Czym jest pompa ciepła ? | Jak działa pompa ciepła ? 

Czym jest pompa ciepła ? | Jak działa pompa ciepła ?

Budowa domu często niesie za sobą wybór źródła ciepła jakim będziemy ogrzewać budynek. Przy wyborze często pada określenie „pompa ciepła” jako jedna z opcji. Niewątpliwie jest to ekonomiczne źródło wody użytkowej i ogrzewania domu. W połączeniu z odzyskiem ciepła poprzez rekuperację oraz fotowoltaike, możemy zminimalizować koszty ogrzewania do minimum.

Rosnące ceny paliw jak gaz, olej opałowy czy węgiel, sprawia że pompy ciepła zyskują coraz większą popularność. Tym bardziej, że istnieje możliwość dofinansowania w programie Czyste Powietrze

 

Trochę o historii

Zasada działania pomp ciepła jest znana od ponad 200 lat. Pierwsze urządzenie tego typu zostało zademonstrowane i udokumentowane w 1748 roku przez szkockiego naukowca Williama Cullena. Praca naukowca ukierunkowana była na uzyskaniu obniżenia temperatury, nie miej jednak zasada działania obu urządzeń jest taka sama, więc historia chłodnictwa i pomp ciepła jest nierozłączna.

Następnym znaczącym krokiem było stworzenie pierwszego agregatu chłodniczego (absorpcyjny) przez szkockiego naukowca J. Leslie w 1810 roku.

W 1834 roku, Amerykanin Jacob Perkins jako pierwszy zbudował chłodziarkę sprężarkową której zasada działania jest wykorzystywana do dziś. W swoim urządzeniu jako czynnik roboczy wykorzystał eter etylowy.​

Za prekursora pompy ciepła uznaje się Williama Thomsona (lord Kelvin), który w 1852 roku zauważył, że urządzenie chłodnicze można wykorzystać jako źródło ciepła. Stworzył projekt otwartego obiegu ze sprężarką i dwoma zbiornikami wody, górnym i dolny (źródła ciepła). Dopiero trzy lata później skonstruował parownię soli w Austrii. W procesie sprężania powietrza urządzenie ogrzewało opary solanki, pozostałe ciepło trafiało ponownie obiegu.

Jednak to Peter Von Rittinger uznany został za twórcę pierwszej pompy ciepła, kiedy to po przeprowadzonych eksperymentach z wykorzystaniem utajonego ciepła w postaci pary wodnej do odparowywania solanki poznał zasadę działania pompy ciepła.

Pierwszy patent, w którym opisano gruntowe źródło ciepła do pompy ciepłą został złożony przez Heinricha Zoelly w 1912 roku. Patent został wydany w 1919 roku w Szwajcarki oraz opatrzono numerem 59350.

W 1928 roku, T.G. Haldane w Anglii buduje instalację do ogrzewania domu oparte o urządzenie sprężarkowe w której czynnikiem roboczym był amoniak. W tym samym roku Aurel Stodola buduję jedna z pierwszych pomp ciepła, których dolne źródło ciepła stanowią wody jeziora Genewskiego. Do dziś jezioro stanowi źródło ciepła dla ratusza w Genewie.

 

Co to jest pompa ciepła ?

Pompa ciepła jest urządzeniem które pobiera energię cieplną z otoczenia budynku, a dokładnie powietrza wody lub gruntu. Następnie energia cieplna jest spożytkowana do ogrzewania domu, wody użytkowej.

Cały proces przepływu ciepła przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi, ponieważ energia cieplna jest pobierana z obszaru o niższej temperaturze i jest przekazywany do obszaru o temperaturze wyższej.

Proces ten jest porównywany do „pompy hydraulicznej” pompującej najczęściej wodę z z niżej położonego zbiornika do położonego wyżej.

Analogicznie przy „pompie ciepła” by zmienić naturalny przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o wyższej temperaturze, wymagane jest dostarczanie energii z zewnątrz do napędu.

 

Jak działa pompa ciepła ?

Pompa ciepła wykorzystuje znane zjawisko termodynamiczne takie samo jest zastosowane w lodówkach czy klimatyzatorach. Odbywa się to przy udziale czynnika chłodniczego, dzięki jego właściwością fizycznym.

Paruje w bardzo niskich temperaturach, pobierając w tym procesie ciepło ze środowiska. Następnie czynnik w postaci pary jest przetransportowany do sprężarki, gdzie ulega sprężeniu, co powoduje wysoki wzrost jego temperatury. Temperatura czynnika jest na tyle wysoka, by ogrzać powietrze w pomieszczeniu lub wodę w układzie grzewczym. Czynnik chłodniczy po oddaniu ciepła skrapla się i w postaci cieczy płynie do zaworu rozprężnego.

Obieg działania pompy ciepła.

Za zaworem rozprężnym ciśnienie czynnika maleje powodują obniżenie jego temperatury, pobierając przy tym energię cieplną z otoczenia (źródło dolne). Czynnik krąży w układzie zamkniętym, energia cieplna jest pobierana z zewnątrz ( źródło dolne ) do wewnątrz budynku ( źródło górne )

Bilans energetyczny pokazuje, że energia potrzebna do wymuszenia przepływu ciepła (zasilenia sprężarki ) to jedynie 25-30 % energii. Co za tym idzie, nawet 75 % energii dostarczonej do wnętrza budynku pochodzi zewnątrz.

 

 

Schemat instalacji opartej o powietrzną pompe. LG Therma v

Schemat instalacji opartej o powietrzną pompę.

 

Jakie są rodzaje pomp ciepła?

Głównym elementem podziału pomp ciepła jest miejsce, skąd pozyskiwana jest energia cieplna tzw. źródło dolne oraz źródło górne czyli miejsce do którego jest dostarczana. 

 

Rodzaje pomp ciepła ze względu na dolne źródło ciepła:

  • Powietrze – źródłem ciepła jest powietrze z zewnątrz budynku,

  • Gruntowe – energia cieplna pobrana jest z gruntu, często zwane solankowymi czy glikolowymi w zależności od stosowanego czynnika roboczego,

  • Wodne - energia cieplna pobierana jest z wód gruntowych lub zbiorników wodnych.

 

Rodzaje pomp ciepła z podziałem na dolne-górne źródło ciepła.

  • Powietrze-powietrze – źródło ciepła stanowi powietrze z zewnątrz do wewnątrz budynku. Możliwe łączenie z system wentylacji (rekuperacja) w domach pasywnych,

  • Powietrze-woda – ciepło pobierane jest z powietrza, transpiruje ciepło do obiegu grzewczego opłacalne ekonomicznie,

  • Woda-woda – źródło ciepła stanowią wody gruntowe, cechuje niewielkie różnice temperatur sezonowych. Warunek konieczny możliwość (dozwolone) wykorzystanie wód gruntowych,

  • Glikol-woda – źródłem ciepła stanowi energia geotermalna, temperatura gruntu na określonej głębokości pozostaje nie zmienna przez cały rok. Wysoka wydajność.