Pompa ciepła należy do urządzeń, których podstawy teoretyczne zostały opracowane znacznie wcześniej niż powszechnie wprowadzono je do użytkowania. Za ojca pomp ciepła uważa się Williama Thomsona, który w roku 1852 przedstawił teorię umożliwiającą chłodzenie i podgrzewanie powietrza przez zmianę jego stanu fizycznego. Pierwszą pompę ciepła dla ogrzewania budynku mieszkalnego skonstruowano w roku 1928 w Anglii. W okresie powojennym ożywiony rozwój konstrukcji tego typu urządzeń przypadł w udziale Stanom Zjednoczonym, a następnie Japonii.
Od pewnego czasu obserwuje się też wzrost zainteresowania pompami ciepła i rządowe wspieranie ich rozwoju w Europie Zachodniej. Pompy ciepła zyskały dużą popularność zwłaszcza w krajach alpejskich i skandynawskich, gdzie tania jest energia elektryczna. W Polsce pierwsze urządzenia tego typu pojawiły się pod koniec lat osiemdziesiątych. Były to urządzenia importowane, instalowane sporadycznie, między innymi ze względu na wysokie koszty inwestycyjne. Stały wzrost praktycznego zastosowania pomp ciepła obserwuje się w naszym kraju od połowy lat dziewięćdziesiątych, kiedy to produkcję rozpoczęli także konkurencyjni w stosunku do producentów zagranicznych, wytwórcy krajowi.
Pompy ciepła wykorzystują odnawialne ciepło pobrane z powietrza, gruntu i wody. Urządzenia te pobierają ciepło o niskich temperaturach, które transformują do temperatur pozwalających na wykorzystanie w urządzeniach grzewczych. Podstawowe źródła odnawialne, a więc potencjalne źródła ciepła niskotemperaturowego znajdują się w naszym otoczeniu. Są to: powietrze atmosferyczne, grunt, woda i energia słoneczna. Do pracy pomp ciepła można wykorzystywać także źródła odpadowe, np. ciepło zawarte w ściekach, w powietrzu wentylacyjnym, we wszelkiego rodzaju spalinach, ciepło z układów chłodniczych, wodę powrotną z systemów grzewczych itp. Istotny wpływ na pracę pompy ciepła ma zastosowany w niej czynnik roboczy, umożliwiający pobieranie i transformację ciepła. W obiegach pomp ciepła używa się czynników chłodniczych, ponieważ spełniają podstawowe wymogi, takie jak: stabilność w wymaganych zakresach temperatur, brak agresywnego działania na stosowane w konstrukcjach materiały, nieszkodliwość dla otoczenia oraz odpowiednie właściwości termodynamiczne. Emisja freonów z pomp ciepła ze względu na ich szczelną i zamkniętą budowę jest w porównaniu z innymi źródłami znikoma i wynosi w skali globalnej 0, 5%, podczas gdy udział klimatyzatorów samochodowych to nawet 32%.
W technice spotykamy się z zamkniętymi przemianami, zwanymi obiegami termodynamicznymi. Należy do nich między innymi obieg Carnota, według którego pracują silniki cieplne, a więc także samochodowe silniki spalinowe. Nazywamy go obiegiem prawobieżnym lub obiegiem „w przód”. W obiegu tym odbieramy ciepło z górnego źródła i część ciepła, która nie została zamieniona w pracę, oddajemy do źródła dolnego, będącego naszym otoczeniem. W czasie realizacji tego obiegu wytwarzana jest praca, która w przypadku silników samochodowych służy do ich napędu. Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że ciepło nie może przejść samorzutnie z ciała o niższej temperaturze do ciała o temperaturze wyższej. Dlatego, aby pobrać z ciepło z powietrza atmosferycznego, gruntu czy wody o temperaturze niższej, należało stworzyć obieg, do którego dostarczymy pracę, czyli odwrócić obieg Carnota. Powstał wówczas obieg lewobieżny, inaczej „obieg wstecz”, który jest realizowany w urządzeniach chłodniczych. Obieg lewobieżny znalazł zastosowanie również w konstrukcji pomp ciepła. Zasada działania pompy ciepła jest podobna do zasady działania lodówki. W komorze chłodniczej lodówki panują temperatury kilku stopni powyżej zera, w zamrażalniku z kolei - ujemne, natomiast za obudową lodówki na tylnej ściance przewód skraplacza jest ciepły. Dzieje się tak dlatego, że pobiera on ciepło z zimnego wnętrza lodówki, transformuje na wyższą temperaturę i poprzez ścianki skraplacza oddaje je do otoczenia. Aby zapoznać się z podstawowymi elementami wchodzącymi w skład pompy ciepła, przyjrzyjmy się typowej instalacji pobierającej ciepło z gruntu lub wody za pomocą kolektora pośredniego. Urządzenie składa się z trzech układów:
- 1. Układu odbierającego ciepło niskotemperaturowe, w skład którego wchodzi kolektor ułożony w gruncie lub wodzie oraz pompa obiegowa.
- 2. Układu chłodniczego, złożonego z parownika, sprężarki, skraplacza oraz zaworu rozprężnego.
- 3. Układu grzewczego, który stanowi system odbierający ciepło ze skraplacza z pompą paliwową.
Kolektor wykonany jest z przewodów z tworzywa sztucznego o średnicy 20-50 mm. Napełniony wodą lub mieszaniną wody i glikolu pobiera ciepło niskotemperaturowe ze swojego otoczenia. W parowniku, będącym najczęściej płytowym wymiennikiem ciepła, czynnik roboczy (w polskich kolektorach jest nim freon R 22) parując, odbiera niezbędne do zmiany swej fazy ciepło od medium dostarczanego z kolektora. Następnie hermetyczna sprężarka dostarczając do obiegu pracę, spręża czynnik roboczy do temperatury skraplania i w skraplaczu ciepło przekazywane jest do obiegu gorącego wypełnionego wodą grzewczą. Zawór rozprężny zmienia ciśnienie czynnika roboczego od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania. Odwracając pracę obiegów pompy możemy w okresie letnim chłodzić pomieszczenia odbierając z nich ciepło, które następnie kierujemy do gruntu dla zakumulowania na okres zimowy.
Bibliografia:
1. Szpil Z., Pompy ciepła - wykorzystanie energii otoczenia. Cz. 1. Aura 2001 nr 7, s. 24-25.
2. Szpil Z., Pompy ciepła - wykorzystanie energii otoczenia. Cz. 2. Aura 2001 nr 8, s. 27-28.
3. Szpil Z., Pompy ciepła - wykorzystanie energii otoczenia. Cz. 3. Aura 2001 nr 10, s. 28-29.
