Dlaczego pompa ciepła działa nawet zimą?

Prezentujemy poniżej artykuł autorstwa Profesora Zwyczajnego, dr hab. inż. Andrzeja J. Nowaka, odnośnie ekstremalnej wydajności pomp ciepła także zimą które instaluje DUNEKO.

Jest rzeczą oczywistą, że podejmując decyzję jaki system grzewczy powinien zostać zainstalowany w domu/mieszkaniu lub w firmie, a także modyfikując istniejący ale przestarzały system grzewczy, zawsze warto zapoznać się z rozwiązaniami nowoczesnymi, które zyskują na popularności. Każda decyzja powinna być przemyślana i oparta na solidnej analizie technicznej, która powinna rozwiać wszystkie wątpliwości pojawiające się u inwestora. Jest to szczególnie ważne teraz, kiedy koszty energii stają się (a właściwie już się stały) bardzo istotną częścią kosztu eksploatacji każdego systemu grzewczego.

Systemem grzewczym zyskującym ostatnio coraz większą popularność jest system wykorzystujący sprężarkową pompę ciepła. Jest to urządzenie, które pobiera darmowe ciepło (stąd jego atrakcyjność ekonomiczna) z tak zwanego dolnego źródła ciepła i transportuje to ciepło do ogrzewanego pomieszczenia. Ciepło to może nie tylko być użyte do ogrzewania pomieszczenia, ale także służyć do przygotowania ciepłej wody użytkowej w domu lub w firmie. Dolnym źródłem ciepła może być powietrze w otoczeniu, grunt, woda gruntowa itp., chociaż szczególnie popularne stają się ostatnio powietrzne pompy ciepła. Wynika to z prostego faktu, że pobór ciepła z powietrza w otoczeniu nie wymaga żadnego poważniejszego przygotowania samego źródła ciepła.

Jest powszechnie wiadome, że ciepło płynie samorzutnie od ciała/przestrzeni o wyższej temperaturze do ciała/przestrzeni o niższej temperaturze. Nic więc dziwnego, że u niektórych osób rozważających instalację pompy ciepła mogą pojawiać się wątpliwości, czy pompa ciepła na pewno działa także w zimie. Przecież chodzi o pobranie ciepła z powietrza, którego temperatura może być nawet ujemna, i przesłanie go do ogrzewanego pomieszczenia, którego temperatura powinna być na poziomie 20^oC, lub do ciepłej wody użytkowej, której temperatura powinna być na poziomie 45^oC.

Wyjaśniając tę wątpliwość trzeba potwierdzić, że oczywiście ciepło samorzutnie nie popłynie od zimnego powietrza do ciepłego pomieszczenia. Po to aby transport ciepła od zimnego powietrza do ciepłego pomieszczenia był możliwy i zgodny z zasadą „od ciała/przestrzeni o wyższej temperaturze do ciała/przestrzeni o niższej temperaturze”, potrzebny jest zestaw urządzeń. W pierwszym rzędzie chodzi o sprężarkę, która pobierając z sieci energię elektryczną spowoduje przepływ czynnika roboczego w układzie (pompie ciepła). Ten czynnik roboczy jest w istocie nośnikiem (transporterem) ciepła, które jest pobierane w parowaczu od powietrza atmosferycznego i oddawane w skraplaczu do innego czynnika, który realizuje proces ogrzewania w pomieszczeniu. Sprężarka podnosi ciśnienie czynnika roboczego i aby to ciśnienie wróciło do wartości jaką miało na dopływie do sprężarki, pomiędzy skraplaczem a parownikiem należy zamontować zawór rozprężny (zawór dławiący) obniżający ciśnienie do wartości wejściowej. Urządzenia tworzące pompę ciepła oraz jej strukturę pokazano na poniższym schemacie.

Czynnik roboczy krążąc w obiegu pompy ciepła zmienia nie tylko swe ciśnienie, ale także swoją temperaturę oraz stan skupienia. Ciecz przepływając przez parownik pobiera ciepło od powietrza z otoczenia, wrze i odparowuje. Aby ten proces przebiegał zgodnie z oczekiwaniami, temperatura czynnika w parowniku musi być o parę stopni (np. o około 5^oC) niższa od temperatury powietrza w otoczeniu. Jednocześnie, aby czynnik roboczy mógł oddać w skraplaczu energię którą niesie (suma ciepła, które pobrał w parowaczu, oraz energii elektrycznej dostarczonej przez sprężarkę), jego temperatura musi być znowu o około 5^oC wyższa od temperatury w pomieszczeniu. Tym samym kluczową sprawą staje się dobór temperatur w obu wymiennikach, w których czynnik w parowniku wrze i pobiera ciepło (granatowe strzałki na rysunku) oraz skrapla się w skraplaczu i oddaje ciepło (strzałki czerwone na rysunku). Poziom ciśnień w tych wymiennikach ustalają sprężarka oraz zawór dławiący. Równie kluczową sprawą staje się zatem dobór zależności pomiędzy temperaturą zmiany fazy (zmiany stanu skupienia) a ciśnieniem, przy którym zachodzi ten proces. Ta zależność (znana w termodynamice jako krzywa nasycenia) jest indywidualną cechą czynnika roboczego. Tym samym, czynnik roboczy musi być odpowiednio dobrany, zależnie od oczekiwanych parametrów w obu wymiennikach.

Ponieważ pompa ciepła działa analogicznie jak chłodziarka czy zamrażarka, czynnik roboczy jest często nazywany czynnikiem chłodniczym. Oferowane dzisiaj pompy ciepła budowane są z wykorzystaniem czynników syntetycznych (freony) bądź naturalnych (np. CO₂, propan itp.). Dobierając czynnik roboczy należy oczywiście brać pod uwagę nie tylko jego właściwości termodynamiczne, ale także stopień szkodliwości przy odziaływaniu na środowisko. Najpopularniejszymi miarami stopnia szkodliwości przy odziaływaniu czynnika chłodniczego na środowisko są indeksy ODP (Ozone Depletion Potential) oraz GWP (Global Warming Potential), które powinny przyjmować jak najniższe wartości. Dopuszczalne zakresy ODP oraz GWP dla poszczególnych czynników roboczych ustalają odrębne przepisy.

Na koniec warto wspomnieć, że przy niskich temperaturach otoczenia, skutkujących ujemnymi temperaturami powierzchni parowacza, na powierzchniach wymiany ciepła może pojawić się lód. Jest on rezultatem procesu zamarzania pary wodnej, która zawsze jest obecna w powietrzu atmosferycznym choć w różnej ilości. Powstająca w ten sposób warstwa lodu pogarsza warunki wymiany ciepła w parowaczu, co może prowadzić do zmniejszenia strumieni ciepła transportowanych z otoczenia do pomieszczenia. W takiej sytuacji powstającą warstwę lodu należy okresowo usuwać przez podgrzanie (elektrycznie) powierzchni parowacza.

Podsumowują powyższe informacje, należy z całą odpowiedzialnością stwierdzić, że prawidłowo skonstruowana pompa ciepła, z prawidłowo dobranym czynnikiem roboczym i prawidłowo eksploatowana, działa efektywnie w każdej porze roku, również w zimie.

Prof. Andrzej J. Nowak