Powietrzna pompa ciepła - grzeje i chłodzi

Jak działa pompa ciepła?

Pod względem funkcjonalnym pompa ciepła nie różni się od domowej lodówki i zawiera takie same, niezbędne elementy robocze w postaci skraplacza, parownika, sprężarki i zaworu rozprężnego lub kapilary. Cały układ wypełniony jest tzw. czynnikiem chłodniczym - gazem o wysokich parametrach termodynamicznych zwanym popularnie freonem, który ulega cyklicznemu sprężaniu i rozprężaniu zmieniając stan skupienia z cieczy na gaz i odwrotnie.

W efekcie następuje „transportowanie” energii cieplnej z obszaru o niskiej temperaturze - tzw. dolnego źródła ciepła z umieszczonym tam parownikiem (np. powietrze zewnętrzne) do miejsca wymagającego podgrzania - tzw. górnego źródła ciepła z wstawionym skraplaczem. (np. w pomieszczeniu).

Pompa ciepła powietrze-woda typu SPLIT w trybie grzania, rys. Hewalex

Jednostka zewnętrzna (1) jest połączona z jednostką wewnętrzną (2) przewodami z czynnikiem chłodniczym (np. R410A). Ciepło odbierane w parowniku (4) podnosi temperaturę czynnika chłodniczego, który poprzez zawór 4-drogowy kierowany jest do sprężarki (3). Czynnik chłodniczy o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu oddaje ciepło w skraplaczu (7) i poprzez elektroniczny zawór rozprężny (5) powraca do parownika (4). Woda grzewcza odbiera ciepło ze skraplacza (7) i w razie potrzeby jest dogrzewana w montowanym opcjonalnie przepływowym podgrzewaczu elektrycznym (9). Pompa obiegowa (8) kieruje wodę grzewczą poprzez zawór 3-drogowy rozdzielający (10) do instalacji grzewczej budynku (c.o.) lub na wężownicę podgrzewacza wody użytkowej (c.w.u.)

Efektywność pracy pompy ciepła określa wskaźnik COP, którego wartość powinna być zawsze odniesiona do konkretnych temperatur po stronie parownika i skraplacza.

Praktycznie dla większości zastosowań zawiera się on w granicach 2,5-4, co oznacza ile razy większa jest ilość energii pozyskanej w stosunku do włożonej, w postaci pobranej energii elektrycznej do zasilenia instalacji.

Wydajna sprężarka

Głównym elementem pompy ciepła, odpowiedzialnym za efektywne funkcjonowanie, jest sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym.

W pompach ciepła instalowane są dwa rodzaje sprężarek: rotacyjne z tłokiem obrotowym oraz spiralne nazywane typem scroll. Rodzaj zamontowanej sprężarki decyduje o możliwości regulacji mocy zależnie od aktualnego zapotrzebowania na ciepło.

W najprostszych wersjach pomp ciepła sprężarki rotacyjne pracują w trybie włącz/wyłącz co niekorzystnie wpływa na trwałość i komfort pracy pompy.

Wyposażenie sprężarki w falownik zwany inwerterem umożliwia nie tylko łagodny rozruch, ale również zmianę wydajności cieplnej w szerokim zakresie poprzez płynną regulację obrotów. W wersji dwutłokowej uzyskuje się równomierny bieg pompy nawet przy małych wydajnościach.

Sprężarki typu scroll mogą pracować w trybie sterowane z inwertorem, podobnie jak pompy rotacyjne. Unikalna konstrukcja tych sprężarek pozwala również na regulację wydajności poprzez zmianę odległości między tarczami spiralnymi przy utrzymaniu stałych obrotów silnika.

Blaski i cienie powietrznych pomp ciepła

Pompy ciepła wykorzystujące powietrze atmosferyczne jako dolne źródło, w porównaniu z gruntowymi pompami, są znacznie łatwiejsze do zainstalowania i tańsze, choć ich zastosowanie narzuca pewne ograniczenia.

Ze względu na korzystanie z powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła, efektywność pozyskiwania energii zmienia się wraz z temperaturą zewnętrzną, a przy dużym spadku poniżej 0 stopni Celsjusza ich moc może nie wystarczyć do ogrzania domu.

Przyjmuje się, że optymalna temperatura pozwalająca na uzyskanie zadowalającego wskaźnika COP, nie powinna być niższa niż minus 5-8 stopni Celsjusza, ale praktycznie takie spadki temperatury zdarzają się przez coraz krótszy okres w sezonie grzewczym.

Funkcjonowanie pompy ciepła wymaga wymuszenia intensywnego przepływu powietrza przez parownik, a zainstalowany wentylator może być źródłem dokuczliwego hałasu np. w przypadku gęstej zabudowy.

Z trybem pracy pompy wiąże się też występowanie oblodzenia parownika przy niskich temperaturach i wysokiej wilgotności powietrza.

Szron ogranicza przepływ powietrza i wymianę ciepła musi więc być systematycznie usuwany przez układ odladzania - najczęściej w formie odwrócenia obiegu pozwalającego na podgrzewanie parownika.

Układy funkcjonalne z wykorzystaniem powietrznych pomp ciepła

Konfiguracja instalacji i dobór pompy ciepła wymaga uwzględnienia wielu czynników związanych z istniejącym bądź projektowanym obiegiem grzewczym, przy czym najistotniejsze będzie uwzględnienie wymaganej mocy grzewczej oraz parametrów temperaturowych.

Pompa ciepła powinna pracować przy temperaturze zasilania ogrzewania na poziomie 35-40 stopni Celsjusza, co oczywiście wymaga współpracy z odpowiednio dużymi grzejnikami lub ogrzewaniem płaszczyznowym. System ten może również pracować jako bazowy przez większą część sezonu grzewczego, wspomagany prze inne źródło np. kominek, w okresach niskich temperatur.

Można też rozważyć (w remontowanych obiektach) wariant zdublowania instalacji grzewczej pozostawiając (jako rezerwę) starą i układając nową instalację z wykorzystaniem klimakonwektorów, co umożliwi również chłodzenie.

Kimakonwektor zamiast grzejnika - sprawdzone rozwiązanie przy ogrzewaniu lub/i chłodzeniu pompą ciepła, fot. Daikin

Pompy ciepła pracujące w instalacjach centralnego ogrzewania mogą bowiem działać w trybie schładzania z wykorzystaniem tzw. wody lodowej lub w przypadku instalacji w systemie split, funkcjonować jak zwykły klimatyzator.

Powietrzne pompy ciepła w instalacji centralnego ogrzewania

W instalacji grzewczej z wykorzystaniem powietrznej pompy ciepła konieczne jest zapewnienie przepływu powietrza przez parownik, który może być zintegrowany ze sprężarką i skraplaczem tworząc zewnętrzny zespół zwany monoblokiem lub montowany jest układ typu split składający się z jednostki zewnętrznej (parownik i sprężarka) oraz skraplacza z wymiennikiem ciepła instalowanym wewnątrz.

Inwerterowa pompa ciepła powietrze-woda WPL 07-17 ACS CLASSIC typu split, fot. Stiebel Eltron

Pompa ciepła typu monoblok współpracuje również z jednostka wewnętrzną, ale pełni ona tylko funkcję buforu w obiegu c.o., zasobnika ciepłej wody oraz układu sterowania całym systemem. Umieszczenie kompletnej pompy na zewnątrz i wyposażenie jej w wymiennik ciepła pozwala na łatwe łączenie z instalacją za pomocą giętkich izolowanych rur instalacyjnych, w których krąży ciepła woda.

Eliminuje to konieczność przeprowadzenia specjalistycznego montażu przez uprawnionego instalatora, co jest konieczne w przypadku łączenia obiegów grzewczych zawierających tzw. freonowy czynnik roboczy. System napełniany może być też innym czynnikiem grzewczym, np. propan - gazem ekologicznie obojętnym, ale palnym, co będzie groźne w razie rozszczelnienia instalacji.

Obieg czynnika grzewczego w instalacji co i cwu zasilanej powietrzną pompą ciepła typu split, fot Stiebel Eltron

W modelach typu split przekazywanie ciepła między pompą, a instalacją grzejną odbywa się w jednostce wewnętrznej z wymiennikiem ciepła, który po stronie zasilania pełni funkcję parownika lub skraplacza gdy układ pracuje w trybie chłodzenia. Opcjonalnie do układu można podłączyć bezpośrednio jednostki wewnętrzne pracujące jako nawiewniki ciepłego bądź chłodnego powietrza. Ich podłączenie wymaga rozprowadzenia rur z czynnikiem chłodniczym, a rozległość instalacji ograniczają dopuszczalne długości i wysokości doprowadzeń.

Współpraca pompy ciepła z instalacją centralnego ogrzewania

Niezależnie od rodzaju pompy ciepła w obiegu grzewczym należy umieścić zbiornik buforowy, który zapewni stabilną i efektywna jej pracę. Dzięki zgromadzonej energii załączanie następuje z mniejszą częstotliwością, jak tez pozwala na nieodczuwalne dla mieszkańców odszranianie parownika poprzez odwrócenie obiegu.

Wielofunkcyjny zasobnik buforowy obiegu grzewczego ONIX, fot. Ciepło-Tech (marka Auer)

Pojemność buforu trzeba dostosować do bezwładności cieplnej instalacji (zładu grzejnego) i przyjmuje się ją odpowiednio do mocy grzewczej w granicach 10 litrów/kW w obiegach z klasycznymi grzejnikami, do nawet 20 litrów/kW przy ogrzewaniu np. klimakonwektorami.

Zbiorniki standardowo wyposażone są też w grzałkę elektryczną, która pozwala na utrzymanie potrzebnej mocy grzewczej w niskich temperaturach oraz w razie awarii. Pompa może również zasilać zasobnik ciepłej wody poprzez zawór przełączający uruchamiany termostatem.

System sterowania pracą pompy jak i układu grzewczego odbywa się poprzez rozbudowana centralę elektroniczną pozwalającą nie tylko na bieżącą regulacje ale równie programowanie zadań jak i zdalne sterowanie za pośrednictwem np. sieci GSM.

Ciepła woda użytkowa z pompy ciepła

Wykorzystanie samodzielnych powietrznych pomp ciepła do przygotowania cwu, jako urządzeń przeznaczonych wyłącznie to tego celu, może mieć zastosowanie głównie w budynkach ogrzewanych paliwem stałym, gdy poza sezonem grzewczym kocioł byłby wykorzystywany tylko do tego celu.

Powietrzna pompa ciepła Basic do przygotowania cwu ze zintegrowanym zasobnikiem poj. 270 litrów, fot. Galmet

Ponieważ powietrzna pompa ciepła w całości umieszczana jest wewnątrz domu i pobiera ciepło z pomieszczenia np. kotłowni, ogólny bilans energetyczny będzie bardzo korzystny, bowiem wykorzystuje ono ciepło promieniowania kotła w zimie, a latem dopływ ciepłego powietrza zewnętrznego.

Stosunkowo wysokie temperatury powietrza zasilania pozwalają również na efektywne podgrzewanie wody do wysokiej temperatury. 60-70 stopni Celsjusza.

Autor: Cezary Jankowski
Opracowanie: Aleksander Rembisz
Zdjęcie otwierające: Stiebel Eltron
Zdjęcia w tekście: Stiebel Eltron, Galmet, Ciepło-Tech, Daikin, Hewalex
Filmy w tekście: Iglotech