Pompa ciepła “powietrze-powietrze”: zasada działania, urządzenie, dobór i obliczenia

Czy chciałby Pan obudować w domu ogrzewanie konwektorowe, w którym do ogrzewania czynnika grzewczego wykorzystuje się pompę ciepła „powietrze-powietrze”, zapewniającą znaczną oszczędność kosztów ogrzewania? Przyzna Pan, że uzyskanie pełnowartościowego ogrzewania wraz z ciepłą wodą praktycznie za darmo — to bardzo kuszące przedsięwzięcie.

Ale nie wie Pan, jak skonstruować taki system, aby alternatywnym sposobem ogrzewać pomieszczenia i uzyskiwać ciepłą wodę do potrzeb domowych?

Pomożemy Panu uporać się z tym pytaniem — w artykule omówiono zasadę działania i budowę pompy. Energię w takim systemie trzeba będzie zużywać tylko do pracy sprężarki, a główna ilość ciepła będzie pobierana po prostu z zewnątrz z atmosfery, za co u nas jeszcze nie pobiera się pieniędzy.

Omówiono również zalety jego wdrożenia do systemu oraz istotne wady. Szczególną uwagę poświęcono doborowi i obliczeniom pompy.

A miłośnikom robienia wszystkiego własnoręcznie proponujemy skonstruowanie takiej pompy samodzielnie, przy użyciu materiałów podręcznych. W pomoc podajemy materiały fotograficzne i wideo dotyczące budowy i funkcjonowania powietrznej pompy ciepła.

Charakterystyka pompy ciepła powietrze-powietrze

Każda pompa ciepła należy do urządzeń z dziedziny energetyki alternatywnej. Pobiera ona energię cieplną mas powietrza na zewnątrz, z otaczającej przestrzeni w pomieszczeniu, aby ogrzać nią obiekty mieszkalne i niemieszkalne.

Przy tym nie są wykorzystywane żadne spalane rodzaje paliwa.

Zewnętrznie pompa ciepła (PC) powietrze-powietrze jest podobna do klimatyzatora inwerterowego, systemu split składającego się z jednostki zewnętrznej i wewnętrznej.

Ale pod względem zasady działania bardziej przypomina lodówkę, tylko działa „odwrotnie”. Jednak w przeciwieństwie do nich obu, ta pompa ciepła jest zdolna zarówno do chłodzenia, jak i ogrzewania mas powietrza w domu.

Pompa ciepła pobiera niskotemperaturową energię cieplną z atmosfery na zewnątrz i ogrzewa nią powietrze w pomieszczeniu do komfortowych temperatur.

Zasada działania i budowa wewnętrzna

W zasadzie działania pompy ciepła powietrze-powietrze leży proste zjawisko fizyczne termodynamiki – ciecz podczas parowania chłodzi powierzchnię, z której paruje. Na przykład para nad kubkiem z gorącą herbatą demonstruje ten sam efekt.

Na tej samej zasadzie działa zwykła lodówka. Wewnątrz niej znajdują się rurki, przez które krąży czynnik chłodniczy pod wysokim ciśnieniem. Pobiera on ciepło z wnętrza zamrażalnika, lekko się przy tym nagrzewając.

Następnie zebrane ciepło oddawane jest do powietrza w pomieszczeniu za pomocą wymiennika ciepła (kratka z tyłu lodówki).

Zimą pompa ciepła powietrze-powietrze ogrzewa powietrze w pomieszczeniu, a latem może je chłodzić

Aby czynnik chłodniczy ochłodził się do temperatur roboczych, jest sprężany w kompresorze. Przy czym podczas cyklu pracy freon wewnątrz systemu kompresor-kondensator-parownik stale przechodzi ze stanu gazowego w ciekły i z powrotem.

Powietrzna pompa ciepła działa całkowicie analogicznie. Tylko ciepło pobiera z zewnątrz, a nie z zamkniętej zamrażarki. Nawet jeśli na zewnątrz panuje mróz, w atmosferze wciąż jest sporo energii cieplnej.

Do wytwarzania ciepła pompa ciepła potrzebuje tylko energii zużywanej na pracę kompresora. Na schemacie szczegółowo przedstawiono proces przenoszenia ciepła

Pompa ciepła powietrze-powietrze składa się z następujących elementów:

• kompresora;
• parownika z wentylatorem wymuszonego nawiewu;
• zaworu rozprężnego;
• miedzianych rurek do przepompowywania freonu między zewnątrz a domem;
• kondensatora z wentylatorem podawania ogrzanego powietrza do pomieszczenia.

Pierwsze trzy elementy stanowią jednostkę zewnętrzną, a ostatni należy do wewnętrznej części pompy ciepła. Izolowane cieplnie rurki miedziane służą do ciągłego przemieszczania czynnika chłodniczego między tymi modułami układu split.

Przepływ freonu w pompie ciepła odbywa się w obiegu zamkniętym, w wyniku czego stale się spręża i rozpręża

Algorytm działania pompy ciepła powietrze-powietrze wygląda następująco:

1. Powietrze zewnętrzne jest wciągane przez wentylator do jednostki zewnętrznej i przepuszczane przez żebra zewnętrznego parownika. Krążący po wymienniku ciepła freon pochłania zawartą w nim energię cieplną, przechodząc przy tym w stan gazowy.
2. Następnie gaz trafia do kondensatora, gdzie jest sprężany. Potem jest przepompowywany miedzianymi rurkami do jednostki wewnętrznej.
3. W umieszczonym w domu kondensatorze gaz przechodzi z powrotem w ciecz, przekazując ciepło powietrzu wewnątrz pomieszczenia.
4. Następnie nadmierne ciśnienie jest upuszczane przez zawór rozprężny, a ciekły freon ponownie trafia do parownika pierwotnego.

Wartość temperatury freonu wchodzącego do jednostki zewnętrznej jest zawsze niższa od temperatury otoczenia. Dlatego zawsze pobiera ciepło z atmosfery.

Ale poziom „chłodzenia” czynnika grzewczego w systemie jest stały, a temperatura zewnętrzna stale się waha. Z tego powodu podczas silnych mrozów pompa ciepła traci swoją skuteczność.

Cykl przepływu czynnika grzewczego pompy ciepła powietrze-powietrze: 1. jest sprężany przez sprężarkę, 2. skrapla się w wymienniku ciepła, oddając przy tym ciepło, 3. w postaci cieczy trafia do zewnętrznego wymiennika ciepła, 4. tam odparowuje, wychwytując podczas parowania energię cieplną z otoczenia, 5. ponownie wraca do skraplacza.

Aby zwiększyć moc pompy ciepła, powierzchnie skraplacza i parownika są wykonywane maksymalnie duże. A dla nieprzerwanej pracy w okresie zimowym zewnętrzny wymiennik ciepła jest wyposażony we własny system rozmrażania.

Plusy i minusy powietrznej pompy ciepła

Każdy technicznie złożony system ma swoje zalety i wady. Broszury reklamowe to jedno, ale w rzeczywistości właściciele pomp ciepła ryzykują napotkanie pewnych problemów.

Instalacje ogrzewania/chłodzenia typu „powietrze-powietrze” są korzystne z wielu powodów.

Do głównych zalet należą:

• Wszechstronność. Systemy pozwalają ogrzewać i chłodzić pomieszczenia w zależności od przeznaczenia pomieszczenia, potrzeb oraz pory roku.
• Ekologiczność. Umożliwiają całkowitą rezygnację ze spalania gazu ziemnego, węgla, drewna itp., które zanieczyszczają środowisko produktami spalania.
• Prostota montażu. Złożenie systemu z elementów produkcji fabrycznej nie stanowi problemu. Można samodzielnie zbudować pompę ciepła z dostępnych materiałów.
• Bezpieczeństwo pożarowe. Proces pozyskiwania ciepła nie wiąże się z użyciem paliwa. Nawet usterki w działaniu instalacji nie mogą spowodować pożarów.
• Ekonomiczność. Przyciągają wysokim współczynnikiem przenikania ciepła przy minimalnych kosztach (na 1 kW zużytej energii elektrycznej oddają 4–5 kW ciepła). Ponadto szybko się zwracają.
• Dostępność cenowa. Koszt systemów fabrycznych pozwala na zakup pompy ciepła praktycznie każdemu zainteresowanemu. Instalacja wykonana własnoręcznie będzie praktycznie darmowa.
• Wygoda użytkowania. Najbardziej technicznie skomplikowanym urządzeniem w systemie – jest sprężarka, której obsługa nie sprawia trudności. Przy typowym obciążeniu dla pomp ciepła sprężarki rzadko ulegają awarii przed terminem obiecanym przez producenta.

Do ogrzewania jednego pomieszczenia wystarczy zamontować system split, umieszczając na elewacji moduł zewnętrzny, a na ścianie wewnętrznej – konwektor. Aby ogrzać kilka pomieszczeń, trzeba będzie zaaranżować kanały dystrybucji ogrzanego powietrza.

Na każdy kilowat zużytej energii elektrycznej pompa ciepła oddaje do pięciu kilowatów energii cieplnej

Całe sterowanie pompą ciepła powietrze-powietrze realizowane jest przez wbudowaną automatykę. Nie trzeba będzie poświęcać szczególnej uwagi pracy i konfiguracji tego systemu. Będzie trzeba tylko regularnie czyścić filtry powietrza i od czasu do czasu je wymieniać.

Wśród negatywnych stron pomp ciepła można wymienić:

• choć niewielkie, to jednak tło hałasu;
• bezpośrednią zależność wydajności systemu od temperatury zewnętrznej;
• wzrost zużycia energii elektrycznej przy ochłodzeniu na zewnątrz;
• unoszący się w powietrzu kurz spowodowany ciągłą pracą wentylatora i konwekcją powietrza w pomieszczeniu;
• zależność od zasilania elektrycznego (do nieprzerwanej pracy potrzebny będzie generator).

Przy temperaturach zewnętrznych do -10°C wszystko działa doskonale, pobierane z zewnątrz ciepło wystarcza do stworzenia komfortowych warunków w domu. Jednak przy dalszym ochłodzeniu wydajność pompy gwałtownie spada.

Jeśli dom został zbudowany w regionie o zimnym klimacie i silnych mrozach zimą, to nie da się obejść bez dodatkowego kotła lub kominka.

W ciepłym klimacie powietrzna pompa ciepła bez problemu radzi sobie z powierzonymi zadaniami ogrzewania domu jednorodzinnego, ale przy silnych mrozach dodatkowe źródło ciepła nie zaszkodzi.

Do aranżacji ogrzewania powietrznego takie systemy nadają się idealnie. Minimum wydatków na energię elektryczną, wysiłku przy montażu i problemów z konserwacją. Ale nie można nimi podgrzać wody. W tym celu trzeba będzie dodatkowo zainstalować bojler lub podłączyć się do sieci centralnego ogrzewania.

Powietrzne pompy ciepła (powietrze-powietrze) są optymalnym sposobem ogrzewania budynków zbudowanych z drewna lub SIP. Takie budynki mają niskie straty ciepła, a moc powietrznej pompy ciepła jest aż nadto wystarczająca do ich ogrzania.

W okresie letnim pompę ciepła powietrze-powietrze można wykorzystać do podgrzewania wody w basenie

Zasadnicze różnice względem klimatyzatora

Zewnętrznie pompa ciepła powietrze-powietrze przypomina klimatyzator domowy. Ma jednak swoje charakterystyczne cechy konstrukcyjne i parametry techniczne.

Pierwsze urządzenie jest używane jako główne źródło ogrzewania, pracujące przez cały rok. Drugie natomiast jest przeznaczone głównie do chłodzenia powietrza w letnie upały.

Główną funkcją pompy ciepła jest ogrzewanie. Jednak wiele modeli potrafi również chłodzić powietrze w pomieszczeniach. W tym trybie pracy są one jednak znacznie gorsze od klimatyzatora pod względem efektywności energetycznej. Jest to raczej ostateczność ich użycia.

Pod względem wyglądu zewnętrznego klimatyzator i powietrzna pompa ciepła są podobne, ale mają zupełnie różne przeznaczenie i charakterystyki eksploatacyjne.

Z drugiej strony wiele klimatyzatorów inwerterowych może również ogrzewać powietrze w pomieszczeniach. Zużywają przy tym jednak znacznie więcej energii elektrycznej niż pompy ciepła. Każde urządzenie ma swoje przeznaczenie.

Korzystanie z PC „powietrze-powietrze” to przede wszystkim przejście na odnawialne źródła energii.

Systemy te są ekonomicznie opłacalne, pomimo dużych początkowych nakładów finansowych. Zmniejszenie opłat za ogrzewanie zwraca wszystkie początkowe koszty.

Dobór i obliczenia pompy ciepła

Pompa ciepła powietrze-powietrze będzie efektywna tylko wtedy, gdy zostanie odpowiednio dobrana. Należy wcześniej obliczyć jej moc w zależności od powierzchni domu. A dopiero potem sprawdzić ceny różnych producentów.

W obliczeniach wykorzystuje się współczynnik efektywności energetycznej COP (stosunek mocy PC do zużytej energii).

W „warunkach cieplarnianych” często osiąga 4–5 punktów, a najnowsze modele nawet 7–8. Jednak gdy temperatura na zewnątrz spada do -15–20°C, wskaźnik ten gwałtownie spada jedynie do dwóch.

Optymalną produktywność grzewczą pompa ciepła osiąga przy temperaturach zewnętrznych -10…+10 stopni Celsjusza, wtedy do ¾ energii cieplnej pobiera z zewnątrz.

Przy obliczaniu ogrzewania powietrznego należy uwzględnić:

• izolację cieplną i nasłonecznienie pomieszczeń;
• powierzchnię pomieszczeń;
• liczbę mieszkańców w domku jednorodzinnym;
• ogólne warunki klimatyczne terenu, na którym stoi dom.

Dla większości domów na każde dziesięć metrów kwadratowych potrzeba około 0,7 kW mocy pompy ciepła. Ale wszystko jest tutaj dość umowne. Jeśli sufity są wyższe niż 2,7 m lub ściany i okna są słabo izolowane, to ciepła będzie potrzebne więcej.

Producentów pomp ciepła powietrze-powietrze jest niemało zarówno w Azji, jak i w Europie.

Dobre opinie mają systemy od Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic i Toshiba. Praktycznie wszystkie ich modele są dostosowane do lokalnych warunków eksploatacji i całkiem dobrze się sprawdziły.

Nawet przy wahaniach napięcia nie ulegają uszkodzeniu i po włączeniu zasilania nadal działają prawidłowo.

Cena na popularne powietrzne pompy ciepła waha się w zakresie od 3600 do 18 000 zł. Tutaj wiele zależy nie tylko od mocy urządzenia, ale także od dodatkowego wyposażenia i kraju produkcji.

Poszczególne modele uzupełniają:

• filtrami oczyszczania i dezynfekcji powietrza;
• rezerwowymi nagrzewnicami;
• generatorami prądu;
• modułami GSM do sterowania systemem;
• jonizatorami i ozonatorami.

Praktyka pokazuje, że przy mrozach poniżej -15 °C w pomieszczeniach ogrzewanych tylko powietrzną pompą ciepła robi się chłodno. A bez dodatkowego ogrzewania o komforcie w pomieszczeniach nie ma mowy.

Jednak w regionach południowych, gdzie takie przymrozki są rzadkie, pompa ciepła jest w pełni skuteczna i zwraca wydane pieniądze z nawiązką dzięki oszczędności energii.

Samodzielnie wykonana ze starej lodówki

Z pojedynczych sprężarek i skraplaczy samodzielnie złożyć pompę ciepła powietrze-powietrze bez specjalistycznej wiedzy inżynieryjnej jest dość trudno. Ale dla małego pokoju lub szklarni można wykorzystać starą lodówkę.

Najprostszą powietrzną pompę ciepła można zrobić z lodówki, przeciągając do niej kanał powietrzny z zewnątrz i zawieszając wentylator na tylnej kratce wymiennika ciepła.

W tym celu w przednich drzwiach lodówki należy wywiercić dwa otwory. Przez pierwszy do zamrażarki będzie napływać powietrze z zewnątrz, a przez drugi dolny – wyprowadzane z powrotem na zewnątrz.

Przy tym podczas przejścia przez komorę wewnętrzną będzie oddawać część swojego ciepła freonowi.

Można również po prostu wbudować chłodziarkę w ścianę otwartymi drzwiami na zewnątrz, a wymiennikiem ciepła z tyłu – do pomieszczenia. Należy jednak pamiętać, że moc takiego grzejnika będzie niewielka, a energii elektrycznej zużywa sporo.

Powietrze w pomieszczeniu ogrzewa się od wymiennika ciepła z tyłu lodówki. Jednak taka pompa ciepła jest w stanie pracować tylko przy temperaturach zewnętrznych nie niższych niż plus pięć stopni Celsjusza.

To urządzenie gospodarstwa domowego jest przeznaczone do użytku wyłącznie w pomieszczeniach.

W dużym domu system ogrzewania powietrznego będzie wymagał uzupełnienia o kanały wentylacyjne, równomiernie rozprowadzające ciepłe powietrze po wszystkich pomieszczeniach.

Montaż pompy ciepła powietrze-powietrze jest niezwykle prosty. Należy zainstalować jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną, a następnie połączyć je ze sobą obiegiem z czynnikiem chłodniczym.

Pierwszą część systemu instaluje się na zewnątrz: bezpośrednio na elewacji, dachu lub obok budynku. Drugą część w domu można umieścić na suficie lub ścianie.

Zaleca się zamontować jednostkę zewnętrzną w odległości kilku metrów od wejścia do domu i z dala od okien, nie zapominając o hałasie generowanym przez wentylator.

Natomiast jednostkę wewnętrzną instaluje się w taki sposób, aby strumień ciepłego powietrza z niej równomiernie rozchodził się po całym pomieszczeniu.

Jeśli planuje się ogrzewać pompą ciepła powietrze-powietrze dom z kilkoma pomieszczeniami na różnych piętrach, to konieczne będzie zainstalowanie systemu kanałów wentylacyjnych z wymuszonym nawiewem.

W takim przypadku lepiej zamówić projekt u kompetentnego inżyniera, w przeciwnym razie moc pompy ciepła może nie wystarczyć na wszystkie pomieszczenia.

Licznik energii elektrycznej i urządzenie zabezpieczające muszą wytrzymać obciążenia szczytowe generowane przez pompę ciepła. Przy gwałtownym ochłodzeniu na zewnątrz kompresor zaczyna pobierać kilkakrotnie więcej prądu niż zwykle.

Najlepiej dla tego typu powietrznej nagrzewnicy poprowadzić oddzielną linię zasilania z rozdzielnicy.

Szczególną uwagę należy zwrócić na montaż rurek do freonu. Nawet najmniejsze wióry wewnątrz mogą uszkodzić sprzęt kompresorowy.

Nie obejdzie się tutaj bez umiejętności lutowania miedzi. Napełnienie czynnika chłodniczego najlepiej powierzyć profesjonaliście, aby uniknąć późniejszych problemów z wyciekami.

Instrukcja krok po kroku wykonania pompy ciepła z lodówki opisana jest w tym artykule.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Zasada działania termicznego systemu split «powietrze-powietrze»:

Powietrzna pompa ciepła w systemie ogrzewania dwupiętrowego domu:

Klimatyzator inwerterowy czy powietrzna pompa ciepła – co jest lepsze?

Pompy ciepła działające na zasadzie «powietrze-powietrze» są urządzeniami o wysokiej wydajności. Są proste w obsłudze, wygodne w eksploatacji i ekonomiczne.

W sprzedaży dostępny jest obecnie ogromny asortyment tego typu systemów, dla każdego domu można dobrać odpowiednią instalację grzewczą. Wystarczy tylko umiejętnie obliczyć jej moc, wtedy będzie skutecznie służyć przez długie lata.

A co Pan/Pani sądzi o efektywności i celowości stosowania pomp ciepła «powietrze-powietrze»? Prosimy o podzielenie się swoją opinią, pozostawienie uwag dotyczących użytkowania urządzeń oraz zadawanie pytań. Formularz do komentarzy znajduje się poniżej.