„Badania wstępne wodnej pompy ciepła pracującej w warunkach

Badania eksploatacyjne wodnej pompy
ciepła w warunkach oblodzenia
parowacza
Dr inż. Wojciech Tuchowski
Szczecin 2017
1
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
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
Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego
Powietrzna pompa ciepła
Patent PL 188519
Wodna pompa ciepła
Patent PL 209839
4
Szacunkowe użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła – Qusable – wyrażana w GWh:
Qusable = Prated x HHP,
(1)
gdzie: Prated – wydajność znamionowa [GW]
HHP – roczna liczba równoważnych godzin pracy pompy ciepła przy
wydajności znamionowej, wyrażona w [h]
Ilość energii odnawialnej dostarczanej przez technologie pomp ciepła (ERES):
ERES = Qusable x [1-(1/SPF)],
(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
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
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
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 28.09.2011 r.
w oparciu o patent nr 209839.
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
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
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
Unoszenie się płyt lodu powstałych na powierzchni parowacza ku powierzchni
wody – dotyczy nowego rozwiązania zasilania parowacza wodnej pompy ciepła
11
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
Oblodzony wymiennik ciepła w basenie modelowym
13
Oblodzony wymiennik ciepła w basenie modelowym
14
Wpływ tworzenia się lodu na powierzchni
parowacza na pracę pompy ciepła
Oblodzony parowacz w basenie modelowym
15
Temperatury wody w basenie i powietrza zewnętrznego dla okolic Szczecina w
latach 2013 - 2014
16
Współczynnik COP wodnej pompy ciepła w funkcji temperatury wody tw [oC]
zasilającej parowacz
17
Współczynnik efektywności COP
Wpływ parametrów ΔT [K] oraz τc [h] na kształtowanie się wartości
współczynnika efektywności COP
18
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/m2K]
Współczynnik wnikania ciepła
α [W/m2K]
[5]
[6]
3 ÷ 50
1 ÷ 10
ciecze
100 ÷ 600
5 ÷ 300
Konwekcja wymuszona: gazy
10 ÷ 100
5 ÷ 500
500 ÷ 10 000
500 ÷ 15 000
Wrzenie wody
2 000 ÷ 25 000
1 500 ÷ 100 000
Kondensacja pary wodnej
5 000 ÷ 100 000
30 000 ÷ 120 000
Konwekcja swobodna: gazy
ciecze
19
Wyposażenie stanowiska badawczego
20
Warunki badań
Tab.2. Prędkość wody omywającej
wymiennik płytowy podczas badań
Nastawa biegu Prędkość wody mierzona na
na silniku
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
Rzeka
Odcinek
Prędkość przepływu
[km/h]
Odra
Wisła
Kostrzyn – Szczecin
3,0
Okolice Wrocławia
4,0
Okolice Warszawy
- niski stan wody
2,16
- średni stan wody
5,22
- wysoki stan wody
10,8
Noteć
Ujście Gwdy - Krzyż
2,16
Nil
Sezon zalewowy
7,56
Ren
Ottmershaim do
6,0
Walzum
21
Wyniki badań wstępnych
Wykr. rozrzutu: to
COP
vs COP
= 4,4522 + ,10088 * to
Korelacja: r = ,97014
4,3
Prędkość wody vwody = 5,52 km/h
Temperatura wody tw = 2,5 ÷ 3oC
4,2
4,1
4,0
COP
3,9
3,8
Prędkość wody vwody = 0 km/h
Temperatura wody tw = 2,5 ÷ 3oC
3,7
3,6
3,5
3,4
3,3
-10
-9
-8
-7
-6
to
-5
-4
-3
-2
0,95 Prz.Ufn.
Wykres zmienności COP w funkcji temperatury parowania
to [oC] z dopasowaną linią regresji.
22
1200
okres grzewczy (220/365
dni)
10 lat
1100
TEWI x 103
1000
900
100,00%
90,00%
GWP*m*(1-α)
80,00%
β*n*E
800
70,00%
700
60,00%
600
50,00%
500
40,00%
400
GWP*L*n
30,00%
300
20,00%
200
100
10,00%
0
0,00%
R 404A
R 407C
R 410A
R 600a
R 404A
R 407C
TEWI = (GWP x L x n) + GWP x m x(1- αrec)+ β x n x Een
GWP – globalny potencjał ocieplenia, odniesiony do,
L – roczne straty czynnika przez nieszczelności, [kg], [%],
n – czas eksploatacji urządzenia, [lata],
R 410A
[kgCO2/rok]
R 600a
(16)
m – wielkość napełnienia czynnikiem, [kg],
αrec – stopień odzysku/uzdatniania, (0÷1),
β – wskaźnik emisji podczas produkcji energii, [kg/kWh],
Ean – 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
23
407C, R 410A i R 600a
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
[kgCO2/kWh]
TEWI
TEWI
TEWI
TEWI
Polska
0,963
1065,14
791,24
839,09
527,74
Tasmania [66]
Południowa Australia [66]
0,3
0,68
702,15
910,2
428,25
636,3
476,1
684,15
164,75
372,8
Niemcy
0,624
879,54
605,64
653,49
342,14
Francja
0,056
568,56
294,66
344,15
32,16
Holandia
0,435
776,06
502,16
550,01
238,66
Litwa
0,153
621,67
347,77
395,62
84,26
Belgia
0,285
693,94
420,04
467,89
156,53
Szwecja
0,023
550,49
276,59
324,44
13,09
Słowenia
0,557
842,86
568,96
616,81
305,45
UE -27
0,46
789,75
515,85
563,7
252,35
24
Kolejne modyfikacje i patenty…
Rys.2.24. 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, A1,A2,A3,A4 – wężownice
25
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
Podsumowanie
• Wodne pompy ciepła charakteryzują się najwyższymi
współczynnikami efektywności energetycznej
• Im wyższa efektywności pompy ciepła tym niższa emisja CO2
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
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. 20 – 26.
4. Rozprawa doktorska dr inż. Wojciecha Tuchowskiego: „Badania eksperymentalne
efektywności pompy ciepła wykorzystującej utajone ciepło zamarzania wody”. Wydział
Techniki Morskiej i Transportu, październik 2015.
5. Wybrane Tablice Cieplne (materiały pomocnicze do ćwiczeń z Termodynamiki i Wymiany
Ciepła), Politechnika Krakowska, Kraków 2008
6. Pudlik W.: „Wymiana i Wymienniki Ciepła” - Politechnika Gdańska, Wydanie IV, Gdańsk 2008
7. Szargut J.: „Termodynamika”. Wydanie VII poprawione. Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa 2013
8. Zakrzewski B, Tuchowski W, Szkibiel Z.: „Badania wstępne pompy ciepła zasilanej ciepłem
przejścia fazowego wody” Chłodnictwo nr 1-2, 2011, s. 18-22
9. Tuchowski W., Zakrzewski B.: „Stanowisko badawcze wodnej pompy ciepła” Chłodnictwo nr
7-8, 2012, s. 6-9
10. Zakrzewski B., Tuchowski W.: „Badania wstępne wodnej pompy ciepła pracującej w
warunkach oblodzenia dolnego wymiennika ciepła”. Chłodnictwo nr 4, 2014, s. 8-12
28
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: [email protected]
29