Pompy ciepła

domek jednorodzinny z pompą ciepła

 

Jak działa pompa ciepła?

Źródłem ciepła używanego do ogrzewania domu jest grunt, woda lub powietrze. Są to źródła o temperaturze niższej niż temperatura w pomieszczeniach, a więc zadaniem pompy ciepła jest pobranie energii cieplnej z medium o niższej temperaturze (np. woda gruntowa ma temperaturę 7÷12°C, a powietrze może mieć nawet -20°C) do pomieszczenia o wyższej temperaturze (ok. 20°C).

Wywołuje to skojarzenie z pompowaniem ciepła (z dołu do góry w sensie wzrostu temperatury). Nie jest to trudne.

Codziennie doświadczamy praktycznego działania takiego pompowania ciepła w naszej lodówce czy zamrażarce. Z wnętrza lodówki, a ściślej z produktów żywnościowych w niej umieszczonych, jest „wypompowywane” ciepło i oddawane do pomieszczenia na zewnątrz lodówki, czyli lodówka grzeje ciepłe pomieszczenie zabierając ciepło z jej chłodnego wnętrza.

Wyobraźmy sobie teraz, że do wnętrza lodówki wpływa w ciągłym obiegu woda ze studni o temperaturze 10°C i po schłodzeniu w lodówce do 5°C wypływa z tejże lodówki, a następnie jest „zrzucana” do innej studni. Zatem cały czas woda dostarcza do wnętrza lodówki ciepło, które jest z niej zabierane i oddawane na zewnątrz lodówki – do pomieszczenia. Tak właśnie (co do fizycznej zasady) działa pompa ciepła. Żeby mogła działać, musi być zasilana prądem elektrycznym.
schemat działania pompy ciepła
Zatem w tym systemie ogrzewania płacimy za prąd, który nie jest bezpośrednio źródłem ciepła, ale służy tylko do „pompowania” darmowego ciepła ze źródła naturalnego (gruntu, wody, powietrza), nazywanego źródłem dolnym do domowej instalacji grzewczej, nazywanej źródłem górnym.

Najważniejszą sprawą jest przepompowanie jak najwięcej energii cieplnej Q przy jak najmniejszym zużyciu energii elektrycznej Qe, czyli osiągnięcie jak największej sprawności pompowania ciepła, określanej współczynnikiem COP (ang. Coefficient of Performance):
sprawność pompy ciepła
Sprawność pompowania ciepła jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury między odbiornikiem (źródłem górnym) a źródłem ciepła (źródłem dolnym). To intuicyjnie wyczuwane prawo ma swój ścisły zapis w postaci prostego wzoru:
równanie na źródła ciepła
Gdzie T1 i T2 są wyrażonymi w kelwinach temperaturami źródła i odbiornika ciepła, a hp jest wewnętrzną sprawnością agregatu pompy ciepła i wynosi 0,5÷0,6.

Jedynka w tym wzorze odpowiada energii cieplnej pochodzącej wprost ze strat energii elektrycznej pobieranej przez pompę ciepła (związanej z pracą agregatu sprężarkowego).

energia pobierana przez pompę ciepła
W realnych systemach ogrzewania, zależnie od rodzaju systemu, COP osiąga wartość od 3 do 6, najczęściej od 4 do 5.