Czym jest pompa ciepła ?
To pytanie zadaje coraz większa liczba ludzi.
Otóż pompa ciepła jest urządzeniem pobierającym ciepło ze źródła o niskiej temperaturze (np.: ziemia o temperaturze 8°C) i oddającym to ciepło do źródła o wyższej temperaturze (np.: woda grzewcza o temperaturze 40°C ).
Rozważmy to na przykładzie sprężarkowej pompy ciepła typu solanka/woda.
P1 - pompa obiegowa kolektora glebowego
P2 - pompa obiegowa układu grzewczego
SP - sprężarka
SK - wymiennik ciepła - skraplacz
ZR - zawór rozprężny
PR - wymiennik ciepła - parowacz
W układzie tym można wyróżnić trzy główne elementy:
- Dolne źródło ciepła - w tym przypadku kolektor glebowy, rurki zakopane w ogródku przez które płynie płyn o niskiej temperaturze zamarzania (np. solanka, glikol),
- Pompa ciepła
- Górne źródło ciepła - czyli układ grzewczy.
Z kolektora ziemnego płynie solanka do wymiennika ciepła w pompie ciepła (parowacza), gdzie jest schładzana z 0°C do -5°C. Następnie solanka wraca z powrotem do kolektora ziemnego, gdzie jest ogrzewana przez ziemię do 0°C. Temperatura ziemi na początku sezony grzewczego wynosi około 8 °C i w trakcie sezonu grzewczego stopniowo maleje.
Po drugiej stronie parowacza (wymiennika ciepła w pompie ciepła) następuje gwałtowne odparowanie czynnika roboczego (np. freon, R407C). Podczas parowania następuje pobranie ciepła od ścianek wymiennika ciepła a co za tym idzie od solanki (następuje jej schłodzenie).
Po odparowaniu czynnik roboczy jest zasysany przez sprężarkę i sprężany do wysokiego ciśnienia (10-26 bar). Podczas procesu sprężania następuje bardzo duży wzrost temperatury czynnika roboczego.
Po sprężeniu rozgrzany gaz (czynnik roboczy) o dużym ciśnieniu przepuszczany jest przez kolejny wymiennik ciepła - skraplacz. Po drugiej stronie skraplacza znajduje się woda grzewcza o temperaturze na wejściu 35°C. Przepływający gaz ogrzewa ścianki wymiennika a co za tym idzie wodę do temperatury 40°C. Podczas tego procesu następuje schłodzenie gazu (czynnika roboczego) w wyniku czego następuje jego skroplenie i na wyjściu parowacza mamy czynnik roboczy w postaci ciekłej pod dużym ciśnieniem. Następnie ciekły czynnik roboczy przepływa przez zawór rozpręży, gdzie następuje gwałtowne obniżenie jego ciśnienia, po czym przepływa do parowacza, gdzie następuje jego odparowanie - proces się powtarza.
Podgrzana woda z skraplacza przepływa przez układ grzewczy, gdzie jest schładzana i wraca do skraplacza, gdzie jest ponownie podgrzana.
Jak widzimy praca pompy ciepła opiera się na kilku zjawiskach:
- parowaniu podczas którego pobierane jest ciepło przez czynnik roboczy,
- sprężaniu podczas którego podnoszona jest temperatura i ciśnienie czynnika roboczego,
- skraplaniu podczas którego odbierane jest ciepło od czynnika roboczego.
Ten sam proces realizowany jest w naszych lodówkach, gdzie ciepło pobierane jest ze środka (temperatura 5°C) i oddawane na zewnątrz poprzez skraplacz - radiator za lodówką (temperatura 40°C).
Sprężarka podnosząca ciśnienie czynnika roboczego napędzana jest silnikiem elektrycznym.
Stosunek ilości energii cieplnej jaką otrzymaliśmy na skraplaczu pompy ciepła do ilości energii elektrycznej jaką pobrał silnik sprężarki nazywamy sprawnością pompy ciepła.
W zależności od z jakiego źródła pobierane jest ciepło (woda, ziemia, powietrze), jakie to źródło ma temperaturę oraz jaka jest temperatura wody grzewczej na wyjściu pompy ciepła zmieniać się będzie sprawność. Wacha się ona zazwyczaj od 2,5 do 5 to znaczy, że z 1 kW prądu otrzymamy od 2,5 do 5 kW mocy grzewczej pompy ciepła. Cecha ta czyni pompę ciepła niezwykle tanim oraz niezwykle komfortowym w eksploatacji źródłem ciepła w naszych domach.
Generalnie im wyższa temperatura wody grzewczej tym sprawność bardzo mocno maleje oraz im niższa temperatura źródła z którego pobierane jest ciepło tym niższa sprawność pompy ciepła.
Ciekawostki:
Pierwsze podstawy teoretyczne pomp ciepła zostały przedstawione już w 1834 roku przez Pelletana. Informacje na temat możliwości zastosowania pomp ciepła do ogrzewania pochodzą z 1852 roku.
W 1928 roku powstała w Anglii pierwsza instalacja do ogrzewania domu oparta na sprężarkowej pompie ciepła.
