Pompa ciepła

Schemat prostej sprężarkowej pompy ciepła 1) skraplacz, 2) zawór dławiący (lub kapilara), 3) parownik, 4) sprężarka

Pompa ciepła – maszyna cieplna wymuszająca przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych).

Pompy ciepła z termodynamicznego punktu widzenia realizują obieg Lindego, tak jak chłodziarki, ale ich podstawowym zastosowaniem jest ogrzewanie pomieszczeń i wody użytkowej (choć niektóre pompy ciepła wyposażone są w funkcję chłodzenia). W chłodziarkach i zamrażarkach ciepło jest „wypompowywane” z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamrażarka. Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń „wypompowuje” ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia. Zatem postawienie otwartej chłodziarki w otwartym oknie w celu podgrzania pomieszczenia zamienia daną chłodziarkę w powietrzną pompę ciepła.

Zasada działania

Nazwa „pompa ciepła” jest użyta przez analogię do nazwy powszechnie znanej „pompy hydraulicznej” pompującej ciecz (najczęściej wodę) z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej. Zarówno „pompa hydrauliczna”, jak i „pompa ciepła” potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyższej temperatury do niższej), przepływ tego ciepła może być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby „zmusić” ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej) należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji „pompa ciepła” i „silnik cieplny” mogą być jednym urządzeniem, podobnie jak jednym urządzeniem mogą być pompa hydrauliczna i silnik hydrauliczny w elektrowni szczytowo-pompowej.

Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez parujący ciekły czynnik roboczy znajdujący się pod niskim, stałym ciśnieniem [ciepło przemiany fazowej] czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), i dalej jako para trafia do sprężarki, gdzie rośnie jej ciśnienie oraz energia wewnętrzna. Para pod wysokim, stałym ciśnieniem oddaje ciepło skraplając się w wymienniku ciepła – skraplaczu (górne źródło ciepła) i czynnik w postaci cieczy przez zawór dławiący, lub rurkę kapilarną, lub turbinę rozprężną gdzie następuje spadek ciśnienia, trafia z powrotem do parownika.

Pompy ciepła wykorzystują jako dolne źródło energię cieplną niskotemperaturową (o niskiej energii) (w praktyce 0–60 °C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.

Sprawność

Sprawność to stosunek efektu do nakładu. W pompie ciepła za efekt uważa się ilość ciepła przekazywanego w górnym źródle. Gdyby pompa działała według idealnego cyklu Carnota byłby to iloczyn temperatury górnego źródła pomnożony przez przyrost entropii. Nakładem jest ilość energii dostarczonej przez sprężarkę w postaci strumienia pracy. Z bilansu energii wynika, że wartość tej pracy to różnica pomiędzy ilością ciepła przekazanego w górnym źródle do ilości ciepła pobranego w dolnym źródle. Dla idealnego obiegu całkowita zmiana entropii równa jest zero, a więc wzór na efektywność pompy sprowadza się do ilorazu temperatury górnego źródła do różnicy temperatur górnego i dolnego źródła. Efektywność cieplna pompy cieplnej COP jest większa od 1 i zależy silnie od różnicy temperatur górnego i dolnego źródła ciepła.

$COP_{g}={\frac {E_{s}}{E_{e}}}\leqslant {\frac {T_{s}}{T_{s}-T_{p}}}={\frac {1}{\eta _{c}}}$

gdzie:

• ${E_{s}}$, ${E_{e}}$ – energia przekazana w skraplaczu i dostarczona energia w sprężarce
• ${T_{s}}$, ${T_{p}}$ – temperatura skraplacza i parownika (wyrażona w skali absolutnej),
• $\eta _{c}$ – sprawność cyklu Carnota

W praktyce temperatura skraplacza jest od kilku do kilkunastu stopni wyższa od temperatury ogrzewanego pomieszczenia, a temperatura parownika jest o kilka stopni niższa od temperatury dolnego źródła ciepła.

Ze wzoru tego wynika, że pompy ciepła mają dużą efektywność przy małej różnicy temperatur, a tracą ją szybko wraz ze wzrostem tej różnicy.

Równość w powyższym wzorze może być osiągnięta wyłącznie w doskonałej, odwracalnej pompie ciepła. Rzeczywiste urządzenia mają niższą efektywność, z powodu przede wszystkim dwóch efektów:

• nieodwracalności procesów przekazu ciepła w parowniku i skraplaczu (odwracalne procesy musiałyby biec nieskończenie wolno, byłyby więc praktycznie bezużyteczne),
• strat energii (tarcia) w sprężarce i oporów przepływu czynnika chłodzącego.

Seryjnie budowane sprężarkowe pompy ciepła osiągają typowo sprawność równą 50–60% sprawności pompy doskonałej. W odniesieniu do wystandaryzowanych warunków pracy (temperatura parownika 0 °C = 273 K, temperatura skraplacza 50 °C = 323 K) daje to współczynnik efektywności pompy około 3,5, co oznacza, że ponad 70% dostarczonego przez pompę ciepła pochodzi z dolnego źródła, a reszta pochodzi z pracy sprężania.

Dodatkowo, w przypadku, gdy parownik odbiera ciepło od otaczającego powietrza (zawierającego parę wodną), następuje skokowy spadek sprawności przy temperaturze poniżej 0 °C na powierzchni parownika. Jest to spowodowane oszranianiem się parownika i koniecznością okresowego odwracania obiegu pompy celem odszronienia.

Rodzaje pomp ciepła

Powietrzne (ASHP)

Powietrzna pompa ciepła (źródłem ciepła jest powietrze pobrane z zewnątrz)

• Pompa ciepła powietrze-powietrze (transportuje ciepło do wewnątrz)
• Pompa ciepła powietrze-woda (transportuje ciepło do obiegu grzewczego i do zbiornika domowego z gorącą wodą)

Wyróżniamy dwa typy powietrznego źródła ciepła i oddzielne typy urządzeń. Obydwa urządzenia używają powietrza zewnętrznego jako źródło ciepła. Pompy powietrzno-powietrzne, które pobierają ciepło z powietrza zewnętrznego i transportują to ciepło do powietrza wewnętrznego (np. domu) są najtańszymi i najbardziej powszechnymi. Nie różnią się one od klimatyzatorów niczym, oprócz tego, że ich celem działania jest ogrzewanie wewnętrznego powietrza zamiast jego chłodzenia. Pompy te dostarczają ciepło do budynku w odróżnieniu od klimatyzatorów, które wyprowadzają ciepło na zewnątrz chłodząc wnętrze.

Pompy ciepła powietrzno-wodne transportują pobrane ciepło z zewnątrz do obiegu grzewczego-ogrzewanie podłogowe jest najbardziej wydajne, ale pompy te mogą również transportować ciepło do domowych zbiorników wody gorącej, a woda ta używana jest do zasilania kranów, pryszniców w budynku. Niemniej jednak, gruntowo-wodne pompy ciepła są bardziej wydajne niż powietrzno-wodne i dlatego najczęściej są lepszym wyborem w dostarczaniu ciepła do ogrzewania podłogowego i domowych systemów ciepłej wody użytkowej.

Powietrzne pompy ciepła są względnie proste i niedrogie w instalacji oraz historycznie są najpowszechniej stosowanymi typami pomp ciepła. Jednak z uwagi na użycie powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła posiadają ograniczenia.

Gruntowe (GSHP)

• Gruntowe pompy ciepła (źródłem ciepła jest grunt lub podobne źródło)
  • Gruntowo-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do wewnątrz)
  • Glebowo-powietrzne pompy ciepła (gleba jako źródło ciepła)
  • Skalno-powietrzne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła)
  • Wodno-powietrzne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła, np. wody podziemne, jezioro, rzeka)
• Gruntowo-wodne pompy ciepła (transportują ciepło do obiegu grzewczego i domowego zbiornika wody gorącej)
  • Glebowo-wodne pompy ciepła (gleba jako źródło ciepła)
  • Skalno-wodne pompy ciepła (skała jako źródło ciepła)
  • Wodno-wodne pompy ciepła (zbiornik wodny jako źródło ciepła)

Gruntowe pompy ciepła, czasem nazywane „geotermalnymi pompami ciepła” mają większą efektywność (COP) niż powietrzne pompy ciepła specjalnie przy niższych temperaturach otoczenia.
Efektywność energetyczna (COP) powietrznych pomp ciepła jest równa 1 (ilość energii pobieranej jest równa ilości energii zużytej do pobrania) już przy temperaturze -18 stopni.
Wydajność (COP) gruntowych pomp ciepła jest uzależniona od możliwości transportu ciepła w gruncie – sytuacją optymalną jest umieszczenie dolnego źródła (odwierty pionowe lub obwód poziomy) w warstwie wody gruntowej.

Powietrze wylotowe (EAHP)

• Pompy ciepła na wylotowe powietrze (pobierają ciepło z powietrza wylotowego z budynku, wymagają mechanicznej wentylacji)
  • Wylotowe powietrzno-powietrzne pompy ciepła (transportują ciepło do powietrza wlotowego)
  • Wylotowe powietrzno-wodne pompy ciepła (transportują ciepło do obiegu grzewczego i domowego zbiornika ciepłej wody użytkowej)

Wodne pompy ciepła (WSHP)

• Używają jako źródło ciepła wodę płynącą

W zależności od zewnętrznego źródła zasilania można je również podzielić na:

• elektryczne,
• olejowe,
• gazowe (GHP – Gas Heating Pumps).

Dobór źródła zasilania ma nie tylko wpływ na ostateczną ekonomiczność i efektywność rozwiązania (zastosowanie silników gazowych pozwala na dalsze oszczędności dochodzące nawet do 50% w stosunku do tradycyjnych pomp ciepła), ale również na środowisko (LPG jest rozwiązaniem bardziej ekologicznym niż np. olej opałowy).

Hybrydowe pompy ciepła

W ostatnich czasach pojawiły się nowe rozwiązania techniczne, których celem jest dalsze zwiększenie całorocznej efektywności energetycznej. Jednym z nich jest Hybrydowa Pompa Ciepła, która jest połączeniem różnych typów pomp ciepła w jednym urządzeniu. Taka hybryda wykorzystuje zalety poszczególnych typów pomp ciepła i eliminuje większość ich wad. Pracą takiej hybrydowej pompy ciepła steruje sterownik mikroprocesorowy, który pozwala optymalnie wykorzystać warunki termiczne co przyczynia się do zwiększenia całorocznej efektywności energetycznej w stosunku do pompy ciepła standardowego typu. Oprócz hybrydowych pomp ciepła wykorzystujących różne rodzaje energii (elektryczna, gaz, ciepło odpadowe) oraz różne zjawiska fizyczne (termodynamiczne przemiany gazowe, absorpcja, adsorpcja, przemiany fazowe wody) pojawiły się takie Hybrydowe Pompy Ciepła, które są połączeniem gruntowej i powietrznej pompy ciepła. Taka Hybrydowa Pompa Ciepła do swojej prawidłowej pracy z wysoką efektywnością energetyczną potrzebuje zarówno gruntowego wymiennika ciepła (kolektora), jak i powietrznego wymiennika ciepła, odpowiednio ze sobą połączonych. Całoroczna efektywność energetyczna tej hybrydy jest większa zarówno od gruntowej pompy ciepła (GSHP), jak i od powietrznej pompy ciepła (ASHP). Jedną z przyczyn bardzo wysokiej efektywności energetycznej Hybrydowej Pompy Ciepła jest brak cykli odmrażania, powietrznego wymiennika ciepła przy użyciu dodatkowej energii co powoduje istotne oszczędności w skali roku. Hybrydowa Pompa Ciepła może być samodzielnym źródłem ciepła na potrzeby zarówno centralnego ogrzewania, jak i przygotowywania ciepłej wody użytkowej do celów gospodarczych. Zasilenie Hybrydowej Pompy Ciepła tanią energią spowoduje dalsze zwiększenie jej, już nominalnie wysokiej efektywności energetycznej.

Hałas

Zewnętrzna część pompy ciepła typu powietrze-powietrze lub powietrze-woda zawiera części mechaniczne (wentylator), które wytwarzają hałas. Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) rozpoczął w roku 2013 program zmierzający do opracowania norm dla takich ekranów.

Poziom hałasu wytwarzanego zwłaszcza podczas grzania przez część pompy znajdującą się na zewnątrz budynku zależy od rodzaju pompy. Dane dotyczące poziomu hałasu wytwarzanego przez pompy czasami przekraczają normy, zwłaszcza te przyjęte dla godzin nocnych na terenach mieszkaniowych, w Polsce, Francji, Wielkiej Brytanii i w innych krajach. Nie znaczy to, że tych pomp nie można legalnie używać, ale przekroczenie norm hałasu w wyniku montażu zbyt głośnej pompy w Polsce może wiązać się z koniecznością płacenia kar za przekroczenie limitu hałasu i odszkodowań w sprawach cywilnych z sąsiadami.

Hałas pompy zewnętrznej można stosunkowo łatwo zmniejszyć, stosując prawidłowo wykonane ekrany. Takie ekrany można też zastąpić obiektami, które rozproszą i pochłoną dźwięk, takimi jak ścianki, płotki itp.

Dodatkowym źródłem hałasu (a i strat energetycznych), w przypadku powietrznych pomp ciepła jest konieczność ich okresowego odszraniania w temperaturach ujemnych co wiąże się ze zmianą natężenia dźwięków – czasem bardziej uciążliwą od jednorodnego poziomu hałasu w temperaturach dodatnich.

Dobór pompy ciepła

Pompa ciepła uzyskuje największe skuteczności energetyczne w połączeniu z ogrzewaniem niskotemperaturowym (ogrzewanie podłogowe). Nowo budowany obiekt powinien posiadać świadectwo energetyczne, z którego można skorzystać przy doborze mocy pompy ciepła. Moc pompy ciepła dobiera się w oparciu o projektowe obciążenie cieplne budynku. Zapotrzebowanie na ciepło dla domu zależy od wielu czynników jak powierzchnia budynku, budowa ścian, ilość i rozmieszczenie otworów okiennych i drzwiowych i wiele innych.

Przy projektowaniu systemów grzewczych z pompą ciepła mamy do wyboru kilka rozwiązań:

• system monowalentny – pompa jest jedynym urządzeniem grzewczym;
• system biwalentny alternatywny – w systemie pracują dwa urządzenia; po osiągnięciu określonej temperatury zewnętrznej pompa wyłącza się i włącza się drugie urządzenie np. kocioł gazowy lub olejowy;
• system biwalentny równoległy – w systemie pracują dwa urządzenia; po osiągnięciu określonej temperatury zewnętrznej włącza się drugie urządzenie i od tej pory obydwa urządzenia pracują równocześnie.

Zobacz też

• chłodziarka
• silnik cieplny
• kolektor słoneczny
• rekuperator

Bibliografia

• Marian Rubik: Pompy Ciepła. Poradnik. Wyd. II. Warszawa: Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, 1999. ISBN 83-909273-4-9.brak strony w książce
• Robert Załęski: Hybrydowa Pompa Ciepła, 2017 r., Hybrydowa Pompa Ciepła

Linki zewnętrzne

• Ogrzewanie i chłodzenie z wykorzystaniem pomp ciepła (ang.)
• Pompy Ciepła