Jak działa pompa ciepła?
Etapy, które trzeba poznać, aby to zrozumieć.
Pompa ciepła pod kątem samego schematu działania, nie jest skomplikowanym urządzeniem. Dużo mówi się obecnie o pompach ciepła w kontekście kryzysu energetycznego i oszczędności, jakie te urządzenia są w stanie (bo niekoniecznie zawsze tak będzie) przynieść użytkownikowi. W sieci można znaleźć wiele artykułów opisujących jak te urządzenia działają, jednak uważam, że zbyt często pisane są one skomplikowanym, branżowym językiem. Postanowiłem napisać ten artykuł, zbierając wszystkie te informacje i podając w lżejszej, wedle mojej opinii, formie. Dlatego mam nadzieję, że uda mi się przybliżyć Tobie, drogi czytelniku/droga czytelniczko, sam mechanizm działania, w prosty i przystępny sposób. Za przykład posłuży mi tu pompa ciepła powietrze-woda, bo są wykorzystywane one zdecydowanie najczęściej. Natomiast niezależnie od tego, czy będzie to pompa ciepła typu split, czy monoblok, mechanizm działania pozostaje niezmienny. Mechanizm działania pomp ciepła gruntowych czy wodnych, nie różni się zbytnio, poza tym, że ciepło pobierane jest z innego miejsca.
Otóż handlowcy na swoich spotkaniach z klientami bardzo często porównują pompę ciepła do lodówki:
– Wie Pan jak działa taka pompa ciepła?
– No właśnie nie wiem. Nikt mi do tej pory tego nie wytłumaczył.
– To taka odwrócona lodówka.
W tym momencie na twarzy naszego klienta, rozmówcy, maluje się takie samo niezrozumienie, jak do tej pory. Mało kto zastanawia się w końcu jak taka lodówka w zasadzie działa, stąd ciężko to sobie w ogóle wyobrazić. Mamy zimno w środku. Tyle w temacie.
Pompa ciepła, to nie lodówka. Choć istotnie mechanizm działania jest podobny.
Wróćmy zatem do początku. Pompa ciepła jest urządzeniem, które przekazuje ciepło z jednego miejsca do drugiego. Pobiera ciepło z otoczenia i oddaje je do budynku.
Jeżeli nie interesują Cię technikalia, to w zasadzie na tym etapie możesz zakończyć ten materiał. End of story.
Dla wszystkich tych, którzy chcą zagłębić się w temat, wyjaśnimy sobie teraz jak do tej wymiany właściwie dochodzi.
Źródło ciepła
Czynnik chłodniczy – jaka jest jego rola?
Każda pompa ciepła zawiera w sobie, w swoim układzie, pewną substancję – gaz, który nazywamy czynnikiem chłodniczym. Nazwa może być myląca, ale nazywamy go chłodniczym, ponieważ gaz ten, zanim pompy ciepła stały się popularne, wykorzystywany był przede wszystkim w systemach klimatyzacji, chłodziarkach, lodówkach itd. Co będzie dla nas istotne to to, że temperatura tego czynnika krążącego w naszej pompie ciepła, jest niższa od temperatury na zewnątrz. Dzięki temu (i zasadom fizyki) może on w pewien sposób przejąć ciepło z otoczenia. Bo w końcu w fizyce czy chemii, wymiana gazów, cieczy, składników, polega na ich przemieszczeniu z miejsca, gdzie jest ich dużo, do miejsca gdzie jest ich mniej. Zachodzi wymiana.
Parownik – wymiennik ciepła.
I teraz w pompie ciepła mam coś, co nazywamy parownikiem. Parownik jest właśnie takim wymiennikiem ciepła. Wymienia ciepło między jednym a drugim punktem. Pobiera ciepło z otoczenia i przekazuje to ciepło czynnikowi chłodniczemu. Czynnik chłodniczy, jak już wspomnieliśmy ma niższą temperaturę, niż otoczenie. Niższa jest również jego temperatura wrzenia. Dzięki temu, nawet kiedy mamy niskie temperatury na zewnątrz, dochodzi do ogrzania czynnika do takiej temperatury, która pozwala na zwiększenie jego objętości. Czynnik zaczynać parować.
Kiedy parzycie kawę, herbatę, to woda w czajniku, kiedy ogrzeje się do odpowiedniej temperatury, zaczyna się gotować, czyli wrzeć, przez co zaczyna ona bulgotać – zwiększa swoją objętość i wytwarza się duża ilość pary. Różnica jest taka, że woda zaczyna wrzeć w temp. 100 stopni, a czynnik chłodniczy może wrzeć przykładowo przy -52 stopniach temperatury tego czynnika.
Mamy też drugie urządzenie, o którym często się mówi w kontekście jakości, żywotności czy efektywności samej pompy ciepła. Mam tu na myśli sprężarkę. Po tym jak czynnik chłodniczy zaczyna wrzeć, powstała tak para przekazywana jest dalej. Trafia ona do sprężarki właśnie. Właściwie jest przez nią zasysana.
Teraz zobaczcie, powiedzieliśmy sobie, że wymiana ciepła z otoczeniem, zachodzi dzięki temu, że ciepło przechodzi z miejsca, gdzie jest go kolokwialnie mówiąc dużo, do miejsca, gdzie jest go mało.
Tylko temperatura wody w instalacji centralnego ogrzewania w domu, będzie wyższa, niż temperatura tego czynnika. Praw fizyki nie da się oszukać, ale…
Sprężanie czynnika chłodniczego.
Wyobraźcie sobie sprężarkę jako taką szczelną puszkę, z której ten gaz próbuje się uwolnić. My gaz w tej puszce będziemy ściskać (sprężać). Im mniej przestrzeni ma gaz w tej naszej puszce, tym bardziej chce się on z tej puszki uwolnić i tym większe będzie jego ciśnienie. Zwiększenie ciśnienia czynnika chłodniczego powoduje, że czynnik ten zaczyna nam się bardzo szybko ogrzewać. I kiedy mamy już ten czynnik ogrzany do takiej temperatury, jakiej potrzebujemy, trafia on dalej, do drugiego wymiennika ciepła w naszym urządzeniu – do skraplacza.
I tak, jak parownik przyjął swoją wdzięczną nazwę, dzięki efektowi parowania, tak nazwa skraplacza pochodzi od efektu tego zjawiska – od skraplania się wody, który zachodzi przy tej wymianie ciepła. Dzięki temu, że ten gaz ogrzaliśmy, może nastąpić kolejne przekazanie ciepła. Para, która dostaje się do skraplacza, skrapla się i ogrzewa dalej wodę, pochodzącą notabene właśnie z instalacji centralnego ogrzewania. Tak ogrzana woda trafia dalej do instalacji ogrzewania podłogowego (tzw. podłogówki), czy do kaloryferów. W ten sposób pompa ciepła zapewnia nam ciepło w naszym domu.
Rozprężanie i powrót.
Ten skroplony czynnik wróci później do obiegu. Dzięki jego rozprężeniu, czyli zmniejszeniu ciśnienia – czegoś odwrotnego do tego, co zrobiła dla nas sprężarka, jego temperatura ponownie się zmniejszy, przez co czynnik znowu będzie mógł pobrać ciepło z otoczenia.
Podstawy masz za sobą.
Jeżeli dotrwałeś/dotrwałaś do tego momentu, gratuluję, podstawy działania pompy ciepła masz już za sobą. Oczywiście, są pewne niuanse, które odróżniają urządzenia jednego producenta, od urządzeń drugiego. Z czego wynikają te różnice, postaram się przybliżyć Ci w osobnym artykule.
Jak widzisz, proces ogrzewania pompą ciepła różni się znacznie od ogrzewania piecem czy kotłem, ponieważ nie zachodzi tu proces spalania jakiegokolwiek materiału – węgla czy gazu. Dzięki temu, że wykorzystujemy odnawialne źródło – powietrze i nie oddajemy zbędnego dwutlenku węgla do atmosfery, możemy uznać ogrzewanie pompą ciepła za ekologiczne.
Do pracy urządzenia potrzebujemy jedynie energii elektrycznej.
Na temat tego od czego zależy jak duże będzie zużycie energii przez pompę ciepła, napisałem więcej tutaj:
Pompa ciepła – 14 czynników wpływających na zużycie energii
Schemat obrazkowy:
Źródło: BWP/PORT PC
Przejdźmy do podsumowania:
I etap: to wymiana ciepła między powietrzem, a urządzeniem, przez wymiennik ciepła, zwany parownikiem.
II etap: ogrzany czynnik chłodniczy zaczyna parować i trafia dalej, do sprężarki.
III etap: w sprężarce zwiększane jest ciśnienie gazu, przez co zwiększa się również jego temperatura.
IV etap: sprężony gaz trafia dalej do drugiego wymiennika ciepła – skraplacza, gdzie jest skraplany – ponownie zwiększa się jego ciśnienie i temperatura.
V etap: powstała w ten sposób ciecz ogrzewa wodę w instalacji centralnego ogrzewania, a następnie wraca do układu, gdzie później jest rozprężana, aby czynnik chłodniczy znów mógł pobrać ciepło z otoczenia.
Teraz znasz już sam mechanizm działania. Za magię odpowiada dalej automatyka pracy i wykorzystane komponenty. Jeżeli ciekawią Cię szczegóły, różnice pomiędzy konkretnymi urządzeniami, przejrzyj pozostałe moje artykuły. Być może znajdziesz wśród nich materiały dla siebie. Jeżeli jesteś handlowcem, pomogą Ci usystematyzować wiedzę, a jeżeli jesteś przyszłym użytkownikiem pompy ciepła, pozwolą Ci lepiej przygotować się do jej zakupu.
Słownik pojęć:
Czynnik chłodniczy – gaz, który może przejmować i oddawać ciepło.
Wymiennik ciepła – urządzenie, którego zadaniem jest wymiana ciepła.
Parownik – wymiennik ciepła, w którym czynnik chłodniczy ulega odparowaniu.
Skraplacz – wymiennik ciepła, który zamienia czynnik chłodniczy z gazu w płyn.
Sprężarka – urządzenie, które zwiększa ciśnienie gazu (czynnika chłodniczego).
Sprężanie – proces zwiększania ciśnienia czynnika chłodniczego.
Rozprężanie – proces zmniejszania ciśnienia czynnika chłodniczego.
Dolne źródło ciepła – źródło, z którego „pobieramy” ciepło, takie jak powietrze, grunt lub woda.
