Warto przeczytać

Pompa ciepła działa na takiej samej zasadzie, jak lodówka: ciepło jest przenoszone od miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze. Oczywiście jest to możliwe, gdy urządzenie to jest stale zasilane energią.

Przyjrzyjmy się schematowi instalacji pompy cieplnej przedstawionemu na Rys. 1. Składa się on z trzech niezależnych obiegów:

1. obiegu dolnego źródła,

2. obiegu górnego źródła,

3. obiegu pompy ciepła.

RrUB4ttm8XTpg

Rys. 1. Na rysunku znajdują się 3 prostokąty o zaokrąglonych brzegach. Prostokąt w centralnej części rysunku ma barwę niebieską i symbolizuje obieg pompy ciepła. Na lewej krawędzi prostokąta znajduje się tabliczka z napisem parownik. Na górnej krawędzi znajduje się tabliczka z napisem sprężarka. Na prawej krawędzi znajduje się tabliczka z napisem skraplacz. Na dolnej krawędzi znajduje się tabliczka z napisem zawór rozprężny. Wewnątrz niebieskiego prostokąta narysowano okrąg ze strzałkami wskazującymi kierunek zgodny z kierunkiem ruchu zegara. Wewnątrz okręgu jest napis: kierunek przepływu czynnika chłodniczego. Z lewej strony niebieskiego prostokąta znajduje się pomarańczowy prostokąt, którego prawa krawędź przechodzi przez tabliczkę z napisem parownik. Wewnątrz pomarańczowego prostokąta jest napis: wymiana ciepła z otoczeniem. Z prawej strony niebieskiego prostokąta znajduje się czerwony prostokąt, którego lewa krawędź przechodzi przez tabliczkę z napisem skraplacz. Wewnątrz czerwonego prostokąta jest napis: wymiana ciepła z mieszkaniem.

Obieg dolnego źródła, zaznaczony na Rys. 1. kolorem pomarańczowym, stanowią zakopane pod ziemią rury, w których krąży niezamarzająca ciecz, zwykle glikol (zob. Rys. 2.). To tutaj pobierane jest ciepło, które jest dostarczane do umieszczonej w domu pompy ciepła. Grunt jest dobrym źródłem ciepła, ponieważ w ciągu całego roku ma dosyć stabilną temperaturę. W lipcu wynosi ona około 8Indeks górny o^oC. W październiku, kiedy rozpoczyna się grzanie domu, około 10Indeks górny o^oC. Ilość energii zgromadzonej w gruncie jest tak duża, że z łatwością wystarcza na cały sezon grzewczy. Pobieranie ciepła przez glikol jest możliwe, ponieważ ma on niższą temperaturę niż grunt, co zostanie wyjaśnione niżej.

Obieg górnego źródła, zaznaczony na Rys. 1. kolorem czerwonym, stanowi instalacja centralnego ogrzewania, w której krąży woda zasilająca kaloryfery budynku.

Najważniejszą częścią omawianej instalacji jest obieg pompy ciepła, widoczny w centralnej części Rys. 1., zaznaczony kolorem niebieskim. W tym obiegu czynnikiem chłodniczym jest ciecz, która charakteryzuje się niską temperaturą wrzenia (np. substancja o nazwie R407C ma temperaturę wrzenia –43,3 Indeks górny o^oC pod ciśnieniem 1 atm.). Cykl termodynamiczny pompy ciepła rozpoczyna się w parowniku. To tutaj odbierane jest ciepło pochodzące z gruntu, które zużywane jest w procesie parowaniaParowanieparowania czynnika roboczego. Glikol z obiegu dolnego źródła, który oddał ciepło, obniżając w ten sposób swoją temperaturę, wraca pod ziemię i może znów pobierać ciepło od gruntu. Powstałe w parowniku pary mają dość niską temperaturę (kilka stopni powyżej 0Indeks górny o^oC) i niewielkie ciśnienie. Pary te są kierowane do sprężarki, zasilanej energią elektryczną. W sprężarce para zostaje szybko sprężona, co skutkuje zwiększeniem jej temperatury. Kolejnym elementem obiegu, do którego trafia para, jest wymiennik ciepła zwany skraplaczem, powiązany z obiegiem górnego źródła. Gorąca i sprężona para oddaje tu energię cieplną, co powoduje jej skroplenieSkraplanieskroplenie. Ciepło odbiera woda w instalacji centralnego ogrzewania, w wyniku czego jej temperatura zwiększa się i za pomocą pompy może być rozprowadzona do grzejników. Czynnik roboczy w postaci cieczy, gdy opuszcza skraplacz, jest zbyt gorący, aby mógł odebrać w parowniku ciepło pochodzące z ziemi. Z tego powodu jest on kierowany do zaworu rozprężnego, gdzie gwałtownie zmniejsza się jego ciśnienie i temperatura. Ochłodzona w wyniku rozprężania ciecz trafia następnie do parownika i cykl może rozpocząć się od nowa.

R1dIoRj680TDR

Rys. 2. Ilustracja przedstawia dom jednorodzinny pozbawiony przedniej ściany i dachu, aby pokazać wnętrze. Odsłonięty jest też fragment terenu przy domu, aby widoczne były rury poprowadzone w gruncie. W piwnicy domu widać pompę ciepła, która ma postać cylindra i prostopadłościanu połączonych rurami. Z prostopadłościanu wychodzi na zewnątrz podziemna rura, która tworzy liczne pętle zajmujące dużą powierzchnię pod powierzchnią ziemi. Drugi koniec rury wraca do prostopadłościanu. Na piętrze domu widać łazienkę z wanną i kaloryferem.

Jak wynika z powyższego opisu, pompa ciepła potrzebuje zasilania. Najwięcej energii elektrycznej potrzebne jest do zasilania sprężarki, która zwiększa temperaturę czynnika chłodzącego. Energię elektryczną zużywają też pompy wymuszające ruch cieczy w obiegach dolnego i górnego źródła.

Ważnym parametrem pomp ciepła jest współczynnik wydajności, w skrócie COP (ang.: coefficient of performance). Jest on zdefiniowany jako stosunek ilości ciepła dostarczanego przez pompę do budynku do ilości zużytej w tym celu energii elektrycznej:

gdzie QIndeks dolny s_s to ciepło oddane w skraplaczu, a W – energia elektryczna pobrana przez pompę. Maksymalny współczynnik wydajności zależy od różnicy temperatur górnego i dolnego źródła ciepła:

gdzie TIndeks dolny s_s to temperatura w skraplaczu (tj. wody w kaloryferach), a TIndeks dolny p_p – temperatura w parowniku (tj. temperatura gruntu). Obie temperatury wyrażone są w skali Kelvina. Im mniejsza różnica temperatur między obiegiem górnego i dolnego źródła, tym większa wydajność. Współczynnik wydajności pomp ciepła osiąga wartości z zakresu od 3 do 4 (tj. od 300% do 400%). Oznacza to, że pompa dostarcza do budynku 3 – 4 kWh ciepła na każdy pobrany 1 kWh energii elektrycznej.

Nie ma większego sensu bezpośrednie porównywanie tej wielkości ze sprawnością np. grzejnika elektrycznego, gdzie 100% energii elektrycznej przechodzi w ciepło i z góry wiadomo, że wynik ten nie jest zależny od jakiejkolwiek temperatury (docelowej osiąganej w domu, zewnętrznej, gruntu pod domem itp.).

Słowniczek