Politechnika

Białostocka

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Katedra Ciepłownictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

Ć

wiczenie nr 6

Laboratorium z przedmiotu:

„Alternatywne źródła energii”

Kod:

Ś

C3066

Opracowała:

mgr inż. Anna Werner-Juszczuk

luty 2015

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

2

1.

Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności pomiędzy wskaźnikiem efektywności

COP a temperaturą źródła górnego pompy ciepła typu woda-woda.

2.

Podstawy teoretyczne

2.1. Pompa ciepła

Pompą ciepła określa się maszynę cieplną, która odbiera ciepło Q

d

ze źródła

o temperaturze niższej T

d

(źródło dolne) i przekazuje go (Q

g

) do źródła o temperaturze

wyższej T

g

(źródło górne), kosztem doprowadzanej pracy zewnętrznej W (tzw. proces

podnoszenia potencjału cieplnego).

Rys. 1. Schemat działania silnika cieplnego, pompy ciepła oraz chłodziarki* [1]

*Powszechnie przyjmuje się, że ciepło które układ przyjmuje z otoczenia jest dodatnie, natomiast ciepło które
układ oddaje jest ujemne. Praca, która jest doprowadzana do układu (pobierana przez układ) jest ujemna,
a praca odprowadzana przez układ wykonywana przez układ) jest dodatnia.

Jak widać na rysunku 1, zasada działania chłodziarki i pompy ciepła jest taka sama.

Różnicą jest cel działania, którym w przypadku chłodziarki jest odprowadzenie ciepła
od źródła o niższej temperaturze, a nie dostarczenie ciepła, jak w przypadku pompy ciepła,
oraz wartości temperatur przy których obiegi są realizowane. W praktyce obie te funkcje
mogą być wykonywane przez jedno urządzenie, które będzie dostarczać ciepło
(do ogrzewania budynku) lub chłód (do schładzania pomieszczeń) w zależności od potrzeb.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

3

Ze względu na sposób podnoszenia potencjału cieplnego (transportu ciepła) wyróżnia

się pompy ciepła:

•

sprężarkowe (sprężarki tłokowe, rotacyjne, śrubowe, spiralne, przepływowe),

•

absorpcyjne,

•

termoelektryczne.

W praktyce najczęściej stosowane są sprężarkowe pompy ciepła, których schemat

ideowy przedstawiono na rysunku 2, realizujące termodynamiczny obieg Lindego (tzw. obieg
sprężania pary).

Rys. 2. Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła. S – skraplacz, Sp – sprężarka,

P – parownik, ZR – zawór rozprężny

Rys. 3. Obieg Lindego w układach T–s, p–h

Symbole 1-4, na rysunkach 2 i 3 oznaczają poszczególne stany czynnika roboczego,

realizującego obieg termodynamiczny, na który składają się następujące procesy:

1 – 2 → izentropowe sprężanie od pary nasyconej do pary przegrzanej,
2 – 3 → wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest

oddawane w skraplaczu, przejście ze stanu pary przegrzanej do cieczy nasyconej,

3 – 4 → dławienie w zaworze rozprężnym, do momentu gdy P

4

=P

3

przy h

4

=h

3

,

4 – 1 → wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest

pobierane w parowniku, przejście ze stanu mieszaniny cieczy z parą do stanu pary
nasyconej.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

4

2.2. Charakterystyki pomp ciepła

Poszczególne elementy instalacji pompy ciepła, głównie sprężarka oraz wymienniki

ciepła (skraplacz i parownik), charakteryzują się dużą zdolnością do samoregulacji. Oznacza
to, że samorzutnie dostosowują warunki pracy do zmiennych warunków, głównie
temperaturowych. Stąd istnieje potrzeba wyznaczania statycznych charakterystyk pomp
ciepła, które określają zależność mocy cieplnej od parametrów dolnego i górnego źródła
ciepła i które stanową podstawę do doboru pomp ciepła oraz analizy współpracy pomp ciepła
z instalacjami c.w.u. i c.o..

Producenci w kartach katalogowych podają jedną wartość mocy cieplnej pompy

w standardowych warunkach pracy, czyli przy nominalnej temperaturze źródła dolnego
(temperatura nośnika dopływającego do parownika) i nominalnej temperaturze źródła
górnego (temperatura nośnika odpływającego ze skraplacza). Temperatury standardowe
dolnego źródła ciepła, dla powietrza zewnętrznego wynoszą 10, 7, 2, -7, -15°C, dla wody
10°C, dla solanki/glikolu 0°C, 7°C. W przypadku źródła górnego, temperatura standardowa
dla powietrza odpływającego ze skraplacza wynosi 20°C, dla wody 35, 45, 55°C. Oznaczenia
parametrów pompy ciepła podawane są w kartach katalogowych zgodnie ze wzorcem:
np. B0/W35°C oznacza, że jest to pompa systemu solanka/woda, temperatura solanki przed
parownikiem wynosi 0°C, a temperatura wody za skraplaczem 35°C. Pompy ciepła
najczęściej pracują przy temperaturach innych niż standardowe, co zmusza projektantów do
ż

mudnych przeliczeń ich parametrów. W związku z tym istnieje potrzeba podawania

charakterystyk pomp ciepła w całym zakresie ich stosowania, nie tylko w warunkach
standardowych.

Oprócz charakterystyk pompy ciepła, konieczna jest znajomość charakterystyk

hydraulicznych wymienników ciepła parowacza i skraplacza, w celu zwymiarowania
instalacji i doboru pozostałych elementów instalacji (pompy obiegowe, wentylatory).
Charakterystyka statyczna sprężarek określa zależność pomiędzy mocą cieplną uzyskiwaną
w skraplaczu a parametrami źródła dolnego i górnego – temperaturą parowania i skraplania.

3.

Metodyka badań

3.1.

Budowa stanowiska

Rys. 4. Główne elementy stanowiska badawczego:1 – pompa ciepła z wymiennikami typu

woda–woda, powietrze–woda, powietrze–powietrze, woda–powietrze, 2 – jednostka sterująca,

3 – komputer

1

2

3

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

5

1 – sprężarka

7 - zawór czterodrogowy AVS-1

2 – skraplacz powietrzny

8 – zbiornik akumulujący czynnik chłodniczy

3 – skraplacz wodny

9 – filtr

4 – parownik powietrzny

10 – separator cieczy

5 – parownik wodny

11 – zawór bezpieczeństwa

6 - zawór rozprężny AVEX-1

Rys. 5. Schemat pompy ciepła

3.2.

Oznaczenia

1)

Pomiar ciśnienia

SP-1 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki

SP-2 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki

M-1 manometr na wyjściu ze sprężarki

M-3 manometr za zaworem rozprężnym

M-2 manometr na wyjściu ze skraplacza

M-4 manometr na wejściu do sprężarki

2)

Pomiar przepływu

SC-1 czujnik przepływu czynnika chłodniczego

SC-2 czujnik przepływu wody przez skraplacz wodny

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

6

SC-3 czujnik przepływu wody przez parownik wodny

3)

Pomiar temperatury

ST-1

temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki

ST-2

temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza

ST-3

temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika

ST-4

temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki

ST-5

temperatura wody na wejściu do skraplacza wodnego i parownika wodnego

ST-6

temperatura wody na wyjściu ze skraplacza wodnego

ST-7

temperatura wody na wyjściu z parownika wodnego

ST-8

temperatura powietrza w pomieszczeniu (temperatura na wejściu do parownika

powietrznego i skraplacza powietrznego)

ST-9

temperatura powietrza na wyjściu ze skraplacza powietrznego

ST-10

temperatura powietrza na wyjściu z parownika powietrznego

4)

Zawory regulacyjne

AEAI-1

zawór na wejściu do parownika powietrznego służący do regulacji strumienia

powietrza przez parownik (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej)

ACAI-1

zawór na wejściu do skraplacza powietrznego służący do regulacji strumienia

powietrza przepływającego przez skraplacz (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji

komputerowej)

AEWI-1

zawór do regulacji przepływu wody przez parownik wodny

ACWI-1

zawór do regulacji przepływu wody przez skraplacz wodny

AVS-3

zawór do wyboru powietrza jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powietrznego)

AVS-4

zawór do wyboru wody jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego)

AVS-5

zawór do wyboru wody jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego)

AVS-6

zawór do wyboru powietrza jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza powietrznego)

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

7

3.3.

Metodyka pomiarów

1)

Za pomocą zaworu AVS-4 wybrać wodę jako dolne źródło ciepła (wybór
parownika wodnego)

2)

Za pomocą zaworu AVS–5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór
skraplacza wodnego).

3)

Uruchomić jednostkę sterującą.

4)

Uruchomić aplikację komputerową (przycisk START na panelu roboczym).

5)

Za pomocą zaworu AEWI-1 ustawić przepływ wody przez parownik na poziomie
zadanym przez prowadzącego.

6)

Za pomocą zaworu ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie
zadanym przez prowadzącego.

7)

Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM.

8)

Odczekać, aż układ się ustabilizuje dokonując co 3 minuty odczytu wartości
określonych w tabeli 1.

9)

Po ustabilizowaniu się układu odczytać wskazania określone w tabeli 2.

10)

Utrzymując stały przepływ przez parownik wodny, zredukować przepływ wody
przez skraplacz o wartość wskazaną przez prowadzącego.

11)

Odczekać, aż system się ustabilizuje.

12)

Powtórzyć czynności 4-6 czterokrotnie, aż przepływ wody przez skraplacz
osiągnie wartość 1 l/min.

13)

Wyniki zapisać w tabeli 2.

14)

Po zakończeniu odczytów wyłączyć sprężarkę.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

8

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów

t

1

t

2

t

3

t

4

t

5

t

6

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

gdzie: T – czas pomiaru

Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów

1

2

3

4

5

6

Energia zużyta przez sprężarkę

[ ]

Temperatura wody na wejściu do skraplacza i
do parownika ST-5

[ ]

Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza
ST-6

[ ]

Temperatura wody na wyjściu z parownika
ST-7

[ ]

Przepływ przez skraplacz SC-2

[ ]

Przepływ wody przez parownik SC-3

[ ]

Gęstość wody na wyjściu ze skraplacza

[ ]

Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń

1

2

3

4

5

6

Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza
ST-6 T

g

[ ]

Współczynnik efektywności COP

[ ]

Imię i nazwisko studenta:


Data wykonania ćwiczenia:

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

9

3.4.

Analiza wyników badań

1)

Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć współczynnik COP

•

Moc grzewcza pompy ciepła

(

)

2

1

J

s

p

Q

m c

T

T

 

= ⋅ ⋅

−

 

 

&

(1)

gdzie:

m

&

- przepływ masowy wody przez skraplacz, kg/s,

p

c

- ciepło właściwe wody 4180

⋅

J

kg K

,

1

T

- temperatura wody na wejściu do skraplacza, °C,

2

T

- temperatura wody na wyjściu ze skraplacza, °C.

Uwaga: Przepływ objętościowy należy przeliczyć na przepływ masowy. Przyjąć gęstość wody
na wyjściu ze skraplacza.

•

Współczynnik efektywności COP

[ ]

=

−

Q

COP

W

(1)

gdzie: Q – moc grzewcza pompy ciepła, J/s,

W – moc napędowa sprężarki, J/s.

2)

Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 2.

3)

Na podstawie wyników sporządzić wykresy:

•

zależność pomiędzy wskaźnikiem efektywności pompy ciepła COP a temperaturą
ź

ródła górnego

(T

g

- T

d

)

,

•

zależność pomiędzy temperaturą źródła górnego T

g

a przepływem wody przez

skraplacz.

3.5.

Wnioski

1)

Dlaczego bierze się pod uwagę temperaturę wody na wyjściu ze skraplacza, a
nie temperaturę wody na wejściu do skraplacza?

2)

Opisać zależność pomiędzy COP a (T

g

- T

d

).

3)

Opisać zależność pomiędzy T

g

a przepływem wody przez skraplacz.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 6

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury

górnego źródła ciepła

10

4.

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:

1)

Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć

wiczenia, datę wykonania ćwiczenia,

2)

Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:

a)

cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

b)

opis rzeczywistego stanowiska badawczego,

c)

przebieg realizacji eksperymentu,

d)

wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,

e)

wykresy i charakterystyki,

f)

zestawienie i analiza wyników badań.

3)

Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków.

5.

Wymagania BHP

Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni

(na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.

W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów

porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.

Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy

wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.

Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach

elektrycznych bez polecenia prowadzącego.

6.

Literatura

1)

Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna

w budownictwie", Warszawa, 2006

2)

Rubik M.: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej : monografia.

MULTICO Warszawa, 2011

3)

Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydaw.

Komunikacji i Łączności Warszawa, 2011

4)

Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Polska Ekologia,

Warszawa, 2003

5)

PN-EN 14825:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła, ze sprężarkami

o napędzie elektrycznym, do ogrzewania i chłodzenia - Badanie i charakterystyki
przy częściowym obciążeniu

6)

PN-EN 14511:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami

o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia