Jakie są zasady działania pomp ciepła?

Pompy ciepła to energooszczędny sposób na przemieszczanie ciepła. Są one stosowane w domach, firmach i zakładach produkcyjnych. Wykorzystują naturalne zasady chłodzenia i wymiany ciepła do przemieszczania ciepła w budynku lub innym obszarze.

Chłodnictwo i pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które przekazuje ciepło z jednego miejsca do drugiego. Pompy ciepła służą do przekazywania ciepła z powietrza zewnętrznego do budynku lub z powierzchni ziemi do budynku. Mogą być również wykorzystywane do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń, wytwarzania ciepłej wody użytkowej oraz zaopatrzenia w nią.

Zasady działania pomp ciepła obejmują:

• Zasada rozszerzalności adiabatycznej – gdy powietrze o wyższej temperaturze jest sprężane, gwałtownie się rozszerza (adiabatycznie). W wyniku tego wzrasta ciśnienie w sprężonym systemie, które napędza dalsze sprężanie, aż cała dostępna objętość zostanie wykorzystana przez ekspansję;
• Zasada uwalniania ciepła utajonego – w miarę wzrostu ciśnienia podczas procesu sprężania uwalniane jest ciepło utajone powodujące dalszy wzrost temperatury;
• Cykl Carnota – oparty na twierdzeniu Clausiusa, że jeśli energię można zamienić na pracę bez zmiany entropii, to musi istnieć jakakolwiek liczba pomiędzy 0 a 1, przy której nie można wykonać żadnej użytecznej pracy;

Wymiana ciepła

Wymiana ciepła to przemieszczanie ciepła z jednego miejsca do drugiego. Na przykład, krew z serca do rąk i nóg może być przepompowywana przez żyły i tętnice. Pompy ciepła przenoszą ciepło z zimnego pomieszczenia (lub z zewnątrz) do innego ciepłego miejsca, takiego jak ogrzewany dom lub budynek biurowy.

Pompy ciepła są stosowane w domach, biurach, budynkach komercyjnych i obiektach przemysłowych, gdzie oszczędzają energię, zużywając mniej prądu niż konwencjonalne systemy z wymuszonym obiegiem powietrza.

Cykl Carnota

Cykl Carnota to teoretyczny model działania pomp ciepła. Został on po raz pierwszy opracowany przez Sadiego Carnota w 1824 roku i od tego czasu jest wykorzystywany do obliczania wydajności systemów chłodniczych.

Cykl Carnota działa poprzez przekształcanie ciepła w pracę i tworzenie więcej energii niż się w niego wkłada (o ile ma się wystarczającą moc). Oznacza to, że jeśli system ma być w 100% wydajny – czyli bez strat ciepła i energii elektrycznej – musi być w stanie wykonać oba procesy w ich idealnym punkcie: przekształcić ciepło w pracę mechaniczną (silnik cieplny) i wygenerować z tego energię elektryczną (oszczędne chłodzenie).

Efektywność pompy ciepła

Sprawność pompy ciepła to stosunek wykonanej pracy do ciepła usuniętego ze źródła. Nazywana jest również wydajnością Carnota, od nazwiska Sadiego Carnota, który opisał ją jako jedno z podstawowych praw termodynamiki.

W konwencjonalnej pompie ciepła woda wrze w temperaturze 100 stopni Celsjusza, a następnie rozszerza się (rozrzedza) po podgrzaniu. Różnica temperatur pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem może być wykorzystana do uzyskania użytecznej pracy z tego procesu rozszerzania – na przykład do napędzania silnika elektrycznego podłączonego do wentylatora, który przepycha powietrze przez rury w domu.

Przegrzanie i przechłodzenie

Pompy ciepła to urządzenie, które przekazuje energię cieplną. Dwie najbardziej powszechne metody przekazywania ciepła to przewodzenie i konwekcja, z których obie mogą być wykorzystywane w systemie HVAC. Przewodzenie zachodzi, gdy cząsteczki przemieszczają się z jednego obszaru do drugiego, zderzając się ze sobą i przekazując swoją energię kinetyczną (zdolność do wykonywania pracy). Konwekcja ma miejsce, gdy masa przemieszcza się z jednego obszaru do drugiego, np. powietrze porusza się po szkle lub woda po skórze.

W przypadku systemu HVAC z pompą ciepła, wykorzystuje on przechłodzenie, jak również wymuszony obieg (lub indukowany ciąg). Oznacza to, że dmuchawa wdmuchuje powietrze do wnętrza domu z prędkością niższą niż ta, która jest normalnie potrzebna do wentylacji; obniża to temperaturę w pobliżu miejsca, w którym działa ten wymuszony ciąg, ponieważ potrzeba więcej czasu, aby gorące powietrze poza ścianami domu/materiałem fundamentowym (zwykle stal)

Pompy ciepła przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego.

Pompy ciepła służą do przenoszenia ciepła z jednego miejsca do drugiego. Mogą być używane do przenoszenia ciepła z ciepłego obszaru (wewnątrz) do zimnego obszaru (na zewnątrz) lub odwrotnie. Działają one również poprzez przenoszenie energii z jednego systemu (np. powietrza) do innego, np. do wody lub pomp ciepła wykorzystujących źródła gruntowe, które pompują naturalne właściwości chłodzące ziemi poprzez rury do domu.

Pompy ciepła są w stanie to zrobić, ponieważ wykorzystują czynniki chłodnicze – cząsteczki chemicznie podobne, ale nieco inne niż te w konwencjonalnych lodówkach – do odprowadzania niechcianego ciepła, a nie wykorzystują prądu elektrycznego, jak tradycyjne lodówki, więc nie wymagają baterii ani żadnego innego zewnętrznego źródła zasilania!

Podsumowanie

A więc mamy to: zasady działania pomp ciepła. Jak już widzieliśmy, urządzenia te mogą być bardzo wydajne i skuteczne w przenoszeniu energii z jednego miejsca do drugiego. Robią to poprzez przechwytywanie ciepła oddawanego przez ciepły obiekt lub przedmiot i przekazywanie go do obszaru, w którym jest mniej ciepła (np. w pokoju), tak aby zachować komfort podczas zimnej pogody.