efektywność energetyczna i ekonomiczna

mgr inż. Stanisław Skrzypczak
BSP Electronic S.C.
ul. Legionów 81 43-300 Bielsko-Biała
EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA I EKONOMICZNA
WYKORZYSTANIA SPRĘŻARKOWYCH POMP CIEPLNYCH
Wprowadzenie.
Ciepło o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia jest technicznie
bezwartościowe ( posiada niską egzergię ). W celu uzyskania ciepła o wyższej temperaturze
( wyższej egzergii ) spala się paliwa stałe, ciekłe lub gazowe w ciepłowniach produkując
wodę gorącą lub parę. Wykorzystane ciepło jest z powrotem rozpraszane do otoczenia.
Tymczasem istnieją urządzenia umożliwiające podniesienie, przy pomocy energii
mechanicznej, ciepła niskotemperaturowego na poziom wyższych temperatur - są to pompy
cieplne..
Brak znajomości zasad funkcjonowania i technicznych możliwości pomp cieplnych,
zarówno wśród inwestorów jak i projektantów powoduje, że zastosowanie tych urządzeń
w przemyśle i gospodarce komunalnej jest niewielkie. Ważne jest zatem wyznaczenie
obszarów ich efektywnego wykorzystania i spopularyzowanie konkretnych rozwiązań
technicznych.
Zakres stosowania pomp cieplnych wynika z porównania potrzeb użytkowników
energii cieplnej z parametrami technicznymi pomp oraz porównania nakładów inwestycyjnych
i kosztów eksploatacji z innymi źródłami ciepła.
Efektywność energetyczna pomp cieplnych.
Obieg w pompie cieplnej jest identyczny jak w chłodziarce, tylko odbywa się w
zakresie temperatur wyższych od temperatury otoczenia.
Na rys.1 pokazano schematycznie wykonanie pompy cieplnej pracującej na zasadzie
sprężania. Jako czynnik roboczy służy gaz, który można skroplić przy niezbyt wysokim
ciśnieniu i przy żądanej temperaturze do ogrzewania oraz odparować przy niskim ciśnieniu i
temperaturze otoczenia. Najczęściej stosowanym obecnie gazem jest czynnik R22. Ciepło
pobierane jest z tzw. dolnego źródła ( np. z gruntu, z powietrza lub ze zbiornika wodnego ) za
pośrednictwem układu wężownic. Ciepło z układu dolnego źródła przekazywane jest do
wymiennika ciepła zwanego parownikiem. W parowniku następuje przekazanie ciepła do
obiegu wewnętrznego pompy. Czynnik znajdujący się w układzie wewnętrznym, pod
wpływem dostarczonej energii z dolnego źródła wrze i zamienia się w gaz. Sprężarka zasysa
czynnik w postaci prawie suchej pary (punkt 1) i spręża tę parę do wysokiego ciśnienia.
Poprzez podwyższenie ciśnienia następuje zmiana poziomu energetycznego i czynnik
uzyskuje wyższą temperaturę (punkt 2). Następnie w skraplaczu następuje wymiana ciepła z
tzw. górnym źródłem (instalacja c.o. lub c.w.u.). Czynnik ochładza się i zamienia ponownie w
ciecz (punkt 3). Ciecz znajdująca się jeszcze pod wysokim ciśnieniem zostaje rozprężona w
zaworze dławiącym (punkt 4) i przepływa do parownika i cały proces rozpoczyna się na
nowo.
t
2
Sprężarka
L
Skraplacz
1
3
Zawór
dławiący
Parownik
4
to
Wymiennik
Rys.1.
Z punktu widzenia termodynamiki, najlepiej przedstawić proces w układzie współrzędnych
temperatura - entropia: jako obieg zamknięty Carnota dla pompy cieplnej (rys.2).
Punkty od 1-4 określają stan czynnika roboczego w odpowiednich punktach schematu
urządzenia przedstawionego na rys.1, a zatem:
linia 1-2 - przedstawia sprężenie adiabatyczne
linia 2-3 - przedstawia izotermiczne skraplanie
linia 3-4 - przedstawia rozprężanie adiabatyczne w zaworze dławiącym
linia 4-1 - przedstawia parowanie izotermiczne
Powierzchnia leżąca pod linią 1-4 przedstawia ilość ciepła Qo odebraną w parowniku,
natomiast powierzchnia wyznaczona punktami 1-2-3-4 przedstawia równowartość cieplną
pracy L zużytej w sprężarce.
T
3
T
2
L
4
To
1
Qo
Rys.2.
S
a
Rys.2
W obiegu Carnota otrzymuje się dla ciepła będącego do dyspozycji proste wyrażenie:
Q Q
O

L
Termodynamicznie wartość procesu pompy cieplnej ocenia się przez podanie współczynnika
wydajności , czyli stosunku uwalnianego ciepła do równowartości wydatkowanej pracy
mechanicznej L.
W procesie Carnota współczynnik wynosi:

c

Q
L

Ta
( T  To ) a
i jest zależny jedynie od obu temperatur T i To.

T
T  To

1
1 To
T
Zysk ciepła jest zatem tym wyższy, im większy jest stosunek temperatur To : T, albo
im mniejsza jest różnica temperatur, o którą należy podnieść ciepło.
Zależność między
współczynnikiem wydajności c i obu temperaturami granicznymi t i t O podano na rys. 3.
16
14
12
10
8

C
6


C
T
T  To
to = +20C
to = +10C
to = 0C
4
2
0
20
40
60
80
100
C
t
Rys.3.
Wymagana temperatura czynnika grzejnego t jest podana na osi odciętych, temperatura
dolnego źródła ciepła t o naniesiona jest jako parametr.
W rzeczywistości współczynniki wydajności wykonanych urządzeń zmniejszają się
wskutek całego szeregu strat. Tak więc temperatura czynnika w parowniku musi być niższa o
kilka stopni , a w skraplaczu o kilka stopni wyższa niż temperatura wyjściowego czynnika
grzejnego. Różnica temperatur T - To wskutek tego podwyższa się, a współczynnik
wydajności maleje. Dochodzą tu jeszcze straty przy sprężaniu czynnika roboczego i jego
dławieniu. Rzeczywisty współczynnik wydajności rz otrzymuje więc postać:

rz

T
T  To

calk


c
calk
Dla typoszeregu sprężarkowych pomp ciepła pracujących na czynniku R22 i wyposażonych w
wymienniki JAD, dla warunków:
0C - temperatura dolnego źródła ciepła,
+50C - temperatura górnego źródła ciepła,
producent podaje następujące parametry techniczne:
Tab.1.
Moc grzewcza kW
7,7
8,5
11,1
12,5
16,4
20,5
24,0
31,6
32,8
39,6
41,0
48,0
63,2
79,2
Pobór mocy kW
2,25
2,60
3,35
3,70
4,90
6,10
7,00
9,25
9,80
11,60
12,20
14,00
18,50
23,20
Współczynnik wydajności
3,42
3,27
3,31
3,38
3,35
3,36
3,42
3,42
3,35
3,41
3,36
3,43
3,41
3,41
Współczynnik wydajności waha się w granicach:

rz
Dla dalszych obliczeń przyjmujemy:
 3,27  3,43

rz
 3,3
Przy założonych wyżej parametrach temperaturowych górnego i dolnego źródła
ciepła, wydajność w procesie Carnota wynosi:


c
T
T  To

323
323 273
 6,46
Stąd sprawność całkowita rzeczywistej pompy ciepła wynosi:

ca ł k
  rz 
c
3, 3
6, 46
 0,51
czyli ok. 50%
Zakres stosowania pomp cieplnych.
Sprężarkowe pompy cieplne posiadają ograniczone parametry pracy. Wynika to z
rodzaju zastosowanego w obiegu wewnętrznym czynnika oraz technicznych parametrów
sprężarki. Dla sprężarkowych pomp cieplnych przedstawionych w poprzednim rozdziale
producent podaje następujące zakresy temperaturowe dolnego i górnego źródła ciepła:
dolne źródło ciepła : 0C do 25C
górne źródło ciepła : 25C do 60C
Dolne źródła ciepła
Parametrami określającymi ilościowo dolne źródło ciepła są : zawartość ciepła,
temperatura źródła i jej zmiany w czasie; natomiast od strony technicznej istotne są :
możliwość ujęcia i pewność eksploatacji. Wśród źródeł naturalnych można wymienić :
Wody powierzchniowe
Energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z wymiany ciepła pomiędzy
wodą a powietrzem atmosferycznym i gruntem. Wykorzystując tą energię można pobierać np.
1/5 przepływu rzeki przy spadku temperatury substancji źródła o 5 deg. Ponieważ temperaturę
wody w rzece kształtuje wymiana ciepła z otoczeniem, poboru energii można dokonywać
wielokrotnie na długości rzeki. Wadą wód powierzchniowych jako dolnego źródła są
problemy z poborem energii w okresach niskich temperatur oraz przy minimalnych
przepływach, a także występowanie oblodzenia.
Wody podziemne
Wody podziemne stanowią źródło o dobrej koherentności i łatwej dostępności.
Charakteryzują się małymi zmianami temperatur w ciągu roku i dla warunków klimatycznych
Polski wynoszą 5 - 12 C . Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika, a przy
dużym zasoleniu może być zastosowany pośredni wymiennik ciepła. Wadę stanowią wysokie
koszt ujęcia.
Grunt
Grunt może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp cieplnych o małych
wydajnościach. Energia cieplna jest akumulowana w ok. dziesięciometrowej warstwie gruntu.
Na tej głębokości temperatura jest równa średniorocznej temperaturze powietrza i wynosi dla
naszych warunków klimatycznych ok. 10C . Z uwagi na koszty inwestycyjne poziome
wymienniki gruntowe układa się na głębokości 1 do 2 m. Na tym poziomie temperatura
gruntu zmienia się sinusoidalnie w skali roku i wynosi ok. 17C w lipcu i 5C w styczniu.
Wartości odchyleń temperatury od wartości średnio-rocznej zależą od właściwości fizycznych
gleby i głębokości.
Powietrze atmosferyczne
Powietrze atmosferyczne charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur i wysokimi
kosztami ujęcia. W zakresie temperatur niższych do 0C występują poważne problemy z
oszranianiem i odtajaniem urządzeń . Wyjątek stanowi możliwość pobierania ciepła z
pomieszczeń, w okresie międzygrzewczym, poprzez nieczynną instalację centralnego
ogrzewania i wykorzystanie ciepła do podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Koszty inwestycji
są pomniejszone o koszty wykonania wymiennika dolnego źródła ciepła oraz występują
korzystne temperatury powietrza.
Dolne źródła ciepła stanowić może również odpadowe ciepło technologiczne i
komunalne (np. chłodnie kominowe i wentylatorowe, oczyszczalnie ścieków itp.)
Górne źródła ciepła
Górne źródło ciepła jest tożsame z potrzebami cieplnymi odbiorcy. Zawęża to zakres
stosowania sprężarkowych pomp ciepła do :




ogrzewania podłogowego (sufitowego)
ogrzewania grzejnikowego o obniżonych parametrach
podgrzewania ciepłej wody użytkowej
niskotemperaturowych procesów technologicznych
do 25C
60/40 C
55 C
25 do 60 C
Nie jest to wcale mały obszar zastosowania. Ciepła woda użytkowa produkowana jest
w każdym zakładzie przemysłowym i gospodarstwie. Wskutek budowy dobrze izolowanych
termicznie budynków maksymalna temperatura powierzchni grzejnych jest coraz niższa i
zbliża się do obliczeniowej wartości 60 C. Temperatury w granicach do 60 C znajdują
zastosowanie w ogrodnictwie, suszarnictwie, rektyfikacji itp.
Ze względów ekonomicznych oraz ewentualnych strat wynikających z transportu
energii pompy cieplne winno się montować w pobliżu źródeł ciepła, zarówno dolnego jaki i
górnego.
Efektywność ekonomiczna pomp ciepła.
Punktem wyjścia do analizy ekonomicznej efektywności stosowania pomp ciepła jest
porównanie cen uzyskania 1GJ energii cieplnej z różnych nośników energetycznych.
Tab. 2 Ceny 1GJ energii cieplnej uzyskanej z różnych czynników energetycznych.
Źródło ciepła
zł/GJ
Sieć ciepłownicza (opłata jednoczłonowa) C.O.
Sieć ciepłownicza (opłata dwuczłonowa) C.O.
Energia elektryczna (średnia)
Węgiel
Koks
Gaz
Gaz (opłata dwuczłonowa dla odbiorców przemysłowych)
Olej opałowy
Pompa ciepła (0C/50C)
22,10
20,30
54,77
16,11
23,28
20,61
22,59
25,78
16,60
Uwagi do tabeli 2.
1. Poziom cen z kwietnia 1997r.
2. Ceny zostały obliczone na podstawie uśrednionych danych dostawców z BielskaBiałej i należy je traktować jako orientacyjne.
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że energia elektryczna stosowana do napędu
sprężarki pompy ciepła jest zdecydowanie najdroższa, a wynika to z faktu, że jest energią
najbardziej przetworzoną (o dużej egzergii).
Ocena ekonomicznej opłacalności polega na porównaniu przewidywanych nakładów
inwestycyjnych z przewidywanymi korzyściami. Takie porównanie można wykonać w sposób
uproszczony obliczając tzw. prosty czas zwrotu nakładów oznaczony SPBT (ang. Simple Pay
Back Time ).
SPBT 
I
Z
gdzie:
I - oznacza wielkość nakładów inwestycyjnych w zł.,
Z - oznacza wielkość rocznego efektu ekonomicznego, czyli rocznych oszczędności w zł.
Inwestycja jest tym korzystniejsza, im krótszy czas zwrotu nakładów. Na ogół jako opłacalne
ocenia się te inwestycje, których czas zwrotu nie przekracza siedmiu lat.
Podsumowanie.
Przeszkodę dla częstszego stosowania pomp cieplnych stanowią wysokie koszty
urządzeń ( zwiększone dodatkowo o 22% stawkę VAT) oraz koszty wykonania ujęcia dolnego
źródła ciepła. Tylko w specjalnych przypadkach zastosowanie pompy cieplnej może
prowadzić do uzyskania znaczących efektów ekonomicznych. Dotyczy to szczególnie tych
przypadków gdzie średni współczynnik efektywności rzeczywistej pompy cieplnej jest
większy od 4,
a oszczędności wynikające ze zmniejszonych kosztów energii są w
stanie zrekompensować, w okresie kilku lat, zwiększone koszty budowy dolnego wymiennika
ciepła.
Literatura
1. Rietschel / Rai Ogrzewanie i Klimatyzacja. ARKADY 1972
2. Gryglaszewski L. Dolne źródła ciepła. SeCeS-POL 1995
Artykuł został zamieszczony w opracowaniu :
Polska Akademia Nauk
Centrum Podstawowych Problemów Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią
Polski Klub Ekologiczny
Sympozja i Konferencje nr 26
Seminarium z cyklu : Energia odnawialna krok w kierunku ekologii
Na temat : Efekty ekologiczne, energetyczne i ekonomiczne wykorzystania energii
odnawialnej
19-20 czerwca 1997 r. Kraków
oraz
Polska Akademia Nauk
Centrum Podstawowych Problemów Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią
Sympozja i Konferencje nr 27
II Seminarium : Rola energii geotermalnej w zintegrowanym rozwoju województwa
skierniewickiego
Skierniewice 3.10.1997 r. Radziejowice 4.10.1970 r.