Wprowadzenie: Gwiazda technologii grzewczej

Pompy ciepła zyskują na popularności w mediach w ostatnich latach i są szczególnie interesujące dla właścicieli domów. Nowoczesne pompy ciepła mają być efektywne, ciche i przede wszystkim zrównoważone.

Imponujące liczby

• Ponad 70% wszystkich nowych projektów budowlanych w Polsce (2023) przewiduje pompę ciepła jako główne źródło ogrzewania
• Światowy obrót ma osiągnąć w 2024 roku 70 miliardów dolarów
• Zasada działania została odkryta już w XVII wieku
• Pierwsze ogrzewanie podłogowe z pompą ciepła zainstalowano w 1968 roku

Dlaczego ten boom?

Czynniki napędzające rozwój pomp ciepła to:

• Wysokie ceny energii z paliw kopalnych
• Rosnąca świadomość ekologiczna
• Postęp technologiczny
• Połączenie z energią słoneczną umożliwia ogrzewanie neutralne pod względem CO2

Pompa ciepła i lodówka: Bliscy krewni

Pompy ciepła i lodówki są w rzeczywistości bliskimi krewnymi – prawie jak bracia. Dlaczego te urządzenia są tak podobne, mimo że zostały opracowane do zupełnie przeciwnych zadań?

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że oba urządzenia spełniają przeciwstawne zadania – ale spojrzenie pod maskę ujawnia zaskakujące podobieństwa:

Urządzenie	Pobiera ciepło z	Oddaje ciepło do
Lodówka	Wnętrze	Otoczenie (tył)
Pompa ciepła	Otoczenie	Wnętrze (ogrzewanie)

Zasada działania jest identyczna – tylko cel jest odwrotny!

Podstawy fizyczne

Aby zrozumieć pompy ciepła, musimy najpierw wyjaśnić dwa pojęcia:

1. Stany skupienia
2. Przenoszenie ciepła

Fizyka stanów skupienia

Stały, ciekły i gazowy – te trzy stany skupienia są wszechobecne. Ale czym dokładnie jest stan skupienia?

Definicja: Aktualny status lub forma występowania materii, określona przez ruch cząsteczek.

Fundamentalne prawo natury: Przy wzroście temperatury cząsteczki poruszają się szybciej i intensywniej.

Właściwości trzech stanów skupienia różnią się zasadniczo:

Stan skupienia	Ruch cząsteczek	Struktura
Stały	Drgają w miejscu	Uporządkowana struktura
Ciekły	Poruszają się, pozostają związane	Częściowo uporządkowane
Gazowy	Poruszają się swobodnie	Brak struktury

Ważne: Przejście z jednego stanu w drugi wymaga przyjęcia lub oddania energii. To właśnie wykorzystuje pompa ciepła!

Dwa główne prawa termodynamiki

Nauka o cieple – termodynamika – ma dwa fundamentalne prawa:

1. Prawo: Zachowanie energii

Energia nie może być stworzona z niczego ani zniszczona. Może być tylko przekształcana.

Przykłady:

• Energia elektryczna → Ciepło (ogrzewanie elektryczne)
• Energia chemiczna → Ciepło (ogień)

2. Prawo: Kierunek przepływu ciepła

Ciepło zawsze przemieszcza się z ciepłego do zimnego.

Natura zawsze dąży do osiągnięcia równowagi energetycznej.

Przykład kominka: Ciepło opuszcza gorący kominek i ogrzewa zimny pokój – nigdy odwrotnie.

Trzy rodzaje przenoszenia ciepła

Ciepło może być przenoszone na różne sposoby z jednego miejsca do drugiego:

Rodzaj	Opis	Przykład
Przewodzenie (przewodnictwo cieplne)	Bezpośredni kontakt dwóch materiałów	Ręka na grzejniku
Konwekcja (prąd cieplny)	Transport ciepła przez poruszające się gazy/ciecze	Ciepłe powietrze unosi się
Promieniowanie	Fale elektromagnetyczne	Ciepło słoneczne

Przewodzenie (przewodnictwo cieplne)

Szybkie cząsteczki cieplejszego materiału popychają wolniejsze cząsteczki chłodniejszego materiału. W ten sposób ciepło przenosi się przez bezpośredni kontakt.

Konwekcja (prąd cieplny)

Ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość i unosi się. Zabiera ciepło i transportuje je w inne miejsce.

Cykl:

1. Powietrze jest ogrzewane → Gęstość maleje → Unosi się
2. Na górze powietrze się ochładza → Gęstość rośnie → Opada
3. Na dole jest ponownie ogrzewane → Cykl się zamyka

Promieniowanie cieplne

Fale elektromagnetyczne w zakresie podczerwieni. Nie potrzebuje medium przenoszącego – dlatego ciepło słoneczne dociera do nas przez próżnię kosmiczną.

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła "pompuje" ciepło z jednego miejsca do drugiego – dokładnie tak, jak pompa wodna transportuje wodę.

Podstawowa idea

Pompa ciepła:

• Pobiera ciepło z otoczenia (nawet z zimnego powietrza!)
• Kompresuje to ciepło do wyższego poziomu temperatury
• Oddaje ciepło do systemu grzewczego

Ale jak uzyskać ciepło z zimnego powietrza?

Sekret tkwi w czynniku chłodniczym – specjalnej cieczy, która paruje już przy bardzo niskich temperaturach, pochłaniając przy tym ciepło.

Obieg w czterech fazach

Faza 1: Parowanie (pobieranie ciepła)

1. Ciekły czynnik chłodniczy przepływa przez parownik (wymiennik ciepła)
2. Powietrze z otoczenia jest zasysane przez wentylator
3. Nawet zimne powietrze zawiera energię cieplną
4. Czynnik chłodniczy pochłania to ciepło i paruje (staje się gazem)

Faza 2: Kompresja (zwiększenie temperatury)

1. Gazowy czynnik chłodniczy trafia do sprężarki
2. Sprężarka mechanicznie kompresuje gaz
3. W wyniku kompresji rośnie ciśnienie i tym samym temperatura
4. Czynnik chłodniczy ma teraz użyteczną, wysoką temperaturę

Faza 3: Skraplanie (oddawanie ciepła)

1. Gorący, skompresowany gaz przepływa do skraplacza (drugi wymiennik ciepła)
2. Ciepło jest przekazywane do wody grzewczej
3. Czynnik chłodniczy kondensuje (staje się znowu cieczą)
4. Ogrzana woda płynie do ogrzewania podłogowego lub grzejników

Faza 4: Rozprężanie (redukcja ciśnienia)

1. Ciekły czynnik chłodniczy ma jeszcze podwyższone ciśnienie
2. Zawór rozprężny obniża ciśnienie
3. Ciśnienie spada → Temperatura spada
4. Czynnik chłodniczy jest znowu w stanie początkowym

Następnie cykl zaczyna się od nowa!

Podsumowanie faz

Cztery fazy obiegu pompy ciepła można podsumować w sposób przejrzysty:

Faza	Komponent	Proces	Stan skupienia
1	Parownik	Pobieranie ciepła	Ciekły → Gazowy
2	Sprężarka	Zwiększenie ciśnienia	Gazowy (gorący)
3	Skraplacz	Oddawanie ciepła	Gazowy → Ciekły
4	Zawór rozprężny	Redukcja ciśnienia	Ciekły (zimny)

Brak sprzeczności z fizyką!

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że pompa ciepła narusza drugie prawo termodynamiki: Ciepło przepływa z zimnego (powietrze zewnętrzne) do ciepłego (ogrzewanie).

Rozwiązanie: Wykorzystuje się energię (prąd elektryczny dla sprężarki), aby odwrócić naturalny przepływ ciepła. System jako całość przestrzega praw natury!

Sztuczka

1. Czynnik chłodniczy jest zimniejszy niż powietrze zewnętrzne → Ciepło przepływa do środka (zgodnie z fizyką)
2. Poprzez kompresję czynnik chłodniczy staje się cieplejszy niż woda grzewcza → Ciepło przepływa na zewnątrz (zgodnie z fizyką)

Pompa ciepła nie tworzy energii z niczego – tylko bardzo sprytnie ją transportuje i przekształca!

Zalety i wady pomp ciepła

Zalety

Pompy ciepła oferują wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi systemami grzewczymi:

Zaleta	Wyjaśnienie
Wysoka efektywność	Z 1 kWh prądu uzyskuje się 3–5 kWh ciepła
Przyjazne dla środowiska	Brak bezpośrednich emisji CO2
Niskie koszty eksploatacji	Tańsze niż olej czy gaz
Długa żywotność	15–25 lat
Niskie wymagania konserwacyjne	Brak spalania = małe zużycie
Brak magazynowania paliwa	Brak zbiornika na olej, brak przyłącza gazowego
Dotacje	Dostępne dotacje państwowe

Wady

Pomimo wielu pozytywnych cech, istnieją również aspekty, które należy rozważyć:

Wada	Wyjaśnienie
Wysokie koszty zakupu	10.000–25.000 € w zależności od typu
Zależność od prądu	Wymaga energii elektrycznej
Spadek efektywności przy zimnie	Mniej efektywne przy bardzo niskich temperaturach
Hałas	Jednostka zewnętrzna może być słyszalna
Niskie temperatury zasilania	Nie nadaje się do wszystkich systemów grzewczych
Zapotrzebowanie na miejsce	Jednostka zewnętrzna lub prace ziemne są konieczne

Podsumowanie

Jakie dokładnie elementy współpracują, dowiesz się w artykule Komponenty: Wymiennik ciepła, sprężarka i zawór rozprężny.

---

Pełna seria artykułów „Pompy ciepła"

1. Anty-lodówka: Jak działa pompa ciepła? – Jesteś tutaj
2. Komponenty: Wymiennik ciepła, sprężarka i zawór rozprężny – Elementy
3. Wskaźniki i wymiarowanie pomp ciepła – COP, JAZ i więcej
4. Tryby pracy: Monowalentne, bivalentne i hybrydowe – Tryby pracy
5. Rodzaje pomp ciepła i zespół marzeń z instalacjami solarnymi – Powietrze-woda, solanka-woda i solarne

Źródła

• GUS: Pompy ciepła w nowych budynkach 2023
• Mordor Intelligence: Rynek pomp ciepła
• Heizung.de: Historia pompy ciepła
• LEIFIphysik: Transport ciepła
• Chemie.de: Termodynamika

---

Oblicz teraz JAZ

Za pomocą naszego darmowego kalkulatora pomp ciepła obliczysz roczną liczbę pracy swojej pompy ciepła zgodnie z VDI 4650 – w tym koszty eksploatacji i bilans CO₂.

→ Do kalkulatora pomp ciepła