envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement











pompy3Mówiąc najogólniej, pompy ciepła to urządzenia, które w odpowiedni sposób zagospodarowują energię zgromadzoną w naszym otoczeniu, przekazując ją następnie do instalacji grzewczej. Jak to się jednak dzieje, że ze środowiska o temperaturze stosunkowo niskiej można wydobyć temperaturę rzędu 60° i więcej?

Zacznijmy od tego, że w termodynamice nie istnieje dokładnie zdefiniowane pojęcie „zimna”. Wytwarzać zimno oznacza: „odprowadzać ciepło z układu, osiągając w nim temperaturę poniżej temperatury otoczenia”. Ilość ciepła konieczną do ogrzania 1 kg substancji o 1 K określa się jako ciepło właściwe lub właściwą pojemność cieplną. Ta sama ilość ciepła odebrana od 1 kg substancji spowoduje spadek jej temperatury o 1 K.

Co ma wspólnego pompa ciepła z lodówką?

Odnosząc proces przemian substancji roboczej w pompach ciepła do działania znanej wszystkim lodówki, można dostrzec wiele podobieństw. W przypadku lodówki kolejne etapy to: parowanie czynnika, a więc odebranie ciepła od produktów spożywczych, potem sprężanie par czynnika do temperatury wyższej od temperatury otoczenia (czyli wyższej niż panuje w kuchni), oddanie tego ciepła w tylnej części lodówki, czemu towarzyszy skraplanie czynnika, dławienie – zwykle na tzw. rurce kapilarnej i powrót do komory, gdzie odbierane jest ciepło od wnętrza lodówki. Ponieważ w lodówkach nie spotyka się tak intensywnych zmian temperatury w parowaczu i skraplaczu, jak w przypadku pomp ciepła, nie stosuje się tutaj zaworów rozprężnych, a jedynie proste rozwiązanie w postaci długiej, cienkiej rurki kapilarnej. Co jeszcze mają wspólnego lodówka i pompa ciepła? Obie nie lubią wysokiej temperatury w miejscu oddawania ciepła. Lodówka nie powinna być całkowicie zabudowywana (musi być zapewniony przepływ powietrza), a pompa ciepła nie powinna pracować w instalacjach wysokotemperaturowych. Wysoka temperatura substancji roboczej oznacza bowiem wysokie ciśnienie tłoczenia, a do tego potrzebna jest większa praca sprężarki, co oczywiście odpowiednio więcej kosztuje.

Termodynamika a pompy ciepła

Aby zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz pompy ciepła, warto przypomnieć sobie zasady termodynamiki:

  • I zasada termodynamiki (zasada zachowania energii) mówi, że w układzie zamkniętym energia nie może zniknąć, a jedynie może zamienić się w inną formę energii. Energia cieplna i mechaniczna są równoważne;
  • II zasada termodynamiki przekonuje natomiast, że ciepło przepływa zawsze tylko z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej, nigdy odwrotnie, gdyż potrzebny byłby do tego pewien wydatek energii.

Sformułowania te mają zasadnicze znaczenie dla procesów wykorzystywanych w pompach ciepła. W urządzeniach sprężarkowych dostarczaną energią jest praca mechaniczna, natomiast w urządzeniach absorpcyjnych – energia cieplna.
Sprężarkowa pompa ciepła to przede wszystkim cztery podstawowe elementy:

  • wymiennik do pozyskiwania ciepła z otoczenia,
  • sprężarka,
  • wymiennik do oddawania ciepła do instalacji grzewczej,
  • element rozprężny.

Urządzenie to stanowi termodynamiczny układ zamknięty, w którym w sposób ciągły krąży substancja robocza, będąca nośnikiem energii cieplnej. Podlega ona następującym po sobie przemianom termodynamicznym, tworzącym zamknięty obieg lewobieżny

Jak powstaje ciepło – przemiany substancji roboczej

Zgodnie z teorią, substancja robocza uczestniczy w procesach wymiany ciepła, pobierając ciepło podczas procesu odparowania w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu, oraz oddając ciepło przy skraplaniu następującym w odpowiednio wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu.

pompy1
1. Pompę ciepła często porównuje się do lodówki. Mają wiele wspólnego, także to, że warto je lokować w jednym pomieszczeniu. Gdy lodówka oddaje ciepło do pomieszczenia, korzysta z niego pompa ciepła

Substancje robocze to związki chemiczne, które ze względu na wysoką lotność łatwo przechodzą ze stanu ciekłego w parę i odwrotnie. Od ich właściwości zależy efektywność energetyczna urządzeń.

Kolejne fazy/etapy, przez jakie przechodzi substancja robocza wykorzystywana w pompach ciepła, można przedstawić następująco:

  • zacznijmy od wymiennika po stronie środowiska – parowacza; w nim substancja robocza ulega odparowaniu i tym samym pobiera energię;
  • jako para, substancja robocza jest zasysana przez pracującą sprężarkę, w której następuje jej sprężanie. Zmniejszeniu objętości substancji roboczej towarzyszy wzrost jej ciśnienia i temperatury – analogiczna sytuacja jak w pompce rowerowej, gdzie w czasie pompowania końcówka robi się wyraźnie cieplejsza;
  • gorąca już para substancji roboczej jest tłoczona do kolejnego wymiennika – skraplacza, gdzie oddaje swoje ciepło do wody grzewczej. Obniża się jej temperatura i substancja robocza ostatecznie ulega skropleniu, niemal bez zmiany ciśnienia;
  • skroplona substancja robocza kierowana jest teraz na element rozprężny, którego zadaniem jest zdławienie przepływu i rozprężenie. Pod dużym ciśnieniem (sprężania) naciskana jest na niewielki otwór, tzw. dyszę rozprężną, przy czym po stronie wtórnej dyszy panuje ciśnienie ssania sprężarki – następuje wówczas rozprężenie substancji roboczej oraz gwałtowny spadek jej temperatury. Ten spadek jest na tyle duży, że substancja robocza osiąga temperaturę niższą niż środowisko, a więc znów może pobrać energię podczas odparowania… i cały proces zaczyna się od początku.
pompy2 pompy3
2. Jeden z najnowszych modeli pompy ciepła typu powietrze/woda do c.o. i c.w.u. 3. Pompa ciepła powietrze/woda do c.o. i c.w.u. do zabudowy wewnętrznej

Sprężarka – serce pompy ciepła

O sprężarce często mówi się „serce” układu chłodniczego. Za jej pośrednictwem doprowadzana jest energia konieczna do realizacji obiegu. Sprężarka zasysa parę czynnika ziębniczego z parownika i spręża do takiego ciśnienia, którego temperatura nasycenia umożliwia odprowadzenie ciepła skraplania do instalacji grzewczej. Najczęściej stosowane w pompach ciepła sprężarki to modele rotacyjne. Czynnik chłodniczy jest w nich zasysany i sprężany dzięki obrotowemu ruchowi tłoka (wirnika) w cylindrze. W pompach ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także w jednostkach zewnętrznych pomp ciepła typu Split stosuje się zwykle sprężarki rotacyjne, łopatkowe. Charakteryzują się one:

  • spokojną pracą,
  • wysokim stopniem dostarczenia,
  • ciągłym strumieniem dostarczanej sprężonej pary,
  • małymi wymiarami i niewielkim ciężarem.
pompy4
4. Budowa pompy ciepła do dużych mocy typu solanka/woda, współpracującej z systemem c.o. i c.w.u.

Sprężarka taka, podobnie jak śrubowa, wymaga dużej dokładności wykonania. Ponadto, aby zapewnić jej wewnętrzne uszczelnienie, wymagany jest znaczny przepływ oleju. W pompach ciepła typu solanka/woda, o mocy mniejszej niż 100 kW, stosuje się sprężarki rotacyjne, spiralne, a w pompach większej mocy – zwykle sprężarki rotacyjne, śrubowe.

Sprężarki do mniejszych mocy
Sprężarki rotacyjne, spiralne (rys. 5) przeważnie mają budowę pionową z usytuowaniem zespołu sprężającego na górze, a silnika – na dole. Część producentów zapewnia szczelność obwodową segmentów tych urządzeń przez zachowanie stałych, minimalnych luzów promieniowych, co osiąga się dzięki ekstremalnie dokładnej obróbce elementów i dokładnemu wypełnieniu szczeliny cienką warstewką oleju. W efekcie na powierzchni styku nie ma tarcia i uzyskuje się wysoką trwałość zespołu. W sprężarkach o budowie pionowej stosuje się smarowanie bezciśnieniowe, przy wykorzystaniu sił odśrodkowych w elementach wirujących sprężarki oraz kanałów doprowadzających. Do zasysania oleju przystosowana jest zwykle – dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu – końcówka wału zanurzona w wannie olejowej sprężarki. W takim obiegu uzyskuje się niewielkie ciśnienie, do 0,1 bara.

 

Wymagania doboru wymienników do pomp ciepła
Wymienniki ciepłą mają istotny wpływ na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne pompy ciepła. Wartość współczynników wydajności grzejnej pompy, od których zależy bezpośrednio zużycie energii napędowej, jest funkcją temperatury parowania i skraplania czynnika roboczego. Konieczne jest zatem dobieranie wymienników o takiej powierzchni, która umożliwi utrzymanie możliwie małej różnicy między temperaturą parowania i skraplania. W praktyce różnica ta wynosi w przypadku powietrza jako czynnika  roboczego: 5-7 K, a w przypadku wodnychroztworów glikoli 3-4 K, co wymaga instalowania wymienników o sporej powierzchni. Należy również dobierać takie wymienniki, które utrudniają powstawanie osadów na powierzchni wymiany ciepła oraz mają małe opory przepływu.

Regulacja wydajności sprężarki

W sprężarkach spiralnych stosuje się w tym celu dwa różne rozwiązania. Oba zapewniają szeroki zakres regulacji, jednak nie są równie przyjazne sprawności technicznej i trwałości urządzeń.

Regulacja ciągła wydajności przez zmianę obrotów sprężarki
Ten sposób regulacji umożliwiają przetwornice częstotliwości. Dzięki nim można regulować prędkość obrotową sprężarki w zakresie od 20 do 100%, ale w niektórych przypadkach generuje to pewne problemy. Przy obniżonych obrotach zmniejsza się strumień masowy czynnika w obiegu, co może powodować trudności z powrotem oleju do sprężarki, jak też z zapewnieniem dostatecznego chłodzenia silnika. W związku z tym, że sprężarki spiralne na ogół nie mają ciśnieniowych układów smarowania, to po obniżeniu prędkości obrotowej obniża się intensywność dostarczania oleju, który również spełnia funkcję uszczelniania miejsc styku segmentów spiralnych. Aby zapewnić minimalny luz w szczelinie stykowej spirali sprężarki, wykorzystywane są odpowiednio dobrane promieniowe siły odśrodkowe i prędkości względne między powierzchniami styku segmentów ruchomego i nieruchomego, ściśle związane z prędkością obrotową sprężarki. Nadmierne obniżanie prędkości obrotowej wpływa negatywnie zarówno na efektywność działania sprężarki, jak i na jej niezawodność i trwałość.

pompy5
5. Sprężarka rotacyjna, spiralna o budowie pionowej. Zespół sprężający jest usytuowany na górze, a silnik – na dole

Regulacja wydajnościowa typu Digital Scroll

W tym sposobie regulacji wykorzystuje się zabezpieczenie sprężarki przed uderzeniem hydraulicznym, lecz odpowiednio zmodyfikowane. W osi spirali umieszcza się dodatkowo tłok sterujący, którego zadaniem jest pośrednie regulowanie docisku spirali ruchomej do nieruchomej. Przestrzeń nad tłokiem sterującym łączy się dodatkowym przewodem z króćcem ssawnym sprężarki. Zawór elektromagnetyczny umieszczony na tym przewodzie umożliwia odcinanie tego połączenia. Jak zatem w szczegółach funkcjonuje to rozwiązanie?
Gdy zawór elektromagnetyczny jest zamknięty, wówczas ciśnienie po obu stronach tłoka zostaje wyrównane (do ciśnienia tłoczenia) poprzez dyszę, która się w nim znajduje. Tłok zajmuje położenie dolne i zapewnia utrzymanie spiral w normalnym położeniu roboczym. Szczelina osiowa między spiralami jest szczelnie zamknięta i sprężarka pracuje z pełną wydajnością. Natomiast gdy zawór elektromagnetyczny zostaje otwarty, ciśnienie nad tłokiem spada, zawór podnosi się, powodując uwolnienie spirali górnej od nacisku od góry. Spirala unosi się o około 1 mm, a pomiędzy płaszczyznami czołowymi obu spiral powstaje szczelina osiowa, przez którą sprężony czynnik ulatnia się na stronę ssawną sprężarki. Po chwili zespół przestaje zasysać i przetłacza czynnik. Wydajność sprężarki wynosi 0. Regulując czasami otwarcia i zamknięcia elektrozaworu, można ustawiać wydajność sprężarki w zakresie od 10 do 100%.

Ekonomizer – wtrysk gorącego gazu

Rozwiązaniem, które w znaczny sposób poprawia efektywność i bezpieczeństwo pracy pomp ciepła typu powietrze/woda jest tzw. ekonomizer – tzw. cykl EVI (z ang. Enhanced Vaporized Injection). Jego korzystne działanie ujawnia się szczególnie przy niskiej temperaturze otoczenia. W takich warunkach spada ciśnienie ssania sprężarki, czyli zmniejsza się strumień czynnika i tym samym rośnie udział ciepła wydzielanego przez silnik sprężarki, co powoduje nadmierną temperaturę końca tłoczenia, niebezpieczną dla sprężarki, czynnika i oleju. Wtrysk gorącego gazu zapewnia wówczas chłodzenie sprężanej pary, a tym samym – bezpieczny poziom temperatury tłoczenia. Ponadto cykl EVI zmniejsza obciążenie sprężarki przez ograniczenie straty dławienia na zaworze rozprężnym (brak zapychania zaworu mieszaniną ciecz-para, jest tylko sama ciecz). Studzenie spiral sprężarki przynosi wzrost wydajności skokowej sprężarki, a więc zwiększenie strumienia czynnika termodynamicznego tłoczonego przez sprężarkę, czyli ilości energii dostarczanej do instalacji grzewczej. Jednocześnie powoduje zmniejszenie wydatku pracy sprężarki, a zatem zmniejszenie zapotrzebowania na moc napędową, więc i pobór energii elektrycznej, przy zachowaniustałej wydajności grzewczej. Dzięki temu pompy ciepła powietrze/woda z cyklem EVI charakteryzują się nie tylko wysoką efektywnością, ale też ekstremalnie wysoką trwałością (rys. 6).

Skraplacze w pompach ciepła

Są to wymienniki, w których ciepło przegrzania i skraplania pary czynnika roboczego przekazywane jest do instalacji grzewczej. Najczęściej spotykane w pompach ciepła są skraplacze płytowe. W tych urządzeniach pole powierzchni wymiany ciepła jest rozwinięte dzięki wykorzystaniu dużej liczby cienkich, wytłaczanych płyt, które są sprasowane w jeden pakiet i tworzą system wąskich szczelin. Właśnie przez te szczeliny przepływają czynniki wymieniające ciepło. Zwykle w pompach ciepła małej mocy płyty wymiennika łączone są ze sobą w sposób nierozbieralny (lutowanie lub spawanie). Są to wymienniki ciepła o wyjątkowo korzystnych charakterystykach cieplno-przepływowych, odznaczające się:

  • bardzo zwartą konstrukcją,
  • dużymi współczynnikami przenikania ciepła,
  • małą podatnością na wytrącanie się zanieczyszczeń (dzięki wyeliminowaniu przepływu laminarnego).

Dodatkową korzystną cechą opisywanych wymienników jest prosta technologia wytwarzania, gdyż ich podstawowym elementem są typowe płyty. Każda płyta wykonywana jest najczęściej ze stali nierdzewnej lub tytanu, ma tłoczone mechanicznie lub żłobione chemicznie korytkowe kanały o bardzo zróżnicowanym kształcie i przebiegu. Czynnik roboczy i nośnik ciepła przepływają między płytami przemiennie. Układ przepływu może być przeciw- lub współprądowy.

Parowacze a skraplacze

Parowacze to, podobnie jak skraplacze, wymienniki ciepła, z tym że ich zadaniem jest pozyskiwanie ciepła ze źródła niskotemperaturowego i przekazywanie go do wrzącego czynnika roboczego. Głównymi kryteriami klasyfikacji parowaczy pomp ciepła są:

  • rodzaj nośnika ciepła – może to być czynnik ziębniczy, woda i wodne roztworzy glikoli lub powietrze;
  • rodzaj konstrukcji parowacza – w tym zakresie rozróżnia się parowacze rurowe, płaszczoworurowe, płytowe i spiralne.

Rozwiązania konstrukcyjne parowaczy płytowych i spiralnych są identyczne jak skraplaczy. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła niskotemperaturowego jest powietrze, konstrukcja parowacza jest zbliżona do konstrukcji skraplacza przeznaczonego do podgrzewania powietrza. Stanowi wtedy zespół poziomych, lamelowanych rur, wewnątrz których wrze czynnik roboczy. Ze względu na to, że w parowaczu następuje osuszanie powietrza, a przy temperaturze powierzchni niższej niż 0°C powstaje szron, podziałka żeber wynosi 2-7 mm (i jest większa niż w skraplaczach). W takim parowaczu rurki, w których odparowuje czynnik, muszą być połączone równolegle i muszą być równomiernie zasilane czynnikiem. Zapewnia to specjalny rozdzielacz umieszczony za termostatycznym zaworem rozprężnym. Ponadto, rury muszą być tak połączone, aby czynnik chłodniczy przepływał współprądowo lub przeciwprądowo w stosunku do powietrza.

Współczynnik przenikania ciepła w parowaczach jest od 10 do 15 razy większy niż w skraplaczach, lecz dotyczy to parowaczy o temperaturze powierzchni wyższej niż 0°C. W przypadku oszronienia powierzchni, rosną opory cieplne i maleje współczynnik przenikania ciepła, dlatego też co jakiś czas realizowany jest proces odmrażania wymiennika.

pompy6 pompy7
6. Schemat pracy przy zastosowaniu cyklu EVI 7. Schemat pracy przy zastosowaniu wymiennika regeneracyjnego

Wymienniki regeneracyjne

Podczas przemiany dławienia skroplonej substancji roboczej następuje ekspansja czynnika, bez wykonywania pracy zewnętrznej. W praktyce realizowane są obiegi suche, w których sprężarka zasysa parę suchą nasyconą lub przegrzaną, a sprężanie zachodzi w obszarze przegrzania. Zastosowanie zaworu rozprężnego powoduje zmniejszenie jednostkowej wydajności chłodniczej, a zatem również współczynnika wydajności chłodniczej.
Te straty można jednak wyrównać przez dochładzanie cieczy nasyconej czynnika przed zaworem dławiącym, co w praktyce jest realizowane w niektórych typach skraplaczy albo w oddzielnym wymienniku ciepła zwanym dochładzaczem lub wymiennikiem regeneracyjnym (rys. 7). Jak to się odbywa? – Ciekły czynnik wychodzący ze skraplacza jest dochładzany za pomocą zimnej pary z parownika. Następuje przy tym przegrzewanie tej pary i w rezultacie sprężarka zasysa nie parę nasyconą suchą, lecz parę przegrzaną. Równość zmian entalpii nie oznacza, ze zmiany temperatury pary i ciekłego czynnika też są równe. Ciepło właściwe pary czynnika jest mniejsze niż ciepło właściwe czynnika ciekłego. Przyrost temperatury pary jest odpowiednio większy niż spadek temperatury cieczy. Zastosowanie regeneracyjnego wymiennika ciepła powoduje, że jednostkowa wydajność chłodnicza w obiegu jest o około 4-5% wyższa.

Efektywność i normy

Jednym z najważniejszych parametrów opisujących pompy ciepła jest współczynnik efektywności, który obliczany jest jako stosunek wydajności grzania do mocy efektywnej (energii elektrycznej) pobieranej przez dane urządzenie. Współczynnik wydajności grzewczej COP (ang. Coefficient of Performance) wyznacza się eksperymentalnie w laboratorium, zgodnie z normami. Obowiązująca na dzień dzisiejszy norma dla pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej to PN EN 14511, natomiast dla pomp ciepła tylko do przygotowania ciepłej wody użytkowej to PN EN 16147. Na rynku dostępnych jest kilka typów pomp ciepła. Jak wspomniałem, z reguły różnią się one sposobem pozyskiwania ciepła ze środowiska. Każde z tych rozwiązań ma swoje mocniejsze i słabsze strony, ale wymaga też innego sposobu doboru. I to właśnie będzie przedmiotem kolejnych artykułów w ramach Warsztatów instalatora OZE.

Autor: Dawid Pantera

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki SGGiK – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników. W ramach cyklu zaprezentowaliśmy już tematykę kolektorów słonecznych i małych instalacji fotowoltaicznych. Teraz, korzystając z wiedzy fachowców z Akademii Viessmann oraz PORT PC, startujemy z pompami ciepła.


 

pi