Pompy ciepła zyskują w Polsce coraz większą popularność. Między innymi rosnące rachunki za gaz spowodowały chęć zmiany sposobu ogrzewania domów. Czym są pompy ciepła i w jaki sposób możemy je wykorzystywać?
Czym jest pompa ciepła?
Fizyczna definicja pompy ciepła jest następująca: jest to maszyna cieplna przenosząca ciepło z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Urządzenie wykorzystuje obieg termodynamiczny odwrotny do obiegu silnika cieplnego. Transport ciepła odbywa się za pośrednictwem czynnika roboczego, który pobiera ciepło pod niskim ciśnieniem w parowniku, po czym jego ciśnienie jest zwiększane, co powoduje wzrost temperatury. Czynnik roboczy oddaje ciepło, skraplając się w wymienniku ciepła (skraplaczu). Następnie jest on rozprężany i trafia z powrotem do parownika. Do wykonywania pracy większość urządzeń wykorzystuje energię elektryczną.
Główne korzyści ze stosowania pomp ciepła
Ponieważ funkcją pomp ciepła nie jest generacja energii cieplnej, ale jej przemieszczanie, ich sprawność rozumiana jako ilość energii uzyskanej w stosunku do dostarczonej (nazywana także współczynnikiem wydajności chłodniczej, COP), może być większa od 1. Często wynosi ona między 200 a 600%, a w niektórych przypadkach nawet 1000%, czyniąc pompy ciepła znacznie bardziej efektywnym energetycznie i ekonomicznie oraz ekologicznym rozwiązaniem niż tradycyjne elektryczne urządzenia grzewcze.
Pompy ciepła mogą służyć między innymi do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń. Często możliwe jest wykorzystywanie jednego urządzenia do obydwu celów, wtedy zmianę sposobu pracy można uzyskać poprzez odwrócenie obiegu. Możemy to zaobserwować w przypadku części urządzeń klimatyzacyjnych.
Rodzaje pomp ciepła
Powietrzne (ASHP – air source heat pump)
Powietrzne pompy ciepła transportują ciepło między wymiennikami, z których jeden znajduje się na zewnątrz, a drugi wewnątrz budynku. Powietrze jest zasysane przez wentylator, a następnie używane do ogrzewania bezpośrednio powietrza wewnątrz budynku lub wody, która następnie krąży po systemie grzewczym budynku. Gdy potrzebne jest obniżenie temperatury powietrza w budynku, możliwe jest odwrócenie obiegu urządzenia.
Powietrzne pompy ciepła mają najwyższy współczynnik wydajności chłodniczej przy niewielkiej różnicy temperatur (COP=3÷4). Z tego powodu najlepiej sprawdzają się w klimacie umiarkowanym. Przy spadku temperatury poniżej -30°C bardziej efektywne zaczyna stawać się używanie tradycyjnego ogrzewania elektrycznego wykorzystującego rezystory grzejne.
Na powietrze wylotowe (EAHP – exhaust air heat pump)
Niektóre powietrzne pompy ciepła wykorzystują powietrze wylotowe z systemów ogrzewania. To umożliwia odzyskanie części ciepła zanim powietrze zostanie uwolnione do atmosfery. Tego rodzaju urządzenia charakteryzują się jednak niskim współczynnikiem odzyskiwania ciepła i wysokimi kosztami eksploatacji.
Gruntowe (GSHP – ground-source heat pump)
Gruntowe pompy ciepła, zwane także geotermalnymi, wykorzystują ciepło z gleby lub wód gruntowych, których temperatura poniżej głębokości 9 m jest zbliżona do stałej na przestrzeni roku. Dzięki temu gruntowe charakteryzują się one wysokimi sprawnościami (zwykle w przedziale 300-600%). Ich wadą jest natomiast wysoki koszt w porównaniu z innymi typami, jako że ich instalacja wymaga wykonania odwiertów.
Hybrydowe
Hybrydowe pompy ciepła to urządzenia, które wykorzystują różne techniki, na przykład pobieranie ciepła z powietrza i gruntu, w taki sposób, aby zwiększyć swoją efektywność na przestrzeni doby czy całego roku. Zaliczają się do nich także pompy ciepła pracujące razem z innym urządzeniem grzewczym.
Zintegrowane z instalacjami solarnymi
Część energii do zasilania pomp ciepła może pochodzić z paneli fotowoltaicznych. Umożliwia to jeszcze większą przyjazność środowisku oraz ograniczenie wydatków ponoszonych na ogrzewanie domu. Wyzwanie stanowi jednak optymalizacja warunków działania systemu, ponieważ pompy ciepła i panele fotowoltaiczne mają odwrotne trendy sprawnościowe np. w zależności od temperatury czynnika roboczego.
Absorpcyjne
Absorpcyjnych pomp ciepła nie zasila prąd elektryczny, ale energia pochodzącą z innego źródła. Może to być gaz ziemny, propan lub woda ogrzewana energią słoneczną czy geotermalną. Czynnikiem roboczym jest w tym przypadku amoniak. Jest on pochłaniany przez wodę, a następnie powstała mieszanina jest pompowana w celu zwiększenia ciśnienia. W celu rozdzielenia mieszaniny jest ona podgrzewana i amoniak odparowuje. Następnie cykl absorpcyjny rozpoczyna się od nowa.
Tego rodzaju urządzenia mają głównie zastosowania przemysłowe, ale bywają przydatne także w dużych budynkach mieszkalnych. Ich główną zaletą jest brak konieczności wykorzystywania do zasilania prądu i możliwość używania zamiast niego dowolnego źródła ciepła.