Pompy ciepła

Pompy ciepła

i kolektory słoneczne

Bogusław Białko

Temperatura kondensacji

Główne parametry obiegu

Jeżeli temperatura powietrza na wlocie do skraplacza chłodzonego powietrzem wynosi t

= +32°C , to przy założeniu, że DT

= 10K i DT

= 5K wymagana

temperatura kondensacji wyniesie:

t

= t

+ DT

+ DT

= 32 + 10 + 5 = + 47°C

W większości instalacji ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem DT₁ + DT₂ wynosi 15K.

W instalacjach ze skraplaczami chłodzonymi wodą z sieci wodociągowej DT₁ + DT₂ wynosi od 7 do 15K.

W instalacjach ze skraplaczami chłodzonymi wodą pochodzącą z chłodni wentylatorowych DT₁ + DT₂ wynosi od 7 do 10K.

Temperatura parowania

Główne parametry obiegu

Jeżeli wymagana temperatura powietrza na wylocie z parowacza umieszczonego na zewnątrz wynosi t

= 0°C, to przy założeniu, że DT

= 4K i DT

= 5K wymagana temperatura kondensacji wyniesie:

t

= t

- DT

- DT

= 4 - 4 - 5 = - 5°C

W większości instalacji wyposażonych w

chłodnice powietrza DT₁ + DT₂ wynosi od 6 do 12K.

Dla instalacji z parownikami do chłodzenia cieczy DT₁ + DT₂ wynosi od 5 do 10K.

Temperatura przegrzanej pary na stronie ssawnej sprężarki, jest uzależniona od rodzaju elementu rozprężnego. W przypadku zastosowania zaworów

rozprężnych termostatycznych sam zawór wprowadza przegrzanie wynoszące od 7 do 15K. Temperatura przegrzanej pary wiąże się bezpośrednio z

temperaturą parowania t

.

Główne parametry obiegu

Temperatura przegrzanej pary na stronie ssawnej jest uzależniona również od długości przewodów ssawnych, ze względu na nieuniknione dopływy ciepła od otoczenia. Wzrost tej temperatury jest niekorzystny, dlatego konieczne jest izolowanie przewodów ssawnych.

Główne parametry obiegu

Temperatura przegrzanej pary na stronie tłocznej sprężarki t

.

W teorii proces sprężania przybliżany jest przemianą izentropowego wzrostu ciśnienia, więc t

można łatwo wyznaczyć poprzez znalezienie punktu przecięcia izobary p

z linią stałej entropii wychodzącej z punktu 1.

Główne parametry obiegu

Temperatura t₂ zależy od wartości p₀ i p_k, wartości t₁, rodzaju

sprężarki oraz rodzaju ziębnika.

, kg/s

k r

k

m Q

= q Masowy strumień ziębnika. Iloraz zapotrzebowania na moc grzewczą obiektu do właściwego obciążenia skraplacza wyznaczonego z wykresu lgp-h.

0 _r 0, W

Q = m q Strumień ciepła pobranego przez parowacz od źródła dolnego

t r t, W

W = m l Teoretyczne zapotrzebowanie na moc napędową sprężarki

3 1, m /s

V = m vr  Objętościowy strumień ziębnika. Wielkość ta informuje o teoretycznej wydajności objętościowej sprężarki.

0 3 1

, kJ/m

v

q q

= v Wydajność objętościowa ziębnika. Wielkość informuje o wielkości strumienia objętości ziębnika koniecznego do realizacji efektu ziębienia.

Strumień ciepła dostarczony do skraplacza. Wielkość wynika z wykonania bilansu zapotrzebowania na moc grzewczą obiektu.

Podstawowe zależności opisujące obieg pompy ciepła

k, W Q

Źródło ciepła

Własności Powietrze Grunt Promieniowani e słoneczne

Woda gruntowa

Woda powierzch-

niowa

Woda miejska Możliwość

stosowania - teren

Wszędzie Tylko przy luźnej zabudowie

Wszędzie Zależnie od

terenu Wyjątkowo Duże aglomeracj

e Możliwość

stosowania - czas

Zawsze, zależnie od parametrów PC

i systemu ogrzewania

Zawsze

Silne zróżnicowanie,

nie do przewidzenia

Silne zróżnicowanie,

nie do przewidzenia

Zawsze, gdy nie ma niedostatku

wody

Gdy nie ma ograniczeń

Koszty inwestycyjne

Stosunkowo

niewielkie Duże Bardzo wysokie

Zależą od kosztów wierceń i poszukiwań

głębokości

Średnie Najniższe

Koszty

eksploatacyjne Średnie Prawie żaden

Prawie żadna, zależą od konstrukcji kolektorów

Niskie, jeżeli zwrot od drugiej studni

Stosunkowo

niewielkie Wysokie

Zestawienie źródeł ciepła

Zestawienie źródeł ciepła

Źródło ciepła

Własności Powietrze Grunt Promieniowa-

nie słoneczne Woda gruntowa

Woda powierzch-

niowa

Woda miejska

Temp. otoczenia i jej wahania

90% roku powyżej 0^oC.

W odwrotnym cyklu niż zapotrzebowa-

nie

Niższe temp. przy

końcu okresu grzewczego

Wyższe od 0^oC.

W odwrotnym cyklu niż zapotrzebowa-

nie ciepła budynku

Bardzo małe wahania

Poniżej 2^oC nie można

stosować

+5^oC - +15^oC

Zapotrzebowa- nie miejsca na

wymiennik

Stosunkowo duże

Bardzo

duże Bardzo duże Miejsce na

studnie Małe Małe

Możliwość produkcji

masowej Dobra Niewielka Umiarkowana Dobra Umiarko

wana Umiarko wana

Inne cechy

Przy dużym zapotrzebow.

ciepła najniższa moc do dyspoz.

Stosowanie ogrzewania

przez strukt geologiczną

Miejsce na kolektor na południowej stronie domu

Możliwości korozji. Odpływ

do kanaliz. lub druga studnia

Korozja, wodorosty.

Konieczne dod. ogrzew

Korozja.

Niebezp.

ogranicz.

zużycia Praktyczna

możliwość stosowania

Dobra Niewielka Niewielka Średnia Średnia Mała

 =_t Q^k = Q⁰ +L

L L

Współczynnik wydajności grzewczej (obieg teoretyczny)

1 4

2 1

z

h h h h

 = −

−

2 3

2 1

PC

h h h h

 = −

−

(

) (

)

−

− −

 =  +  = + = + =

− − − −

= − + =  +

−

1 4 2 1

2 3

1 4 1 4

2 1 2 1 2 1 2 1

1 4

2 1

2 1 2 1

zg z PC

z

h h h h

h h

h h h h

h h h h h h h h

h h h h

Teoretyczny obieg suchy Lindego

Obiegi Lindego we współrzędnych T-s oraz lgP-h realizowane za pomocą różnych ziębników w tym samym zakresie temperatur 253-313 K

Jeśli temperatura parowania obniży się z wartości T₀ na T’₀ to jak wynika z obiegu lgP-h nastąpi zmniejszenie jednostkowej wydajności ziębniczej q₀ na q’₀ i równocześnie wzrost jednostkowej pracy l_ts na l_t’s.

Wpływ temperatury parowania na

współczynnik efektywności ziębniczej

Na wykresie T-s q₀ = h₁ – h₄ = pole a-4-1-b, natomiast q’₀ = h_1’ – h_4’ = pole a’-4’-1’-b’.

Ponieważ h₄ = h_4’ , natomiast h_1’ < h₁, wobec tego q’₀ < q₀.

Z drugiej strony l_ts = h₂ – h₁ = pole 1-2-3-4, natomiast l_t’s= h_2’ – h_1’= pole 1’-2’-3’-4’.

Ponieważ h₁ > h_1’ oraz h_2’ > h₂, wynika stąd, że q’₀ < q₀, natomiast l_ts < l_t’soraz, że

Wpływ temperatury parowania na

współczynnik efektywności ziębniczej

= ⁰  ⁰ =

'

' '

L L

ts t s

q q

l l

 

Współczynnik efektywność obiegu ziębienia zmniejsza się w

przypadku obniżenia temperatury odparowania ziębnika w obiegu.

Jeżeli temperatura skraplania zostanie podwyższona z wartości T_kdo wartości T’_k, wystąpią podobne objawy, jak w przypadku obniżenia temperatury parowania.

Na podstawie analizy wpływu temperatur parowania i skraplania można stwierdzić, że korzystniejsze pod względem energetycznym są obiegi realizowane w możliwie wysokiej temperaturze parowania i niskiej temperaturze skraplania.

Wpływ temperatury skraplania na

współczynnik efektywność ziębniczej

• Dławienie czynnika w zaworze dławiącym

• Dławienie czynnika podczas przepływu przez przewody

• Dławienie czynnika na przewodach:

ssawnym i tłocznym

• Nieodwracalność wymiany ciepła w parowaczu

Pozostałe straty w całości lub częściowo zwiększają wydajność cieplną sprężarki

Straty powodujące zwiększenie pracy sprężarki nie

wpływające na zwiększenie wydajności cieplnej obiegu

Straty w zaworze dławiącym i zaworach

sprężarki: ssawnym i tłocznym

Rozkłady temperatur w skraplaczu i parowaczu

wzdłuż ich długości

Głównymi przyczynami strat energetycznych w rzeczywistym procesie sprężania są:

• cieplne oddziaływanie ścianek cylindra;

• opory przepływu przez układ ssawny i tłoczny sprężarki zwane często stratami

wewnętrznymi lub indykatorowymi;

• straty w silniku napędowym, najczęściej elektrycznym;

• straty mechaniczne spowodowane tarciem w elementach ruchowych sprężarki.

Straty w sprężarce

Rzeczywisty obieg małej SPC z rurką kapilarną i

sprężarką hermetyczną

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

Górne źródła ciepła

• Konieczne jest dostosowanie

temperatury zasilania i powrotu z

odbiorników instalacji pompy ciepła do temperatury zasilania i powrotu z

pompy ciepła.

• Instalacja hydrauliczna pompy ciepła wymaga z reguły zastosowania systemu stało-przepływowego.

• Instalacje grzewcze najczęściej wykonywane są z wykorzystaniem systemu zmienno-przepływowego.

Dostosowanie systemu grzewczego do instalacji

pompy ciepła