Ogrzewanie powietrzem: jak funkcjonują pompy ciepła?
3 września 2022
Jak działają pompy ciepła?
Pompa tego rodzaju pobiera ciepło znajdujące się w jej otoczeniu, wykorzystując do grzania zasadę parowania zimna. Każdy zna ten efekt; podobny proces zachodzi podczas pocenia się lub przykładania zimnego kompresu na skórę. Gdy zimna woda paruje, a więc zamienia się w gaz, na skórze robi się chłodniej.
To zasada fizyki: podczas przemiany wody w parę molekuły wody potrzebują dużo energii. Pobierają ją z otoczenia, w tym przypadku – ze skóry. Dlatego robi się chłodniej. I odwrotnie: energia cieplna jest ponownie uwalniana przy przechodzeniu ze stanu pary w płyn; tę zasadę wykorzystuje się w lodówkach i klimatyzacjach. W zamkniętym systemie rur cyrkuluje specjalny czynnik chłodniczy. Tego typu środki parują już przy bardzo niskich temperaturach, niekiedy przy minus 50 stopniach.
Do tego czynnika chłodniczego doprowadzane jest ciepło z gleby lub powietrza, a wtedy środek ten paruje wewnątrz zamkniętego obiegu i przy pomocy kompresora zostaje zagęszczony. Powoduje to dalszy wzrost temperatury w czynniku chłodniczym. W końcu środek ten ponownie zamienia się w płyn, co wyzwala ciepło przekazywane do wody w grzejnikach.
Która pompa lepsza: wodna, powietrzna czy ziemna?
Istnieją różne rodzaje pomp ciepła, ale wszystkie działają według tej samej zasady: pobierają energię z wody, powietrza lub z gleby.
Dla pomp korzystających z wody takim źródłem ciepła może być woda gruntowa, rzeka, lub jezioro. Pompy na powietrze pracują w normalnym otoczeniu, względnie mogą korzystać z powietrza ogrzanego przez zakłady przemysłowe lub serwerownie. Pompy ziemne posiadają specjalne sondy umieszczane na 150 metrach głębokości, względnie system rur połączonych tuż pod powierzchnią ziemi. Im głębiej takie rury są wkopane w ziemię, tym większe ciepło uzyskują. Pompy ziemne i korzystające z wody gruntowej są najbardziej wydajne, ale drogie. Za to pompy powietrze działają prawie wszędzie, lecz mogą być nieco za głośne.
Używanie pompy ciepła z wodą gruntową oziębi ją o około cztery stopnie, podczas gdy pompa na powietrze ochładza otroczenie o około dziesięć stopni.
Czy takie pompy działają też w mroźne zimy?
Tak. Również w takie dni w glebie, powietrzu czy wodzie gruntowej jest wystarczająco dużo ciepła, aby ogrzać budynek.
Na przykład w Skandynawii wielu ludzi używa w zimie takich pomp, które nawet przy 20 stopniach mrozu pobierają ciepło z powietrza. Jednak nie są one wtedy tak wydajne, jak przy wyższy temperaturach zewnętrznych i potrzebują więcej prądu. Takie pompy posiadają także, w celu zabezpieczenia dostaw ciepła, dodatkowy system ogrzewania elektrycznego.
Ile prądu zużywa taka pompa?
Nawet jeżeli większość energii pobierana jest z otoczenia, jednak pompy ciepła potrzebują dodatkowego prądu do kompresora, pomp i wentylatora. W dobrych warunkach przy wykorzystaniu jednej kilowatogodziny można wyprodukować około sześciu kilowatogodzin ciepła. Ocieplone mieszkanie wielkości 80 metrów kwadratowych potrzebuje wtedy mniej niż 1000 kilowatogodzin prądu w roku.
W starszych domach w Niemczech, według badań Fraunhofer-ISE, pompy ciepła na powietrze wytwarzają około trzech kilowatogodzin ciepła z jednej kilowatogodziny prądu. Przy wodzie gruntowej jako źródle ciepła stosunek ten jest czterokrotnie wyższy.
Optymalne są dobrze ocieplone budynki z ogrzewaniem podłogowym lub dużymi grzejnikami. Wtedy woda w grzejnikach może mieć nawet poniżej 30 stopni.
– Obniżenie temperatury wody w grzejnikach o każdy stopień poprawia wydajność pompy o 3,5 procenta – mówi w rozmowie z DW Werner Schenk, ekspert ds. pomp ciepła na politechnice monachijskiej.
Powszechnie dostępne pompy ciepła mogą osiągać temperaturę grzania do 70 stopni i tym samym ogrzewać słabo izolowane domy ze starymi grzejnikami. Jednak zużycie prądu jest wtedy dużo większe.
Czy opłaca się stosować fotowoltaikę do pompy ciepła?
Tak. Prąd z tego źródła jest o wiele tańszy niż z sieci i poza tym przyjazny klimatowi. Jednak takie instalacje wytwarzają mniej prądu w okresie grzewczym czyli w zimie niż latem. Wtedy do wyprodukowania tej samej ilości energii potrzeba większych instalacji albo trzeba dokupować dodatkowy prąd.
Czy pompa ciepła może chłodzić?
Tak. Nowoczesne pompy ciepła można przełączyć na chłodzenie. Wtedy ciepło z budynku oddawane jest do powietrza względnie do wody gruntowej. Także nowoczesne klimatyzatory mogą służyć jako grzejniki. Szczególne wydajne takie chłodzenie jest w przypadku korzystania, bez kompresora, z wody gruntowej i gleby jako źródła ciepła. W takim przypadku przy zużyciu jednej kilowatogodziny z budynku usuwane jest sto kilowatogodzin ciepła.
Czy czynniki chłodnicze są szkodliwe dla klimatu?
Większość z nich tak. Dotychczas w takich pompach i klimatyzatorach używane są środki chemiczne (HFKW). Są one do czterech tysięcy razy bardziej szkodliwe od CO2. W wyniku przecieków lub niezgodnego z przepisami usuwania odpadów, do atmosfery przedostają się tak zwane F-gazy. Jednak w coraz większej liczbie pomp ciepła i klimatyzatorach używane są mniej szkodliwe środki, jak propan, CO2 czy amoniak.