Pompa ciepła. Chłodzi czy grzeje?

Każdy, kto choć trochę interesuje się techniką grzewczą, zauważył, że pisma fachowe i nie tylko wiele miejsca poświęcają urządzeniu zwanemu pompą ciepła. Już sama nazwa wzbudza zainteresowanie. Jak to możliwe, że „pompa" grzeje?


Wyjaśnienie należy zacząć od tego, że polska nazwa jest tylko dosłownym tłumaczeniem angielskiego heat pump i niemieckiego Wärmepumpe. W rzeczywistości urządzenie to niczego nie pompuje. Aby w możliwie prosty sposób wytłumaczyć, jak ono działa, odwołam się do powszechnie znanego urządzenia, jakim jest lodówka. Zasada pracy obu urządzeń jest taka sama (rys.).

Czynnik chłodniczy, nazywany także roboczym, w normalnych warunkach jest gazem, cieczą natomiast tylko przy określonym ciśnieniu i temperaturze, jako przykład może posłużyć gaz płynny w butli. Nawiasem mówiąc, gaz płynny (propan) jest wykorzystywany w technice chłodniczej.

Czynnik chłodniczy w stanie ciekłym wpływa do wymiennika, zwanego parownikiem, znajdującego się wewnątrz lodówki. Odbierając ciepło od przechowywanych w lodówce produktów (lub pobierając ciepło, które przenika do środka przez ściany lodówki), czynnik chłodniczy odparowuje. Powstała para jest tłoczona przez sprężarkę do wymiennika za lodówką (tj. skraplacza), gdzie oddaje swoje ciepło do pomieszczenia i w efekcie się skrapla.

W skraplaczu panuje wyższe ciśnienie niż w parowniku, aby więc ciekły czynnik mógł ponownie przedostać się do parownika, jego ciśnienie musi zostać zdławione. W tym celu zamontowane są specjalne zawory rozprężne (w dużych urządzeniach chłodniczych) lub łącząca skraplacz i parownik długa, cienka rurka, w której następuje redukcja ciśnienia. Ciekły czynnik odparowuje i... cały cykl się powtarza, w efekcie czego wewnątrz lodówki wciąż panuje temperatura niższa niż w jej otoczeniu.

W pompie ciepła zachodzi identyczny proces jak opisany powyżej. Różnica polega na tym, że w przypadku lodówki interesuje nas temperatura utrzymywana w jej wnętrzu, zaś w przypadku pompy temperatura panująca w skraplaczu, bowiem to ona decyduje o sposobach wykorzystania urządzenia. W celu zobrazowania działania pompy ciepła posłużę się wzorem, który pokaże, jak wygląda ciepło po jednej (parownik) i po drugiej (skraplacz) stronie

Q = Qo + L

gdzie Qo - ilość ciepła pobrana w parowniku, L - praca dostarczona do sprężarki.

Podczas pracy lodówki do pomieszczenia oddawane jest ciepło odebrane od produktów powiększone o ciepło wytworzone przez pracującą sprężarkę.

Ze względu na to, że oddane w skraplaczu pompy ciepło ma nam posłużyć do podgrzania wody lub powietrza, ważne jest, jaką temperaturę można osiągnąć w skraplaczu. To z kolei zależy od użytego czynnika roboczego (chłodniczego) i ciśnienia skraplania. Ciśnienie robocze czynnika ma istotny wpływ na wskaźnik efektywności (stosunek Q do L) sprężarkowych pomp ciepła.

Przy ocenie pompy ciepła porównujemy współczynnik wydajności grzejnej φ i temperaturę skraplania, ponieważ to ona decyduje o temperaturze roboczej wody lub powietrza, na której nam zależy. Dane te charakteryzują pompę ciepła. Współczynnik wydajności grzejnej φ (teoretyczny) to φt=T2/(T2-T1). Rzeczywisty to
φr= 0,5-0,6 φt (T - temperatury dolnego i górnego źródła w K).

Porównywanie danych katalogowych pomp różnych konstrukcji nie jest prostą sprawą, bo producenci podają je dla różnych parametrów dolnego i górnego źródła ciepła. Współczynnik φ dla parametrów +5/35°C nie jest tym samym co dla parametrów +10/55°C. Tymczasem potencjalnych nabywców interesuje przede wszystkim, ile da się wyciągnąć z takiego źródła ciepła. O tym właśnie mówi współczynnik φ.

W jakim układzie może pracować pompa ciepła? Zależy to od tego, skąd i w jaki sposób pobiera ciepło oraz gdzie i w jaki sposób je oddaje.