Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Pompy ciepła, które używane są do ogrzewania m.in. domów, mogą budzić kontrowersje. Dzieje się tak za sprawą błędnych informacji, że pompy ciepła mają sprawność np. do 500%.
Oczywiście tak nie jest. Aby wyjaśnić ten temat, trzeba zrozumieć, jak działa pompa ciepła i jak wykorzystuje podstawowe zasady fizyki.
Z tego artykułu dowiesz się, co to jest pompa ciepła i jak działa. Przypomnisz sobie również zasady fizyczne, które są w niej wykorzystywane. Oprócz tego poznasz popularne rodzaje pomp ciepła wraz z ich przykładowym zastosowaniem. Wiedza ta da odpowiedź na pytanie, dlaczego ceny instalacji z pompami ciepła są tak różne.
Artykuł ten tłumaczy również jaka jest sprawność pomp ciepła, oraz wyjaśnia, czym jest efektywność i współczynnik COP pomp ciepła. Poradnik zawiera też wyjaśnienie, dlaczego w opisach niektórych pomp ciepła spotyka się jednostkę Btu.
Niektórzy uważają pompy ciepła za coś dziwnego, a wszystko z powodu opinii, że „sprawność pomp ciepła jest większa niż 100% i może sięgać nawet 500%”. Błąd tkwi w nieścisłości i pomieszaniu pojęć. Otóż błędnie użyte jest tu słowo „sprawność”.
Sprawność pompy ciepła nie jest większa niż 100%, bo to jest niemożliwe.
Najważniejszy parametr pompy ciepła, nazywany COP (ang. coefficient of performance), rzeczywiście może wynosić kilkaset procent, ale nie znaczy to, że pompa ciepła „robi coś z niczego”. Współczynnik COP to nie jest sprawność pompy ciepła tylko jej efektywność – więcej o tym w dalszej części artykułu.
Najprościej rzecz biorąc, pompa ciepła to „czarna skrzynka” – urządzenie, którego zadaniem, zgodnie z nazwą, jest właśnie pompowanie ciepła, czyli przekazywanie ciepła z jednego miejsca do drugiego.
Należy podkreślić, że ta „czarna skrzynka” może działać w różny sposób, ale zawsze wykorzystuje ona fundamentalne prawa fizyki. Problem polega na tym, że mało kto pamięta i rozumie wiadomości z fizyki, a konkretnie z termodynamiki, czyli nauki o cieple. Pora na krótkie przypomnienie.
Przykładowa pompa ciepła
Ciepło samoczynnie przepływa z obszaru o temperaturze wyższej do obszaru o temperaturze niższej. W przypadku pompy ciepła służącej do ogrzewania domu chcemy odwrócić kierunek przepływu ciepła: żeby ciepło przekazywać z obszaru zimniejszego do obszaru cieplejszego. Można to zrobić, i to bez łamania praw fizyki.
W codziennym życiu mamy do czynienia z naturalnymi przepływami ciepła z obszaru cieplejszego do zimniejszego, a ponadto zapominamy np. o lodówce. Podstawowa idea pompy ciepła, przedstawiona obrazowo (w ogromnym uproszczeniu) na rysunku niżej, jest banalnie prosta.
Bardzo uproszczona idea pompy ciepła
Chodzi o transport ciepła, a raczej transport energii cieplnej. W praktyce bardzo interesuje nas zdolność transportu energii cieplnej, czyli w uproszczeniu „wielkość pompy”. Ale już teraz trzeba też zwrócić uwagę na ważne szczegóły: w obszarach oznaczonych C i H będą występować jakieś temperatury, odpowiednio TC, TH, które mogą być, ale w praktyce nie będą jednakowe.
Co ważne: pompowanie ciepła będzie oznaczać nie tylko „wpompowywanie” ciepła do obszaru H, czyli podwyższanie panującej tam temperatury, ale też „wyciąganie” energii cieplnej z obszaru C, czyli obniżanie temperatury TC tego obszaru.
Jak na razie nie ma tu mowy o żadnej sprawności – całe ciepło z obszaru C jest przekazywane do obszaru H (QC = QH). Tylko pompa może być mniejsza lub większa, co moglibyśmy nazwać mniejszą lub większą wydajnością. A w praktyce nazywamy to po prostu mocą pompy ciepła.
W praktyce QC nazywamy mocą chłodzenia, a QH – mocą grzania.
W literaturze w opisach często jest mowa o ilości ciepła Q, ale w rzeczywistości chodzi nie o całkowitą ilość energii cieplnej (wyrażaną w dżulach lub watosekundach), tylko o tempo przekazywania tej energii, czyli o moc, wyrażaną oczywiście w watach, a w praktyce w kilowatach.
W USA moc cieplną najczęściej wyraża się nie w watach, tylko w jednostkach Btu/h (Btu/hr): 1 Btu to ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita (analogicznie jak kiedyś kaloria). Dlatego w wielu materiałach spotyka się te dziwne jednostki Btu.
Powyższy rysunek pokazuje tylko podstawową ideę – transport energii cieplnej. W przypadku pompy ciepła nie następuje on samoczynnie, tylko zostaje wymuszony. Najprościej mówiąc, do wymuszenia transportu ciepła potrzebna jest jakaś energia, jakaś moc.
Gdyby pompa ciepła była przedstawionym na rysunku kołem z łopatkami, do wprawienia w ruch takiej „turbiny cieplnej” potrzebna byłaby energia pochodząca z napędzającego ją silnika elektrycznego. Dorysujmy więc do turbiny taki napęd. Poniższy rysunek wskazuje, że do napędu tego typu silnika potrzebna jest jakaś energia, np. (ale niekoniecznie) energia elektryczna.
Realna koncepcja pompy ciepła
I wtedy – oprócz ciepła QC zabieranego z obszaru chłodnego i dostarczanego do obszaru ciepłego – w grę wchodzi też energia, jaką musimy dostarczyć do „silnika napędzającego”. W zasadzie powinniśmy oznaczyć ją nie literą Q, tylko literą W – praca, ale energia (elektryczna) finalnie i tak zamieni się na ciepło, więc od razu możemy ją oznaczyć QS. W zależności od tego, czym tak naprawdę jest „czarna skrzynka”, a także zależnie od temperatur TC i TH możemy mieć do czynienia z różnymi sytuacjami.
Z kilku względów w praktyce niemożliwe jest, żeby przy znikomym wkładzie energii (mocy) QS uzyskać bardzo duże wartości mocy pompowanej QC, QH według poniższego rysunku. Teoretycznie jest to możliwe tylko przy bardzo małej różnicy temperatur TC i TH.
Teoretyczny przypadek bliskiej ideału pompy ciepła
Możliwe są, i niestety bardzo często się zdarzają, takie sytuacje, że pomimo dostarczenia do pompy znacznej mocy zasilania QS ilość pompowanego ciepła jest znikoma, jak pokazuje poniższy rysunek.
Przypadek pompy ciepła, która nie spełnia swojego zadania
W praktyce za bardzo dobre uznaje się pompy ciepła do ogrzewania domów, w których moc grzania QH jest co najmniej cztery razy większa od mocy zasilania QS. Ilustruje to poniższy rysunek.
Parametry dobrej jakości pompy ciepła
I oto doszliśmy do ważnego parametru. W przypadku pomp ciepła nie należy mówić o ich sprawności (która nie przekracza 100%), sprawność bowiem dotyczy przemian energii, a nie jej pompowania. Pompy ciepła charakteryzowane są przez parametr nazywany COP (ang. coefficient of performance).
Często parametr COP nazywa się efektywnością. Zgodnie ze znaczeniem słowa performance (wynik, wydajność) powinniśmy mówić więc o współczynniku wydajności, a nie o sprawności pompy ciepła. A konkretnie o współczynniku grzania:
COPH = QH / QS
oraz współczynniku chłodzenia:
COPC = QC / QS
W praktyce oznacza to, że jeżeli mamy dobrą pompę ciepła, o COPH = 4, czyli 400%, to z każdego kilowata dostarczonej mocy elektrycznej zasilania QS otrzymamy 4 kW mocy cieplnej QH. W ogromnym skrócie można więc powiedzieć, że za ogrzewanie domu z użyciem takiej pompy zapłacimy cztery razy mniej, niż gdybyśmy ogrzewali go klasycznymi grzejnikami elektrycznymi (chodzi o koszt potrzebnej energii, bez wliczania kosztu urządzeń).
O pompach ciepła mówimy najczęściej w kontekście ogrzewania budynku. Jednak w każdym domu już mamy pompę ciepła w postaci lodówki (chłodziarki, zamrażarki). Każda lodówka czy zamrażarka jest najprawdziwszą pompą ciepła.
Także każdy klimatyzator jest pompą ciepła. A niektóre klimatyzatory mogą albo chłodzić, albo grzać. Tu też jest spore zamieszanie z nazwami, gdyż wielu z nas jako klimatyzator rozumie urządzenie, które latem ma chłodzić. Odmiany „dwukierunkowe”, które mogą również grzać, czasami nie są nazywane klimatyzatorami, tylko powietrznymi pompami ciepła.
Na co dzień zwracamy uwagę głównie na drzwi oraz półki lodówki (a w zasadzie na to, co można na nich…... Czytaj dalej »
Wszelkie lodówki i klimatyzatory o różnej konstrukcji to pompy ciepła. Oprócz nich coraz częściej spotyka się pompy ciepła służące jako źródło ogrzewania domów, a wiele z nich może także pracować „w drugą stronę”, czyli w roli klimatyzatora.
Coraz częściej słyszy się też o wykorzystywaniu pomp ciepła do podgrzewania wody użytkowej. Niejednokrotnie takie pompy ciepła są zasilane przez panele fotowoltaiczne (FV).
Coraz popularniejsza jest też pompa ciepła do basenu. Tak, do podgrzewania wody w basenie również wykorzystywane są pompy ciepła pracujące na zasadzie lodówki sprężarkowej, tylko z tą różnicą, że pompowane ciepło podgrzewa wodę w basenie.
Zagadnienie pt. „rodzaje pomp ciepła” należy rozdzielić na dwie części:
Pompy ciepła mogą być realizowane na różne sposoby. W praktyce wykorzystywane są trzy z nich. Najlepiej omówić je na przykładzie lodówek, czyli chłodziarek. Otóż wykorzystujemy trzy rodzaje lodówek – chłodziarek:
Najpopularniejsze są lodówki sprężarkowe, które do działania potrzebują gaz, który jest sprężany i rozprężany za pomocą odpowiednich elementów (więcej w artykule: jak działa lodówka). Obecnie już dużo mniej popularne są lodówki absorpcyjne, które mają właściwie podobną budowę, ale nie zawierają sprężarki napędzanej silnikiem elektrycznym, a jedynie grzałkę.
Zasada działania lodówki sprężarkowej
Trzecią grupą są małe lodówki turystyczne. Te niewielkie pojemniki zasilane elektrycznie i wyposażone w wentylator działają na innej zasadzie – są chłodziarkami termoelektrycznymi i pompą ciepła jest w nich tzw. element Peltiera (moduł Peltiera). Istnieje też szereg innych możliwości realizacji lodówki (pompy ciepła), jednak przytoczone tutaj trzy wersje są najpopularniejsze.
Określenie „pompa ciepła” najczęściej dotyczy systemu ogrzewania domu. Taki system można byłoby zrealizować z wykorzystaniem dowolnego z trzech wspomnianych wyżej rozwiązań. W grę wchodzi jednak cena, a potrzebna moc grzania QH to kilka do kilkunastu kilowatów, czyli dużo.
Ze względów ekonomicznych nie ma dużych pomp ciepła z modułami Peltiera ani absorpcyjnych. Teoretycznie takie pompy mogłyby ogrzewać dom, ale cena przekreśla takie rozwiązanie.
Pompy ciepła do ogrzewania domów to odmiana lodówek sprężarkowych. Działają dokładnie tak jak lodówki – inna jest tylko budowa parownika (zamrażalnika) i skraplacza (kondensatora par). Ilustruje to poniższy rysunek.
Lodówka kompresorowa, czyli odmiana pompy ciepła: 1 – skraplacz, 2 – zawór dławiący (zwężka, kapilara), 3 – parownik, 4 – sprężarka
Pompa ciepła ogrzewająca dom to zawsze po prostu odmiana lodówki, ale ze względu na główny cel, czyli podnoszenie temperatury na dużym obszarze, jest ona wyposażona w dodatkowe wymienniki na stronie zimnej i gorącej, jak pokazuje to poniższy rysunek.
Domowa pompa ciepła to lodówka kompresorowa z dodatkowymi wymiennikami ciepła
Pośrednim nośnikiem – transporterem ciepła, a także źródłem ciepła – może być, i często jest, woda lub powietrze. Problem w tym, że podczas pracy pompa musi skądś pobrać ciepło, ochładzając to miejsce. Potrzebne jest więc jakieś źródło ciepła o niewysokiej temperaturze. Pompa ciepła „wyciągnie” to ciepło i ogrzeje nim dom.
To problem praktyczny: co jest dobrym źródłem ciepła? Rozwiązań tego problemu jest na szczęście dużo. Domowa pompa ciepła może korzystać z gruntowego, pionowego wymiennika – pisząc prościej: ciepło może być pobierane z gruntu za pośrednictwem rur wbitych w ziemię.
Ilustracja przykładowego pionowego wymiennika ciepła
Stosunkowo dobre właściwości w roli dolnego źródła ciepła ma właśnie ziemia, która nawet podczas mroźnej zimy zamarza co najwyżej na głębokość około 1 m. A niżej temperatura gruntu jest prawie stała i wynosi około 10°C.
Skuteczne systemy tzw. gruntowych pomp ciepła jako dolne źródło ciepła wykorzystują ciepło zawarte w ziemi. Nie można jednak zakopać w ziemi parownika pompy ciepła, więc gruntowe pompy używają wymienników ciepła i systemu umieszczonych w ziemi rur (na głębokości około 2 m).
Ciepło w takich rurach przenosi nie woda, tylko albo solanka, albo glikol.
Nie jest to jedyne rozwiązanie. Równie dobrze zamiast głęboko wbitych pionowych rur za wymiennik ciepła mogą posłużyć węże zakopane stosunkowo płytko pod powierzchnią gruntu. Mogą być one rozłożone w formie zwojów lub w formie prostych odcinków. Wymiennik nie musi znajdować się pod ziemią – można spotkać pompy ciepła z wymiennikami zanurzonymi w wodzie.
W przypadku instalacji do ogrzewania domów jednorodzinnych bardzo często spotyka się pompy ciepła z wymiennikami powietrznymi – dzięki temu nie ma konieczności montowania podziemnej instalacji. Są to coraz bardziej popularne powietrzne pompy ciepła.
Przykładowa powietrzna pompa ciepła
Tutaj też można jednak spotkać różne realizacje. Pompa ciepła powietrze–powietrze to po prostu dwukierunkowy klimatyzator. Z zewnętrznej strony jest powietrze w otoczeniu domu, a z drugiej wymiennik ciepła współpracuje z wentylatorem, który zapewnia ruch powietrza wewnątrz mieszkania.
Taka pompa zapewnia w mieszkaniu strumień ciepłego lub zimnego powietrza. Inna wersja to pompa ciepła powietrze–woda. To odmiana pompy powietrznej, gdy w domu nie ma dmuchawy, tylko system ogrzewania wodnego: podłogowego lub z grzejnikami (niskotemperaturowymi).
Przy okazji warto dodać, że system z gruntowym wymiennikiem ciepła i podłogowym systemem ogrzewania (lub grzejnikami) określany jest jako pompa ciepła woda–woda.
Gruntowe pompy ciepła (woda–woda) z prawidłowo zaprojektowanym i dobrze wykonanym wymiennikiem gruntowym pozwalają osiągnąć efektywność COPH powyżej 4 (400%), i to niezależnie od temperatury powietrza, a więc także podczas mrozów.
Trzeba pamiętać, że nie każda pompa ciepła poradzi sobie z wyjątkowo niskimi temperaturami
Natomiast COPH wszystkich odmian powietrznych pomp ciepła silnie zależy od różnicy temperatur między wnętrzem domu i jego otoczeniem. Producenci tych urządzeń podają w dokumentacji, jaka jest graniczna temperatura zewnętrzna, przy której urządzenie działa poprawnie – może to być np. –20°C. Gdy temperatura spadnie poniżej tej wartości to w urządzeniu włączy się dodatkowa grzałka.
Dużo bardziej odporne na warunki atmosferyczne są gruntowe pompy ciepła. Jednak są one droższe i trudniejsze w instalacji z uwagi na konieczność wykonania wymiennika gruntowego.
Należy zapamiętać, że pompa ciepła ani nie produkuje ciepła, ani nie produkuje zimna. Ona tylko pompuje energię cieplną ze źródła o niższej temperaturze niż temperatura ogrzewanego domu. W celu lepszego zrozumienia tego mechanizmu warto zapoznać się również z modułami Peltiera.
W przypadku pomp ciepła nie należy mówić o ich sprawności, tylko o ich współczynniku COPH, który jedynie w najlepszych instalacjach przekracza 4 (400%), a w większości przypadków jest mniejszy – i z powodu zasad fizycznych, i z powodu niedoskonałości sprzętu czy błędów przy realizacji.
Piotr Górecki
Akcelerometry MEMS i mikrofony MEMS to tylko niektóre elementy wykonywane w zaskakującej technologii, która łączy mechanikę z elektroniką.... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...