Pompa ciepła wykorzystuje promieniowanie słoneczne jako dolne źródło ciepła. Zauważmy, że słońce rozgrzewa latem powierzchnię Ziemi, kumulując w jej górnych warstwach energię cieplną. Energię, którą możemy wykorzystać do ogrzewania budynku.

Można stwierdzić, że Słońce ogrzewa grunt do głębokości 1,5 metra, licząc od jej powierzchni. Do tej głębokości latem grunt ogrzewa się najszybciej, gromadząc w sobie ciepło. Druga sprzyjająca własność gruntu wiąże się z tym, że bardzo chętnie kumuluje on w sobie ciepło i to w dużych ilościach. Wystarczy zatem poczekać do zimy i „wydobyć” z niego ciepło, które wcześniej zostało wyemitowane przez Słońce.

Niestety temperatura gruntu zimą znacznie spada i jest porównywalna z temperaturą otoczenia, bowiem wynosi około +5 °C. Zgodnie z podstawami wymiany ciepła, jak również z ogólnie znaną wiedzą praktyczną, niemożliwe jest podgrzanie budynku do temperatury +20 °C za pomocą medium, które osiąga temperaturę +5 °C, mimo że posiada w sobie dużo zakumulowanej energii cieplnej.

Aby móc wykorzystać tę energię mimo jej niskiej temperatury, wystarczy zainstalować urządzenie chłodnicze, które potrafi pozyskać energię cieplną z nośnika o niskiej temperaturze i przesłać tę energię dalej do systemu grzewczego budynku przy odpowiednio wyższej temperaturze. Wystarczy zatem zainstalować pompę ciepła wraz z wymiennikiem, poprzez który energia cieplna z gruntu przepłynie do tego urządzenia, które energię tę przekształci w taki sposób, że na zasilaniu instalacji grzewczej budynku będzie płynęła woda o temperaturze +55 °C.

Pompa ciepła – historia

Nazwa „pompa ciepła” pochodzi z 1852 roku, kiedy to po raz pierwszy lord Kelwin (Wiliam Thomson, 1824-1907) opisał w sposób czysto teoretyczny możliwości wykorzystania tego urządzenia do ogrzewania. W tym czasie, a więc w wieku XVIII i w pierwszej połowie XIX wieku, ciepło uważane było za rodzaj nieważkiej materii zwanej cieplikiem. W oparciu o teorię cieplikową możliwe było wówczas wytłumaczenie zjawiska wymiany ciepła między ciałami jako przekazywanie cieplika, a więc określonej ilości materii, od jednego ciała do drugiego, w kierunku spadku temperatury.

Zgodnie ze znajomością i opisem praw termodynamiki owego czasu również Kelwin opisał transformowanie ciepła z poziomu niskotemperaturowego na poziom wysokotemperaturowy jako proces pompowania owej materii – cieplika (za jakie uważano ciepło) dzięki dostarczeniu energii z zewnątrz, a urządzenie to nazwał pompą ciepła.

Jak działa pompa ciepła?

Zasada działania pompy ciepła jest identyczna jak urządzenia chłodniczego. Różnią się one funkcją, jaką dane urządzenie spełnia, oraz zakresem parametrów pracy. W urządzeniu chłodniczym wykorzystuje się ciepło pobrane przy niskiej temperaturze, natomiast w pompie ciepła wykorzystuje się ciepło oddane przy odpowiednio wyższej temperaturze.

Z definicji II zasady termodynamiki wynika, że ciepło może samorzutnie przepływać tylko od wyższego do niższego poziomu temperatury. W otoczeniu (powietrzu, wodzie, gruncie) znajdują się olbrzymie naturalne źródła energii o niskim poziomie temperatury. Za pomocą pompy ciepła źródła te mogą zostać wykorzystane do celów grzewczych i przygotowania ciepłej wody użytkowej poprzez dostarczenie dodatkowej energii. Powyższą analogię można porównać do pompy cieczy, która pompuje wodę z niższego poziomu na wyższy; pompa ciepła transportuje energię cieplną z niższego poziomu temperatury na wyższy (rys. 1).

Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-1
Rys. 1. Analogia procesu pompowania wody i ciepła.

Szczególnie sprzyjające warunki do zastosowania pomp ciepła mają miejsce, gdy:

  • istnieje źródło ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze (najlepiej wyższej od temperatury otoczenia), ale za niskiej do bezpośredniego wykorzystania;
  • poprzez zastosowanie pompy ciepła możliwe jest zawrócenie i ponowne wykorzystanie strumienia energii przepływającego przez urządzenie (np. w klimatyzatorach);
  • istnieje zapotrzebowanie zarówno na ciepło, jak i na zimno;
  • energia cieplna przekazywana jest na znaczną odległość i zastosowanie pompy ciepła w miejscu poboru energii zmniejsza koszty inwestycyjne.

Należy zauważyć, że pompa ciepła nie może wytwarzać energii cieplnej. Jest ona urządzeniem pobierającym ciepło przy niskiej temperaturze (źródło dolne) i – dzięki doprowadzeniu energii napędowej – oddającym ciepło przy wyższej temperaturze (źródło górne).

Jak działa pompa ciepła sprężarkowa?

Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła przedstawiona jest na rys. 2. Sprężona w sprężarce (Sp) para czynnika (o stanie 2) ulega skropleniu w skraplaczu (S), a następnie dławieniu w zaworze rozprężnym (ZR) od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania (3-4). Zdławiona (do stanu 4) mieszanina dwufazowa para-ciecz wpływa do parownika (P), gdzie następuje jej odparowanie, po czym para (o stanie 1) wpływa ponownie do sprężarki, zamykając w ten sposób obieg czynnika niskowrzącego.

Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-2
Rys. 2. Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła: P- parownik, S-skraplacz, Sp -sprężarka, ZR-zawór rozprężny.

Proces ten przebiega dzięki dostarczonej do urządzenia z zewnątrz energii napędowej. Bilans energetyczny takiego urządzania można zapisać w postaci zależności:

Qk = Qo + Nt,

gdzie:

  • Qk – wydajność cieplna skraplacza pompy ciepła. Jest to strumień ciepła, jaki jest przekazywany do instalacji grzewczej budynku, czyli do źródła górnego;
  • Qo – wydajność chłodnicza pompy ciepła. Jest to strumień ciepła, jaki pozyskiwany jest przez urządzenie z dolnego źródła ciepła (woda, grunt, powietrze);
  • Nt – zapotrzebowanie na moc elektryczną niezbędną do napędu sprężarki.
Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-3
Rys. 3. Schemat instalacji chłodniczej pompy ciepła wraz z obiegiem grzewczym budynku i obiegiem dolnego źródła ciepła.

Przemiany termodynamiczne zachodzące w sprężarkowej pompie ciepła można przedstawić w formie graficznej na wykresie Molliera w postaci teoretycznego obiegu Lindego (rys. 4). Wykres ten opisuje w sposób jednoznaczny poszczególne stany, przemiany fizyczne i termodynamiczne czynnika obiegowego w pompie ciepła.

Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-4
Rys. 4. Przemiany termodynamiczne na wykresie (p-h) realizowane w teoretycznym obiegu Lindego, tzw. obiegu suchym (oznaczenia punktów jak na rys. 2).

Można z niego odczytać stan termodynamiczny czynnika obiegowego w charakterystycznych punktach obiegu oraz podstawowe wielkości energetyczne, takie jak:

  • h1 – entalpia właściwa czynnika na ssaniu sprężarki,
  • h2 – entalpia właściwa czynnika na wejściu do skraplacza,
  • h3 – entalpia właściwa czynnika na wyjściu ze skraplacza,
  • h4 – entalpia właściwa czynnika na wejściu do parownika,
  • h5 – jednostkowa wydajność cieplna skraplacza,
  • lt – jednostkowa teoretyczna praca sprężania,

a także przemiany termodynamiczne, które realizowane są w teoretycznym obiegu pompy ciepła pomiędzy charakterystycznymi punktami poszczególnych urządzeń i aparatów, a są to:

  • 1-2 – izentropowe sprężanie czynnika w sprężarce,
  • 2-3 – izobaryczne skraplanie czynnika w skraplaczu połączone z oddawaniem ciepła do źródła górnego,
  • 3-4 – izentalpowe dławienie cieczy czynnika w zaworze dławiącym bez wykonywania pracy zewnętrznej,
  • 4-1 – izotermiczno-izobaryczne wrzenie czynnika w parowniku dzięki pobieraniu ciepła ze źródła dolnego.

Wielkości charakterystyczne

Pod względem energetycznym pracę pompy ciepła charakteryzuje współczynnik wydajności cieplnej (COP z ang. coefficient of performance) pompy ciepła, który najogólniej definiowany jest jako iloraz efektu uzyskanego podczas pracy urządzenia do kosztów poniesionych dla jego osiągnięcia, tj. ilości ciepła użytecznego uzyskanego w skraplaczu Qk do nakładu, który trzeba ponieść, w postaci zużytej energii napędowej Nt:

COP = (h2 – h3)/(h2 – h1) = qk/lt = Qk/Nt,

gdzie:

  • qk – jednostkowa wydajność cieplna skraplacza,
  • lt – jednostkowa teoretyczna praca sprężania.

Wielkość ta określana jest również jako stosunek całkowitych strumieni energii przekazywanych w poszczególnych procesach termodynamicznych pompy ciepła:

COP = Qk/Nt,

gdzie:

  • Qk – wydajność cieplna skraplacza w [kW],
  • Nt – zapotrzebowanie na moc elektryczną niezbędną do napędu sprężarki w [kW].

Szacowanie współczynnika COP

Za pomocą idealnego obiegu Carnota można na wykresie T-s oszacować wartość tego współczynnika, znając temperaturę źródła dolnego Td, w której pobierane jest ciepło, oraz temperaturę źródła górnego Tg, w której ciepło jest oddawane:

COPc = Tg/(Tg – Td).

Osiągany w praktyce efektywny współczynnik wydajności cieplnej COP sięga tylko 50% jego wartości dla idealnego obiegu Carnota (COPC). Wartość tego współczynnika zależy od poziomu temperatur dolnego Td i górnego Tg źródła ciepła. Im ta różnica jest mniejsza, tym większą osiąga się jego wartość (rys. 5).

Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-5
Rys. 5. Zmiana współczynnika wydajności cieplnej pompy ciepła w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła.

Na rysunku 6 przedstawiono porównanie wartości współczynnika wydajności cieplnej dla różnych czynników roboczych.

Jak-dziala-pompa-ciepla-rys-6
Rys. 6. Porównanie wartości współczynników wydajności cieplnej dla różnych czynników chłodniczych i temperatury skraplania tk = 50 oC.

Stopień odwracalności obiegu

Miarą doskonałości obiegu rzeczywistego jest tzw. stopień odwracalności obiegu określany jako stosunek współczynnika wydajności cieplnej obiegu rzeczywistego do współczynnika wydajności cieplnej obiegu Carnota:

f = COP/COPc < 1,0.

Sezonowy współczynnik wydajności grzejnej

W analizach związanych z ocenami efektywności energetycznej instalacji pomp ciepła stosowane jest pojęcie sezonowego współczynnika wydajności grzejnej SPF (Seasonal Performance Factor). Jest on zdefiniowany wzorem:

SPF = Q/E,

gdzie:

  • Q – ilość ciepła uzyskana w sezonie grzewczym za pomocą pompy ciepła w [kWh],
  • E – ilość energii elektrycznej zużytej do napędu systemu pompy ciepła w sezonie grzewczym w [kWh].

Adam Koniszewski

Fot. główne z arch. Buderus.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij