Badanie pompy ciepła

1. Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła umożliwia uzyskanie ciepła np. z otoczenia i następnie wykorzystanie go na wyższym poziomie temperatury do celów grzewczych.

Urządzenie to odbiera energię cieplną z ośrodka o niższej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej. Celem pracy pompy ciepła może być dostarczenie ciepła do jej źródła górnego (cele grzewcze), lub jak w przypadku chłodziarki (klimatyzacji) odebranie ciepła ze źródła dolnego. W zależności od zakresu temperatur, w jakich ma pracować pompa ciepła dobiera się czynnik o odpowiednich parametrach (inne są wartości temperatury parowania i kondensacji).

Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła (pobierającej ciepło od otoczenia) i chłodziarki.

Q0 - ciepło odebrane ze źródła dolnego, L - energia potrzebna do pracy pompy, Q - ciepło dostarczone do źródła górnego

Przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze wymaga, zgodnie z podstawowymi prawami termodynamiki,

dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz (w formie pracy lub ciepła). Większość najbardziej popularnych sprężarkowych parowych pomp ciepła jest napędzana silnikiem elektrycznym.

Dolne źródło ciepła dostarcza do parownika pompy ciepła energię niezbędną do zmiany stanu skupienia czynnika roboczego. Czynnik roboczy odparowuje pobierając ciepło od źródła dolnego, a następnie jest sprężany. Sprężanie powoduje wzrost ciśnienia i temperatury czynnika roboczego. Kolejno w skraplaczu ma miejsce skroplenie czynnika i oddanie ciepła użytecznego (np. do ogrzewania pomieszczeń).

Zawór rozprężający następnie rozpręża czynnik, czemu towarzyszy obniżenie jego ciśnienia i temperatury, po czym jest on ponownie kierowany do parownika zamykając obieg.

1

Uproszczony schemat funkcjonowania sprężarkowej pompy ciepła

2

Wielkości charakteryzując pompę ciepła pod względem energetycznym jest

współczynnik

wydajności

obiegu

termodynamicznego

wstecz,

zwany

współczynnikiem wydajności cieplnej pompy. Jest on ilorazem wielkości ciepła odbieranego na poziomie źródła górnego do energii napędowej pompy ciepła.

Współczynnik ten jest tym wyższy, im więcej ciepła można odprowadzić z układu w

górnym źródle i mniejsza jest praca niezbędna do napędu sprężarki pompy ciepła, co określa zależność:

Współczynnik wydajności cieplnej pompy (efektywność pompy ciepła) jest tym wyższy im niższa jest różnica temperatur pomiędzy źródłem górnym i dolnym.

Powoduje to, że systemy grzejne z pompami ciepła powinny być projektowane i wykonywane jako niskotemperaturowe. Wtedy współczynnik wydajności obiegu jest

największy (stosunkowo wysoka temperatura dolnego źródła – grunt, i niska temperatura górnego źrodła - ogrzewanie wodne podłogowe).

2. Elementy pompy ciepła

Pompa ciepła jako zespół urządzeń składa się z następujących elementów:

• sprężarka,

• skraplacz,

3

• parownik,

• urządzenie dławiące.

Parowniki. W parowniku czynnik roboczy odparowuje (pobierając ciepło parowania) przejmując ciepło od otoczenia (źródła dolnego). Dla małych mocy stosowane są wymienniki ciepła dwururowe; dla większych płaszczowo-rurowe lub płytowe.

Parownik może być umieszczony bezpośrednio w źródle ciepła (powietrzu, wodzie, gruncie). Przy zastosowaniu systemu pośredniego, woda lub solanka jako nośniki ciepła odbierają ciepło od otoczenia i przekazują je w parowniku do czynnika roboczego.

Sprężarki. W sprężarkowych pompach ciepła stosowane są sprężarki tłokowe o napędzie elektrycznym oraz, w małym zakresie, rotacyjne. Stosowanie napędu za pomocą silnika gazowego lub wysokoprężnego jest celowe jedynie przy dużych mocach - ponad 100 kW. W większych obiektach stosuje się również sprężarki odśrodkowe i śrubowe, gdzie jest możliwy do zastosowania napęd zarówno silnikiem elektrycznym, jak i gazowym lub wysokoprężnym.

Skraplacze. W skraplaczu, w wyniku skroplenia czynnika roboczego ciepło skraplania zostaje oddane od czynnika roboczego do ciepłej wody lub ciepłego powietrza. Do ogrzewania wody stosuje się skraplacze dwururowe, a dla większych

mocy - skraplacze płaszczowo-rurowe. Do ogrzewania powietrza stosuje się typowe

systemy żeberkowo-rurowe.

Urządzenia dławiące: Są to termostatyczne zawory rozprężne, a przy dużych mocach regulatory poziomu.

Regulatory: Najczęściej stosowana jest regulacja dwupunktowa uzależniona od temperatury zewnętrznej lub temperatury w przewodzie powrotnym z przekaźnikiem

czasowym dla uniknięcia częstego włączania i wyłączania.

Czynniki robocze: stosowane są najczęściej specjalne związki i substancje chemiczne na bazie chloru lub freonu, które łatwo ulegają zmianom stanu skupienia.

Na ogół pompa ciepła o mniejszej mocy stanowi zintegrowany blok składający się z podstawowych

elementów:

sprężarki,

zaworu

rozprężającego,

parownika,

kondensatora). Ilustruje to przykład pompy ciepła typu grunt/solanka/woda. Do typowego bloku podstawowego dołącza się indywidualnie wymiennik ciepła z solanką i obieg centralnego ogrzewania. Solanka, oddająca ciepło czynnikowi roboczemu pompy ciepła w jej parowniku, cyrkuluje w wymienniku ciepła umieszczonym w gruncie.

4

Schemat ideowy pompy ciepła typu grunt/solanka/woda

3. Zastosowanie pomp ciepła

Najczęstsze zastosowania dla pomp ciepła to:

• Ogrzewania domów jednorodzinnych Pompy ciepła mają zastosowanie

zarówno w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania. W przypadku

ogrzewania domów jednorodzinnych mają moce od kilku do kilkunastu

kilowatów na poziomie źródła górnego. Pompy w systemach grzewczych

w domach jednorodzinnych są na ogół pompami sprężarkowymi, głównie ze

sprężarkami tłokowymi, napędzanymi silnikami elektrycznymi. Większość

z nich pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego. Często pompy te

współpracują z innymi systemami ogrzewania np. z elektrycznym lub

centralnym, włączonym szeregowo lub równolegle. Znaczna ich część działa zimą jako pompa ciepła, latem jako urządzenie klimatyzacyjne. Stosowane są

głównie w domach jedno i dwurodzinnych.

• Ogrzewania większych pomieszczeń

o

osiedli lub wody dla tych osiedli,

o

biurowców,

o

obiektów sportowych,

o

magazynów handlowych,

o

hal przemysłowych.

• Podgrzewanie wody w basenach kąpielowych. Dla mniejszych basenów

stosowane są pompy o zwartej (kompaktowej) budowie. Zazwyczaj są to

pompy sprężarkowe, ze sprężarkami tłokowymi. źródłem dolnym może być

powietrze

atmosferyczne

lub

wody

powierzchniowe

i

podziemne.

Możliwe jest również efektywne podwójne wykorzystanie chłodziarki, gdy

istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepło i zimno np. w przypadku, gdy

obok podgrzewanego basenu znajduje się lodowisko lub gdy w pływalni

wilgotność powietrza obniżana jest za pomocą skraplania, a jednocześnie

potrzebne jest ciepło do ogrzewania hali lub basenu kąpielowego.

• Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej

4. Dolne źródła ciepła pompy ciepła

5

Efektywność działania pompy ciepła zależy od poprawności doboru jej typu do warunków, w których pracuje. Warunki te określone są poprzez parametry dolnego i górnego źródła ciepła.

Często określa się typ pompy poprzez podanie rodzajów medium (czynnika) górnego

i dolnego źródła ciepła. Dlatego stosuje się takie nazwy jak: pompa ciepła typu woda

- woda, grunt - woda, powietrze - woda itp. Nazwy te opisują odpowiednio rodzaj ośrodka dolnego, z którego ciepło jest pobierane, oraz rodzaj drugiego, górnego ośrodka, do którego ciepło jest oddawane, tj. z reguły do obiegu grzewczego.

Podział dolnych źródeł ciepła przedstawia się w następujący sposób:

źródła odnawialne, w tym:

• powietrze zewnętrzne

• wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy)

• wody gruntowe

• wody geotermalne

• grunt

• promieniowanie słoneczne

źródła wewnętrzne, tzw. odpadowe, w tym:

• powietrze i gazy odlotowe,

• woda odpadowa,

• ścieki,

• woda chłodnicza.

W przypadku systemów grzewczych w budownictwie jednorodzinnym stosuje się przeważnie pompy ciepła wykorzystujące źródła odnawialne jako dolne źródło ciepła.

Dolne źródło ciepła powinno się charakteryzować:

• dużą pojemnością cieplną,

• możliwie wysoką i stałą w czasie temperaturą,

• łatwą dostępnością,

• brakiem zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować uszkodzenie elementów

parownika,

• niskimi kosztami wykonania instalacji (ujęcia).

6

Możliwe źródła ciepła przy wykorzystaniu pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń Pompa ciepła stanowi instalację, która umożliwia wykorzystanie praktycznie nieograniczonych zasobów energii odnawialnej oraz odpadowej (promieniowanie słoneczne, energia geotermalną itp.). W pompie ciepła zachodzi proces

podnoszenia potencjału cieplnego, tj. proces pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej T0 i przekazywania go do środka o temperaturze wyższej Tg w

celu

praktycznego

wykorzystania.

Obecnie

najczęściej

stosowane są sprężarkowe

pompy

ciepła,

w

których

sprężarki

są

napędzane

silnikami elektrycznymi oraz

duże,

absorpcyjne

pompy

ciepła, napędzane ciepłem

odpadowym.

Miarą

efektywności

energetycznej

pompy ciepła j jest stosunek

mocy cieplnej Qg otrzymanej

w górnym źródle o temp. Tg

do

mocy

zużywanej

do

napędu sprężarki N.

Energetyczna efektywność pompy ciepła zależy przede wszystkim od poziomu oraz

różnicy temperatury źródeł ciepła. W związku z tym najkorzystniejszym obszarem zastosowania pomp ciepła są ogrzewania niskotemperaturowe oraz instalacje c.w.u.

7

Orientacyjne wartości współczynnika wydajności grzejnej sprężarkowych pomp ciepła zależą od rodzaju źródła ciepła niskotemperaturowego i rodzaju zasilanej instalacji.

W

przypadku

pomp

ciepła,

w

których

źródłem

ciepła

niskotemperaturowego jest grunt, współczynnik j przyjmuje następujące wartości:

- ogrzewanie podłogowe (tz = 50°C) φ = 3,5÷5,5 (oznacza to, że z 1 kWh energii elektrycznej otrzymuje się 3,5÷5,5 kWh ciepła)

- ogrzewanie konwekcyjne (tz = 60°C) φ = 2,5÷3,5

- instalacje c.w.u. (tc.w.u. = 45°C) φ = 3,5÷4,0

Powyższe wartości φ określono w odniesieniu do energii elektrycznej i aby porównać pompę ciepła z tradycyjnymi źródłami ogrzewania (piec, kocioł c.o. itp.) należy odnieść tę wartość do energii zawartej w paliwie pierwotnym, tj. uwzględnić wszystkie straty występujące w procesie wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej.

Rys. 3. Sprężarkowa pompa ciepła:

a) ideowy schemat,

b) wykres obiegu teoretycznego w układzie współrzędnych ciśnienie - entalpia; 1 -

agregat sprężarkowy; 2 - parowacz; 3 - zawór rozprężny; 4 - skraplacz

4. Przebieg ćwiczenia

Dane znamionowe pompy ciepła:

Moc cieplna przy temp. 18oC

P = 3520 W

Moc cieplna przy temp. 30oC

P = 3960 W

Moc elektryczna (dla chłodzenia)

P = 1310 W

Moc elektryczna (dla grzania)

P = 1360 W

Schemat połączeń.

8

W

A

V

PC

Tabele pomiarowe (dla grzania i chłodzenia)

Nr.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Śred.

Kanału

V

(m/s)

T

(oC)

Wyznaczenie efektywności pompy ciepła.

PQ

ϕ = P el

P = ρ * V * c * T − T

Q

w

2

1

gdzie:

ρ - gęstość powietrza[kg/m3],

cw – ciepło właściwe powietrza[kJ/(kg K)],

V = vśr * s [(m/s) *m2]

s = 297 cm2

Pel =

U =

I =

5. Wnioski.

9