Jak działa każda pompa ciepła?

Zasada działania pompy ciepła opiera się na technologii dobrze znanego urządzenia jakim jest lodówka. Ogólnie, pompa ciepła wykorzystuje ciepło z otoczenia, wymaga tylko niewielkiej ilości energii elektrycznej do napędu procesów i pompy obiegowej. W zależności od tego, czy jest to energia z powietrza, gruntu, czy wody, zasada działania nieco się różni. Jak zatem działa pompa ciepła?

Spis treści

1. Zasada działania pompy ciepła
2. Działanie pompy ciepła - 3 obiegi
3. Jak działa pompa ciepła?

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem pozwalającym na wykorzystanie energii gromadzonej w ziemi, powietrzu lub wodzie w instalacji grzewczej, wentylacji lub do przygotowania c.w.u. Zasada działania pompy ciepła opiera się na przekazaniu ciepła pobranego ze strefy o niższej temperaturze (dolne źródło ciepła) do strefy o temperaturze wyższej (górne źródło ciepła). Każda pompa ciepła zasilana jest energią elektryczną. Zużycie energii elektrycznej uzależnione jest od ilości energii przenoszonej pomiędzy wspominanymi strefami oraz różnicy temperatur między nimi.

Ze względu na rodzaj napędu i zasadę działania można wyodrębnić trzy najważniejsze, podstawowe grupy pomp ciepła:

• Pompy ciepła absorpcyjne (z napędem cieplnym) – są stosowane w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego ciepła odpadowego.
• Pompy ciepła termoelektryczne (z napędem elektrycznym) – mają zastosowanie, gdy zachodzi konieczność ciągłego i efektywnego odprowadzania ciepła z niewielkich przedmiotów.
• Pompy ciepła sprężarkowe (z napędem mechanicznym; silnik sprężarki zasilany jest energią elektryczną) – obecnie podstawowa grupa urządzeń stosowanych w technice grzewczej i chłodniczej. Tego typu pompy oferowane są na rynku jako alternatywa dla kotłów na paliwo organiczne oraz ogrzewaczy elektrycznych.

Działanie pompy ciepła - 3 obiegi

Sprężarkowa pompa ciepła działa podobnie jak klasyczna chłodziarka. Jej podstawowymi elementami, przez który przepływa czynnik chłodniczy są: parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Ponadto urządzenia wyposażone są w sterownik, pompę obiegową dolnego źródła, grzałkę elektryczną, czujniki temperatury i ciśnienia.

• Czytaj też: Gruntowa pompa ciepła z kolektorem pionowym - odwierty i montaż sondy

Działanie instalacji jest możliwe dzięki trzem obiegom, które ma system grzewczy wykorzystujący sprężarkową pompę ciepła:

1. obieg dolnego źródła ciepła,2. obieg termodynamiczny,3. obieg górnego źródła.

Obieg termodynamiczny połączony jest z obiegiem dolnego źródła ciepła za pomocą parownika, natomiast z obiegiem górnego źródła ciepła połączony jest za pomocą skraplacza.

• Obieg dolnego źródła ciepła rozpoczyna pobranie ciepła z niskotemperaturowego źródła, a następnie przekazuje go do pierwotnej strony wymiennika (parownika) w pompie ciepła. Do wtórnej strony parownika doprowadzony jest czynnik roboczy obiegu termodynamicznego – charakteryzujący się niską temperaturą wrzenia.
• W obiegu termodynamicznym odbywa się przekazywanie ciepła z niższego poziomu temperatury na wyższy. Odbywa się to w zamkniętym procesie przez cykliczną zmianę fizycznego stanu czynnika termodynamicznego – sprężanie, skraplanie, rozprężanie, parowanie. Proces taki zachodzi z udziałem dostarczonej energii elektrycznej, służącej do napędu sprężarki.
• Obieg górnego źródła ciepła odbiera ciepło od gorącego czynnika termodynamicznego rozprowadzając je do odbiorników. Przekazywanie tego ciepła odbywa się w wymienniku pompy ciepła zwanym skraplaczem. Do pierwotnej strony skraplacza doprowadzony jest czynnik termodynamiczny, natomiast do wtórnej strony skraplacza – czynnik roboczy górnego źródła ciepła (woda grzewcza).

Jak działa pompa ciepła?

Działanie pompy ciepła rozpoczyna się wraz z uruchomieniem sprężarki, która wprawia w ruch czynnik roboczy. Parownik umieszczony jest w źródle ciepła o temperaturze wyższej niż temperatura płynu w parowniku, a także od jego temperatury wrzenia. Następuje przepływ ciepła, z otoczenia parownika trafia ona do płynu, czynnik roboczy po odebraniu ciepła zmienia stan skupienia z płynnego na gazowy, stając się nośnikiem energii cieplnej.

Para z parownika trafia do sprężarki, która przenosi krążący w zamkniętym obiegu czynnik chłodniczy do wyższego poziomu ciśnienia, przy czym następuje przyrost jej temperatury. Opuszczająca sprężarkę gorąca para przechodzi do skraplacza, gdzie właściwości czynnika roboczego gwałtownie się zmieniają. Poprzez ochłodzenie w skraplaczu ulega on skropleniu, oddając ciepło pobrane w parowniku wodzie grzewczej, temperatura czynnika obniża się - ale wciąż jest wyższa niż temperatura otoczenia parownika. Zatem płyn nie jest jeszcze gotowy do ponownego odbioru ciepła, dlatego na drodze ze skraplacza do parownika stoi zawór rozprężny.

W procesie rozprężania następuje gwałtowny spadek ciśnienia czynnika płynu, czemu towarzyszy spadek temperatury – do poziomu umożliwiającego odbiór ciepła i całkowite odparowanie w parowniku, a powstająca para jest zasysana przez sprężarkę, powtarzając na nowo cykl obiegu termodynamicznego.