Jak działa pompa ciepła?
Aby rzeczywiście pojąć działanie instalacji pompy ciepła, warto w pierwszej kolejności przypomnieć sobie podstawy ze szkolnej ławki. Pierwszy pytanie, na jakie odpowiemy, jest zatem: co to jest ciepło?
Ciepło w fizyce nie oznacza tego samego, co słowo ciepło wykorzystywane w języku potocznym. W ścisłym znaczeniu ciepłem określamy sposób przekazywania energii wewnętrznej. Należy też rozróżnić pojęcia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej. Najlepiej sedno zagadnienia oddaje dookreślenie wymiany ciepła — określenia procesu oraz ilości ciepła, czyli wielkości fizycznej, która określa zmianę energii wewnętrznej wywołanej właśnie tym zjawiskiem.
Reasumując, gdy energia jednej substancji może być oddana drugiej substancji — nazywa się to strumieniem lub przepływem ciepła. Podstawową zasadą determinującą przepływ ciepła jest kierunek strumienia. Proces każdorazowo dokonuje się w kierunku niższej temperatury.
Znalezienie przykładu z życia codziennego nie jest trudne. Postawmy naczynie z gorącą wodą w pomieszczeniu o temperaturze pokojowej. Woda w naczyniu stygnie aż do osiągnięcia ciepła temperatury powietrza.
Ciepło a pompa ciepła
Pompa ciepła wykorzystuje zarówno zjawisko przepływu ciepła, jak i zmianę stanu fizycznego substancji. Dwa najważniejsze procesy, które warunkują prawidłowe działanie pompy ciepła, jest skraplanie i parowanie. Energia z zewnątrz podana do pompy ciepła, zostaje przekazana do instalacji w celu podniesienia temperatury/ogrzania czynnika roboczego i w konsekwencji doprowadzenia do jego parowania. Proces odbywa się cyklicznie w obiegu zamkniętym. W parowniku czynnik chłodniczy pochłania ciepło. Odparowywanie to pierwszy etap, kolejnym jest kompresja (sprężanie), które podnosi ciśnienie oraz temperaturę pary. Następnie w skraplaczu para oddaje swoje ciepło, aby w końcu czynnik chłodniczy znów osiągnął ciśnienie oraz temperaturę wyjściową.
Typ pompy ciepła a zasada działania
Niezależnie od marki urządzenia, montażu lub wykorzystywanego źródła ciepła, fizyczne zależności są stałe — powyższe zasady mają się jednakowo do każdego typu pomp. Zmienne są przede wszystkim konstrukcje i systemy działania na kolejnych etapach przetwarzania energii.
Pompy ciepła typu powietrze/woda
Powietrzna pompa ciepła posiada kilka obiegów. Odbiera energię cieplną z zewnątrz — z powietrza i przekazuje do obiegu wewnątrz domu.
Pompy powietrzne typu split składa się z dwóch modułów. Pierwszy moduł ustawiany na zewnątrz wyposażony jest w wentylator, parownik, sprężarkę i zawór rozprężny. Wewnątrz budynku montowany jest drugi moduł. W nim znajdują się skraplacz, podgrzewacz elektryczny i pompa obiegowa c.o. Moduły współpracują połączone rurami.
Pompa powietrzna typu monoblok nie potrzebuje aż dwóch modułów. Ogranicza się jedynie do jednostki zewnętrznej. Umieszczone są w niej wszystkie potrzebne do procesu grzewczego elementy. Zewnętrzną instalację podłącza się do instalacji wewnątrz (stacji hydraulicznej/centrali grzewczej) a stamtąd ciepło wędruje do obiegu grzewczego.
Schemat pobierania ciepła oraz następne wykorzystanie go w budynkach możemy podzielić na trzy podstawowe obiegi.
W pierwszym obiegu wentylator pobiera powietrze i dostarcza je do parownika. Parownik jest wyposażony w układ chłodniczy. Wnętrze układu wypełnia niezamarzająca ciecz, której temperatura jest niższa od otoczenia. Tylko dzięki temu ciecz odbiera ciepła mimo minusowych temperatur (musi występować różnica temperatur). Ogrzana ciecz trafia do kolejnego obiegu.
W obiegu drugim energia cieplna przekazana zostaje czynnikowi chłodniczemu. Czynnik chłodniczy pełni ważną funkcję, jego specyficzne właściwości umożliwiają zachodzenie kolejnych procesów. Czynnik paruje nawet w niskich temperaturach, a pod wpływem ciepła wrze i już w stanie gazowym przekazany jest do sprężarki. Działanie wysokiego ciśnienia umożliwia sprężenie gazu, a czynnik w tym stanie skupienia jeszcze wyżej podnosi temperaturę, która umożliwia wykorzystanie substancji do ogrzewania wody w obiegu grzewczym.
W obiegu trzecim pozyskana energia ciepła może zostać wykorzystana zarówno do ogrzania wody użytkowej jak i grzewczej. Następnie środek chłodniczy, który we wcześniejszej fazie oddał ciepło — ulega schłodzeniu i wraca do pierwotnego stanu ciekłego. Nie wraca jeszcze do pierwszego obiegu ze względu na zbyt wysokie ciśnienie i temperaturę. Płyn musi w pierwszej kolejności przejść przez zawór rozprężny, tam następuje obniżenie ciśnienia cieczy. Czynnik może ponownie wrócić do układu chłodniczego i cykl zaczyna się od nowa.
Sprawdź też: Inwerter serce instalacji fotowoltaicznej
