Cykl Carnota i inne cykle termodynamiczne w pompach ciepła

Podstawą działania pomp ciepła jest cykl Carnota – idealny model teoretyczny dla maszyn cieplnych. W cyklu tym ciecz przechodzi przez różne fazy (odparowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie), w trakcie których transportuje ciepło. W rzeczywistości pompy ciepła działają na podstawie bardziej złożonych cykli np. cyklu Rankine’a, który, choć mniej wydajny, niż Carnota, to wciąż pozwala na wysoką efektywność pomp ciepła.

Zasada działania pompy ciepła

Fundamentem funkcjonowania pompy ciepła jest proces termodynamiczny zakładający transport ciepła z jednego medium do drugiego. Aby zrealizować ten cel, urządzenie wykorzystuje dwa obiegi: dolny (źródło ciepła) i górny (system grzewczy lub c.w.u.). Sercem cyklu jest sprężarka odpowiadająca za efektywny transport ciepła pomiędzy tymi obiegami.

Proces termodynamiczny rozpoczyna się w obiegu dolnym, gdzie następuje pobór ciepła z otoczenia: powietrza, gruntu albo wody, w zależności od rodzaju pompy. Energia jest absorbowana przez krążący w parowniku czynnik roboczy, który pod wpływem temperatury zaczyna parować.

Para wędruje do obiegu górnego: sprężarki (pompy ciepła), która zwiększa jej ciśnienie i temperaturę (sprężanie). Podgrzana para trafia do skraplacza, a potem oddaje swoje ciepło do systemu grzewczego (kondensacja).

Następnie ciekły czynnik chłodniczy przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie gwałtownie spadają jego ciśnienie i temperatura (rozprężanie). W ostatnim etapie schłodzony czynnik wraca do parownika, a cykl rozpoczyna się od nowa.

Podział cykli pracy pompy ciepła

Pompy ciepła mogą pracować w trzech cyklach: grzewczym, chłodniczym oraz w cyklach przejściowych.

W cyklu grzewczym urządzenie pobiera energię z otoczenia (dolnego źródła), przekształca ją w użyteczne ciepło i dostarcza do systemu grzewczego budynku. W cyklu chłodniczym działa odwrotnie, niczym lodówka, transportując ciepło z wnętrza budynku na zewnątrz, co pozwala na chłodzenie pomieszczeń. W cyklach przejściowych (zwykle wiosną i jesienią) pompa dynamicznie adaptuje się do zmiennych warunków atmosferycznych w zależności od ustawień systemu sterującego.

COP, SCOP i SPF – na czym polega ich rola w technice pomp ciepła?

Pompy ciepła to urządzenia o wysokiej efektywności energetycznej, ponieważ ich sprawność szacuje się średnio na poziomie 300-400%. Tę efektywność mierzy się za pomocą kilku podstawowych wskaźników. Trzy najważniejsze to COP, SCOP oraz SPF.

• COP (Coefficient of Performance)

COP to stosunek ilości dostarczonego ciepła do ilości zużytej energii elektrycznej w danym momencie pracy pompy ciepła. Jest to wskaźnik teoretyczny, który wyznacza się w warunkach laboratoryjnych przy stałych parametrach pracy pompy, najczęściej przy temperaturze zewnętrznej +7°C (stąd nie zawsze warto się nim kierować). COP oblicza się według wzoru:

COP = Q / E

gdzie:

• Q – ilość dostarczonego ciepła (kWh),
• E – ilość zużytej energii elektrycznej (kWh).

Przykładowo pompa ciepła o COP = 4 na każdą zużytą 1 kWh energii elektrycznej dostarcza 4 kWh energii cieplnej (sprawność 400%). Warto jednak pamiętać, że COP mierzy się dla określonych warunków, które mogą się zmieniać w rzeczywistej instalacji.

• SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)

SCOP to wskaźnik efektywności sezonowej, który mierzy całkowitą wydajność pompy ciepła w ciągu całego sezonu grzewczego. Uwzględnia zmienne warunki pracy, w tym temperatury zewnętrzne i jest bardziej miarodajnym wskaźnikiem niż COP, który mierzy tylko chwilową wydajność. Ogólny wzór na SCOP to:

SCOP = całkowita ilość dostarczonego ciepła w sezonie (kWh) / całkowita ilość zużytej energii elektrycznej w sezonie (kWh)

SCOP jest wskaźnikiem bardziej rzetelnym, jeśli chcemy ocenić pracę i efektywność pompy w realnych warunkach, w danym klimacie i w kontekście całego sezonu grzewczego. Natomiast jeśli chcemy dodatkowo chłodzić budynek, to warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden parametr.

• SPF (Seasonal Performance Factor)

SPF to wskaźnik efektywności pompy ciepła mierzony na rzeczywistej instalacji w trakcie normalnej pracy. SPF obejmuje wszystkie straty energii, jakie mogą wystąpić w rzeczywistym systemie, w tym straty na wymiennikach, przewodach czy stratach ciepła do otoczenia. SPF oblicza się według wzoru:

SPF =​ Całkowita ilość dostarczonego ciepła (kWh) / całkowita ilość zużytej energii elektrycznej na całym systemie (kWh)

SPF jest najbliższy rzeczywistości i pokazuje efektywność całego systemu w praktyce. To parametr, którym warto się kierować, chcąc ocenić rzeczywiste koszty i oszczędności wynikające z użytkowania pompy ciepła przez cały rok.

Jak zminimalizować straty energii w pompie ciepła?

Wysoka efektywność pomp ciepła zależy w dużej mierze od wstępnych analiz budynku, w jakim będą zainstalowane. Optymalny dobór i brak niedoszacowania lub przewymiarowania parametrów urządzenia warunkuje, że będzie ono pracować nie tylko ekonomicznie, ale i że poradzi sobie z ogrzaniem budynku również w trudnych warunkach, np. w okresie dużych mrozów. W rzeczywistych instalacjach pompy ciepła narażone są na straty energii wynikające z oporów przepływu, strat ciepła na wymiennikach oraz strat w rurach transportowych.

Jak je zminimalizować? Nowoczesne technologie, takie jak zmiennobiegowe sprężarki czy precyzyjne zawory rozprężne, pozwalają na minimalizowanie tych strat. Przykładowo sprężarki inwerterowe operują prędkością swojej pracy w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło, co pozwala zredukować zużycie energii w sytuacji korzystnych warunków zewnętrznych. Nowoczesne pompy ciepła wykorzystują także zoptymalizowane przepływy, czyli zaawansowane systemy sterowania, które precyzyjnie zarządzają przepływem czynnika roboczego, minimalizując straty ciśnienia i optymalizując proces wymiany energii cieplnej.

Ponadto sposobami na optymalizację pracy pompy ciepła, a więc jej efektywniejsze wykorzystanie, są m.in. umiejętne zarządzanie histerezą, dostosowanie tzw. krzywej grzewczej oraz regularne monitorowanie i serwisowanie urządzenia. Decyzję o doborze i zakupie systemu grzewczego warto gruntownie przemyśleć i przede wszystkim skonsultować ze specjalistami. Pomogą oni nie tylko dobrać urządzenie do indywidualnych potrzeb domu oraz jego użytkowników, ale też doradzą, jak skutecznie wykorzystać technologię czy uzyskać dofinansowanie zakupu i montażu pompy, które pokryje sporą część kosztów początkowych, przyspieszając zwrot z inwestycji.