Jak działa pompa ciepła?

Pompa ciepła to maszyna, która wymusza przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru, w którym temperatura jest wyższa. Przebieg procesu odbywa się wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej lub energii cieplnej.

Jak działa pompa ciepła?

Z termodynamicznego punktu widzenia działają one realizując obieg Lindego, ale ich podstawowym zastosowaniem jest ogrzewanie pomieszczeń i wody użytkowej. Sama nazwa „pompa ciepła” powstała w analogii do pompy hydraulicznej, która z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej. W związku z tym to, jak działa pompa ciepła można porównać do tego, jak działa pompa hydrauliczna. Zarówno jedna, jak i druga pompa potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Podczas gdy ciepło płynie w naturalnym kierunku, czyli od wyższej do niższej temperatury, może być ono wykorzystane do napędu silnika elektrycznego. To zachowanie jest podobne do przepływu wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędzającej w ten sposób silnik hydrauliczny. Chcąc puścić ciepło w kierunku odwrotnym do naturalnego należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Dzięki odpowiedniej konstrukcji „pompa ciepła” i „silnik cieplny” mogą być jednym urządzeniem. Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny, czyli wyżej wspomniany obieg Lindego, który jest odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Pobieranie ciepła następuje poprzez parujący ciekły czynnik roboczy znajdujący się pod niskim, stałym ciśnieniem, czynnik termodynamiczny w parowniku, a następnie jako para trafia do sprężarki, gdzie rośnie jej ciśnienie oraz energia wewnętrzna. Para pod wysokim, stałym ciśnieniem oddaje ciepło, skraplając się w wymienniku ciepła – skraplaczu i czynnik w postaci cieczy przez zawór dławiący, rurkę kapilarną, lub turbinę rozprężną gdzie następuje spadek ciśnienia, a później z powrotem do parownika. Pompy ciepła wykorzystują jako dolne źródło energię cieplną niskotemperaturową, która jest trudna do innego praktycznego wykorzystania.

Pobieranie ciepła z otoczenia

Ujmując całość w bardzo łatwy do zrozumienia sposób można powiedzieć, że pompa ciepła pobiera ciepło z otoczenia, a następnie podwyższa jego temperaturę, dzięki czemu energia nadaje się do ogrzewania. Ciepło z otoczenia jest doprowadzane za pomocą układu przewodów w których płynie nie zamarzająca ciecz, która ze względu na to, iż ma niższa temperaturę od otoczenia, może popierać ciepło. Krok następny to przesłanie ciepła do obiegu drugiego, w którym umieszczony jest środek chłodniczy odpowiadający za pobieranie ciepła, wrzenie i parowanie. Sprężarka, jak sama nazwa wskazuje spręża tę parę, dzięki czemu temperatura się podnosi. Po tym etapie para jest na tyle gorąca, że można ją wykorzystać. Następnie swoje zastosowanie znowu znajduje środek chłodniczy, który tym razem przynosi ciepło do obiegu grzewczego. Ten etap tak naprawdę kończy cały proces ogrzewania i pozyskane ciepło można wykorzystać do ogrzewania domu, mycia, czy kąpieli. Następnie środek chłodniczy przechodzi do zaworu rozprężonego, którym temperatura spada, a cykl może zacząć się od nowa.