Pompa ciepła jest urządzeniem wymuszającym przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych).

Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:

• gospodarstwach domowych (chÅ‚odziarki, zamrażarki)
• przetwórstwie spożywczym (chÅ‚odnie, zamrażalnie, fabryki lodu)
• klimatyzacji pomieszczeÅ„ (chÅ‚odzenie pomieszczeÅ„)
• chÅ‚odnictwie
• ogrzewaniu pomieszczeÅ„ ciepÅ‚em pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza)

W chÅ‚odziarkach i zamrażarkach ciepÅ‚o jest “wypompowywane” z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturÄ™) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamrażarka. Pompa ciepÅ‚a zastosowana do ogrzewania pomieszczeÅ„ “wypompowuje” ciepÅ‚o z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnÄ…trz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepÅ‚o do ogrzewanego pomieszczenia.

Zasada działania

Nazwa “pompa ciepÅ‚a” jest użyta przez analogiÄ™ do nazwy powszechnie znanej “pompy hydraulicznej” pompujÄ…cej ciecz (najczęściej wodÄ™) z niżej poÅ‚ożonego zbiornika do zbiornika poÅ‚ożonego wyżej. Zarówno “pompa hydrauliczna” jak i “pompa ciepÅ‚a” potrzebujÄ… energii dostarczonej z zewnÄ…trz. Kiedy ciepÅ‚o pÅ‚ynie w naturalnym kierunku (od wyższej temperatury do niższej), przepÅ‚yw tego ciepÅ‚a może być wykorzystany do napÄ™du silnika cieplnego podobnie jak przepÅ‚yw wody pÅ‚ynÄ…cej grawitacyjnie z góry na dół napÄ™dza silnik hydrauliczny (turbinÄ™ wodnÄ…). Aby “zmusić” ciepÅ‚o do pÅ‚yniÄ™cia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej) należy z zewnÄ…trz dostarczyć energii do napÄ™du, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji “pompa ciepÅ‚a” i “silnik cieplny” mogÄ… być jednym urzÄ…dzeniem, podobnie jak jednym urzÄ…dzeniem mogÄ… być pompa hydrauliczna i silnik hydrauliczny (np. turbina Kaplana) w elektrowni szczytowo-pompowej.

Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez roboczy czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, sprężony dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), w którym czynnik odparowuje i trafia do sprężarki, gdzie rośnie energia wewnętrzna czynnika (a więc i temperatura), a następnie w skraplaczu oddaje ciepło (górne źródło ciepła) skraplając się i przez zawór dławiący lub rurkę kapilarną, trafia z powrotem do parownika.

Pompy ciepła wykorzystują ciepło niskotemperaturowe (o niskiej energii) (w praktyce 0°C - 60°C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.

Sprawność

Do scharakteryzowania pomp ciepła nie używa się typowego pojęcia sprawności, lecz współczynnika wydajności pompy ciepła, tzw. COP, który jest równy stosunkowi uzyskanego w górnym źródle ciepła do włożonej pracy (w przypadku układu sprężarkowego). Współczynnik ten może przyjmować w praktyce wartości od około 3 do kilkunastu, co oznacza dużą oszczędność energii elektrycznej w porównaniu ze zwykłym grzejnikiem elektrycznym (w którym stosunek ciepła do energii elektrycznej jest bliski liczbie jeden).

Efektywność cieplna pompy cieplnej zależy silnie od różnicy temperatur.

Przy wykorzystaniu pompy do ogrzewania zakłada się, że źródło energii cieplnej jest darmowe dlatego współczynnik efektywności określa się jako stosunek całkowitej energii na skraplaczu, do energii pobranej z sieci elektrycznej.

gdzie:

• E_s, E_e - energia przekazana w skraplaczu i dostarczona energia elektryczna,
• T_s, T_p - temperatura skraplacza i parownika (wyrażona w skali absolutnej),
• η_c - sprawność cyklu Carnota

Temperatura skraplacza jest od kilku do kilkunastu stopni wyższa od temperatury ogrzewanego pomieszczenia, a temperatura parownika jest o kilka stopni niższa od temperatury źródła ciepła.Ze wzoru tego wynika, że pompy ciepła mają dużą efektywność przy małej różnicy temperatur, a tracą ją szybko wraz ze wzrostem tej różnicy.

Równość w powyższym wzorze może być osiągnięta wyłącznie w doskonałej, odwracalnej pompie ciepła. Rzeczywiste urządzenia mają niższą efektywność, z powodu przede wszystkim dwóch efektów:

• nieodwracalnoÅ›ci procesów przekazu ciepÅ‚a w parowniku i skraplaczu (odwracalne procesy musiaÅ‚yby biec nieskoÅ„czenie wolno, byÅ‚yby wiÄ™c praktycznie bezużyteczne),
• strat energii (tarcia) w sprężarce i oporów przepÅ‚ywu czynnika chÅ‚odzÄ…cego.

Seryjnie budowane sprężarkowe pompy ciepła osiągają typowo sprawność równą 50–60% sprawności pompy doskonałej. W odniesieniu do wystandaryzowanych warunków pracy (temperatura parownika 0°C = 273 K, temperatura skraplacza 50°C = 323 K) daje to współczynnik efektywności pompy około 3,5, co oznacza, że ponad 70% dostarczonego przez pompę ciepła pochodzi z dolnego źródła, a reszta z sieci elektrycznej.

Dodatkowo, w przypadku, gdy parownik odbiera ciepło od otaczającego powietrza, następuje skokowy spadek sprawności przy temperaturze powietrza poniżej 0°C. Jest to spowodowane oszranianiem się parownika i koniecznością okresowego odwracania obiegu pompy celem odszronienia.

Źródło: Wikipedia