Jak działa pompa ciepła?
Pompa ciepła wykorzystuje garmową energię ze środowiska naturalnego. Ciepło słoneczne zakumulowane w gruncie, wodzie gruntowej lub z powietrza atmosferycznego (okreslane jako dolne źródła ciepła) i przy pomocy energii elketrycznej przekształca w komfortowe ciepło grzewcze.
A dokładniej - w parowniku, energia środowiska naturalnego przekazywana jest czynnikowi roboczemu krążącemu w pompie ciepła. Jako czynniki robocze stosowane są zazwyczaj: R407C, R410A, R404A i R134A – nie zawierają halogenów, są nietoksyczne, biologicznie degradowalne i niepalne.  Czynnik roboczy o niskiej temperaturze wrzenia (nawet poniżej 0°C), ulega odparowaniu a tym samym odbiera pewną ilość ciepła ze środowiska naturalnego. Następnie, odparowany czynnik roboczy zasysany jest przez sprężarkę gdzie jest sprężany – wzrasta jego ciśnienie i temperatura.  

Para czynnika o podwyższonym ciśnieniu i temperaturze kierowana jest do skraplacza gdzie ulega skropleniu i przekazuje ciepło wodzie grzewczej zasilającej instalację centralnego ogrzewania budynku (górne źródło ciepła). W pompach ciepła jako parownik (oprócz pompy wykorzystującej powietrze jako źródło ciepła) i skraplacz stosuje się głównie płytowe wymienniki ciepła ze stali szlachetnej.
Po oddaniu ciepła w skraplaczu czynnik roboczy przepływa przez zawór rozprężny gdzie powraca do parametrów wyjściowych tj. niskiego ciśnienia i temperatury. Ponownie ulega odparowaniu w parowniku i cykl się powtarza.

Można powiedzieć, że pompa ciepła transportuje ciepło z dolnego źródła ciepła do górnego. Przy czym pobiera również energię elektryczną potrzebną do napędu sprężarki. Energia przekazana wodzie grzewczej jest więc sumą ciepła pobranego w parowniku (ciepło ze środowiska) i energii elektrycznej pobieranej do napędu sprężarki. Nowoczesne pompy ciepła pobierają około 70% ciepła potrzebnego do ogrzewania budynku ze środowiska naturalnego, a jedynie w 30% energię elektryczną do napędu sprężarki i wszystkich urządzeń elektrycznych pracujących w instalacji.

Jaką pompę ciepła wybrać?
Wybór odpowiedniej pompy ciepła będzie zależał między innymi od tego skąd będzie ona pobierać ciepło: grunt, woda, powietrze. W zależności od rodzaju źródła ciepła pompy ciepła możemy podzielić na: solanka/woda, woda/woda, powietrze/woda. Pierwszy człon określa właśnie źródło ciepła (tzw. dolne źródło ciepła), np. „solanka” – pompa pobiera ciepło z gruntu. Natomiast drugi człon „woda” określa rodzaj instalacji grzewczej w budynku – wodna (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, ścienne).
 
Najczęściej stosowane są pompy ciepła solanka/woda i woda/woda, które mogą być jedynym źródłem ciepła do ogrzewania budynku nawet w zimie przy maksymalnie niskich temperaturach zewnętrznych. Coraz większe znaczenie zyskują pompy ciepła powietrze/woda ponieważ ich instalacja jest prostsza i tańsza, mimo że muszą współpracować z dodatkowym źródłem ciepła. 
  

Grunt (pompa ciepła solanka/woda) W ciągu całego roku temperatury gruntu są równomierne i na głębokości 2 m wynoszą od 7 do 13°C. Im głębiej tym temperatury gruntu są wyższe. Po odebraniu ciepła z gruntu musi się on zregenerować (ogrzać się). Na głębokości do 1,8 m regeneracja odbywa się głównie przez promieniowanie słoneczne, opady deszczu, wody roztopowe itd. Natomiast regeneracja gruntu ciepłem dopływającym z głębszych warstw jest na tyle mała że można ją pominąć.

Rozkład temperatury w gruncie

 

Kolektor gruntowy jest to ułożony na dużej powierzchni system rur z tworzyw sztucznych i poniżej strefy przemarzania gruntu. Rury układa się w gruncie na głębokości 1,2 do 1,5 m. Poszczególne pętle powinny mieć jednakową długość nie przekraczającą 100 m, ponieważ opory przepływu a tym samym potrzebna moc pompy obiegowej będą zbyt duże. Odstępy pomiędzy pętlami zależą od średnicy przewodów i wynoszą zazwyczaj od 50 do 100 cm.  Z kolektora gruntowego najintensywniej pobierane jest ciepło w okresie zimowym, natomiast regeneruje się on przede wszystkim w okresach cieplejszych, tj. wiosną i latem. Regeneracja gruntu następuje przede wszystkim dzięki promieniowaniu słonecznemu oraz opadom atmosferycznym, co zapewnia że grunt zakumuluje znowu ciepło na następny sezon grzewczy.

Właściwości akumulacyjne i przewodność cieplna są tym większe im bardziej grunt jest nasycony wodą, im więcej jest składników mineralnych i im mniejsza jest jego porowatość.
Możliwe do pobrania z gruntu moce jednostkowe mieszczą się w zakresie od ok. 10 do 35 W/m2 powierzchni gruntu (grunt piaszczysty, suchy: 10 do 15 W/m2; piaszczysty, wilgotny: 15 do 20 W/m2; grunt ilasty, suchy: 20 do 25 W/m2; ilasty, wilgotny: 25 do 30 W/m2; grunt wodonośny: 30 do 35 W/m2). 
 
Przykład: Pompa ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności poboru ciepła z gruntu 25 W/m2 – powierzchnia gruntu dla ułożenia kolektora gruntowego wyniesie ok. 340 m2.
 

Sondy gruntowe nie wymagają dużej powierzchni ponieważ rury wprowadzane są pionowo w głąb ziemi, zwykle na głębokość do 100 metrów – wówczas należy uzyskać pozwolenie Urzędu Gospodarki Wodnej, powyżej 100 m potrzebne będzie pozwolenie Urzędu Górniczego. W odwiert wpuszcza się prefabrykowaną sondę, a następnie wolna przestrzeń zasypywana jest materiałem wypełniającym. Sondy wykonuje się w formie pojedynczej lub podwójnej U-rury (rury PE).  Podwójna U-rura jest o tyle pewniejsza, że w przypadku uszkodzenia jednej pętli, nie dyskwalifikuje to całego odwiertu. Przy normalnych warunkach hydrogeologicznych można przyjąć orientacyjną średnią moc jednostkową sondy gruntowej 50 W/m długości sondy. Odległość pomiędzy sodami gruntowymi nie może być mniejsza niż 6 m.

Najczęściej po wykonaniu pierwszego odwiertu można dokładnie określić rodzaj i strukturę gruntu – na tej podstawie można określić czy obliczeniowa długość sondy będzie wystarczająca, czy też konieczne będzie wykonanie głębszego odwiertu.
 
Przykład: pompa ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności 50 W/m długości sondy – dwie sondy gruntowe (dwa odwierty), każda o głębokości 85 m.
 

Woda gruntowa (pompa ciepła woda/woda) Woda gruntowa również jest dobrym akumulatorem ciepła słonecznego. Nawet w zimne, zimowe dni utrzymuje stałą temperaturę od 7 do 12°C. Woda gruntowa pobierana jest ze studni czerpalnej i tłoczona do parownika pompy ciepła woda/woda. Następnie schłodzona woda odprowadzana jest do studni chłonnej – zrzutowej.

Woda gruntowa może zawierać dużo wziiązków mineralnych i zanieczyszczeń. Dla tego, aby ochronić parownik w pompie ciepła należy zawsze stosować dodatkowy wymiennik ciepła tzw. pośredni. Nawet jeśli przy badaniu wody gruntowej okaże się że nie są przekroczone określone przez producenta składniki, to nie mamy pewności że skład ten nie zmieni się w przyszłości. 
Czynnikiem, który również należy uwzględnić przewidując głębokość studni współpracujących z pompą ciepła jest poziom zwierciadła wód gruntowych, który może się zmieniać.

Przykład: minimalny przepływ wody gruntowej przez pompę ciepła o mocy grzewczej 10 kW wynosi 2100 litrów/h.
 

Powietrze atmosferyczne (pompa ciepła powietrze/woda) Najmniejsze koszty wykonania dolnego źródła ciepła są w przypadku powietrza zewnętrznego. Zasysane jest ono kanałem, schładzane bezpośrednio w parowniku pompy ciepła i ponownie odprowadzane na zewnątrz. Nowoczesne pompy ciepła mogą wytwarzać ciepło grzewcze nawet przy temperaturze zewnętrznej –20°C. Jednak przy tak niskiej temperaturze pompa może nie pokryć całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. W mroźne dni konieczne będzie dogrzewanie wody grzewczej do wymaganej temperatury np. przez grzałkę elektryczną.

Pompa powietrze/woda w warunkach polskiego klimatu wymaga wspomagania dodatkowym źródłem ciepła: grzałką elektryczną, kotłem gazowym, olejowym czy na paliwo stałe.

Projektując wyrzutnię powietrza, należy wykonać to w taki sposób, aby strumień odprowadzanego na zewnątrz powietrza i efekty akustyczne z tym związane nie były uciążliwe dla sąsiednich budynków.