Klima uređaji s toplinskom pumpom predstavljaju vrhunac primijenjene termodinamike u kućanstvu, omogućujući i hlađenje i grijanje prostora preusmjeravanjem toplinske energije umjesto njezina stvaranja.
Termodinamički krug i promjena agregacijskog stanja
U srcu svakog sustava toplinske pumpe nalazi se rashladno sredstvo koje cirkulira kroz zatvoreni krug cijevi. Rad ovog sustava temelji se na fizikalnom principu da tvari apsorbiraju toplinu kada prelaze iz tekućeg u plinovito stanje te oslobađaju toplinu kada prelaze iz plinovitog natrag u tekuće stanje. Ključnu ulogu u ovom procesu imaju tlak i temperatura. Povećanjem tlaka plina raste i njegova temperatura, dok smanjenjem tlaka tekućine dolazi do naglog pada temperature. Sustav koristi četiri osnovne komponente: kompresor, kondenzator, ekspanzijski ventil i isparivač, kako bi manipulirao tim stanjima i premještao toplinsku energiju protiv njezinog prirodnog smjera kretanja.
Proces hlađenja: Kako toplina napušta prostoriju
Tijekom ljetnih mjeseci, kada je cilj ohladiti unutarnji prostor, klima uređaj radi u načinu hlađenja. Proces započinje u unutarnjoj jedinici, koja u ovom načinu rada služi kao isparivač. Tekuće rashladno sredstvo pod niskim tlakom ulazi u isparivač. Budući da je temperatura tog medija niža od temperature zraka u prostoriji, toplina iz zraka prirodno prelazi na hladne cijevi isparivača. Ventilator puše topli zrak preko isparivača, rashladno sredstvo apsorbira tu toplinu i prelazi iz tekućeg u plinovito stanje. Ohlađeni zrak se zatim vraća natrag u prostoriju.
Sada topli plin pod niskim tlakom putuje prema vanjskoj jedinici gdje ga kompresor stlačuje. Kompresor drastično povećava tlak plina, što uzrokuje nagli porast njegove temperature do razine koja je znatno viša od temperature vanjskog zraka. Taj vrući plin pod visokim tlakom ulazi u kondenzator vanjske jedinice. Budući da je plin topliji od vanjskog zraka, toplina se predaje okolišu. Kako gubi toplinu, rashladni medij se hladi i kondenzira natrag u tekućinu pod visokim tlakom. Ova tekućina zatim prolazi kroz ekspanzijski ventil, gdje joj se tlak naglo smanjuje, što drastično snižava njezinu temperaturu prije ponovnog ulaska u unutarnju jedinicu, čime se ciklus ponavlja.
Proces grijanja: Obrnuti termodinamički ciklus
Grijanje pomoću toplinske pumpe koristi potpuno isti fizikalni princip, ali u obrnutom smjeru. Ključna komponenta koja omogućuje ovu promjenu je četveroputni ventil smješten unutar vanjske jedinice. Kada se aktivira način grijanja, ovaj ventil fizički preusmjerava tijek rashladnog medija, efektivno mijenjajući uloge unutarnje i vanjske jedinice.
U načinu grijanja, vanjska jedinica preuzima ulogu isparivača. Čak i pri niskim vanjskim temperaturama, rashladno sredstvo se dovodi na iznimno nizak tlak i temperaturu koja je još niža od temperature vanjskog zraka. To omogućuje mediju da apsorbira toplinsku energiju iz vanjskog okoliša. Nakon što apsorbira toplinu i ispari, plin putuje do kompresora koji ga stlačuje na visoki tlak i temperaturu. Vrući plin se zatim šalje u unutarnju jedinicu, koja sada funkcionira kao kondenzator. Unutarnji zrak prolazi preko toplih cijevi, preuzima toplinu koja se oslobađa kondenzacijom plina u tekućinu, te se ugrijan vraća u prostoriju. Tekući medij visokog tlaka se vraća kroz ekspanzijski ventil natrag u vanjsku jedinicu kako bi ponovno započeo proces.
Učinkovitost i fizikalna ograničenja
Učinkovitost toplinske pumpe izražava se koeficijentom učinkovitosti. COP predstavlja omjer uložene električne energije, koju troši uglavnom kompresor, i dobivene toplinske energije. Budući da sustav ne stvara toplinu električnim otporom, već je samo prenosi, učinkovitost može iznositi preko 400 posto (COP veći od 4), što znači da za 1 kW potrošene struje sustav isporuči više od 4 kW topline. Međutim, s ekstremnim padom vanjske temperature, razlika tlaka koju kompresor mora prevladati postaje prevelika, što smanjuje učinkovitost prijenosa topline i zahtijeva optimizaciju tlaka u sustavu.
