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 działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka: odbiera energię z
ośrodka o niskiej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej.
Celem pracy pompy ciepła jest dostarczenie ciepła do jej z
ródła górnego, a nie jak w
przypadku chłodziarki odebranie ciepła ze z
ródła dolnego. Pompa ciepła pracuje w
innym zakresie temperatur niż lodówka, przez co inne wymagania stawiane są
czynnikom roboczym (inne sÄ… temperatury parowania i kondensacji).
Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła (pobierającej ciepło od otoczenia) i chłodziarki.
Q0 - ciepło odebrane ze z
ródła dolnego, L - energia potrzebna do pracy pompy, Q - ciepło
dostarczone do z
ródła górnego
Przekazanie ciepła ze z
ródła o niższej temperaturze do z
ródła 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 z
ródło ciepła dostarcza do parownika pompy ciepła energię niezbędną do
zmiany stanu skupienia czynnika roboczego. Czynnik roboczy odparowuje pobierajÄ…c
ciepło od z
ródła dolnego, a następnie jest sprężany. Sprężanie powoduje wzrost
ciśnienia i temperatury czynnika roboczego. Kolejno w skraplaczu ma miejsce
skroplenie czynnika (schłodzenie) 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 zamykajÄ…c obieg.
1
Uproszczony schemat funkcjonowania sprężarkowej pompy ciepła
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 z
ródła górnego do energii napędowej pompy ciepła.
Współczynnik ten jest tym wyższy, im więcej ciepła można odprowadzić z układu w
górnym z
ródle i mniejsza jest praca niezbędna do napędu sprężarki pompy ciepła, co
określa zależność:
Współczynnik wydajności cieplnej pompy jest tym wyższy im niższa jest różnica
temperatur pomiędzy z
ródłem górnym i dolnym. Powoduje to, że systemy grzejne z
pompami ciepła powinny być projektowane i wykonywane jako niskotemperaturowe.
Wtedy współczynnik wydajności obiegu jest największy (np. przy ogrzewaniu
wodnym podłogowym).
2. Elementy pompy ciepła
Pompa ciepła jako zespół urządzeń składa się z następujących elementów:
" sprężarki,
" skraplacza,
" parownika,
" urządzenia dławiącego.
2
Parowniki. W parowniku czynnik chłodniczy odparowuje przejmując ciepło od
otoczenia (z
ródła dolnego). Dla małych mocy stosowane są wymienniki ciepła
dwururowe; dla większych płaszczowo-rurowe lub płytowe. Parownik może być
umieszczony bezpośrednio w z
ródle ciepła (powietrzu, wodzie). Przy zastosowaniu
systemu pośredniego, woda lub solanka jako nośniki ciepła odbierają ciepło od
otoczenia i przekazują je w parowniku do czynnika chłodniczego.
Sprężarki. W pompach ciepła do ogrzewania mieszkań 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, ciepło oddane od czynnika chłodniczego zostaje
przeniesione do ciepłej wody lub ciepłego powietrza za pomocą wymiennika ciepła.
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 przekaz
nikiem
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.
Schemat ideowy pompy ciepła typu grunt/solanka/woda
3
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 z
ródła 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 sÄ… pompy o zwartej (kompaktowej) budowie. Zazwyczaj sÄ… to
pompy sprężarkowe, ze sprężarkami tłokowymi. z
ródłem 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 z
ródła ciepła pompy ciepła
Efektywność działania pompy ciepła zależy od poprawności doboru jej typu do
warunków, w których pracuje. Warunki te określone są poprzez parametry dolnego i
górnego z
ródła ciepła.
Często określa się typ pompy poprzez podanie rodzajów medium (czynnika) górnego
i dolnego z
ródła ciepła. Dlatego stosuje się takie nazwy jak: pompa ciepła typu woda
- woda, grunt - woda, powietrze - woda itp. Nazwy te opisujÄ… 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 z
ródeł ciepła przedstawia się w następujący sposób:
z
ródła odnawialne, w tym:
4
" powietrze zewnętrzne
" wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy)
" wody gruntowe
" wody geotermalne
" grunt
" promieniowanie słoneczne
z
ródła 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 z
ródła odnawialne jako dolne z
ródło ciepła.
Dolne z
ródło 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).
Możliwe z
ródła ciepła przy wykorzystaniu pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń
5
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 z
ródła 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. MiarÄ…
efektywności energetycznej
pompy ciepła j jest stosunek
mocy cieplnej Qg otrzymanej
w górnym z
ródle o temp. Tg
do mocy zużywanej do
napędu sprężarki N.
gdzie: Ćd - stopieÅ„ doskonaÅ‚oÅ›ci instalacji, Ćd = 0,55÷0,6.
A zatem energetyczna efektywność pompy ciepła zależy przede wszystkim od
poziomu oraz różnicy temperatury z
ródeł ciepła. W związku z tym
najkorzystniejszym obszarem zastosowania pomp ciepła są ogrzewania
niskotemperaturowe oraz instalacje c.w.u. Orientacyjne wartości współczynnika
wydajności grzejnej sprężarkowych pomp ciepła zależą od rodzaju z
ródła ciepła
niskotemperaturowego i rodzaju zasilanej instalacji. W przypadku pomp ciepła, w
których z
ródłem ciepła niskotemperaturowego jest grunt, współczynnik j przyjmuje
następujące wartości:
- ogrzewanie podÅ‚ogowe (tz = 50°C) Ć = 3,5÷5,5 (oznacza to, że z 1 kWh
energii elektrycznej otrzymuje siÄ™ 3,5÷5,5 kWh ciepÅ‚a)
- ogrzewanie konwekcyjne (tz = 60°C) Ć = 2,5÷3,5
- instalacje c.w.u. (tc.w.u. = 45°C) Ć = 3,5÷4,0
Powyższe wartości Ć określono w odniesieniu do energii elektrycznej i aby
porównać pompę ciepła z tradycyjnymi z
ródłami 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.
6
Rys. 3. Sprężarkowa pompa ciepła:
a) ideowy schemat
b) 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.
W A
V
PC
7
Tabele pomiarowe (dla grzania i chłodzenia)
Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Åšred.
Kanału
V
(m/s)
T
(oC)
Wyznaczenie efektywności pompy ciepła.
PQ
Õ =
Pel
PQ = Á*V *cw *(T2 - T1)
gdzie:
Á - gÄ™stość powietrza,
cw  ciepło właściwe powietrza,
V = vśr * s [(m/s) *m2]
s = 297 cm2
Pel =
U =
I =
5. Wnioski.
8