Działanie pompy ciepła
Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, dzięki któremu możemy transportować energię cieplną ze środowiska o niższej temperaturze (dolne źródło ciepła) do środowiska o temperaturze wyższej (górne źródło ciepła). Według II Zasady Termodynamiki ciepło nie może samorzutnie przechodzić z ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej, dlatego aby pompa ciepła działała, należy dostarczyć określoną ilość energii, czyli np. energię elektryczną do napędu sprężarki w układzie pompy ciepła.
Pompy ciepła działają w taki sam sposób jak chłodziarki, te dwa urządzenia różnią się tylko tym, co jest wykorzystywane przez użytkowników. W urządzeniu chłodniczym zależy nam na chłodzie uzyskanym w parowniku dzięki temu, że ciepło zostało z niego odprowadzone, natomiast w pompach ciepła korzystamy z ciepła generowanego w innym wymienniku ciepła, jakim jest skraplacz.
Podział pomp ciepła
Pompy ciepła można podzielić w zależności od dolnego źródła ciepła, czyli środowiska, z którego pobierana jest energia cieplna na powietrzne, gruntowe oraz wodne.
Wyróżniamy urządzenie ze względu na zastosowany napęd, dzięki któremu odbywa się cykl układu lewo bieżnego. Należą do nich:
- pompy absorpcyjne, które są napędzane energią cieplną, stosowane głównie w przemyśle,
- pompy termoelektryczne z napędem elektrycznym,
- pompy sprężarkowe z napędem mechanicznym, najpowszechniej stosowane w ogrzewnictwie do zasilania w ciepło domów mieszkalnych.
Historia pomp ciepła
Historia pomp ciepła jest nierozłącznie związana z historią chłodnictwa, której początki sięgają 1748 roku. Wtedy to pierwszy raz zademonstrowano i udokumentowano technikę sztucznego chłodzenia przez szkockiego naukowca Williama Cullena.
W tamtym okresie do chłodzenia używano lodu z lodowców, który był pobierany z pokryw lodowych. W roku 1834 Jackob Perkins buduje pierwsze sprężarkowe urządzenie chłodnicze, w którym czynnikiem roboczym jest eter etylowy. W drugiej połowie XIX wieku zaczęto zwracać uwagę na zmniejszanie się pokrywy lodowej lodowców i na szerszą skalę szukać rozwiązań w technice. W 1852 roku William Thomson (twórca skali Kelvina – lord Kelvin) zauważa, że urządzenie to może być wykorzystywane nie tylko do chłodzenia, ale też do ogrzewania i to właśnie on uważany jest za prekursora pomp ciepła. Kelvin tworzy projekt obiegu, który zawiera sprężarkę oraz dwa zbiorniki wody, górny i dolny. Parę lat później w Austrii pierwsze urządzenie do ogrzewania solanki buduje Peter von Rittinger, jednak zanim dojdzie do wykorzystywania pomp ciepła do ogrzewnictwa w mieszkalnictwie minie jeszcze wiele lat.
Dopiero kryzys gospodarczy w pierwszej połowie XX wieku zmusza do rozwoju urządzeń grzewczych. W 1912 roku opatentowany zostaje pierwszy gruntowy wymiennik ciepła, który ma służyć jako dolne źródło ciepła w pompach ciepła. W 1928 zostaje wybudowana pierwsza pompa, zasilająca w ciepło ratusz genewski, a pobierająca ciepło z wód Jeziora Genewskiego. Konstruktorem tej pompy był pionier termodynamiki, słowacki inżynier Aurel Stodola, który był już wcześniej znany ze swojej działalności dotyczącej obiegów parowych.
Warto wspomnieć, że osiem lat później, w 1936 roku, zamontowano pompę ciepła w ratuszu w Zurichu, która działała jeszcze w XXI wieku. Pierwsza połowa XX wieku w Szwajcarii była momentem przełomowym dla pomp ciepła. Dzięki nim było ogrzewanych wiele budynków miejskich oraz obiektów użyteczności publicznej. Pompy ciepła pobierały ciepło z powietrza oraz z rzeki Limmat.
W roku 1930 wynaleziono absorpcyjne urządzenie chłodnicze, którego twórcą był m.in. Albert Einstein. Na podstawie tego urządzenia konstruowane są dzisiejsze absorpcyjne pompy ciepła. Jako napęd w takim urządzeniu służy ciepło ze spalania gazu, a nie sprężarka, a energia cieplna z dolnego do górnego źródła ciepła jest przekazywana dzięki różnicy gęstości absorbentu oraz różnicy ciśnień.
Pierwsza pompa ciepła służąca do ogrzewania domu mieszkalnego powstała w Wielkiej Brytanii w 1928 roku.
Pompa ciepła dzisiaj
Nie można jednoznacznie określić, kto wynalazł pompę ciepła, ponieważ wynalazców było wielu i każdy z nich miał swój wkład w rozwój tej technologii.
Obecnie najwięcej pomp ciepła odnotowuje się w takich krajach jak Szwecja, Szwajcaria czy Austria. W Sztokholmie około 60% ludności korzysta z ciepła systemowego zasilanego m.in. miejskimi pompami ciepła, których dolnym źródłem ciepła jest woda morska z Bałtyku oraz ścieki komunalne.
W Szwecji zainstalowanych jest też wiele urządzeń małej mocy w domach jednorodzinnych. Szacuje się, że nawet około 25% domów jest wyposażonych w pompę ciepła. Bardzo podobnie jest w Szwajcarii, gdzie w nowych budynkach pompa ciepła jest standardem.
W Polsce obecnie rośnie zainteresowanie pompami ciepła małej mocy, stosowanymi w zabudowie mieszkaniowej. Jest to spowodowane m.in. większą świadomością klimatyczną społeczeństwa, troską o środowisko, opłacalnością i długowiecznością urządzeń oraz narzuconą rezygnacją z kotłów opalanych węglem. Wspomniane zainteresowanie będzie najprawdopodobniej rosnąć lub utrzymywać się na podobnym poziomie, a liczba realizowanych inwestycji z roku na rok będzie się powiększać, dlatego że pompy ciepła są w tym momencie najlepszą alternatywą dla kotłów grzewczych w technice cieplnej.
