Pompy ciepła jako główne źródło ogrzewania mieszkań i domów to fenomen, o którym głośno jest stosunkowo od niedawna, jeśli wziąć pod uwagę historię ogrzewania.
Nie dziwi więc, że dla wielu osób nadal jest to technologia nieznana i nie każdy jest w stanie wytłumaczyć jaka jest zasada jej działania oraz z czego składa się takie urządzenie. Jeśli należysz do tej grupy lub chcesz utrwalić swoją wiedzę, to trafiłeś idealnie, bo właśnie o tym traktować będzie ten artykuł.
Czy pompy ciepła to faktycznie nowa technologia?
Mogło by się wydawać, że pompy ciepła to zupełnie nowa technologia, która przebojem weszła pod strzechy i opanowała segment ogrzewania. Jednakże, zasada działania pompy ciepła to stara historia.
Tak naprawdę zwykła lodówka stojąca w Twojej kuchni też działa jak pompa ciepła. Podobnie z klimatyzacją w Twoim samochodzie czy w domu. W naszym kraju utarło się nazywać pompą ciepła wyłącznie urządzenie, które ogrzewa mieszkanie lub dom, mimo że jest to znacznie szersze pojęcie i dotyczy także innych urządzeń.
Zjawiska fizyczne, które wykorzystuje pompa ciepła
Zanim przejdziemy do zasad działania każdej z pomp ciepła, winni jesteśmy mały wstęp teoretyczny.
W naturalnych warunkach ciepło przepływa z chłodniejszego ośrodka do cieplejszego. Przykładem niech będzie woda w czajniku, która pomimo zagotowania po jakimś czasie wychłodzi się do temperatury pokojowej.
Jak zatem udało się odwrócić tę sytuację i doprowadzić dzięki pompie ciepła do stanu, w którym chłodniejsze powietrze ogrzewa cieplejsze pomieszczenie Twojego domu? Inżynierowie wykorzystali kilka zjawisk fizycznych, które pokrótce omówimy.
Jeśli miałeś okazję pompować rower ręcznie za pomocą pompki, to zauważyłeś pewnie, że pompka ta zaczyna się nagrzewać. Jest to jedno ze zjawisk wykorzystywanych przy pompie ciepła, a mianowicie sprężanie gazu.
Podczas sprężania jakiegokolwiek gazu, jego temperatura oraz ciśnienie wzrastają. Chcąc mieć napompowane koło, tak naprawdę chcesz uzyskać w nim wyższe ciśnienie powietrza. Efektem ubocznym jest wzrost temperatury powietrza w pompce.
Analogicznie zjawisko to zadziała w drugą stronę, podczas rozprężania gazu. Wtedy, jak się domyślasz, ciśnienie oraz temperatura rozprężanego gazu będą spadać.
Gdybyśmy tylko sprężali i rozprężali gaz za pomocą pompy ciepła, to owszem przenieślibyśmy powietrze z chłodniejszego miejsca do cieplejszego, ale byłoby to nieefektywne – musiałoby to być bardzo duże urządzenie, a jego sprawność nie powalałaby na kolana.
Na szczęście fizyka wspomaga nas także innym fenomenem, jakim jest przemiana fazowa. Dla każdej substancji, np. wody potrzebujemy jakąś konkretną ilość energii, aby podgrzać ją do odpowiedniej temperatury i doprowadzić do wrzenia. Jednakże aby doprowadzić tę samą wodę z punktu wrzenia do punktu parowania, potrzebujemy sześciokrotnie więcej energii. Właśnie z tej różnicy w ilości energii korzystają pompy ciepła: w jednym miejscu odparowują, a w drugim skraplają czynnik chłodniczy po to, by wykraść jak najwięcej energii spoza mieszkania i oddać ją w mieszkaniu.
Jak działa pompa ciepła?
Znając już powyższe zjawiska fizyczne możemy płynnie przejść do zasady działania pompy ciepła.
Zimny gaz z zewnątrz ściskany jest kompresorem, co podnosi jego temperaturę. Podczas takiego zabiegu gaz zmienia swoją temperaturę z minusowej do ok. 50 – 60 stopni powyżej zera w zależności od modelu i punktu pracy pompy ciepła.
Rozgrzany w ten sposób gaz kierowany jest na wymiennik ciepła (płytowy bądź rurowy), przez który przepływa woda z grzejników lub ogrzewania podłogowego o temperaturze ok. 27 stopni. Woda ta jest dużo chłodniejsza od naszego gazu wychodzącego z kompresora. Gaz rozgrzany przez kompresor oddaje ciepło do wody w wymienniku ciepła, a woda ta płynie do grzejników lub podłogówki, gdzie następuje jej ochłodzenie. Jeśli gaz odda wodzie tyle energii cieplnej, że ochłodzi się do poziomu skraplania, zmieni on swój stan skupienia i odda dodatkową energię z przemiany fazowej.
Taka schłodzona gazowa mgiełka o obniżonym ciśnieniu trafia na parownik, gdzie następuje proces pełnego odparowania dzięki ogrzaniu tej mgiełki powietrzem z zewnątrz, które co prawda jest chłodne, ale za to wystarczająco dużo cieplejsze od owej mgiełki. Kiedy tylko gaz w całości odparuje z parownika, cykl się zamyka, a odparowany czynnik trafia na sprężarkę podnoszącą ciśnienie czynnika i kierującą go do wymiennika w jednostce wewnętrznej.
Z czego składa się pompa ciepła?
Patrząc na powyższe z nieco innej strony, układ chłodniczy składa się z czterech elementów, są to kolejno:
- skraplacz, gdzie czynnik chłodniczy oddaje ciepło do domu,
- zawór rozprężny, który drastycznie zmniejsza ciśnienie i rozpręża gaz zmniejszając jego temperaturę,
- parownik, w którym czynnik chłodniczy posiadający niską temperaturę zabiera ciepło z cieplejszego otoczenia i wrze aż do odparowania,
- kompresora zasilanego silnikiem elektrycznym, który ściskając gaz podwyższa jego temperaturę, zwiększa ciśnienie i przenosi z powrotem na skraplacz
Podsumowanie
Słyszałeś tyle razy o pompach ciepła, ale nigdy do końca nie wiedziałeś jak to urządzenie działa i z jakich zjawisk termodynamicznych korzysta? Mamy nadzieję, że dzięki temu artykułowi ten problem u Ciebie zniknął i podzielisz się właśnie zdobytą wiedzą z innymi!
