Badania eksploatacyjne wodnej pompy ciepła w warunkach oblodzenia parowacza

Transkrypt

1 Badania eksploatacyjne wodnej pompy ciepła w warunkach oblodzenia parowacza Dr inż. Wojciech Tuchowski Szczecin

2 Zakres prezentacji 1. Badania prowadzone w Katedrze Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego 2. Wytyczne unijne dotyczące pomp ciepła 3. Rozwój instalacji wodnych pomp ciepła na świecie 4. Innowacyjne rozwiązanie zasilania wodnej pompy ciepła 5. Zalety nowego rozwiązania 6. Badania eksperymentalne na stanowisku półtechnicznym 7. Charakterystyki energetyczne wodnej pompy ciepła 8. Wskaźniki środowiskowe 9. Planowane badania 10. Podsumowanie 2

3 Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego - Wentylacja i klimatyzacja oraz chłodnictwo przemysłowe - Klimatyzacja samochodowa - Termoelektryczne urządzenia chłodnicze - Odzysk ciepła odpadowego z procesów technologicznych - Nowe czynniki chłodnicze dla urządzeń chłodniczych i pomp ciepła - Regeneracja ciepła i zimna - Wymienniki ciepła - Pompy ciepła 3

4 Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Powietrzna pompa ciepła Patent PL Wodna pompa ciepła Patent PL

5 Szacunkowe użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła Q usable wyrażana w GWh: Q usable = P rated x H HP, gdzie: P rated wydajność znamionowa [GW] H HP roczna liczba równoważnych godzin pracy pompy ciepła przy wydajności znamionowej, wyrażona w [h] Ilość energii odnawialnej dostarczanej przez technologie pomp ciepła (E RES ): E RES = Q usable x [1-(1/SPF)], (1) (2) gdzie: SPF - Współczynnik wydajności sezonowej [-] Dyrektywa (2009/28/WE) w załączniku VII obliguje państwa członkowskie UE do dopilnowania aby uwzględnione były pompy ciepła o SPF wynoszącym powyżej wartości określonej zależnością SPF 1,15 x (1/η), (3) gdzie: η lub eta - sprawność produkcji energii według danych za rok 2010 sprawność produkcji energii wyniosła 0,455 (45,5%), wartość ta ma być stosowana do roku 2020 jako obliczeniowa. Przy η ustalonej na poziomie 45,5% minimalna wartości współczynnika wydajności sezonowej dla pomp ciepła zasilanych energią elektryczną musi wynosić SPF > 2,53, aby energia dostarczana przez pompę ciepła została uznana za odnawialną 5

6 Rozwój technologii wodnych pomp ciepła na przykładzie Anglii Wyniki badań ilości ciepła możliwego do pozyskania z wody w ok. 40 miejskich rzekach w Anglii na potrzeby technologii wodnych pomp ciepła. 6

7 Rozwój technologii wodnych pomp ciepła na świecie (na przykładzie USA) Widok pośrednich wymienników ciepła przekazujących ciepło do instalacji pompy ciepła - Great River Medical Centre największa wodna pompa ciepła w USA 7

8 Wodna pompa ciepła Stanowisko wodnej pompy ciepła powstało dzięki uzyskaniu grantu Narodowego Centrum Nauki nr ODW-7474/B/T02/2011/40: Badania efektywności wodnej pompy ciepła w warunkach oblodzenia wymiennika dolnego źródła ciepła z dnia r. w oparciu o patent nr Możliwości badawcze: badane efektywności energetycznej pompy ciepła badanie wydajności grzewczej i chłodniczej pompy ciepła badanie czynników wpływających na efektywność energetyczną pompy ciepła badanie wpływu dochłodzenia i regeneracji na pracę urządzenia badanie charakterystyk energetycznych urządzenia w warunkach wymuszonej konwekcji wody 8

9 Wodna pompa ciepła Schemat instalacji wodnej pompy ciepła wykorzystującej ciepło krzepnięcia wody do zasilania dolnego wymiennika ciepła: 1 - sprężarka, 2 - skraplacz chłodzony wodą, 3 - osuszacz par, 4 - wymiennik regeneracyjny HE, 5a-dochładzacz czynnika, 5b - parowacz, 6 - zespół zaworów elektromagnetycznych i rozprężnych, 7 - przepływomierz czynnika chłodniczego, 8 - filtr, 9 - przepływomierz wody chłodzącej, 10 - pompa wody chłodzącej, 11abc - zbiorniki wody chłodzącej, 12 - odolejacz, 13 - sterowniki elektroniczne, 14 - blok zasilania, 15 - system zbierania danych 9

10 Wodna pompa ciepła Główne pomieszczenie laboratoryjne, w którym znajdują się: sprężarka, skraplacz z wodną instalacją chłodzenia, aparatura pomiarowa, osuszacz par, wymiennik regeneracyjny HE, zbiornik czynnika, odolejacz, filtr wody oraz zespół zaworów zasilających i przełączeniowych 10

11 Unoszenie się płyt lodu powstałych na powierzchni parowacza ku powierzchni wody dotyczy nowego rozwiązania zasilania parowacza wodnej pompy ciepła 11

12 Wodna pompa ciepła Płytowe wymienniki ciepła stanowiące dolne źródło ciepła oraz dochładzacz pompy ciepła ulokowane w basenie modelowym sąsiadującym z laboratorium. Wymienniki ciepła zostały wykonane przez firmę MARSPOL według autorskiej technologii. 12

13 Oblodzony wymiennik ciepła w basenie modelowym 13

14 Oblodzony wymiennik ciepła w basenie modelowym 14

15 Wpływ tworzenia się lodu na powierzchni parowacza na pracę pompy ciepła Oblodzony parowacz w basenie modelowym 15

16 Temperatury wody w basenie i powietrza zewnętrznego dla okolic Szczecina w latach

17 Współczynnik COP wodnej pompy ciepła w funkcji temperatury wody t w [ o C] zasilającej parowacz 17

18 Współczynnik efektywności COP Wpływ parametrów ΔT [K] oraz τ c [h] na kształtowanie się wartości współczynnika efektywności COP 18

19 Konwekcja naturalna i wymuszona Wartość współczynnik wnikania ciepła zależy od wielu czynników i jest funkcją wielu zmiennych a jej prawidłowe wyznaczenie jest trudne tym bardziej, że w wielu przypadkach zależy ona od różnicy temperatur. Pozostałe czynniki wpływające na wartość współczynnika wnikania ciepła to: - charakter przepływu (przepływ wymuszony lub swobodny) - właściwości i stan cieczy: temperatura, ciśnienie, gęstość, ciepło właściwe, lepkość, przewodnictwo cieplne - stan ruchu (prędkość liniowa cieczy) - charakter powierzchni ścianki oraz wymiary liniowe wymiennika ciepła Tab.1. Przybliżone rzędy wielkości współczynnika wnikania ciepła α [W/m 2 K] Współczynnik wnikania ciepła α [W/m 2 K] [5] [6] Konwekcja swobodna: gazy ciecze Konwekcja wymuszona: gazy ciecze Wrzenie wody Kondensacja pary wodnej

20 Wyposażenie stanowiska badawczego 20

21 Warunki badań Tab.2. Prędkość wody omywającej wymiennik płytowy podczas badań Nastawa biegu na silniku Prędkość wody mierzona na powierzchni wymiennika ciepła [km/h] 1 2,47 2 3,37 3 4,14 4 4,70 5 5,52 Tab.3. Prędkość przepływu wody w wybranych rzekach Odra Wisła Rzeka Odcinek Prędkość przepływu Kostrzyn Szczecin Okolice Wrocławia Okolice Warszawy [km/h] 3,0 4,0 - niski stan wody - średni stan wody - wysoki stan wody 2,16 5,22 10,8 Noteć Ujście Gwdy - Krzyż 2,16 Nil Sezon zalewowy 7,56 Ren Ottmershaim do Walzum 6,0 21

22 Wyniki badań wstępnych Wykr. rozrzutu: to vs COP COP = 4,4522 +,10088 * to Korelacja: r =, ,3 4,2 Prędkość wody v wody = 5,52 km/h Temperatura wody t w = 2,5 3 o C COP 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3, to 0,95 Prz.Ufn. Wykres zmienności COP w funkcji temperatury parowania t o [ o C] z dopasowaną linią regresji. Prędkość wody v wody = 0 km/h Temperatura wody t w = 2,5 3 o C 22

23 TEWI x okres grzewczy (220/365 dni) 10 lat R 404A R 407C R 410A R 600a 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% GWP*L*n GWP*m*(1-α) β*n*e R 404A R 407C R 410A R 600a TEWI = (GWP x L x n) + GWP x m x(1- α rec )+ β x n x E en [kgco 2 /rok] (16) GWP globalny potencjał ocieplenia, odniesiony do, L roczne straty czynnika przez nieszczelności, [kg], [%], n czas eksploatacji urządzenia, [lata], m wielkość napełnienia czynnikiem, [kg], α rec stopień odzysku/uzdatniania, (0 1), β wskaźnik emisji podczas produkcji energii, [kg/kwh], E an roczne zużycie energii [kwh]. Wartość wskaźnika TEWI oraz udział poszczególnych składowych tego wskaźnika dla instalacji wodnej pompy ciepła pracującej z różnymi czynnikami chłodniczymi : R 404A, R 407C, R 410A i R 600a 23

24 Wartość wskaźnika TEWI dla różnych wartości wskaźnika emisyjności β na 1kWh wytworzonej energii elektrycznej wskaźnik emisyjności - β R 404A R 407C R 410A R 600a Kraj [kgco 2 /kwh] TEWI TEWI TEWI TEWI Polska 0, ,14 791,24 839,09 527,74 Tasmania [66] 0,3 702,15 428,25 476,1 164,75 Południowa Australia [66] 0,68 910,2 636,3 684,15 372,8 Niemcy 0, ,54 605,64 653,49 342,14 Francja 0, ,56 294,66 344,15 32,16 Holandia 0, ,06 502,16 550,01 238,66 Litwa 0, ,67 347,77 395,62 84,26 Belgia 0, ,94 420,04 467,89 156,53 Szwecja 0, ,49 276,59 324,44 13,09 Słowenia 0, ,86 568,96 616,81 305,45 UE -27 0,46 789,75 515,85 563,7 252,35 24

25 Kolejne modyfikacje i patenty Rys Wodna pompa ciepła pracujące w systemie pośrednim, A - ogrzewanie powietrza klimatyzacyjnego lub wody użytkowej, B chłodnica powietrza; 1- sprężarka, 2 nagrzewnica/chłodnica powietrza, 3 parowacz/zasobnik ciepła, 4 osuszacz par, 5 urządzenie rozprężne, 6 pompa solanki/glikolu, 7 rozdzielacz cieczy, 8 zawory odcinające, 9 kolektor zbiorczy, 10 filtr, 11 zbiornik wodny, 12 sterownik elektroniczny, 13 zawór czterodrogowy I, 14 zawór czterodrogowy II, A 1,A 2,A 3,A 4 wężownice 25

26 Planowane badania Badania efektywności energetycznej w okresie niskich temperatur zewnętrznych w warunkach konwekcji wymuszonej Badania efektywności energetycznej dla ekologicznych czynników chłodniczych Badania charakterystyk energetycznych układu pośredniego wodnej pompy ciepła Dalsze badania wpływu regeneracji ciepła i dochłodzenia na efektywność wodnej pompy ciepła Wprowadzenie zmian służących łatwiejszej aplikacji nowego rozwiązania Analiza źródeł ciepła oraz jego potencjalnych odbiorców na terenie aglomeracji miasta Szczecin 26

27 Podsumowanie Wodne pompy ciepła charakteryzują się najwyższymi współczynnikami efektywności energetycznej Im wyższa efektywności pompy ciepła tym niższa emisja CO 2 do atmosfery Istnieje ogromny potencjał energetyczny wód w niektórych miastach w Polsce, zwłaszcza w Szczecinie Możliwości aplikacyjne wodnych pomp ciepła zarówno na skalę przemysłową jak i na potrzeby małych gospodarstw domowych 27

28 Literatura 1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Rzeczpospolitej Polskiej z dnia 4 kwietnia 2014 roku w sprawie sposobu obliczania końcowego zużycia energii brutto ze źródeł odnawialnych oraz sposobu obliczania ilości energii elektrycznej i ciepła z takich źródeł. 2. 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 3. Tuchowski W., Zakrzewski B., Łokietek T.: Możliwości wykorzystania wodnych pomp ciepła Chłodnictwo 7-8, 2016 r., s Rozprawa doktorska dr inż. Wojciecha Tuchowskiego: Badania eksperymentalne efektywności pompy ciepła wykorzystującej utajone ciepło zamarzania wody. Wydział Techniki Morskiej i Transportu, październik Wybrane Tablice Cieplne (materiały pomocnicze do ćwiczeń z Termodynamiki i Wymiany Ciepła), Politechnika Krakowska, Kraków Pudlik W.: Wymiana i Wymienniki Ciepła - Politechnika Gdańska, Wydanie IV, Gdańsk Szargut J.: Termodynamika. Wydanie VII poprawione. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Zakrzewski B, Tuchowski W, Szkibiel Z.: Badania wstępne pompy ciepła zasilanej ciepłem przejścia fazowego wody Chłodnictwo nr 1-2, 2011, s Tuchowski W., Zakrzewski B.: Stanowisko badawcze wodnej pompy ciepła Chłodnictwo nr 7-8, 2012, s Zakrzewski B., Tuchowski W.: Badania wstępne wodnej pompy ciepła pracującej w warunkach oblodzenia dolnego wymiennika ciepła. Chłodnictwo nr 4, 2014, s

29 Dziękuje za uwagę Kontakt: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Wydział Techniki Morskiej i Transportu Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Zespół Klimatyzacji i Pomp Ciepła Mail: Wojciech.Tuchowski@zut.edu.pl 29