Pompy ciepła

Nazwa "pompa ciepła" oddaje analogię idei funkcjonowania tego urządzenia do pompy wodnej, choć w tym przypadku mamy do czynienia z "pompowaniem" energii (ciepła). Urządzenie to działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka: odbiera energię z ośrodka o niskiej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej (odbiornika).

Pompa ciepła ma za zadanie dostarczyć ciepło do jej źródła górnego, a nie jak w przypadku chłodziarki odebranie ciepła ze źródła dolnego. Pompy ciepła pracują w innym zakresie temperatur niż lodówka, przez co czynnikom roboczym stawiane są inne wymagania (inne są temperatury parowania i kondensacji).

Pompa ciepła umożliwia pozyskanie ciepła np. z otoczenia i następnie wykorzystanie go na wyższym poziomie temperatury, do celów grzewczych. Transport ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego może przebiegać przy wykorzystaniu wielu procesów. Rozróżnia się pompy ciepła z obiegiem parowym, gazowym, a także pompy wykorzystujące efekt termoelektryczny czy magnetyczny lub elektrodyfuzji bądź reakcje chemiczne.

Przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze wymaga, zgodnie z podstawowymi prawami termodynamiki, dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz (w formie pracy lub ciepła). Większość najbardziej popularnych sprężarkowych parowych pomp ciepła jest napędzana silnikiem elektrycznym.

Najczęstsze zastosowania dla pompy ciepła to:

Ogrzewanie domów jednorodzinnych

Pompy ciepła mają zastosowanie zarówno w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania. W przypadku ogrzewania domów jednorodzinnych mają moce od kilku do kilkunastu kilowatów na poziomie źródła górnego. Pompy w systemach grzewczych w domach jednorodzinnych są na ogół pompami sprężarkowymi, głównie ze sprężarkami tłokowymi, napędzanymi silnikiem elektrycznym. Większość z nich pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego. Często pompy te współpracują z innymi systemami ogrzewania, np. elektrycznym lub centralnym, połączonym szeregowo lub równolegle. Znaczna ich część działa zimą jako ogrzewanie, a latem jako urządzenie klimatyzacyjne. Stosowane są głównie w domach jedno i dwurodzinnych.

Ogrzewanie większych pomieszczeń

Pompy ciepła mogą ogrzewać osiedla mieszkaniowe (lub przeznaczoną dla tych osiedli wodę), biurowce, obiekty sportowe, magazyny, hale przemysłowe.

Podgrzewanie wody w basenach kąpielowych

Dla mniejszych basenów stosowane są pompy o zwartej (kompaktowej) budowie. Zazwyczaj są to pompy sprężarkowe, ze sprężarkami tłokowymi. Źródłem dolnym może być w takich przypadkach powietrze atmosferyczne oraz wody powierzchniowe i podziemne.

Możliwe jest również efektywne, podwójne wykorzystanie chłodziarki, gdy istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepło i zimno np. gdy obok podgrzewanego basenu znajduje się lodowisko lub gdy w pływalni wilgotność powietrza obniżana jest za pomocą skraplania, a jednocześnie potrzebne jest ciepło do ogrzewania hali lub basenu kąpielowego.

Efektywność działania pompy ciepła zależy od właściwego dobrania jej typu do warunków, w których pracuje. Warunki te określone są poprzez parametry dolnego i górnego źródła ciepła, oraz ich zmiany w czasie. Właściwe dopasowanie dolnego źródła do rodzaju odbiorcy i do wielkości zapotrzebowania na ciepło w określonym czasie decyduje o wydajności grzewczej pompy (wielkości współczynnika wydajności cieplnej), a w efekcie o mniejszym zużyciu energii napędowej sprężarki, czyli w konsekwencji o niższych kosztach eksploatacyjnych.

Dolne źródło ciepła dostarcza do parownika pompy energię niezbędną do zmiany stanu skupienia czynnika roboczego (odparowanie). Dolne źródło ciepła jest źródłem niskotemperaturowym. Bardzo często do określenia w sposób uproszczony rodzaju medium (czynnika) górnego i dolnego źródła ciepła stosuje się takie nazwy jak: pompa ciepła typu woda - woda, grunt - woda, powietrze - woda itp.

Nazwy te opisują odpowiednio rodzaj ośrodka dolnego, z którego ciepło jest pobierane, oraz (po "przetrasformatowaniu" na wyższy poziom temperatury) rodzaj drugiego, górnego ośrodka, do którego ciepło jest oddawane, czyli z reguły rodzaj obiegu grzewczego. Bardziej szczegółowy podział dolnych źródeł ciepła przedstawia się w następująco:

odnawialne źródła energii, np:

powietrze zewnętrzne,
wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy),
wody gruntowe,
wody geotermalne,
grunt,
promieniowanie słoneczne, źródła wewnętrzne, zwane odpadowymi, np: powietrze i gazy odlotowe, woda odpadowa, ścieki, woda chłodnicza.

W przypadku systemów grzewczych w budownictwie jednorodzinnym stosuje się przeważnie pompy ciepła wykorzystujące źródła odnawialne jako dolne źródło ciepła.Dolne źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi właściwościami:

dużą pojemnością cieplną,
możliwie wysoką i stałą w czasie temperaturą,
łatwą dostępnością,
odbiorem ciepła nie zakłócającym naturalnego stanu źródła,
brakiem zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować uszkodzenie elementów parownika,
niskimi kosztami wykonania instalacji (ujęcia).