła osiągają wartości COP od 2,5 do nawet 5,0, co czyni je jedną z najefektywniejszych technologii grzewczych dostępnych współcześnie.
Rodzaje pomp ciepła według dolnego źródła
Podstawowym kryterium klasyfikacji jest rodzaj dolnego źródła ciepła. Wyróżniamy trzy główne grupy.
Pompy powietrzne pobierają energię z powietrza atmosferycznego. Ich największą zaletą jest prostota instalacji i najniższy koszt inwestycyjny – nie wymagają prac ziemnych ani pozwoleń. Dostępne są w wariantach powietrze–woda (współpracującym z wodną instalacją c.o. i CWU) oraz powietrze–powietrze (przekazującym ciepło bezpośrednio do pomieszczeń przez kratki nawiewne). Zasadniczą wadą jest zmienność temperatury dolnego źródła – wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej maleje wartość COP, typowo mieszcząca się w przedziale 2,5–4,2. Nowoczesne urządzenia z inwerterową regulacją sprężarki pracują efektywnie nawet przy -25°C, jednak przy ekstremalnych mrozach może być konieczne wspomaganie dodatkowym źródłem ciepła.
Pompy gruntowe pobierają energię zgromadzoną w gruncie, który stanowi naturalny akumulator ciepła słonecznego. Kluczową zaletą jest stabilność temperaturowa dolnego źródła przez cały rok, zapewniająca przewidywalny COP w przedziale 4,0–5,0. Dolne źródło realizowane jest jako kolektor poziomy – sieć rur zakopanych na głębokości 1,2–1,6 m, wymagająca znacznej powierzchni działki (25–40 m² na każdy kilowat mocy) – lub jako sonda pionowa w odwiertach o głębokości 50–130 m, droższa, lecz zajmująca minimalną powierzchnię terenu i charakteryzująca się najwyższą stabilnością. W obiegu dolnego źródła krąży mieszanina wody z glikolem (solanka). Prawidłowy dobór długości kolektora lub głębokości odwiertów jest zadaniem projektowym pierwszorzędnej wagi – zbyt małe dolne źródło prowadzi do stopniowego wychładzania gruntu i spadku efektywności układu.
Pompy wodne pobierają energię z wód gruntowych lub powierzchniowych. Wody gruntowe utrzymują w Polsce stałą temperaturę 8–12°C przez cały rok, co przekłada się na najwyższe wartości COP spośród wszystkich typów – sięgające 4,5–6,0. Instalacja wymaga dwóch odwiertów studniarskich: czerpalnego i zrzutowego, uzyskania pozwolenia wodnoprawnego oraz potwierdzenia odpowiedniej wydajności i jakości chemicznej warstwy wodonośnej. Z uwagi na te wymagania pompy wodne są najrzadziej stosowane w budownictwie jednorodzinnym, natomiast doskonale sprawdzają się w obiektach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło.
Podsumowanie
Wybór właściwego typu pompy ciepła zależy od warunków lokalnych, dostępnej powierzchni działki, budżetu inwestycyjnego oraz parametrów instalacji grzewczej budynku. Niezależnie od typu, pompy ciepła najefektywniej współpracują z niskotemperaturowymi systemami grzewczymi – ogrzewaniem podłogowym lub grzejnikami niskotemperaturowymi – gdzie temperatura zasilania nie przekracza 40–45°C. Szczegółowe omówienie zasad doboru, obliczeń projektowych i kryteriów ekonomicznych poszczególnych rozwiązań zawierają kolejne rozdziały niniejszej publikacji.