Wydajność grzejna pomp ciepła.pdf

Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej pomp ciepła.

W Polsce problem znalezienia tanich sposobów ogrzewania pomieszczeń jest szczególnie ważny

społecznie. Większość społeczeństwa jest mało zamożna, energia elektryczna jest najdroższa w Europie

w stosunku do dochodów ludności, a popularne ceny surowców energetycznych, typu węgiel czy gaz rosną

w szybkim tempie.

W tej sytuacji coraz większą popularność zdobywają różne, alternatywne sposoby ogrzewania

pomieszczeń. Nie wszystkie z nich dają oszczędności, a przykład stosowania pomp ciepła, wręcz

odwrotnie - wydatki związane z inwestycją są tak duże, że stosunkowo nieduże oszczędności w

wydatkach spłacą się nierzadko po 100 latach.

Co gorsza, pompy ciepła mające duża reklamę na rynku, niestety wprowadzającą potencjalnych

użytkowników w błąd, szczególnie w zakresie ich wydajności grzewczej.

Aspekt ekologiczny stosowania pomp ciepła też nie powinien być propagowany.

Wystarczy zauważyć, że Unia Europejska nie kwalifikuje pomp ciepła do odnawialnych źródeł energii.

Pompa ciepła czerpiąc energię ze źródła odnawialnego wprawdzie sama nie emituje szkodliwych

związków jednak potrzebuje do napędu energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce w elektrowniach

cieplnych -węglowych. Dodatkowo energia elektryczna jest nośnikiem najdroższym spośród tradycyjnych.

Dodatni efekt energetyczny użytkowania sprężarkowych pomp ciepła, napędzanych energią z krajowego

systemu elektroenergetycznego, po uwzględnieniu skumulowanej sprawności wytwarzania i przesyłu

energii elektrycznej, wymaga osiągnięcia współczynnika wydajności grzejnej na poziomie ok. 3,5-4,0 [1].

Najpopularniejszym systemem użytkowania sprężarkowych pomp ciepła są układy z wymiennikiem

gruntowym jako źródłem niskotemperaturowym. Natomiast nośnik ciepła - woda instalacyjna (na

potrzeby centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej) podgrzewany jest zwykle do

(50+55)°C. W takich rozwiązaniach rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej w warunkach

eksploatacyjnych rzadko przekracza wartość 3,0.

Niezwykle ważne badania przeprowadziły równolegle zespoły badawcze Politechnik Gdańskiej oraz

SGGW.

Oto skrót wyników.

"Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest

podniesienie temperatury dolnego źródła ciepła lub obniżenie temperatury górnego źródła. Wówczas

zgodnie z zależnością dla obiegu porównawczego Carnota następuje wzrost współczynnika wydajności

grzejnej. Parametry konstrukcyjno - regulacyjne każdej pompy ciepła są zaprojektowane do określonego

zakresu temperatury źródła i odbiornika. Zmiana tego zakresu bez ingerencji w te parametry może

skutkować obniżeniem doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego.

Badania eksperymentalne prowadzone równolegle na Politechnice Gdańskiej i SGGW w Warszawie

wykazały, że dla sprężarkowych pomp ciepła pracujących z fabrycznymi nastawami (czynnik R22), przy

wzroście poziomu temperatury dolnego źródła z 3°C do 30°C (temperatura górnego źródła na poziomie

50°C) współczynnik wydajności grzejnej osiąga wartość wyższą o 13% , a przy spadku poziomu

temperatury górnego źródła z 56°C do 35°C (temperatura dolnego źródła na poziomie 10°C)

współczynnik wzrasta o 26 % . "

Dla porównania proszę zwrócić uwagę na sławną już książkę Wojciecha Oszczaka "Jak taniej ogrzać dom",

gdzie sprawności pomp ciepła dochodzi do 7.

Teoretyczne zwiększenie wartości współczynnika następuje, gdy wzrasta temperatura źródła dolnego lub

obniża się temperatura źródła górnego - odbiornika, co wynika, z zależności występujących w

teoretycznym lewobieżnym obiegu Carnota, który jest dla uproszczenia przyjmowany za porównawczy dla

sprężarkowych pomp ciepła. Współczynnik efektywności energetycznej tego obiegu opisany jest

zależnością:

Cel, obiekt i metoda badań

Celem badań prowadzonych równolegle w Katedrze Podstaw Inżynierii SGGW oraz w Katedrze Techniki

Cieplnej Politechniki Gdańskiej było określenie wpływu poziomu temperatury źródła ciepła dolnego

(nazywanego dalej po prostu źródłem) i górnego (nazywanego dalej odbiornikiem) na współczynnik

wydajności grzejnej i współczynnik doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego dwu

wybranych sprężarkowych pomp ciepła.

Badania przeprowadzono metodą eksperymentalną, przyjęto przy tym, że nie dokonuje się zmian w

fabrycznych ustawieniach w układzie automatycznej regulacji urządzeń.

Badaniom poddano dwie pompy ciepła różnych producentów o zbliżonych nominalnych mocach grzejnych

(kilkanaście kW). Pompę o nieco mniejszej mocy oznaczono jako PC-1, zaś drugą jako PC-2. Obiekt PC-1

badano przy różnych wartościach temperatury źródła ciepła, natomiast PC-2 - przy różnych wartościach

temperatury odbiornika ciepła. Ponadto pompę PC-1 badano w warunkach eksploatacyjnych wyznaczając

dobowe współczynniki wydajności grzejnej i chłodniczej.

Badane pompy ciepła przewidziane są do pracy np. w charakterze monowaletnego źródła ciepła dla

typowego domu jednorodzinnego. Oba urządzenia pracowały z wykorzystaniem czynnika R22 w obiegu z

dochłodzeniem, a w układzie automatycznej regulacji zastosowano termostatyczny zawór rozprężny. W

pierwszym z nich wbudowano wymienniki płytowe natomiast w drugim wymienniki płaszczowo - rurowe.

Obie pompy ciepła zostały zainstalowane w układzie woda/woda. Zmiany temperatury źródła dla wartości

powyżej +10°C uzyskiwano w zbiorniku - akumulatorze o objętości 2000 dm3 wyposażonym w zasilanie

cieplne z termostatem. Zmiany temperatury źródła w niższym zakresie osiągano wykorzystując

wymiennik gruntowy, albo wodę z wodociągu. Zmiany temperatury odbiornika realizowano w ten sposób,

że wymuszony przepływ wody grzejnej odbywał się w układzie zamkniętym utworzonym przez skraplacz

pompy ciepła oraz dodatkowy wymiennik ciepła.

Pomiaru mocy elektrycznej pobieranej przez napęd sprężarki pompy ciepła dokonywano za pomocą

trójfazowego licznika energii typu 4C52dg, wyposażonego w impulsator (600 impulsów na 1 kWh) i za

pomocą laboratoryjnych watomierzy typu LW 1.

Strumienie entalpii wody dopływającej i odpływającej do i ze skraplacza oraz parownika, wyznaczano

mierząc objętościowy strumień wody oraz jego temperaturę. Strumień objętościowy wody wyznaczano

wg wskazań przepływomierza lub wodomierza. Wodomierze są wyposażone w impulsatory (1 impuls na

2,5 dm3). Temperaturę wody mierzono laboratoryjnymi termometrami rtęciowymi oraz scalonymi

czujnikami temperatury LM 335 o odpowiednio dobranych zakresach pomiarowych, (podstawowy zakres

pomiarowy 0-50 °C). Działka elementarna każdego termometru wynosiła 0,1 K.

Króćce wlotowe i wylotowe czynnika R22 do parownika i ze skraplacza zostały także wyposażone w

czujniki temperatury w celu określenia rozkładu temperatury w obiegu termodynamicznym.

Wszystkie urządzenia pomiarowe pozwalały na zapisywanie wskazań na komputerowej karcie pomiarowej

PCL 818 i PCL 836 firmy Advantech.

Podczas badania energetycznego po wybraniu zadanego zakresu temperatury źródła i odbiornika cały

układ badawczy obejmujący parownik i skraplacz wraz z układem stabilizacji temperatury źródła i

odbiornika doprowadzano do stanu równowagi termodynamicznej. Dopiero wówczas dokonywano

właściwych pomiarów. Pomiary dla każdego wybranego zakresu działania pompy ciepła trwały co

najmniej 1 godz., zaś odczytu odpowiednich wielkości dokonywano w ustalonych uprzednio odstępach

czasu - co kilka minut.

Cykl badań wpływu wartości temperatury źródła na parametry energetyczne pompy ciepła [3]

zrealizowano w zakresie temperatury wody na wlocie do parownika (3,0 - 32,0)°C - łącznie 25 serii

pomiarowych. Jednocześnie podczas badań temperatura wody na dolocie do skraplacza wynosiła (40,0 -

44,0)°C, a na wylocie uzyskiwano (50,0 - 52,2)°C.

W cyklu badań wpływu wartości temperatury odbiornika ciepła na parametry energetyczne pompy ciepła

wykonano 27 serii pomiarowych ustawiając temperaturę wody wylotowej w obiegu grzewczym skraplacza

w zakresie (34,5 - 56,5)°C. W pierwszej części badań obejmującej 15 serii pomiarowych temperatura

wody zasilającej parownik wynosiła (7 - 8) °C, a w drugiej części obejmującej 12 serii ok. 10°C.

Próby wykonane w warunkach eksploatacyjnych prowadziły do wyznaczenia współczynników wydajności

grzejnej i chłodniczej w bilansie dobowym, gdy pompa ciepła PC-1 zasilała system ciepłej wody

użytkowej korzystając z pionowego wymiennika gruntowego.

Wyniki badań

Rozkład temperatury w obiegu czynnika R22

Najniższą temperaturą czynnika zmierzoną w obiegu termodynamicznym na powierzchni rurociągu jest

temperatura na wlocie do parownika Tp' i może być ona utożsamiana z temperaturą odparowania Tp.

Znajomość zależności temperatury odparowania czynnika od temperatury źródła Tźrd (na dolocie do

wymiennika) umożliwia ocenę stopnia doskonałości energetycznej rzeczywistego obiegu

termodynamicznego pompy ciepła.

Rysunek 1 przedstawia uzyskany przebieg tej zależności dla obiektu PC-1. Wysoki współczynnik

determinacji R=0,99 wskazuje, że wpływ innych parametrów w tym temperatury odbiornika Todw(na

wylocie z wymiennika) jest w badanym zakresie mało istotny.

Rozkład temperatury czynnika R22 i wody podgrzewanej w skraplaczu okazał się podobny podczas

wszystkich przeprowadzonych serii pomiarowych. Pomiary wykazały, że temperatura czynnika i wody

grzejnej opuszczającej skraplacz nie różnią się więcej niż o 2,6 K. Można więc wnioskować, że średnia

arytmetyczna wartość ich temperatury jest zbliżona do temperatury skraplania czynnika TĄ, przy której

następuje oddawanie energii w wymienniku.

Moc grzejna pompy ciepła

Moc grzejna sprężarkowej pompy ciepła określana jest na podstawie strumienia energii odprowadzanej

ze skraplacza. Dla obiektu PC-1 wyznaczono przebieg mocy grzejnej Pg w zależności od temperatury

dolotowej wody do parownika (Rys. 2). Podczas tych badań temperatura wody na wylocie ze skraplacza

wynosiła (50,0 + 52,2) °C.

Wyniki badań wskazują, że wraz ze wzrostem temperatury źródła od 3 do 32°C moc grzejna wzrasta od

8,8 do 15,3 kW. Zależność ta opisana jest funkcją :

Przy czym w warunkach niewielkiej zmienności temperatury odbiornika zależność ta charakteryzuje się

wysokim współczynnikiem determinacji wynoszącym R=0,976.

Dla drugiej z badanych pomp ciepła PC-2 wyznaczono przebieg mocy grzewczej w zależności od

temperatury wylotowej wody w obiegu grzewczym skraplacza Todw (rys. 3). Opis uzyskanych wyników

funkcją :

wskazuje na istnienie związku pomiędzy tymi wielkościami, ale pomimo ograniczania w kolejnych

próbach zmienności innych wymuszeń zewnętrznych (np. temperatury źródła do zakresu 7 + 10°C)

istotność tego związku nie jest znacząca.

Moc grzejna badanej pompy ciepła dla zakresu temperatury końcowej podgrzewu wody (34-M-9)"C nie

wykazuje wyraźnego kierunku zmian. Natomiast po przekroczeniu 49°C spada z poziomu 14,0 kW do 12,5

kW dla temperatury podgrzewu ponad 55°C.

Moc pobierana przez napęd sprężarki

Napęd sprężarki w badanych pompach ciepła stanowi trójfazowy silnik asynchroniczny. Pomiary mocy

pobieranej w okresach pracy ustalonej przez silnik Pei wykonano w zależności od temperatury źródła dla

obiektu PC-1 (lys. 2) oraz w zależności od temperatury odbiornika dla obiektu PC-2 (lys. 3). Badania

obiektu PC 1 wykazały że, moc silnika jest najniższa dla granicznej temperatury źródła 3°C i wynosi

wówczas niespełna 2,50 kW, a najwyższą wartość 3.95 kW uzyskano dla górnej granicy temperatury

dolnego źródła równej 32,0°C. Wzrost temperatuiy tego źródła wymusza zwiększony pobór mocy zgodnie

z zależnością :

Wysoki współczynnik determinacji tej zależności wskazuje, że dla ustabilizowanych wartości temperatury

wody odbierającej ciepło o energochłonności napędu sprężarki decyduje tylko temperatura źródła.

Pobór mocy przez silnik napędowy jest także silnie skorelowany z temperaturą końcową odbiornika w

warunkach niewielkiej zmienności temperatury źródła ciepła. W badaniach obiektu PC-2 wzrost poziomu

temperatury odbiornika z 34,5°C do 56,5°C wywołał zwiększenie poboru mocy przez silnik z 3,50 do 4,10

kW.

Współczynnik wydajności grzejnej i doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego

sprężarkowych pomp ciepła.

Na rysunku 4 przedstawiono w zależności od temperatury źródła przebieg wartości współczynnika

wydajności grzejnej pompy ciepła PC-1, obliczonego jako stosunek Pg do Pel. Wartość współczynnika dla

temperatury źródła równej 10°C, przyjmowanej za nominalną w wymiennikach gruntowych, wynosi 3,54 i

wzrasta wraz z jej podnoszeniem, osiągając dla 30°C wartość 3,92. Dla skrajnej dopuszczalnej nastawami

fabrycznymi temperatury źródła wynoszącej 3"C współczynnik wydajności grzejnej maleje do wartości

3,48.

Na rysunku 5 przedstawiono przebieg współczynnika wydajności grzejnej pompy ciepła PC-2 w zależności

od temperatury odbiornika dla temperatury źródła stabilizowanej na poziomie (7-10)C. Jego wartość dla

temperatury odbiornika równej 50C, przyjmowanej za nominalną według normy EN 255 [4], wynosi 3,38 i

spada do 3,10 w warunkach wzrostu temperatury odbiornika do dopuszczalnej granicy 56°C. Z kolei

obniżenie poziomu temperatury odbiornika na wylocie ze skraplacza do 35°C wywołuje wzrost

współczynnika wydajności do 3,90.

Korzystając z eksperymentalnie wyznaczonych zależności temperatury skraplania Tsk i odparowania Tp,

czynnika oraz mocy grzewczej Pg i mocy pobieranej przez napęd sprężarki Pel od temperatury źródła

ciepła Tźrd i odbiornika ciepła Todw obliczono współczynnik doskonałości obiegu rzeczywistego:

Z wyników przedstawionych dla obiektu PC-1 na rysunku 4 można wnioskować, że dla danej konstrukcji

pompy ciepła, wzrost temperatury źródła powyżej poziomu przewidywanego przez producenta za

nominalny i związanego z określoną nastawą zaworu rozprężnego obniża stopień doskonałości

energetycznej obiegu termodynamicznego tej pompy. W cyklu badań dla warunków temperaturowych

źródło / odbiornik: 10/50°C wyznaczono współczynnik doskonałości wynoszący 0,455, natomiast dla

warunków 30/50°C tylko 0,386.

Z kolei wyniki dla obiektu PC-2 przedstawione na rysunku 5 wskazują, że obniżenie temperatury nośnika

ciepła, na poziomie odbiornika, stosowane w celu poprawy efektywności pracy pompy ciepła, także

wpływa na pogorszenie stopnia doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego. Podczas badań

dla warunków temperaturowych 10/50°C współczynnik doskonałości osiągnął wartość 0,495, natomiast

dla warunków 10/35C wyznaczono jego wartość jako 0,425.

Wyniki badań eksploatacyjnych

Pompa ciepła PC-1 została zainstalowana w systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej, gdzie

pracuje w sposób zdeterminowany harmonogramem rozbioru wody oraz algorytmem automatycznego

sterowania. Zasadniczym trybem jest cykliczny dogrzew trwający od kilku do kilkunastu minut zależnie

od intensywności poboru wody oraz strat ciepła ze zbiorników i rurociągów.

Dłuższe okresy ciągłej pracy urządzenia dochodzące do kilkudziesięciu minut występują podczas

porannych i wieczornych szczytów obciążenia systemu.

W cyklu badań eksploatacyjnych dokonano, na podstawie zarejestrowanych danych pomiarowych,

zestawienia dobowych sum strumieni energii (tabela 1). Podano także wynikające z nich

wartości współczynników wydajności chłodniczej oraz grzejnej.

W tym przypadku energia pobierana z sieci do napędu urządzenia obejmuje sprężarkę oraz osprzęt

(głównie pompy wodne). Temperaturę źródła obliczono jako wartość średnią ważoną dla okresów

włączenia sprężarki.

Zestawienie wartości parametrów energetycznych pompy ciepła w ujęciu dobowym dowodzi, że jej

efektywność w warunkach eksploatacyjnych zależy od poziomu temperatury źródła. Jednak w zakresie

zmienności temperatur występujących w wymienniku gruntowym pionowym w ciągu roku różnice w

osiąganych wartościach współczynników wydajności grzejnej są niewielkie.

Uzyskanie wartości współczynnika ponad 3,0 w warunkach temperaturowych 10/50 °C uwzględniając

rzeczywisty tryb pracy pompy ciepła w systemie ciepłej wody użytkowej jest mało prawdopodobne.

Tabela 1. Zestawienie dobowych parametrów energetycznych pompy ciepła

Data

Średnia

temperatura

źródła, C

Energia

pobrana z

sieci, kWh

Energia

oddana przez

skraplacz, MJ

Energia

pobrana

przez

parownik, MJ

Współczynnik

wydajności

chłodniczej

Współczynnik

wydajności

grzewczej

12.10

6,7

27,70

253,4

183,8

1,84

2,54

26.04

8,4

27,68

266,3

191,9

1,92

2,67

01.01

8,6

25,24

216,6

166,0

1,83

2,39

14.05

9,5

40,69

375,8

305,9

2,09

2,57

22.10

10,1

26,85

250,2

196,5

2,03

2,59

11.05

10,3

28,76

260,7

205,5

1,98

2,52

28.09

11,1

15,70

149,4

118,4

2,10

2,64

24.08

11,5

24,27

251,7

187,6

2,15

2,87

11.10

12,6

24,79

263,8

201,3

2,25

2,96

Podsumowanie

Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest