Patryk Mikołajczak - Fullstack buduje

Pompa ciepła - zasady działania

29 Dec 2022

Najpierw teoria później praktyka.
Trochę o tym jak działają pompy ciepła.

Spis treści

Wstęp

Prawdopodobnie każdy, mniej lub bardziej świadomie, miał już kontakt z pompą ciepła. W końcu chyba każdy w domu ma lodówkę :wink:
Lodówka czy zamrażarka działają na tej samej zasadzie co pompy ciepła, z tym że w tej drugiej bardziej interesuje nas ciepło (chociaż nie zawsze, bo coraz częściej PC mogą ogrzewać nasz dom zimą i chłodzić latem).
W skrócie pompa ciepła pobiera energię elektryczną do tego, żeby przetransportować energię cieplną z dolnego (powietrze, grunt, woda) do górnego (woda w naszym układzie C.O lub powietrze) źródła.
Dokładniej opisuję całość w kolejnym punkcie :wink:

Schemat działania

Krok po kroku

działanie pompy ciepła
Schemat przedstawia cały proces pracy pompy ciepła.
Przejdźmy razem przez każdy krok:

krok 1 => krok 2 => krok 3 => krok 4 => krok 5 => krok 6 => krok 7

Jeszcze raz

działanie pompy ciepła
Tym razem schemat uproszczony, ale z temperaturami :slightly_smiling_face:

Z ciepła naturalnego (dolne źródło, czyli powietrze, grunt lub woda), które aktualnie ma 3 stopnie odbieramy ciepło, przez kontakt (wymiennik ciepła, nie kontakt bezpośredni) z czynnikiem grzewczym (zazwyczaj gaz o niskiej temperaturze wrzenia).

Czynnik następnie sprężamy (zwiększamy jego ciśnienie), co znacznie podnosi temperaturę gazu, tutaj do 75 stopni.

Gaz następnie ląduję w skraplaczu. gdzie oddaje swoje ciepło. W ten sposób z 75 stopni zmniejszamy jego temperaturę do 48 stopni.

Dalej następuję rozprężenie czynnika, co znacząco obniża jego temperaturę.

Na pierwszy rzut oka mogłoby wyglądać że wytworzyliśmy bardzo dużo ciepła. W końcu z temperatury dolnego źródła otrzymaliśmy 75 stopni. Mało tego - z tych 75 stopni oddaliśmy jeszcze 27 stopni do górnego źródła, np wodzie w naszym układzie C.O. Niestety tak dobrze to nie wygląda :wink:
A jak jest naprawdę?
Różnica między temperaturą dolnego źródła a sprężonym czynnikiem to 75 - 3 = 72 stopnie.
Różnica między temperaturą czynnika po oddaniu ciepła i czynnikiem po rozprężeniu to 48 - (-2) = 50 stopni.
Ok i co z tego? Policzmy jeszcze temperaturę odebraną z dolnego źródła.
Początkowo mieliśmy +3 stopnie, ostatecznie -2 stopnie, różnica to 3 - (-2) = 5 stopni
Dobra, czyli z 3 stopni zrobiliśmy 75 stopni, z których odebraliśmy ciepło obniżając temperaturę do 48 stopni, czyli 75 - 48 = 27 stopni. Ale nadal nie mamy odpowiedzi co nam to daje?
Porównajmy różnice temperatur w części pompy sprężającej czynnik i po rozprężeniu. Pierwsza różnica to 72 stopnie (75 - 3), druga to 50 (48 - - 2). Różnica różnic da nam 72 - 50 = 22. A o ile obniżyliśmy temperaturę oddając ją do naszego C.O? Zgadza się - o 27 stopni, czyli 27 - 22 = 5, 5 stopni które odebraliśmy z dolnego źródła. Po co więc cała zabawa ze sprężaniem i podnoszeniem temperatury czynnika? Korzystamy z czynnika chłodniczego, który ma wysoką temperaturę wrzenia, np. czynnik R290 (propan), którego temperatura wrzenia jest równa -42 °C czyli w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu jest gazem. Ale co się stanie jak zwiększymy ciśnienie tego gazu? Jego temperatura wzrośnie i zacznie się skraplać. Wyższa temperatura gazu pozwoli nam podgrzać wodę do wyższej temperatury (w końcu żeby oddać temperaturę wodzie, to woda musi być chłodniejsza od czynnika).

A teraz z elementami budowy pompy

działanie pompy ciepła
Oznaczenia:
K – sprężarka;
M – zasilanie sprężarki;
NP – wyłącznik ciśnieniowy (presostat niskiego ciśnienia);
HP – wyłącznik ciśnieniowy (presostat wysokiego ciśnienia;
S – skraplacz;
P – parownik;
TR – termostat parownika;
F – filtr;
Z – zawór rozprężny;
D – wziernik;
W – dodatkowy wymiennik ciepła dogrzewający czynnik na ssaniu sprężarki.

Sprężarka (kompresor – „pompa”) – jest sercem naszej pompy, to tutaj sprężamy nasz czynnik.
Skraplacz - w tym miejscu oddajemy ciepło, np do instalacji centralnego ogrzewania.
Parownik - tutaj odbieramy ciepło z dolnego źródła
Zawór rozprężny - jest kilka rodzajów, mechaniczne, termostatyczne, elektroniczne, różnią się zasadą działania, ale cel mają jeden, rozprężyć gaz i zmniejszyć jego ciśnienie
Wziernik - pozwala sprawdzić czy w instalacji nie mamy za mało czynnika