Pompa ciepła to nowoczesne urządzenie cieplne dostarczające ciepło o wyższej temperaturze niż dolne źródło ciepła. Niezbędna jest do tego praca sprężarki. Budowa pompy ciepła opiera się na zastosowaniu sprężarki, parownika, skraplacza oraz zaworu rozprężnego. Pompy ciepła mogą się różnić w budowie zależnie od wariantu wykonania i rodzaju dolnego źródła ciepła. Na przykład pompy ciepła typu monoblok mają budowę modułową i cały obieg chłodniczy mieści się w jednej jednostce. Z kolei budowa pompy ciepła typu Split cechuje się zastosowaniem 2 odrębnych jednostek. Mogą być one łączone przewodami czynnikami chłodniczego lub cieczy niezamarzającej. Budowa pomp ciepła może być jednakowa dla różnych źródeł ciepła dzięki modułowym elementom odzyskującym ciepło z powietrza, wody lub gruntu.

1. Budowa pompy ciepła
 Budowa pompy ciepła typu sprężarkowego
 Elementy pompy ciepła i ich funkcje
 Sposób funkcjonowania pompy ciepła
Wydanie 1/2012
28.11.2012
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2. Pompa ciepła jako urządzenie grzewcze
 Pompa ciepła jest urządzeniem cieplnym, w którym
przepływ ciepła następuje od dolnego źródła ciepła
o niższej temperaturze (np. grunt, powietrze),
do odbiornika ciepła o wyższej temperaturze
 Podniesienie temperatury odbywa się w obiegu
czynnika chłodniczego, dzięki wymuszeniu pracy
przez sprężarkę napędzaną energią elektryczną
 Wykorzystuje się specyficzne cechy czynnika
chłodniczego, jak w szczególności niską – ujemną
temperaturę parowania.
 Pompa ciepła zapewnia najniższe koszty
ogrzewania domu i podgrzewania ciepłej wody
użytkowej, w połączeniu z maksymalnym poziomem
komfortu i bezpieczeństwa użytkowania.
2

3. Wykorzystanie potencjału dolnego źródła
ciepła przez pompę ciepła
 Pompa ciepła korzysta najczęściej
z ciepła otoczenia: gruntu, wody lub
powietrza. Ciepło to stanowi około 3/4
wydajności cieplnej pompy ciepła,
pozostałą część (1/4) dostarcza sprężarka
zasilana energią elektryczną.
 W ten sposób pompa ciepła może
osiągać współczynniki efektywności
na poziomie od 3 do nawet powyżej 5,
w zależności od dolnego źródła ciepła,
odbiornika ciepła oraz konstrukcji samego
urządzenia.
 Współczynnik efektywności COP = 4,
będzie oznaczać, że z 1 kW energii
elektrycznej, pompa ciepła uzyska łącznie
4 kW ciepła.
3

4. Podstawowe elementy pompy ciepła
 Dolne źródło ciepła znajduje się po
niższej „dolnej” stronie obiegu
chłodniczego pompy ciepła. Może być
to grunt, woda lub powietrze, z którego
pompa ciepła odbiera ciepło.
 Czynnik chłodniczy odbiera ciepło,
podgrzewając się w parowniku
i odparowując. W skraplaczu ciepło jest
oddawane do instalacji grzewczej.
4

5. Ogólny schemat obiegu chłodniczego
sprężarkowej pompy ciepła
Sprężarka
Strona niskociśnieniowa Strona wysokociśnieniowa
4 bar / -2oC 26 bar / 80oC
Parownik
3oC 55oC
Dolne Wzrost System
źródło ciepła temperatury grzewczy
i ciśnienia
0oC 40oC
Spadek
Skraplacz
temperatury
i ciśnienia
Zawór rozprężny Filtr/Osuszacz
4 bar / -6oC 26 bar / 40oC
5

6. Schemat obiegu chłodniczego pompy ciepła
Vaillant geoTHERM (1/2)
 W pompach ciepła znajdują zastosowanie zaawansowane rozwiązania
techniczne, mające na celu podwyższanie efektywności pracy. Przykładem jest
obieg chłodniczy pomp ciepła Vaillant geoTHERM (str.7), gdzie dodatkowym
elementem jest pośredni wymiennik ciepła (przechładacz).
 W wymienniku pośrednim, czynnik roboczy (R407C) po oddaniu ciepła wodzie
grzewczej w skraplaczu, dodatkowo jest schładzany (na schemacie na str.7, od
34 do 25oC) oddając ciepło do czynnika znajdującego się przed sprężarką. Dzięki
temu, czynnik roboczy zanim zostanie poddany sprężaniu, podnosi o kilka stopni
Celsjusza temperaturę (na schemacie na str.7, od 2,5 do 6,5oC). To z kolei
zmniejsza pobór energii elektrycznej przez sprężarkę, która podnosi temperaturę
(oraz ciśnienie) czynnika roboczego od wyższego poziomu.
 Wymiennik pośredni (przechładzacz) zmniejszając zużycie energii elektrycznej
dla napędu sprężarki, zwiększa tym samym efektywność pracy pompy ciepła.
 Elementy na schemacie obiegu chłodniczego ze str.7: 1- sprężarka,
2- parownik, 3- skraplacz, 4- zawór rozprężny, 5- pompa obiegu solankowego,
6- pompa obiegu grzewczego, 7- osuszacz i filtr czynnika roboczego,
8- wymiennik ciepła pośredni (przechładzacz).
6

7. Schemat obiegu chłodniczego pompy ciepła
Vaillant geoTHERM (2/2)
1
4 bar
14 bar
2,5oC
67oC
2
5 oC 35oC
8
Dodatkowa wymiana ciepła
w wymienniku pośrednim (8)
7 zwiększa efektywność pracy
8 pompy ciepła
3
6
1,5oC 28oC
14 bar, 25oC
4 bar, 6,5oC
5
14 bar
34oC
Parametry pracy dla systemu
ogrzewania niskotemperaturowego
(np. podłogowego)
4 bar, -3oC 4
7

8. Sprężarka pompy ciepła
 Sprężarka stanowi podstawowy element obiegu chłodniczego pompy ciepła,
odpowiadając za poprawne funkcjonowanie urządzenia. Bezpośrednio odpowiada
za sprężanie czynnika roboczego, powodujące znaczny wzrost temperatury
i ciśnienia. Podwyższenie parametrów czynnika roboczego pozwala przekazać
ciepło do systemu grzewczego, ciepłej wody użytkowej, itp.
 W pompach ciepła stosowane są
różne rodzaje sprężarek, najczęściej
jednak są to dla urządzeń małej
mocy, sprężarki spiralne (Scroll),
a dla najniższych mocy cieplnych –
także sprężarki rotacyjne.
Źródło: Emerson
8

9. Zasada działania sprężarki typu Scroll (1/2)
 Sprężarka spiralna – Scroll, jaka znajduje zastosowanie w pompach ciepła
małej mocy, ma konstrukcję w pełni hermetyczną. Stanowi urządzenie
bezobsługowe, przewidziane do długotrwałej eksploatacji. Trwałość sprężarki
zależy także od warunków jej eksploatacji, szczególnie od liczby załączeń.
 Prawidłowo skonfigurowany system zarówno po stronie dolnego źródła ciepła,
jak też po stronie instalacji grzewczej, zapewnia optymalne warunki pracy dla
pompy ciepła – przede wszystkim jak
najmniejszą liczbę załączeń sprężarki.
Przy korzystnych warunkach, w sezonie
grzewczym nie powinno być to więcej
niż 15 razy na dobę, co w okresie całego
roku może oznaczać maksymalnie
2.500 do 3.000 załączeń (uwzględniając
mniejszą liczbę załączeń w trybie pracy
tylko dla potrzeb podgrzewu wody
użytkowej w sezonie letnim).
Źródło: digitalscroll.com
9

10. Zasada działania sprężarki typu Scroll (2/2)
 W sprężarce typy Scroll, głównym elementem są poruszające się względem
siebie mimośrodowo dwa spiralne elementy. Jeden nich jest stały, drugi ruchomy.
Poruszając się, powoduje on zamykanie czynnika roboczego w coraz mniejszej
objętości. W ten sposób jest on sprężany, rośnie jego ciśnienie oraz temperatura.
Sprężany
czynnik
roboczy
Źródło: anest-iwata.com.au
 Sprężanie ma charakter ciągły, równocześnie zachodzą 3 cykle sprężania,
przez co sprężarka typu Scroll zapewnia wysoką stabilność pracy, a jednocześnie
niski poziom hałasu i drgań w porównaniu do sprężarek innej konstrukcji.
10

11. Parownik pompy ciepła
 Parownikiem jest wymiennik ciepła, najczęściej płytowy lutowany i wykonany ze
stali kwasoodpornej (np. 316). W parowniku pompy ciepła dochodzi do odbioru
ciepła z otoczenia (dolnego źródła ciepła), np. z solanki krążącej w sondach
pionowych.
 Czynnik roboczy podnosi swoją temperaturę (na schemacie na str.7 od -3,5 do
2,5oC), a także zmienia stan skupienia z ciekłego na parowy. Parownik odpowiada
więc za pobór ciepła, które stanowi podstawową część całkowitej wydajności
cieplnej pompy ciepła – w zależności od współczynnika efektywności COP, może
być to nawet powyżej 75% (dla COP = 4 pobór energii elektrycznej = 25%).
 Parownik stosowany w pompach
ciepła Vaillant geoTHERM.
Źródło: SWEP
11

12. Skraplacz pompy ciepła
 Skraplacz w odróżnieniu od parownika, pracuje przy wyższych parametrach
czynnika roboczego, gdyż zachodzi w nim odbiór ciepła z czynnika
opuszczającego sprężarkę (na schemacie na str.7, 14 bar i 67oC)
 Skraplaczem jest wymiennik ciepła, najczęściej płytowy lutowany i wykonany
ze stali kwasoodpornej (np. 316). Czynnik roboczy obniża swoją temperaturę
(na schemacie na str.7 od 67 do 34oC), a także zmienia stan skupienia z
gazowego na ciekły. Skraplacz odpowiada więc za skuteczny odbiór ciepła
i przekazanie go do wody grzewczej (lub w niektórych typach pomp ciepła wprost
do ciepłej wody użytkowej lub wody basenowej, itp.)
 Skraplacz stosowany w pompach
ciepła Vaillant geoTHERM.
Źródło: SWEP
12

13. Zawór rozprężny pompy ciepła
 Zawór rozprężny doprowadza do obniżenia parametrów czynnika roboczego,
po jego przejściu przez skraplacz (gdzie oddane zostało ciepło).
 Według schematu ze str.7, ciśnienie może się obniżyć od 14 do 4 bar
i jednocześnie temperatura od 25 do -3oC. W ten sposób czynnik roboczy jest
przygotowany do ponownego obiegu – zaczynając od odbioru ciepła w parowniku,
które doprowadzi do jego wrzenia i odparowania.
ze skraplacza 14 bar, 25oC
do parownika 4 bar, -3oC
13

14. Czynnik roboczy w obiegu chłodniczym
pompy ciepła
 Kluczową rolę w pracy pompy ciepła, pełni czynnik roboczy. Musi on spełniać
szereg warunków. Pod względem parametrów roboczych cechować się musi
zdolnością wrzenia w niskiej temperaturze. W ten sposób czynnik jest zdolny
wrzeć przy odbieraniu ciepła otoczenia, nawet o niskiej (ujemnej) temperaturze.
 Obecnie dopuszczone są do stosowania czynniki nie mające wpływu na warstwę
ozonową Ziemi (wskaźnik ODP). W związku z tym tradycyjny kilka lat temu
czynnik chłodniczy R22 jest zastępowany mieszaninami, jak np. czynnikiem
R407C. Temperatura wrzenia czynnika R407C mieści się w zakresie od -35
do +10oC (-43,4oC przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa).
 Własności termodynamiczne czynnika R407C są bardzo zbliżone
do korzystnych własności R22, który został wycofany jedynie ze względów
niekorzystnego oddziaływania na środowisko naturalne.
14

15. Rzeczywista praca pompy ciepła
80 Przykładowy przebieg
za sprężarką temperatur roboczych pompy
ciepła typu solanka/woda,
z dolnym źródłem ciepła
60 w postaci sond pionowych
Temperatura [oC]
(pomiar 40-dniowy)
na zasilaniu
instalacji grzewczej
40
na powrocie
z instalacji grzewczej
20
0 przed sprężarką
przed parownikiem
0 10 20 30 40
Dzień
Źródło: J.Skoneczna, W.Ciesielczyk, „Analiza pracy pomp ciepła z czynnikiem roboczym R407C”, Politechnika Krakowska
15

16. Umiejscowienie głównych elementów
pompy ciepła
 Podstawowe elementy pompy ciepła, mieszczą się w jej obudowie, skracając
czas prac montażowych i oszczędzając miejsce zabudowy. Sama instalacja jest
dzięki temu również mniej złożona. Wewnątrz takiej pompy ciepła, jak np. Vaillant
geoTHERM, mieszczą się także takie elementy jak pompy obiegowe, dodatkowy
elektryczny podgrzewacz przepływowy oraz zawór przełączający pracę (cwu/co).
Obieg solanki Obieg grzewczy
3-drogowy zawór przełączający (cwu/co)
Podgrzewacz przepływowy elektryczny
Parownik Skraplacz
Pompa obiegu solanki Pompa obiegu grzewczego
Sprężarka
16

17. Ogrzewanie
Kotły gazowe
Chłodzenie Kotły olejowe
Pompy ciepła
Energia odnawialna
Kolektory słoneczne
Systemy wentylacji
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl