Jak działa pompa ciepła – schemat i opis najważniejszych elementów

Jak działa pompa ciepła – schemat i opis najważniejszych elementów

przez Panasonic 05-06-2025 Pompy ciepła

Transformacja energetyczna, która trwa w Polsce zarówno na poziomie infrastruktury krajowej, jak i gospodarstw domowych zwraca się w dużej mierze ku odnawialnym źródłom energii. W ten trend znakomicie wpisują się coraz bardziej popularne w nowych i modernizowanych budynkach pompy ciepła. Jak działają te urządzenia? Aby kompleksowo odpowiedzieć na to pytanie, należy przedstawić szczegółową budowę pomp ciepła, omawiając ich najistotniejsze elementy, wymienić rodzaje pomp i wyjaśnić, skąd pochodzi dostarczane przez nie ciepło oraz kiedy i w jakich warunkach jego pozyskiwanie jest opłacalne ekonomicznie. Jeśli rozważasz montaż pompy ciepła w swoim budynku, nasz dzisiejszy artykuł z całą pewnością Cię zainteresuje!

Jak działa pompa ciepła? Z czego jest zbudowana? Jakie rodzaje pomp ciepła możemy obecnie spotkać na rynku? Na czym polegają zalety pompy ciepła na tle innych źródeł ogrzewania? Dlaczego schemat działania tego urządzenia często porównuje się do odwróconej lodówki? Wyjaśniamy!

Czym jest i jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła to urządzenie, które transportuje energię cieplną z jej źródła do innego miejsca, na przykład do budynku. Urządzenie wykorzystuje w tym celu energię elektryczną. Używając bardziej fachowej terminologii, należy wspomnieć, że transport energii odbywa się z dolnego źródła, na przykład powietrza otaczającego budynek, przy pomocy medium będącego czynnikiem chłodniczym, do źródła górnego – najczęściej centralnego ogrzewania budynku oraz ciepłej wody użytkowej. 

Nieco z przymrużeniem oka można stwierdzić, że niemal każdy lokator domu lub mieszkania posiada w swoim otoczeniu przynajmniej jedną pompę ciepła, ponieważ bardzo podobny proces zachodzi w domowych lodówkach, przy czym energia cieplna biegnie w odwrotną stronę, bo jest wyprowadzona na zewnątrz, by wewnątrz lodówki mogła chłodzić się żywność. 

Oczywiście współczesna pompa ciepła jest bardziej skomplikowanym urządzeniem, w którym zachodzi między innymi sprężanie gazu, dlatego aby szczegółowo wyjaśnić, jak działa pompa ciepła, należy przedstawić jej budowę i opisać znaczenie poszczególnych elementów tego układu zamkniętego. 

Dlaczego pompa ciepła jest ekologicznym źródłem ogrzewania?

Wielu potencjalnych użytkowników, zanim zastanowi się, jak działa pompa ciepła, pragnie potwierdzić, czy w istocie stanowi ona ekologiczne źródło ogrzewania. Jak jest w rzeczywistości? Chociaż częściowo zależy to od pochodzenia energii elektrycznej, z pewnością urządzenie ma znacznie mniej negatywny wpływ na środowisko niż paliwa kopalne. 

Najważniejszy argument przemawiający za ekologicznością pomp ciepła to pochodzenie energii cieplnej. Urządzenie pobiera ją ze źródeł odnawialnych, takich jak grunt, powietrze lub woda. Jednocześnie jest sprzętem zeroemisyjnym, ponieważ nie produkuje dwutlenku węgla, ani innych gazów cieplarnianych. W kontrze do paliw kopalnych pompa ciepła nie produkuje również żadnych spalin, w tym szkodliwych pyłów zanieczyszczających powietrze, co ma znaczenie dla jego jakości na poziomie lokalnym i walki ze smogiem spowijającym polskie miasta w każdym sezonie grzewczym.

Do pracy pompa ciepła potrzebuje oczywiście energii elektrycznej, jednak nawet przy założeniu, że będzie ona pochodziła z paliw kopalnych, należy podkreślić wysoką efektywność energetyczną urządzenia, które w porównaniu do innych systemów grzewczych wytwarza więcej energii cieplnej niż tradycyjne systemy grzewcze – na przykład gazowe, a tym bardziej węglowe. Jednocześnie urządzenie może współpracować z domową fotowoltaiką, a ślad węglowy związany z produkcją tych urządzeń jest relatywnie niski. 

Jak zbudowana jest pompa ciepła?

1. Medium – czynnik chłodniczy

Pompa ciepła działa na zasadach termodynamiki. Kluczowym elementem tego urządzenia jest czynnik chłodniczy, czyli medium przenoszące energię cieplną. Czynnik chłodniczy krąży w układzie w obiegu zamkniętym, gdzie zmienia swój stan skupienia z cieczy w gaz i odwrotnie, tym samym przenosząc energię cieplną. Substancja wykorzystywana jako medium musi wykazywać określone właściwości termodynamiczne, aby pompa ciepła mogła działać efektywnie. Fundamentalne znaczenie ma tu stosunkowo łatwa zmiana stanu skupienia z ciekłego na gazowy przy relatywnie niskiej temperaturze i ciśnieniu i odwrotnie z gazowego na ciekły przy wyższym ciśnieniu i temperaturze (funkcja grzania). Dzięki tej ciągłej zmianie stanu skupienia czynnika chłodniczego, urządzenie jest w stanie efektywnie wytwarzać oraz transportować energię cieplną przy niskim zapotrzebowaniu na energię elektryczną. 

2. Parownik

W funkcji grzania parownik to część pompy ciepła, która znajduje się w okolicach dolnego źródła, ponieważ odpowiada za wymianę energii cieplnej z otoczeniem. Inna nazwa tego elementu to wymiennik ciepła dolnego źródła. W parowniku, zgodnie z nazwą, dochodzi do procesu parowania czynnika chłodniczego, a więc medium zmienia swój stan skupienia na gazowy, przy okazji pobierając z otoczenia energię cieplną, co jest możliwe nawet w niskich temperaturach, na przykład gdy na zewnątrz panuje mróz.

3. Sprężarka

Opuszczający parownik czynnik chłodniczy wędruje w kierunku kolejnego elementu układu – sprężarki. To właśnie ta część urządzenia pobiera większości energii elektrycznej zużywanej przez pompę ciepła, ale w zamian zapewnia możliwość ogrzewania budynku. W tym prawdziwym sercu systemu dochodzi do sprężenia pary medium do wysokiego ciśnienia, czemu towarzyszy wzrost jego temperatury do kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Tak efektywny przepływ czynnika chłodniczego jest możliwy właśnie za sprawą zasilania energią elektryczną. 

4. Skraplacz

Górne źródło również ma w tym układzie swój wymiennik ciepła, a tę rolę w funkcji grzania spełnia skraplacz. W tym elemencie urządzenia rozgrzany czynnik chłodniczy w stanie gazowym ulega skropleniu powracając do stanu ciekłego przez co oddaje nagromadzone w sobie ciepło do medium grzewczego odpowiadającego za ogrzewanie budynku – na przykład wody w instalacji centralnego ogrzewania, która nie jest już jednak elementem pompy ciepła. 

5. Zawór dławiący

Działanie układu tworzącego pompę ciepła uzupełnia ostatni kluczowy element, czyli zawór dławiący, zwany również rozprężnym. Opuszczający skraplacz czynnik chłodniczy wciąż posiada relatywnie wysoką temperaturę i ciśnienie. Przechodząc przez zawór rozprężny, medium traci gwałtownie ciśnienie, co powoduje radykalny spadek temperatury, dzięki czemu po powrocie do parownika może znów pochłaniać energię cieplną z otoczenia, a cały cykl się powtarza. 

Nowoczesna i efektywna pompa ciepła jest dodatkowo wyposażona w układ sterowania. To system elektroniczny, który składa się m.in. z wielu termostatów, czujników temperatury i ciśnienia. Urządzenie monitoruje poszczególne parametry i kieruje prawidłową pracą sprężarki oraz zaworu. Użytkownicy poprzez panel sterowania mogą wybierać tryb pracy urządzenia dopasowany do aktualnych potrzeb domowników. 

Pompy ciepła – jak działają poszczególne typy?

Główny podział pomp ciepła na kategorie dotyczy dolnego źródła ciepła, którym może być grunt, woda lub powietrze. Chociaż każdy z tych typów działa na zbliżonych zasadach, zasługują na kilka zdań omówienia. 

Gruntowa pompa ciepła

Gruntowe pompy ciepła, jak sama nazwa wskazuje, pobierają energię ciepłą bezpośrednio z gruntu. Można je spotkać zarówno jako źródło ogrzewania budynków, jak i CWU. Charakteryzują się wysoką efektywnością energetyczną, ponieważ temperatura gruntu podlega stosunkowo niskim amplitudom rocznym, więc w sezonie grzewczym pozostaje dość wysoka. 

Niestety gruntowe pompy ciepła potrzebują do działania zainstalowanych w gruncie kolektorów poziomych lub sond pionowych, co wymaga przeprowadzenia odwiertów bądź wykopów. Przekłada się to na wysokie koszty instalacji, a sama działka, na której znajdzie się urządzenie powinna być zazwyczaj dwa razy większa od powierzchni ogrzewanego budynku. Ten rodzaj pompy ciepła działa w systemie ground-to-water, a więc energia cieplna pobierana z gruntu podgrzewa wodę w układzie grzewczym budynku. 

Wodna pompa ciepła

Drugą alternatywę stanowią wodne pompy ciepła działające w systemie water-to-water. Dolnym źródłem jest tu oczywiście woda – pochodząca z jeziora, rzeki, studni bądź gruntowa. Urządzenie może służyć do ogrzewania budynków i ciepłej wody użytkowej. 

Chociaż ten rodzaj pompy ciepła, zwłaszcza w wersji wykorzystującej wody gruntowe, uchodzi za najbardziej efektywny, jednocześnie jest najrzadziej spotykany. Stoją za tym bardzo wysokie koszty instalacji, potrzeba lokalizacji w pobliżu odpowiedniego źródła wody i bardzo skomplikowany system zdobywania pozwoleń na taką instalację. 

Powietrzna pompa ciepła

Trzeci i najpopularniejszy rodzaj pomp ciepła stanowią pompy powietrzne, działające w systemie air-to-water lub air-to-air. Przykładem wykorzystania tej pierwszej technologii są urządzenia z serii Aquarea proponowane przez Panasonic. Taka nowoczesna pompa ciepła może odpowiadać za ogrzewanie budynków, przygotowywanie ciepłej wody użytkowej, a nawet chłodzenie. 

Powietrzne pompy ciepła spotykamy dziś w budynkach mieszkalnych, użyteczności publicznej i komercyjnych. Są montowane w nowych inwestycjach, a także modernizowanych budowlach, w tym domach jednorodzinnych posiadających już system centralnego ogrzewania. O ich powszechnym zastosowaniu decyduje uniwersalność, ponieważ energię cieplną z powietrza można czerpać praktycznie wszędzie. Kolejna bardzo istotna zaleta to niskie koszty instalacji, bez wiercenia, wykopów i dostępu do wód gruntowych. 

Jakie są najważniejsze zalety pompy ciepła na tle innych urządzeń grzewczych?

Mamy nadzieję, że przedstawiając, jak działa pompa ciepła, pomogliśmy Ci w podjęciu decyzji, czy takie urządzenie będzie dobrym wyborem do ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody użytkowej w Twoim budynku. Teraz, gwoli uzupełnienia, wspomnijmy o najważniejszych zaletach pompy ciepła na tle tradycyjnych urządzeń grzewczych.

Kluczowe korzyści wynikające z instalacji pompy ciepła w budynku:

  • Uniwersalność: Szczególnie pompy ciepła air-to-water charakteryzują się wszechstronnym zastosowaniem. Znakomicie nadają się do ogrzewania budynku, przygotowywania CWU i chłodzenia, a w dodatku współpracują z różnymi systemami grzewczymi, na przykład tradycyjnymi grzejnikami i ogrzewaniem podłogowym.
  • Efektywność energetyczna: Pompy ciepła odznaczają się wysokim współczynnikiem COP (Coefficient of Performance), nawet na poziomie 5, co oznacza że produkują 5 razy więcej energii cieplnej niż zużywają energii elektrycznej.
  • Ekologia: W odróżnieniu od źródeł ciepła na paliwa kopalne, pompy ciepła nie emitują spalin, groźnych dla zdrowia pyłów i dwutlenku węgla.
  • Koszty eksploatacji: Po zainstalowaniu pompy ciepła i dobrym ociepleniu budynku urządzenie odznacza się niższymi kosztami eksploatacji od systemów elektrycznych, gazowych czy węglowych.
  • Wsparcie finansowe: Jako ekologiczne źródło ogrzewania, pompy ciepła są obecnie objęte programami dofinansowań i ulgami podatkowymi, a także zgodne z normami efektywności energetycznej przewidzianymi dla nowego budownictwa.
  • Samowystarczalność: Pompa ciepła w zestawie z odpowiednią domową fotowoltaiką może zagwarantować praktycznie samowystarczalne źródło ogrzewania na lata, nie licząc niskich kosztów konserwacji i przeglądów.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące działania pomp ciepła

W oparciu o jaki czynnik chłodniczy działają pompy ciepła?

Czynnik chłodniczy wykorzystywany w pompach ciepła powinien cechować się niską temperaturą wrzenia, a jednocześnie wysoką zdolnością do oddawania i pochłaniania ciepła. Przykładem takiej substancji jest difluorometan, znany również jako R32. Można go spotkać przede wszystkim w nowoczesnych powietrznych pompach ciepła. Do najważniejszych zalet R32 należą wysoka efektywność energetyczna, wysoka wydajność objętościowa, która przekłada się na mniejszą ilość czynnika w instalacji i odpowiednie właściwości w szerokim zakresie temperatur, dzięki czemu latem substancja świetnie spisuje się dodatkowo w chłodzeniu budynku.

Czy pompę ciepła opłaca się instalować również w starszych budynkach?

Tak, pompy ciepła mogą być bardzo efektywne również w starszym budynku, który otrzyma skuteczną termoizolację. Urządzenie może efektywnie ogrzewać pomieszczenia przy czynniku grzewczym o temperaturze do 35°C, współpracując z ogrzewaniem podłogowym, ale nie tylko. Podniesienie temperatury czynnika grzewczego do około 50°C zapewnia komfort termiczny przy użyciu tradycyjnych grzejników przystosowanych do systemów niskotemperaturowych.

Czy pompa ciepła generuje hałas?

Nowoczesne pompy ciepła spełniają wyśrubowane parametry dotyczące hałasu. Przed podjęciem decyzji o instalacji urządzenia można skorzystać ze specjalnego narzędzia, takiego jak Kalkulator Hałasu udostępniany przez Panasonic.

Dowiedz się więcej na temat pomp ciepła:

Potrzebujesz wsparcia lub chcesz znaleźć akredytowanego instalatora - skontaktuj się z nami

 

Kategorie