Sprężarkowe Pompy Ciepła

Sprężarkowe Pompy Ciepła Maciej Żyrkowski 1. Czym jest pompa ciepła? Pompy ciepła są to urządzenia które, jak wskazuje nazwa, pompują (przenoszą) ciepło z jednego ośrodka do drugiego. Odbywad się to musi kosztem pracy mechanicznej (pompy sprężarkowe), ciepła (pompy absorpcyjne) lub energii elektrycznej (pompy termoelektryczne). Urządzenia te pełnią jednocześnie dwie funkcje grzeją i chłodzą. Jeżeli głównym celem jest chłodzenie, wtedy mówi się o chłodziarkach, lodówkach czy klimatyzatorach. Jeżeli zadaniem maszyny jest ogrzewanie, wtedy nazywa się ją pompą ciepła. Należy pamiętad, że niezależnie od nazwy mówimy o tym samym urządzeniu. Historia pomp ciepła ma już ponad 100 lat. Pierwsze lodówki powstały w drugiej połowie XIX wieku i było to z początku urządzenia absorpcyjne. Pierwsza instalacja bazująca na amoniakowym urządzeniu sprężarkowym, służąca do ogrzewania budynku została skonstruowana w 1928 r. przez anglika T.G. Haldane. Zachowały się informacje o tym, że w 1931 r. zainstalowano pompę ciepła o mocy ok. 1 MW do ogrzewania biurowca w Los Angeles a w roku 1938 urządzenie o mocy 175 kw do ogrzewania ratusza w Zurychu. Podczas II Wojny Światowej urządzenia te były natomiast wykorzystywane na łodziach podwodnych. 2. Rodzaje pomp ciepła. - Sprężarkowe: najbardziej rozpowszechniona grupa urządzeo. Wykorzystują sprężarkę mechaniczna jako urządzenie dostarczające pracę do układu. Do zalet tego typu rozwiązao zaliczyd należy względna prostotę konstrukcji, wysoka efektywnośd energetyczną oraz mobilnośd. Wadą jest uzależnienie od dostaw energii elektrycznej oraz zużywanie się elementów mechanicznych w sprężarce. - Absorpcyjne: wykorzystują tzw. sprężarkę termiczną, która napędzana jest ciepłem. Pompy absorpcyjne znajdują więc zastosowanie wszędzie tam, gdzie dostępne jest tanie źródło ciepła lub niedostępna jest energia elektryczna. Urządzeo tych zdecydowanie częściej używa się do chłodzenia. Posiadają niższy niż sprężarkowe współczynnik efektywności cieplnej, ale działają praktycznie bez żadnych elementów mechanicznych co gwarantuje niewielka awaryjnośd. - Termoelektryczne: wykorzystują zjawisko Seebecka. Są najsłabiej rozpowszechnione ze względu na bardzo małą efektywnośd. Posiadają jednak szereg zalet które sprawiają, że te urządzenia są niezastąpione w pewnych sytuacjach. Należy do nich mała waga, praca niezależnie od położenia, możliwośd miniaturyzacji, brak hałasu oraz konieczności stosowania czynników pośredniczących. 1

3. Schemat działania. Q g 3 Skraplacz 2 Zawór rozprężny Sprężarka S L s 4 Parownik 1 Q d Rys.1. Schemat działania pompy ciepła Na powyższym schemacie przedstawiono ideę działania pompy ciepła. Czynnikiem roboczym jest substancja chemiczna, której normalna temperatura wrzenia zawiera się w granicach od -50 C do +10 C > tzw. czynnik chłodniczy (ziębniczy). Dlatego pompy ciepła mogą działad nawet przy mocno ujemnych temperaturach potrzeba tylko, żeby ilośd energii dostarczana w dolnym źródle ciepła (Q d ), była wystarczająca do odparowania czynnika chłodniczego (proces ten prowadzi do ochłodzenia dolnego źródła ciepła co jest zjawiskiem wykorzystywanym w chłodziarkach). Substancja znajdująca się w obszarze pary przegrzanej zostaje doprowadzona do sprężarki, gdzie kosztem pracy mechanicznej (L s ) zostaje podniesione jej ciśnienie oraz temperatura. Następnie czynnik przechodzi do skraplacza, gdzie kontaktuje się z tzw. górnym źródłem ciepła. Jest to najczęściej woda w obiegu centralnego ogrzewania. Ponieważ ma ona niższą temperaturę, następuje oddawanie ciepła przez czynnik chłodniczy (Q g ) z równoczesnym wykraplanie wilgoci. Cały proces przebiega przy stałej temperaturze czynnika roboczego ( jednocześnie następuje wzrost temperatury wody w obiegu c.o.). Ochłodzona substancja trafia następnie do osuszacza a potem do zaworu rozprężnego, gdzie jej stan powraca do parametrów wyjściowych ciśnienia i temperatury. Obiegi termodynamiczne ilustruje się zazwyczaj na wykresach T-s (Temperatura-entropia właściwa) lub P-h (Ciśnienie - entalpia właściwa). 2

Pompa ciepła/chłodziarka jest maszyną cieplną działającą w oparciu o idealny obieg Carnota. Jednak w przeciwieostwie do silnika spalinowego, realizuje ona obieg lewobieżny. Rys.2. Lewobieżny obieg Carnota na wykresie T-s. Gdzie: To temperatura wrzenia czynnika. Tk temperatura skraplania czynnika. Qd ciepło doprowadzone w parowniku. Ls praca sprężarki. Qg = Qd + Ls ciepło oddane w skraplaczu. Do określania efektywności urządzeo w obiegach lewobieżnych stosuje się pojęcie tzw. współczynnika efektywności energetycznej (z ang. COP). Wartośd tego współczynnika jest różna dla pompy ciepła i chłodziarki: 1) Dla chłodziarki ɛ CH = Qd / Ls = To / (Tk-To) [1] 2) Dla pompy ciepła: ɛ PC = Qg / Ls = Tk / (Tk-To) = 1 + ɛ CH [2] Jak wynika z powyższych wzorów, w teoretycznym obiegu Carnota przyjmuje się proporcjonalnośd energii i temperatury Q ~ T. Im mniejsza różnica temperatur dolnego i górnego źródła ciepła, tym lepsza większa efektywnośd urządzeo. Jednak Temperatura górnego źródła ciepła nie może byd zbyt wysoka, ze względu stosowany w sprężarkach mechanicznych olej. Dla rzeczywistych urządzeo współczynnik COP jest o ok. 50% mniejszy niż to wynika z idealnego obiegu Carnota. 3

Jako podstawowy obieg porównawczy dla urządzeo chłodniczych/pomp ciepła przyjmuje się tzw. Obieg Lindego. Uwzględnia on właściwości rzeczywistego czynnika chłodniczego. Linią niebieską oznaczono krzywą nasycenia, wewnątrz której znajduje się obszar pary mokrej. 1-2: Sprężanie izentropowe pary ( w rzeczywistości entropia nieznacznie rośnie co uwzględniono na wykresie poprzez punkt 2 ). 2-3: Ochładzanie pary przegrzanej (przy stałym ciśnieniu Pk panującym w skraplaczu). 3-4: Skraplanie pary (przy stałym ciśnieniu Pk panującym w skraplaczu oraz stałej temperaturze). 4-5: Izentalpowe dławienie. 5-1: Wrzenie (przy stałym ciśnieniu parowania Po oraz stałej temperaturze To). Rys.3. Obieg Lindego w układzie T-s oraz P-h. 4

4. Projektowanie. Pierwszym etapem projektowania pomp ciepła jest określenie zapotrzebowania na moc cieplną/chłodniczą Q *kw+. Następnie projektant powinien dokonad wyboru dolnego i górnego źródła ciepła, oraz na tej podstawie dobrad temperaturę wrzenia (To) i skraplania (Tk) czynnika pracującego w układzie. Temperaturę w parowniku należy określid tak, aby dla danego czynnika ciśnienie Po nie było niższe od ciśnienia atmosferycznego (w innym przypadku mogą wystąpid problemy ze szczelnością układu). Kolejnym etapem jest wybór optymalnego czynnika chłodniczego z dostępnych na rynku, spełniającego zarówno wymagania techniczne jak i ekologiczne. 4.1. Strumieo masowy i objętościowy czynnika w układzie. Parametry potrzebne do obliczeo znajdują się w tablicach opracowywanych dla każdego czynnika chłodniczego. Znając więc rodzaj wykorzystywanej substancji można odczytad: Dla To: Ciśnienie wrzenia Po [MPa] Entalpia h 1 [kj/kg] dla pary (punkt 1 na wykresie P-h). Objętośd właściwa dla warunków na ssaniu v 1 [dm 3 /kg] Dla Tk: Ciśnienie skraplania Pk [MPa] Entalpia h 3 [kj/kg] dla cieczy (punkt 3 na wykresie P-h). Strumieo masowy czynnika: Q m = [kg/s] [3] h 1 h 3 Strumieo objętościowy czynnika: V = m v 1 [m 3 /s] [4] 4.2. Moc napędowa sprężarki Z tablic należy odczytad: Entalpię h 2 [kj/kg] dla pary w temperaturze Tk (punkt 2 na wykresie P-h). Praca jednostkowa sprężania: l id s = h 2 h 1 [kj/kg] (wartośd idealna) [5] l s = l id s / η *kj/kg+ (wartośd rzeczywista) [6] gdzie η sprawnośd wybranej sprężarki wg. producenta. Moc napędowa sprężarki: N s = m l s [kw] [7] 5

4.3. Współczynnik efektywności układu (z ang. COP). Efektywnośd maksymalną wylicza się na podstawie idealnego obiegu Carnota według wzorów *1+ i *2+. Rzeczywistą wartośd współczynników można obliczyd w następujący sposób: ɛ ch = (h 1 -h 3 ) / l s [8] ɛ pc = ɛ ch + 1 [9] Według obecnych standardów współczynnik efektywności energetycznej dla chłodziarki nie powinien byd mniejszy od 3, a dla pomp ciepła od 4. Należy pamiętad, aby nie mylid tego parametru ze sprawnością, którą określa się dla obiegów prawobieżnych. Rys.4. Przykładowa tablica z własnościami dla czynnika R134a. 6

5. Czynniki chłodnicze. Czynnikiem chłodniczym nazywa się substancję wykorzystywaną w chłodnictwie której normalna temperatura wrzenia zawiera się w przedziale od -50 C do +10 C (dla kriogeniki temperatury są jeszcze niższe). Zadaniem takiej substancji jest odbiór ciepła z dolnego źródła poprzez proces parowania, a następnie oddanie tego ciepła do górnego źródła w procesie skraplania. Czynniki chłodnicze podzielid można na substancje jednorodne oraz roztwory. Te ostatnie natomiast podlegają podziałowi na azeotropowe i nieazeotropowe. Mieszaniny azeotropowe charakteryzują się takim doborem składników i ich proporcji, że w procesach parowania i skraplania zachowują się one jak substancje jednorodne. Oznacza to, że w danej mieszaninie wszystkie składniki odparowują (skraplają się) w tej samej temperaturze, chociaż osobno proces ten przebiega dla każdej z nich inaczej. Takie mieszaniny są lepsze, ponieważ nie występuje dla nich zjawisko poślizgu temperatur (tzn. różnicy między temperaturą pary nasyconej i temperaturą wrzenia roztworu w tym samym ciśnieniu). Mieszaniny nieazeotropowe (inaczej zeotropowe) charakteryzują się tym, że w danej temperaturze jeden ze składników odparowuje (skrapla się) szybciej. Zatem nie można w takim przypadku określid jednoznacznie temperatury przemiany fazowej dla danego ciśnienia wstępuje poślizg temperatur. Charakterystyczne parametry czynników chłodniczych to: - temperatura parowania w ciśnieniu atmosferycznym. - ciepło właściwe, masa cząsteczkowa, wzór chemiczny. - wybuchowośd, zakres palności w powietrzu. - temperatura krytyczna, ciśnienie krytyczne. - temperatura punktu potrójnego. - spręż w zakresie występujących temperatur. - wskaźniki mówiące o zagrożeniu środowiska (GWP, ODP, TEWI). - cena i dostępnośd. Wskaźniki mówiące o zagrożeniu środowiska: GWP (Global Warming Potential) wskaźnik charakteryzujący wpływ na globalne ocieplenie klimatu. Dla CO 2 GWP=1/rok. Wartośd wskaźnika zależy w głównej mierze od zawartości fluoru. Wartośd GWP nie powinna przekraczad 1000/rok. ODP wskaźnik określający potencjał niszczenia ozonu. Pierwiastkiem który ma decydując wpływ na wartośd ODP jest chlor. Na chwilę obecna dopuszczone do użytku substancje powinny wykazywad ODP=0. TEWI nowy wskaźnik uwzględniający zdolnośd do tworzenia efektu cieplarnianego, ale również zapotrzebowanie na energie do napędu urządzenia, proces produkcji danego czynnika, wycieki w trakcie eksploatacji oraz kwestię utylizacji. 7

Symbolika oznaczeo czynników chłodniczych jest związana z pochodzeniem (naturalne lub syntetyczne) oraz pierwiastkami tworzącymi dany czynnik. Związki fluorochlorowcopochodne węglowodorów alifatycznych nazywane są popularnie freonami i są obecnie najczęściej stosowanymi czynnikami w urządzeniach małej i średniej mocy. Dokładna systematyka opisana jest w normie PN/M-04611 Chłodnictwo. Oto kilka przykładów: R-134a (CH 2 FCF 3 ) : Bardzo często stosowany freon. ODP=0, GWP=1600. R-410a : Cyfra 4 na początku oznacza mieszaniny nieazeotropowe. R-290 (C 3 H 8 ) : Propan. R-729 : Powietrze. Cyfra 7 na początku oznacza grupę czynników naturalnych (m.in. CO 2, amoniak, woda, ciekły hel). W ostatnich latach opracowano nową systematykę która określa wpływ danego czynnika na środowisko naturalne. Wprowadza ona następujące oznaczenia: CFC (chloro-fluoro-carbons) w pełni halogenowe pochodne węglowodorów. Najgroźniejsze pod względem niszczenia atmosfery, są całkowicie zakazane do stosowania w instalacjach chłodniczych. HCFC (hydro-chloro-fluoro-carbons) nie w pełni halogenowe pochodne węglowodorów. Również wpływają na degradacje warstwy ozonowej, jednak w znacznie mniejszym stopniu niż związki CFC. HFC (hydro-fluoro-carbons) nie w pełni halogenowe węglowodory, które nie zawierają w swoim składzie atomów chloru i bromu. Związki te są bezpieczne dla warstwy ozonowej. FC (fluoro-carbons) związki w których wszystkie atomy wodoru zastąpione są atomami fluoru. HC (hydro-carbons) węglowodory. Ponieważ są to związki naturalne, to uznaje się je za najbardziej przyjazne środowisku. 6. Dolne źródła ciepła. Dolnym źródłem ciepła może byd każdy ośrodek posiadający odpowiednią temperaturę i pojemnośd cieplną gwarantującą odparowanie czynnika chłodniczego, oraz ciągłą pracę urządzenia. Takim ośrodkiem dla chłodziarki jest np. wnętrze lodówki lub klimatyzowanego samochodu. Dla Pomp ciepła rozwiązao na dolne źródło ciepła jest bardzo dużo, oto kilka najczęściej stosowanych: Powietrze: posiada wręcz nieograniczoną pojemnośd cieplną, jednak przy mocno ujemnych temperaturach efektywnośd urządzeo drastycznie spada. Niewątpliwą zaleta wykorzystywania powietrza zewnętrznego jako źródła ciepła jest jednak jego dostępnośd i najniższe koszty instalacji. Grunt: najpopularniejsze źródło energii dla pomp ciepła. Największą pojemnośd cieplną posiadają grunty wilgotne np. gliniaste a najmniejszą grunty suche np. piaszczyste. Energia zmagazynowana przy powierzchni ziemi pochodzi głownie od promieniowania słonecznego, natomiast wraz z głębokością rośnie udział energii pochodzącej z wnętrza ziemi (geotermalnej). Powszechnie stosuje się dwa sposoby wykorzystania energii gruntu: poprzez tzw. kolektory poziome lub pionowe. 8

Pierwsza z nich to nic innego jak ułożona poziomo (poniżej granicy przemarzania gruntu) rura PCV z niezamarzającym płynem, tzw. chłodziwem (może to byd np. roztwór wodny glikolu), którego zadaniem jest odbiór ciepła i przekazanie go czynnikowi chłodniczemu w parowniku. Niekiedy stosuje się systemy bezpośrednie w których to czynnik chłodniczy odbiera energię z dolnego źródła bez medium pośredniczącego. Jednak w przypadku uszkodzenia takiego układu występuje ryzyko wycieku czynnika, dlatego konieczne jest zastosowanie odpowiedniej i kosztownej armatury. Drugi sposób wykorzystania energii zawartej w gruncie to kolektor pionowy, czyli przewód z chłodziwem wprowadzany pionowo w głąb ziemi. Zaletami takiego rozwiązania jest niewielka wymagana do instalacji powierzchnia, oraz gwarancja dużej wydajności pompy ciepła (ze względu na stałą wysoką temperaturę panującą na większych głębokościach). Wadą rozwiązania jest koniecznośd wykonywania kosztownych wierceo głębokościowych, a także skomplikowana procedura uzyskiwania pozwoleo na takowe. Zbiorniki wodne: na dnie jeziora lub stawu panuje zwykle stała temperatura ok. 8 C. Jest to zatem atrakcyjny ośrodek dla dolnego źródła ciepła, często wykorzystywany jeżeli tylko warunki naturalne na to pozwalają. W tym celu na dnie zbiornika układa się wymiennik ciepła z chłodziwem. Projektant powinien jednak pamiętad, że żyjące w takim akwenie stworzenia potrzebują odpowiednio wysokiej temperatury, a umiejscowienie w nim wymiennika może ten zbiornik nadmiernie wychłodzid. Pod budynkiem: kolejnym sposobem wykorzystania ciepła jest posadowienie przewodów z chłodziwem pod podłogą w piwnicy budynku lub wokół fundamentów. Pozwala to wykorzystad częśd energii jaka jest tracona przez budynek podczas przenikania ciepła do gruntu. Kanalizacja: również często stosowanym patentem jest wykorzystanie kanałów kanalizacji znajdujących się w pobliżu. Charakteryzują się one względnie wysoką temperaturą przez cały rok. Rury z chłodziwem można np. opleśd wokół takiego kanału, aby zapewnid wysoką wydajnośd pracy pompy ciepła. 7. Podsumowanie. Chłodziarki i klimatyzatory są na tyle rozpowszechnionymi urządzeniami, że ich obecnośd nikogo i nigdzie nie dziwi. Jednak używanie tych samych maszyn do grzania jest wciąż mało powszechne i nierzadko wywołuje zdziwienie. Niemniej termin pompa ciepła, powoli przebija się do powszechnej świadomości, jako realna alternatywa dla tradycyjnych urządzeo grzewczych. Dużą barierą w spopularyzowaniu tych urządzeo stanowią wysokie ceny zakupu, zwłaszcza w połączeniu z gruntowym wymiennikiem ciepła, którego koszty wykonania niejednokrotnie przewyższają cenę samego urządzenia. Trzeba jednak pamiętad, że wydajne dolne źródło ciepła jest podstawą aby urządzenie pracowało z wysoka wydajnością i było opłacalne. Często spotyka się sytuacje, gdzie źle zaprojektowane dolne źródło ciepła jest przyczyną opłat za energię elektryczną dorównujących tym, jakie trzeba zapłacid za ogrzewanie gazem ziemnym, gdzie dla dobrze zaprojektowanej instalacji pompy ciepła opłaty takie powinny byd o ok. 50% niższe. 9

8. Bibliografia 1. Gutkowski K., Chłodnictwo i klimatyzacja, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003 r. 2. Zalewski W., Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, Wydawnictwo IPPU MASTA, Gdaosk 2001 r. 3. Tytko R., Odnawialne źródła energii, Wydawnictwo OWG, Warszawa 2009 r. 4. Strona World Wide Web (dostęp 5.03.2012 r.) : http://www.biomasa.org/index.php?d=artykul&kat=161&art=161 10