Jak działa pompa ciepła – rodzaje i zasada działania pomp

Każda pompa ciepła jest opłacalną inwestycją pod warunkiem prawidłowego wyboru urządzenia i wykonania całości instalacji. Zakupu odpowiedniego rodzaju pompy ciepła należy dokonać, uwzględniając warunki terenowe i potencjał działki oraz potrzeby mieszkańców domu w zakresie ilości ciepła. Do wyboru mamy kilka rodzajów pomp ciepła: powietrzną, gruntową oraz wodną. Chcąc odpowiedzieć na pytanie, jak dopasować pompę ciepła do własnych potrzeb, warto przybliżyć sobie temat i dowiedzieć się co nieco o pompach ciepła: co to jest, jak działają pompy ciepła i jakie korzyści dla domu można dzięki nim uzyskać?

Zasada działania pompy ciepła

Jak działa pompa ciepła? Najogólniej rzecz ujmując, jest to urządzenie, które ma za zadanie wymusić przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze. Operacja ta odbywa się wbrew naturalnym ruchom ciepłych i zimnych mas powietrza, dlatego mowa o „wymuszonym” procesie. Odwrócenie typowego stanu rzeczy wymaga nakładów energii, stąd konieczność pewnej ilości prądu do działania pompy ciepła, a tym samym uzależnienie całej instalacji od dostaw energii elektrycznej. Receptą na ten stan rzeczy jest zestawienie instalacji pompy ciepła z instalacją fotowoltaiczną, która niemal całkowicie uniezależnia działanie pompy ciepła od kosztów związanych z energią elektryczną.

Rodzaje pomp ciepła

Główny podział obejmuje trzy rodzaje pomp ciepła rozróżniane ze względu na zewnętrzne źródła, które są wykorzystywane do uzyskania energii: pompy powietrzne, pompy ciepła gruntowe i wodne. Na jakiej zasadzie działa każda z nich i na co zwrócić uwagę, szukając odpowiedniej pompy dla siebie?

POWIETRZNA POMPA CIEPŁA

Powietrzne pompy ciepła działają efektywnie nawet w niskich temperaturach (-25°C), choć w miarę obniżania się temperatury ich sprawność spada. W naszej strefie klimatycznej, w okresie grzewczym, temperatury oscylują w granicach 0°C do -10°C i w tym przedziale powietrzna pompa ciepła osiąga sprawność rzędu 2-4 COP (współczynnik sprawności energetycznej), co oznacza 2-4 razy większą ilość oddawanej energii, niż wynikałoby to z użycia energii elektrycznej. Instalacja powietrznej pompy ciepła składa się z elementów montowanych zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku przy użyciu odpowiednich przyłączy hydraulicznych i elektrycznych. Ze względu na stosunkowo prosty montaż, możliwe jest wykonanie takiej instalacji w już istniejących budynkach.

Jak działa pompa ciepła powietrzna

Tego typu instalacja pobiera ciepło z powietrza znajdującego się na zewnątrz i bezpośrednio ogrzewa powietrze w pomieszczeniach (pompa ciepła powietrze-powietrze) lub służy do podgrzania wody grzewczej w grzejnikach lub podłogówce (pompa ciepła powietrze-woda). Instalacja z powietrzną pompą ciepła przekazuje je z zewnętrznego źródła za pomocą sprężonego gazu, służącego do podgrzania wody lub powietrza znajdującego się wewnątrz budynku.

Zobacz też: Pompy ciepła powietrze woda – zasada działania, dobór, koszt instalacji >>

POMPA CIEPŁA GRUNTOWA

Gruntowe pompy ciepła do ogrzania budynku wykorzystują ciepło gruntu (energię geotermalną). Na głębokości od 1,5 metra temperatura w zasadzie nie spada poniżej 0°C, co pozwala na wydajną pracę urządzenia. Ilość uzyskanego ciepła różni się w zależności od zastosowanego wymiennika: pionowego lub poziomego.

Obecnie udział gruntowych pomp ciepła w rynku stopniowo się marginalizuje, ze względu na wysoki koszt instalacji i konieczność spełnienia szeregu warunków umożliwiających ich montaż. Kolektor poziomy jest tańszym rozwiązaniem, jednak wymaga dość dużej, nieosłoniętej przestrzeni, aby grunt ponad nim mógł stale się nagrzewać. Kolektor pionowy jest z kolei rozwiązaniem bardziej kosztownym ze względu na konieczność wykonania głębokich odwiertów (nawet do 100 metrów). Te dodatkowe uwarunkowania sprawiają, że montaż gruntowej pompy ciepła jest możliwy w zasadzie wyłącznie w nowo powstających budynkach.

Jak działa pompa ciepła gruntowa 

Ciepło z ziemi odbierane jest w tym przypadku przez płyn przepływający systemem rur ułożonych pionowo bądź poziomo (gruntowy wymiennik ciepła). Działanie całego układu jest uzależnione od sposobu odbierania ciepła: za pomocą czynnika odpornego na zamarzanie (najczęściej glikolu – na początku używano również roztworu soli, stąd nazwa „pompy solankowe”) lub z zastosowaniem parownika odpowiedniej wielkości.

POMPA CIEPŁA WODNA

W Polsce zdecydowanie najrzadziej wykorzystywany rodzaj pompy ciepła. Ze względu na charakterystyczne uwarunkowania terenowe, częściej spotykana w terenie górzystym. W tym przypadku źródłem ciepła jest woda płynąca, zbiornik wody lub studnie głębinowe. Możliwa jest więc do zastosowania w budynkach na terenie mającym bezpośredni dostęp do źródła wody.

Jak działa pompa ciepła wodna

Wodne pompy ciepła największą wydajność osiągają w temperaturze wody 5-8°C. W przypadku zbiorników wodnych instalacja układana jest na dnie, podobnie jak w wodzie płynącej. Nie ma wówczas potrzeby kopania dwóch studni: czerpanej i zrzutowej, gdzie woda pobrana z pierwszej oddaje ciepło przekazywane następnie do budynku, natomiast do drugiej przekazywana jest woda zimna. W tym przypadku nie ma również konieczności instalowania specjalnych filtrów, które są niezbędne przy korzystaniu z rzek, stawów lub innych zbiorników.

***

Wszystkie rodzaje pomp ciepła doskonale współpracują z tak zwanymi niskotemperaturowymi systemami ogrzewania, na przykład z ogrzewaniem podłogowym. Ich zaletą jest duża powierzchnia oddawania ciepła, w stosunku do punktowych źródeł ciepła, jak choćby grzejniki naścienne, które do skutecznego ogrzania pomieszczenia wymagają wysokiej temperatury. Należy jednak zauważyć, że odpowiedniej wielkości grzejniki również nadają się do zastosowania z pompami ciepła. Jeśli grzejniki są starego typu (żeliwne) można zastosować specjalne, wysokotemperaturowe pompy ciepła typu powietrze-woda (np. Hitachi Yutaki S80), które są w stanie podawać temperaturę 80 st.C niezależnie od warunków panujących na zewnątrz.