Co to jest pompa ciepła?
Pompa ciepła jest urządzeniem termodynamicznym, które przenosi ciepło z jednego miejsca do innego za pomocą mechanicznej pracy lub naturalnego przepływu. Działa na zasadzie odwrotności cyklu chłodniczego, wykorzystując niskopotencjalne źródło ciepła, takie jak grunt, woda lub powietrze, do ogrzewania lub chłodzenia budynków albo do podgrzewania wody użytkowej. Aby zrozumieć zasadę działania pompy ciepła, najpierw należy wyjaśnić kilka podstawowych pojęć termodynamiki oraz opisać główne typy pomp ciepła.
Podstawy termodynamiki
Główną zasadą, na której opiera się działanie pompy ciepła, jest Pierwsza Zasada Termodynamiki, mówiąca o zachowaniu energii, zgodnie z którą energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona – może być jedynie przekształcona z jednej formy w inną. W kontekście pompy ciepła oznacza to, że energia cieplna jest przekazywana z niższego poziomu temperatury do wyższego, co z pozoru wydaje się sprzeczne z Drugą Zasadą Termodynamiki, mówiącą, że przepływ ciepła zachodzi naturalnie od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Pompa ciepła omija to „naturalne ograniczenie” poprzez zastosowanie pracy zewnętrznej, najczęściej w postaci elektryczności.
Komponenty
Podstawowe komponenty pompy ciepła to:
- Parownik – absorbuje ciepło z zewnętrznego źródła ciepła.
- Sprężarka – podnosi temperaturę i ciśnienie czynnika roboczego (często freonu lub innego czynnika chłodniczego).
- Skraplacz – oddaje ciepło do systemu ogrzewania w budynku lub do wody użytkowej.
- Rozprężnik (zawór rozprężny) – obniża ciśnienie czynnika roboczzego, przygotowując go do ponownej absorpcji ciepła w parowniku.
Proces cyklu pracy
Proces pracy pompy ciepła rozpoczyna się w parowniku, gdzie czynnik roboczy, będący w stanie gazowym o niskim ciśnieniu, absorbuje ciepło z otoczenia (ziemi, wody, powietrza). Ciepło to powoduje odparowanie czynnika na niskim poziomie cieplnym.
Następnie gazowy czynnik roboczy jest zasysany i sprężany przez sprężarkę, co prowadzi do wzrostu jego temperatury i ciśnienia. W takim stanie czynnik przepływa do skraplacza, gdzie oddaje zgromadzone ciepło do systemu ogrzewania budynku lub wody użytkowej, przy czym sam kondensuje, zamieniając się w ciecz.
Po opuszczeniu skraplacza, czynnik w stanie ciekłym i pod wysokim ciśnieniem przechodzi przez rozprężnik, który obniża jego ciśnienie i temperaturę. W rezultacie czynnik powraca do stanu, w którym może ponownie absorbować ciepło w parowniku i cykl się zamyka.
Typy pomp ciepła
- Pompy ciepła możemy klasyfikować ze względu na źródło ciepła oraz na medium, do którego ciepło jest dostarczane. Najpopularniejsze typy to:
- Pompy ciepła powietrze-woda – wykorzystują ciepło zawarte w powietrzu zewnętrznym do ogrzewania wody.
- Pompy ciepła grunt-woda – wykorzystują ciepło zgromadzone w gruncie do ogrzewania wody.
- Pompy ciepła woda-woda – wykorzystują ciepło z wód gruntowych do ogrzewania wody użytkowej lub systemu CO.
Pompy ciepła są uważane za jedno z najbardziej efektywnych rozwiązań z punktu widzenia energetycznego, oferując niskie koszty eksploatacji przy jednoczesnej redukcji emisji CO2. Ich efektywność jest określana współczynnikiem COP (Coefficient of Performance), który wskazuje stosunek uzyskanej energii grzewczej do zużytej energii elektrycznej. Wartości COP dla nowoczesnych pomp ciepła mogą przekraczać 5, co oznacza, że na każdy 1kW zużytej energii elektrycznej, pompa ciepła może dostarczyć ponad 5kW energii cieplnej.
Podsumowanie
Pompa ciepła jest zaawansowanym technologicznie urządzeniem, które wykorzystując niewielką ilość energii elektrycznej do napędzenia sprężarki, jest w stanie dostarczać wielokrotność tej energii w postaci ciepła do ogrzewania budynków czy wody. Dzięki swojej efektywności i redukcji emisji CO2, pompy ciepła stanowią kluczowy element w realizacji celów związanych z efektywnością energetyczną i transformacją energetyczną w kierunku zrównoważonego rozwoju.