Powietrzne pompy ciepła – co to jest i jakie jest ich działanie?

Pompa ciepła to starannie zaprojektowane, ekologiczne urządzenie grzewcze wykorzystujące energię cieplną z naturalnych zasobów: powietrza, wody i gruntu. Powietrzna pompa ciepła służy do ogrzewania pomieszczeń w budynku a także wody użytkowej. Pobiera energię zgromadzoną w powietrzu (górne źródło ciepła) i transportuje do dolnego źródła ciepła jakim jest instalacja co i cwu. Urządzenie nie wymaga codziennej obsługi, gdyż działa w pełni automatycznie. Powietrzna pompa ciepła jest niezwykle wygodnym rozwiązaniem dla każdego gospodarstwa domowego. Podłączenie drugiego systemu zasilającego pompę jak np. systemu kolektorów słonecznych podnosi efektywność pracy a zainstalowanie w budynku systemu fotowoltaicznego produkującego prąd ze słońca na zasilenie pompy, podniesie ekonomiczny aspekt inwestycji.

Tzw. pompa powietrzna transportuje ciepło z powietrza do budynku z pomocą kilku wewnętrznych obiegów. Rozróżniamy dwa typy potocznie nazywane monoblok i split. Zasada działania pompy ciepła powietrze woda typu monoblok i split jest taka sama. Oba typy wykorzystują podczas wytwarzania ciepła prawa termodynamiki, czyli sprężanie i rozprężanie tzw. gazu chłodniczego. W czasie tych procesów pompa ciepła wytwarza albo chłód albo ciepło stąd może ogrzewać pomieszczenia a także je chłodzić.

Powietrzna pompa ciepła typu monoblok z instalacją fotowoltaiczną

Monoblok to rodzaj konstrukcji. Pompy ciepła typu monoblok są w całości produkowane i składane w fabryce. Wszystkie elementy odpowiadające za transport energii – wentylator, parownik, sprężarka, zawór rozprężny oraz skraplacz – zamknięte są w jednym urządzeniu. Wszelkie połączenia instalacji wewnątrz pompy powietrze woda zawierających gaz chłodniczy dokonuje się na etapie produkcji urządzenia. Cały układ termodynamiczny zostaje szczelnie zamknięty w fabryce i dokładnie sprawdzony. Nie ma potrzeby ingerencji w układ na etapie montażu u klienta co zapewnia jego hermetyczność. Szczelność wewnętrznych instalacji pompy ciepła woda powietrze jest jednym z kluczowych aspektów gdyż ubytek gazu chłodniczego w efekcie ma wpływ na prawidłową pracę systemu.

Pompa ciepła typu split różni się od monobloku tym, że jej układ termodynamiczny jest podzielony na jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną. W jednostce zewnętrznej zawarte są wszystkie urządzenia powodujące hałas czyli wentylator, parownik, sprężarka oraz zawór rozprężny. Jednostka wewnętrzna pompy ciepła typu split zawiera składa się ze skraplacza, pompy obiegowej, sterowania oraz elementów zabezpieczających. Obie jednostki muszą być ze sobą połączone rurkami stanowiącymi część układu termodynamicznego. Powyższe połączenia wykonywane są na etapie montażu u klienta przez instalatora.

Zbiornik buforowy, zasobnik CWU, moduł hydrauliczny HM Trend połączone z powietrzną pompą ciepła

Pompy ciepła powietrze woda typu monoblok i split działają na takiej samej zasadzie, różnica polega na tym że monoblok jest systemem układów zamkniętych szczelnie w fabryce a w splicie część instalacji wykonuje instalator w czasie montażu. Wymaga to od instalatora posiadania specjalnych uprawnień do pracy z gazami chłodniczymi (uprawnienia F-gazowe). Sprawność pompy ciepła typu split uzależniona jest od odległości między jednostką wewnętrzną i zewnętrzną oraz sposobu prowadzenia połączeń rurowych. Im większa odległość i więcej zagięć tym mniejsza sprawność pompy. Ponadto bezawaryjna praca pompy ciepła typu split zależy dokładności połączeń układu termodynamicznego co oznacza że duże znaczenie mają tutaj umiejętności instalatora. Dużą zaletą umieszczania skraplacza wewnątrz budynku jest fakt że nie występują straty ciepła na przesyle energii z zewnątrz do wewnątrz budynku.

Oba rodzaje pomp ciepła mają swoje zalety jednak monoblok okazuje się rozwiązaniem szybszym w montażu i jest obarczonym mniejszym ryzykiem błędów instalatorskich. Koszt zakupu pompy typu split może wydawać się niższy, jednak użytkowanie w przypadku rozszczelnienia układu będzie pociągało za sobą koszty, które przekraczają często nieco wyższą cenę pompy typu Monoblok.

Powietrzna pompa ciepła poza tym, że doskonale sprawdza się jako źródło ciepła może latem służyć do chłodzenia domu. Aktywne chłodzenie pompą ciepłą oznacza że sprężarka pozostaje włączona, jest aktywna. Chłodzenie odbywa się poprzez odwrócenie obiegu grzewczego, chłód wytwarzany z pompy ciepła jest przekazywany do systemu grzewczego.

Zasada działania powietrznej pompy ciepła jest wbrew pozorom bardzo prosta. Energia pozyskana z dolnego źródła ciepła, jakim może być woda, gleba lub powietrze (tzw. dolne źródło) jest przekazywana do wnętrza budynku. Ciepło dolnego źródła początkowo dostarczane jest do czynnika chłodniczego za pomocą wymiennika ciepła (parownika). Czynnik chłodniczy odbiera tę energię za pomocą sprężarki o wyższym poziomie temperatury i przekazuje do kolejnego wymiennika ciepła (skraplacza). W skraplaczu energia przekazywana jest do górnego źródła ciepła jakim jest woda krążąca w instalacji grzewczej (podłogówka, grzejniki, zasobnik cwu). Pompa ciepła powietrzna sama w sobie nie wytwarza ciepła, a jedynie przekazuje je z dolnego do górnego źródła. Z pomocą tego niezbyt skomplikowanego procesu możemy ogrzewać dom i wodę użytkową.

Pompa ciepła jak działa nie każdy wie. Bazuje ona jednak na bardzo prostej zasadzie opartej na przemianach termodynamicznych. Ciepło zawarte w wodzie, glebie, powietrzu zewnętrznym lub powietrzu wywiewanym, początkowo dostarczane jest do czynnika chłodniczego za pomocą wymiennika ciepła (parownika). Czynnik chłodniczy odbiera tę energię za pomocą sprężarki o wyższym poziomie temperatury, dzięki czemu może być wykorzystana do ogrzewania lub produkcji ciepłej wody za pośrednictwem innego wymiennika ciepła (skraplacza).

Pompa ciepła powietrze-woda wykorzystująca powietrze zewnętrzne

Pompa ciepła powietrze woda do ogrzewania domu wykorzystuje zawarte w powietrzu ciepło i transportuje je do górnego źródła ciepła jakim jest instalacja centralnego ogrzewania. Nawet w okresie zimowym, gdy temperatura za oknem jest bardzo niska, urządzenie w dalszym ciągu potrafi pobrać wystarczającą ilość energii, by spełniać swoją funkcję. Pompa ciepła powietrze woda w celu dokonania instalacji nie wymaga przeprowadzania robót ziemnych.

Dobrym buforem ciepła jest także woda gruntowa. Zachowuje ona stosunkowo stałą temperaturę, dlatego współczynnik wydajności pompy ciepła, jest prawie identyczny przez cały rok. Skorzystać można również z gruntu. Na odpowiedniej głębokości zachowuje on wystarczające ciepło, nawet podczas zimowych dni. Ciepło geotermalne absorbowane jest przez podziemny system rur. W przypadku wystarczająco dużej działki uzyskać można w zasadzie niewyczerpalny zapas energii.

Pompa ciepła woda-woda czerpiąca energię z wód gruntowych

Współczynnik COP określa efektywność pracy pompy ciepła. Jest to stosunek dostarczanej do ogrzania domu energii przy zużytej energii elektrycznej. Jeżeli z otoczenia pobrane zostanie 3kW energii i 1kW energii elektrycznej do pracy pompy to łącznie uzyskana energia cieplna wyniesie 4kW. COP to stosunek mocy cieplnej do poboru mocy.

COP = 4kW / 1kW = 4kW

Współczynnik SCOP opisuje ile prądu pompa ciepła zużyje w określonym okresie. Możemy za jego pomocą sprawdzić ile będzie nas kosztowało ogrzewanie domu powietrzną pompą ciepła. SCOP to ilość energii cieplnej dostarczonej do budynku do energii elektrycznej pobieranej przez system w określonym czasie. Współczynnik SCOP jest używany przy obliczeniach dotyczących nowych budynków w celu analizy projektowanej efektywności pompy ciepła.

Współczynnik SPF służy z kolei do określania rzeczywistej efektywności pompy ciepła kiedy system już działa. Sposób liczenia SPF jest identyczny jak SCOP ale dotyczy rzeczywistych wartości dotyczących zużycia prądu i dostarczanego do budynku ciepła.

Podsumowując:

• im lepszej klasy pompa ciepła, tym będzie miała wyższe COP;
• im wyższe SCOP i SPF, tym mniej zużyjemy prądu do ogrzewania i zapłacimy niższe rachunki za energię elektryczną w ciągu roku.

Pompa ciepła powietrze woda jest źródłem ciepła którego efektywność zależy w dużej mierze od temperatury dolnego źródła ciepła czyli powietrza zewnętrznego i temperatury górnego źródła ciepła czyli wody krążącej w instalacji centralnego ogrzewania. Im wyższa jest temperatura powietrza na zewnątrz tym pompa ciepła osiąga wyższy współczynnik wydajności COP co znaczy że potrzebuje mniej energii elektrycznej aby osiągnąć wyższą moc grzewczą.

Pompy powietrzne oprócz transportowania energii za pomocą obiegów wykorzystujących prawa termodynamiki są wyposażone we wbudowane grzałki. Grzałka wspomaga pompę ciepła w niższych temperaturach pokrywając całe zapotrzebowanie budynku na ciepło.