Pompa ciepła powietrze-woda: jak to działa?

Pompa ciepła powietrze-woda: jak to działa?

To modne urządzenie grzewcze, popularne ze względu na wykorzystanie odnawialnej energii powietrza, często pozostaje tajemnicą, jak działa. Czytając ten artykuł zrozumiesz zasadę działania pomp ciepła powietrze-woda.

Pompa ciepła powietrze-woda pobiera kalorie z powietrza zewnętrznego dzięki endotermicznemu charakterowi reakcji parowania czynnika chłodniczego. Rozprowadza kalorie do wody w sieci domowej dzięki egzotermicznej właściwości kondensacji tego samego czynnika chłodniczego.

Powyższa definicja jest "skomplikowanym" sposobem wyjaśniania, ale można ją uprościć i gdy jest zrozumiała, można ją wyjaśnić szczegółowo

Wyjaśniona jest zasada działania pompy ciepła powietrze-woda.

Analogia do lodówki

Każdy z nas ma w domu lodówkę. Jeśli chcesz, żeby działał, najlepiej zostawić zamknięte drzwi. Powód jest prosty i wszyscy intuicyjnie zdajemy sobie z niego sprawę. To dlatego, że musisz ograniczyć rozmiar objętości, która ma być chłodzona. Chcesz schłodzić tylko to jedzenie, które jest w lodówce.

Ale co się stanie, gdy otworzysz drzwi lodówki? Można sobie wyobrazić, że jedzenie będzie się rozgrzewać w powietrzu. Lodówka nadal działa, bo nie wie, że drzwi są otwarte. Dlatego, nie wiedząc o tym, próbuje schłodzić objętość o wiele za dużą dla swojej małej sprężarki, próbuje schłodzić całe pomieszczenie.

W rezultacie jego mały kompresor jest zawsze sprawny. Patrzy na punkt odniesienia, który musi osiągnąć, i dopóki go nie osiągnie, kontynuuje pracę. A skraplacz z tyłu lodówki pracuje z pełną wydajnością. Skrapla się, kondensuje, więc się ogrzewa, bo kondensacja to reakcja uwalniająca ciepło (egzotermiczna).

Twoja lodówka stała się grzejnikiem: ma przed sobą objętość pomieszczenia, które ma być schłodzone, gdy jej drzwi są otwarte. Dla niego jest to niemal nieskończone i niemożliwe do schłodzenia. Czyli działa w pętli i ogrzewa przez kondensację.

Ta sama zasada dotyczy ogrzewania domu za pomocą pompy ciepła. Z tym, że nie "otwierasz drzwi" na objętość pomieszczenia, ale na całe środowisko zewnętrzne, ogród, planetę. Mamy więc "nieskończone" źródło do chłodzenia. Dzięki temu możliwe jest ogrzewanie domu poprzez kondensację w skraplaczu na wodzie sieci domowej: czynnik chłodniczy redystrybuuje kalorie pobrane z powietrza zewnętrznego.

To sprzeczne z intuicją, by pobierać kalorie z zimnego powietrza.

Ogrzewanie pomieszczenia za pomocą energii z powietrza zewnętrznego może wydawać się sprzeczne z intuicją, gdy zimą na zewnątrz jest bardzo zimno (-10 / -15°C). I właśnie w zimie powinien grzać najbardziej.

Warto jednak wiedzieć, że niezależnie od temperatury powietrza, nadal zawiera ono kalorie, które można wypompować. Oczywiście im zimniej i bardziej sucho, tym mniej kalorii zawiera, dlatego pompy ciepła zimą działają nieco słabiej. To znaczy, że zużywają więcej energii elektrycznej, aby zapewnić tę samą ilość ogrzewania.

Fakt ten jest naturalnie sprzeczny z intuicją, ponieważ instynktownie wiemy, że ciepło zawsze przepływa od najcieplejszego do najzimniejszego środowiska. Wiesz, że jeśli otworzysz okno w zimie w środku nocy, wkrótce będziesz drżeć, ponieważ całe ciepło w domu wyjdzie przez okno.

Magia pompy ciepła polega na sukcesie w odwrotnym przejściu! Czyli przejście ciepła z najzimniejszego środowiska do najcieplejszego. Stąd pochodzi określenie "pompa ciepła", ponieważ ciepło jest pompowane do środowiska naturalnego. Walczy z tym naturalnym przejściem od gorąca do zimna, tak jak pompa studzienna pokonuje grawitację, przenosząc wodę z jej najniższego punktu energii potencjalnej do wyższego punktu energii potencjalnej.

Więcej szczegółów na temat działania pompy ciepła powietrze-woda

Czytając dwa pierwsze akapity powinieneś intuicyjnie pojąć zasadę działania pompy ciepła typu powietrze-woda. Teraz przejdźmy do bardziej szczegółowych informacji. Jaka tajemnica kryje się za zdolnością pompy ciepła do odwrócenia naturalnej zasady przekazywania ciepła?

Czynnik chłodniczy: przewodnik pompy ciepła

Magia pompy ciepła wynika w dużej mierze z właściwości czynników chłodniczych, które odparowują w bardzo niskich temperaturach i dzięki temu przechwytują energię ze środowiska naturalnego nawet w zimie.

Wszyscy wiemy, że woda, która jest najbardziej rozpowszechnionym płynem naturalnym, paruje w okolicach 100°C. Ale to obowiązuje tylko w warunkach standardowych, czyli przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 HPa. Następnie przechodzi ze stanu ciekłego w stan pary i mówi się o odparowaniu. O tej reakcji parowania mówi się, że jest endotermiczna, czyli pochłania pewną ilość energii (kalorii) ze środowiska, w którym się odbywa.

Jeśli jednak znajdujemy się na szczycie Mount Everestu, ciśnienie atmosferyczne wcale nie jest takie samo: zmniejsza się prawie 3-krotnie (ok. 350HPa). Woda odparowuje znacznie szybciej, w tym przypadku od około 70°C. Obrazuje to fakt, że można wpływać na ciśnienie płynu, a tym samym modulować jego temperaturę parowania.

Można to szybko porównać do pompy ciepła. Jeśli możemy modulować ciśnienie gazu chłodniczego zgodnie z naszymi życzeniami, to możemy go odparować w takiej temperaturze, jaką chcemy, a w tym przypadku chcemy, aby odparował w temperaturze powietrza zewnętrznego, aby przechwycić jego ciepło.

Weźmy przykład gazu chłodniczego R32, który już niedługo będzie we wszystkich pompach ciepła w budynkach mieszkalnych, ponieważ R410A powoli zmierza do programowego zakazu (2025 r.) i wszyscy producenci zaczęli go stosować. Jego temperatura wrzenia (parowania) wynosi -51,7°C przy ciśnieniu atmosferycznym. Jeśli jesteśmy na Syberii to w porządku, ale nie jesteśmy na Syberii, więc będziemy musieli tak modulować ciśnienie, żeby odparowało, gdy jest np. -6°C. W tym celu będzie musiał wzrosnąć w kierunku 6500HPa.

Dlatego w systemach pomp ciepła, oprócz wymienników ciepła (parownik na powietrzu + skraplacz na wodzie), znajdują się dwa urządzenia, które pozwalają na modulację ciśnienia płynu. Są to sprężarka i zawór rozprężny. Są one umieszczone odpowiednio za i przed parownikiem i pozwalają na stworzenie adaptacyjnej regulacji ciśnienia gazu tak, że niezależnie od temperatury na zewnątrz, gaz może odparować jak należy i przechwycić maksymalną ilość kalorii (zgodnie z potrzebami grzewczymi).

Szczególny przypadek pompy ciepła powietrze-woda

W przypadku aerotermalnej pompy ciepła kalorie są pobierane z powietrza zewnętrznego, na parowniku. Są one zawracane do sieci wody użytkowej poprzez skraplacz wodny, w którym czynnik chłodniczy przechodzi z jednej strony, a woda z drugiej. Wymiana ciepła odbywa się przez ścianki wymiennika, a pomiędzy wodą a czynnikiem chłodniczym nie ma oczywiście żadnego kontaktu.

Niektóre marki używają płytowego wymiennika ciepła do wykonania skraplacza, podczas gdy inne używają skraplacza koncentrycznego, który jest ogólnie bardziej niezawodny i trwały oraz wymaga mniejszej konserwacji.

W przypadku pompy ciepła typu split (oddzielne jednostki wewnętrzne i zewnętrzne), skraplacz znajduje się w module wewnętrznym. Czynnik chłodniczy krąży pomiędzy modułami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

W przypadku monoblokowej pompy ciepła (wszystko jest w jednostce zewnętrznej) skraplacz znajduje się na zewnątrz w urządzeniu, a woda krąży między urządzeniem a wnętrzem domu. Woda odzyskuje ciepło ze skraplacza i wymienia je ze zbiornikiem buforowym w pomieszczeniu technicznym, za pomocą wymiennika.

pl_PLPolish