background image

 

                              

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 

 

 

 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

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. 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

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. 

 
 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

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 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

 

 

 

1 – sprężarka 

7 - zawór czterodrogowy AVS-1 

2 – skraplacz powietrzny 

– 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 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

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) 

 
 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

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. 

 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

 

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów 
 

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 

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 

Temperatura  wody  na  wyjściu  ze  skraplacza 
ST-6 T

g

 

[       ]   

 

 

 

 

 

Współczynnik efektywności COP 

[       ]   

 

 

 

 

 

 
 
 
Imię i nazwisko studenta: 
 
 
Data wykonania ćwiczenia: 
 
 
 
 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 6 

Katedra Ciepłownictwa 

 

Sprawność pompy ciepła w funkcji temperatury  

 

 

górnego źródła ciepła 

 

 

 
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. 

background image

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