Pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem, które pobiera ciepło o temperaturze niższej i oddaje to ciepło o temperaturze wyższej. Dla zapewnienia jej działania trzeba doprowadzić energię napędzającą. Taką energię może być gaz, olej napędowy lub elektryczność.

1. WSTĘP
Pompa ciepła jest urządzeniem, które
pobiera ciepło o temperaturze niższej
i oddaje to ciepło o temperaturze wyższej. Dla zapewnienia jej działania
trzeba doprowadzić energię napędzającą. Taką energię może być gaz, olej
napędowy lub elektryczność. Źródłem
ciepła o temperaturze niższej (zwane źródłem dolnym) może być na przykład:
• woda powierzchniowa tj. rzeki, jeziora,
• woda morska,
• woda gruntowa,
• ciepło ziemi,
• woda .ciekowa,
• urządzenia czyszczące,
• powietrze,
• lodowisko,
• powietrze z wentylacji.
Źródłem górnym, to jest ciepłem o
wyższej temperaturze, dostarczanym
przez pompę ciepła jest powietrze lub
woda. Źródło to wykorzystywane jest
najczęściej do centralnego ogrzewania
i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Innym sposobem korzystania z
pompy ciepła jest podgrzewanie wody
basenów kąpielowych, ogrzewanie hal
basenowych, hal sportowych, osuszanie
powietrza w halach basenowych itd.
Szczególnie korzystnym jest zastosowanie
pomp ciepła w zakładach przemysłowych takich jak mleczarnie, czy
zakłady mięsne. Można tu korzystać z
dolnego i z górnego źródła ciepła równocześnie, a urządzenia takie są klasyfikowane
jako urządzenia chłodniczo-grzejne
charakteryzujące się wyjątkowo
wysoką sprawnością cieplną.
Korzystając z ciepła z powietrza,
wody, ziemi itd. jako dolnych źródeł
do ogrzewania przez pompy ciepła
mieszkań, biur i instytucji lub celów
przemysłowych uzyskuje się oszczędności do 50% energii pierwotnej (np. z
oleju opałowego) [2]. Według tego samego
źródła przy mocy grzejnej 50 kW -10 megaW lub więcej można zaoszczędzić 25 do 5000 ton oleju rocznie.
Wiedza i doświadczenie na temat
pomp ciepła liczy sobie już 80 lat.

2. PODSTAWY TEORETYCZNE POMP CIEPŁA
Pompa ciepła jest to urządzenie, którego celem działania jest dostarczać
ciepło o temperaturze wyższej od temperatury
otoczenia. Obieg termodynamiczny
pompy ciepła jest obiegiem lewobieżnym, a różni się od obiegu
chłodniczego tylko tym, że temperatura
To ≤ Tot (rysunki 1, 2 i 3).

2.1 Współczynnik wydajności pomp
ciepła ε (COP)
Miarą korzyści energetycznych stosowania
pomp ciepła, to znaczy oszczędności energii, jakie może osiągnąć dana
pompa, jest jej współczynnik wydajności cieplnej zdefiniowany jako stosunek
ilości ciepła oddawanego przez
pompę i ilości doprowadzonej energii
do napędu urządzenia.
Z rys.1 i 2 widzimy, że:

zatem

skąd widać, że εpc> 1, stąd też wielkość
ta nie może być nazywana sprawnością
pompy ciepła, np. pompa ciepła dostarczająca ciepło o temperaturze otoczenia,
które jest bezwartościowe będzie
miała εpc> 1 zamiast εpc = 0

2.2 Sprawność pomp ciepła η
Sprawność pompy ciepła wynika z
ogólnego pojęcia sprawności. W liczniku
będzie ta wielkość, która jest celem
działania urządzenia, a więc ilość
ciepła wykorzystanego do celów grzejnych
(czyli ciepło pobrane ze źródła
dolnego i praca dostarczona do obiegu,
która zamienia się w ciepło) w mianowniku
za. będzie praca dostarczona
dla uzyskania tego celu. Ciepło ma różną wartość zależną od temperatury,
należy więc uwzględnić tę wartość ciepła, którą można przedstawić jako
Qk(T), a więc:

gdzie:

Sprawność pomp ciepła jest mniejsza,
a w szczególnym przypadku równa jedności, ponieważ pracę można w całości zamienić w ciepło.
Dla obiegów absorpcyjnych pomp
ciepła będzie:

gdzie:
Tot - temperatura otoczenia,
Td - temperatura czynnika dostarczanego
do obiegu absorpcyjnego
jako grzejnego.



Oznaczenia na rysunkach 1 - 3: To - temperatura parowania; W - praca dostarczona do obiegu; Tk - temperatura skraplania; Qo - ciepło parowania; Tot - temperatura otoczenia; Qk - ciepło oddane przez pompę

W sprężarkowych pompach ciepła
wysokość temperatury Tk jest ograniczona
i zależy od konstrukcji sprężarki
(wysokie ciśnienie sprężania), rodzaj
czynnika chłodniczego, oleju smarującego, sprawności i w praktyce nie przekracza
700C.

Na rysunku 4 przedstawiony został
schemat pompy ciepła typu powietrze - powietrze. Dolnym źródłem ciepła
jest w niej np. powietrze zewnętrzne
budynku, a górnym źródłem - powietrze,
które ogrzewa jego wnętrze.

3. UZASADNIENIE STOSOWANIA POMP CIEPŁA
Na świecie zainstalowano już miliony
sztuk pomp ciepła, głównie w USA,
Japonii i w Europie Zachodniej. Dla
przykładu przyjrzyjmy się bliższym
krajom: Austrii, Niemcom i Szwajcarii
(tab. 1). W tabeli 1 zestawiono
koszty ogrzewania przy różnych systemach
grzewczych, wg Oesterreichische
Gesellschaft fuer Sonnenenergie
und Weltraumfragen
Ges.m.b.H., Austrian Solar und Space
Agency ASSA (1982).
Tabela 1:


Tabela ta zawiera charakterystykę
kosztową stosowanych systemów
grzewczych. Widać z niej, że z uwagi
na koszty grzania pompa ciepła jest
bezkonkurencyjna. Jedynie kolektor
słoneczny jest wyżej notowany pod tym
względem, ale jego działanie zależy
przede wszystkim od pogody i pory
roku.
Tabela 2: Emisja dwutlenku węgla przy ogrzewaniu domu wg [3]


Kraje bogate, o wysokim poziomie
techniki, doceniają możliwości oszczędzania energii dzięki stosowaniu pomp
ciepła. Przykładowo w Austrii do końca 1990 roku zainstalowano 96 000
pomp ciepła o łącznej wydajności
grzejnej 950 GWh/rok. Pozwoliło to
zaoszczędzić 180 000 ton oleju opałowego
rocznie [3]. Bardzo ważną zaletą pomp ciepła jest to, że są one przyjazne
dla otoczenia, ekologiczne, wybitnie
zmniejszają emisję CO2 (gazu
cieplarnianego) oraz gazów szkodliwych:
CO i NOx, a także zanieczyszczenia
w postaci pyłów. To zagadnienie
obrazuje tabela 2.



Rys. 4. Schemat ideowy pompy ciepła pracującej w układzie powietrze - powietrze: 1-sprężarka, 2-skraplacz chłodzony powietrzem, 3-ciepłe powietrze do ogrzewania, 4-zbiornik, ciekłego czynnika, 5-zawór odcinający, 6-dehydrator, 7-wziernik z indykatorem wilgoci, 8-zawór, elektromagnetyczny, 9-termostatyczny zawór rozprężny TZR, 10-parownik, 11-osuszacz
Emitowany dwutlenek węgla, obciążający pompę ciepła, wynika z rachunku „ciągnionego”, poczynając od
elektrowni, w której spalane jest paliwo
pod kotłami parowymi. Z pozycji
5 w Tab. 2 widać, że pompa ciepła jest
najbardziej ekologiczna.



Rys. 5 Schemat ideowy rozsyłania energii
Bardzo ważnym zagadnieniem
jest rozsyłanie energii. Rysunek 5
przedstawia schematycznie rozsyłanie
energii, poczynając od energii z
paliw pierwotnych. Liczby podane na
tym schemacie są sprawnościami
poszczególnych operacji. Przykładowo,
ciepło użytkowe w obiekcie
ogrzewanym przez elektrociepłownie
stanowi tylko 0,35 części (35 %)
ilości ciepła zawartego w dostarczanym
paliwie do elektrociepłowni.
Pompa ciepła jako jedyne urządzenie
pozwala wykorzystać w stu procentach
energię zawartą w paliwie
służącym do otrzymania prądu elektrycznego.
W przypadku podanym na
schemacie, przy współczynniku wydajności cieplnej pompy ciepła ε =
3, ciepło użytkowe pompy ciepła
wynosi 1,11 części ciepła paliwa
dostarczanego do elektrociepłowni.

4. WPŁYW RODZAJU DOLNEGO I GÓRNEGO ŹRÓDŁA CIEPŁA NA SPRAWNOŚĆ POMP CIEPŁA
Pompa ciepła jest maszyną.
„pompującą” ciepło z dolnego źródła ciepła o
temperaturze niższej do górnego źródła ciepła o temperaturze wyższej
(To k). Z tej definicji wprost wynika,
że korzystniej jest, aby ta droga była
możliwie krótka, wtedy będzie potrzebna
mniejsza energia 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) do kąpieli,
natrysków. Jeżeli ogrzewanie pomieszczeń odbywa się za pomocą ciepłej
wody przesyłanej do grzejników, wtedy
mamy praktycznie do wyboru dwie
wartości temperatury: + 50 oC, lub
+ 35 oC. Temperatura dolnego źródła
zależy od rodzaju tego źródła. Najczęściej takim źródłem jest woda, ziemia
(grunt) lub powietrze. Rys. 6 obrazuje
zalecany układ temperatury.



Rys. 6 Droga „pompowania” ciepła w zależności od rodzaju źródeł ciepła
Na rysunku tym przedstawiono trzy
przykłady systemów pomp ciepła o zalecanych
wartościach temperatury To,
Tk. Wynika z niego, iż droga „pompowania” ciepła zależy od tego, jakie są
górne i dolne źródła ciepła.
Dla pompy ciepła typu powietrze/powietrze: ∆t = 58 - (-25) = 83 K
Dla pompy ciepła typu woda/woda: ∆t = 55 - 4 = 51 K
Dla pompy ciepła typu grunt/glikol/woda: ∆t = 55 - (-17) = 72 K
Najkorzystniejszym, to znaczy najsprawniejszym
jest system, w którym
dolnym źródłem będzie ciepło wody ze
studni, a górnym źródłem ciepła woda
z pompy ciepła.

Skraplacz obiegu chłodniczego
jest górnym źródłem pompy ciepła.
Ciepło ze skraplacza jest pobierane
albo przez nadmuch powietrza, lub też
przez wodę, jeżeli pompa ciepła pracuje
w systemie za pomocą grzejników
lub też transportuje ciepło do wymienników ciepłej wody użytkowej (cwu).

Źródeł dolnych może być wiele rodzajów i one głównie decydują o jakości i sprawności całej pompy ciepła i
jej zastosowaniu. Rozpatrując dolne
źródło należy uwzględnić cechy opisujące je w sposób jakościowy i ilościowy.

Cechami jakościowymi dolnego źródła ciepła są:
• dostępność źródła,
• zanieczyszczenie źródła,
• korozyjność źródła.
Ze względów ekonomicznych oraz
ewentualnych strat cieplnych wynikających z transportu energii, źródło powinno
znajdować się w miejscu zainstalowania
pompy ciepła.
Źródła zanieczyszczone, to: ścieki,
szamba, wody odprowadzane z zakładów przemysłowych. W takich przypadkach
źródło może być wykorzystane
pod warunkiem zastosowania odpowiedniego
wymiennika ciepła przystosowanego
do tego środowiska.
Korozyjność źródła, to: zasolone
wody głębinowe lub woda morska wymagaj
ą specjalnych wykonań aparatury, na przykład wykonań morskich, z
tworzyw sztucznych lub mogą być
wymagane specjalne dodatki (inhibitory)
antykorozyjne. O ile przy zastosowaniu
rur polietylenowych jako wymiennik
ów ciepła dolnego źródła
wpływ związków chemicznych wywołujących korozję nie ma praktycznego
wpływu ich na żywotność, to jednak z
uwagi na możliwość uszkodzenia pompy
obiegowej należy tę cechę źródła
brać pod uwagę.

Parametrami ilościowymi dolnego
źródła ciepła są:
• temperatura źródła i jej zmiany w
czasie,
• koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
Temperatura źródła i jej zmiany w czasie
są najważniejszą cechą wpływającą na współczynnik wydajności cieplnej
pompy i jej sprawność. Im temperatura
tego źródła jest wyższa, tym
wyższa jest też sprawność pompy ciepła. Na koszty dolnego źródła składają się koszty inwestycji jego ujęcia oraz
koszty jego eksploatacji wynikające
głownie z kosztów napędu pomp i wentylatorów.
Wymiennik gruntowy nie stwarza
problemów związanych z oszranianiem
i odtajaniem, podobnie wymiennik
pobierający ciepło z wody, czego nie
można uniknąć w wymiennikach powietrze
- czynnik chłodniczy dla temperatury
poniżej 0oC. Te cechy dolnych
źródeł oraz sprawność przesądziły o
większej popularności pomp ciepła, dla
których dolnym źródłem ciepła są studnie,
naturalne zbiorniki wodne lub
grunt.

4.1 Naturalne zbiorniki wodne stanowić mogą dolne źródło pomp ciepła.
W tym celu wykorzystuje się zasoby
ciepła większych rzek lub jezior. Pobór wody z rzek może odbywać się
nawet bez pompy, jeżeli będzie spiętrzenie na rzece lub odpowiedni spadek rzeki. Wadą tych źródeł ciepła są
problemy z poborem energii w okresach
zimowych przy niskiej temperaturze
oraz przy minimalnych przepływach. Jeżeli zbiornik wody jest
duży i posiada odpowiednią głębokość, to należy spodziewać się, że
przy dnie zbiornika będzie panowała temperatura + 4 oC i wtedy w parowniku
∆t = 3 K.

4.2 Wody ze studni (zwane również
wodami podziemnymi).
Wody te stanowią bardzo dobre i
łatwo dostępne źródło ciepła. Charakteryzują się one stosunkowo wysoką
temperaturą i małymi jej zmianami. W
zależności od pory roku i warunków
klimatycznych, dla Polski temperatura
wód studziennych wynosi 5 ÷ 12 oC.
Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika ochładzając się
o 4 ÷ 5 oC. Po przejściu przez parownik
woda kierowana jest zwykle do drugiej
studni, zwanej zrzutową. Odległość między studnią czerpalną a zrzutową zależy od ruchu wód pod ziemią
i od wydajności studni. Odległość ta
przyjmowana jest zwykle jako 30 ÷
50 m, ale znane są przypadki, że oddalenie
wynoszące 100 m miało wpływ
na wzrost temperatury wody w studni
czerpalnej.
Najczęściej spotykane problemy
eksploatacyjne (dotyczy to głównie
studni głębokich), to wydzielanie się
dwutlenku węgla i tworzenie się węglanu wapnia, wytrącanie się żelaza,
zanieczyszczenia biologiczne, zamulenia.
Aby temu zapobiec, nie wolno dopuścić do zapowietrzenia studni. Oznacza
to, że nie powinno dopuszczać się
również do swobodnego spływu wody
do studni zrzutowej. Wytrącające się
zanieczyszczenia osiadają nie tylko na
ściankach studni, w rurach lecz równie
ż w parowniku, którym zazwyczaj
jest płytowy wymiennik ciepła. Oczywiście nie można zapominać o osadniku
i filtrze do wody.
Strumień objętościowy wody potrzebnej
i dostarczanej do parownika
pompy ciepła oblicza się ze wzoru:

gdzie:
Qo - moc chłodnicza pompy
ciepła [kW],
V - strumień objętościowy wody
[litrów/s],
Cp. - ciepło właściwe wody [kJ/kgK],
r - gęstość wody [kg/l], ∆t - spadek temperatury wody w parowniku
[K].
Ilość potrzebnego ciepła, jaką ma dostarczyć pompa ciepła można wyznaczyć z zależności:

gdzie W jest mocą silnika elektrycznego
napędzającego pompę.

4.3 Ciepło gruntu (gleby). Ciepło
gruntu jest często wykorzystywane jako
dolne źródło ciepła. Na głębokości
około 10 m temperatura gruntu jest
praktycznie stała i wynosi 9 ÷ 10 oC.
W gruncie istnieją dwa strumienie ciepła: jeden pochodzący z wnętrza Ziemi,
którego wartość wynosi około 5 W/m2 i drugi pochodzący od Słońca o natężeniu rzędu 800 W/m² (zależnie od
pory roku i pogody). Z uwagi na przemarzanie
gruntu i pomijalną wartość
strumienia ciepła z wnętrza Ziemi, głębokość układania wężownicy poziomej
w gruncie sprowadza się praktycznie
do głębokości tuż poniżej warstwy
jego przemarzania. Dla naszych warunków klimatycznych na głębokości 1 do
2 metrów temperatura gruntu zmienia
się sinusoidalnie w przekroju rocznym
i wynosi około 17oC w lipcu i około
5oC w styczniu.
Obliczanie poboru ciepła z gruntu
przez wężownicę nie może być dokładne,
ponieważ przewodzenie ciepła
przez grunt zależy od jego struktury,
wilgotności, rodzaju gleby, od tego czy
grunt jest pierwotny czy wzruszony,
piasek, glina itd. oraz od czasu pracy
pompy ciepła w cyklu dobowym. Materiałem na wężownice ułożone w gruncie
obecnie są tworzywa sztuczne-rury
polietylenowe, polipropylenowe, polibutylenowe,
cienkościenne. Średnice
rur 3/4", 1", 11/4", 11/2" i 2".
Jeżeli nie dysponuje się dostatecznie
dużym terenem na ułożenie wężownicy
w gruncie (do ogrzewania budynku
potrzeba około 3 razy większą powierzchnię niż powierzchnia mieszkalna),
wtedy można zastosować:

4.4 Pionowy gruntowy wymiennik
ciepła. W zależności od sposobu wykonania,
pionowe wymienniki gruntowe
można podzielić na:
- typu U,
- z przepływem przeciwbieżnym,
- z przepływem koncentrycznym.
Rury umieszczane są do głębokości 30
do 50 m. Działanie wymiennika jest
podobne, jak w przypadku układu poziomego.
Wymiennik pionowy osiąga
wyższą sprawność cieplną od wymiennika
poziomego i zajmuje mniej miejsca.
W gruntowych wymiennikach ciepła, temperatura źródła może spadać
poniżej zera Celsjusza, wobec tego
nośnikiem przenoszącym ciepło do
parownika musi być ciecz niskokrzepnąca, którą obecnie jest wodny roztwór
glikolu etylenowego, propylenowego,
spirytusu metylowego (temperatura
krzepnięcia tych roztworów jest zależna od ich stężeń).

4.5 Wężownica dolnego źródła na
dnie stawu lub jeziora. Wężownicę
wykonaną z tworzywa sztucznego
umieszcza się (zakotwiczoną) w wodzie
nad dnem stawu lub jeziora.
Wybór jednego z przedstawionych
wyżej, dolnego źródła ciepła zależy od
warunków terenowych: dostępności do
wody, wielkości powierzchni terenu,
rodzaju gleby a nawet skały i typu instalacji
od strony pompy ciepła. Te informacje
pomogą podjąć decyzję i dokona
ć wyboru najbardziej pewnego i
uzasadnionego ekonomicznie rozwiązania.

5. POMPY CIEPŁA W GOSPO- DARCE SKOJARZONEJ
Pompy ciepła w gospodarce skojarzonej
charakteryzują się wysokimi wartościami współczynnika wydajności
cieplnej. W klasycznej pompie ciepła
wykorzystujemy ciepło z górnego źródła ciepła. Jeżeli jednocześnie wykorzystywane
będzie ciepło dolnego i
górnego źródła pompy ciepła, to znaczy
pompa będzie jednocześnie grzała
i chłodziła, wtedy mamy gospodarkę
skojarzoną pompy ciepła. Przykładami
gospodarki skojarzonej są:

Pompy ciepła w mleczarniach. Odprowadzane
ciepło podczas chłodzenia mleka (dolne źródło ciepła) wykorzystywane jest do podgrzewania wody potrzebnej
do celów technologicznych, mycia itd. Następnym przykładem są pompy w zakładach przetwórstwa mięsnego. Ciepło odprowadzane z komór
chłodniczych mięsa i wędlin, po przejściu przez pompę ciepła jest wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń (CO) i przygotowania ciepłej wody użytkowej
(CWU).
Współczynnik wydajności cieplnej pomp ciepła w
gospodarce skojarzonej będzie:

gdzie:
Qco - ciepło dostarczone przez pompę ciepła do
centralnego ogrzewania,
Qcwu - ciepło dostarczone przez pompę ciepła do ciepłej wody użytkowej.
Z zależności tej wynika, że współczynnik wydajności cieplnej pompy ciepła w gospodarce skojarzonej
można opisać zależnością:

Przykładem pompy ciepła w gospodarce skojarzonej
może być nowoczesna instalacja w Zakładach
Przetwórstwa Mięsnego w Sierakowicach k/Gdańska wykonana przez firmę Hibernatus z Wadowic.
Dane techniczne:
Typ pompy ciepła: ”Hibernatus” W29W3×2
Moc grzewcza: 156 kW
Moc chłodnicza: 110 kW
W skład instalacji wchodzą również dwie studnie
wody służące do przystosowania instalacji do zmiennych
warunków zapotrzebowania ciepła lub „zimna”, na przykład latem, gdy nie jest potrzebne ciepło
do ogrzewania (CO). Są to studnie: czerpna i zrzutowa.
Studnia czerpna służy jako uzupełnienie dolnego
źródła ciepła, a zrzutowa do zrzutu nadmiaru
ciepła z instalacji. Instalacja pompy ciepła jest w pełni
zautymatyzowana, sterowana przez komputer i pracuje
już 6 lat ku zadowoleniu inwestora.

Autor: Antoni CHŁOPECKI
Źródło:



LITERATURA:
[1] Cube H.L.: Steime Waermepumpen. Grundlagen
und Praxis. VDI-Verlag, Duesseldorf, 1977.
[2] TEZAM. Porównanie rocznych kosztów ogrzewania
wolnostojącego budynku o powierzchni
120 m2 ze standardową izolacją cieplną, IV 1995.
[3] Faningar G.: Erdekopelte Waermepumpen . Die
Waermepumpentechnik in der aktuellen Umwelt- und Energiesituation,
Oesterreichisches Forschungszentrum, Seibersdorf,
Oesterreich, 1991.
[4] Recknagel, Sprenger, Honmann, Schramek: OGRZEWANIE
+ KLIMATYZACJA, Wyd. EWFE Gdańsk 1994.
[5] .Murator., 1998, nr 1.
[6] Sabroe Industrie . Waermepumpe.
[7] Pompy ciepła „HIBERNATUS”. Wytyczne projektowe.