Pompa ciepła działa jak odwrócona lodówka – pobiera ciepło z powietrza, gruntu lub wody i przekazuje je do budynku. Nie wytwarza energii cieplnej tak jak grzałka elektryczna. Transportuje ją za pomocą zamkniętego obiegu czynnika chłodniczego, a prąd napędza przede wszystkim sprężarkę.

Czym jest pompa ciepła?

Pompa ciepła to elektryczny system grzewczy, który wykorzystuje energię cieplną obecną w otoczeniu do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Najłatwiej wyjaśnić jej działanie na przykładzie lodówki. Lodówka odbiera ciepło z wnętrza i oddaje je do pomieszczenia. Pompa ciepła wykonuje podobny proces, ale w odwrotnym kierunku – pobiera ciepło z zewnętrznego źródła i przekazuje je do instalacji grzewczej budynku.

Nawet zimne powietrze zawiera energię cieplną. Aby można było ją wykorzystać do ogrzewania domu, czynnik chłodniczy odbiera tę energię, a następnie obieg termodynamiczny podnosi jej temperaturę do poziomu przydatnego w instalacji. W przypadku urządzeń rewersyjnych proces można odwrócić, aby latem chłodzić pomieszczenia.

Jak przebiega obieg termodynamiczny?

Sercem urządzenia jest zamknięty obieg czynnika chłodniczego. To substancja o właściwościach pozwalających na zmianę stanu skupienia w niskiej temperaturze. Przemieszczając się między parownikiem, sprężarką, skraplaczem i zaworem rozprężnym, wielokrotnie pobiera oraz oddaje ciepło.

Cztery etapy pracy pompy ciepła wyglądają następująco:

  • Parowanie – ciekły czynnik chłodniczy odbiera ciepło z dolnego źródła, na przykład z powietrza, gruntu lub wody. Pod wpływem tej energii odparowuje i przechodzi w stan gazowy.
  • Sprężanie – gaz trafia do sprężarki. Napędzana energią elektryczną sprężarka zwiększa jego ciśnienie, a wraz z nim rośnie temperatura czynnika.
  • Skraplanie – gorący czynnik oddaje ciepło instalacji grzewczej, na przykład ogrzewaniu podłogowemu, grzejnikom albo zasobnikowi ciepłej wody. Podczas ochładzania skrapla się i wraca do stanu ciekłego.
  • Rozprężanie – zawór rozprężny obniża ciśnienie oraz temperaturę cieczy. Czynnik jest ponownie gotowy do pobrania energii w parowniku, więc cykl zaczyna się od początku.

W tym procesie czynnik chłodniczy pełni funkcję nośnika energii. Nie jest zużywany podczas pracy, lecz krąży w obiegu zamkniętym i zmienia stan skupienia. Właśnie te przemiany umożliwiają odbieranie ciepła o niskiej temperaturze i przekazywanie go do cieplejszego obszaru.

Dlaczego pompa ciepła potrzebuje prądu?

Energia elektryczna jest potrzebna przede wszystkim do napędu sprężarki. Bez sprężania czynnik miałby zbyt niską temperaturę, aby przekazać ciepło do instalacji budynku. Prąd zasila także inne elementy, takie jak wentylator, pompy obiegowe i układ sterowania, ale to sprężarka zwykle odpowiada za największą część zużycia energii elektrycznej.

Pompa ciepła różni się więc od grzejnika oporowego. Grzałka zamienia prąd bezpośrednio w ciepło. Pompa wykorzystuje prąd do uruchomienia procesu, który pozwala przenieść dodatkową energię z otoczenia. Dlatego ilość dostarczonego ciepła może być większa od ilości zużytej energii elektrycznej.

Współczynnik COP określa, ile energii cieplnej urządzenie dostarcza przy zużyciu 1 kWh energii elektrycznej. COP równy 5 oznacza 5 kWh ciepła z 1 kWh prądu w określonych warunkach pracy.

Rzeczywista efektywność zależy między innymi od temperatury dolnego źródła i temperatury zasilania instalacji. Im większa różnica między nimi, tym intensywniej musi pracować sprężarka. Pompy powietrzne mogą też tracić część wydajności podczas silnych mrozów, podczas gdy grunt i woda zapewniają zwykle stabilniejsze warunki pracy.

Skąd pompa ciepła pobiera energię?

Miejsce, z którego urządzenie pozyskuje ciepło, nazywa się dolnym źródłem. Może nim być powietrze zewnętrzne, grunt albo woda. Górnym źródłem jest instalacja, do której ciepło trafia w budynku.

Pompa powietrzna jest najłatwiejsza do zastosowania, ponieważ nie wymaga wykonywania rozbudowanej instalacji w gruncie. Pompa gruntowa korzysta z energii zgromadzonej w ziemi, a wodna – z wód gruntowych lub powierzchniowych. Wybór rozwiązania zależy od warunków działki, możliwości wykonania instalacji i zapotrzebowania budynku. Dobór mocy powinien opierać się na analizie zapotrzebowania na ciepło, a nie tylko na powierzchni domu.

Co daje działanie pompy ciepła?

Przenoszenie ciepła zamiast jego bezpośredniego wytwarzania ogranicza zużycie energii elektrycznej w porównaniu z ogrzewaniem oporowym. Urządzenie nie wymaga spalania paliwa ani jego magazynowania, a lokalnie nie emituje spalin. W zależności od konfiguracji może ogrzewać budynek, przygotowywać ciepłą wodę i chłodzić pomieszczenia.

Najważniejsze korzyści wynikają z połączenia kilku cech:

  • Oszczędność kosztów – większość energii cieplnej pochodzi z otoczenia, a prąd napędza proces transportu.
  • Ekologia – urządzenie nie spala paliwa w miejscu użytkowania i może współpracować z instalacją fotowoltaiczną.
  • Wygoda użytkowania – nie trzeba dostarczać ani przechowywać węgla, drewna lub oleju opałowego.
  • Uniwersalność – jedna instalacja może zapewniać ogrzewanie, ciepłą wodę oraz chłodzenie, jeśli jej konstrukcja i instalacja budynku na to pozwalają.

Najkrócej mówiąc, pompa ciepła przenosi energię z dolnego źródła do budynku. Czynnik chłodniczy realizuje cztery etapy obiegu, sprężarka podnosi jego temperaturę, a energia elektryczna napędza cały proces. Dzięki temu urządzenie może dostarczać ciepło przy mniejszym zużyciu prądu niż system, który wytwarza je bezpośrednio.