Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu Ćwiczenie nr 2 Laboratorium z przedmiotu: Odnawialne źródła energii Kod: OM1302 Opracowała: mgr inż. Anna Werner-Juszczuk luty 2013
1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie i porównanie współczynników efektywności COP pomp ciepła z wymiennikami typu 2. Podstawy teoretyczne 2.1. Pompa ciepła Pompą ciepła określa się maszynę cieplną, która odbiera ciepło Q d ze źródła o temperaturze niższej T d (źródło dolne) i przekazuje go (Q g ) do źródła o temperaturze wyższej T g (źródło górne), kosztem doprowadzanej pracy zewnętrznej W (tzw. proces podnoszenia potencjału cieplnego). Rys. 1. Schemat działania silnika cieplnego, pompy ciepła oraz chłodziarki* [1] *Powszechnie przyjmuje się, że ciepło które układ przyjmuje z otoczenia jest dodatnie, natomiast ciepło które układ oddaje jest ujemne. Praca, która jest doprowadzana do układu (pobierana przez układ) jest ujemna, a praca odprowadzana przez układ wykonywana przez układ) jest dodatnia. Jak widać na rysunku 1, zasada działania chłodziarki i pompy ciepła jest taka sama. Różnicą jest cel działania, którym w przypadku chłodziarki jest odprowadzenie ciepła od źródła o niższej temperaturze, a nie dostarczenie ciepła, jak w przypadku pompy ciepła, oraz wartości temperatur przy których obiegi są realizowane. W praktyce obie te funkcje mogą być wykonywane przez jedno urządzenie, które będzie dostarczać ciepło (do ogrzewania budynku) lub chłód (do schładzania pomieszczeń) w zależności od potrzeb. 2
Ze względu na sposób podnoszenia potencjału cieplnego (transportu ciepła) wyróżnia się pompy ciepła: sprężarkowe (sprężarki tłokowe, rotacyjne, śrubowe, spiralne, przepływowe), absorpcyjne, termoelektryczne. W praktyce najczęściej stosowane są sprężarkowe pompy ciepła, których schemat ideowy przedstawiono na rysunku 2, realizujące termodynamiczny obieg Lindego (tzw. obieg sprężania pary). Rys. 2. Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła. S skraplacz, Sp sprężarka, P parownik, ZR zawór rozprężny Rys. 3. Obieg Lindego w układach T s, p h Symbole 1-4, na rysunkach 3 i 4 oznaczają poszczególne stany czynnika roboczego, realizującego obieg termodynamiczny, na który składają się następujące procesy: 1 2 izentropowe sprężanie od pary nasyconej do pary przegrzanej, 2 3 wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest oddawane w skraplaczu, przejście ze stanu pary przegrzanej do cieczy nasyconej, 3 4 dławienie w zaworze rozprężnym, do momentu gdy P 4 =P 3 przy h 4 =h 3, 4 1 wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest pobierane w parowniku, przejście ze stanu mieszaniny cieczy z parą do stanu pary nasyconej. 3
2.2. Źródło ciepła Istotnym elementem instalacji pompy ciepła są źródła ciepła: niskotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło dolne), z którego pobierane jest ciepło w celu odparowania czynnika w parowniku, oraz wysokotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło górne), które odbiera ciepło powstające w wyniku skraplania się czynnika w skraplaczu. Niskotemperaturowe źródła ciepła powinny charakteryzować się następującymi właściwościami: duża pojemność cieplna, stabilna i wysoka temperatura, środowisko mało korozyjne w stosunku do elementów instalacji, brak zanieczyszczeń powodujących powstawanie osadów, dostępność, niskie koszty wykonawstwa instalacji. Jako źródła niskotemperaturowe można wykorzystać tzw. ciepło odpadowe, do którego zalicza się powietrze i gazy, ścieki, woda chłodząca w procesach przemysłowych, oraz źródła odnawialne (naturalne) takie jak powietrze atmosferyczne, grunt (warstwy przypowierzchniowe i głębokie), promieniowanie słoneczne, woda powierzchniowa, woda gruntowa i głębinowa, woda geotermalna, woda morska. Przykładem wykorzystania ciepła odpadowego jest ciepło pochodzące z urządzeń klimatyzacyjnych, z instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych czy procesów technologicznych np. suszenia. W związku z problemami związanymi z dostępnością ciepła odpadowego, w budynkach jedno- i wielorodzinnych najczęściej wykorzystywane są źródła odnawialne. Ze względu na zastosowanie pomp ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania, c.w.u. klimatyzacji i wentylacji, źródłem wysokotemperaturowym są najczęściej powietrze i woda. W przypadku niektórych źródeł ciepła (grunt, silnie korozyjna woda) konieczne jest zastosowanie nośników ciepła w celu przekazania ciepła do parownika. W praktyce jako nośniki ciepła wykorzystuje się: wodę (gdy nie ma zagrożenia zamarznięcia nośnika w instalacji), wodne roztwory glikoli (propylenowego lub etylenowego) ciecze o niskiej temperaturze krzepnięcia, 4
wodne roztwory soli (solanka) stosowane bardzo rzadko, ze wglądu na dużą korozyjność w stosunku do instalacji. W zależności od rodzaju wybranego nośnika ciepła nisko- i wysokotemperaturowego, pompy ciepła klasyfikuje się zgodnie z normą PN-EN 14511-1:2012 (tab. 1) Tabela 1. Klasyfikacja pomp ciepła wg PN-EN 14511-1:2012 Nośnik ciepła Źródło dolne Źródło górne Oznaczenie woda woda W/W solanka/glikol woda B/W powietrze woda A/W woda powietrze W/A solanka/glikol powietrze B/A powietrze powietrze A/A Wybór źródła i nośnika ciepła wpływa na konstrukcję wymienników ciepła skraplacza i parownika. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest ciecz, stosowane są wymienniki płaszczowo-rurowe, spiralne lub płytowe. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest powietrze, parownik i skraplacz stanowi zespół równoległych połączonych ze sobą wężownic, które od strony powietrza są wyposażone w żebra lamelowe lub nawijane. 2.3. Sprawność pompy ciepła Energetyczny bilans cieplny pompy ciepła można zapisać w postaci: Q Q W (1) 0 gdzie: Q ilość ciepła oddawana w skraplaczu, Q 0 ilość ciepła pobranego w parowniku, W praca dostarczona do sprężarki. Parametrem charakteryzującym wydajność cieplną pompy ciepła jest sprawność energetyczna obiegu grzejnego, którą wyraża się stosunkiem bezwzględnej wartości ciepła odprowadzanego od czynnika wykonującego obieg w skraplaczu do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu: Q W Q W Q W W 0 0 q = 1 (2) W normie PN-EN 14511:2012 sprawność energetyczna obiegu grzejnego jest określana jako wskaźnik efektywności COP (Coefficient Of Performance), który jest wyznaczany dla nominalnych parametrów pracy pompy ciepła. Przy obliczaniu COP uwzględnia się nominalną temperaturę dolnego i górnego źródła ciepła oraz pobór prądu urządzeń: sprężarki, pomp obiegowych, wentylatorów, automatyki itd. Współczynnik COP stanowi podstawę do klasyfikacji energetycznej pomp ciepła i jest podawany przez producentów w kartach katalogowych. 5
W przypadku pomp ciepła pracujących także jako urządzenia chłodzące, określa się dodatkowo sprawność energetyczną obiegu chłodniczego, którą stanowi stosunek mocy chłodniczej urządzenia, czyli ciepło doprowadzone do czynnika wykonującego obieg w parowniku do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu: Q0 = (3) W ch Norma PN-EN 14511:2012 określa sprawność obiegu chłodniczego jako wskaźnik wydajności energetycznej chłodniczej EER (ang. Energy Efficiency Ratio). W kartach katalogowych pomp ciepła wskaźnik ten jest oznaczany także jako COP w trybie chłodzenia. Norma PN-EN 14825:2012 wprowadza dodatkowe wskaźniki do oceny efektywności energetycznej pomp ciepła m.in. referencyjny sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej SEER oraz sezonowy wskaźnik efektywności SCOP. Współczynnik SCOP określa efektywność energetyczną pompy ciepła dla całego sezonu grzewczego, a nie tylko dla nominalnych parametrów pracy. Jest wyrażony jako stosunek rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, do całkowitej energii zużytej na jego wytworzenie. Uwzględnia warunki klimatyczne, temperatury wewnętrzne w pomieszczeniach, które są ogrzewane lub chłodzone oraz warunki techniczne urządzenia i warunki jego eksploatacji. W przeciwieństwie do COP, w obliczeniach brany jest pod uwagę pobór energii elektrycznej w różnych trybach pracy urządzenia (tryb wyłączonego termostatu, tryb czuwania, trybie grzałki karteru). 3. Metodyka badań 3.1. Budowa stanowiska 2 3 1 Rys. 4. Główne elementy stanowiska badawczego:1 pompa ciepła z wymiennikami typu woda woda, powietrze woda, powietrze powietrze, woda powietrze, 2 jednostka sterująca, 3 komputer 6
1 sprężarka 7 - zawór czterodrogowy AVS-1 2 skraplacz powietrzny 8 zbiornik akumulujący czynnik chłodniczy 3 skraplacz wodny 9 filtr 4 parownik powietrzny 10 separator cieczy 5 parownik wodny 11 zawór bezpieczeństwa 6 - zawór rozprężny AVEX-1 Rys. 5. Schemat pompy ciepła 3.2. Oznaczenia 1) Pomiar ciśnienia SP-1 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki SP-2 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki M-1 manometr na wyjściu ze sprężarki M-3 manometr za zaworem rozprężnym M-2 manometr na wyjściu ze skraplacza M-4 manometr na wejściu do sprężarki 2) Pomiar przepływu SC-1 SC-2 SC-3 czujnik przepływu czynnika chłodniczego czujnik przepływu wody przez skraplacz wodny czujnik przepływu wody przez parownik wodny 7
3) Pomiar temperatury ST-1 ST-2 ST-3 ST-4 ST-5 ST-6 ST-7 ST-8 ST-9 ST-10 temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki temperatura wody na wejściu do skraplacza wodnego i parownika wodnego temperatura wody na wyjściu ze skraplacza wodnego temperatura wody na wyjściu z parownika wodnego temperatura powietrza w pomieszczeniu (temperatura na wejściu do parownika powietrznego i skraplacza powietrznego) temperatura powietrza na wyjściu ze skraplacza powietrznego temperatura powietrza na wyjściu z parownika powietrznego 4) Zawory regulacyjne AEAI-1 ACAI-1 zawór na wejściu do parownika powietrznego służący do regulacji strumienia powietrza przez parownik (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej) zawór na wejściu do skraplacza powietrznego służący do regulacji strumienia powietrza przepływającego przez skraplacz (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej) AEWI-1 ACWI-1 zawór do regulacji przepływu wody przez parownik wodny zawór do regulacji przepływu wody przez skraplacz wodny AVS-3 AVS-4 AVS-5 AVS-6 zawór do wyboru powietrza jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powietrznego) zawór do wyboru wody jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego) zawór do wyboru wody jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego) zawór do wyboru powietrza jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza powietrznego) 8
3.3. Metodyka pomiarów Uwaga W trakcie ćwiczeń realizowany jest obieg pompy ciepła określony na schemacie strzałkami zielonymi i czarnymi. Pompa ciepła z wymiennikiem typu woda-woda 1) Za pomocą zaworu AVS-4 wybrać wodę jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego) 2) Za pomocą zaworu AVS 5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego). 3) Za pomocą zaworu AEWI-1 ustawić przepływ wody przez parownik na poziomie 50% maksymalnego przepływu. 4) Za pomocą zaworu ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50% maksymalnego przepływu. 5) Uruchomić jednostkę sterującą 2. 6) Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę START. 7) Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM. 8) Odczekać, aż układ się ustabilizuje. 9) Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone w tabeli 1. 10) Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę. Pompa ciepła z wymiennikiem typu powietrze-woda 1) Za pomocą zaworu AVS-3 wybrać powietrze jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powietrznego) 2) Za pomocą zaworu AVS 5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego). 3) Za pomocą pokrętła AEAI-1 na panelu roboczym ustawić przepływ powietrza przez parownik na poziomie 50% maksymalnego przepływu. 4) Za pomocą ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50% maksymalnego przepływu. 5) Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM. 6) Odczekać, aż układ się ustabilizuje. 7) Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone w tabeli 2. 8) Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę. 9
Zestawienie wyników Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła woda woda Pompa ciepła woda-woda Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę [ ] Temperatura wody na wejściu do skraplacza ST-5 [ ] Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6 [ ] Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2 [ ] Temperatura wody na wejściu do parownika ST-5 [ ] Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła powietrze-woda Pompa ciepła powietrze-woda Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę [ ] Temperatura wody na wejściu do skraplacza ST-5 [ ] Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6 [ ] Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2 [ ] Temperatura powietrza na wlocie do parownika ST-8 [ ] Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeń Pompa ciepła z woda wymiennikiem - typu woda COP [ - ] powietrze - woda Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 10
3.4. Analiza wyników pomiarów 1) Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć współczynniki COP dla dwóch rozwiązań pomp ciepła korzystając z poniższych wzorów. Wzory obliczeniowe pompa ciepła woda-woda oraz powietrze-woda Moc grzewcza pompy ciepła J Q MCcpT2 T 1 s (4) gdzie: M C - przepływ masowy wody przez skraplacz, kg/s, J c p - ciepło właściwe wody 4180 kg K, T - temperatura wody na wejściu do skraplacza, C, 1 T - temperatura wody na wyjściu ze skraplacza, C. 2 Uwaga: Przepływ objętościowy należy przeliczyć na przepływ masowy. Przyjąć gęstość wody na wyjściu ze skraplacza. Współczynnik efektywności COP Q COP (5) W gdzie: Q moc grzewcza pompy ciepła, J/s, W moc napędowa sprężarki, J/s. 2) Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 3. 3) Na podstawie wyników sporządzić wykres słupkowy zależności COP (oś y) od rodzaju źródła ciepła dolnego i górnego (oś x). 3.5. Wnioski 1) Czy współczynnik efektywności COP jest zawsze bezwymiarowy, dlaczego? 2) Opisać jaki wpływ na wartość współczynnika COP ma zmiana rodzaju źródła dolnego. 3) Porównać współczynniki COP pomp ciepła. 4) Porównać otrzymane wartości współczynników COP z wartościami przedstawianymi w kartach katalogowych pomp ciepła. 5) Czym spowodowane są różnice pomiędzy wartościami COP otrzymanymi na zajęciach, a wartościami określonymi w kartach katalogowych. 11
4. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, c) przebieg realizacji eksperymentu, d) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, e) wykresy i charakterystyki, f) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków. 5. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 6. Literatura 1) Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie", Warszawa, 2006 2) Rubik M.: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej : monografia. MULTICO Warszawa, 2011 3) Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydaw. Komunikacji i Łączności Warszawa, 2011 4) Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Polska Ekologia, Warszawa, 2003 5) PN-EN 14825:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła, ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do ogrzewania i chłodzenia - Badanie i charakterystyki przy częściowym obciążeniu 6) PN-EN 14511:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia 12