Jak pompa ciepła grzeje, kiedy na dworze jest mróz

Uczeń z drugiej klasy przyszedł po lekcji z pytaniem, które zadała mu babcia. Babcia ma nową pompę ciepła i nie wierzy, że może ona grzać dom, skoro „na dworze jest minus pięć, a ona z tego minus pięć robi ciepło”. Uczeń też nie bardzo wierzył, ale bał się to powiedzieć babci, więc powiedział mnie. Odpowiadam porządnie, bo to jedno z lepszych pytań, jakie dostałem w tym roku.

Zacznę od tego, co uczniów zawsze zaskakuje. Powietrze o temperaturze minus pięciu stopni wcale nie jest „bez ciepła”. Jest chłodniejsze od nas, ale w porównaniu z zerem bezwzględnym, czyli minus 273°C, ma w sobie jeszcze sporo energii cieplnej. Pompa ciepła niczego nie wytwarza z niczego. Zabiera trochę ciepła z dużej ilości chłodnego powietrza i przenosi je do domu.

Z czego się składa

1. Parownik - wymiennik z lamelami w jednostce zewnętrznej, przez który wentylator przepycha powietrze.
2. Sprężarka - zasilana prądem, spręża gaz czynnika chłodniczego i podnosi jego temperaturę.
3. Skraplacz - wymiennik, w którym gorący czynnik oddaje ciepło wodzie grzewczej.
4. Zawór rozprężny - przewężenie, za którym ciśnienie i temperatura czynnika gwałtownie spadają.
5. Czynnik chłodniczy - substancja krążąca w zamkniętym obiegu, która wrze w bardzo niskiej temperaturze.
6. Sterownik - pilnuje temperatur, odszraniania i współpracy z grzałką zapasową.

Na tablicy narysowałbym to tak

Kółko z czterema przystankami i strzałką dookoła. Po lewej, na zewnątrz domu, parownik. Na górze sprężarka. Po prawej, w domu, skraplacz. Na dole zawór rozprężny. Czynnik krąży w kółko i na każdym przystanku zmienia stan.

Zaczynamy od zaworu rozprężnego. Czynnik przechodzi przez niego jako ciecz pod wysokim ciśnieniem i nagle trafia w niskie. Rozpręża się i mocno ochładza, do temperatury niższej niż mróz na dworze. Na tym polega cała sztuczka. Czynniki chłodnicze wrzą w temperaturach, w których woda dawno byłaby lodem. Propan, używany w części nowych urządzeń, wrze przy ciśnieniu atmosferycznym w około minus 42°C.

W parowniku zimny czynnik spotyka powietrze o temperaturze minus pięć, które jest dla niego ciepłe. Ciepło przechodzi z powietrza do czynnika, a czynnik wrze i zamienia się w gaz. Wentylator wyrzuca na zewnątrz powietrze jeszcze trochę zimniejsze, niż było.

Sprężarka zasysa ten gaz i go spręża. Sprężany gaz się nagrzewa. Wie o tym każdy, kto pompował dętkę i potem złapał za pompkę. Tutaj gaz nagrzewa się do kilkudziesięciu stopni. W skraplaczu oddaje ciepło wodzie grzewczej i skrapla się z powrotem w ciecz. Ciecz wraca do zaworu i obieg się zamyka.

Ten sam obieg co w lodówce

Jeśli czytałeś wpis o kontenerze chłodniczym, to znasz już ten obieg. Lodówka zabiera ciepło ze środka i wyrzuca je przez kratkę z tyłu. Pompa ciepła zabiera ciepło z dworu i wyrzuca je do domu. Sprężarka, zawór i wymienniki są te same, inny jest tylko cel. Wiele pomp ciepła potrafi zresztą odwrócić obieg i latem chłodzić.

Prąd zużywa głównie sprężarka. W grzałce prąd zamienia się w ciepło jeden do jednego, a tutaj tylko napędza przenoszenie ciepła z dworu do domu. Stosunek ciepła oddanego do prądu zużytego nazywa się COP. Przy łagodnej pogodzie pompa potrafi oddać kilka kilowatogodzin ciepła na jedną kilowatogodzinę prądu. Na mrozie mniej, bo im większa różnica temperatur między dworem a wodą w kaloryferach, tym ciężej ma sprężarka.

Szron na parowniku

Babcia ucznia zauważyła też, że pompa czasem „paruje jak czajnik” i przez chwilę nie grzeje. To odszranianie. Parownik jest zimniejszy od powietrza, więc wilgoć z powietrza osiada na lamelach i zamarza. Najmocniej szronieje w okolicach zera, przy wilgotnym powietrzu, a przy dużym mrozie mniej. Szron zatyka lamele i powietrze przestaje przez nie płynąć.

Sterownik co jakiś czas odwraca obieg na kilka minut i puszcza gorący czynnik do parownika. Lód się topi i spływa, z wentylatora bucha para, a potem pompa wraca do grzania. Pod jednostką zewnętrzną musi być miejsce na spływającą wodę, bo inaczej zamarznie w sopel albo lodowisko pod urządzeniem.

Na dużym mrozie moc pompy spada. Dlatego dobiera się ją do domu z zapasem, a wiele instalacji ma grzałkę elektryczną, która pomaga w najzimniejsze dni. Według danych z kart urządzeń nowsze pompy powietrzne pracują także przy temperaturach niższych niż minus 20°C, tylko z wyraźnie niższą sprawnością.

Najlepiej sprawdzają się w domach z podłogówką albo z dużymi grzejnikami, gdzie wystarcza chłodniejsza woda. Im niższej temperatury wody potrzeba, tym lżej pracuje sprężarka.