POMPY CIEPŁA
advertisement
pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła POMPY CIEPŁA w ogrzewaniu (3) budynków mieszkalnych Piotr JASIUKIEWICZ, Buderus Technika Grzewcza sp. z o.o., Dział Odnawialne Źródła Energii Oddział Gdańsk 2.2. Efektywność działania pompy ciepła W literaturze popularnonaukowej, jak i na łamach wielu portali internetowych trwa ożywiona dyskusja mająca na celu wyłonienie pompy ciepła, której efektywność działania (sprawność) jest największa. Czytelnicy wzajemnie porównują wartość współczynnika, który charakteryzuje efektywność działania tego urządzenia, czyli tzw. współczynnik wydajności cieplnej (obecnie powszechnie zapisywanego symbolem literowym COP, co z angielskiego oznacza Coefficient Of Performance) podawanego w katalogach producentów. Zdarza się często, że w tych poszukiwaniach, analizach i wzajemnych porównaniach, wpadają w pułapkę, bowiem podawane przez producentów wartości tego współczynnika są w różny sposób określane i często nie nadają się wprost do prowadzenia porównań. Zanim zaczniemy prowadzić szczegółowe analizy współczynnika COP oferowanych obecnie na naszym rynku pomp ciepła, warto (należy) zaznajomić się lub przypomnieć sobie od czego zależy sprawność działania tych urządzeń. Co decyduje o wartości tego współczynnika i czy my jako przyszli lub obecni użytkownicy pompy ciepła mamy wpływ na jego wartość. Należy zadać sobie pytanie: czy przyszły użytkownik może podnieść efektywność działania pompy ciepła, bo przecież zależy nam na jak najniższych kosztach jej eksploatacji, czyli najtańszym ogrzewaniu domu. Tak jak już wspomniano wcześniej, pompa ciepła jest urządzeniem chłodniczym, działającym w oparciu o lewobieżny obieg termodynamiczny. Celem pracy tego urządzenia jest dostarczanie energii cieplnej do ogrzewania budynku poprzez instalację źródła górnego w wyniku realizowania procesu transformacji ciepła uprzednio pobranego w źródle dolnym. Proces ten przebiega dzięki dostarczonej do urządzenia z zewnątrz energii napędowej. Bilans energetyczny takiego urządzania można zapisać w postaci zależności: Qk = Q0 + Nt (2.1) gdzie: Qk - wydajność cieplna skraplacza pompy ciepła, a więc strumień ciepła jaki przekazywany jest do instalacji technika chłodnicza i klimatyzacyjna 4/2008 Q0 Nt - grzewczej budynku, czyli źródła górnego; wydajność chłodnicza pompy ciepła, a więc strumień ciepła jaki pozyskiwany jest przez urządzenie z dolnego źródła ciepła; zapotrzebowanie na moc elektryczną niezbędną do napędu sprężarki. Przemiany termodynamiczne zachodzące w sprężarkowej pompie ciepła można przedstawić w formie graficznej na wykresie Molliera w postaci teoretycznego obiegu Lindego (obieg suchy). Wykres ten opisuje w sposób jednoznaczny poszczególne stany, przemiany fizyczne i termodynamiczne czynnika obiegowego w pompie ciepła. Obieg ten składa się z trzech przemian odwracalnych oraz jednej nieodwracalnej. Aby zbliżyć się do urządzenia rzeczywistego, proces rozprężania realizowany w rozprężarce w obiegu Carnota, zastąpiono przemianą izentalpowego dławienia realizowaną w zaworze dławiącym (rozprężnym), która jest przemianą nieodwracalną. Na rysunku 4 przedstawiono interpretację graficzną teoretycznego obiegu Lindego na wspomnianym wykresie. Rys. 4. Przemiany termodynamiczne na wykresie (p-h) realizowane w teoretycznym obiegu Lindego, Można z niego odczytać stan termodynamiczny czynnika obiegowego w charakterystycznych punktach obiegu oraz 155 pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła podstawowe wielkości energetyczne, a są to: h1 h2 h3 h4 qk lt – entalpia właściwa czynnika na ssaniu sprężarki, – entalpia właściwa czynnika na wejściu do skraplacza, – entalpia właściwa czynnika na wyjściu ze skraplacza, – entalpia właściwa czynnika na wejściu do parownika, – jednostkowa wydajność cieplna skraplacza, – jednostkowa teoretyczna praca sprężania. Natomiast przemiany termodynamiczne, które realizowane są w teoretycznym obiegu pompy ciepła pomiędzy charakterystycznymi punktami poszczególnych urządzeń i aparatów są następujące (porównaj rysunek 3 w punkcie 2.1): 1 – 2 – izentropowe sprężanie czynnika w sprężarce, 2 – 3 – izobaryczne skraplanie czynnika w skraplaczu połączone z oddawaniem ciepła do źródła górnego, 3 – 4 – izentalpowe dławienie cieczy czynnika w zaworze dławiącym bez wykonywania pracy zewnętrznej, 4 – 1 – izotermiczno-izobaryczne wrzenie czynnika w parowniku dzięki pobieraniu ciepła ze źródła dolnego. Pod względem energetycznym pracę pompy ciepła charakteryzuje, wspomniany wcześniej, współczynnika wydajności cieplnej lub współczynnik wydajności grzejnej (określenia równoważne) pompy ciepła, który najogólniej definiowany jest jako iloraz efektu uzyskanego podczas pracy urządzenia do kosztów poniesionych do zapewnienia jego napędu. Na podstawie analizy rysunku 4 można zdefiniować ten współczynnik w postaci zależności: (2.2) gdzie: Qk - ilość ciepła przekazywana do instalacji grzewczej, Np - ilość energii napędowej (np. praca sprężania). Z użytkowego punktu widzenia, wielkość ta określana jest również jako stosunek całkowitych strumieni energii przekazywanych w poszczególnych procesach termodynamicznych pompy ciepła: (2.3) gdzie: 156 Qk Np - pompy ciepła wydajność cieplna skraplacza w [kW], zapotrzebowanie na moc elektryczną do napędu sprężarki w [kW]. W konsekwencji bezpośrednio przekłada się ona na wskaźnik ekonomiczny określający konkurencyjność pompy ciepła w zastosowaniach użytkowych w porównaniu do innych źródeł ciepła. Co zatem ma wpływ na efektywność pracy pompy ciepła dostarczającej ciepło do ogrzewania budynku mieszkalnego? Ogólnie można stwierdzić, że są to uwarunkowania wewnętrzne i zewnętrzne jakim podlega pompa ciepła, a więc elementy składowe z jakich wykonane jest urządzenie, instalacje z nim współpracujące oraz aparaty wymiany ciepła. Im wyższa będzie efektywność działania poszczególnych elementów, tym wyższa będzie sprawność pompy ciepła. Jednak na dobór, a przez to na działanie elementów składowych pompy ciepła użytkownik nie ma wpływu. Producent pompy ciepła sam dobiera sprężarkę, wymienniki ciepła, pompy obiegowe i armaturę chłodniczą. Nie mamy żadnego wpływu na straty mechaniczne i elektryczne w sprężarce, straty hydrauliczne w instalacji chłodniczej wynikające z doboru rurociągów, czynnika chłodniczego i oleju smarnego, nie mamy również wpływu na sprawność procesów przekazywania ciepła w parowniku i skraplaczu, gdyż te w głównej mierze zależą od powierzchni wymiany ciepła, prędkości przepływu nośników ciepła i różnicy temperatur pomiędzy płynami wymieniającymi ciepło. Musimy wierzyć, że producent urządzenia tak dobrał poszczególne jego elementy, że osiągana sprawność wewnętrzna jest najwyższa z możliwych. Jednak analizując charakterystyki oferowanych obecnie pomp ciepła często można odnieść inne wrażenie. Wstyd przyznać, ale wiele oferowanych pomp ciepła jest wytworem niewystarczającej wiedzy technicznej z zakresu chłodnictwa. Bardzo często można spotkać się z opinią, że pompa ciepła, to „odwrócona lodówka”, a więc cztery elementy połączone ze sobą: sprężarka, skraplacz, zawór dławiący i parownik. Każdy może to zrobić! To nic trudnego połączyć je w jedną całość! Państwo, którzy zajmujecie się zawodowo chłodnictwem wiecie, że często okazuje się, że nie jest to takie proste, a na powodzenie przedsięwzięcia wpływ maja szczegóły, często pomijane, traktowane jako nieistotne i błahe, jak np. odpowiednio dobrane i ukształtowane przewody w instalacji pompy ciepła, odpowiednio wybrany czynnik chłodniczy i nośniki ciepła, szczególnie źródła dolnego oraz zminimalizowanie wewnętrznych oporów hydraulicznych, które mają istotny wpływ na zużycie energii elektrycznej przez pompy obiegowe. Należy zatem zadać sobie pytanie, czy użytkownik technika chłodnicza i klimatyzacyjna 4/2008 pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła ma jakiś wpływ na efektywność jej działania? Okazuje się że ma i to bardzo znaczący, poprzez parametry pracy instalacji współpracujących z tym urządzeniem. W szczególności poprzez rodzaj i wynikającą z tego wymaganą temperaturę zasilania instalacji rozprowadzenia ciepła w budynku, mówiąc inaczej, wymaganą z przyczyn konstrukcyjnych, projektowaną temperaturę zasilania instalacji c.o. budynku. Ponadto poprzez wybór rodzaju dolnego źródła ciepła, czyli miejsca skąd będzie pobierane ciepło (energia odnawialna), co ma znaczący wpływ na możliwą do uzyskania temperaturę nośnika ciepła źródła dolnego dopływającego do pompy ciepła. Analizując zależność (2.3) można zauważyć, że sprawność działania pompy ciepła zależy przede wszystkim od zużycia energii napędowej przez jej sprężarkę. Efektywność ta jest tym większa, im mniejsze jest zużycie energii napędowej, co zgodne jest z ogólnie znaną wiedzą praktyczną, że aby mniej płacić za ogrzewanie należy zminimalizować zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę pompy ciepła. Praktycznie jednak elementów konsumujących energię elektryczną jest więcej, oprócz sprężarki są to: pompy obiegowe górnego źródła ciepła (najczęściej dwie zamontowane jedna przed buforem druga za buforem w instalacji c.o.), sterownik oraz pompa obiegowa dolnego źródła ciepła. Należy pamiętać, że ten ostatni element wyposażenia pompy ciepła jest drugim co do wielkości urządzeniem konsumującym energię elektryczną (moc elektryczna pompy obiegowej dolnego źródła ciepła waha się w granicach od 180 W w pompach ciepła o wydajności ok. 9 kW, do 650 W w pompach ciepła o wydajności na poziomie 60 kW). Zgodnie z obowiązującą normą europejska EN 255 dotyczącą budowy, pomiarów cieplnych i określania parametrów znamionowych pomp ciepła, do określania współczynnika wydajności cieplnej nie bierze się pod uwagę żadnych innych odbiorników energii elektrycznej w tym urządzeniu jak tylko sprężarkę. Często zdarza się, że w katalogach współczynniki te mają bardzo duże wartości, które nie przekładają się później na rzeczywistość i eksploatację pompy ciepła. Należy z dużym dystansem poddawać analizie ekonomicznej celowość zastosowania pompy ciepła w określonej inwestycji, opierając się jedynie na danych odczytanych w katalogu producenta. Niejednokrotnie w średniej wielkości węźle cieplnym z pompami ciepła, zainstalowanych jest wiele urządzeń elektrycznych, które przyczyniają się do zwiększenia energochłonności systemu grzewczego, co znacznie obniża jego efektywność. Warto tu wspomnieć o pozyskiwaniu ciepła z wód podziemnych. W układach takich bardzo często zdarza się, że silnik elektryczny pompy głębinowej jest dużej mocy, a często ma miejsce sytuacja, że jego moc przewyższa moc elektryczną silnika sprężarki pompy ciepła, co w efekcie sprawia, że efektywność takiego systemu grzewczego kształtuje się poniżej 2 (COP<2), zatem jego zastosowanie zarówno z ekonomicznego (relacja kosztów inwestycyjnych i kosztechnika chłodnicza i klimatyzacyjna 4/2008 pompy ciepła pompy ciepła tów eksploatacyjnych), jak i ekologicznego punktu widzenia jest nieuzasadnione (szerzej o tym zagadnieniu będzie mowa w punkcie 3). Odpowiadając na wyżej zadane pytanie, można stwierdzić, że to właśnie przyszły użytkownik pompy ciepła ma największy wpływ na końcową efektywność jej działania, poprzez staranne zaprojektowanie domu, wytypowanie odpowiedniego dla niej systemu rozprowadzenia ciepła w budynku, wybranie najlepszego rodzaju dolnego źródła ciepła, no i spełnienie równie ważnego aspektu użytkowego, jakim jest poszanowanie energii cieplnej w budynku. Parametrom energetycznym budynków i instalacji grzewczych z jakimi powinny współpracować pompy ciepła poświęcony będzie punkt 5 i 6 cyklu, natomiast w dalszej części przedstawiony zostanie wpływ zmiany podstawowych parametrów (które to rzecz jasna zależą od parametrów zewnętrznych instalacji współpracujących z pompą ciepła) na efektywność działania interesującego nas urządzenia. 2.2.1. Obniżenie ciśnienia skraplania Załóżmy, że udało by się podczas użytkowania pompy ciepła obniżyć ciśnienie skraplania czynnika chłodniczego panujące w jej skraplaczu, np. poprzez obniżenie temperatury zasilania instalacji grzewczej budynku. W wyniku tego zmianie ulegają wszystkie charakterystyczne parametry obiegu chłodniczego, tak jak to pokazano na rysunku 5, 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. Rys. 5. Skutki obniżenia ciśnienia skraplania dla działania sprężarkowej pompy ciepła, gdzie (1-2-3-4-1) przemiany termodynamiczne w bazowym obiegu chłodniczym pompy ciepła z ciśnieniem skraplania pk, (1’-2’-3’4’-1’) przemiany termodynamiczne w przykładowym obiegu chłodniczym pompy ciepła z obniżonym ciśnieniem skraplania pk’ 157 pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła pompy ciepła W jaki sposób można obniżyć temperaturę zasilania instalacji grzewczej budynku? przebywających tam osób przy niskiej temperaturze pracy. Co oznacza, że system grzewczy jest w stanie zagwarantować pokrycie strat cieplnych budynku, nawet przy najniższych temperaturach zewnętrznych, przy stosunkowo niskiej temperaturze zasilania wody obiegowej w tym systemie. Taki warunek jest w stanie spełnić jedynie system ogrzewania podłogowego. Dobrze zaprojektowane i wykonane ogrzewanie podłogowe zapewnia ogrzewanie budynku już przy temperaturze zasilania nie wyższej niż +35ºC. Praktycznie oznacza to, że pompa ciepła będzie podgrzewać wodę w instalacji podłogowej do +35ºC przy najniższych obliczeniowych temperaturach zewnętrznych (dla Gdańska jest to –16ºC), natomiast, gdy temperatury powietrza zewnętrznego będą wyższe, np. –3ºC, wówczas sterownik pompy ciepła obniży temperaturę zasilania instalacji grzewczej np. do +28ºC. Tak niska temperatura zasilania instalacji ogrzewania podłogowego gwarantuje bardzo wysoką sprawność działania pompy ciepła, z uwagi na znaczące obniżenie zużytej przez sprężarkę energii eklektycznej. Ogólnie można stwierdzić, że wykorzystanie pompy ciepła do ogrzewania domu jest uzasadnione ekonomiczne tylko wówczas, gdy zastosowany zostanie w nim niskotemperaturowy system rozprowadzenia ciepła, najlepiej ogrzewanie podłogowe. Jednak przed wyborem takiego systemu ogrzewania wielu inwestorów broni się twierdząc, że ogrzewanie podłogowe powoduje między innymi: wzmożone unoszenie kurzu w pomieszczeniach, zły wpływ na zdrowie, szczególnie na puchnięcie nóg, niemożność wykończenia powierzchni podłogi elementami drewnianymi, itp. Trudno jest polemizować z nieuzasadnionymi przekonaniami przekazywanymi w formie domysłów, obaw a nie faktów. W punkcie 7 przedstawione zostaną podstawy fizyczne i podejście praktyczne do zagadnień związanych z niskotemperaturowym ogrzewaniem podłogowym. Można to zrealizować poprzez przemyślane wybranie odpowiedniego systemu grzewczego w budynku, systemu, który jest w stanie zapewnić komfort cieplny dla cdn ... Obniżenie ciśnienia skraplania od wartości pk do pk’ 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 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 skraplania jest ściśle związany z warunkami (temperaturą) przekazywania ciepła przez skraplacz do systemu źródła górnego (instalacji c.o. budynku). Na proces ten wpływ mają warunki chłodzenia tego wymiennika, a ściślej temperatura nośnika ciepła źródła górnego (zwykle wody lub rzadziej powietrza) oraz prędkość jego przepływu. Najczęściej prędkość ta jest stała z uwagi na stałą wydajność pompy obiegowej (błędnie określanej pompą cyrkulacyjną) systemu ogrzewania, która przetłacza wodę z instalacji c.o. przez skraplacz pompy ciepła. Analizując rysunek 5 zauważyć można, że obniżenie temperatury wody chłodzącej skraplacz, czyli obniżenie temperatury wody w instalacji c.o. budynku, bezpośrednio powoduje obniżenie ciśnienia panującego w skraplaczu, a w konsekwencji ma bezpośredni wpływ na zmniejszenie jednostkowej pracy sprężania (odcinek lt’ na wykresie), czyli zmniejszenie zużycia energii napędowej przez sprężarkę. 158 technika chłodnicza i klimatyzacyjna 4/2008
