Budowa pompy ciepła – co warto o niej wiedzieć?

Budowa pompy ciepła – co warto o niej wiedzieć?

Pompy ciepła, choć dziś kojarzą się z nowoczesnymi technologiami i zaawansowaną konstrukcją, mają swoje korzenie w XIX wieku. Pierwsze ich prototypy były używane w Austrii do suszenia soli na słonych bagnach. Od tamtej pory technologia przeszła ogromną ewolucję. Współczesne urządzenia korzystają z zaawansowanych materiałów i precyzyjnie zaprojektowanych podzespołów, które zapewniają wysoką wydajność i efektywność energetyczną. Jak obecnie są zbudowane pompy ciepła i jakie zmiany przyniosły dziesięciolecia rozwoju tej technologii? 

Przeczytaj także:

• Czy panele fotowoltaiczne trzeba odśnieżać?
• Jak usunąć śnieg z paneli fotowoltaicznych?
• Śnieg na panelach fotowoltaicznych a produkcja energii

Kiedy używano pierwszych pomp ciepła?

Ponad 170 lat temu Lord Kelvin przedstawił teorię, która stała się fundamentem działania pomp ciepła. Kilka lat później, w 1856 roku, Peter von Rittinger skonstruował pierwsze urządzenie tego typu, inspirowane badaniami nad przemianą fazową ciepła utajonego. Głównym celem była efektywna metoda odparowywania solanki. Chociaż urządzenie Rittingera było ogromnych rozmiarów i wykorzystywało koło wodne do napędzania sprężarki, jego zasada działania przypominała dzisiejsze pompy ciepła.

Solanka trafiała do naczynia złożonego z dwóch komór. Górna, chłodniejsza, zawierała solankę zmieszaną z parą wodną o niskiej temperaturze i ciśnieniu. Dolna komora była oddzielona metalową płytą o wysokiej przewodności cieplnej. W tym procesie para podgrzana do 100 stopni Celsjusza w dolnej komorze skraplała się i uwalniała ciepło, które przenikało do górnej komory. Dzięki temu ogrzewano chłodniejszą parę na wejściu. Prowadziło to do wytrącania się soli w górnej komorze. Wytrącona sól była następnie usuwana.

Choć pierwotne zastosowanie tego urządzenia nie obejmowało ogrzewania pomieszczeń to zasada działania oparta na przenoszeniu energii cieplnej za pomocą cyklu termodynamicznego oraz takie elementy jak parownik, skraplacz czy sprężarka, pozostały niezmienne do dziś. 

Chcesz wiedzieć więcej o pompach ciepła? Przeczytaj nasz artykuł, w którym opisujemy zasady działania pomp ciepła i wyjaśniamy, czym się charakteryzują: Pompa ciepła - co to jest? Jak działa pompa ciepła?

Budowa pomp ciepła – z czego się składa pompa ciepła?

Pompa ciepła działa na zasadzie przenoszenia energii cieplnej z otoczenia, czyli powietrze, woda lub grunt (dolne źródło), do wnętrza budynku, gdzie zasila system ogrzewania, który składa się z grzejników lub ogrzewania podłogowego (górne źródło). Proces ten można porównać do działania lodówki, w której ciepło jest odprowadzane z wnętrza urządzenia na zewnątrz, ale w pompie ciepła kierunek wymiany energii jest odwrotny. Aby taki transfer energii mógł się odbyć, urządzenie musi składać się z kilku istotnych elementów. Jest to między innymi sprężarka, parownik, zawór rozprężny i skraplacz.

Parownik

Parownik w pompie ciepła to element, w którym czynnik chłodniczy odbiera ciepło z otoczenia, nawet przy bardzo niskich temperaturach. W tego typu urządzeniach stosuje się najczęściej czynnik chłodniczy R32 lub R410A. Pierwszy z nich jest jednoskładnikowy i ma niższy potencjał ocieplania globalnego – 685,  Z kolei R410A to mieszanina z potencjałem znacznie wyższym, bo na poziomie 2088. Ponadto wykorzystuje się również czynnik R290, czyli propan, który wykorzystywany jest głównie w pompach powietrze-woda. Wyróżniają go bardzo dobre właściwości z zakresu termodynamiki, przez co efektywność urządzeń jest wysoka, nawet w niskich zakresach temperatur zewnętrznych. Minusem jest jednak to, że jest czynnikiem wybuchowym, przez co pompy ciepła oparte na propanie mają swoje ograniczenia. Są też znacznie droższe na etapie inwestycyjnym co sprawia, że nie cieszą się dużą popularnością.

Czynnik chłodniczy R32 w momencie odbioru ciepła jest w stanie gazowym i charakteryzuje się wyjątkowo niską temperaturą wrzenia, która wynosi około -51,7 stopni Celsjusza. Dzięki temu potrafi pozyskiwać ciepło nawet z mroźnego powietrza, co prowadzi do jego odparowania. W tym procesie dochodzi do przemiany fazowej, przypominającej zasady działania pierwszych urządzeń termodynamicznych, jak np. pompa ciepła skonstruowana przez Petera von Rittingera.

Sprężarka

W sprężarce czynnik chłodniczy podlega procesowi sprężania. Powoduje to wzrost jego temperatury i ciśnienia. W wyniku tego procesu czynnik zmienia się w gorącą, wysokociśnieniową parę. Współczesne sprężarki są napędzane energią elektryczną i wykonane z nowoczesnych materiałów. Wśród nich można wymienić między innymi wysokogatunkową stal z powłoką PVD.

Sprężarka często nazywana jest sercem pompy ciepła, ponieważ jej praca jest niezbędna dla działania cyklu termodynamicznego. Sprawne sprężanie czynnika chłodniczego ma niezwykle istotne znaczenie dla efektywności całego systemu, ponieważ umożliwia ono skuteczne przenoszenie ciepła i zapewnia wysoką wydajność energetyczną urządzenia.

Skraplacz

W skraplaczu gorący czynnik chłodniczy oddaje zgromadzoną energię cieplną, dzięki czemu następuje jego przejście ze stanu gazowego w ciekły. W tym procesie następuje wymiana ciepła między czynnikiem chłodniczym a wodą obiegową w instalacji grzewczej budynku. Ogrzana woda zasila następnie systemy grzewcze, czyli grzejniki, ogrzewanie podłogowe lub klimakonwektory. Wytworzone w ten sposób ciepło jest również wykorzystywane do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Dzięki temu zwiększa się w znacznym stopniu wszechstronność zastosowania pompy ciepła.

Zawór rozprężny

Czynnik roboczy, który oddał ciepło w skraplaczu i znajduje się w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem, kierowany jest do zaworu rozprężnego. W tym miejscu jego ciśnienie zostaje obniżone i następuje jego chłodzenie. W ten sposób jest on przygotowywany do ponownego procesu odparowania w parowniku.  Dzięki temu cykl działania pompy ciepła zostaje zamknięty i rozpoczyna się jego kolejna faza.

Inne elementy w budowie pomp ciepła

Poza sprężarką, czy wymiennikiem ciepła wymienić można jeszcze inne elementy, jak np. zawór 4-drogowy. Odpowiedzialny on jest za zmianę kierunku obiegu w pompie ciepła, dzięki czemu możliwe jest nie tylko ogrzewanie pomieszczeń, ale także ich chłodzenie. Co istotne, nie montuje się go we wszystkich urządzeniach. W niektórych modelach pomp ciepła instalowana jest dodatkowa grzałka elektryczna, która pełni rolę wsparcia w momentach zwiększonego zapotrzebowania na moc grzewczą oraz zabezpiecza system przed zamarzaniem, chroniąc urządzenie i wymiennik.

Z kolei przepływomierz wirowy umożliwia precyzyjne pomiary przepływu wody niezależnie od wahań ciśnienia w systemie. Należy jeszcze wspomnieć o pompie obiegowej, która odpowiada za wymuszanie i kontrolowanie przepływu wody w części hydraulicznej instalacji, dzięki czemu zapewnia ona sprawne działanie całego układu grzewczego.

Pompa ciepła monoblok i split – czym się różnią te dwa źródła ciepła?

Elementy odpowiedzialne za działanie pompy ciepła są takie same w obu urządzeniach, jednak różnica polega na ich konstrukcji. W wersji monoblokowej układ hydrauliczny i chłodniczy znajduje się w jednej obudowie. Natomiast w urządzeniu typu split układ chłodniczy, zawierający parownik, zawór rozprężny i sprężarkę, umieszczony jest na zewnątrz, a układ hydrauliczny z pompą obiegową, wymiennikiem płytowym i naczyniem przeponowym znajduje się wewnątrz budynku. W takiej konstrukcji konieczne jest połączenie między jednostkami, które będzie umożliwiać przepływ czynnika chłodniczego. Instalacja oraz napełnienie tego układu wymagają pracy wykwalifikowanego specjalisty z uprawnieniami F-gazowymi, jednak pompa ciepła typu split jest mniej narażona na awarie w przypadku zaniku prądu z sieci lub awarii pompki obiegowej ponieważ nie ma ryzyka zamarznięcia wody w układzie grzewczym.