Jak działa pompa ciepła zasilająca domową instalację grzewczą?

Źródłem ciepła do ogrzewania domu może być grunt, woda lub powietrze.

Są to źródła o temperaturze niższej niż oczekuje się w pomieszczeniach, a więc zadaniem pompy ciepła jest pobranie energii cieplnej z ośrodka o niższej temperaturze (np. woda gruntowa ma temperaturę 7-12°C, a powietrze może mieć nawet 20°C) i przekazanie go do pomieszczenia o wyższej temperaturze (ok. 20°C). Wywołuje to skojarzenie z pompowaniem ciepła z dołu (z ośrodka chłodnego) do góry (do cieplejszych pomieszczeń w domu).

Codziennie mamy do czynienia z takim pompowaniem ciepła w naszej lodówce czy zamrażarce. Z wnętrza lodówki, a ściślej z umieszczonych w niej produktów żywnościowych, jest "wypompowywane" ciepło, które następnie jest przekazywane do pomieszczenia na zewnątrz lodówki, wskutek czego grzeje ona pomieszczenie, w którym stoi.

Schemat działania pompy ciepła

Wyobraźmy sobie teraz, że do wnętrza lodówki wpływa w ciągłym obiegu woda ze studni o temperaturze 10°C i po schłodzeniu w lodówce do 5°C wypływa z tejże lodówki, a następnie jest zrzucana do innej studni. Woda cały czas dostarcza do wnętrza lodówki ciepło, które jest z niej zabierane i oddawane na zewnątrz lodówki - do pomieszczenia. Tak właśnie - co do fizycznej zasady - działa pompa ciepła.

Żeby mogła działać, musi być zasilana prądem elektrycznym (lub ciepłem w przypadku pomp absorbcyjnych), który umożliwia przekazywanie darmowego ciepła ze źródła naturalnego (gruntu, wody, powietrza), nazywanego źródłem dolnym do domowej instalacji grzewczej, nazywanej źródłem górnym.

Najważniejszą sprawą jest przepompowanie jak najwięcej energii cieplnej Q kosztem jak najmniejszego zużycia energii elektrycznej Q_e - czyli osiągnięcie jak największej sprawności pompowania ciepła, określanej współczynnikiem COP.

Sprawność pompowania ciepła jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury między odbiornikiem (źródłem górnym) a źródłem ciepła (źródłem dolnym). Tę zależność można zapisać wzorem:

w którym:

T₁ i T₂ to wyrażona w kelwinach temperatura źródła i odbiornika ciepła,

η_p jest wewnętrzną sprawnością agregatu pompy ciepła i wynosi 0,5-0,6.

Jedynka we wzorze odpowiada energii cieplnej pochodzącej wprost ze strat energii elektrycznej (związanych z pracą agregatu sprężarkowego) pobieranej przez pompę ciepła.

Współczynnik sprawności pompy ciepła

W domowych instalacjach grzewczych zasilanych pompą ciepła COP osiąga wartość od 3 do 6, najczęściej od 4 do 5.

opr.: Redakcja
zdjęcie: Bosch