Pompy ciepła to urządzenia, które umożliwiają odbiór energii cieplnej z naturalnych źródeł i wykorzystanie jej na potrzeby ogrzewania budynków, ciepłej wody, bądź wody basenowej. Pompy ciepła to źródło najtańszego ciepła. Nie trzeba płacić za paliwo, przeglądy kotła, czyszczenie komina. Około 75%energii grzewczej otrzymujemy za darmo. Jedyne koszty eksploatacyjne to opłaty za energię elektryczną, która zasila pompę ciepła. Wysoko sprawne pompy z każdego kilowata dostarczonej do nich energii elektrycznej "produkują" ponad 4 kW mocy grzewczej.

Przy ogrzewaniu wody przy użyciu pompy ciepła zużywa się minimum 3,5 raza mniej energii niż przy grzaniu grzałką elektryczną. Oznacza to, że każda 1kWh energii elektrycznej pobranej z sieci daje nam 3,5kWh energii oddanej wodzie w postaci ciepła. Brakujące 2,5kWh energii cieplnej pompa pozyskuje z energii zawartej w powietrzu, które schładza. Dodatkowym efektem pompy ciepła jest wysuszenie pomieszczenia, w którym jest ona eksploatowana. Ma to szczególne znaczenie gdy pompa pracuje w pomieszczeniach piwnicznych lub spiżarniach. Jest to więc urządzenie wysoko cenione na rynku z punktu widzenia ekologii i oszczędności energii.

Proces transformacji i wymiany ciepła realizowany jest w zamkniętym obiegu na drodze przemian termodynamicznych czynnika roboczego. Zasadniczymi elementami pomp ciepła są: sprężarka, dwa wymienniki ciepła - parownik i skraplacz oraz zawór rozprężający.

Zasada działania pompy wodnej.

Dobre źródło ciepła to jeden z podstawowych warunków efektywnej pracy systemu grzewczego z pompą ciepła. W Polsce jako źródło ciepła najczęściej wykorzystuje się wody gruntowe lub grunt, znacznie rzadziej powietrze. W każdym przypadku współczynnik efektywności jest uzależniony od różnicy temperatur pomiędzy źródłem ciepła a systemem rozdzielającym ciepło: im mniejsza jest różnica temperatury, tym efektywniej pracuje każda pompa ciepła. Pompy ciepła przemieniają ciepło o niskiej temperaturze (nawet w zimie przy temperaturach poniżej 0°C) w ciepło o wysokiej temperaturze. Odbywa się to w zamkniętym procesie obiegowym, poprzez stałą zmianę stanu fizycznego czynnika roboczego (parowanie, sprężanie, skraplanie, rozprężanie). Wybór odpowiedniego źródła ciepła jest uzależniony od wielu czynników obiektywnych i subiektywnych. Pompy ciepła należą do grupy produktów wymagających indywidualnego doboru i dopasowania do lokalnych warunków, często indywidualnego projektu oraz wymaganych prawem uzgodnień i pozwoleń (np.: wodno-prawne).

Dolne źródła ciepła.

Parametrami określającymi ilościowo dolne źródło ciepła są: zawartość ciepła, temperatura źródła i jej zmiany w czasie; natomiast od strony technicznej istotne są: możliwość ujęcia i pewność eksploatacji. Wśród źródeł naturalnych można wymienić:

a) Wody powierzchniowe.
Energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z wymiany ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym i gruntem. Ponieważ temperaturę wody w rzece kształtuje wymiana ciepła z otoczeniem, poboru energii można dokonywać wielokrotnie na długości rzeki. Wadą wód powierzchniowych jako dolnego źródła są problemy z poborem energii w okresach niskich temperatur oraz przy minimalnych przepływach, a także występowanie oblodzenia. Z uwagi na zanieczyszczenie wód powierzchniowych z reguły wymagane jest stosowanie wymienników pośrednich i odpowiednich układów filtrujących, a to zmniejsza efektywność energetyczną pomp ciepła i podnosi koszty inwestycyjne.

b) Wody podziemne.
Wody podziemne stanowią źródło o dobrej koherentności i łatwej dostępności. Charakteryzują się małymi zmianami temperatur w ciągu roku i dla warunków klimatycznych Polski wynoszą przeważnie 5 - 12 st.C. Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika, a przy dużym zasoleniu może być zastosowany pośredni wymiennik ciepła. Wadę stanowi wysoki inwestycyjny i eksploatacyjny ujęcia.

c) Grunt.
Grunt może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp ciepła o stosunkowo niewielkich wydajnościach cieplnych. Energia cieplna jest akumulowana w około 10-cio metrowej warstwie gruntu. Przyjmuje się, że na tej głębokości temperatura jest równa średniorocznej temperaturze powietrza i wynosi dla naszych warunków klimatycznych ok. 7 - 8 st.C. Z uwagi na koszty inwestycyjne poziome wymienniki gruntowe układa się na głębokości 1 - 2 m. Na tym poziomie temperatura gruntu zmienia się sinusoidalnie w skali roku i wynosi ok. 11 - 17 st.C w lecie i -1 - 5 st.C w zimie. Wartości odchyleń temperatury od wartości średniorocznej zależą od właściwości fizycznych gleby i głębokości.

d) Powietrze atmosferyczne.
Powietrze atmosferyczne charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur zarówno w okresie dobowym, jak i w całym okresie grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują poważne problemy z oszranianiem i odtajaniem urządzeń. Wyjątek stanowi możliwość pobierania ciepła z pomieszczeń w okresie międzygrzewczym poprzez nieczynną instalację centralnego ogrzewania i wykorzystanie ciepła np. do podgrzewu ciepłej wody użytkowej, jednak praca pompy ciepła jest tu ograniczona właśnie do okresu międzygrzewczego. Natomiast koszty inwestycji są pomniejszone o koszty wykonania wymiennika dolnego źródła ciepła oraz występują korzystne temperatury powietrza.


Grunt to najczęściej stosowane rozwiązanie dolnego źródła ciepła. Instalacja składa się z rur polietylenowych o średnicach uzależnionych od wymaganej mocy pompy ciepła. Przewody układa się w wężownicę lub znacznie częściej spiralnie poniżej poziomu przemarzania gruntu. Powierzchnia ułożenia przewodów zależy od mocy chłodniczej pompy ciepła. W rurach, podobnie jak w kolektorze pionowym, stosuje się czynnik niezamarzający o niższej temperaturze niż grunt aby możliwe było odebranie ciepła z ziemi.
 
ZALETY:

• zrównoważona temperatura gruntu w ciągu roku
• możliwość długiego magazynowania ciepła
• łatwość wykonania i niski koszt

W przypadku kolektorów pionowych  przewody umieszcza się pionowo w gruncie na głębokości od 25 do 150m. Długość przewodów wykonanych z polietylenu zależy od mocy chłodniczej pompy ciepła. W przewodach znajduje się czynnik niezamarzający o temperaturze niższej niż otaczający rury grunt (np. roztwór glikolu etylenowego). Wymiennik ten jest ponad dwukrotnie skuteczniejszy niż poziomy wymiennik ciepła.
 
ZALETY:

• zrównoważona temperatura gruntu w ciągu roku
• możliwość długiego magazynowania ciepła
• zajmuje małą powierzchnię gruntu

Gdy dolnym źródłem energii dla pompy ciepła są pokłady wodonośne gruntu wymiennik  działa na zasadzie przepompowywania wody z jednej studni (pobór "ciepłej" wody, która w parowniku pompy ciepła oddaje energię do czynnika roboczego) do drugiej (zrzutowa - zrzut schłodzonej wody po przejściu przez parownik). Studnie muszą być oddalone od siebie o co najmniej 20m.

ZALETY:

• stała temperatura wody w ciągu roku
• możliwość długiego magazynowania ciepła