Pompy ciepła
i kolektory słoneczne
Bogusław Białko
Od blisko 180 lat znane są w technice metody i
urządzenia, przy pomocy których można w sposób ciągły obniżać temperatury obiektów (pomieszczeń, mediów,
ciał stałych) w stosunku do temperatury początkowej lub temperatury zewnętrznej.
Urządzenia, dzięki którym mnożna dokonać takiej czynności to:
chłodziarki – gdy chodzi o pobranie określonej ilości
ciepła przy niskiej temperaturze i osiągnięciu pożądanej mocy chłodzenia;
pompy ciepła – gdy ilość oddawanego ciepła przy wyższej temperaturze od temperatury otoczenia osiąga wartość uzasadnioną do ekonomicznego wykorzystania lub, gdy jednocześnie istnieje zapotrzebowanie na efekt chłodzenia i grzania.
Wprowadzenie
W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia (sprężania, pompowania)
potencjału cieplnego tzn. proces odbierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej T0 i przekazywania go do źródła o temperaturze wyższej Tg .
Idea działania
Dzieje się to najczęściej dzięki medium
pośredniczącemu (czynnikowi
termodynamicznemu), które w zamkniętym systemie maszyn i
aparatów realizuje cykl przemian
termodynamicznych:
parowania, sprężania, kondensacji i rozprężania, kosztem dostarczonej energii napędowej.
Około roku 1930-1935 pojawiła się po raz pierwszy w słownictwie technicznym nazwa „pompa ciepła”.
Użyli jej po raz pierwszy, niezależnie od siebie, prawdopodobnie: G. Flugel w Niemczech – „
Warmepumpe” oraz F. Kraus w USA – „Heat Pump”.
W Polsce używano nazwy „mnożnik ciepła”.
Dzisiaj można spotkać: „ pompa grzewcza”
Nazwa: pompa ciepła
Realizowany jest tzw. lewobieżny obieg termodynamiczny - obieg chłodniczy (w odróżnieniu od obiegu prawobieżnego - silnika), ten sam co w urządzeniach
chłodniczych, ale przy innym zakresie temperatur.
Temperatura otoczenia Tot- najistotniejszy parametr pompy ciepła.
Idea działania
Pierwszą „pompę ciepła” (skala laboratoryjna) zbudował w 1778 roku Narine.
W roku 1810 John Leski zademonstrował (na podstawie pompy Narine’a) rozwiązanie techniczne i działanie pompy ciepła własnej konstrukcji.
Na tej podstawie w 1850 roku Edmund Caree zbudował swoją pompę ciepła, która wprowadzona jest do produkcji seryjnej.
Rys historyczny
William Thomson (Lord Kelvin) w 1852 roku opisał otwarty układ powietrzny ze sprężarką i rozprężarką nazwany przez niego „mnożnikiem ciepła”.
Rys historyczny
Pompa ciepła do ogrzewania biura
Norwich (1945)
Prawo energetyczne (Dz. U. nr 54 , poz. 348).
Pompy ciepła zostają zaliczone do
niekonwencjonalnych źródeł ciepła. Powinny być uwzględniane w planach przestrzennego zagospodarowania gmin.
Ustawodawstwo
Obowiązująca norma dotycząca zagadnienia sposobów transportu ciepła instalacji
ziębniczych i pomp ciepła to: PN-EN 378- 1:2017 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła -- wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska.
Zastosowanie pomp ciepła
Średnie pompy ciepła o wydajności do 100 kW - całoroczna klimatyzacja
(lub ogrzewanie) większych pomieszczeń,
restauracji, biur, magazynów oraz podgrzewanie wody w basenach kąpielowych.
Duże pompy ciepła o wydajności do kilkunastu megawatów – ogrzewanie i klimatyzacja wielkich biurowców, domów towarowych, hoteli,
kompleksów rekreacyjnych.
Małe pompy ciepła - ogrzewanie oraz klimatyzacja domów jednorodzinnych i niewielkich
pomieszczeń, a także przygotowanie ciepłej wody użytkowej (o wydajności kilku do kilkunastu
kilowatów).
Szczególnie sprzyjające warunki do eksploatacji zachodzą wtedy gdy:
• istnieje naturalne źródło ciepła o zbyt niskiej temperaturze, aby je można było wykorzystać przy pomocy klasycznych wymienników ciepła czy rekuperatorów;
• istnieje swobodny nieograniczony dostęp do tzw. dolnych źródeł ciepła: wody powierzchniowej, głębinowej, energii słonecznej, energii geotermalnej;
• istnieje zapotrzebowanie zarówno na ciepło jak i na zimno;
• istnieje źródło ciepła odpadowego którego ze względu na niską temperaturę nie można inaczej wykorzystać;
• możliwe jest zawrócenie strumienia energii w jakimś urządzeniu przemysłowym np. w suszarniach, wyparkach, klimatyzatorach;
• energia jest przekazywana na znaczne odległości i w wyniku stosowania pompy ciepła w miejscu poboru energii można znacznie zmniejszyć koszty inwestycyjne;
• zastosowanie konwencjonalnych systemów ogrzewania może naruszyć lokalną równowagę ekosystemów;
• w rachunku ekonomicznym przedsięwzięcia można uwzględnić koszty ekologiczne:
- degradacji;
- ochrony środowiska naturalnego;
- zachęty do oszczędzania energii.
Zastosowanie pomp ciepła
sprężarkowe pompy ciepła (SPC):
• jednoczynnikowe:
− zasilanie elektryczne,
− zasilanie gazowe,
− zasilanie spalinowe,
− inny napęd,
• z obiegiem roztworów:
− zeotropowe,
− azeotropowe.
Klasyfikacja ze względu na zasadę działania
• sorpcyjne pompy ciepła (APC):
− absorpcyjne podwyższające,
− absorpcyjne obniżające,
− resorpcyjne;
• kombinowane pompy ciepła sprężarkowo-sorpcyjne;
• termokompresorowe pompy ciepła;
• strumienicowe pompy ciepła;
• inne:
np. termoelektryczne, rotacyjne, magnetyczne z obiegiem gazowym, otwartym obiegiem powietrznym, wykorzystujące efekt elektrodyfuzji, wykorzystujace efekt Ranque’a.
Klasyfikacja ze względu na zasadę działania
• monowalentne – korzystają z jednego źródła ciepła;
• biwalentne – korzystające z dwóch źródeł ciepła:
- szeregowe, - równoległe;
• multiwalentne – korzystają z kilku źródeł ciepła
Klasyfikacja ze względu na wykorzystywane
źródła ciepła
Źródło ciepła Czynnik grzewczy Nośnik ciepła Nazwa pompy ciepła woda
woda powietrze powietrze powietrze powietrze
grunt grunt grunt grunt
ciepła woda ciepłe powietrze
ciepła woda ciepłe powietrze
ciepła woda ciepłe powietrze
ciepła woda ciepłe powietrze
ciepła woda ciepłe powietrze
- - - - solanka solanka
- - solanka solanka
PC woda / woda PC woda / powietrze PC powietrze / woda PC powietrze / powietrze
PC solanka / woda PC solanka / powietrze
PC grunt / woda PC grunt / powietrze
PC solanka / woda PC solanka / powietrze
Klasyfikacja monowalentnych pomp ciepła
• pierwotne – korzystają z naturalnych (odnawialnych) źródeł ciepła;
• wtórne – źródłem ciepła są ciepła odpadowe, np. ścieki, kondensat, woda chłodząca z procesów technologicznych, zużyte powietrze z wychłodzonych pomieszczeń
• inne (kombinowane) – korzystają w połączeniu szeregowym bądź równoległym ze źródła naturalnego lub odpadowego w celu uzyskania wysokich temperatur lub wyższych wydajności
Klasyfikacja ze względu na rodzaj źródła ciepła
Sprężarkowa pompa ciepła
Aktualne akty prawne związane ze stosowaniem pomp ciepła o napędzie elektrycznym:
• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady
2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie
promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy
2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
• PN-EN 14511-1:2018-08 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.
• PN-EN 16147:2017-04 Pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym. Badanie i wymagania dotyczące oznakowania zespołów do ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej.
• PN-EN 378-2:2017 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła.
Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska.
Wymagania dotyczące efektywności
stawiane pompom ciepła
Ocenę różnych systemów ogrzewania można przeprowadzić za pomocą sprawności egzergetycznej φ zdefiniowanej jako stosunek egzergii odzyskanej do egzergii
doprowadzonej do systemu.
Ocena różnych systemów ogrzewania
Rodzaj ogrzewania Sprawność
egzergetyczna φ, %
Ogrzewanie piecowe 3,8
Bezpośrednie ogrzewanie energią elektryczną z:
- elektrociepłowni
- elektrowni wodnej 2,4
5,3
Ogrzewanie parą z elektrociepłowni 7,7
Ogrzewanie pompą ciepła napędzaną energią elektryczną z:
- elektrociepłowni
- elektrowni wodnej 7,1
15,6
Ocena różnych systemów ogrzewania
Rodzaj ogrzewania Sprawność
ogrzewania
Grzejnik elektryczny (prąd z sieci) 0,3 ÷ 0,4
Kocioł c.o. starego typu 0,5
Kocioł c.o. nowego typu 0,9
Kocioł kondensacyjny 1,0
Pompa ciepła:
- sprężarkowa (silnik elektryczny, prąd z sieci) - sprężarkowa (silnik spalinowy)
- sprężarkowa (silnik gazowy, wysokoprężny) - sorpcyjna
0,9 ÷ 1,1 (εp= 3) 1,2 ÷ 1,5 (εp= 4) 1,5 ÷ 1,6 (εp= 3) 1,8 ÷ 2,0 (εp= 4)
1,3 ÷ 1,8 1,2 ÷ 1,5
Źródła ciepła
Ideał
• źródła izotermiczne,
• wymiana ciepła w warunkach izotermicznych,
• pomijalne straty.
• dolne – energia odbierana, dostarcza surowiec, niska egzergia
• górne – energia przekazywana, określa efekt, wysoka egzergia
• naturalne
• sztuczne
Jakościowe Ilościowe
dostępność
„korozyjność”
temperatura i jej zmiany w czasie
zasoby egzergii i jej zmiany w czasie
koszty inwestycyjne i eksploatacyjne
Dolne źródło
Dolne źródło – określa pompę i decyduje o jej zastosowaniu Powinno mieć określone cechy jakościowe i ilościowe:
Główne pompy „użytkowe” to małe domy – źródła naturalne:
• Powietrze,
• Grunt,
• Energia słoneczna.
Słabiej dostępne:
• Woda podziemna,
• Studnie głębinowe.
Niedostępne:
• Rzeki,
• Jeziora,
• Morza.
Dolne źródło
Pobór energii do PC nie może wpływać na innych użytkowników PC
Temperatura źródła górnego – eliminuje przesył energii ze względu na straty.
Dlatego górne źródło musi znajdować się w miejscu zainstalowania pompy ciepła.
Dotyczy to również dużych PC.
Niektóre źródła – antykorozyjne materiały
• zasolenie wód głębinowych
• woda morska
• opary w suszarni
• obecność gazów SO2 i CO2 + wykraplanie wilgoci Niekiedy jest to znaczny problem ekonomiczny
