Index of /rozprawy2/11389

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo – Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska. ROZPRAWA DOKTORSKA. BADANIA WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW CIEPLNYCH I PRZEPŁYWOWYCH SPRĘŻARKOWYCH POMP CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA NA ICH EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ mgr inż. Krzysztof Szczotka. Promotor: dr hab. inż. Jacek Zimny, prof. AGH. Kraków, 2018 r..

(2) Niniejszą pracę doktorską dedykuję mojej ukochanej Rodzinie: Żonie Kasi i Synom Kacperkowi i Frankowi, oraz Rodzicom i Rodzeństwu. Składam serdeczne podziękowania mojemu Promotorowi Profesorowi Jackowi Zimnemu za pokierowanie moim rozwojem naukowym, a w szczególności za cierpliwość oraz pomoc merytoryczną i cenne wskazówki przy realizacji niniejszej pracy doktorskiej. Składam serdeczne podziękowania Panu Tomaszowi Sekutowi za cenne praktyczne rady oraz pomoc w budowie stanowiska badawczego, dzięki któremu zrealizowana została niniejsza praca doktorska. Składam serdeczne podziękowania Kierownictwu, Pracownikom, Koleżankom i Kolegom z Katedry Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska oraz wszystkim Osobom, które dobrym słowem i wsparciem przyczyniły się do realizacji niniejszej pracy doktorskiej.. Kraków, 2018 r..

(3) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ ................................................................................. 5 1. WPROWADZENIE I OKREŚLENIE CELU PRACY....................................................... 7 2. ANALIZA STANU WIEDZY Z ZAKRESU TEMATU ................................................... 14 2.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SPRĘŻARKOWYCH POMP CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA ...................................................................................................................14 2.2. OBIEGI TERMODYNAMICZNE SPRĘŻARKOWEJ POMPY CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA (IDEALNE, RZECZYWISTE) ..........................................................17 2.3. AKTUALNY STAN WIEDZY Z ZAKRESU TEMATU.............................................................21 2.3.1. Stan i kierunki rozwoju sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda ....................................................................................................................................................21 2.3.2. Wsparcie dla rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła dzięki dyrektywom UE.............................................................................................................................................23 2.3.3. Główne bariery rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła w UE i Polsce ....................................................................................................................................................24 2.3.4. Wpływ zastosowania sprężarkowych pomp ciepła na środowisko naturalne i poprawę jakości powietrza ...................................................................26 2.4. OCENA DOTYCHCZASOWEGO STANU WIEDZY I WNIOSKI DO BADAŃ WŁASNYCH UZASADNIAJĄCE PODJĘCIE TEMATU ......................................................30 2.5. HIPOTEZY PRACY ...........................................................................................................................33 3. PROGRAM BADAŃ WŁASNYCH ...................................................................................... 34 3.1. STANOWISKO BADAWCZE ................................................................................................34 3.2. CZYNNIKI BADANE.................................................................................................................37 3.3. WIELKOŚCI MIERZONE ORAZ SPOSOBY ICH POMIARU .............................38 3.4. MODEL MATEMATYCZNY PROCESU, METODYKA BADAŃ, METODA PLANOWANIA DOŚWIADCZEŃ ..................................................................................40 3.4.1. Statystyczny model sprężarkowej pompy ciepła ....................................................45 3.4.2. Metodyka planowania badań doświadczalnych ......................................................49 3.4.3. Przyjęte równanie regresji ..............................................................................................50 3.4.4. Macierz planowania doświadczeń ...............................................................................51 4. WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ I ICH ANALIZA ............................... 53 4.1. WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW PRACY SPRĘŻARKOWEJ POWIETRZNEJ POMPY CIEPŁA NA WSPÓŁCZYNNIK EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ COP (Y1) .....................................................53 3/120.

(4) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 4.1.1. Prezentacja graficzna wyników badań doświadczalnych ...................................57 4.1.2. Optymalizacja parametrów pracy ze względu na współczynnik efektywności energetycznej sprężarkowej powietrznej pompy ciepła COP (Y1) ...........................................................................................................................................69 4.2. WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW PRACY SPRĘŻARKOWEJ POWIETRZNEJ POMPY CIEPŁA NA TEMPERATURĘ ZASILANIA INSTALACJI GRZEWCZEJ tZCO (Y2) ..............................................................................70 4.2.1. Prezentacja graficzna wyników badań doświadczalnych ...................................74 4.2.2. Optymalizacja parametrów pracy ze względu na temperaturę zasilania instalacji grzewczej tZCO (Y2).........................................................................................86 4.3. WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW PRACY SPRĘZARKOWEJ POMPY CIEPŁA NA MOC POBIERANĄ PRZEZ SPRĘŻARKĘ N el (Y3)...87 4.3.1. Prezentacja graficzna wyników badań doświadczalnych ...................................91 4.3.2. Optymalizacja parametrów pracy ze względu na moc pobieraną przez sprężarkę powietrznej pompy ciepła Nel (Y3) ........................................................ 103 5. ANALIZA EKONOMICZNA I EKOLOGICZNA INWESTYCJI Z ZASTOSOWANIEM SPRĘŻARKOWYCH POMP CIEPŁA ............................... 104 6. WNIOSKI.................................................................................................................................... 108 6.1. WNIOSKI TEORETYCZO – POZNAWCZE ............................................................... 108 6.2. WNIOSKI PRAKTYCZNE .................................................................................................... 109 6.3. PROPONOWANE KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ ........................................... 110 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 111. 4/120.

(5) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ Oznaczenie COP SCOP, SPF EER To Tg L Qo Qg pg po εt 𝜂 ∆𝑡𝑠 ∆𝑡𝑝 ∆𝑝𝑠𝑘 ∆𝑝𝑝𝑟 𝑄̇𝑘 𝑄̇𝑜 𝑡𝑝𝑝𝑠 𝑡𝑝𝑝𝑡 𝑝𝑝 𝑝𝑠 ̇ 𝑉𝑝𝑝 𝑡𝑧𝐶𝑂 𝑡𝑝𝐶𝑂 𝑡𝑤𝑦𝑠 𝑝𝑤𝑦𝑠 𝑡𝑤𝑦𝑝 𝑝𝑤𝑦𝑝 𝑡𝑤𝑠𝑝𝑟 𝑁𝑒𝑙 𝑁𝑆𝑃𝐶 𝑡𝑑 𝑝𝑑 𝑉𝑤̇ 𝑡𝑜 𝑡𝑧𝑏. Nazwa wielkości współczynnik efektywności energetycznej urządzenia /grzanie/ sezonowy współczynnik efektywności energetycznej współczynnik efektywności energetycznej urządzenia /chłodzenie/ temperatura dolnego źródła ciepła temperatura górnego źródła ciepła praca dostarczona do sprężarki ciepło odebrane z dolnego źródła ciepła (parownik) ciepło oddane do górnego źródła ciepła (skraplacz) ciśnienie skraplania ciśnienie parowania współczynnik wydajności grzejnej średnia sprawność konwersji energii pierwotnej w elektryczną, wyliczana na podstawie danych podawanych przez Eurostat dla UE przyrost temperatury wody w skraplaczu spadek temperatury czynnika w parowniku opory hydrauliczne skraplacza opory hydrauliczne parownika wydajność cieplna skraplacza wydajność cieplna parownika temperatura na wlocie do skraplacza temperatura na wlocie do parownika ciśnienie parowania czynnika roboczego ciśnienie skraplania czynnika roboczego objętościowy strumień przepływu powietrza w parowniku temperatura zasilania instalacji grzewczej temperatura powrotu instalacji grzewczej temperatura czynnika na wylocie ze skraplacza ciśnienie czynnika na wylocie ze skraplacza temperatura czynnika na wylocie z parownika ciśnienie czynnika na wylocie z parownika temperatura czynnika na wyjściu ze sprężarki moc pobierana przez sprężarkę moc pobierana przez urządzenie temperatura czynnika za wymiennikiem pośrednim ciśnienie czynnika za wymiennikiem pośrednim strumień objętościowy wody temperatura otoczenia temperatura czynnika w zbiorniku buforowym. Jednostka [-] [-] [-] [°C], [K] [°C], [K] [J] [J] [J] [Pa], [bar] [Pa], [bar] [-] [-] [K] [K] [Pa], [bar] [Pa], [bar] [W] [W] [°C], [K] [°C], [K] [Pa], [bar] [Pa], [bar] [m3/h] [°C], [K] [°C], [K] [°C], [K] [Pa], [bar] [°C], [K] [Pa], [bar] [°C], [K] [W] [W] [°C], [K] [Pa], [bar] [m3/h] [°C], [K] [°C], [K] 5/120.

(6) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. gęstość wody. [kg/m3]. 𝑐𝑤 |𝑡𝑝𝑝𝑡 𝑤𝑦𝑠. średnie ciepło właściwe wody. [J/kg K]. 𝜌𝑚 𝑡𝑝𝑝𝑠 𝑐𝑚 |𝑡𝑤𝑦𝑝. gęstość czynnika roboczego. [kg/m3]. średnie ciepło właściwe czynnika roboczego. [J/kg K]. 𝜌𝑤 𝑡. ̇ 𝑉𝑚. objętościowy strumień czynnika roboczego na wlocie do parownika. [m3/h]. 6/120.

(7) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 1. WPROWADZENIE I OKREŚLENIE CELU PRACY W okresie ostatnich 80 lat zużycie energii (ciepło, energia elektryczna) na świecie wzrosło 10 krotnie, choć liczba ludności zwiększyła się tylko 2,5 krotnie [21,25,43]. Wzrost jednostkowego zużycia w przeliczeniu na jednego mieszkańca Ziemi rośnie nadal. Coraz większe są również potrzeby energetyczne związane z produkcją żywności i czystej wody pitnej. Obecnie by sprostać wymaganiom ludzkości całego świata, której przybywa w tempie 90 mln na rok, większość energii pozyskuje się z paliw pochodzenia organicznego. Złoża te są ograniczone i szybką się wyczerpują. Wzrost zapotrzebowania na energię skutkuje zmniejszaniem się zasobów nieodnawialnych źródeł paliw: ropy naftowej, węgla kamiennego brunatnego i gazu ziemnego. Polska jest w stosunkowo dobrej sytuacji, gdyż posiada własne, duże złoża węgla kamiennego. Warto, by te cenne zasoby były wykorzystywane racjonalnie i świadomie z korzyścią dla współczesności i przyszłości [34,43]. Obecnie w Polsce podstawowym źródłem energii jest węgiel kamienny. Według danych Głównego Urzędu Statystycznego „Energia 2016” struktura zużycia energii w gospodarstwach domowych w przeliczeniu na 1 mieszkańca w podziale na poszczególne nośniki energii w 2014 r. dla zaspokojenia potrzeb energetycznych gospodarstw domowych stanowi on podstawowe paliwo (aż 32,4% energii pozyskuje się z węgla). Mniejsze jest w tym sektorze wykorzystanie ciepła sieciowego 20,5%, zużycie gazu ziemnego (16,6%), biomasa stała 13,3% alternatywnych źródeł energii, biomasy i innych (9%) [32].. Rys.1. Struktura zużycia energii w gospodarstwach domowych w przeliczeniu na 1 mieszkańca w podziale na poszczególne nośniki energii w 2014 r. [32,33] 7/120.

(8) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Taka wizja przyszłości nie stanowi pozytywnej perspektywy dla rozwoju cywilizacji, stanowić może jedynie nową wizję, do której doprowadzą sami ludzie poprzez swój brak wiedzy i pogoń za tańszymi, a nie zawsze lepszymi dla Ziemi rozwiązaniami. Dlatego też powinniśmy już teraz zacząć pracować nad odpowiednim uświadomieniem społeczeństwa i nad rozwojem alternatywnych sposobów pozyskiwania energii, co w XXI wieku jest już koniecznością. Ciągły wzrost zapotrzebowania na energię, zmniejszanie się zasobów kopalnych oraz względy ekologiczne (bardzo zła jakość powietrza) i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. W ostatnich latach dąży się do opracowania efektywnych metod pozyskiwania energii elektrycznej z zasobów odnawialnych takich jak: słońce, woda, wiatr czy ciepło Ziemi. Atrakcyjność i zalety tych zasobów coraz bardziej utwierdzają się też w świadomości ich użytkowników. Paliwa kopalne wpływają praktycznie na wszystkie aspekty naszego życia. Przez to kwestia ograniczenia ich spalania i emisji dwutlenku węgla nie ma jednego, prostego rozwiązania. Uniezależnienie się od paliw kopalnych jest wielkim wyzwaniem XXI wieku. Nie mamy jednak innej sensownej możliwości jak znaleźć inne źródła i zmniejszyć zużycie dotychczasowych - musimy to zrobić, a im szybciej, tym lepiej. Globalna emisja dwutlenku węgla do atmosfery związana z działalnością człowieka do roku 2008 wynosiła 35 mld ton rocznie (9,5 mld ton węgla) [32]. Natomiast globalna emisja dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych w 2013 r. wyniosła rekordową wartość 36 mld ton – Global Carbon Project [32]. Takiej ilości dwutlenku węgla nie było od kilku, a być może kilkunastu milionów lat. Jeszcze około 35 mln lat temu. Prognozowany wzrost emisji CO2 w 2014 roku wyniósł 2,1%. W 2013 roku wzrost wyniósł 2,2%. Od roku 1990 wzrost ten wyniósł łącznie 61%. Od drugiej połowy lat 80. XX wieku świat spalił więcej paliw kopalnych, niż wcześniej w całej historii ludzkości [32]. Ponad 80% Europejczyków zamieszkujących tereny zurbanizowane oddycha powietrzem wykraczającym pod względem zanieczyszczeń ponad normy ustanowione przez Światową Organizację Zdrowia (WHO - World Health Organization). O tym jak ważny jest to problem świadczy także wpisanie go jako jeden z kluczowych elementów strategii UE dot. ochrony środowiska. Poza wymiarem ekologicznym jest to również problem stanowiący realne zagrożenie dla życia ludzi. Z powodu złej jakości powietrza corocznie na świecie umiera ok. 3,5 mln osób, w Polsce ok. 44 tysięcy (wg danych Komisji Europejskiej). Szacuje się, że zanieczyszczenia powietrza w Europie przyczyniają się do skrócenia długości życia średnio o 9 miesięcy. 8/120.

(9) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Istnieją trzy główne źródła zanieczyszczeń powietrza, są to kolejno sektor komunalno-bytowy – spalanie paliw stałych pozaklasowych, sektor transportowy oraz w najmniejszym stopniu przemysł. Główne źródła zanieczyszczeń powietrza są różne dla różnych regionów, są również uwarunkowane innymi czynnikami jak chociażby pora roku. Główną przyczyną w Polsce pozostaje niska emisja – np. dla Krakowa jest to ogrzewanie w sektorze komunalno-bytowym. Wskaźniki jakości powietrza w Polsce pozostają alarmujące i jedne z najwyższych w całej Europie. Dane uzyskane poprzez wieloletni monitoring jakości powietrza wskazują na wysokie przekroczenia norm, w szczególności pyłów zawieszonych PM2,5, PM10, w tym wysoce szkodliwego bezo(a)pirenu [89,90]. W Polsce jednym z głównych emiterów niskiej emisji pochodzącej z produkcji ciepła jest budownictwo mieszkaniowe (ok. 40%, 2016 r. [89], gdzie wykorzystywane jest głównie do centralnego ogrzewania (C.O.) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (C.W.U.). Wszystko to stwarza konieczność poszukiwania nowych, wysokoefektywnych i ekologicznie czystych źródeł energii zarówno do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej jak i chłodzenia w budownictwie mieszkalnym i użyteczności publicznej [35,44,86]. Efektem tych działań będzie zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz poprawa efektywności energetycznej przede wszystkim we wspomnianym wcześniej sektorze budownictwa. Na całym świecie rośnie świadomość, że wzrost wykorzystania energii zasobów odnawialnych (w efektywny energetycznie sposób) ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania zmianom klimatu, tworząc nowe szanse i zapewnienie dostępu do energii do miliardów osób wciąż żyjących bez nowoczesnych rozwiązań energetycznych [86]. Urządzeniem umożliwiającym wykorzystanie zasobów energii odnawialnej oraz odpadowej jest sprężarkowa pompa ciepła (SPC). Instalacje grzewcze i chłodnicze wykorzystujące SPC zyskują w ostatnich latach na znaczeniu. Jednak jak pokazują badania opinii publicznej w Polsce, wśród inwestorów brakuje jeszcze świadomości wielu korzyści oraz technicznych i praktycznych uwarunkowań tej przyjaznej dla środowiska oraz oszczędnej technologii grzewczej. Dzięki zastosowaniu pompy ciepła 3/4 ciepła można pozyskiwać bezpłatnie z otoczenia, czyli jako energia ze źródeł odnawialnych. Najszybciej rozwijającym się segmentem rynku są powietrzne pompy ciepła korzystające z energii aerotermalnej zgromadzonej w powietrzu atmosferycznym. Jest ona dostępna w prosty sposób prawie dla każdego, nie wymaga wysokich nakładów oraz jest efektywna pod względem ekonomicznym. Istotnym atutem jest to, że stosując 9/120.

(10) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. pompę ciepła przyczyniamy się do likwidacji emisji zanieczyszczeń powietrza w Polsce. Rynek pomp ciepła w Polsce odnotowuje ciągły wzrost, jednakże znajduje się on w początkowej fazie rozwoju. Czynnikami, które w najbliższym czasie mogą odegrać znaczącą rolę w kształtowaniu rynku tych urządzeń z całą pewnością są działania mające na celu rozwiązanie problemu tzw. „niskiej emisji” w Polsce. Jednym z nich jest światowa koncepcja elektryfikacji systemów ogrzewania wspierana przez Komisję Europejską w ramach tzw. „Pakietu Zimowego”. Zamiana kotłów niespełniających wymogów emisyjnych na sprężarkowe pompy ciepła, jest rozwiązaniem szczególnie wspieranym i stosowanym w walce ze smogiem np. w Chinach. W okresie 2010-2016 tym rynek harmonijnie wzrasta, na przestrzeni ostatnich 6 lat zmienia się jednak udział poszczególnych technologii.. Rys.2. Rynek sprężarkowych pomp ciepła w Polsce w latach 2010-2016 r. [86]. Sprężarkowe pompy ciepła to dojrzała, sprawdzona i od wielu lat dostępna technologia, która już dzisiaj jest gotowa na dekarbonizację sektora ogrzewania. Korzystając w ok. 75%-80% z odnawialnych źródeł energii charakteryzują się zarazem wysoką efektywnością energetyczną i niskimi kosztami eksploatacyjnymi. W niedalekiej przyszłości, gdy coraz większa część energii elektrycznej będzie pochodzić z odnawialnych źródeł, technologia sprężarkowych pomp ciepła będzie stawać coraz mniej emisyjną technologią grzewczą. Szerokie stosowanie pomp ciepła w Polsce pozwoli na realizację osiągnięcia celów pakietu klimatycznoenergetycznego 2020 – 3x20% oraz porozumienia paryskiego związanego z redukcją CO2. Zaletą pomp ciepła jest to, że szybko rośnie ich efektywność wraz z przybliżaniem się temperatur systemu i źródła ciepła. Typowy jest wzrost 10/120.

(11) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. efektywności o 2% z każdym 1°C redukcji różnicy pomiędzy źródłem ciepła, a żądaną temperaturą po stronie grzewczej. Od lat obserwuje się znaczący rozwój badań sprężarkowych pomp ciepła, a w szczególności typu powietrze-woda, zarówno w zakresie prac teoretycznych, poznawczych, zmierzających do optymalizacji: konstrukcji, parametrów pracy oraz praktycznego ich wykorzystania i wdrożenia. Nowoczesne metody prowadzenia prac badawczo-rozwojowych wymagają już na etapie wstępnych opracowań, stosowania bardzo efektywnych narzędzi i metod obliczeniowych w celu uzyskania podstaw do wyboru optymalnych rozwiązań mających na celu maksymalizację efektów energetycznych, ekonomicznych i ekologicznych. W fazie projektowania, badań i rozwoju sprężarkowych pomp ciepła, konieczne jest stosowanie takich metod obliczeniowych i symulacyjnych, które zagwarantują maksymalną pewność uzyskania w prototypie zaplanowanych właściwości i wskaźników przyszłego modelu do wdrożenia. Wymagane warunki rozwoju sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze– woda może zapewnić adekwatny model matematyczny procesu wymiany masy i ciepła, uwzględniający maksymalną liczbę parametrów wpływających na rzeczywistą charakterystykę obiektu badań, poparty i zweryfikowany badaniami doświadczalnymi według określonego planu. Niniejsza praca przedstawia rezultaty sformułowania i rozwiązania takiego problemów odniesieniu do sprężarkowych pomp ciepła nowej generacji typu powietrze – woda, możliwych do zastosowania w budownictwie, małej energetyce i rolnictwie. Określenie celu pracy Z powyższych rozważań wynika, iż istnieje potrzeba dokładnego opisu i optymalizacji procesów cieplnych oraz przepływowych zachodzących w sprężarkowych pompach ciepła typu powietrze–woda, z uwagi na konieczność dalszego poznania możliwości regulacji parametrów termodynamicznych, jak również z punktu widzenia rozwoju konstrukcji, eksploatacji i zastosowań. Procesy termodynamiczne zachodzące w sprężarkowych pompach ciepła typu powietrze – woda można opisać szczegółowym zbiorem informacji, które można podzielić na trzy zasadnicze grupy:  Pierwszą grupę tworzą informacje o parametrach termodynamicznych i fizycznych procesu tj.: temperatury, różnice temperatur, entalpie, gęstości, ciśnienia, natężenia przepływu i inne [39,41,42,43,46,47]. 11/120.

(12) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka.  Drugą grupę tworzą informacje o układzie cieplnym i zastosowanych podzespołach, w którym zachodzi proces termodynamiczny, np.: jakiego typu zastosowano sprężarki (odśrodkowe, śrubowe, tłokowe, spiralne, turbosprężarki itd.), wymienniki ciepła (płytowe, rurowe, płaszczowe itd.), zastosowane czynniki chłodnicze [48,51,54,56-60].  Trzecią grupę stanowią informacje dotyczące uzyskiwanych współczynników efektywności energetycznej dla pojedynczego urządzenia (COP - z ang. Coefficient Of Performance) oraz urządzeń pracujących w systemach grzewczych tzw. sezonowy współczynnik efektywności energetycznej (SCOP - z ang. Seasonal Coefficient Of Performance) [59-64, 72-75] Proces cieplny termodynamiczny zachodzący w sprężarkowych pompach ciepła typu powietrze-woda, opisany za pomocą tak szczegółowo doprecyzowanych i określonych zmiennych (grupa 1 parametrów istotnie wpływających na efektywność energetyczną urządzenia), można poddać procesowi optymalizacji, względem ściśle określonych kryteriów (maksymalizacja współczynników efektywności energetycznej: COP, SCOP). Wartość tych współczynników zależna jest od różnych czynników, z których najistotniejsze to: temperatury górnego i dolnego źródła ciepła, oraz zastosowane czynniki chłodnicze. Problemem naukowym jest nadal poznanie i opis matematyczno – fizyczny wpływu wybranych oraz kluczowych parametrów cieplnych i przepływowych zachodzących w sprężarkowych pompach ciepła typu powietrze–woda (SPC P/W) na ich efektywność energetyczną oraz możliwość wpływu na wartość i sterowanie parametrami zadanymi, kluczowymi zmiennymi, procesu termodynamicznego co pozwala na osiągniecie maksymalnych efektywności energetycznych pracy urządzenia. Celem pracy jest:  wykorzystanie współczesnych, dostępnych metod teorii eksperymentu do planowania i opracowania wyników eksperymentów naukowych z przeprowadzonych badań na przykładzie sprężarkowej pompy ciepła typu powietrze-woda (SPC P/W) [34,53,84,85,125,126],  określenie wpływu wybranych parametrów - czynników zmiennych możliwych do sterowania - cieplnych i przepływowych sprężarkowej pompy ciepła typu powietrze–woda na jej efektywność energetyczną, 12/120.

(13) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. a w rezultacie:  rozwój technologii wytwarzania oraz nowych zastosowań eksploatacyjnych i wdrożeń sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze–woda (SPC P/W), w aspekcie automatyzacji, monitoringu i inteligentnego zarządzania energią ustalenie najlepszego algorytmu pracy w warunkach eksploatacyjnych rzeczywistych w celu osiągnięcia najwyższej efektywności energetycznej możliwej do uzyskania w określonych warunkach pracy tych urządzeń.. 13/120.

(14) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 2. ANALIZA STANU WIEDZY Z ZAKRESU TEMATU 2.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SPRĘŻARKOWYCH POMP CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA Idea wykorzystania urządzeń działających w oparciu o fazowe przemiany czynnika w ogrzewnictwie pojawiła się pod koniec XIX wieku [13,16-20]. Wraz z rozwojem branży chłodniczej pojawiły się pomysły zastosowania zasady działania urządzeń chłodniczych także do ogrzewania. Teoretyczne podstawy działania sprężarkowej pomp ciepła opracował w 1852 r. Wiliam Thomson (Lord Kelvin) Pierwsze wyniki badań skonstruowanego przez siebie urządzenia do warzenia soli opublikował w 1898 r. w Balsberg (Niemcy) [2,22-26]. W Szwajcarii w 1914 r. zastosowano pompę ciepła w farbiarni do zatężania ługu sodowego. Pierwsza instalacja do ogrzewania domu bazująca na amoniakalnym urządzeniu sprężarkowym (elementy pochodziły z urządzenia do chłodzenia) została opracowana w 1928 r. przez Anglika T. G. Haldane [22-26]. Już kilka lat później działało wiele instalacji pomp ciepła o mocach rzędu megawatów w Stanach Zjednoczonych. Przykładowo w 1931 r. zainstalowano pompę ciepła o mocy 1,05 MW do ogrzewania biurowca w Los Angeles, a w 1938 r. pompę o mocy 175 kW do ogrzewania ratusza w Zurychu. W okresie II wojny światowej urządzenia te znalazły zastosowanie w okrętach podwodnych do ogrzewania i osuszania powietrza [22-26]. Wraz z rozpowszechnieniem się syntetycznych czynników chłodniczych sprężarkowe pompy ciepła o podwójnej roli w zależności od pory roku – grzewczej oraz chłodniczej zaczęto instalować w budownictwie mieszkaniowym. Rozpowszechnienie pomp ciepła zostało, z różnych względów, ograniczone, aż do czasu tzw. kryzysów energetycznych. Dopiero w 1976 r. w ramach Międzynarodowej Agencji Energetycznej [44], powołano Komitet ds. Pomp Ciepła, którego zadaniem była koordynacja działań w zakresie prac badawczorozwojowych związanych z tymi źródłami ciepła. Od 1987 r. IEA prowadzi światowy program mający na celu promowanie pomp ciepła; zgodnie z tym programem pompy ciepła mają stać się głównym systemem instalacji budowlanych łączącym ogrzewanie, chłodzenie, klimatyzację i wentylację pomieszczeń. Według najnowszych danych Europejskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła (EHPA) [25] liczba pomp ciepła zainstalowanych w budynkach mieszkalnych krajów członkowskich UE wynosi ok. 6,5 mln sztuk, a według prognoz powinna wzrosnąć w 2017 r. do ok. 10-12 mln szt. [22-26].. 14/120.

(15) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Sprężarkowa pompa ciepła jest urządzeniem wykorzystującym i przetwarzającym ciepło niskotemperaturowe lub odpadowe, rzędu kilku stopni Celsjusza (°C). Działanie sprężarkowej pompy ciepła polega na pobieraniu ciepła z gruntu, wody lub powietrza w zależności od typu urządzenia (dolne źródło ciepła w zakresie temperatur od -15°C do 25°C), a następnie przekazaniu ciepła o wyższej temperaturze, nawet do 85°C, do instalacji centralnego ogrzewania (C.O.), systemu chłodzenia aktywnego i instalacji ciepłej wody użytkowej (C.W.U.) tzw. górne źródło ciepła (Rys.3.).. Rys.3. Ogólna charakterystyka źródeł ciepła niskotemperaturowego do zasilania sprężarkowej pompy ciepła [96,97]. 15/120.

(16) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. W sprężarkowej pompie ciepła (SPC) zachodzi proces wymiany masy i ciepła oraz podnoszenia potencjału cieplnego, tj. odbiór ciepła ze źródła o temperaturze niższej To tzw. dolne źródło i przekazywania - transportu go do źródła o temperaturze wyższej Tg tzw. górne źródło (Rys.4.). Zatem sprężarkowa pompa ciepła jest urządzeniem elektroenergetycznym, które wykonaną na jego korzyść pracę dostarczoną do sprężarki (L) oraz ciepło pobrane z dolnego źródła ciepła (Q o ) wynikające z bilansu obiegu zamienia w ciepło górnego źródła ciepła (Q g ), przy czym stosunek skutku działania urządzenia - efektu pracy (Q g ) do nakładu, który trzeba ponieść, doprowadzając energię napędową (L) jest zgodnie z prawem zachowania energii zawsze większe od jednego. Stosunek ciepła powstającego z przekształcenia energii napędowej jest tym większy, im temperatura To jest bliższa temperaturze Tg , w konsekwencji efektywność pompy ciepła jest tym wyższa, im mniejsze są wymagania, co do temperatury Tg . Górnym źródłem są instalacje grzewcze np.: ogrzewanie podłogowe (2535°C), ogrzewanie sufitowe (do 45°C), ogrzewanie grzejnikowe (45-55°C), podgrzewania ciepłej wody użytkowej (55-65°C) [96,97]. Sprężarkowa pompa ciepła nie jest urządzeniem wytwarzającym produkującym energię, pełni rolę „transformatora temperaturowego” ciepła. Cel ten może być zrealizowany wymuszeniem obiegu termodynamicznego przez dostarczenie pracy do napędu sprężarki (sprężarkowa pompa ciepła) lub dostarczenie strumienia ciepła (absorpcyjna pompa ciepła, transformator ciepła). Do transformacji ciepła mogą być również wykorzystane inne zjawiska (np.: synteza lub rozkład substancji, zmiana faz, uwodnienie) lub efekty (termoelektryczny, termomagnetyczny, elektrodyfuzyjny). Jednak ich znaczenie jest obecnie niewielkie i są wykorzystywane tylko w szczególnych przypadkach (Rys.4.) [96,97].. 16/120.

(17) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Rys.4. Zasada działania różnych systemów pomp ciepła oraz ich porównanie z chłodziarką i silnikiem cieplnym [96,97]. 2.2. OBIEGI TERMODYNAMICZNE SPRĘŻARKOWEJ POMPY CIEPŁA TYPU POWIETRZE-WODA (IDEALNE, RZECZYWISTE) W sprężarkowej pompie ciepła transport ciepła i masy urzeczywistniony jest za pomocą czynnika roboczego, który krążąc w zespole urządzeń (Rys.5.a.), realizuje obieg termodynamiczny Lindego (Rys.5.c.) [96,97]. Skutek działania sprężarkowej pompy ciepła polega na wykorzystaniu ciepła przegrzania i ciepła skraplania pary czynnika roboczego do podgrzania wody lub powietrza w instalacjach C.O. lub C.W.U. Ciekły czynnik roboczy w obiegu zamkniętym przemieszczający się ze skraplacza zostaje rozprężony od ciśnienia 𝑝𝑔 panujacego w skraplaczu do ciśnienia parowania 𝑝𝑜 . W parowaczu czynnik odparowuje w warunkach obniżonej temperatury 𝑇𝑜 . Ciepło potrzebne do zamiany fazy czynnika roboczego pobierane jest z dolnego źródła, np. otoczenia (grunt, woda, powietrze). Para czynnika roboczego odpływająca z parowacza zostaje sprężona w sprężarce do ciśnienia skraplania 𝑝𝑔 (ciśnienie nasycenia odpowiadające wymaganej temperaturze 𝑇𝑔 ) kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz (𝑄𝑜 , 𝐿) (Rys.5.b.) [96,97].. 17/120.

(18) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Rys.5. Sprężarkowa pompa ciepła: a) ideowy schemat instalacji: 1-sprężarka, 2-parowacz, 3-zawór rozprężny, 4-skraplacz; b) zmiany fazy czynnika roboczego w instalacji pompy ciepła; c) wykresy obiegu teoretycznego w układach współrzędnych: ciśnienie-entalpia właściwa p-h oraz temperatura-entropia właściwa T-s [96,97]. Energetyczny bilans sprężarkowej pompy ciepła ma postać: 𝑄𝑔 = 𝑄𝑜 + 𝐿. (1). a teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej εt określa wzór: 𝜀𝑡 =. 𝑄𝑔 𝑄𝑜 + 𝐿 𝑄𝑜 = =1+ 𝐿 𝐿 𝐿. (2). gdzie: 𝑄𝑔 – ilość ciepła oddanego w skraplaczu [J], 𝑄𝑜 L. – ilość ciepła pobranego w parowaczu [J], – praca dostarczona do sprężarki [J]. W normie PN-EN 14511:2004 współczynnik wydajności grzejnej 𝜀𝑡 określony jest jako współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła i oznaczony COP 18/120.

(19) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. (skrót z j. ang. Coefficient Of Performance). Określa on chwilową efektywność pracy pompy ciepła w ustalonych warunkach [82,83]. Dla oceny efektów zastosowania pompy ciepła w dłuższym okresie, stosowany jest współczynnik SPF (SCOP) tzw. sezonowy współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła (SPF ang. Seasonal Performance Factor, SCOP ang. Seasonal Coefficient of Performance lub JAZ niem. Jahresarbeitszahl) zdefiniowany w Dyrektywie 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Określa sezonową efektywność pracy pompy ciepła oraz efekty jej pracy w okresie 12 miesięcy. Wartość współczynnika SCOP obejmuje różne warunki temperaturowe i tryby pracy pompy ciepła i jest bliższa rzeczywistej wartości efektywności pracy urządzenia [18]. Można zdefiniować następujące rodzaje współczynnika SCOP:  SCOP źródła ciepła – podczas określania SCOP uwzględnia się tylko pobór energii przez sprężarkę. Ten sposób określania SCOP nie zapewnia poprawnej, pełnej analizy efektywności energetycznej instalacji [18].  SCOP systemowy to iloraz sumy ciepła pobranego z dolnego źródła EDŹ i doprowadzonej energii napędowej EN oraz energii pobranej przez część urządzeń napędowych i pomocniczych pompy ciepła EŃ (sprężarka, pompa dolnego źródła, pompa obiegowa c.o., grzałka elektryczna, regulator) [18]. 𝐸𝐷Ź + 𝐸𝑁 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = (3) 𝐸Ń W zależności od konkretnej instalacji grzewczej ilość energii zużytej do napędu pompy obiegowej może być uwzględniana (układy z buforem c.o.) lub nie (układy zasilania bezpośredniego ogrzewania podłogowego – bez buforu) [18].  SCOP instalacji – iloraz sumy ciepła pobranego z dolnego źródła EDŹ i energii napędowej EN oraz energii ze wszystkich urządzeń napędowych i pomocniczych pompy ciepła ENC (sprężarka, pompa dolnego źródła, pompa obiegowa c.o., grzałka elektryczna, regulator, pompy cyrkulacyjne c.w.u., pompy obiegowe c.o. za buforem) [18]. 𝐸𝐷Ź + 𝐸𝑁 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 = (4) 𝐸𝑁𝐶 W wyniku przeprowadzonych badań oraz po analizie publikacji z zakresu tematu dyrektywa 2009/28/WE potwierdza, iż sprężarkowe pompy ciepła są 19/120.

(20) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. uznawane za odnawialne źródła energii pod warunkiem osiągnięcia przez urządzenie minimalnej wartości sezonowego współczynnika efektywności SCOP zdefiniowanej jako [18]: 𝑆𝐶𝑂𝑃 > 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑚𝑖𝑛 (5) przy czym: 1 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑚𝑖𝑛 = 1,15 ∙ (6) 𝜂 gdzie: 𝜂 – średnia sprawność konwersji energii pierwotnej w elektryczną, wyliczana na podstawie danych podawanych przez Eurostat dla UE. SCOP – szacowany lub zmierzony sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła (odniesiony do roku) SCOPmin - zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE [18] wartość ta wyliczana jest na podstawie danych statystycznych współczynnika konwersji energii pierwotnej w elektryczną dla całej Europy. Wg rozporządzenia Komisji Europejskiej 2013/114/UE [13] średnia sprawność konwersji energii pierwotnej w elektryczną w krajach Unii Europejskiej wynosi 0,455 w związku z tym: 𝑆𝐶𝑂𝑃𝑚𝑖𝑛 = 1,15 ∙. 1 = 2,5 0,455. (7). Rys.6. Minimalna wartość współczynnika SCOP (SPF) i udział energii odnawialnej przekazywany przez pompy ciepła [13]. 20/120.

(21) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 2.3. AKTUALNY STAN WIEDZY Z ZAKRESU TEMATU 2.3.1. Stan i kierunki rozwoju sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda Mimo, że technologia pomp ciepła znana jest od ponad 100 lat, sprężarkowe pompy ciepła (SPC) zaczęto stosować na szerszą skalę w Europie na początku lat 70-tych XX wieku. Dopiero od połowy lat 90-tych można mówić o trwałym i szybkim rozwoju tej atrakcyjnej ekonomicznie i ekologicznie czystej technologii energetycznej. Obecnie w Szwecji i Szwajcarii udział instalowanych sprężarkowych pomp ciepła w nowych budynkach wynosi ponad 80% [22-26]. W takich europejskich krajach jak: Austria, Francja, Finlandia, Niemcy, Norwegia, udział SPC w segmencie nowych budynków już teraz stanowi wartość z przedziału 25÷70%. Przeprowadzone przez Polską Organizację Rozwoju Technologii Pomp Ciepła PORT PC w październiku 2017 r. badania rynku jednoznacznie wskazują na duży przyrost rynku sprężarkowych pomp ciepła w Polsce [86,89,90]. To kolejny rok z rzędu, kiedy odnotowano znaczny wzrost sprzedaży i jest to jeden z najlepszych procentowych rezultatów w całej UE.. Rys.7. Rynek sprężarkowych pomp ciepła w latach 2010-2016 w Polsce [86]. Największy wzrost wśród uwzględnionych w badaniach typów odnotował rynek pomp ciepła typu powietrze-woda do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W roku 2010 udział tych urządzeń w całym rynku pomp ciepła wynosił 21/120.

(22) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 25%. Stopniowy wzrost zainteresowania tą technologią w kolejnych latach przełożył się na czterokrotnie większą sprzedaż w roku 2016. W ubiegłym roku pompy ciepła typu powietrze/woda do c.w.u. stanowiły ok. 45% całego rynku pomp ciepła. Spory wzrost odnotował również rynek pomp ciepła typu powietrze/woda służących do ogrzewania pomieszczeń. Ich udział w rynku pomp ciepła w roku 2010 wynosił ok. 18%. Sprzedaż w obrębie tego segmentu urządzeń wzrosła na przestrzeni 6 lat ok. 3,5 krotnie, dzięki czemu w roku 2016 powietrzne pompy ciepła stanowiły już 27% rynku badanych urządzeń.. Rys.8. Sprzedaż różnych rodzajów sprężarkowych pomp ciepła w 2015 i 2016 roku w Polsce [86,89,90]. Z analizy rysunku 8. wynika jednoznacznie, że powietrzne SPC znajdują coraz większe zastosowanie nie tylko w systemach grzewczych, ale również chłodniczych. Jest to również wynik wzrostu zaufania do technologii. Ilość sprzedanych urządzeń w 2016 r. szacuje się na ok. 5.300 szt. Ich rynek w porównaniu do 2015 r. wzrósł o ok. 33%. W grupie SPC do 20 kW wśród SPC typu split odnotowano wzrost na poziomie +35%, a sprzedaż SPC typu monoblok (o mocy poniżej 20 kW) wzrosła o ok. +38%. Aktualnie wśród SPC powietrze-woda udział urządzeń typu split stanowi ok. 62%, a urządzeń typu monoblok około 38% [86,89,90].. 22/120.

(23) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. W stosunku do Krajowego Planu Działania (KPD) na rzecz OZE z 2010 roku, rozwój SPC zbliżony jest do wariantu optymistycznego (wariant C - średni roczny wzrost rynku o 25%). Przyjęty w KPD plan rozwoju rynku w wariancie realistycznym (wariant B - średni roczny wzrost rynku o 10%) zakładał, że ilość energii z odnawialnych źródeł ciepła produkowanej przez SPC będzie wynosić w 2020 roku 118 ktoe/rok (4,94 PJ/rok). Wg szacunków PORT PC w 2016 wynosi ona ok. 142 ktoe/rok (5,95 PJ/rok). PORT PC szacuje, że ilość energii z OZE produkowanej przez SPC w 2020 r. będzie wynosić między 251 ktoe/rok - wariant realistyczny (10,51 PJ/rok) a 272 ktoe/rok - wariant optymistyczny (11,39 PJ/rok). Stanowić to będzie od 2,3% do 2,5% łącznej ilości wymaganej przez KPD na rzecz OZE energii z OZE w 2020 r. [86,89,90]. 2.3.2. Wsparcie dla rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła dzięki dyrektywom UE Istotne znaczenie dla rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła w Polsce ma prawo Unii Europejskiej, a szczególnie Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy:  Dyrektywa 2009/28/WE, której zadaniem jest promowanie stosowania energii z odnawialnych źródeł.  Kwestie tzw. ekoprojektu reguluje Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z 21 października 2009 r. (tzw. ErP ang. Energy related Products) ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią [17].  Dyrektywa 2010/30/EU o oznakowaniu energetycznym urządzeń przewiduje wprowadzenie klas efektywności energetycznej dla wszystkich urządzeń zużywających energię, w tym dla urządzeń grzewczych centralnego ogrzewania [19]. W zatwierdzonym rozporządzeniu delegowanym 811/2013 Komisji Europejskiej dotyczącym realizacji dyrektywy 2010/30/WE w odniesieniu do etykiet efektywności energetycznej dla urządzeń grzewczych, pompy ciepła znajdują się w najwyższych możliwych klasach energetycznych A+++, A++, A+.  Dyrektywa 2010/31/WE (tzw. EPBD ang. Energy Performance of Buildings Directive - Recast) z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. 23/120.

(24) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Dyrektywa EPBD narzucająca obowiązek budowy domów około zeroenergetycznych po 2018 r. (nowe budynki publiczne) i 2020 r. (wszystkie nowe budynki) spowoduje dalsze zmiany na rynku techniki grzewczej i chłodniczej [20].  Dyrektywa 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy, zobowiązuje do obniżenia średniorocznej emisji pyłów zawieszonych PM2,5 poniżej 25 µg/m3 [16]. Po wprowadzeniu nowych wymogów dyrektyw UE w sprawie: ekoprojektu ErP, oraz ELD odpowiedzialności z środowisko - 26 września 2015 roku, sprężarkowe pompy ciepła typu powietrze-woda stopniowo zastępują na rynku pozycję gazowych kotłów kondensacyjnych jako urządzenia grzewczego. Po wycofaniu z produkcji i sprzedaży urządzeń niekondensacyjnych w 2015 roku (wyjątkiem jest ograniczona grupa dwufunkcyjnych kotłów atmosferycznych z klasą energetyczną C) kocioł kondensacyjny w krótkim czasie stał się dla klientów „zwykłym” kotłem gazowym. Maksymalna możliwa klasa energetyczna tego urządzenia w zakresie ogrzewania to klasa A. W świetle nowych wymogów dla kotłów na paliwa stałe najwyższa klasa dla najlepszego obecnie kotła na biomasę to klasa energetyczna B. Powietrzne pompy ciepła osiągają co najmniej klasę energetyczną A+, a w przypadku najlepszych rozwiązań klasę A++. Najwyższa możliwa klasa A+++ jest możliwa do osiągnięcia tylko dla najefektywniejszych gruntowych pomp ciepła (w zestawie z regulatorem pogodowym w odniesieniu do temperatury projektowej zasilania 55°C). Od września 2019 r. będzie możliwość pokazywania klasy energetycznej A+++ na etykietach produktów (obecnie jest to maksymalnie A++). W przypadku najefektywniejszych powietrznych pomp ciepła będzie możliwe osiągnięcie klasy A+++ (tylko w warunkach temperatury projektowej zasilania 35°C). 2.3.3. Główne bariery rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła w UE i Polsce Bariery związane z rozwojem rynku pomp ciepła można podzielić na m. in. na kilka typów: bariery prawne, bariery informacyjne i edukacyjne czy też wsparcia finansowego.. 24/120.

(25) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Bariery prawne:  Duże i szybkie zmiany w zakresie prawodawstwa europejskiego związane z technologią pomp ciepła;  Brak stosownych przepisów i rozporządzeń dotyczących pomp ciepła w Polsce;  Brak jednolitych wytycznych (warunków technicznych) dotyczących technologii pomp ciepła;  Niejednoznaczne procedury odbioru instalacji z pompami ciepła, dolnych źródeł ciepła;  Brak uznania pomp ciepła jako urządzeń korzystających z odnawialnych źródeł energii (brak implementacji w Polsce dyrektywy 2009/28/WE); Bariery informacyjne i edukacyjne:  Brak powszechnej wiedzy o pompach ciepła jako urządzeniach korzystających z odnawialnych źródeł ciepła wśród wszystkich grup społecznych (potencjalnych inwestorów);  Brak ogólnopolskiej kampanii informacyjnej o pompach ciepła (często głównym źródłem informacji dla wielu klientów są fora internetowe);  Rozpowszechniona „błędna wiedza/mity” o pompach ciepła;  Zmiany technologiczne w pompach ciepła następują o wiele szybciej niż typowy przekaz informacji;  Rozpowszechnianie wiedzy o pompach ciepła dla urzędników administracji publicznej, specjalistów branżowych, decydentów; Brak wsparcia finansowego:  Praktycznie jedyna technologia OZE, która nie jest wspierana finansowo w Polsce;  W przypadku pojedynczych programów wsparcia brak jednoznacznych kryteriów jakościowych i ilościowych (konieczność opieki merytorycznej);  Brak specjalnych (dedykowanych) taryf energetycznych dla pomp ciepła;  Brak rozliczania energii OZE dla pomp ciepła; Otoczenie pomp ciepła w Polsce:  Brak polskich programów badawczych badających realną efektywność pomp ciepła (pomiar współczynnika SPF);  Za mały transfer wiedzy i technologii pomiędzy przemysłem, a uczelniami i instytucjami badawczymi prowadzącymi badania w zakresie SPC;  Brak certyfikowanego polskiego instytutu badawczego zajmującego badaniem efektywności pomp ciepła;  Niedobór fachowej kadry (studia kierunkowe pompy ciepła); 25/120.

(26) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Praktyka wykonywanych instalacji z pompami ciepła:  Zbyt duża liczba problemów systemowych (niewysuszone budynki, błędy budowlane itp.) rzutujących na wizerunek pomp ciepła;  Zbyt dużo liczba błędów instalacyjnych;  Znaczna liczba firm garażowych i importerów bez zapewnienia prawidłowej opieki serwisowej oraz profesjonalizmu wykonania instalacji z SPC;  Brak instytucji odwoławczych dla klientów w zakresie reklamacji jakości; 2.3.4. Wpływ zastosowania sprężarkowych pomp ciepła na środowisko naturalne i poprawę jakości powietrza Znaczenie SPC dla Pakietu klimatyczno-energetycznego 3x20% Sprężarkowe pompy ciepła, przy spełnieniu warunku min. efektywności (SPFmin), korzystają z odnawialnego źródła energii (przekazując od 62% do 80% ciepła jako OZE). Przy zasilaniu sprężarkowych pomp ciepła energią elektryczną, pochodzącą z OZE udział przekazywanej energii z OZE może sięgać 100%. Zastosowanie pomp ciepła obniża zużycie energii pierwotnej (nawet o ponad 50%) w stosunku do innych systemów grzewczych. Pod względem zużycia energii pierwotnej pompy ciepła należą do najbardziej efektywnych i dostępnych technologii grzewczych. Świadczą o tym uzyskane wysokie klasy energetyczne (klasy A+++, A++, A+) dla pomp ciepła, które zostaną wprowadzone w ciągu najbliższego roku dla urządzeń grzewczych o mocy do 400 kW. Przy zasilaniu sprężarkowych pomp ciepła energią elektryczną z OZE redukcja zużycia energii pierwotnej może sięgać nawet 100%. Duże znaczenie ma również obniżanie emisji CO2, które będzie postępować dalej wraz z rozwojem zielonej energetyki (wzrost udziału OZE w tzw. „energy mix”) i wzrostem efektywności energetycznej (kogeneracja, wzrost efektywności bloków energetycznych i sieci przesyłowych). Połączenie pompy ciepła z innych technologiami OZE (np. energetyka wiatrowa, energetyka słoneczna, kogeneracja ciepła i prądu) pozwala na dalsze zwiększenie opisanych efektów ekologicznych pomp ciepła. Takie działania jak np. zwiększenie udziału energii odnawialnej w produkcji prądu powodują zwielokrotnienie efektów ekologicznych dzięki zastosowaniu pomp ciepła o wysokiej efektywności. Redukcja zużycia energii pierwotnej w budownictwie Zastosowanie pomp ciepła pozwala na znaczną redukcję zużycia energii pierwotnej. Na rys. 9 pokazany jest wykres przepływu energii (wykres Sankey’a) 26/120.

(27) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. dla sprężarkowej pompy ciepła o współczynniku SPF (SCOP) = 4,0. Pokazany na rysunku wskaźnik zużycia energii pierwotnej PER dla pomp ciepła (ang. Primary Energy Ratio) jest to stosunek użytecznej energii grzewczej pompy ciepła do zużytej energii pierwotnej (paliwa nieodnawialnego). W polskich warunkach oznacza to, że aby uzyskać 100 kWh ciepła przekazanego przez pompę ciepła do budynku należy zużyć ok. 75 kWh z paliwa kopalnego (nieodnawialnego). Jeżeli w roku 2020 sprawność przetwarzania energii elektrycznej w Polsce wzrośnie z 33% do np. 40%, wymagana ilość energii pierwotnej spadnie z 75 kWh do 62 kWh. Współczynnik PER wzrośnie wtedy z 1,33 do 1,61 przy zachowaniu tej samej wartości SPF (sezonowego współczynnika efektywności).. Rys.9. Nakład energii pierwotnej – przepływ energii dla sprężarkowej pompy ciepła z SPF 4,0 [2226,86,89,90]. Dalszy wzrost sprawności przetwarzania energii elektrycznej prowadzić będzie do ciągłego wzrostu współczynnika PER. W roku 2020 wartość średnia przetwarzania energii dla krajów UE może wynosić ok. 0,5 co spowoduje wzrost współczynnika PER do 2,0. Oznaczać to będzie wtedy ponad 2,5 krotnie lepszą efektywność wykorzystania energii pierwotnej niż najbardziej efektywne gazowe kotły kondensacyjne. Chłodzenie pasywne – najwyższa efektywność energetyczna przy chłodzeniu Realizacja funkcji chłodzenia pasywnego jest możliwa tylko w pompach ciepła typu solanka-woda (tzw. sondy pionowe lub specjalne poziome wymienniki gruntowe). System chłodzenia pasywnego funkcjonuje bez udziału sprężarki. Pracują dwie pompy obiegowe dolnego źródła i pompa obiegowa instalacji grzewczej (np. ogrzewania podłogowego). Do oceny efektywności chłodzenia używa się współczynnika efektywności chłodzenia EER (ang. Energy Efficiency 27/120.

(28) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. Ratio to relacja mocy chłodniczej do energii napędowej, czyli mocy sprężarki i innych elementów elektrycznych). Dla porównania współczynnik efektywności chłodzenia EER dla chłodzenia pasywnego mieści się w przedziale 15-30, a dla typowych klimatyzatorów typu split wynosi ok. 3,5. Rozwiązanie to jest nawet pięciokrotnie bardziej energooszczędne w eksploatacji niż zastosowanie klimatyzatorów typu powietrze/powietrze. Zastosowanie chłodzenia pasywnego ma też ważny wpływ na stabilizację obciążenia sieci elektrycznej. W czasie gorących dni lata występują poważne niedobory energii elektrycznej spowodowane działaniem klimatyzatorów. Skojarzona gospodarka ciepła i chłodu w zastosowaniach przemysłowych Niezwykle duży potencjał wykorzystania pomp ciepła tkwi w wykorzystaniu skojarzonej gospodarki ciepła i chłodu w instalacjach przemysłowych. Pompy ciepła mogą być wykorzystane do tzw. wstępnego podgrzewu wody, do odzysku ciepła z instalacji chłodzących czy ciepła z kanalizacji (ze ścieków). Powstające duże ilości ciepła odpadowego, w różnych procesach technologicznych są często niewykorzystane, ze względu na stosunkowo niską temperaturę wody odpadowej (np. wody technologicznej o temperaturze od 10°C do 40°C). W wielu przypadkach odprowadzanie wody o temperaturze powyżej 10°C wiąże się z koniecznością płacenia przez zakłady przemysłowe wysokich kar środowiskowych. Potencjał do wykorzystania pomp ciepła w tym obszarze jest ogromny i jak do tej pory niezagospodarowany. Jest to duża szansa, a zarazem wyzwanie postawione przed rozwojem technologii pomp ciepła w Polsce. Zastosowanie pomp ciepła w wielu rozwiązaniach może zapewnić zwiększenie efektywności energetycznej oraz zmniejszenie albo nawet uniknięcie emisji CO2 w wielu obszarach gospodarki [74,75]. Możliwość wykorzystania sprężarkowych pomp ciepła dużej mocy w polskim ciepłownictwie W Polsce około 50% energii pierwotnej jest zużywane do produkcji ciepła w ciepłowniach. Jednocześnie, ogrzewanie i produkcja ciepłej wody użytkowej stanowią ponad 80% konsumpcji energii w gospodarstwach domowych. Wytwarzanie i dystrybucja ciepła odgrywa ważną rolę w bilansie energetycznym dużych miast. Blisko 70% popytu na ciepło w miastach jest pokrywane przez sieć ciepłowniczą z ciepłowni i elektrociepłowni. SPC stanowią ważną technologię dla ciepłownictwa i ogromną sposobność dla polskiego rynku grzewczego, gdyż dostarczają znacznie więcej ciepła niż zużywają energii. Ponadto mogą pomagać ciepłowniom w planowaniu i cenowej stabilizacji kosztów produkcji ciepła poprzez mniejsze uzależnienie od zmian cen surowców energetycznych na rynkach światowych. 28/120.

(29) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. W Skandynawii oraz Europie Środkowej i Wschodniej pracują już instalacje z pompami ciepła włączonymi do ciepłowniczej sieci dystrybucyjnej i wykazują znacznie wyższą efektywność w porównaniu z kotłami grzewczymi. Technologie sprężarkowych pomp ciepła nowej generacji mogą wykorzystywać rozproszone lub modularne źródła ciepła, czy też wydobywać dodatkową mocy z istniejącej sieci ciepłowniczej. Wpływ zastosowania sprężarkowych pomp ciepła na obniżenie emisji CO2 i poprawę jakości powietrza Zastosowanie SPC prowadzi do obniżenia pośredniej emisji CO2 w stosunku do większości urządzeń (systemów) grzewczych. Wartość ta w Polsce wynosi obecnie ok. 900 g/kWh energii elektrycznej (średnia europejska wynosi poniżej 500 g/kWh). Przy zastosowaniu pompy ciepła o współczynniku SPF=4,0 rzeczywista (pośrednia) emisja CO2 wyniesie 225 mg/kWh ciepła przekazanego do instalacji. Dla przykładu w Niemczech wartość dla tzw. prądu mix emisja CO2 wynosi ok. 600 g/kWh prądu. W 2020 r., przy prognozowanej emisji CO2 równej 700 g/kWh (prognozy Ministerstwa Gospodarki zawarte w Krajowym Planie Działań z 2010 r.) korzystanie ze sprężarkowej pompy ciepła o SPF = 2,75 powoduje emisję CO2 mniejszą niż kocioł gazowy przy tej samej mocy grzewczej.. 29/120.

(30) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 2.4. OCENA DOTYCHCZASOWEGO STANU WIEDZY I WNIOSKI DO BADAŃ WŁASNYCH UZASADNIAJĄCE PODJĘCIE TEMATU W dostępnej literaturze, brak opracowań ściśle powiązanych z tematem niniejszej pracy. Ośrodki światowe, europejskie i amerykańskie, techniczne Uniwersytety i Instytuty badawcze cytowane w niniejszej pracy, zajmujące się problematyką powietrznych sprężarkowych pomp ciepła skupiają się głównie na rozwiązywaniu problemów badawczych z zakresu poprawy efektywności energetycznej konkretnych rzeczywistych obiektów aktualnie eksploatowanych. Brak jest podejścia eksperymentalnego ze ściśle określonym programem badawczym, który pozwoliłby skorelować ze sobą wszystkie istotne parametry energetycznoprzepływowe mające wpływ na efektywność energetyczną urządzenia oraz instalacji, w której pracuje [1-11,14,20,40-42]. Publikacje wielu ośrodków naukowych w tym głównie z Chin, Niemiec, Szwecji, Norwegii i Danii zajmują się głównie problemami związanymi z eksploatacją sprężarkowych powietrznych pomp ciepła w zimnym klimacie np. metody modelowania numerycznego procesu odszraniania wymienników dolnego źródła ciepła - w celu rozszerzenia zakresu temperatur stosowalności oraz poprawie efektywności energetycznej SPC typu powietrze-woda oraz powietrzepowietrze [26,28-30,35-38,45-47,65,78,102,103,117,119]. Polskie ośrodki naukowe zajmujące się tematyką pomp ciepła różnych typów np. Gdańsk, Poznań, Warszawa, Wrocław, Kraków – skupiają się na poprawie efektywności energetycznej SPC pracujących w systemach grzewczych i chłodniczych, często współpracujących w instalacjach hybrydowych np. z fotowotaiką lub małymi turbinami wiatrowymi [27,60,61,71,72,76,77,84,105,106, 122,123,125,126,127,130]. Publikacje z tego zakresu, można podzielić na trzy zasadnicze grupy:  Do pierwszej grupy należą publikacje dotyczące optymalizacji pod względem poprawy efektywności energetycznej cząstkowych, poszczególnych elementów SPC, takich jak: wymienniki ciepła, sprężarki, zawory jak również zastosowanie nowych, innowacyjnych czynników chłodniczych [1,3,4,5,8,9,10,11,14,20,26,38,40,41,42,45,49,60,61-64,65,78]. W opracowaniach tych, optymalizuje się pracę sprężarkowej pompy ciepła z uwagi na pojedyncze parametry, takie jak: objętościowy strumień czynnika roboczego w skraplaczu, sprawność sprężarki, różnicę temperatur w parowniku i inne. W zakres optymalizacji wielokryterialnej wchodzi coraz częściej zadanie wyznaczenia zbioru optymalnych parametrów procesów 30/120.

(31) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. termodynamicznych. Wadą tych opracowań jest niekompletny model matematyczny termodynamicznego procesu pracy SPC. W rzeczywistości wszystkie składowe elementy układu pompy ciepła oddziałują na siebie wzajemnie.  Drugą grupę publikacji stanowią prace dotyczące poprawy efektywności kompletnych układów powietrznych sprężarkowych pomp ciepła w zastosowaniach w ogrzewnictwie i chłodnictwie [43,44,46,47,48,50,54,55]. Brak w nich jednak podejścia eksperymentalnego – budowy kompleksowego i kompletnego modelu matematycznego obejmującego tylko parametry mające istotny wpływ na pracę urządzenia, całego systemu jak również poprawę efektywności energetycznej w celu weryfikacji modelu matematycznego, numerycznego w warunkach rzeczywistych.  Trzecia grupa publikowanych prac ma charakter oceny efektywności energetycznej, ekologicznej i ekonomicznej zastosowania istniejących powietrznych SPC w budownictwie jako pojedyncze źródło oraz w instalacjach hybrydowych [27,28,29,30,35,36,40,41,51,52,53,56,57,58,59,65, 66,67,68, 71,72,76,77,79,84,105,106,122, 123,125,126,127,130]. Wszystkie dostępne publikacje naukowe, o dużej zawartości merytorycznej z omawianego zakresu tematu, opublikowane w znaczących publikatorach z listy filadelfijskiej, autorów z różnych części świata, potwierdzają trend rosnącego zainteresowania technologią powietrznych sprężarkowych pomp ciepła, rozszerzającymi się możliwościami ich zastosowania, ale również ukazują problemy badawcze, które jeszcze pozostają w sferze badań naukowych do rozwiązania. Opublikowane badania sprężarkowych pomp ciepła różnych typów pozwalają na wyciągnięcie zasadniczych wniosków jakościowych, które posłużyły do sformułowania celu niniejszej pracy. Przedstawione w powyższych pracach próby modelowania matematycznego SPC są adekwatne do prowadzonych badań i wyników eksperymentalnych. Większość dotychczas opublikowanych prac zmierza do opracowania modelu teoretycznego określającego pełną charakterystykę przepływową i energetyczną sprężarkowych pomp ciepła niezbędną m. in. w praktycznych zastosowaniach tych urządzeń oraz wpływie parametrów cieplnych na ich efektywność energetyczną. Model teoretyczny w kolejnym etapie posłuży do weryfikacji przyjętych rozwiązań modelowych w rzeczywistości w instalacjach pracujących i 31/120.

(32) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. nowobudowanych w celu poprawy efektywności energetycznej tych urządzeń oraz szerszego spektrum zastosowań powietrznych SPC. W literaturze nie ma również ujednoliconej metodyki i metodologii badań, gwarantującej obiektywną i porównywalną analizę otrzymanych wyników badań eksperymentalnych prowadzonych przez naukowców w różnych ośrodkach badawczych krajowych i zagranicznych. Przy przeprowadzaniu powyższej oceny dotychczasowego stanu wiedzy, jako podstawy do dalszych rozważań nad podjęciem tematu niniejszej pracy oraz badań własnych, przyjęto kilka znaczących kryteriów m. in.:  W jakim zakresie wyniki opublikowanych prac, mogą zostać zaakceptowane i wykorzystane przez autora zgodnie z celem pracy.  W jaki sposób można sformułować własne wnioski i opinie krytyczne na temat prowadzonych badań z zakresu tematu, dotyczące szczegółów analizowanych prac i cytowanej literatury.  W jaki sposób sformułować cel i zakres badań, które pozwolą na odnalezienie i rozwiązanie problemu w danej dziedzinie. Oceniając stopień zaawansowania prac, związanych bezpośrednio i pośrednio z badanym problemem naukowym, można postawić kilka istotnych wniosków, które jednocześnie będą stanowić zakres badań własnych:  brak w dalszym ciągu zdefiniowania związków, które mogłyby dokładnie określić wpływ wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła na ich wskaźniki efektywności energetycznej;  zgodnie z metodologią i metodyką badań sprężarkowych pomp ciepła, badania te powinny być prowadzone kompleksowo; Dane przedstawione w rozdziale 1 i 2 świadczą o trudnościach w określaniu optymalnych warunków pracy sprężarkowych pomp ciepła z zastosowaniem dotychczasowych algorytmów obliczeniowych. W celu weryfikacji doświadczalnej, opracowanego algorytmu obliczeniowego sprężarkowych pomp ciepła, oraz określenia optymalnych warunków przebiegu złożonych procesów termodynamicznych, ogromnie przydatne okazały się metody statystyki matematycznej i teorii eksperymentu [34,38,39,49,53,70,84,85,88,103, 104,109,125,126,127,128,].. 32/120.

(33) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 2.5. HIPOTEZY PRACY Po dokonaniu szczegółowej i krytycznej analizy literatury oraz stanu wiedzy w zakresie badania wpływu parametrów przepływowych i energetycznych na efektywność energetyczną sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda, jak również po przeprowadzeniu własnych badań rozpoznawczych, przyjęto następujące hipotezy niniejszej pracy: I.. Można zbudować teoretyczno – doświadczalny model matematyczny sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda, pozwalający na zastosowanie go z dużą dokładnością w rozwoju badań, konstrukcji oraz zastosowań tych urządzeń.. II.. Spośród różnych modeli cybernetycznych, eksperymentalnych, matematycznego planowania doświadczeń istnieje jeden tzw. optymalny plan badawczy, którego opracowanie i rozwiązanie gwarantuje uzyskanie maksimum informacji, przy minimalnym nakładzie czasu pracy oraz środków finansowych przeznaczonych na badania doświadczalne.. III.. Spośród badanych wstępnie parametrów procesu, największy wpływ na efektywność energetyczną sprężarkowych pomp ciepła typu powietrzewoda mają parametry między parownikiem a dolnym źródłem, oraz parametry między skraplaczem a górnym źródłem ciepła.. 33/120.

(34) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 3. PROGRAM BADAŃ WŁASNYCH 3.1. STANOWISKO BADAWCZE Badania sprężarkowej pompy ciepła typu powietrze-woda przeprowadzono na prototypowym, jedynym przeznaczonym do badań z wykorzystaniem teorii eksperymentu, stanowisku do badań energetycznych, przepływowych i eksploatacyjnych urządzeń o mocy grzewczej/chłodniczej 14 kW, opracowanym zgodnie z aktualnymi wytycznymi, normami UE i PL oraz wymaganiami i założeniami niniejszej pracy, wykonanym przy współpracy z firmą SEKUT – Tomasz Sekut z Krakowa. Urządzenie badawcze SPC-P/W-14 zawiera funkcjonalny system grzewczy/chłodniczy sprężarkowej pompy ciepła powietrze/woda. Zorganizowana struktura instalacji obrazująca podzespoły wchodzące w skład urządzenia są powszechnie stosowane w pompach ciepła i technice grzewczej oraz chłodniczej. Stanowisko odzwierciedla instalację grzewczą/chłodniczą domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 150 m2. Umożliwia tworzenie charakterystyk przepływowych, termodynamicznych, energetycznych oraz pozwala na obliczenie podstawowych parametrów charakteryzujących pompy ciepła czyli m.in. współczynnik efektywności pompy ciepła. Wykazuje zgodność z badaniami określonymi w normach UE i PL m. in. PN-EN14511 oraz PN-EN16147. Stanowisko umożliwia badanie poszczególnych urządzeń wchodzących w skład instalacji jak np. sprężarki, wymienniki, pompy obiegowe i innych. Czynnikiem roboczym zastosowanym w sprężarkowej pompie ciepła jest ekologiczny czynnik chłodniczy R410A. Jest to blisko-azeotropowa bezchlorowa mieszanina czynników: R32 (difluorometan, CH 2F2, 50%) i R125 (pentafluoroetan, C2HF5, 50%). Istotną jego cechą jest wyższa o prawie 50% w porównaniu z R22 (chlorodifluorometan, freon-22, CHClF2, wycofany z użytku) wydajność chłodnicza, uzyskana jednak kosztem proporcjonalnego wzrostu ciśnienia w układzie. Do zalet R410A należy zaliczyć wysokie współczynniki przejmowania ciepła w parownikach i skraplaczach, udowodnione eksperymentalnie i stwarzające korzystne warunki pracy wymienników. W zoptymalizowanym układzie napełnionym R410A możliwe jest nawet osiągnięcie lepszej efektywności niż z innymi czynnikami chłodniczymi. Dolnym źródłem sprężarkowej pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne, natomiast górnym źródłem jest zbiornik akumulacyjny wypełniony mieszaniną wody i glikolu (etano-1,2-diol, C2H6O2, zastosowany jako czynnik niezamarzający) 34/120.

(35) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. o pojemności 80 litrów (0,08 m3), odzwierciedlający pojemność cieplną ogrzewania niskotemperaturowego w budynkach mieszkalnych. Informację dotyczące szczegółowej budowy wraz z urządzeniami wchodzącymi w skład stanowiska badawczego SPC-P/W-14 znajdują się poniżej na rys. 12.. Rys.10. Schemat stanowiska badawczego SPC-P/W-14: 1. Jednostka zewnętrzna w której skład wchodzą: sprężarka spiralna ZP38K3E firmy Copeland, parownik: wymiennik płytowy-lutowany LB47-30 firmy Secespol, zawór 4-drogowy, presostat nastawny ciśnienia wysokiego, presostat nastawny ciśnienia niskiego, przetwornik wysokiego ciśnienia firmy CAREL SPKT 0031D0, przetwornik niskiego ciśnienia firmy CAREL SPKT 0031C0, zawór rozprężny. 2. Zbiornik akumulacyjny Ariston PRO 80 l. 3. Naczynie przeponowe zbiornika ERE 8/1,5 firmy CIMM. 4. Wymiennik pośredni z wentylatorem. 5. Zawór odcinający. 6. Manometr 2,5 bar. 7. Zawór bezpieczeństwa 1,5 bar. 8. Przepływomierz GSD5R firmy METERS. 9. Zawór zwrotny. 35/120.

(36) „Badanie wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną” – praca doktorska – mgr inż. Krzysztof Szczotka. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.. Pompa obiegowa OMNI gena OMI 25-60/1BG. Zawór odpowietrzający. Skraplacz: wymiennik płytowy-lutowany LB47-30 firmy Secespol. Wziernik cieczy z indykatorem wilgotności 42 bar 90°. Filtr dwukierunkowy odwadniacz DMB 163 firmy Danfoss. Szafa elektryczna Panel dotykowy VISULA firmy Inveo. System „noise control”. Para przegrzana krążąca w zamkniętym obiegu dolnego źródła (rys.12, pkt.1) jest transportowana od parownika, w którym dochodzi do przekazania ciepła czynnikowi roboczemu, który krąży w wewnętrznym obiegu. W wyniku wykonania pracy sprężania przez sprężarkę spiralną nad układem ciepło przekazywane jest czynnikowi roboczemu i pompowane do skraplacza (Rys.12, pkt.12), w którym ciepło oddawane jest do obiegu górnego źródła ciepła (Rys.12, pkt.2). Następnie skroplony czynnik roboczy przepływając przez wziernik cieczy (Rys.12, pkt.13) oraz filtr dwukierunkowy (Rys.12, pkt.14) trafia na zawór dławiący (Rys.12, pkt.1). W układzie górnego obiegu woda ogrzana w skraplaczu w wyniku pracy pompowania pompy obiegowej (Rys.12, pkt.10) jest transportowana poprzez zawór odpowietrzający (Rys.12, pkt.11) oraz zawór zwrotny (Rys.12, pkt.9) do wymiennika pośredniego z wentylatorem (Rys.12, pkt.4), który ma na celu obniżenie temperatury wody o kilka stopni (w zależności od parametrów pracy urządzenia). Pomiędzy zaworem odpowietrzającym, a zwrotnym zlokalizowany jest przepływomierz (Rys.12, pkt.8), służący do pomiaru przepływającej wody. Ciecz o obniżonej temperaturze na wyjściu z wymiennika pośredniego przepływa przez zawór bezpieczeństwa (Rys.12, pkt.7), który ma na celu nie dopuszczenie do wystąpienia ciśnienia przekraczającego 1,5 bar co mogłoby stanowić zagrożenie. W celach pomiarowych zainstalowany jest przed nim manometr. Finalnie woda trafia do zbiornika akumulacyjnego (Rys.12, pkt.2). W celu zapewnienia wymaganego przepisami bezpieczeństwa zamontowane zostało również naczynie przeponowe zbiornika (Rys.12, pkt.3). Moc elektryczna pobierana przez sprężarkę oraz cały układ urządzenia określana jest za pomocą oddzielnych liczników energii elektrycznej (Rys.12, odpowiednio: pkt.1, pkt.15). Cały układ pompy ciepła jest zarządzany za pomocą sterownika programowalnego VISULA wyposażonego w dotykowy panel LCD (Rys.12, pkt.16). Panel operatorski umożliwia przedstawienie procesu sterowania na kolorowym wyświetlaczu LCD VGA z warstwą dotykową. Został on wyposażony w 32-bitowy mikrokontroler z rdzeniem MIPS oraz w szereg interfejsów. Sterownik wyposażony jest w kolorowy ekran 5,7” o rozdzielczości 640x480 z panelem. 36/120.