Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej pomp ciepła.
W Polsce problem znalezienia tanich sposobów ogrzewania pomieszczeń jest szczególnie ważny
społecznie. Większość społeczeństwa jest mało zamożna, energia elektryczna jest najdroższa w Europie
w stosunku do dochodów ludności, a popularne ceny surowców energetycznych, typu węgiel czy gaz rosną
w szybkim tempie.
W tej sytuacji coraz większą popularność zdobywają różne, alternatywne sposoby ogrzewania
pomieszczeń. Nie wszystkie z nich dają oszczędności, a przykład stosowania pomp ciepła, wręcz
odwrotnie - wydatki związane z inwestycją są tak duże, że stosunkowo nieduże oszczędności w
wydatkach spłacą się nierzadko po 100 latach.
Co gorsza, pompy ciepła mające duża reklamę na rynku, niestety wprowadzającą potencjalnych
użytkowników w błąd, szczególnie w zakresie ich wydajności grzewczej.
Aspekt ekologiczny stosowania pomp ciepła też nie powinien być propagowany.
Wystarczy zauważyć, że Unia Europejska nie kwalifikuje pomp ciepła do odnawialnych z
ródeł energii.
Pompa ciepła czerpiąc energię ze z
ródła odnawialnego wprawdzie sama nie emituje szkodliwych
związków jednak potrzebuje do napędu energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce w elektrowniach
cieplnych -węglowych. Dodatkowo energia elektryczna jest nośnikiem najdroższym spośród tradycyjnych.
Dodatni efekt energetyczny użytkowania sprężarkowych pomp ciepła, napędzanych energią z krajowego
systemu elektroenergetycznego, po uwzględnieniu skumulowanej sprawności wytwarzania i przesyłu
energii elektrycznej, wymaga osiągnięcia współczynnika wydajności grzejnej na poziomie ok. 3,5-4,0 [1].
Najpopularniejszym systemem użytkowania sprężarkowych pomp ciepła są układy z wymiennikiem
gruntowym jako z
ródłem niskotemperaturowym. Natomiast nośnik ciepła - woda instalacyjna (na
potrzeby centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej) podgrzewany jest zwykle do
(50+55)°C. W takich rozwiÄ…zaniach rzeczywisty współczynnik wydajnoÅ›ci grzejnej w warunkach
eksploatacyjnych rzadko przekracza wartość 3,0.
Niezwykle ważne badania przeprowadziły równolegle zespoły badawcze Politechnik Gdańskiej oraz
SGGW.
Oto skrót wyników.
"Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest
podniesienie temperatury dolnego z
ródła ciepła lub obniżenie temperatury górnego z
ródła. Wówczas
zgodnie z zależnością dla obiegu porównawczego Carnota następuje wzrost współczynnika wydajności
grzejnej. Parametry konstrukcyjno - regulacyjne każdej pompy ciepła są zaprojektowane do określonego
zakresu temperatury z
ródła i odbiornika. Zmiana tego zakresu bez ingerencji w te parametry może
skutkować obniżeniem doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego.
Badania eksperymentalne prowadzone równolegle na Politechnice Gdańskiej i SGGW w Warszawie
wykazały, że dla sprężarkowych pomp ciepła pracujących z fabrycznymi nastawami (czynnik R22), przy
wzroście poziomu temperatury dolnego z
ródÅ‚a z 3°C do 30°C (temperatura górnego z
ródła na poziomie
50°C) współczynnik wydajnoÅ›ci grzejnej osiÄ…ga wartość wyższÄ… o 13%, a przy spadku poziomu
temperatury górnego z
ródÅ‚a z 56°C do 35°C (temperatura dolnego z
ródÅ‚a na poziomie 10°C)
współczynnik wzrasta o 26 %. "
Dla porównania proszę zwrócić uwagę na sławną już książkę Wojciecha Oszczaka "Jak taniej ogrzać dom",
gdzie sprawności pomp ciepła dochodzi do 7.
Teoretyczne zwiększenie wartości współczynnika następuje, gdy wzrasta temperatura z
ródła dolnego lub
obniża się temperatura z
ródła górnego - odbiornika, co wynika, z zależności występujących w
teoretycznym lewobieżnym obiegu Carnota, który jest dla uproszczenia przyjmowany za porównawczy dla
sprężarkowych pomp ciepła. Współczynnik efektywności energetycznej tego obiegu opisany jest
zależnością:
Cel, obiekt i metoda badań
Celem badań prowadzonych równolegle w Katedrze Podstaw Inżynierii SGGW oraz w Katedrze Techniki
Cieplnej Politechniki Gdańskiej było określenie wpływu poziomu temperatury z
ródła ciepła dolnego
(nazywanego dalej po prostu z
ródłem) i górnego (nazywanego dalej odbiornikiem) na współczynnik
wydajności grzejnej i współczynnik doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego dwu
wybranych sprężarkowych pomp ciepła.
Badania przeprowadzono metodą eksperymentalną, przyjęto przy tym, że nie dokonuje się zmian w
fabrycznych ustawieniach w układzie automatycznej regulacji urządzeń.
Badaniom poddano dwie pompy ciepła różnych producentów o zbliżonych nominalnych mocach grzejnych
(kilkanaście kW). Pompę o nieco mniejszej mocy oznaczono jako PC-1, zaś drugą jako PC-2. Obiekt PC-1
badano przy różnych wartościach temperatury z
ródła ciepła, natomiast PC-2 - przy różnych wartościach
temperatury odbiornika ciepła. Ponadto pompę PC-1 badano w warunkach eksploatacyjnych wyznaczając
dobowe współczynniki wydajności grzejnej i chłodniczej.
Badane pompy ciepła przewidziane są do pracy np. w charakterze monowaletnego z
ródła ciepła dla
typowego domu jednorodzinnego. Oba urządzenia pracowały z wykorzystaniem czynnika R22 w obiegu z
dochłodzeniem, a w układzie automatycznej regulacji zastosowano termostatyczny zawór rozprężny. W
pierwszym z nich wbudowano wymienniki płytowe natomiast w drugim wymienniki płaszczowo - rurowe.
Obie pompy ciepła zostały zainstalowane w układzie woda/woda. Zmiany temperatury z
ródła dla wartości
powyżej +10°C uzyskiwano w zbiorniku - akumulatorze o objÄ™toÅ›ci 2000 dm3 wyposażonym w zasilanie
cieplne z termostatem. Zmiany temperatury z
ródła w niższym zakresie osiągano wykorzystując
wymiennik gruntowy, albo wodę z wodociągu. Zmiany temperatury odbiornika realizowano w ten sposób,
że wymuszony przepływ wody grzejnej odbywał się w układzie zamkniętym utworzonym przez skraplacz
pompy ciepła oraz dodatkowy wymiennik ciepła.
Pomiaru mocy elektrycznej pobieranej przez napęd sprężarki pompy ciepła dokonywano za pomocą
trójfazowego licznika energii typu 4C52dg, wyposażonego w impulsator (600 impulsów na 1 kWh) i za
pomocÄ… laboratoryjnych watomierzy typu LW 1.
Strumienie entalpii wody dopływającej i odpływającej do i ze skraplacza oraz parownika, wyznaczano
mierząc objętościowy strumień wody oraz jego temperaturę. Strumień objętościowy wody wyznaczano
wg wskazań przepływomierza lub wodomierza. Wodomierze są wyposażone w impulsatory (1 impuls na
2,5 dm3). Temperaturę wody mierzono laboratoryjnymi termometrami rtęciowymi oraz scalonymi
czujnikami temperatury LM 335 o odpowiednio dobranych zakresach pomiarowych, (podstawowy zakres
pomiarowy 0-50 °C). DziaÅ‚ka elementarna każdego termometru wynosiÅ‚a 0,1 K.
Króćce wlotowe i wylotowe czynnika R22 do parownika i ze skraplacza zostały także wyposażone w
czujniki temperatury w celu określenia rozkładu temperatury w obiegu termodynamicznym.
Wszystkie urządzenia pomiarowe pozwalały na zapisywanie wskazań na komputerowej karcie pomiarowej
PCL 818 i PCL 836 firmy Advantech.
Podczas badania energetycznego po wybraniu zadanego zakresu temperatury z
ródła i odbiornika cały
układ badawczy obejmujący parownik i skraplacz wraz z układem stabilizacji temperatury z
ródła i
odbiornika doprowadzano do stanu równowagi termodynamicznej. Dopiero wówczas dokonywano
właściwych pomiarów. Pomiary dla każdego wybranego zakresu działania pompy ciepła trwały co
najmniej 1 godz., zaś odczytu odpowiednich wielkości dokonywano w ustalonych uprzednio odstępach
czasu - co kilka minut.
Cykl badań wpływu wartości temperatury z
ródła na parametry energetyczne pompy ciepła [3]
zrealizowano w zakresie temperatury wody na wlocie do parownika (3,0 - 32,0)°C - Å‚Ä…cznie 25 serii
pomiarowych. Jednocześnie podczas badań temperatura wody na dolocie do skraplacza wynosiła (40,0 -
44,0)°C, a na wylocie uzyskiwano (50,0 - 52,2)°C.
W cyklu badań wpływu wartości temperatury odbiornika ciepła na parametry energetyczne pompy ciepła
wykonano 27 serii pomiarowych ustawiajÄ…c temperaturÄ™ wody wylotowej w obiegu grzewczym skraplacza
w zakresie (34,5 - 56,5)°C. W pierwszej części badaÅ„ obejmujÄ…cej 15 serii pomiarowych temperatura
wody zasilajÄ…cej parownik wynosiÅ‚a (7 - 8) °C, a w drugiej części obejmujÄ…cej 12 serii ok. 10°C.
Próby wykonane w warunkach eksploatacyjnych prowadziły do wyznaczenia współczynników wydajności
grzejnej i chłodniczej w bilansie dobowym, gdy pompa ciepła PC-1 zasilała system ciepłej wody
użytkowej korzystając z pionowego wymiennika gruntowego.
Wyniki badań
Rozkład temperatury w obiegu czynnika R22
Najniższą temperaturą czynnika zmierzoną w obiegu termodynamicznym na powierzchni rurociągu jest
temperatura na wlocie do parownika Tp' i może być ona utożsamiana z temperaturą odparowania Tp.
Znajomość zależności temperatury odparowania czynnika od temperatury z
ródła Tz
rd (na dolocie do
wymiennika) umożliwia ocenę stopnia doskonałości energetycznej rzeczywistego obiegu
termodynamicznego pompy ciepła.
Rysunek 1 przedstawia uzyskany przebieg tej zależności dla obiektu PC-1. Wysoki współczynnik
determinacji R=0,99 wskazuje, że wpływ innych parametrów w tym temperatury odbiornika Todw(na
wylocie z wymiennika) jest w badanym zakresie mało istotny.
Rozkład temperatury czynnika R22 i wody podgrzewanej w skraplaczu okazał się podobny podczas
wszystkich przeprowadzonych serii pomiarowych. Pomiary wykazały, że temperatura czynnika i wody
grzejnej opuszczającej skraplacz nie różnią się więcej niż o 2,6 K. Można więc wnioskować, że średnia
arytmetyczna wartość ich temperatury jest zbliżona do temperatury skraplania czynnika T
, przy której
następuje oddawanie energii w wymienniku.
Moc grzejna pompy ciepła
Moc grzejna sprężarkowej pompy ciepła określana jest na podstawie strumienia energii odprowadzanej
ze skraplacza. Dla obiektu PC-1 wyznaczono przebieg mocy grzejnej Pg w zależności od temperatury
dolotowej wody do parownika (Rys. 2). Podczas tych badań temperatura wody na wylocie ze skraplacza
wynosiÅ‚a (50,0 + 52,2) °C.
Wyniki badań wskazują, że wraz ze wzrostem temperatury z
ródÅ‚a od 3 do 32°C moc grzejna wzrasta od
8,8 do 15,3 kW. Zależność ta opisana jest funkcją :
Przy czym w warunkach niewielkiej zmienności temperatury odbiornika zależność ta charakteryzuje się
wysokim współczynnikiem determinacji wynoszącym R=0,976.
Dla drugiej z badanych pomp ciepła PC-2 wyznaczono przebieg mocy grzewczej w zależności od
temperatury wylotowej wody w obiegu grzewczym skraplacza Todw (rys. 3). Opis uzyskanych wyników
funkcjÄ… :
wskazuje na istnienie związku pomiędzy tymi wielkościami, ale pomimo ograniczania w kolejnych
próbach zmienności innych wymuszeń zewnętrznych (np. temperatury z
ródÅ‚a do zakresu 7 + 10°C)
istotność tego związku nie jest znacząca.
Moc grzejna badanej pompy ciepła dla zakresu temperatury końcowej podgrzewu wody (34-M-9)"C nie
wykazuje wyraz
nego kierunku zmian. Natomiast po przekroczeniu 49°C spada z poziomu 14,0 kW do 12,5
kW dla temperatury podgrzewu ponad 55°C.
Moc pobierana przez napęd sprężarki
Napęd sprężarki w badanych pompach ciepła stanowi trójfazowy silnik asynchroniczny. Pomiary mocy
pobieranej w okresach pracy ustalonej przez silnik Pei wykonano w zależności od temperatury z
ródła dla
obiektu PC-1 (lys. 2) oraz w zależności od temperatury odbiornika dla obiektu PC-2 (lys. 3). Badania
obiektu PC 1 wykazały że, moc silnika jest najniższa dla granicznej temperatury z
ródÅ‚a 3°C i wynosi
wówczas niespełna 2,50 kW, a najwyższą wartość 3.95 kW uzyskano dla górnej granicy temperatury
dolnego z
ródÅ‚a równej 32,0°C. Wzrost temperatuiy tego z
ródła wymusza zwiększony pobór mocy zgodnie
z zależnością :
Wysoki współczynnik determinacji tej zależności wskazuje, że dla ustabilizowanych wartości temperatury
wody odbierającej ciepło o energochłonności napędu sprężarki decyduje tylko temperatura z
ródła.
Pobór mocy przez silnik napędowy jest także silnie skorelowany z temperaturą końcową odbiornika w
warunkach niewielkiej zmienności temperatury z
ródła ciepła. W badaniach obiektu PC-2 wzrost poziomu
temperatury odbiornika z 34,5°C do 56,5°C wywoÅ‚aÅ‚ zwiÄ™kszenie poboru mocy przez silnik z 3,50 do 4,10
kW.
Współczynnik wydajności grzejnej i doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego
sprężarkowych pomp ciepła.
Na rysunku 4 przedstawiono w zależności od temperatury z
ródła przebieg wartości współczynnika
wydajności grzejnej pompy ciepła PC-1, obliczonego jako stosunek Pg do Pel. Wartość współczynnika dla
temperatury z
ródÅ‚a równej 10°C, przyjmowanej za nominalnÄ… w wymiennikach gruntowych, wynosi 3,54 i
wzrasta wraz z jej podnoszeniem, osiÄ…gajÄ…c dla 30°C wartość 3,92. Dla skrajnej dopuszczalnej nastawami
fabrycznymi temperatury z
ródła wynoszącej 3"C współczynnik wydajności grzejnej maleje do wartości
3,48.
Na rysunku 5 przedstawiono przebieg współczynnika wydajności grzejnej pompy ciepła PC-2 w zależności
od temperatury odbiornika dla temperatury z
ródła stabilizowanej na poziomie (7-10)C. Jego wartość dla
temperatury odbiornika równej 50C, przyjmowanej za nominalną według normy EN 255 [4], wynosi 3,38 i
spada do 3,10 w warunkach wzrostu temperatury odbiornika do dopuszczalnej granicy 56°C. Z kolei
obniżenie poziomu temperatury odbiornika na wylocie ze skraplacza do 35°C wywoÅ‚uje wzrost
współczynnika wydajności do 3,90.
Korzystając z eksperymentalnie wyznaczonych zależności temperatury skraplania Tsk i odparowania Tp,
czynnika oraz mocy grzewczej Pg i mocy pobieranej przez napęd sprężarki Pel od temperatury z
ródła
ciepła Tz
rd i odbiornika ciepła Todw obliczono współczynnik doskonałości obiegu rzeczywistego:
Z wyników przedstawionych dla obiektu PC-1 na rysunku 4 można wnioskować, że dla danej konstrukcji
pompy ciepła, wzrost temperatury z
ródła powyżej poziomu przewidywanego przez producenta za
nominalny i związanego z określoną nastawą zaworu rozprężnego obniża stopień doskonałości
energetycznej obiegu termodynamicznego tej pompy. W cyklu badań dla warunków temperaturowych
z
ródÅ‚o / odbiornik: 10/50°C wyznaczono współczynnik doskonaÅ‚oÅ›ci wynoszÄ…cy 0,455, natomiast dla
warunków 30/50°C tylko 0,386.
Z kolei wyniki dla obiektu PC-2 przedstawione na rysunku 5 wskazują, że obniżenie temperatury nośnika
ciepła, na poziomie odbiornika, stosowane w celu poprawy efektywności pracy pompy ciepła, także
wpływa na pogorszenie stopnia doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego. Podczas badań
dla warunków temperaturowych 10/50°C współczynnik doskonaÅ‚oÅ›ci osiÄ…gnÄ…Å‚ wartość 0,495, natomiast
dla warunków 10/35C wyznaczono jego wartość jako 0,425.
Wyniki badań eksploatacyjnych
Pompa ciepła PC-1 została zainstalowana w systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej, gdzie
pracuje w sposób zdeterminowany harmonogramem rozbioru wody oraz algorytmem automatycznego
sterowania. Zasadniczym trybem jest cykliczny dogrzew trwający od kilku do kilkunastu minut zależnie
od intensywności poboru wody oraz strat ciepła ze zbiorników i rurociągów.
Dłuższe okresy ciągłej pracy urządzenia dochodzące do kilkudziesięciu minut występują podczas
porannych i wieczornych szczytów obciążenia systemu.
W cyklu badań eksploatacyjnych dokonano, na podstawie zarejestrowanych danych pomiarowych,
zestawienia dobowych sum strumieni energii (tabela 1). Podano także wynikające z nich
wartości współczynników wydajności chłodniczej oraz grzejnej.
W tym przypadku energia pobierana z sieci do napędu urządzenia obejmuje sprężarkę oraz osprzęt
(głównie pompy wodne). Temperaturę z
ródła obliczono jako wartość średnią ważoną dla okresów
włączenia sprężarki.
Zestawienie wartości parametrów energetycznych pompy ciepła w ujęciu dobowym dowodzi, że jej
efektywność w warunkach eksploatacyjnych zależy od poziomu temperatury z
ródła. Jednak w zakresie
zmienności temperatur występujących w wymienniku gruntowym pionowym w ciągu roku różnice w
osiąganych wartościach współczynników wydajności grzejnej są niewielkie.
Uzyskanie wartoÅ›ci współczynnika ponad 3,0 w warunkach temperaturowych 10/50 °C uwzglÄ™dniajÄ…c
rzeczywisty tryb pracy pompy ciepła w systemie ciepłej wody użytkowej jest mało prawdopodobne.
Tabela 1. Zestawienie dobowych parametrów energetycznych pompy ciepła
Energia
Średnia Energia Energia Współczynnik Współczynnik
pobrana
Data temperatura pobrana z oddana przez wydajności wydajności
przez
z
ródła, C sieci, kWh skraplacz, MJ chłodniczej grzewczej
parownik, MJ
12.10 6,7 27,70 253,4 183,8 1,84 2,54
26.04 8,4 27,68 266,3 191,9 1,92 2,67
01.01 8,6 25,24 216,6 166,0 1,83 2,39
14.05 9,5 40,69 375,8 305,9 2,09 2,57
22.10 10,1 26,85 250,2 196,5 2,03 2,59
11.05 10,3 28,76 260,7 205,5 1,98 2,52
28.09 11,1 15,70 149,4 118,4 2,10 2,64
24.08 11,5 24,27 251,7 187,6 2,15 2,87
11.10 12,6 24,79 263,8 201,3 2,25 2,96
Podsumowanie
Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest
podniesienie temperatury dolnego z
ródła ciepła lub obniżenie temperatury górnego z
ródła. Wówczas
zgodnie z zależnością dla obiegu porównawczego Carnota następuje wzrost współczynnika wydajności
grzejnej. Parametry konstrukcyjno - regulacyjne każdej pompy ciepła są zaprojektowane do określonego
zakresu temperatury z
ródła i odbiornika. Zmiana tego zakresu bez ingerencji w te parametry może
skutkować obniżeniem doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego.
Badania eksperymentalne prowadzone równolegle na Politechnice Gdańskiej i SGGW w Warszawie
wykazały, że dla sprężarkowych pomp ciepła pracujących z fabrycznymi nastawami (czynnik R22), przy
wzroście poziomu temperatury dolnego z
ródÅ‚a z 3°C do 30°C (temperatura górnego z
ródła na poziomie
50°C) współczynnik wydajnoÅ›ci grzejnej osiÄ…ga wartość wyższÄ… o 13%, a przy spadku poziomu
temperatury górnego z
ródÅ‚a z 56°C do 35°C (temperatura dolnego z
ródÅ‚a na poziomie 10°C) współczynnik
wzrasta o 26 %.
Stosunkowo niewielka poprawa współczynnika wydajności pomp ciepła w badanych warunkach jest
konsekwencją spadku doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego przy pozyskiwaniu energii
ze z
ródła o temperaturze wyższej, niż przyjęta jako nominalna, oraz przy podgrzewaniu wody w zakresie
temperatury niższej niż nominalna. Dla pompy ciepÅ‚a PC-1 w warunkach temperaturowych 10/50°C
stopieÅ„ doskonaÅ‚oÅ›ci wyniósÅ‚ 0,455, natomiast w warunkach 30/50°C tylko 0,386. W cyklu badaÅ„
pompy ciepÅ‚a PC-2 w warunkach 10/50C stopieÅ„ doskonaÅ‚oÅ›ci osiÄ…gnÄ…Å‚ 0,495, ale dla warunków 10/35°C
spadł do 0,425.
Jeśli uznać, że dodatni efekt energetyczny użytkowania sprężarkowych pomp ciepła wymaga
współczynnika wydajności grzejnej na poziomie 3,5-4,0 to osiągnięcie tego celu przy wykorzystaniu
ciepła gruntu jest możliwe tylko drogą obniżenia poziomu temperatury podgrzewu odbiornika
zdecydowanie poniżej poziomu 50C.
Literatura
1. Kubski P : Energetyczna ocena celowości stosowania sprężarkowych pomp grzejnych do
zagospodarowania niekonwencjonalnych z
ródeł energii. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo,
Wentylacja nr 4, 2001.
2. Rubik M.: Pompy ciepła - poradnik. Wydawnictwo Instal. Warszawa 1996.
3. Chochowski A. Czekalski D., Mirski T.: Diagnostyka urządzeń i systemów niekonwencjonalnego
zasilania energią. Sprawozdanie końcowe projektu KBN nr 7 T07B 074 14. Warszawa 2001.
4. British Standard EN 255: Air conditioners, liquid chiling packages and heat pumps with
electrically driven compressors - Heat modÄ™ British Standards Institute 1997"
W artykule wykorzystano materiały z badań PG i SGGW autorstwa Piotra Kubskiego i Dariusza
Czekalskiego.