Politechnika

Białostocka

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Katedra Ciepłownictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Sprawność energetyczna pomp ciepła

z wymiennikami typu woda-woda i powietrze-woda

Ć

wiczenie nr 5

Laboratorium z przedmiotu:

„Alternatywne źródła energii”

Kod: ŚĆ3066

Opracowała:

mgr inż. Anna Werner-Juszczuk

luty 2015

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

2

1.

Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie i porównanie współczynników efektywności COP

pomp ciepła z wymiennikami typu woda-woda i powietrze-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 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

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 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

4

2.2.

Ź

ródło ciepła

Istotnym elementem instalacji pompy ciepła są źródła ciepła:

•

niskotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło dolne), z którego pobierane jest ciepło w
celu odparowania czynnika w parowniku,
oraz

•

wysokotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło górne), które odbiera ciepło powstające
w wyniku skraplania się czynnika w skraplaczu.

Niskotemperaturowe źródła ciepła powinny charakteryzować się następującymi

właściwościami:

•

duża pojemność cieplna,

•

stabilna i wysoka temperatura,

•

ś

rodowisko mało korozyjne w stosunku do elementów instalacji,

•

brak zanieczyszczeń powodujących powstawanie osadów,

•

dostępność,

•

niskie koszty wykonawstwa instalacji.

Jako źródła niskotemperaturowe można wykorzystać tzw. ciepło odpadowe,

do którego zalicza się

•

powietrze i gazy,

•

ś

cieki,

•

woda chłodząca w procesach przemysłowych,

oraz źródła odnawialne (naturalne) takie jak

•

powietrze atmosferyczne,

•

grunt (warstwy przypowierzchniowe i głębokie),

•

promieniowanie słoneczne,

•

woda powierzchniowa,

•

woda gruntowa i głębinowa,

•

woda geotermalna,

•

woda morska.

Przykładem wykorzystania ciepła odpadowego jest ciepło pochodzące z urządzeń

klimatyzacyjnych, z instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych czy procesów
technologicznych np. suszenia. W związku z problemami związanymi z dostępnością ciepła
odpadowego, w budynkach jedno- i wielorodzinnych najczęściej wykorzystywane są źródła
odnawialne.

Ze względu na zastosowanie pomp ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania,

c.w.u. klimatyzacji i wentylacji, źródłem wysokotemperaturowym są najczęściej powietrze
i woda.

W przypadku niektórych źródeł ciepła (grunt, silnie korozyjna woda) konieczne jest

zastosowanie nośników ciepła w celu przekazania ciepła do parownika. W praktyce jako
nośniki ciepła wykorzystuje się:

•

wodę (gdy nie ma zagrożenia zamarznięcia nośnika w instalacji),

•

wodne roztwory glikoli (propylenowego lub etylenowego) – ciecze o niskiej temperaturze
krzepnięcia,

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

5

•

wodne roztwory soli (solanka) – stosowane bardzo rzadko, ze wglądu na dużą
korozyjność w stosunku do instalacji.

W zależności od rodzaju wybranego nośnika ciepła nisko- i wysokotemperaturowego,

pompy ciepła klasyfikuje się zgodnie z normą PN-EN 14511-1:2012 (tab. 1)

Tabela 1. Klasyfikacja pomp ciepła wg PN-EN 14511-1:2012

Nośnik ciepła

Oznaczenie

Ź

ródło dolne

Ź

ródło górne

woda

woda

W/W

solanka/glikol

woda

B/W

powietrze

woda

A/W

woda

powietrze

W/A

solanka/glikol

powietrze

B/A

powietrze

powietrze

A/A

Wybór źródła i nośnika ciepła wpływa na konstrukcję wymienników ciepła skraplacza

i parownika. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest ciecz, stosowane są wymienniki
płaszczowo-rurowe, spiralne lub płytowe. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest powietrze,
parownik i skraplacz stanowi zespół równoległych połączonych ze sobą wężownic, które
od strony powietrza są wyposażone w żebra lamelowe lub nawijane.

2.3.

Sprawność pompy ciepła

Energetyczny bilans cieplny pompy ciepła można zapisać w postaci:

0

=

+

Q

Q

W

(1)

gdzie: Q – ilość ciepła oddawana w skraplaczu,

Q

0

– ilość ciepła pobranego w parowniku,

W – praca dostarczona do sprężarki.

Parametrem charakteryzującym wydajność cieplną pompy ciepła jest sprawność

energetyczna obiegu grzejnego, którą wyraża się stosunkiem bezwzględnej wartości ciepła
odprowadzanego od czynnika wykonującego obieg w skraplaczu do bezwzględnej wartości
pracy zewnętrznej obiegu:

0

0

=

1

W

W

+

=

= +

q

Q

W

Q

Q

W

ε

(2)

W normie PN-EN 14511:2012 sprawność energetyczna obiegu grzejnego jest

określana jako wskaźnik efektywności COP (Coefficient Of Performance), który jest
wyznaczany dla nominalnych parametrów pracy pompy ciepła. Przy obliczaniu COP
uwzględnia się nominalną temperaturę dolnego i górnego źródła ciepła oraz pobór prądu
urządzeń: sprężarki, pomp obiegowych, wentylatorów, automatyki itd. Współczynnik COP
stanowi podstawę do klasyfikacji energetycznej pomp ciepła i jest podawany przez
producentów w kartach katalogowych.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

6

W przypadku pomp ciepła pracujących także jako urządzenia chłodzące, określa się

dodatkowo sprawność energetyczną obiegu chłodniczego, którą stanowi stosunek mocy
chłodniczej urządzenia, czyli ciepło doprowadzone do czynnika wykonującego obieg
w parowniku do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu:

0

=

W

ch

Q

ε

(3)

Norma PN-EN 14511:2012 określa sprawność obiegu chłodniczego jako wskaźnik

wydajności energetycznej chłodniczej EER (ang. Energy Efficiency Ratio). W kartach
katalogowych pomp ciepła wskaźnik ten jest oznaczany także jako COP w trybie chłodzenia.

Norma PN-EN 14825:2012 wprowadza dodatkowe wskaźniki do oceny efektywności

energetycznej pomp ciepła m.in. referencyjny sezonowy wskaźnik efektywności
energetycznej SEER oraz sezonowy wskaźnik efektywności SCOP.

Współczynnik SCOP określa efektywność energetyczną pompy ciepła dla całego

sezonu grzewczego, a nie tylko dla nominalnych parametrów pracy. Jest wyrażony jako
stosunek rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, do całkowitej energii zużytej
na jego wytworzenie. Uwzględnia warunki klimatyczne, temperatury wewnętrzne
w pomieszczeniach, które są ogrzewane lub chłodzone oraz warunki techniczne urządzenia
i warunki jego eksploatacji. W przeciwieństwie do COP, w obliczeniach brany jest pod uwagę
pobór energii elektrycznej w różnych trybach pracy urządzenia (tryb wyłączonego termostatu,
tryb czuwania, trybie grzałki karteru).

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 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

7

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

SC-3 czujnik przepływu wody przez parownik wodny

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

8

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 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

9

3.3.

Metodyka pomiarów

Uwaga

W trakcie ćwiczeń realizowany jest obieg pompy ciepła określony na schemacie

strzałkami zielonymi i czarnymi.

Pompa ciepła z wymiennikiem typu woda-woda

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)

Za pomocą zaworu AEWI-1 ustawić przepływ wody przez parownik na poziomie 50%

maksymalnego przepływu.

4)

Za pomocą zaworu ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50%

maksymalnego przepływu.

5)

Uruchomić jednostkę sterującą 2.

6)

Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę „START”.

7)

Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM.

8)

Odczekać, aż układ się ustabilizuje, dokonując odczytu wskazań co 3 minuty (Tab.2)

9)

Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone

w tabeli 3.

10)

Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę.

Pompa ciepła z wymiennikiem typu powietrze-woda

1)

Za pomocą zaworu AVS-3 wybrać powietrze jako dolne źródło ciepła (wybór

parownika powietrznego)

2)

Za pomocą zaworu AVS

–

5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza

wodnego).

3)

Za pomocą pokrętła AEAI-1 na panelu roboczym ustawić przepływ powietrza przez

parownik na poziomie 50% maksymalnego przepływu.

4)

Za pomocą ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50%

maksymalnego przepływu.

5)

Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM.

6)

Odczekać, aż układ się ustabilizuje, dokonując odczytu wskazań co 3 minuty (Tab.2).

7)

Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone

w tabeli 4.

8)

Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

10

Zestawienie wyników

Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów

t

W/W

t

A/W

ST-5

ST-6

ST-5

ST-6

ST-8

gdzie: t – czas pomiaru

Tabela 3. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła woda

–

woda

Pompa ciepła woda-woda

Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę

[ ]

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

[ ]

Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6

[ ]

Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2

[ ]

Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła powietrze-woda

Pompa ciepła powietrze-woda

Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę

[ ]

Temperatura wody na wejściu do skraplacza ST-5

[ ]

Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6

[ ]

Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2

[ ]

Temperatura powietrza na wejściu do parownika ST-8

[ ]

Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeń

Pompa ciepła z

wymiennikiem

typu

woda

-

woda

powietrze

-

woda

COP [ - ]

Imię i nazwisko studenta:


Data wykonania ćwiczenia:

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

11

3.4.

Analiza wyników pomiarów

1)

Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć współczynniki COP dla dwóch
rozwiązań pomp ciepła korzystając z poniższych wzorów.

Wzory obliczeniowe – pompa ciepła woda-woda oraz powietrze-woda

•

Moc grzewcza pompy ciepła

(

)

2

1

J

s

 

=

⋅ ⋅

−

 

 

C

p

Q

M

c

T

T

(4)

gdzie:

C

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

(5)

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

W – moc napędowa sprężarki, J/s.

2)

Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 3.

3)

Na podstawie wyników sporządzić wykres słupkowy zależności COP (oś y)
od rodzaju źródła ciepła dolnego i górnego (oś x).

3.5.

Wnioski

1)

Czy współczynnik efektywności COP jest zawsze bezwymiarowy, dlaczego?

2)

Opisać jaki wpływ na wartość współczynnika COP ma zmiana rodzaju źródła dolnego.

3)

Porównać współczynniki COP pomp ciepła.

4)

Porównać otrzymane wartości współczynników COP z wartościami przedstawianymi

w kartach katalogowych pomp ciepła.

5)

Czym spowodowane są różnice pomiędzy wartościami COP otrzymanymi na

zajęciach, a wartościami określonymi w kartach katalogowych.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 5

Katedra Ciepłownictwa

Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu

woda-woda, powietrze-woda.

12

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