uefektywnianie pomp ciepła stymuluje ich coraz liczniejsze

Pompy ciepła w sieciach miejskich?
Autor: Włodzimierz Kotowski, Eduard Konopka
(„Energia Gigawat” – nr 11/2012)
Pompy ciepła zaczęto stosować głównie w domach jedno- i wielorodzinnych pod
koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego stulecia. Zainteresowanie nimi zwiększało się głównie
równolegle ze wzrostem cen nośników energii i osiągnęło na terenie Niemiec szczyt w 2008
roku (rys. 1). W dwóch następnych latach był w tym kraju niewielki spadek w liczebności ich
montażu, ale w kolejnym trzecim roku ich sprzedaż wzrosła do 57 000 (W. Wilming, Sonne
Wind & Wärme, 38,12,2012).
Źródło: Budesverband Wärmepumpe e.V.
Rys. 1. Ilość zainstalowanych pomp ciepła w Niemczech w latach 2006 – 2011.
Tak znaczny przyrost z roku na rok stosowania pomp ciepła wynika z faktu, że są one dość
tanie w porównaniu z kotłowniami domowymi, relatywnie proste w eksploatacji, niezależne
od rozmaitych paliw i w dodatku sprzyjają ochronie środowiska.
Boom w ich zakupach bywa szczególnie widoczny w okresach kryzysów
związanych z utrudnieniami w pozyskiwaniu ropy. Instytuty ciepłownicze w Niemczech
prognozują roczną sprzedaż tych agregatów ciepłowniczych w ilościach około 300 000
począwszy od lat 2030 – 2035.
1
Wśród stosowanych pomp ciepła rozróżnia się dwa typy: jeden tym znamienny, że
pobiera ciepło z otaczającego nas powietrza, a drugi – którym użytkownicy okazują mniejsze
zainteresowanie – pobiera ciepło z ziemi łącznie z jej wodnymi zasobami, a nawet z miejskogminnych kanalizacji.
W pierwszej generacji pomp ciepła jako czynnik chłodzący stosowano
fluorochlorowęglowodory. Jednak z uwagi na ich silnie toksyczne właściwości zostały one
po krótkim okresie użytkowania zastąpione mieszankami o symbolach R404A oraz R407C.
Obecnie prowadzi się działania badawczo-wdrożeniowe nad zastosowaniem CO2 w wyżej
wymienionym obiegu chłodniczym. Dzięki jego termodynamicznym właściwościom pompy
ciepła będą mogły być eksploatowane w relatywnie wyższych temperaturach niż obecnie. W
dodatku dzięki temu, że ditlenek węgla jest chemicznie obojętny dla otoczenia, nie ma
problemów z jego usuwaniem oraz magazynowaniem.
Układ chłodniczy pompy ciepła pracuje w określonym zakresie pod podwyższonym
ciśnieniem. Przez wiele lat stosowania tego typu agregatów ciepłowniczych instalowano w
nich sprężarki tłokowe. Z tytułu ich skomplikowanej konstrukcji są one kosztowne i w
dodatku o nie najwyższym stopniu niezawodności ruchu.
W ramach wieloletnich procesów udoskonalania pomp ciepła, udało się opracować
nowej generacji sprężarkę o nazwie Scrol, którą zaprezentowano na rys. 2.
Źródło: Smartheat
Rys. 2. Schemat spiralnej sprężarki o nazwie Scroll.
2
Jej istotę stanowią dwie spiralne powłoki, które zainstalowano jedna w drugiej w
hermetycznej obudowie. Między nimi znajdują się przestrzenie sprężania w kształcie sierpa.
Jedna z tych powłokowych spiral jest stacjonarna, druga obrotowa – napędzana silnikiem
elektrycznym. Pojemności tych sierpowych przestrzeni między oboma spiralami
powłokowymi zmniejszają się w miarę zbliżania się ich ku środkowi spiral – i w tym tkwi
istota sprężania. W czasie ruchu tej sprężarki operacje: ssania, sprężania oraz przetłaczania
czynnika chłodniczego zachodzą równocześnie i to bez zaworów ssących oraz tłoczących.
Dla pełnego jego sprężania potrzebne są dwa – trzy obroty ruchomej powłoki spiralnej.
Inną, znaczącą innowacją zastosowaną w ostatnich latach w technice
funkcjonowania pomp ciepła, było wprowadzenie regulatorów obrotów wirujących
elementów. Przykładowo poprzez zainstalowanie inwertora na silniku sprężarki czynnika
chłodniczego, można tak regulować jej wydajnością, jaka wynika z aktualnego
zapotrzebowania na ciepło w ogrzewanych pomieszczeniach. Ta innowacja zapewnia nie
tylko dłuższą pracę pomp ciepła w kolejnych sezonach grzewczych, ale jednocześnie
wydłuża okres ich żywotności.
W ramach udoskonalania ziemnych pomp ciepła w ostatnich latach zastosowano
zwarte, płytowe wymienniki ciepła, instalowane tak w części „zimnej”, jak i „ciepłej”.
Również w powietrzno-wodnych pompach ciepła montuje się już wysokosprawne
odparowalniki o specjalnej konstrukcji, co zaowocowało poprawą ich sprawności oraz
mniejszym zużyciem energii.
Obecnie biegną działania badawczo-wdrożeniowe nad optymalizacją operacji
rozprężania czynnika chłodniczego, przeprowadzaną przez zawór dławiący. Celem tych
badań jest wykorzystanie występującego tam potencjału ciśnieniowego poprzez odpowiednią
rekonstrukcję powyższego elementu armatury.
W przeciwieństwie do pierwszej generacji, dzisiejsze pompy ciepła są wyposażone
w różnorakie regulatory, blokady oraz elementy procesowo-techniczne, które zapewniają im
optymalny ruch, jak w każdej innej, współczesnej instalacji ciepłowniczej. Dzięki tym
innowacjom współczesne pompy ciepła bywają z ekonomicznego punktu widzenia
konkurencyjnymi w stosunku do wielu innych systemów grzewczych – szczególnie do
większości pieców opalanych węglem, olejem, a nawet gazem ziemnym. Wynika to z faktu,
że pompy ciepła są zwarte w swej budowie i nie wymagają buforowych zbiorników z ciepłą
wodą. Te natomiast są niezbędne – między innymi - w systemach grzewczych, bazujących na
kolektorach słonecznych.
Z upływem lat powietrzno-wodne pompy ciepła cieszą się rosnącym
zainteresowaniem społeczeństwa, gdyż pobieranie ciepła z otaczającej nas atmosfery bywa
relatywnie proste i tanie. Przez fakt, że pojemność cieplna gazów jest relatywnie niewielka,
to do wymienników ciepła wentylatory muszą doprowadzać ogromne ilości powietrza.
Odmiennie bywa z ziemnymi pompami ciepła i to szczególnie tam, gdzie ciepło można
3
pobierać z wód gruntowych. Powszechnie wiadomo, że wodę charakteryzuje bardzo wysoka
pojemność cieplna.
Uwzględniając fakt, że ziemne pompy ciepła można sprzęgać z miejsko-gminnymi
sieciami grzewczymi, ich wytwórcy żywią przekonanie o rosnących z roku na rok
możliwościach sprzedaży tych agregatów ciepłowniczych. Dodatkowo utwierdza ich w tych
oczekiwaniach nieustanny wzrost cen wszystkich nośników energii.
Źródło: Brötje
Rys. 3.
Fotografia pompy ciepła solankowo-wodnej o nazwie Sensotherm BSW-K
firmy Brotje o mocy grzewczej 13, 16 kW.
4