POMPY CIEPŁA
advertisement
pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła POMPY CIEPŁA w ogrzewaniu (4) budynków mieszkalnych Piotr JASIUKIEWICZ, Buderus Technika Grzewcza sp. z o.o., Dział Odnawialne Źródła Energii Oddział Gdańsk 2.2.2. Podwyższenie ciśnienia parowania Załóżmy, że udało by się podczas użytkowania pompy ciepła podwyższyć ciśnienie parowania czynnika chłodniczego panujące w jej parowniku, np. poprzez podwyższenie temperatury nośnika ciepła źródła dolnego. W wyniku tego zmianie ulegają wszystkie charakterystyczne parametry obiegu chłodniczego, tak jak to pokazano na rysunku 6, a w szczególności doprowadzi to do: − wzrostu jednostkowej wydajności chłodniczej qo, − spadku jednostkowej teoretycznej pracy sprężania lt, − spadku temperatury tłoczenia ttł, − wzrostu stopnia dostarczania sprężarki λ . Podwyższenie ciśnienia parowania od wartości po do po’, podobnie jak miało to miejsce w przypadku obniżenia ciśnienia skraplania, pociąga za sobą spadek jednostkowej teoretycznej pracy sprężania, z uwagi na zmniejszenie sprężu, w wyniku czego maleje ilość energii koniecznej do napędu urządzenia, a zatem i koszty jego eksploatacji. Ponadto wzrasta wartość jednostkowej wydajności chłodniczej qo oraz jednostkowej wydajności cieplnej skraplacza qk, co z kolei prowadzi do zwiększenia ilości ciepła pozyskiwanego z dolnego źródła ciepła. Konsekwencją zmiany tych dwóch wielkości jest wzrost wartości współczynnika wydajności cieplnej pompy ciepła, a więc i jej efektywności ekonomicznej (zgodnie z zależnością (2.2)). Należy tu również zauważyć, że w takim przypadku przy obniżeniu ciśnienia skraplania obniża się także temperatura tłoczenia czynnika (ttł → ttł’), co przyczynia się do polepszenia warunków eksploatacji sprężarki. Oczywistym faktem jest to, że proces parowania czynnika chłodniczego jest ściśle związany z warunkami (temperaturą) przekazywania energii cieplnej do parownika. Na proces ten wpływ mają warunki ogrzewania tego wymiennika, a ściślej temperatura nośnika ciepła źródła dolnego (zwykle wodnego roztworu cieczy niezamarzającej lub powietrza zewnętrznego czy wentylacyjnego) oraz prędkość jego przepływu. Najczęściej prędkość ta jest stała z uwagi na stałą wydajność objętościową pompy obiegowej, przetłaczającej nośnik ciepła źródła dolnego przez parownik, lub wentylatora przetłaczającego powietrze przez parownik lamelowy. Analizując rysunek 6 zauważyć należy, że podwyższenie temperatury nośnika ciepła źródła dolnego, czyli podwyższenie temperatury parowania czynnika technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8/2008 chłodniczego w parowniku ma bezpośredni wpływ na podwyższenie ciśnienia panującego w parowniku, a w konsekwencji na zmniejszenie jednostkowej pracy sprężania (odcinek lt’ na wykresie), czyli zmniejszenie zużycia energii napędowej przez sprężarkę. Podobnie jak miało to miejsce przy obniżeniu ciśnienia skraplania, tak i w tym przypadku, podwyższenie ciśnienia parowania, prowadzi do zwiększenia efektywności działania pompy ciepła, a więc obniżenia rachunków ze eklektyczną energię napędową pompy ciepła. W jaki sposób można podwyższyć temperaturę nośnika ciepła źródła dolnego ? Rozpatrując to zagadnienie od strony praktycznej, należy przyznać, że ze względów technicznych nie jest to takie proste. Dolne źródło ciepła dla większości pomp ciepła instalowanych w Polsce stanowi poziomy lub pionowy kolektor gruntowy. Jako użytkownicy nie mamy żadnego Rys. 6. Skutki podwyższenia ciśnienia parowania dla działania sprężarkowej pompy ciepła, gdzie 1-2-3-4-1 przemiany termodynamiczne w bazowym obiegu chłodniczym pompy ciepła z ciśnieniem parowania po, 1’-2’-3’4’-1’ przemiany termodynamiczne w przykładowym obiegu chłodniczym pompy ciepła z podwyższonym ciśnieniem parowania po’. 343 pompy ciepła pompy ciepła wpływu na temperatury jakie panują w gruncie. Wbrew ogólnemu przekonaniu, nadmierne i nieprzemyślane wydłużanie poziomego wymiennika gruntowego nie prowadzi do uzyskania wyższej temperatury nośnika ciepła (nośnik ciepła może się podgrzać tylko i wyłącznie do temperatury gruntu, nie wyższej, a zbyt duża długość wymiennika prowadzi do efektów odwrotnych – większego zużycia energii elektrycznej napędowej pompy obiegowej, w wyniku zwiększenia oporów hydraulicznych). W jednym przypadku użytkownik ma jednak wpływ na możliwą do osiągnięcia wyższą temperaturę nośnika ciepła źródła dolnego. Jeżeli dana instalacja grzewcza pompy ciepła będzie wyposażona w pionowy gruntowy wymiennik ciepła, to dużo lepszym rozwiązaniem technicznym będzie, gdy wymiennik ten zostanie wykonany jako odwiert o dużej głębokości. Wieloletnie pomiary dowodzą, że warunki geologiczne na terenie naszego kraju sprzyjają w osiągnięciu wyższych temperatur nośnika ciepła z pionowego wymiennika gruntowego, w przypadku wykonania wymiennika o dużej głębokości. Okazuje się, że można uzyskać wyższą o 2 – 4 K temperaturę nośnika ciepła źródła dolnego, w przypadku wykonania wymiennika o głębokości 90 metrów, niż gdyby wymiennik taki wykonać jako trzy odwierty po 30 metrów. Dla uzyskania pożądanego efektu podwyższenia ciśnienia parowana można również jako dolne źródła ciepła wykorzystywać źródła energii odpadowej, np.: oczyszczone ścieki z oczyszczalni ścieków, których temperatura nie spada praktycznie poniżej +15ºC, powietrze wentylacyjne z budynków mieszkalnych czy hal produkcyjnych, zużytą wodę z procesów technologicznych, zimną wodę w rurociągach zasilających osiedla mieszkaniowe, a może i źródła wód termalnych, o których tak dużo mówi się dzisiaj. Teoretycznie podwyższenie ciśnienia parowania poprzez podwyższenie temperatury nośnika ciepła źródła dolnego jest możliwe i bardzo proste do zrealizowania. Praktycznie jednak, włączając w tą analizę wskaźniki ekonomiczne, realizacja techniczna tego postulatu może nastręczać wiele problemów. Wykorzystanie oczyszczonych ścieków – zawsze oczyszczalnie ścieków usytuowane są daleko od osiedli mieszkalnych, a przesyłanie medium grzewczego o temperaturze +15ºC jest nieekonomiczne. Na wykorzystanie ciepła ze ścieków nieczyszczonych, np. z osiedlowych przepompowni ścieków, na pewno nie uzyskamy zgody (niekorzystne dla oczyszczalni ścieków obniżanie temperatury ścieków), itp.. 2.2.3. Podsumowanie Wielu przeciwników stosowania pomp ciepła do ogrzewania budynków mieszkalnych zdecydowanie stwierdza, że w porównaniu do urządzeń kotłowych (kotłów gazowych czy na paliwa stałe), pompy ciepła to niskotemperaturowe urządzenia grzewcze, ponieważ nie potrafią one zasilać systemu grzewczego budynku w ciepło przy wysokiej temperaturze nośnika ciepła w instalacji grzewczej (przeważnie wody w c.o.). Twierdzą, że z tego powodu konieczne 344 pompy ciepła pompy ciepła jest „przewymiarowywanie grzejników” (zwiększanie powierzchni wymiany ciepła grzejników), co pociąga za sobą większe koszty inwestycyjne, poniesione na wykonanie instalacji grzewczej z pompą ciepła. Twierdzą dalej, że pompy ciepła, z uwagi na tę swoją wadę, mogą współpracować tylko i wyłącznie z podłogowymi systemami grzewczymi, względnie ścienno-podłogowymi lub sufitowymi, a te nie zawsze można wykonać w budynku lub, że powodują one złe oddziaływanie na zdrowie człowieka. Twierdzą ponadto, że pompy ciepła nie da się zastosować w „starym” budynku, w którym istnieje już od wielu lat grzejnikowy system grzewczy i np. kocioł na gaz płynny czy olej opałowy, ponieważ taka instalacja dobrana (zaprojektowana) została do wysokich parametrów temperaturowych zainstalowanego tam kotła. Z całą mocą należy powiedzieć, że twierdzenia te są nieprawdziwe, a ich geneza wywodzi się z braku elementarnej wiedzy z dziedziny chłodnictwa. Nie ma żadnych przeciwwskazań technicznych, aby pompy ciepła nie mogły współpracować z grzejnikowymi systemami grzewczymi, zasilając je w ciepło przy stosunkowo wysokiej temperaturze, np. +65ºC, tak jak ma to miejsce w przypadku pomp ciepła Logatherm Buderus. Obecna wiedza techniczna i przemyślana budowa podzespołów pomp ciepła: sprężarek i wymienników ciepła oraz własności fizyczne nowych czynników chłodniczych, pozwalają na konstruowanie pomp ciepła, które bez żadnych problemów uzyskują na zasilaniu wysokie temperatury pracy, praktycznie wyższe niż temperatury pracy gazowych kotłów kondensacyjnych. Jeszcze raz należy to podkreślić: nie ma żadnych przeciwwskazań technicznych ! Nasuwa się jednak pytanie: czy warto, z punktu widzenia ekonomicznego, zmuszać pompę ciepła do pracy z maksymalną temperaturą zasilania instalacji grzewczej budynku ? Odpowiedź jest jednoznaczna – nie ! Pompa ciepła, czyli urządzenie chłodnicze realizujące lewobieżny obieg termodynamiczny, osiąga najwyższą sprawność wówczas, gdy przenosi energię cieplną ze źródła ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze do źródła ciepła o stosunkowo niskiej temperaturze. Oznacza to, że aby koszty eksploatacji pompy ciepła był najniższe z możliwych, powinniśmy zadbać (odpowiednio zaprojektować), aby temperatura nośnika ciepła źródła dolnego była jak najwyższa i równocześnie temperatura zasilania instalacji grzewczej budynku była możliwie jak najniższa. Jedynym przeciwwskazaniem do współpracy pomp ciepła z wysoko temperaturowymi systemami rozprowadzenia ciepła budynku jest aspekt ekonomiczny. Lewobieżny obieg chłodniczy zużywa tym więcej energii napędowej, im wyższe jest ciśnienie panujące w skraplaczu, a więc im wyższa jest temperatura nośnika ciepła chłodzącego ten skraplacz, czyli wody w instalacji c.o. (patrz rysunek 5). Równocześnie wzrost energii napędowej zauważalny będzie, gdy nadmiernie spadnie ciśnienie panując w parowniku pompy technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8/2008 pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła ciepła, w wyniku znacznego obniżenia się temperatury nośnika ciepła doprowadzającego ciepło do parownika. Opisując te zależności jednym parametrem, można stwierdzić, że gdy rośnie wartość sprężu, a więc stosunek ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania czynnika chłodniczego, rośnie zużycie energii napędowej przez sprężarkę. Rozpatrując to ze strony użytkownika pompy ciepła, można tą zależność zdefiniować również następująco: gdy rośnie różnica temperatur pomiędzy temperaturą zasilania instalacji grzewczej a temperaturą nośnika ciepła, który przypływa z dolnego źródła ciepła, wówczas rośnie zużycie eklektycznej energii napędowej sprężarki, a w konsekwencji tego rosną rachunki za ogrzewanie budynku pompą ciepła. Jeżeli pompę ciepła zainstalujemy w budynku wyposażonym w grzejnikowy system grzewczy, z grzejnikami dobranymi na wysokie parametry, np. 75/55/20ºC i jednocześnie źle obliczymy wielkość wymiennika gruntowego, co pociągnie za sobą nadmierne przemrażanie gruntu i bardzo niską temperaturę nośnika ciepła wymiennika gruntowego, wówczas, z ekonomicznego punktu widzenia praca pompy ciepła nie będzie przynosić założonych i oczekiwanych zysków ekonomicznych, a koszty ogrzewania budynku będą bardzo wysokie. Z całą mocą można również stwierdzić, że zastosowanie pompy ciepła w takim budynku jest niewłaściwe i niepoprawne technicznie. Jednak twierdzenie, że pompa ciepła nie jest w stanie uzyskać wysokiej temperatury wody zasilającej system c.o., jest nieprawdziwe. Odpowiedniej konstrukcji sprężarka lub odpowiednio wybrany czynnik chłodniczy zastosowany w obiegu pompy ciepła umożliwią uzyskanie wysokich temperatur skraplania, w obecnie produkowanych pompach ciepła przekraczających 68ºC [1]. Jednak wiele błędów przy wykonywaniu instalacji grzewczych z pompami ciepła jest skutkiem braku elementarnej wiedzy z zakresu chłodnictwa. Wielu projektantów nie zdaje sobie sprawy z faktu, że projektując instalację grzewczą z temperaturą zasilania choćby o 5 K wyższą, powoduje, że zużycie energii napędowej przez pompę ciepła w skali całego roku może wzrosnąć o 15%. Wieloletnia praca w realizowaniu instalacji grzewczych z pompami ciepła, daje niepokojący obraz polskiej energetyki cieplnej, jaką jest projektowanie instalacji grzewczych do pomp ciepła. Niemożliwe jest spotkać projektanta ogrzewania podłogowego, który projektował by podłogową instalację grzewczą na temperaturę niższą niż +45ºC na zasilaniu. Dla kotła gazowego nie ma większej różnicy czy będzie on pracował z temperaturą +45ºC czy +35ºC na zasilaniu. Zużycie gazu dla wytworzenia pożądanego efektu cieplnego jest takie same, jedynie odzysk ciepła ze skraplania pary wodnej ze spalin w przypadku temperatury +35ºC będzie większe, jednak różnica ta jest pomijalnie mała, bo zaledwie 2 – 3%. Proszę jednak pamiętać, że dla pompy ciepła obniżenie temperatury o 10 K z +45ºC do +35ºC temperatury zasilania, to oszczędność na napędowej energii eklektycznej dochodząca do kilkudziesięciu procent w skali roku. Kto powinien mieć o tym świadomość. Najlepiej, gdyby wiedział o tym inwestor, bowiem tylko on może zmusić projektanta do odpowiedniego zaprojektowania instalacji grzewczej w budynku, z obniżeniem temperatury zasilania do możliwie najniższej wartości. Wielu z nas zadaje sobie pytanie: dlaczego projektuje się instalacje grzewcze do pomp ciepła na wysokie parametry temperaturowe. Niestety problem jest złożony. Po pierwsze w wyniku braku pełnej świadomości projektantów czym jest pompa ciepła, co to za urządzenie. Oczywiście każdy wie, że pompa ciepła to urządzenie dostarczające energię cieplną do ogrzewania budynku, no i każdy wie, że działa odwrotnie niż „lodówka”. Natomiast nie każdy już wie, że pompa ciepła to urządzenie chłodnicze i działa w taki sam sposób jak „lodówka”, a sprawność jej działania zależy ściśle od parametrów temperaturowych jej pracy. Po drugie duże obniżanie temperatury zasilania instalacji grzewczej, np. do +35ºC powoduje wzrost strumienia nośnika ciepła przepływającego przez instalację grzewczą budynku (zmniejsza się różnica temperatur pomiędzy powierzchnią wymiennika ciepła – grzejnika, a powietrzem ogrzewanym w pomieszczeniu). To w konsekwencji może doprowadzić do wzrostu oporów hydraulicznych, pojawienia się szumów i hałasów w rurociągach. Te wszystkie niepożądane skutki zwiększenia strumienia przepływu pojawią się wówczas, gdy w sposób szablonowy podchodzi się do protechnika chłodnicza i klimatyzacyjna 8/2008 345 pompy ciepła pompy ciepła jektowania instalacji grzewczych z pompami ciepła. Błąd jaki popełniają projektanci, to traktowanie pompy ciepła tak jak każdego innego urządzenia grzewczego, jak kotła gazowego. Pompa ciepła, z uwagi na swój niskotemperaturowy charakter, wymaga innego spojrzenia projektowego. Wymagane, nominalne przepływy, np. wody w instalacji c.o. z pompą ciepła są niejednokrotnie dwa razy większe niż przy kotle gazowym, zatem dobór armatury hydraulicznej musi być niestandardowy. Szczególnie należy zwrócić uwagę na odpowiednie obliczenie średnic hydraulicznych rurociągów doprowadzających wodę c.o. do rozdzielaczy ogrzewania podłogowego, odpowiednio dobrać przekroje armatury odcinającej i regulacyjnej (zawory, śrubunki, zawory regulacyjne), no i najważniejsze: odpowiednio obliczyć wydajność objętościową i wysokość podnoszenia pomp obiegowych. Nie wolno, jak to niejednokrotnie zdarza się, dobierać pomp obiegowych na „oko”. Gdy dom ma powierzchnię 120 m2 to pompa obiegowa 25/4, a gdy ma 200 m2 to pompa 25/6 (25 – średnica hydrauliczna pompy obiegowej, 4 lub 6 wysokość podnoszenia). Taki dobór nie sprawdza się nigdy w przypadku pomp ciepła, z uwagi na większe, wymagane przepływy wody przez instalacje c.o. Apeluję, aby korzystać z komputerowych programów obliczeniowych przy dobieraniu pomp obiegowych, są one powszechnie i nieodpłatnie dostępne na stronach intenetowych producentów tych urządzeń. Jednak najwięcej błędów projektowych tkwi w najmniej, wydawałoby się istotnych elementach instalacji grzewczej: filtrach i zaworach zwrotnych. Siatkowe filtry skośne, dla zwiększenia ich ochrony, instaluje się przed odpowiedzialnymi urządzeniami instalacji grzewczych, np. przed pompami obiegowymi, wymiennikami ciepła, zasobnikami ciepłej wody użytkowej. Jednak, podobnie jak to miało miejsce wcześniej, nie przywiązuje się wagi do doboru ich średnicy, a więc ich przepustowości. Nagminne staje się dobieranie filtra siatkowego o jedną, a nawet dwie średnice hydrauliczne mniejszą niż średnica przyłączeniowa urządzenia, które ten filtr ma zabezpieczać. I znowu, przy pompie ciepła tak nie powinno się postępować, z uwagi na większe nominalne przepływy. Dobierając filtr, czy zawór zwrotny powinniśmy zainstalować element o średnicy co najmniej takiej samej jak średnica hydrauliczna urządzenia, które te elementy mają zabezpieczać, jednak najlepszym doborem jest, gdy elementy te mają o jedną średnicę hydrauliczną większą niż elementy, które zabezpieczają, np. gdy dobierzemy pompę obiegową o średnicy hydraulicznej 1’ (1 cal = ok. 25 mm), to filtr zainstalowany przed tą pompą i zawór zwrotny zainstalowany za nią powinny mieć średnicę 1¼’ (32 mm). Pompy ciepła należy traktować jako urządzenia grzewcze niskotemperaturowe, ponieważ ich sprawność działania i efektywność jest tym większa, im niższa jest wymagana temperatura zasilania instalacji grzewczej. W tabeli 1 przytoczono wartości współczynnika efektywności energetycznej COP pompy ciepła przy różnych temperaturach zasilania instalacji grzewczych. 346 pompy ciepła pompy ciepła Tabela 1. Wartości współczynnika COP przy różnych temperaturach pracy dla pompy ciepła Logatherm Buderus wyznaczone w oparciu o normę EN255 [1]. tgź temperatura zasilania instalacji grzewczej [ oC] tdź temperatura wejścia nośnika ciepła źródła dolnego [oC] COP 35 0 4,8 45 0 3,8 55 0 3,0 60 0 2,6 65 0 2,3 Analizując zawarte w tej tabeli dane można zauważyć, że najwyższą sprawność działania pompy ciepła będzie można osiągnąć, gdy temperatura zasilania podłogowej instalacji grzewczej nie będzie przekraczać +35ºC, przy temperaturze nośnika ciepła jaki przypływa z wymiennika gruntowego na poziomie nie niższym niż 0ºC. Im wyższa wymagana temperatura zasilania instalacji grzewczej, tym wartość współczynnika COP jest coraz mniejsza. Przy temperaturze +65ºC na zasilaniu sprawność pompy ciepła niewiele przekracza wartość 2, co praktycznie oznacza, że zastosowanie pompy ciepła nie znajduje uzasadnienia ekonomicznego. Z doświadczenia można stwierdzić, że gdy wartość COP kształtuje się poniżej 2,5, a więc gdy wymagana temperatura zasilania instalacji grzewczej jest wyższa niż +55ºC, stosowanie pompy ciepła nie ma żadnego uzasadnienia ekonomicznego, biorąc pod uwagę koszty inwestyczyjne i eksploatacyjne, a odnosząc to do takich samych kosztów w przypadku wykonania kotłowni opartej na kotle kondensacyjnym zasilanym gazem ziemnym (przy obecnych cenach gazu ziemnego kupowanego przez nasz kraj z Rosji). Wielu z czytelników zadaje sobie uzasadnione pytanie: dlaczego Buderus wprowadza na rynek pompy ciepła z temperaturą zasilania +65ºC, przecież z ekonomicznego punktu widzenia jest to niepotrzebne i nieuzasadnione ? Tak, jest to nieuzasadnione, jeżeli rozpatrujemy jedynie ogrzewanie budynków za pomocą pomp ciepła. Jednak od nowoczesnego urządzenia grzewczego, zainstalowanego w naszym domu wymagamy więcej niż tylko ogrzewania, wymagamy również produkcji ciepłej wody użytkowej o zadawalającej, ze względów użytkowych, temperaturze. Powszechnie produkowane pompy ciepła, o maksymalnej temperaturze zasilania +55ºC, mają wiele problemów z podgrzewaniem c.w.u., a często konieczne jest dogrzewanie wody grzałką elektryczną. Więcej informacji o wymaganiach technicznych przy podgrzewaniu c.w.u. za pomocą pomp ciepła przedstawione zostanie w rozdziale 8. cdn ... LITERATURA: [1] www.buderus.pl technika chłodnicza i klimatyzacyjna 8/2008
