Energia elektryczna: Dodatkowa energia potrzebna jest do zasilenia sprężarki i pomp Podstawy teoretyczne

Obieg termodynamiczny pompy ciepła

W parowaczu: Ciepło odebrane z DŹ i przekazane w parowaczu powoduje parowanie czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła. Zadaniem czynnika roboczego jest przekazywanie ciepło z DŹ do GŹ ciepła.

W skraplaczu: Sprężony czynnik przekazuje ciepło do instalacji w obiekcie w wymienniku, tzw.

skraplaczu, powoduje to skroplenie i spadek temperatury czynnika roboczego, a jednocześnie wzrost temperatury wody w instalacji w obiekcie.

W zaworze rozprężnym : czynnik roboczy jest rozprężany i jego temperatura ulega obniżeniu, potem ogrzewa się w parowaczu czyli obieg zaczyna się od początku.

W sprężarce: następnie para czynnika roboczego jest sprężana, co powoduje wzrost jej temperatury.

Ogrzewanie/chłodzenie pompą ciepła

• Istnieje możliwość odwrócenia kierunku obiegu pompy ciepła, aby wykorzystać to samo urządzenie zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia.

• Przy ogrzewaniu, dolne źródło ciepła jest zlokalizowane poza budynkiem (ciepło z powietrza, wody, gruntu).

• W przypadku chłodzenia, cykl jest odwrócony: budynek sam w sobie jest źródłem ciepła podczas gdy powietrze, woda lub grunt przejmują ciepło. Aby wykorzystać pompę ciepła do chłodzenia , wystarczy odwrócić zarówno kierunek tłoczenia sprężarki jak i zawór rozprężający, zmieniając samym kierunek przepływu czynnika chłodniczego i oczywiście kierunek przepływu ciepła.

Czynniki robocze

W obiegu pompy ciepła krąży czynnik roboczy lub czynniki chłodnicze, który transportuje ciepło z niższego na wyższy poziom temperatury.Jest to substancja, która krążąc podlegający cyklowi przemian termodynamicznych, jest w obiegu zamkniętym (na zmianę w postaci ciekłej i gazowej) pośredniczy w przekazywaniu ciepła.

Kluczową rolę w pracy pompy ciepła, pełni czynnik roboczy. Musi on spełniać szereg warunków.

Pod względem parametrów roboczych cechować się musi zdolnością wrzenia w niskiej temperaturze. W ten sposób czynnik jest zdolny wrzeć przy odbieraniu ciepła otoczenia, nawet o niskiej (ujemnej) temperaturze.

Gazy będąc w zamkniętym systemie (stała objętość), zwiększają swoją temperaturę wraz z rosnącym ciśnieniem (sprężanie) i na odwrót – przy zmniejszającym się ciśnieniu (rozprężanie) ich temperatura również maleje.

Specyfiki czynników roboczych: Czynnik roboczy powinien być stabilny chemicznie przy wszelkich wartościach temperatury roboczej pompy ciepła, a także chemicznie obojętny do stosowanych materiałów konstrukcyjnych. Nie może być palny, toksyczny czy wybuchowy, ani wywierać szkodliwego wpływu na środowisko. Powinien charakteryzować się dużą objętościową wydajnością grzejną, aby w obiegu pompy ciepła krążyła jak najmniejsza jego ilość, co decyduje o wymiarach sprężarki. W pompach ciepła stosuje się czynniki będące mieszaninami kilku substancji o podobnych lub takich samych właściwościach fizykochemicznych.

Obecnie w pompach ciepła najczęściej stosuje się następujące czynniki robocze w obiegu chłodniczym (Refrigerants):

• R 134 a (hydrofluorowęglowodór - czynnik jednorodny o wzorze chemicznym CH₂F-CF₃),

• R 407 C (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R134a),

• R 410 A (mieszanina zeotropowa R32 i R125),

• R 404 A (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R143a), w tabelce przedstawione przekładowe czynniki chłodniczych stosowanych w pompach ciepła.

Wskaźnik charakteryzujący wpływ na globalne ocieplenie klimatu GWP (Global Warming Potential) jest dla CO2 GWP=1/rok. Wartość wskaźnika zależy w głównej mierze od zawartości fluoru. Wartość GWP nie powinna przekraczać 1000/rok.

Co zawiera obliczenia i opis projektu dolnego źródła ciepła

Najważniejszym zadaniem w zastosowaniu pomp ciepła jest właściwy wybór dolnego źródła:

• obliczenia i dobór wymiennika (procedura montażu dla wykonawcy, jak będzie posadowiony wymiennik, konieczny jest również rysunek z wymiarami)

• możliwość czyszczenia i konserwacji

• procedurę w przypadku stwierdzenia nieszczelności (procedurę wyjęcia wymiennika)

• automatyki sterującej

Współczynnik efektywności COP (Coefficient Of Performance)

• Efektywności energetycznej pracy pompy ciepła wyraża się współczynnikiem COP, którego definicja jest następująca:

• Współczynnik COP określa chwilową efektywność pracy pompy ciepła w ustalonych warunkach, jednak dla oceny efektów zastosowania pompy ciepła w dłuższym okresie, stosowany jest współczynnik SPF (Roczna lub sezonowa efektywność pompy ciepła).

Współczynnik efektywności SPF lub SCOP (Seasonal Performance Factor , Seasonal Coefficient of Performance)

• Sezonowy współczynnik efektywności sprężarkowej pompy ciepła określa stosunek ilości ciepła przekazanego przez pompę ciepła (do instalacji grzewczej) do ilości dostarczonej do niej energii elektrycznej.

• wartość współczynnika SPF ujmuje różne warunki temperaturowe pracy pompy i jest bliższa późniejszej rzeczywistej efektywności pracy urządzenia, jako okres porównawczy dla SPF przyjmuje się rok, można zdefiniować kilka rodzajów współczynnika SPF.

Charakterystyka pomp ciepła w budynkach energooszczędnych

• Pompy ciepła stanowią źródło ciepła nowej generacji, które jest szczególnie predestynowane do zasilania niskotemperaturowych ogrzewań i instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej, szczególnie w budownictwie energooszczędnym i pasywnym.

• Dodatkową zaletą tych urządzeń jest możliwość ich wykorzystania do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim, co jest szczególnie istotne w budownictwie pasywnym.

• Główne bieżące tematy rozwoju pomp ciepła to: Pompy ciepła w inteligentnych sieciach przyszłości (smart grid), hybrydowe pompy ciepła, przemysłowe pompy ciepła, termiczne pompy ciepła oraz pompy ciepła dla ciepłej wody użytkowej.

• Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej, im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej.

• Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania.

• Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba zapłacić.

Trendy na Europejskim rynku ciepła

Istnieją trzy wyraźne tendencje na europejskim rynku ciepła i są to:

• pompy ciepła dla których dolnym źródłem jest powietrze cieszą się największym zainteresowaniem,

• urządzenia przeznaczone do ciepłej wody są najszybciej rozwijającą się częścią rynku,

• ostatnim trendem są pompy ciepła dużych mocy, które wykorzystywane są w przemyśle i ciepłownictwie.

Współpraca pomp ciepła z termicznymi kolektorami słonecznymi

• Czołowi producenci pomp ciepła pracują nad połączeniem technologii pomp ciepła (PC) z kolektorami słonecznymi. Kolektory słoneczne wykorzystywane są jako dolne źródło ciepła lub służą do regeneracji dolnego źródła ciepła PC.

• Połączenie technologii PC (np. typu solanka/woda) z kolektorami słonecznymi prowadzi do zwiększenia sprawności systemów kolektorów słonecznych oraz wzrostu efektywności pomp ciepła.

• W większości stosowanych układów solarnych do podgrzewania wody użytkowej sprawność systemu nie przekracza wartości 30-35%. W przypadku połączenia kolektorów z dolnymi źródłami ciepła PC sprawność systemu solarnego może przekroczyć 50-60%. Jest to możliwe dzięki stosunkowo niskiej temperaturze dolnego źródła ciepła PC (ok. 0 - 10 ^oC).

• Kolektory słoneczne mogą zapewniać pokrycie do 60% rocznych potrzeb ciepła dla podgrzewu CWU lub do 30% ciepła potrzebnego łącznie dla podgrzewania wody użytkowej i wspomagania ogrzewania domu.

• Kolektory słoneczne stanowią uzupełnienie systemów grzewczych, zarówno tradycyjnych (z kotłem grzewczym), jak i wykorzystujących energię odnawialną (z pompą ciepła).

• Współpraca kolektory słoneczne z pompą ciepła może być realizowana w wielu wariantach – zarówno po stronie obiegu pierwotnego (Dolne źródło ciepła), jak i wtórnego (Odbiór ciepła) pompy ciepła.

• Panele PV mogą być wykorzystywane do zasilania PC, pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła obniżając zużycie energii pierwotnej i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej.

• W nowych budynkach znane są rozwiązania zasilania pomp ciepła wyłącznie z paneli (PV), czyli ze 100% procentowym udziałem energii zielonej.

• Interesujące wydaje się zastosowanie hybrydowych kolektorów słonecznych fotowoltaicznych i termicznych (PV/T) jednocześnie jako dolne źródło ciepła i źródło zasilania elektrycznego dla pompy ciepła.