Powietrzna pompa ciepła (PPPC) to urządzenie grzewcze i chłodzące, które przenosi energię cieplną między dwoma ośrodkami — powietrzem zewnętrznym a otoczeniem budynku. Dzięki temu może efektywnie ogrzewać dom zimą, a latem pracować w trybie chłodzenia, działając niejako odwrotnie niż lodówka. W niniejszym artykule przedstawimy budowę, zasadę działania, najważniejsze elementy składowe, a także korzyści i ograniczenia związane z eksploatacją powietrznych pomp ciepła.
1. Podstawy termodynamiczne
Zanim przejdziemy do opisu samej pompy, warto przypomnieć podstawową zasadę termodynamiki, którą wykorzystują pompy ciepła. Mówiąc najprościej: ciepło zawsze przepływa spontanicznie z obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze. Pompa ciepła odwraca ten proces, przenosząc ciepło „pod górę”, przy pomocy pracy mechanicznej dostarczanej przez sprężarkę.
Główny cykl termodynamiczny używany w pompach ciepła to obieg parowy chłodniczy (cykl Rankine’a–Clausiusa), składający się z czterech etapów:
- Parowanie – czynnik roboczy (czynnik chłodniczy) o niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu pobiera ciepło z otoczenia (tu: z powietrza zewnętrznego) i paruje.
- Sprężanie – sprężarka podnosi ciśnienie i temperaturę pary czynnika.
- Skraplanie – gorąca, sprężona para oddaje ciepło do instalacji grzewczej budynku (woda grzewcza w grzejnikach lub systemie podłogówka) i skrapla się.
- Rozprężanie – czynnik, po skropleniu, przechodzi przez zawór rozprężny, obniżając swoje ciśnienie i temperaturę, po czym obieg zaczyna się od nowa.
W efekcie pompa ciepła pobiera ciepło z zewnątrz i oddaje je do wnętrza budynku, zużywając przy tym stosunkowo niewiele energii elektrycznej potrzebnej głównie na napęd sprężarki.
2. Budowa powietrznej pompy ciepła
Powietrzna pompa ciepła składa się z dwóch kluczowych modułów:
- Jednostka zewnętrzna (parownik + wentylator)
- Parownik – wymiennik ciepła, w którym czynnik roboczy odbiera ciepło z powietrza zewnętrznego. Parownik wykonany jest zazwyczaj z miedzianych rur pokrytych aluminiowymi lamelami, co zwiększa powierzchnię wymiany.
- Wentylator – wymusza przepływ powietrza przez lamelowany wymiennik, dzięki czemu więcej ciepła może zostać przekazane czynnikowi chłodniczemu nawet przy niskich temperaturach zewnętrznych.
- Jednostka wewnętrzna (skraplacz + sprężarka + zawór rozprężny + osprzęt)
- Sprężarka – serce pompy, zwykle typu spiralnego lub tłokowego, która podnosi ciśnienie pary czynnika roboczego.
- Skraplacz – wymiennik ciepła, gdzie gorąca para przekazuje ciepło do wody grzewczej lub powietrza wewnątrz budynku. W instalacjach wodnych skraplacz ma formę wężownicy wodnej, a w powietrznych – lamelowanego wymiennika z wentylatorem.
- Zawór rozprężny (kapilara lub zawór termostatyczny) – obniża ciśnienie i temperaturę czynnika przed kolejnym etapem cyklu.
- Elektronika sterująca – monitoruje temperatury i ciśnienia, steruje pracą sprężarki i wentylatorów, zabezpiecza system przed zamarzaniem lub przegrzaniem.
3. Etapy pracy i sterowanie
3.1 Odbiór ciepła z powietrza zewnętrznego
Kiedy urządzenie pracuje w trybie grzania, wentylator zasysa powietrze zewnętrzne i kieruje je na parownik. Nawet w temperaturze kilku stopni poniżej zera czynnik chłodniczy o temperaturze niższej (np. –10 °C) potrafi odebrać ciepło i przejść w stan pary.
3.2 Sprężenie i podniesienie temperatury
Para trafia do sprężarki, która, dzięki napędowi silnika elektrycznego, kompresuje parę, podnosząc jej ciśnienie z kilku, do nawet kilkunastu barów, oraz temperaturę do około 50–70 °C.
3.3 Oddanie ciepła do instalacji wewnętrznej
Gorąca, sprężona para trafia do skraplacza, oddaje swoje ciepło wodzie grzewczej (lub powietrzu), dzięki czemu temperatura czynnika spada, a on sam skrapla się i przechodzi do postaci ciekłej.
3.4 Rozprężanie i ponowne obniżenie temperatury
Przed powrotem do parownika czynnik przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie jego ciśnienie i temperatura ulegają gwałtownemu obniżeniu. W takim stanie trafia ponownie do parownika i cykl rozpoczyna się na nowo.
4. Wydajność i współczynniki efektywności
Kluczowym parametrem określającym efektywność pompy ciepła jest COP (Coefficient of Performance), czyli stosunek wydzielonego do instalacji budynku ciepła do zużytej energii elektrycznej. Dla powietrznych pomp ciepła typowe wartości COP wahają się w granicach 2,5–4, co oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej można uzyskać 2,5–4 kWh ciepła.
Warto jednak pamiętać, że COP zależy od temperatury powietrza zewnętrznego (najwyższy jest przy wyższych temperaturach) oraz od temperatury zasilania instalacji grzewczej (niższa temperatura zasilania, np. w ogrzewaniu podłogowym, poprawia efektywność).
5. Korzyści stosowania powietrznych pomp ciepła
- Oszczędności na kosztach ogrzewania
Dzięki COP>1 użytkownik zużywa mniej energii elektrycznej niż by wynikało to z ilości dostarczonego ciepła, co przekłada się na niższe rachunki. - Brak konieczności magazynowania paliwa
Nie musimy kupować i składować drewna, węgla czy oleju opałowego. Wystarczy przyłącze elektryczne. - Niskie emisje CO₂
Pompa ciepła sama w sobie nie emituje spalin. Emisja związana jest jedynie z wytwarzania energii elektrycznej — im czystsze źródło prądu, tym mniejszy ślad węglowy. - Możliwość chłodzenia
W gorące dni można wykorzystać pompy do chłodzenia wnętrza, odwracając obieg termodynamiczny. - Bezobsługowość
Brak paleniska i komina, minimalne prace serwisowe ograniczające się do przeglądów elektrycznych i kontroli wymienników.
6. Wyzwania i ograniczenia
- Spadek wydajności przy niskich temperaturach
Poniżej –15 °C nawet najlepsze modele tracą znaczną część efektywności. Wymagane mogą być grzałki elektryczne wspomagające lub alternatywne źródło ciepła. - Hałas i miejsce montażu
Jednostka zewnętrzna generuje hałas (wentylator, sprężarka). Konieczne jest odpowiednie usytuowanie z dala od sypialni czy okien sąsiadów. - Wymagania przestrzenne
Potrzebne jest otwarte miejsce do bezproblemowego poboru powietrza, wolne od przeszkód. - Koszt inwestycji
Pomimo stosunkowo szybkiego zwrotu, wydatek początkowy jest wyższy niż przy kotłach gazowych czy olejowych.
7. Montaż i eksploatacja – kluczowe wskazówki
- Właściwy dobór mocy
Dobierz pompę ciepła do strat ciepła budynku, aby pracowała w optymalnym zakresie. Przewymiarowanie obniża efektywność, a niedowymiarowanie skutkuje potrzebą dodatkowego źródła ciepła. - Połączenie z ogrzewaniem niskotemperaturowym
Najlepiej sprawdza się w instalacjach podłogowych lub grzejnikach niskotemperaturowych (zasilanie ≤45 °C). - Izolacja budynku
Dobra izolacja ścian, dachu i stolarki okiennej zwiększa ogólną efektywność i pozwala pompę dobierać w mniejszym rozmiarze. - Regularne przeglądy
Co najmniej raz w roku należy skontrolować szczelność czynnika, czystość wymienników i stan instalacji elektrycznej. - Odpływ skroplin
Parownik może skraplać wilgoć przy niskich temperaturach; zadbaj o drenaż lub podłączenie do kanalizacji.
8. Podsumowanie
Powietrzna pompa ciepła to nowoczesne, energooszczędne i ekologiczne rozwiązanie do ogrzewania i chłodzenia budynków. Dzięki wykorzystaniu darmowej energii z powietrza zewnętrznego pozwala znacząco zredukować koszty eksploatacji oraz emisję CO₂. Właściwy dobór, montaż i eksploatacja, a także dostosowanie do warunków klimatycznych i parametrów budynku, gwarantują długą i efektywną pracę urządzenia. Pomimo pewnych ograniczeń, przy rosnących cenach nośników energii oraz coraz większym nacisku na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, powietrzne pompy ciepła stają się jednym z najważniejszych elementów nowoczesnych systemów grzewczych.
Fot. AI