Nowoczesne pompy ciepła i celowość ich zastosowania

Pompy ciepła są to urządzenia mające dwojakie zastosowanie. Mogą one służyć jako jednostki wytwarzające ciepło do ogrzewania domów, obiektów publicznych (biura, szkoły, szpitale, baseny itp.), hal magazynowych i sportowych oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Można je także stosować jako urządzenia obniżające temperaturę płynu chłodzącego używanego np. w chłodnictwie i klimatyzacji. Można oczywiście kojarzyć dwie strony, wykorzystując jednocześnie stronę zimną i ciepłą pompy ciepła.

Znakomitym miejscem, gdzie można zastosować pompę ciepła jest szeroko pojęty przemysł. Odbiór nadmiaru ciepła w tym przypadku nie musi być realizowany za pomocą tradycyjnych urządzeń chłodniczych, gdzie odebrane ciepło jest bezpowrotnie tracone. Zastosowanie w takich układach pompy ciepła pozwala w dowolny sposób wykorzystać darmową energię. Ciekawym przykładem przemysłowego wykorzystania pompy ciepła jest mleczarstwo, gdzie z jednej strony odbywa się schładzanie mleka, a z drugiej dostarczanie ciepła do innych procesów oraz ogrzewanie budynków i wody użytkowej. Stosowanie pomp ciepła jest obecnie w pełni uzasadnione ekonomicznie. Eksploatacja instalacji grzewczej opartej na pompie ciepła jest zdecydowanie najtańsza. Koszt instalacji ogrzewania opartego na tradycyjnych nośnikach energii, takich jak węgiel, gaz ziemny, olej opałowy czy energia elektryczna jest znacznie wyższy niż w przypadku systemu z pompą ciepła. Pompa ciepła jako urządzenie napędzane energią elektryczną może, w celu obniżenia kosztów eksploatacji, pracować na tzw. nocnej taryfie, stąd też należy dążyć do minimalizowania czasu jej pracy w dzień. Dobór pompy ciepła powinien być poprzedzony dokładnymi obliczeniami cieplnymi obiektu. W obliczeniach tych ujmuje się zyski ciepła jawnego i utajonego, infiltrację powietrza i jego wymianę. Istotne jest także położenie geograficzne, wiatry, nasłonecznienie i inne specyficzne czynniki istotne dla ogrzewania lub klimatyzacji obiektu. Jeżeli którykolwiek z tych czynników nie zostanie uwzględniony, wówczas bilans cieplny nie będzie zgodny z rzeczywistością. Może to spowodować poważną różnicę pomiędzy rzeczywistym, a wyliczonym zapotrzebowaniem mocy cieplnej. Konsekwencją tego będzie dobór pompy ciepła o nieodpowiedniej mocy. Pragniemy zwrócić uwagę na to, że nie musimy decydować się na dobór pompy ciepła na szczytową moc grzewczą obiektu. Powinno się rozważyć także wersję doboru pompy ciepła na moc średnią w układzie biwalentnym lub pracę pompy ciepła z dolnymi źródłami alternatywnymi. Obniża to w znacznym stopniu koszty inwestycyjne całej instalacji pompy ciepła. Zapotrzebowanie na moc szczytową występuje przez krótki czas (2-3 tygodni w roku). W związku z tym można zainstalować urządzenie pokrywające np. 70% zapotrzebowania mocy, a pozostałe 30% dostarczyć z innego źródła ciepła np. grzałkami elektrycznymi, piecem gazowym, itp., co spowoduje obniżenie kosztów inwestycji. Sterownik elektroniczny pompy ciepła w razie potrzeby sam uruchomi dodatkowe źródło ciepła na odpowiedni czas. Ponadto, aby zastosować pompę ciepła pokrywającą zapotrzebowanie na moc szczytową musimy dysponować dolnym źródłem ciepła o wydajności zapewniającej osiągnięcie tej mocy. Wydajność tego źródła może być nieraz ograniczona wielkością terenu, brakiem wód podziemnych, brakiem innych możliwości pozyskiwania energii. W takim przypadku najczęściej stosowanym rozwiązaniem są układy biwalentne. Pozwalająone na zainstalowanie pompy ciepła o mocy mniejszej od rzeczywistych potrzeb cieplnych, dla której dostępne źródło ciepła będzie już wystarczające. Koszt eksploatacji systemu grzewczego zależy także od jakości źródła górnego (np. centralnego ogrzewania). Grzejniki współpracujące z pompą ciepła muszą posiadać dobre parametry wydajnościowe przy niskich temperaturach zasilania (do 55°C). W przypadku starych instalacji CO może się to wiązać z wymianą całej instalacji grzewczej lub jej częściową modernizacją. Pompy ciepła są urządzeniami przyjaznymi dla środowiska. Jako urządzenia napędzane energią elektryczną nie emitują one żadnych zanieczyszczeń. Niska energochłonność urządzenia powoduje, że jego całkowity równoważnik efektu cieplarnianego jest niższy od prawie wszystkich innych systemów grzewczych. 2. ZASADA DZIAŁANIA POMP CIEPŁA Pompy ciepła są urządzeniami, które pobierają ciepło o temperaturze niższej (np. około 0°C) ze źródła niskotemperaturowego, określanego jako tak zwane dolne źródło ciepła i oddają to ciepło o temperaturze wyższej do górnego źródła o temperaturze w okolicach + 60°C. Transport ciepła odbywa się kosztem doprowadzonej do pompy ciepła energii, zwykle elektrycznej. Ponieważ przepływ ciepła między dwoma ciałami zależy od różnicy temperatury między tymi ciałami, teoretycznie energię cieplną można pobierać ze źródła o dowolnej temperaturze (także poniżej 0°C). W praktyce stosowanie pomp ciepła jest ekonomicznie uzasadnione w przypadku, jeżeli pracująone z dolnym źródłem o temperaturze nie niższej niż minus 5°C. W układach z pompą ciepła możliwe jest wykorzystanie zarówno strony ciepłej (górne źródło), jak i strony zimnej (dolne źródło). Stronę ciepłą wykorzystuje się np. do celów grzewczych, natomiast stronę zimną można wykorzystać w przypadku zapotrzebowania na chłód, a więc np. w klimatyzacji lub w chłodnictwie. W zależności od sposobu wykorzystania pompy ciepła należy dobierać ją ze względu na moc grzewczą lub moc chłodniczą. Efektywność działania pompy ciepła określona jest stosunkiem energii odebranej z pompy ciepła do energii włożonej w jej napęd. Pompy ciepła w gospodarce skojarzonej Pompy ciepła w gospodarce skojarzonej charakteryzują się wysokim współczynnikiem wydajności cieplnej. W klasycznej pompie ciepła wykorzystujemy ciepło z górnego jej źródła. Jeżeli jednocześnie będzie wykorzystywane ciepło zarówno z dolnego jak i górnego jej źródła, to znaczy urządzenie to będzie jednocześnie grzało i chłodziło, wtedy mamy gospodarkę skojarzoną pompy ciepła, a realizowany w niej obieg termodynamiczny będzie obiegiem chłodniczo-grzejnym. Przykładami gospodarki skojarzonej mogą być np. pompy ciepła stosowane w mleczarniach. W tym przypadku odprowadzane ciepło podczas chłodzenia mleka (dolne źródło ciepła) wykorzystywane jest do podgrzewania wody potrzebnej do celów technologicznych, np. mycie zbiorników i rurociągów, ogrzewanie pomieszczeń itd. Innym przykładem są pompy ciepła stosowane w zakładach przetwórstwa mięsnego. Ciepło odprowadzane z komór chłodniczych mięsa i wędlin, po przejściu przez pompę jest wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń (CO) i przygotowania ciepłej wody użytkowej (CWU). Współczynnik wydajności pomp ciepła w gospodarce skojarzonej wyraża się wzorem:
gdzie: Qk - ciepło przekazywane w skraplaczu (kondensatorze), Qo - ciepło pobrane przez parownik, W - praca dostarczona do obiegu termodynamicznego (praca silnika napędzającego sprężarkę pompy ciepła), Qco - ciepło dostarczone przez pompę ciepła do centralnego ogrzewania, Qcwu - ciepło dostarczone przez pompę ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej. 4. POMPY CIEPŁA NA ŚWIECIE I DOSTĘPNOŚĆ DO NICH W POLSCE Na świecie pracują już miliony tych urządzeń. Największa ich liczba jest zainstalowana w krajach o wysokiej kulturze technicznej (Stany Zjednoczone Ameryki, Japonia, Niemcy, Francja, Szwecja, Anglia itd). W ostatnich latach w Polsce zainstalowano już znaczną ilość pomp ciepła. Na naszym rynku działają obce firmy: niemieckie, szwedzkie, duńskie i inne. Mamy również szereg firm polskich. Na szczególną uwagę zasługuje polska firma "Hibernatus" z Wadowic, która już od 11 lat wdraża nie tylko produkcję nowych pomp ciepła własnej konstrukcji, ale i systemy wszelkiego rodzaju instalacji z tymi urządzeniami. Firma ta projektuje instalacje do indywidualnych zapotrzebowań, wytwarza pompy ciepła, a także odpowiednie wymienniki dolnego i górnego źródła ciepła. Urządzenia te są sprawdzane i testowane we własnym laboratorium firmy, a następnie instalowane u inwestora. W skali kraju ogółem zamontowanych zostało około 1000 pomp ciepła tego producenta. Katalog firmy obejmuje pompy ciepła o mocy grzewczej od 6 kW do 180 kW. Zakres zastosowania pomp ciepła "Hibernatus" jest szeroki: od domów jednorodzinnych, pensjonatów, szkół, basenów kąpielowych, hoteli; do rafinerii (Rafineria Czechowice - Dziedzice; 600 kW), kopalni (kopalnia Julian; 100 kW, kopalnia Wieliczka) oraz hal widowiskowo-sporto-wych (Orneta k. Olsztyna; 350 kW). Pompy ciepła tego producenta są skonstruowane na bazie wymienników płytowych oraz nowoczesnych sprężarek spiralnych typu scroll. Ponadto firma wykonuje pompy ciepła o większych wydajnościach, dostosowanych do instalacji przemysłowych i przeznaczonych do odzysku ciepła odpadowego procesów technologicznych. Wszystkie z wymienionych pomp charakteryzują się zwartą, kompaktową obudową. Wymiary pomp o wydajności do 40 kW wynoszą 650 x 600 x 920, a więc są to gabaryty porównywalne np. do pralki automatycznej. Pompa ciepła jest podzielona na dwa segmenty: panel elektryczny znajdujący się w górnej części, oraz moduł właściwy, który stanowi jednocześnie element konstrukcyjny i wykonany jest z pianki poliuretanowej z umieszczoną wewnątrz armaturą, sprężarką oraz wymiennikami ciepła. Obudowa zewnętrzna wykonana jest z blachy stalowej powlekanej farbą proszkową. Pompy są wyposażone w sterownik kontrolujący ich pracę oraz urządzeń pomocniczych (pompy obiegowe, zawory elektromagnetyczne). Wszystkie parametry pracy mogą być kontrolowane przez ten sterownik lub przesyłane do niego przez modem telefoniczny. Sterownik, dzięki specjalnemu oprogramowaniu obniża energochłonność urządzenia. Pracą pompy sterują wysoko sprawne elementy automatyki firmy Schrack. Pompa jest urządzeniem cichym i nie powodującym drgań, a zastosowane do jej konstrukcji nowoczesne materiały oraz doświadczenie firmy gwarantują długotrwałą i bezawaryjną pracę. Pompy ciepła produkowane są według najnowszej technologii przez wysoko wykwalifikowanych pracowników. Przed opuszczeniem zakładu każda z nich jest przez co najmniej 48 godz. testowana na specjalnym stanowisku. Firma "Hibernatus" posiada także nowoczesne stanowisko przeznaczone do testowania pomp ciepła, na którym szczegółowo badane są wszystkie nowe prototypy tych urządzeń, wyznaczane ich charakterystyki cieplne i określane sprawności. Stanowisko to jest w pełni zautomatyzowane i kontrolowane przez komputer. Dzięki unikalnej konstrukcji trzymedialne pompy ciepła firmy "Hibernatus" posiadają dwa obiegi górnego źródła ciepła. Obieg podstawowy, o temperaturze do 60°C, wykorzystywany jako ciepła woda do centralnego ogrzewania, oraz obieg wysokotemperaturowy, pozwalający na uzyskanie temperatury do 90°C. Wodę o tak wysokiej temperaturze można użyć np. do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a nawet do odkażania instalacji z bakteii. W pompach ciepła (sprężarkowych) temperatura górnego źródła nie przekracza 60°C, jednak dzięki oryginalnym konstrukcjom, pompy ciepła "Hibernatus" mają tę cechę, że mogą one dostarczaa wodę o temperaturze nawet 90°C. 5. PRZYGOTOWANIE INWESTYCJI DO MONTAŻU POMP CIEPŁA Inwestujący w montaż pompy ciepła, powinni zwrócić szczególną uwagę na prawidłową ocenę kosztów inwestycji i eksploatacji oraz na prawidłowy dobór pompy ciepła i jej mocy przy uwzględnieniu wymagań oraz istniejących warunków, np. określić jakie będzie zapotrzebowanie mocy grzejnej, wskazać skąd pobierane będzie ciepło do pompy (dolne źródło ciepła), a także cel i sposób wykorzystania ciepła ze źródła górnego itd. Aby odpowiedzieć na powyższe pytania, najlepiej zwrócić się do firmy mającej doświadczenie projektowe, wykonawcze i eksploatacyjne, czyli wieloletni serwis wykonanych instalacji pomp ciepła. Firma taka powinna opracować koncepcję instalacji pompy ciepła (audyt) i określić koszt inwestycji. Na podstawie koncepcji firma może wykonywać montaż, a ponadto na tej podstawie można już ubiegać się o dotacje na instalację tego urządzenia (np. z Banku Ochrony Środowiska). Dla większych inwestycji trzeba wykonać jeszcze projekt techniczny. Na tym etapie prac przygotowawczych najważniejszy jest: - indywidualny dobór dolnego źródła ciepła dla konkretne go obiektu (geologiczne badanie gruntu, wizja lokalna);
- określenie szczegółowych wymagań instalacji centralnego ogrzewania (CO) i ciepłej wody użytkowej (CWU), od których będzie zależała aplikacja węzła cieplnego (rozróżnia się co najmniej cztery takie aplikacje);
- po rozpoznaniu powyższych punktów można przystąpić do właściwej oceny kosztów inwestycyjnych (sama pompa ciepła nie decyduje o ostatecznym koszcie) oraz późniejszych kosztów eksploatacji - co ma największe znaczenie dla inwestycji;
- po wykonaniu powyższej analizy można dopiero prawidłowo porównywać z kosztami inwestycyjnymi innych rodzajów instalacji grzewczych, które to koszty są porównywalne, ewentualnie nieco wyższe. Porównywanie kosztów eksploatacji zawsze wypada na korzyść pompy ciepła;
- przy opracowaniu koncepcji, jak i wykonaniu instalacji pompy ciepła, należy zwrócić szczególną uwagę na fachowość firm składających oferty tzn.: gdzie i jakie instalacje tego typu wykonywały, czy przypadkiem nie jest tak, że robią to po raz pierwszy. Przy wykonywaniu takich instalacji wymagana jest duża praktyka i wiedza, aby osiągnąć ostateczny cel, którym jest najekonomiczniejsze wykorzystanie pozyskiwanego (odbieranego) ciepła i wysoka sprawność energetyczna - właściwie dobranych urządzeń;
- jak z powyższego wynika, prawidłowość realizacji całej inwestycji zależy od wielu czynników, nie tylko od samej pompy ciepła; może się okazaa, że wykonana instalacja działa jak "sztuka dla sztuki", a to oznacza, że nie jest dobrze zrobiona, ponieważ nie osiągnięto optymalnych parametrów i nie wykorzystano istniejących cech konkretnego obiektu.
Po spełnieniu powyższych warunków, pompa ciepła (lub pompy ciepła dla dużych obiektów) działają bez obsługi. Sterowane procesorem (komputerem jednoukładowym), utrzymują optymalne zadane wartości parametrów, tzn. wymaganą temperaturę ciepłej wody, temperaturę ogrzewania w zależności od temperatury zewnętrznej; mogą przygotowywać zapas ciepłej wody w godzinach niższej taryfy rozliczeniowej za energię elektryczną. Jak już wspomniano, największe znaczenie i wpływ na pracę pompy ciepła ma dolne źródło ciepła. 6. WPŁYW RODZAJU DOLNEGO I GÓRNEGO ŹRÓDŁA CIEPŁA NA SPRAWNOŚĆ POMP CIEPŁA Pompa ciepła jest maszyną "pompującą" ciepło na drodze z dolnego źródła ciepła o temperaturze niższej do źródła górnego o temperaturze wyższej (Tok). Z tej definicji wprost wynika, że korzystniej jest, aby droga ta była możliwie krótka, wtedy będzie potrzeba mniej energii do napędu pompy ciepła i jej sprawność będzie większa. Temperatura górnego źródła ciepła jest zwykle narzucona przez cel działania pompy ciepła, którym jest ogrzewanie pomieszczeń oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej (CWU). Jeżeli ogrzewanie pomieszczeń odbywa się za pomocą ciepłej wody przesyłanej do grzejników, wtedy mamy praktycznie do wyboru dwie wartości temperatury: +50°C lub +35°C. Temperatura dolnego źródła zależy od rodzaju tego źródła. Najczęściej takim źródłem jest woda, ziemia (grunt) lub powietrze. Rysunek 1 obrazuje zalecany układ temperatury. Zostały na nim przedstawione trzy przykłady systemów pomp ciepła o zalecanych wartościach temperatury To i Tk. Z rysunku tego widać, że droga "pompowania" ciepła zależy od tego, jakie są górne i dolne źródła ciepła, i tak : - dla pompy ciepła typu powietrze/powietrze Δt = 58 - (-28) = 83K
- dla pompy ciepła typu woda/woda Δt= 55 - 4 = 51K
- dla pompy ciepła typu gleba/glikol/woda Δt= 55 - (-17) = 72K
Najkorzystniejszym, to znaczy najsprawniejszym jest system, w którym dolnym źródłem będzie ciepło wody ze studni, a górnym źródłem woda z pompy ciepła. Skraplacz obiegu chłodniczego jest górnym źródłem pompy ciepła. Ciepło ze skraplacza jest pobierane: albo przez nadmuch powietrza, albo przez wodę, jeżeli pompa ciepła pracuje w systemie z grzejnikami lub też transportuje ciepło do wymienników ciepłej wody użytkowej. Źrodeł dolnych może być wiele i one głównie decydują o jakości i sprawności całej pompy ciepła oraz jej zastosowaniu. Rozpatrując dolne źródło należy uwzględnić cechy opisujące je w sposób jakościowy i ilościowy. Dla uzyskania możliwie wysokiej sprawności działania pompy ciepła największy wpływ mają: - właściwy dobór i wykorzystanie dolnego źródła ciepła,
- sama właściwa pompa ciepła,
- odbiór ciepła z pompy czyli górne źródło ciepła.
Wpływ dolnego źródła został omówiony powyżej, znaczenie właściwej pompy ciepła zależy głównie od sprawności zastosowanej w jej konstrukcji sprężarki. Firma "Hibernatus" w oferowanych pompach ciepła stosuje sprężarki nowej generacji o wysokiej sprawności i cichej pracy - sprężarki spiralne SCROLL. 7. ODBIÓR CIEPŁA Z GÓRNEGO ŹRÓDŁA Para czynnika opuszczającego sprężarkę jest zawsze parą przegrzaną. Jeżeli taka para wpłynie do skraplacza, w którym najpierw się ochładza do temperatury skraplania i następne skrapla się przy stałej temperaturze, przy czym ciepło schładzania i skraplania jest pobierane przez wodę gromadzoną w zbiorniku (zasobniku) o stałej temperaturze np. 50°C, wtedy między parą czynnika i wodą występują znaczne różnice temperatury. Różnice te powodują wzrost nieodwracalności obiegu. Miarą nieodwracalności jest wzrost entropii, co z kolei prowadzi do straty ciepła i zmniejszenia sprawności pompy ciepła. Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że Qstr= T x Δs, gdzie Δs jest wzrostem entropii. Rys.1 Droga "pompowania" ciepła w zależności od rodzaju źródeł ciepła
Firma "Hibernatus" zajęła się tym ważnym problemem i skonstruowała tzw. sprzęgło cieplne, które stosuje w swoich instalacjach pomp ciepła (rys. 2). 8. SPRZĘGŁO CIEPLNE FIRMY HIBERNATUS Jest to zbiornik na wodę przegrodzony dwoma przeponami; na rysunku 2 - punkt 9. Przepony te umożliwiają utrzymywanie trzech różnych wartości temperatury wody górnego źródła, np. t>55°C, 35°C55°C. Woda ta kierowana jest do górnej części zbiornika zwanego sprzęgłem cieplnym. Następnie para z pierwszego skraplacza płynie do drugiego skraplacza, oddając ciepło, głównie ciepło skraplania, podgrzewając wodę do temperatury w granicach 35°C do 55°C. W dolnej części sprzęgła cieplnego utrzymywana jest temperatura wody 35°C do 55°C. Dla utrzymania pewności ruchu instalacji oraz zmniejszenia automatyzacji instalacji, przepony w sprzęgle cieplnym są perforowane (dobór ilości i wielkości perforacji powinien być taki, aby woda nie mieszała się samoczynnie i nie występowało wyrównywanie się jej temperatury). Powyżej podane temperatury w sprzęgle są przykładowe. Przez odpowiednią regulację natężenia przepływu pary przez poszczególne skraplacze można regulować temperaturę w poszczególnych częściach sprzęgła cieplnego.
Rys. 2. Schemat instalacji wyposażonej w tzw. sprzęgło cieplne [9] (kliknij na rysunek aby powiększyć)
Celowość stosowania sprzęgła cieplnego : - Uzyskujemy wyższą temperaturę górnego źródła do 90°C,
- Uzyskuje się mniejsze straty ciepła i wyższą sprawność obiegu pompy ciepła,
- Uzyskuje się większą elastyczność w uzupełnianiu się wody o różnych wartościach temperatury,
- Instalacja jest tańsza, ponieważ zamiast dwóch zbiorników jest w niej jeden. Punkt pierwszy nie wymaga szczegółowego uzasadnienia, jest oczywisty. Dla analizy punktu 2 oprzemy się na drugiej zasadzie termodynamiki. Zasada wzrostu entropii stanowi najogólniejsze sformułowanie drugiej zasady termodynamiki : Entropia zamkniętego układu adiabatycznego podczas przemian nieodwracalnych wzrasta, a podczas przemian odwracalnych nie zmienia się. Przemiana jest odwracalna, jeżeli od jej stanu końcowego można powrócić do stanu początkowego w taki sposób, że i otoczeniu zostanie przywrócony stan pierwotny. Zmiana stanu układu jest wynikiem działania otoczenia na układ, które nazywamy pracą lub ciepłem. Do przeprowadzenia analizy termodynamicznej układu zostaną wzięte pod uwagę wszystkie jego elementy oraz otoczenia, a więc: - energia elektryczna napędzająca sprężarkę,
- otoczenie,
- czynnik chłodniczy,
- woda lub wodny roztwór glikolu chłodzący skraplacz,
- elementy konstrukcyjne części składowych pompy ciepła.
Z uwagi na to, że entropia jest funkcją stanu, a więc jej wartość końcowa przemiany nie zależy od drogi przejścia, oraz to, że ma właściwości addytywne możemy napisać: dla obiegu odwracalnego ΔSer + ΔSor + ΔScr + ΔSwt + ΔSkr =0
dla obiegu nieodwracającego ΔSe + ΔSo + ΔSc + ΔSw + ΔSk = ΔS>0
gdzie: ΔS - przyrost entropii wywołany nieodwracalnością całego układu pompy ciepła, ΔSc - przyrost entropii czynnika chłodniczego, ΔSw - przyrost entropii wody, ΔSe - przyrost entropii energii napędzającej sprężarkę, indeks "r" oznacza, że proces jest odwracalny. ΔScr=ΔSc ponieważ parametry czynnika chłodniczego przy realizacji obiegów są takie same w poszczególnych punktach obiegu, a więc przy obliczaniu przyrostu entropii możemy go pominąć. Również przyrost entropii otoczenia możemy pominąć, z uwagi na to, że rzeczywista pompa ciepła jest zabezpieczona izolacyjną pianką poliuretanową, zatem nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem (adiabata). Podobnie sprzęgło cieplne jest izolowane adiabatycznie od otoczenia.
Rys.3 Obieg czynnika w pompie ciepła [1-2-3-4-5-1]: 2s-6-7 wykres temperatury wody w sprzęgle cieplnym 2b-6-7 wykres temperatury wody bez sprzęgła cieplnego.
Dla uzasadnienia celowości stosowania sprzęgła cieplnego rozpatrzymy przyrost entropii wody przejmującej ciepło od czynnika chłodniczego w skraplaczu w dwóch wariantach: - woda ta jest gromadzona w jednym zbiorniku (zasobniku) ciepłej wody o jednej stałej temperaturze,
- woda ta jest zgromadzona w sprzęgle cieplnym.
Rysunek 3 przedstawia w układzie T - s (współrzędne: temperatura - entropia), wnikanie ciepła od czynnika chłodniczego do wody. Dla przemiany nieodwracalnej (a tylko takie istnieją w technice) musi istniea spadek temperatury AT przy przenikaniu ciepła od czynnika do wody. Ten spadek temperatury powoduje rozpraszanie energii cieplnej (dysypacja energii), wzrost entropii i w konsekwencji straty energii cieplnej. Z wykresu p-h (współrzędne ciśnienie - entalpia) przyjęto dla przykładu (zalecane) następujące parametry: To = 0+273; h1=623 kJ/kg Tk = 50+273; h2=670 kJ/kg T2 = 87+273; h3=635 kJ/kg T3 = 50+273; h4=485 kJ/kg T4 = 50+273; h5=485 kJ/kg T5 = 0+273 a) Instalacja pompy ciepła bez sprzęgła cieplnego Ciepło od czynnika chłodniczego przechodzi do wody, która w zbiorniku ma stałą temperaturę. Ilość przyjętego ciepła od czynnika do wody wynosi: Qw= h2 - h4=670-485=185 kJ/kg
Z uwagi na to, że pompa ciepła jest izolowana adiabatycznie od otoczenia, ciepło przechodzące od czynnika chłodniczego do wody jest w tej samej ilości tj. 185 kJ/kg cykl. Temperatura czynnika jest wyższa od temperatury wody, do której przenoszone jest ciepło o ΔT=5 K. Ta różnica temperatury powoduje wzrost nieodwracalności obiegu mierzony wzrostem entropii, co z kolei skutkuje stratą energii cieplnej. Niema istotnego znaczenia, czy różnica temperatury nastąpi w obrębie ścianki wymiennika, czy nastąpi mieszanie się wody o różnej temperaturze w zbiorniku. Przyrost entropii przy przepływie ciepła od czynnika chłodniczego do wody wyrazi się wzorem:
a więc ciepło przepływa z ciała I do II. Dla ciała II jest to ciepło dodatnie, natomiast dla ciała I ujemne. Temperaturę TI to znaczy temperaturę czynnika chłodniczego określamy ze wzoru:
Temperatura wody ciepłej w zbiorniku: TII= 323,00 - 5 =318 K
Ciepło przenikające z czynnika chłodniczego do wody: Q= h2- h4=185 kJ/kg
Przyrost entropii podczas tego procesu:
Strata energii cieplnej spowodowana nieodwracalnością (dysypacja energii) wynosi w instalacji bez sprzęgła cieplnego: ΔQstr=T x ΔS = 326 x 0,01428 = 4,6553 kJ/kg
b) Instalacja pompy ciepła ze sprzęgłem cieplnym Temperatura TI w tym przypadku jest taka sama jak uprzednio, to znaczy TI = 326 K, natomiast temperaturę wody w sprzęgle cieplnym TIIsob liczymy ze wzoru:
Przyrost entropii przy wymianie ciepła od czynnika chłodniczego do wody przy zastosowaniu sprzęgła cieplnego:
Strata energii cieplnej spowodowana nieodwracalnością: ΔQstr=T x ΔSs= 366 x 0,0088097 = 1,2580 kJ/kg
Porównując pracę pompy ciepła ze sprzęgłem i bez: - bez zastosowania sprzęgła strata energii wynosi 4,6453 kJ/kg
- z zastosowaniem sprzęgła strata energii wynosi 1,2580 kJ/kg
Z powyższego jednoznacznie wynika, że zastosowanie sprzęgła cieplnego zmniejsza straty obiegu z 4,6453 do 1,2580 kJ. Liczby te odnoszą się do jednego cyklu obiegu i 1 kg czynnika chłodniczego. Z całkowitego ciepła, które powinno przejść z czynnika do wody, tj. 185 kJ/kg, straty rozpraszania energii wynoszą: - bez zastosowania sprzęgła 2,51 %;
- z zastosowaniem sprzęgła 0,68 %.
Do oceny jakości działania pompy ciepła nie wystarczy współczynnik wydajności cieplnej pompy (COP) ponieważ COP jest zawsze większy od jedności. Prowadzi to do:
czyli:
jeżeli: To→Tk a jeżeli: Tk = Tot wtedy we wzorze na COP nic się nie zmienia, ale w rzeczywistości wynik działania pompy ciepła jest bezwartościowy, ponieważ ciepło uzyskane o temperaturze otoczenia jest nic nie warte, bowiem mamy go w dowolnej ilości za darmo. Do oceny obiegu uzupełniającym jest pojęcie sprawności obiegu pompy ciepła. Sprawność ta jest funkcją temperatury. Wartość tej sprawności zależy od temperatury. Przyjmując obliczone wcześniej wartości temperatury ze sprzęgłem cieplnym i bez, otrzymamy: - sprawność obiegu bez sprzęgła: 0,3657,
- sprawność obiegu ze sprzęgłem: 0,4039.
Myślą przewodnią artykułu jest naświetlenie tematu pomp ciepła głównie dla osób, które są zainteresowane wykorzystaniem tych urządzeń; wyjaśnienie ważniejszych cech, podanie elementów teorii, sposobu działania oraz ewentualnego sposobu realizacji tego rodzaju inwestycji. W tym celu należało oprze się na wyrobach wysokiej jakości, firmy o wieloletnim doświadczeniu i znacznych osiągnięciach. Osobom, które przystąpią do inwestycji pomp ciepła sugeruje się oparcie na firmie mającej bogate doświadczenie i efekty. Błędne kryteria doboru oraz tańsza "droga na skróty" proponowana przez niektórych oferentów doprowadziła już wielokrotnie do poważnych konsekwencji i powstawania szkodliwych opinii o pompach ciepła będących urządzeniami wysoce opłacalnymi i ekologicznymi. Autorzy: Jan Skupiński i Antoni Chłopecki Źródło: Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna Zaprenumeruj czasopismo Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna za naszym pośrednictwem z rabatem 10% >>> PRENUMERATA