Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, niskotemperaturowe, którego zasada działania opiera się na zjawiskach i przemianach fizycznych. Pompy ciepła pozwalają na odbiór energii cieplnej pochodzącej od słońca, która zgromadzona jest w naturalnych pokładach tj.: grunt, woda, powietrze oraz inne (ścieki, procesy technologiczne, itp.).

Ciepło w tych nośnikach charakteryzuje się niską temperaturą, dlatego nie może zostać bezpośrednio wykorzystane do ogrzewania budynków czy przygotowania ciepłej wody użytkowej, jednak zastosowanie pompy ciepła sprawia, że przy użyciu czynnika roboczego, stanowią doskonałe dolne źródło ciepła w obiegu chłodniczym.

Budowa wewnętrzna pompy ciepła

Budowa pomp ciepła zróżnicowana jest w zależności od technologii danego producenta oraz od zastosowanego źródła ciepła, jednak część składowych elementów pozostaje niezmienna.

Typowa pompa ciepła składa się ze sprężarki, zaworu rozprężnego, grzałki elektrycznej, wanny kondensatu, zasobnika z wężownicą, pompy źródła i obiegów C.O. oraz innej armatury serwisowej i zabezpieczającej. Obudowa pompy jest wykonana z blachy lakierowanej. W jej górnej części, z reguły, znajduje się panel elektroniczny sterujący i kontrolujący pracę pompy ciepła oraz innych urządzeń pomocniczych. Całość jest zamknięta w wygłuszającej i usztywniającej konstrukcji.

Zasada działania pompy ciepła

Działanie pompy ciepła opiera się na obiegu termodynamicznym, w którym zachodzą w sposób ciągły cztery procesy. W parowniku, czynnik roboczy ulega procesowi odparowania (proces odbioru ciepła z otoczenia). Następnie w kompresorze następuje proces sprężania par czynnika roboczego, a za kompresorem czynnik roboczy posiadający wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, ulega procesowi skraplania w skraplaczu (proces oddawania ciepła do systemu). Ostatnim procesem, jakiemu podlega czynnik roboczy w obiegu termodynamicznym, jest proces rozprężania realizowany na zaworze rozprężnym, dozującym czynnik roboczy do parownika, gdzie następuje ponownie proces odparowania, a cykl przedstawiony powyżej powtarza się.

W uproszczony sposób zasadę działania pompy ciepła przedstawia poniższy rysunek.

Proces transportu ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o temperaturze wyższej, możliwy jest jedynie przy udziale wysokowartościowej energii (exergii) dostarczonej z zewnątrz. Energia ta jest energią elektryczną doprowadzoną do napędu sprężarki będącej jednym z elementów obiegu termodynamicznego.

W rzeczywistości nie jest możliwy obieg idealny, dlatego też efektywność pompy ciepła po uwzględnieniu wszystkich strat (takich jak np.: straty mechaniczne, termiczne, elektryczne itd.) jest mniejsza. W dużym uproszczeniu możemy przyjąć, że o połowę mniejsza jak wielkość teoretyczna.

System grzewczy z zastosowaniem pompy ciepła składa się trzech oddzielnych instalacji:

• instalacji dolnego źródła dla pompy ciepła,
• pompy ciepła,
• instalacji górnego źródła ciepła – instalacja hydrauliczna rozprowadzająca medium grzewcze (wodę).

W sposobie pracy układu ogrzewania rozróżnić można dwa rodzaje systemów, w zależności czy w układzie grzewczym znajduje się jedno urządzenie grzewcze – system monowalentny (wytwornica ciepła w postaci pompy ciepła, kotła gazowego, olejowego, elektrycznego lub innego urządzenia grzewczego), czy też dwa urządzenia grzewcze, które współpracują ze sobą w różnych konfiguracjach – system biwalentny.

System monowalentny

Pompa ciepła jest jedynym urządzeniem grzewczym, pokrywa 100% zapotrzebowania energetycznego wynikającego z ogólnego zapotrzebowania cieplnego w całym zakresie przyjętych do obliczeń temperatur zewnętrznych i wewnętrznych. Układ pracy stosowany przy temperaturze zasilania sytemu do +60°C (niskotemperaturowe układy podłogowe i grzejnikowe).
Preferowane dolne źródła ciepła: grunt (kolektor gruntowy) – woda, powietrze (w ograniczonym zakresie temperatur zewnętrznych).

System biwalentny – alternatywny

W systemie grzewczym pracują dwa urządzenia grzewcze. Pompa ciepła pokrywa zapotrzebowanie energetyczne wynikające z ogólnego zapotrzebowania cieplnego do określonej temperatury zewnętrznej (Tbw – temperatura punktu biwalenetnego, wyłączenia pompy ciepła) np.: -8°C, przy tej temperaturze następuje wyłączenie pompy ciepła. Obciążenie grzewcze przejmuje drugie urządzenie np.: kocioł gazowy lub olejowy. Układ pracy stosowany przy temp. zasilania sytemu do +90°C. Preferowane dolne źródła ciepła to grunt (kolektor gruntowy) – woda, powietrze.

Przy projektowaniu instalacji hydraulicznej górnego źródła ciepła współpracującej z pompą ciepła należy mieć na uwadze następujące zmiany, w stosunku do tradycyjnych instalacji grzewczych wysokotemperaturowych:

• system grzewczy z pompa ciepła jest systemem niskotemperaturowym, maksymalna temperatura pracy +60°C, preferowane temperatury systemów grzewczych: ogrzewanie podłogowe maksymalnie około 42°C, optymalnie około 38°C, ogrzewanie mieszane (podłogowe i grzejnikowe bez układu mieszania – dwóch temperatur pracy) około 45°C, ogrzewanie grzejnikowe maksymalnie +60 lub +65°C, optymalnie 55°C,
• przekroje przewodów rozprowadzenia medium grzewczego należy dobrać dla odpowiednich przepływów i mocy poszczególnych pomp ciepła,
• różnica temperatur ΔT nośnika ciepła (wody) pomiędzy zasilaniem i powrotem: pomiędzy zasobnikiem buforowym a pompa ciepła: 5 K (dopuszczalne około 7), na systemie grzewczym, za zbiornikiem buforowym maksymalnie do 10 K,
• przy dobieraniu przekrojów rur instalacji należy bezwzględnie uwzględnić odpowiednie prędkości medium grzewczego w zależności od zastosowanych materiałów,
• połączenie pompy ciepła z systemem WNA (górne źródło – rozprowadzenie ciepła) i WQA (dolne źródło) wykonuje się tylko i wyłącznie poprzez połączenie elastyczne,
• pompę ciepła montuje się na postumencie, cokole dylatowanym od ścian pomieszczenia,
• pomiędzy pompą ciepła, a systemem rozprowadzenia ciepła stosuje się zbiornik buforowy,
• przy doborze pomp obiegowych ładowania bufora, ładowania zasobnika c.w.u. oraz pomp obiegowych instalacji C.O. należy pamiętać by nie doprowadzać do miejscowego przewężania instalacji i zdławienia przepływu,
• dla układów kaskadowych po stronie WQA – dolnego źródła gdzie znajduje się jedna pompa obiegowa konieczne jest zastosowanie pętli Tihelmana dla zrównoważenia przepływów, w przypadku, gdy jej nie zastosujemy konieczne jest zastosowanie zaworów równoważących przepływy,
• w celu umożliwienia korekty wielkości przepływu medium po stronie WQA (dolne źródło) zalecane jest zastosowanie zaworu (zasuwy), umożliwiającego regulacje przepływu, zawór ten znajdować się powinien kilkanaście cm za pompą ciepła po stronie WQA na wyjściu z pompy ciepła (czynnik schłodzony).

W celu zapewnienia odpowiedniego przepływu wody grzewczej, wyeliminowania częstego włączania i wyłączania się pompy ciepła, a także zapewnienia prawidłowej pracy urządzenia, stosuje się w systemach grzewczych z pompa ciepła zbiorniki buforowe. Zbiornik buforowy spełnia funkcje sprzęgła hydraulicznego, buforu (akumulatora energii).

Zbiorniki buforowe służą do hydraulicznego rozdzielenia przepływów objętościowych w obiegu pompy ciepła i obiegu grzewczym. Jeżeli np.: przepływ objętościowy w obiegu grzewczym zostanie zredukowany przez zawory termostatyczne, przepływ objętościowy w obiegu pompy ciepła pozostanie stały.

Przy pompach ciepła powietrze/woda zbiornik buforowy stanowi istotna zaletę, gdyż wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej – źródła ciepła, wzrasta moc grzewcza pompy ciepła, natomiast maleje zapotrzebowanie obiektu na ciepło.

Korzyści płynące z zastosowania pomp ciepła

Stosując pompy ciepła zyskujemy nie tylko wymierne oszczędności natury ekonomicznej, lecz również na poprawie środowiska naturalnego. Wykorzystując czystą i darmową energię, która nie emituje szkodliwych substancji, dodatkowo uniezależniamy się od źródeł paliw konwencjonalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny).

Pompy ciepła charakteryzują się długą żywotnością systemu, brakiem konieczności corocznych przeglądów serwisowych oraz możliwością pracy systemu w drugiej taryfie energetycznej.

Znaczącym aspektem podczas użytkowania jest również brak powstawania uciążliwych odpadów; popiołów, gazów podczas wytwarzania ciepła, gdyż pompy ciepła nic nie wytwarzają.

W opracowaniu wykorzystano:

1. W. M. Lewandowski: Proekologiczne źródła energii odnawialnej. WNT, Warszawa 2001;
2. Wytyczne projektowe i materiały szkoleniowe firmy STIEBEL ELTRON;
3. W. Nowak, A. Stachel: Analiza możliwości pozyskania i wykorzystania energii geotermalnej do celów grzewczych.
4. Materiały konferencyjne: Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku, Warszawa 10-11 grudnia 2001, EC BREC/IBMER.