Dzisiaj postanowiłem cofnąć się do lat, kiedy studiowałem… Pamiętam to jak dziś – na jednych z zajęć prowadzący pokazał nam… lodówkę i powiedział, że to ona będzie głównym tematem dzisiejszych ćwiczeń. 🙂 Wtedy jeszcze nie wiedziałem o co chodzi. Jednak szybko się okazało, że chodzi o poznanie odpowiedzi na pytanie jak działa pompa ciepła, a lodówka jest jej idealnym przykładem.
Bez najmniejszych wątpliwości, pompa ciepła to urządzenie, które zyskuje coraz większą popularność na naszym rynku. Niektórzy Inwestorzy, zdający sobie sprawę z jej zalety, nie chcą nawet słyszeć o zastosowania kotłów gazowych lub jakiegokolwiek, innego źródła ciepła. Ale czy słusznie?
Oczywiście każde urządzenie ma swoje zalety oraz wady i pompa ciepła niczym się tutaj nie wyróżnia. Tak – posiada ona również wady. W pewnych sytuacjach może być faktycznie rozwiązaniem idealnym, ale w innych już niekoniecznie. Każda sytuacja jest inna i każdą inwestycję trzeba rozpatrywać indywidualnie. Niemniej jednak, niezależnie od tego, urządzenie to zawsze będzie działać praktycznie w taki sam sposób. I to właśnie praca pompy ciepła będzie głównym tematem dzisiejszego artykułu.
Zasada działania pompy ciepła
Zanim dokładnie omówię zasadę działania pompy ciepła, chciałbym opisać Ci jej pracę w sposób najbardziej jak to tylko możliwe uproszczonym. Urządzenie takie pobiera energię z zewnątrz, a następnie przekazuje ją dalej – najczęściej do pomieszczenia.
Możesz się teraz zastanawiać, jaki to ma związek z lodówką, od której zacząłem. Niemalże identyczny, ale… odwrócony. 🙂 Lodówka działa w ten sposób, że odbiera energię cieplną od produktów, które się w niej znajdują, a następnie oddaje ją do pomieszczenia, najczęściej do kuchni – przynajmniej u 90% osób. 🙂
No dobra, ale teraz postaram Ci się nieco rozwinąć powyższy opis. Zanim jednak to zrobię, najpierw przedstawię Ci dokładny schemat, przedstawiający pracę pompy ciepła.
1 – parownik; 2 – skraplacz; 3 –sprężarka; 4 – zawór rozprężny
Ok, teraz wyobraź sobie typową instalację centralnego ogrzewania, w której źródłem ciepła będzie właśnie pompa ciepła. Instalacja taka wymaga zazwyczaj zastosowania dwóch urządzeń, tzw. jednostki zewnętrznej oraz jednostki wewnętrznej. Jak bardzo łatwo się domyślić, jednostka zewnętrzna będzie zlokalizowana na zewnątrz budynku, a jednostka wewnętrza w środku – zazwyczaj w jakimś pomieszczeniu technicznym.
Dodatkowo, na potrzeby naszego przykładu załóżmy jeszcze, że mamy do czynienia z tzw. pompą ciepła powietrze – woda, która wymaga najmniejszych nakładów inwestycyjnych. Czyli innymi słowy z urządzeniem, które pobiera energię od powietrza, a następnie przekazuje ją do czynnika grzewczego, którym jest woda.
Jak działa parownik?
W takim razie jak taka pompa ciepła będzie pracować? Prześledźmy wszystko od samego początku. Kiedy urządzenie zaczyna pracować, jednostka zewnętrzna, czyli parownik, zasysa powietrze z zewnątrz (w takim przypadki powietrze stanowi dolne źródło energii, zgodnie z rysunkiem przedstawionym powyżej). Następnie parownik, który tak naprawdę stanowi wymiennik ciepła, pobiera energię z powietrza. W rezultacie temperatura tego powietrza się obniża, a później jest ono odprowadzane z powrotem na zewnątrz.
No dobra, ale co dokładnie dzieje się z energią, która została pobrana z powietrza? Jest ona odbierana przez obieg wewnętrzny pompy ciepła, który łączy ze sobą parownik i skraplacz. W obiegu wewnętrznym znajduje się czynnik chłodniczy. Najczęściej jest to czynnik R410A, inaczej nazywany freonem, chociaż ostatnio coraz większą popularność zyskuje czynnik R32. Obieg wewnętrzny działa dzięki sprężarce, która spręża wyżej wymieniony czynnik i wymusza obieg wewnętrzny, tj. obieg pomiędzy parownikiem, a skraplaczem. Ale po kolei…
Jak działa sprężarka?
Ok, a więc jak już powiedziałem, ciepło pozyskane z dolnego źródła przekazywane jest w parowniku do czynnika chłodniczego w postaci gazu, który krąży w obiegu wewnętrznym. Dzięki temu, temperatura gazu na wyjściu z parownika ulega zwiększeniu. Następnie, czynnik chłodniczy trafia do sprężarki.
Rola sprężarki w pompie ciepła jest bardzo ważna. Nie tylko wymusza ona obieg wewnętrzny, ale również spręża gaz, który do niej trafia. Dzięki temu, temperatura oraz ciśnienie czynnika gwałtownie wzrasta, a następnie trafia on do skraplacza.
Sprężarka sterowana jest presostatem, czyli czujnikiem ciśnienia, który znajduje się za nią. Dzięki temu, praca urządzenia jest skuteczna.
Jak działa skraplacz?
Przyszła teraz pora, abyśmy zajęli się kolejnym elementem, w który pompa ciepła jest wyposażona – skraplaczem. A więc tak, skraplacz (w sumie tak samo jak i parownik) można śmiało nazwać wymiennikiem ciepła. Po stronie pierwotnej trafia do niego sprężony gaz o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Po stronie wtórnej natomiast przepływa przez niego instalacja górnego źródła, czyli np. instalacja centralnego ogrzewania, odpowiedzialna za zasilenie grzejników ciepłą wodą.
W skraplaczu ma miejsce wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem w obiegu wewnętrznym, a czynnikiem krążącym w instalacji (w końcu mówimy o wymienniku ciepła). Na skutek przekazania energii, czynnik roboczy zaczyna kondensować, czyli innymi słowy, zaczyna się skraplać. Jednak, aby ten proces nastąpił, musi być spełniony bardzo ważny warunek – temp. czynnika chłodniczego za sprężarką musi być wyższa od temperatury wody krążącej w źródle górnym (czyli np. w instalacji).
Jak działa zawór rozprężny?
I w tym momencie przechodzimy do ostatniego urządzenia – do zaworu rozprężnego. Ponieważ gaz kondensuje w skraplaczu, do zaworu rozprężnego trafia czynnik w postaci cieczy. Zawór rozprężny, jak łatwo się domyślić, odpowiada za rozprężenie wyżej wymienionego czynnika chłodniczego, dzięki czemu zmniejsza on swoje ciśnienie oraz temperaturę tak, aby mógł on ponownie przejąć energię od czynnika krążącego w dolnym źródle (czyli w naszym przypadku od powietrza zewnętrznego). Dzięki temu, ciecz może ponownie odebrać energię w parowniku, gdzie z kolei paruje.
Ale czy to wszystko? Oczywiście, że nie! 🙂 Zawór rozprężny pełni jeszcze jedną, bardzo ważną rolę przy sprężaniu czynnika w sprężarce. W tym momencie jest on przymknięty, dzięki czemu przepływ czynnika roboczego jest przez niego ograniczony. W związku z powyższym, pompa ciepła ma możliwość pracy przy wymaganych parametrach, tzn. jest wstanie uzyskać odpowiednią temperaturę i ciśnienie czynnika za sprężarką oraz oddać odpowiednią ilość energii w skraplaczu do instalacji górnego źródła.
W momencie, kiedy ciepło zostanie odebrane, np. przez wodę krążącą w instalacji centralnego ogrzewania, zawór rozprężny zaczyna się otwierać, umożliwiając większy przepływ przez czynnik chłodniczy.
Instalacja dolnego źródła
Czy dolnym źródłem może być tylko i wyłącznie powietrze? Oczywiście, że nie. Możemy tutaj stosować różne rzeczy. Wiele osób decyduje się na wykorzystanie energii geotermalnej pochodzącej z wnętrza ziemi.
W takim przypadku wymagane jest jednak zastosowanie odpowiedniej armatury. Instalację dolnego źródła trzeba wtedy wyposażyć w rurociągi wypełnione czynnikiem niezamarzającym. Często czynnik ten nazywanym jest solanką, chociaż jest to tak naprawdę r-r glikolu etylenowego lub propylenowego (chodzi o zastosowanie czynnika, który nie będzie zamarzał). Dodatkowo instalacja taka wymaga jeszcze pompy, która będzie wymuszać przepływ tego czynnika w instalacji.
Energia geotermalna może być pobierana na kilka sposobów. Można wykorzystywać np. energię bezpośrednio z ziemi lub z wód podziemnych. Dodatkowo, nie bez znaczenia jest ułożenie przewodów, których zadaniem będzie odbiór energii z wnętrza ziemi. Można zastosować np. kolektor poziomy, pionowy lub tzw. sondy pionowe. Każde rozwiązanie ma swoje wady i zalety, ale to jest już temat na osobny artykuł.
Skraplacz, a parownik
Teraz zastanówmy się nad jedną, bardzo ważną rzeczą, dlaczego tak się dzieje, że niektóre urządzenia, głównie mam tutaj na myśli systemy klimatyzacji, mogą jednocześnie ogrzewać jak i schładzać pomieszczenie. Hm… powiem Ci coś – w rzeczywistości nie jest to do końca prawdą. 🙂
Pompa ciepła może działać tylko i wyłącznie w taki sposób, że czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze pobiera ciepło w parowniku, a następnie, przy udziale sprężarki oraz zaworu rozprężnego oddaje je w skraplaczu. Innymi słowy, urządzenie takie realizuje lewobieżny obieg Lindego, zgodnie z poniższym rysunkiem.
1 ÷ 2: odparowanie; 2 ÷ 3: sprężanie; 3 ÷ 4: skraplanie; 4 ÷ 1: rozprężanie
Zatem, jeżeli mówimy o systemach grzewczych to sytuacja wygląda dokładnie tak, jak w powyższym opisie. Mamy jednostkę zewnętrzną, która jest parownikiem i odbiera ciepło np. od powietrza. Jednostka wewnętrzna umieszczona jest zazwyczaj wewnątrz budynku i oddaje pobrane ciepło do instalacji.
I teraz tak – jeżeli mówimy o systemach klimatyzacji, których zadaniem jest ogrzewanie pomieszczenia to ich charakter pracy się nie zmieni. Ale… jeżeli rozważymy instalacje klimatyzacji, schładzającą pomieszczenie, to tutaj sytuacja wygląda nieco inaczej… Jakim prawem w ogóle taki system może działać, skoro czynnik wewnętrzny (czynnik krążący pomiędzy parownikiem, a skraplaczem) może tylko pobierać ciepło z jednej strony i oddawać je z drugiej. 🙂
Ok, no to wróćmy teraz do samego początku naszego artykułu. Pamiętasz jak wspomniałem o lodówce? 🙂 Ona pobiera energię cieplną od produktów, które są w niej umieszczone i oddaje ją do kuchni. I w ten sam sposób działa pompa ciepła w trybie chłodzenia. Pobiera ona ciepło z pomieszczenia i oddaje je na zewnątrz. W rezultacie, powietrze pobrane z takiego pomieszczenia, oddając ciepło, obniża swoją temperaturę, a następnie zawraca. W takim przypadku mówimy o pompie ciepła powietrze – powietrze.
Ale, żeby taki system w ogóle działała, musimy wprowadzić nieznaczne zmiany. W takim przypadku, parownik musi zamienić się miejscem ze skraplaczem. Innymi słowy, w przypadku chłodzenia to parownik będzie umieszczony wewnątrz budynku, a skraplacz na zewnątrz.
W tym miejscu możesz się zastanawiać, dlaczego zatem niektórzy producenci systemów klimatyzacji czy chłodniczych, posiadają urządzenia, które mogą jednocześnie chłodzić jak i grzać. Ma to miejsce z jednego, bardzo prostego powodu – ponieważ dostosowali oni swoje pompy ciepła dla dwóch trybów pracy. W jaki sposób? Poprzez zastosowanie zaworu czterodrogowego, zgodnie z poniższym rysunkiem. 🙂
1 – parownik; 2 – skraplacz; 3 –sprężarka; 4 – zawór rozprężny; 5- zawór czterodrogowy
Jak teraz widzisz, dzięki zaworowi czterodrogowemu, instalacja taka może działać zarówno w trybie chłodzenia jak i grzania. To właśnie dlatego, niektórzy producenci posiadają pompy ciepła, które mogą zarówno ogrzewać jak i schładzać.
Chociaż, jeżeli trafiłby się ktoś, kto jest bardzo szczegółowy, to błędem jest określenie, że pompa ciepłą schładza pomieszczenie. Ona po prostu odbiera ciepło i oddaje je na zewnątrz. 🙂
Podsumowanie
Myślę, że po przeczytaniu tego artykułu, praca pompy ciepła jest już dla Ciebie jasna. Pamiętam dobrze jak kiedyś sam miałem problemy, aby zrozumieć jej pracę. Aby zrozumieć gdzie jest parownik, a gdzie skraplacz i dlaczego w niektórych sytuacjach parownik może być skraplaczem. 🙂
Od zajęć, które miałem na studiach minęło już sporo czasu. Ale muszę Ci powiedzieć, że to właśnie do nich wracam najczęściej, kiedy jest mowa o takich urządzeniach jak pompa ciepła. To właśnie na nich dowiedziałem się, że najprostszym przykładem pompy ciepła jest lodówka. Urządzenie, które ma praktycznie każdy w swoim domu.
