Pompa ciepła (PC) – maszyna cieplna wymuszająca przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej.

1. Podział PC

• gruntowe

• wodne

• powietrzne

a także

• elektryczne

• olejowe

• gazowe

1. Zasada działania PC

Czynnik w kolektorze gruntowym ma ok 4 st i podgrzewa on inny czynnik chłodniczy. Ten 2 czynnik jest sprężany i wtedy ma 60st. Oddaje on cieplo do cwu lub co. Potem jest rozprezany wiec traci Ti p. Ogrzewa się od ziemi, potem sprężamy go

3. Wprowadzenie teoretyczne

Zadaniem pompy ciepła jest pobieranie energii cieplnej ze środowiska o niskiej temperaturze i przekazywanie jej do środowiska o temperaturze wyższej. Dzięki dużej pojemności cieplnej środowiska niskotemperaturowego (np. otoczenia budynku: wody, gruntu, powietrza), praktycznie nie następuje jego wychłodzenie. Pojemność cieplna środowiska wysokotemperaturowego (np. budynku lub pomieszczenia) jest relatywnie mała, w związku z czym przekazana energia wystarcza do jego ogrzania. Jak wynika z II zasady termodynamiki, operacja ta wymaga wykonania pewnej pracy. W przypadku pompy użytej w ćwiczeniu, pracę tę wykonuje elektryczna sprężarka (rys. 1). Działanie sprężarkowej pompy ciepła ilustruje rysunek 2. Jednoskładnikowa para czynnika roboczego zostaje sprężona

Rysunek 1. Praca sprężarkowej pompy ciepła: Q_d — ciepło pobrane ze środowiska zimnego, Q_w — ciepło dostarczone do środowiska ciepłego, W — praca sprężarki

za pomocą sprężarki i w stanie (B) trafia do skraplacza, gdzie ulega skropleniu przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W trakcie kondensacji w skraplaczu wydziela się ciepło, dostarczane do tzw. górnego źródła ciepła. Po opuszczeniu skraplacza, czynnik w stanie (C) trafia do zaopatrzonego w termostat zaworu rozprężnego, w którym zostaje rozprężony od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania, osiągając stan (D). Znajdująca się w stanie (D) mieszanina para - ciecz trafia do parownika, gdzie następuje jej odparowanie. W trakcie odparowania, w warunkach izobaryczno - izotermicznych, czynnik pobiera ciepło ze źródła niskotemperaturowego (tzw. dolnego źródła ciepła). Po opuszczeniu parownika, w postaci pary o stanie (A), czynnik trafia ponownie do sprężarki.

Zasada działania

Dolne źródło ciepła

Dolne źródło ciepła stanowi dla pompy ciepła zasób możliwej do pozyskania energii otoczenia. Najczęściej źródłem tym jest grunt (kolektor ziemny poziomy lub sondy pionowe - odwierty) bądź powietrze zewnętrzne, a także wody gruntowe.

Możliwe jest także wykorzystanie jako dolnego źródła ciepła - wszelkiej energii z procesów technologicznych (ciepło odpadowe). Im wyższa i stabilniejsza będzie temperatura dolnego źródła ciepła, tym stabilniej i z wyższą efektywnością, pracować będzie pompa ciepła. Najczęściej stosowane gruntowe pompy ciepła współpracują z kolektorami gruntowymi układanymi poziomo lub sondami pionowymi. Sondy zapewniają wysoką efektywność i stabilność pracy pompy ciepła, ze względu na czerpanie ciepła z dużej głębokości - od głębokości około 15 m, temperatura gruntu wynosi około 10 oC i jest stała w okresie roku, niezależnie od pory roku.

Typ dolnego źródła: solanka/woda
1 = Pompa ciepła (np. Vitocal 300-G)
2 = Pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody użytkowej

Pompa ciepła (gruntowa) typu solanka/woda pobiera ciepło z gruntu poprzez sondy lub kolektory gruntowe i może zapewnić pełne całoroczne ogrzewanie. 

Typ dolnego źródła: woda/woda 
1 = Pompa ciepła (np. Vitocal 300-G) 
2 = Pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody użytkowej 

Pompa ciepła typu woda/woda pobiera ciepło z wody gruntowej, mającej zawsze ustabilizowaną temperaturę i dzięki temu uzyskuje trwale wysokie wskaźniki efektywności – także przy najniższych temperaturach otoczenia.

Typ dolnego źródła: powietrze/woda
1 = Pompa ciepła (np. Vitocal 350-A) 
2 = Pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody użytkowej 

Pompa ciepła typu powietrze/woda wykorzystuje ciepło zawarte w powietrzu zewnętrznym, pracując nawet do -15oC. W zimne dni możliwe jest wspomaganie przez inne źródło ciepła (grzałkę elektryczną, kocioł grzewczy).

Atrakcyjnym źródłem ciepła jest także wszechobecne powietrze zewnętrzne zawierające w sobie ogromny potencjał energii. Pompy ciepła firmy Viessmann pozwalają na pracę do -15 oC, a przy niższych temperaturach, włączane jest dodatkowe źródło ciepła - wbudowana grzałka elektryczna lub kocioł grzewczy. Powietrzne pompy ciepła mają zaletę w postaci niższych całkowitych kosztów inwestycji, łatwego montażu, możliwości zabudowy w budynku lub na zewnątrz nawet na małej działce.

Pompy ciepła typu woda/woda zapewniają najwyższe wskaźniki efektywności wśród pomp, jednak należy zwrócić uwagę na prawidłowy dobór podłączenia tego typu dolnego źródła z pompą ciepła (niemal zawsze przez dodatkowy wymiennik ciepła), dla ochrony urządzenia przed zanieczyszczeniami znajdującymi się w wodzie.

Ziemna pompa ciepła (pompa typu solanka-woda)

"Ciepło z wnętrza ziemi" – to określenie dokładnie opisuje działanie ziemnej pompy ciepła. Węzeł grzewczy oparty o gruntową pompę ciepła pobiera ciepło, które zakumulowane jest pod ziemią.Co ciekawe, nawet w polskim klimacie temperatura gruntu jest stała niezależnie od pory roku i na głębokości około 15m wynosi mniej więcej 10⁰C. Im wyżej powierzchni, tym chłodniej; jednak nie na tyle, żeby nie można było tam zainstalować instalacji źródła dolnego.

Istnieją bowiem dwa rodzaje instalacji, która pobiera ciepło z ziemi na potrzeby pompy ciepła: poprzez sondy pionowe inaczej głębinowe i kolektory poziome czyli powierzchniowe. W obu przypadkach są to rury wypełnione glikolem, który pod ziemią utrzymuje stałą temperaturę od -2⁰C do +5⁰C. Mieszankę wody z glikolem określa się potocznie jako solankę, stąd popularna nazwa pompy gruntowej – pompa ciepła typu solanka/woda. 
Te pierwsze zajmują nieco mniej powierzchni poziomej, jednak wymagają zrobienia odwiertów na głębokość od 80m-150m oraz głębszych w przypadku obiektów przemysłowych. W tym wypadku mamy gwarancję stabilności ciepła. 
Kolektory poziome to kilkaset metrów rury PE o średnicy 1 cala, ułożonej płasko lub spiralnie na głębokości ok 1,5m-2m pod powierzchnią ziemi (czyli poniżej granicy zamarzania ziemi). Powierzchnia kolektora powinna zajmować kilkakrotnie większą przestrzeń niż zajmuje powierzchnia domu.

Trudno powiedzieć, który wybór jest bradziej korzystny. Wszystko zależy przede wszystkim od rodzaju gleby, na której znajduje się nasza działka. Największą wydajnością charakteryzują się wilgotne i gliniaste gleby, mniej korzystne są suche i piaszczyste. Nie ma jednak uniwersalnej zasady, kiedy, który kolektor ziemnej pompy ciepła lepiej się sprawdza - wyliczenie wydajności należy do pracy geologów i/lub wiertników.

Powietrzna pompa ciepła (pompa typu powietrze-woda)

Z instalacyjnego punktu widzenia najwygodniejsza jest powietrzna pompa ciepła, ponieważ nie wymaga większych ingerencji na poziomie fundamentów budowlanych. Powietrzna pompa ciepła jest nie tylko najłatwiejsza w montażu, ale też najtańsza. Taka pompa ciepła działa przy użyciu wymiennika lamelowego, który wykorzystuje ciepłe powietrze zewnętrzne. Wewnątrz obiektu znajdują się zasobniki z wodą. Ciepło z powietrza jest wdmuchiwane do pomieszczenia poprzez nawiewy podobne do klimatyzacji lub przekazywane do instalacji wodnej (kaloryfery, klimakonwektory, ogrzewanie podłogowe). 
Niestety większość pomp tego typu działa bez wspomaganie jedynie do około -15/- 20⁰C). Poniżej tej temperatury pompa musi działać wespół z dodatkową grzałką elektryczną czy nawet zewnętrznym kotłem grzewczym, ponieważ spada jej wydajność. Kiedy temperatura obniży się jeszcze bardziej to urządzenia wspomagające całkowicie zastępują pracępompy ciepła typu powietrze - woda, która automatycznie się wyłącza.

Pompa ciepła typu woda-woda

Pompa typu woda-woda, to taka, której dolne źródło stanowi woda gruntowa. Najczęściej ciepło z wody jest uzyskiwane przy pomocy systemu studni (w zależności od zapotrzebowania na ciepło dwóch lub więcej). Jedna ze studni jest zbiornikiem ciepłej wody czerpalnej, natomiast pozostałe studnie mają charakter "zrzutowy", czyli magazynują wodę schłodzoną. Odstępy pomiędzy studniami muszą wynosić kilkanaście metrów, by wody nie mieszały się. 
Woda gruntowa jest dosyć wymagającym dolnym źródłem dla pompy ciepła, ze względów geologicznych – nie każdy grunt posiada wody gruntowe na wymaganej głębokości (od ok. 6m do 30m).

Obieg Lindego

podstawowy obieg porównawczy dla parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych. W jego skład wchodzą następujące przemiany:

izentropowe sprężania pary 1-2

izobaryczne ochładzanie pary przegrzanej i izobaryczno – izotermiczne skraplanie pary nasyconej 2-3

izentalpowe dławienie skroplin 3-4

izobaryczno – izotermiczne wrzenie 4-1

3. Efektywność pompy ciepła

Efektywność działania pompy ciepła określa współczynnik wydajności ε, zwany też wskaźnikiem efektywności energetycznej, lub sprawnością energetyczną, zdefiniowany jako stosunek użytecznych efektów energetycznych do energii napędowej urządzenia. W przypadku, gdy efektem użytecznym jest wyłącznie ciepło oddane do środowiska ogrzewanego wskaźnik efektywności obliczamy ze wzoru

(1)

Po uwzględnieniu równania bilansu energii (1) otrzymujemy

(2)

Jak widać z powyższego wzoru, współczynnik wydajności pompy ciepła jest zawsze większy od 1, co świadczy o tym, że jest to urządzenie znacznie bardziej efektywne od jakiegokolwiek grzejnika elektrycznego, w którym następuje zamiana zużywanej energii elektrycznej na ciepło.

Doskonałość obiegu urządzenia rzeczywistego oceniamy przez porównanie jego współczynnika wydajności z maksymalną wydajnością określoną przez II zasadę termodynamiki. Obliczymy teraz maksymalną sprawność pompy ciepła działającej pomiędzy źródłami ciepła o temperaturach T_I i T_II. Jest to sprawność lewobieżnego obiegu Carnota składającego się z dwóch odwracalnych przemian izotermicznych i dwóch adiabatycznych.

Zgodnie z II zasadą termodynamiki, suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w dowolnym procesie musi być nieujemna. Suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w przemianie odwracalnej (idealnej) jest równa 0, natomiast w każdej rzeczywistej przemianie nieodwracalnej jest zawsze dodatnia.

Obliczymy przyrosty entropii dla jednego pełnego cyklu pracy idealnej pompy ciepła, działającej zgodnie z obiegiem odwracalnym.

- Przyrost entropii czynnika roboczego: ΔS₁=0 (bo po wykonaniu pełnego cyklu przemian, czynnik wraca do stanu początkowego, a więc entropia w stanie końcowym jest taka sama jak w stanie początkowym).

- Przyrost entropii dolnego źródła ciepła o temperaturze T_I: ΔS₂ = -Q_d / T_I.

- Przyrost entropii górnego źródła ciepła o temperaturze T_II: ΔS₃ = / T_II.

Suma przyrostów entropii wszystkich ciał uczestniczących w procesie:

ΔS = ΔS₁+ΔS₂+ΔS₃ = -Q_d / T_I + / T_II = 0 (3)

A więc dla obiegu idealnego spełniona jest równość:

Q_d / T_I = / T_II,

stąd

Q_d / = T_I / T_II (4)

Ze wzoru (3) wynika, że

(5)

Po podstawieniu równania (4) do równania (5) otrzymujemy

Zatem sprawność idealnej pompy ciepła, działającej w sposób odwracalny, wynosi:

(6)