Zarys aktualnego stanu wiedzy w zakresie powietrznych wysokotemperaturowych pomp ciepła
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 02.03.2016

W artykule przedstawiono przegląd najważniejszych problemów, związanych z projektowaniem, doborem i eksploatacją współczesnych powietrznych, wysokotemperaturowych pomp ciepła typu powietrze/woda. Zwrócono uwagę na takie zagadnienia, jak: defi nicja pompy ciepła, określenie udziału pompy ciepła w poborze energii ze źródeł odnawialnych (OZE), preferencje w doborze obiegu porównawczego dla pomp wysokotemperaturowych oraz, aktualny obecnie, problem wyboru czynników chłodniczych stosowanych w tych pompach.

 

 

„Siłą napędową” procesu przenoszenia energii za pomocą ciepła jest różnica temperatury dwóch układów. W przypadku  pokazanym na rysunku 1a następuje samorzutny przekaz energii w ilości Q z układu o temperaturze Tg do układu Td. Transport energii będzie realizowany we wskazanym kierunku tak długo, jak długo będzie istniała różnica temperatury Wykonanie procesu w kierunku odwrotnym, tzn. od układu o temperaturze Td do układu o temperaturze Tg nie jest możliwe w sposób samorzutny. Taka realizacja transportu energii jest zaprzeczeniem drugiej zasady termodynamiki, która w werbalnym sformułowaniu R. Clausiusa uzyskuje brzmienie: „Ciepło nie może samorzutnie przejść od ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej” – rysunek 1b. Realizacja zmiany kierunku transportu energii wymaga dostarczenia z otoczenia energii napędowej En – rysunek 1 c.

 

 

2016 3 40 1

Rys. 1. Transport energii za pomocą ciepła między układami o temperaturze Tg i Td (gdy Tg > Td); a) samorzutny transport ciepła; b) samorzutny przepływ w kierunku odwrotnym jest niemożliwy; c) transport ciepła „wymuszony” działaniem pompy ciepła

 

 

Między dwa źródła ciepła zainstalowano maszynę cieplną roboczą, do której doprowadzana jest z otoczenia energia napędowa En. Następuje „wymuszenie” transportu ciepła ze źródła niskotemperaturowego Td do źródła o temperaturze wyższej Tg. Jeżeli efektem użytecznym tej cieplnej maszyny roboczej jest ciepło Qg dostarczane do źródła o temperaturze Tg, zaś energię napędową doprowadza się przez pracę, wtedy mamy do czynienia ze sprężarkową pompą ciepła (w przypadku, gdy efektem użytecznym jest ciepło Qd pobierane ze źródła dolnego – sprężarkowe urządzenie chłodnicze).

 

Pompy ciepła, zwłaszcza sprężarkowe, w których stosowane są czynniki chłodnicze podlegające przemianom fazowym znane są od wielu dziesięcioleci. W różnych okresach zainteresowanie tymi urządzeniami było bardzo zmienne. Traktowane były jednak zawsze jako niekonwencjonalne rozwiązania energetyczne (tzn. takie, w których nie ma potrzeby stosowania konwersji energii za pomocą spalania), natomiast od kilku lat przechodzą ogromny renesans popularności. Wzrosło zainteresowanie tymi urządzeniami, szczególnie w aspekcie alternatywy dla tradycyjnych systemów grzewczych i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ma to istotne znaczenie w okresie wzmożonych, międzynarodowych oddziaływań w zakresie ochrony środowiska naturalnego i propozycji wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansach krajowych, zarówno państw Unii Europejskiej, jak i w skali globalnej. Wymaga tego szeroko pojęte wdrażanie idei zrównoważonego rozwoju społeczeństw. 

 

Europejski i krajowy rynek pomp ciepła rozwija się bardzo dynamicznie. Dotyczy to zarówno rozwiązań standardowych, czyli wersji nisko- i średniotemperaturowych, jak również zmodernizowanych wersji wysokotemperaturowych. Zainteresowanie firm produkujących te urządzenia jest mocno nakierowane na pompy ciepła, które mogą przejąć funkcję generatora ciepła grzejnego i zastąpić przestarzałe konstrukcje dotychczas eksploatowanych kotłów w instalacjach grzewczych w budownictwie i w niektórych zakładach przemysłowych. Te stare systemy grzewcze wymagają, jak wiadomo, zastosowanie nośnika ciepła o temperaturze 70÷90°C i wyższej. Standardowe wersje typoszeregów pomp ciepła oferowanych przez producentów są ograniczone górną wartością temperatury nośnika ciepła nie przekraczającą w większości poziomu 55÷60°C.

 

W związku z tym, w takich przypadkach funkcję tę mogą przejąć tzw. wysokotemperaturowe pompy ciepła. Pojawia się pierwszy istotny problem, dotyczący wyboru dolnego źródła ciepła dla tego typu pomp. Zastosowanie gruntowych wymienników ciepła jest rozwiązaniem zarówno kosztownym, jak i niepewnym z uwagi na zmienne właściwości tego źródła oraz konieczność dużej powierzchni w przypadku poziomych wymienników gruntowych itp. Drugim, łatwo dostępnym źródłem dolnym jest otaczające powietrze. Doświadczenia krajowe i zagraniczne wskazują na możliwość korzystania z powietrza atmosferycznego do poziomu jego temperatury nawet -20÷-25°C. Obawy na temat trudności eksploatacji powietrznych, wysokotemperaturowych, sprężarkowych pomp ciepła w warunkach znacznego obniżenia temperatury zewnętrznej nie są w pełni uzasadnione, bowiem dane statystyczne z ostatnich wielu lat dowodzą, że średniodobowa temperatura w sezonie grzewczym tylko przez kilka, kilkanaście dni w roku jest niższa od -15°C.

 

 

Wybrane problemy dotyczące stanu wiedzy na temat pomp ciepła

 

Projektowanie powietrznych, wysokotemperaturowych pomp ciepła wiąże się z bardzo wieloma problemami. Dlatego są one aktualnie produkowane jedynie przez kilka renomowanych firm (np. Daikin). W dalszej treści artykułu zwrócono uwagę na niektóre wybrane problemy, związane ze stanem wiedzy na temat pomp ciepła tego typu.

 

Definicje pomp ciepła

 

Polska jest od kilku lat państwem członkowskim Unii Europejskiej i dlatego prawodawstwo polskie i unijne powinny być komplementarne. Wszystkie zatwierdzone Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady są implementowane do prawodawstwa polskiego w postaci ustaw, rozporządzeń na szczeblu ministra gospodarki, czy też polskich norm. Znalazło to swoje odzwierciedlenie w podstawowych ustawach energetycznych, a w szczególności: Ustawie Prawo Energetyczne [1], Ustawa o efektywności energetycznej [2] oraz Ustawie o odnawialnych źródłach energii z 2015 r. [3].

 

W zakresie pomp ciepła zauważa się, że wprowadzane są bardzo dynamicznie zmiany w aktach prawnych oraz w normach Unii Europejskiej ustanawianych następnie przez Polski Komitet Normalizacyjny, jako obowiązujące na obszarze Polski. Weźmy pod uwagę wydawałoby się prostą sprawę defi nicji pompy ciepła w niektórych aktach prawnych.

  •  wg PN-92/M-04613/01 [4]: Pompa ciepła to: urządzenie, które przejmuje ciepło ze źródła o określonej temperaturze i przekazuje ciepło do środowiska o wyższej temperaturze. Jeżeli zadaniem pompy ciepła jest dostarczanie ciepła (np. do ogrzewania pomieszczeń lub wody), wówczas działa ona jako urządzenie grzewcze. Jeżeli zadaniem pompy ciepła jest przejmowanie ciepła (np. od oziębianej komory), wówczas działa ona jako urządzenie ziębiące;
  •  wg PN-EN 255: 2000 [5]: Pompa ciepła to: zespół, który przejmuje ciepło w pewnej temperaturze i przekazuje ciepło w wyższej temperaturze. Jeśli pompa ciepła działa w celu dostarczania ciepła (np. do ogrzewania pomieszczeń lub wody), wówczas określa się, że pompa ciepła realizuje funkcję grzania; jeśli działa w celu przejmowania ciepła (np. oziębiania pomieszczenia), wówczas określa się, że realizuje funkcję oziębienia;
  •  wg PN-EN 14511:2009 [6] Pompa ciepła to: zamknięty w obudowie zestaw (lub zestawy), przeznaczony do dostarczania ciepła. Zawiera on instalację ziębniczą z zasilaniem elektrycznym, przeznaczoną do ogrzewania. Może on mieć wyposażenie służące do oziębiania, zapewnienia cyrkulacji i odwilżania powietrza. Oziębianie odbywa się poprzez odwrócenie obiegu czynnika ziębniczego.

 

Biorąc pod uwagę, że defi nicja dopasowywana jest do typu obiektu stanowiącego przedmiot normy, należy wskazać, że podane wyżej definicje są bardzo zróżnicowane. Może to świadczyć o tempie zmian wprowadzanych do określeń normatywnych w krajach europejskich w ramach Unii Europejskiej. M. Rubik podaje w swojej klasycznej pracy [7], że: W pompie ciepła zachodzi proces pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej To i przekazywanie go do źródła o temperaturze wyższej Tg. A zatem pompa ciepła jest urządzeniem, które przekształca wykonaną na jego korzyść pracę w ciepło, przy czym stosunek skutku działania urządzenia do nakładu, który trzeba ponieść, doprowadzając energię napędową, jest, zgodnie z prawem zachowania energii, zawsze większy lub w granicy równy jeden.

 

W podsumowaniu można stwierdzić, że ciągła zmiana w nazewnictwie podawana w kolejnych aktach normatywnych może służyć lepszemu poznaniu tych urządzeń, ale czy na pewno jest bezwzględnie konieczna?

 

W ostatnich kilku latach nastąpiła prawdziwa eksplozja w wydawaniu kolejnych norm w zakresie sprężarkowych pomp ciepła. Kilka przykładów: Polska norma PN-EN 255:2000 [5] zastąpiła dotychczasową PN-92/M-04613/01 [4]. Wydana w 2007 r. Norma Europejska EN 14511:2007 o brzmieniu w wersji angielskiej: Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driver compressors for space heating and cooling została przetłumaczona w 2009 roku na język polski przez Polski Komitet Normalizacyjny i ma ten sam status, co wersja angielska. Została ona opublikowana w 2009 roku jako PN-EN 14511:2009 (uzupełnienia w 2012 r.) w brzmieniu: Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do grzania i ziębienia. Norma ta zastąpiła praktycznie uprzednią PN-EN 255:2000, jednak wprowadzone zostały istotne zmiany w interpretacji istotnych wielkości charakteryzujących pompy ciepła. Norma PN-EN 14511:2009 jest aktualnie obowiązująca (najnowsza wersja z 2014 roku). Istotnym zastrzeżeniem jest, że instalacje stosowane do ogrzewania w procesach przemysłowych nie mieszczą się w zakresie niniejszej normy.

 

Istotnym problemem jest fakt, że wszystkie dotychczas wydane normy nie zawierają wyraźnego podziału pomp sprężarkowych na: nisko-, średnio- i wysokotemperaturowe. Wyeksponowanie pojęcia „wysokotemperaturowej pompy ciepła” pozwoliłoby na precyzyjne przedstawienie kryteriów normatywnych, jakie powinna spełniać.

 

 

2016 3 41 1

 

 

Określenie wzajemnych relacji pompa ciepła – OZE

 

(...)

 

Wybór obiegu porównawczego powietrznej, sprężarkowej pompy ciepła wysokotemperaturowej

 

(...)

 

Wybór rodzaju czynnika roboczego w powietrznej, wysokotemperaturowej sprężarkowej pompie ciepła

 

(...) 

 

Podsumowanie

 

  •  Wysokotemperaturowe, powietrzne pompy ciepła typu powietrze/ woda nie znalazły, jak dotąd jednoznacznego ujęcia w aktach normatywnych. W podanych kryteriach zawartych w normach europejskich implementowanych jako polskie normy brak jest dostatecznie precyzyjnych zapisów adekwatnych do znaczenia, jakie one spełniają.
  • W wydanych Ustawach, zwłaszcza o odnawialnych źródłach energii (OZE) pominięto istotny problem polegający na wykorzystywaniu w tych urządzeniach energii z pierwotnych źródeł odnawialnych.
  •  Bardzo ważnym problemem w projektowaniu i w doborze wysokotemperaturowych pomp ciepła, z nośnikiem grzewczym – jako produktem użytecznym o temperaturze powyżej 65°C – jest wybór odpowiedniego typu obiegu porównawczego. Preferowane są obiegi kaskadowe oraz quasidwustopniowe, z zastosowaniem odpowiednio dobranego oprzyrządowania np. ekonomizera.
  •  Zdecydowanie poważnym problemem będzie w obszarze powietrznych pomp ciepła wybór czynnika chłodniczego. Wobec konieczności wycofania w najbliższej perspektywie stosowanych obecnie czynników takich, jak: R134a, R407C, R404A i R410A powstaną trudności w znalezieniu odpowiednich ich substytutów. Trudności te odczują również producenci sprężarek i oprzyrządowania chłodniczego. 
  •  Zastosowanie na większą skalę czynników naturalnych w wysokotemperaturowych pompach ciepła będzie wymagać zwiększenia ich hermetyczności gwarantującej bezpieczeństwo pracy. Dotyczy to w szczególności pomp ciepła o większych wydajnościach.
  •  Proponowane już obecnie przez niektórych producentów czynniki robocze do zastosowań wysokotemperaturowych oznaczone na razie umownym symbolem DR (Developmental Refrigerant) wymagają ujawnienia ich właściwości termodynamicznych oraz sprawdzenia eksperymentalnego kryteriów wymaganych w świetle obowiązujących przepisów.
  •  Prace badawcze teoretyczne i eksperymentalne dotyczące powietrznych, wysokotemperaturowych pomp ciepła, w szczególności typu powietrze/woda są kontynuowane w wielu ośrodkach światowych i krajowych i idą w kierunku rozszerzenia zakresu ich stosowania

 

 

2016 3 45 1

 

 

Pracę wykonano w ramach realizacji Programu Badań Stosowanych NCBR nr PBS3/B9/38/2015 pt.: Badania i opracowanie optymalnego typoszeregu wysokoefektywnych powietrznych pomp ciepła dużych mocy wraz z innowacyjnym inteligentnym systemem sterowania – ścieżka B – ID 246502 – projekt realizowany przez konsorcjum: Budopex S.A. S.K.A (lider), Sytherm Danuta Gazińska Sp.J., Politechnika Koszalińska, 2014÷2016.

 

 

prof. dr hab. inż. Tadeusz BOHDAL
Politechnika Koszalińska,
Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

 

dr hab. inż. Waldemar KUCZYŃSKI
Politechnika Koszalińska,
Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa



dr inż. Henryk CHARUN
Politechnika Koszalińska,
Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

 

LITERATURA

[1] Ustawa Prawo Energetyczne z dnia 10.04.1997, tekst jednolity DzU 2010, nr 21, poz. 104 z późniejszymi zmianami.

[2] Ustawa O efektywności energetycznej z dnia 4 marca 2011 r., DzU z 2011 r., nr 94, poz. 551.

[3] Ustawa O odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r., poz. 478.

[4] PN-92/M-04613/01 Pompy ciepła – Zblokowane pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do ogrzewania lub ogrzewania i oziębiania – Nazwy, definicje i oznaczenia.

[5] PN-EN 255-1:2000 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do grzania i ziębienia. Funkcja grzania. Terminy, definicje i oznaczenia. 

[6] PN-EN 14511-1:2009 (2012) Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do grzania i ziębienia. Część 1: Terminy i definicje.

[7] RUBIK M.: Pompy ciepła. Poradnik. Wyd. Ośrodek Informacyjny „Technika Instalacyjna w Budownictwie”. Warszawa. 1999.

[8] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych uchylająca dyrektywę 2001/77/WE.

[9] VDI 4650 Berechnungen von Wärmepumpen – Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung. Wydanie 03/2009.

[10] VDI 4650 Berechnung von Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwasserwarmung. Wydanie 11/2014.

[11] Decyzja Komisji Europejskiej z dnia 1 marca 2013 r. ustanawiająca wytyczne dla państw członkowskich dotyczące obliczania energii odnawialnej z pomp ciepła w odniesieniu do różnych technologii pomp ciepła na podstawie art. 5 dyrektywy 2009/28/WE.

[12] ZAŁĄCZNIK VIII – Wytyczne dla państw członkowskich dotyczące obliczania energii odnawialnej z pomp ciepła w odniesieniu do różnych technologii pomp ciepła na podstawie art. 5 dyrektywy 2009/28/WE.

[13] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 kwietnia 2014 r. w sprawie sposobu obliczania końcowego zużycia energii brutto ze źródeł odnawialnych oraz sposobu obliczania ilości energii elektrycznej i ciepła z takich źródeł.

[14] PN-EN 14825: 2014-02 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do grzania i ziębienia. Badanie i ocena w warunkach niepełnego obciążenia oraz obliczanie wydajności sezonowej.

[15] LACHMAN P.: Metodyka obliczania OZE z pomp ciepła zgodnie z najnowszymi wytycznymi UE. Instal Reporter. 2013. nr 3. s. 41-46.

[16] BOHDAL T., CHARUN H., KUCZYŃSKI W.: Analiza doboru obiegu termodynamicznego w sprężarkowych powietrznych pompach ciepła. Część 1. Chłodnictwo. 2015. nr 9 i 10.

[17] BOHDAL T., CHARUN H., KUCZYŃSKI W.: Analiza wyboru czynników roboczych dla sprężarkowych, wysokotemperaturowych powietrznych pomp ciepła. Chłodnictwo. 2015. nr 9. s. 24-32.

[18] GRZEBIELEC A., OCIEPA M.: Działania legislacyjne wpływające na rynek pomp ciepła w Polsce i krajach Unii Europejskiej. Materiały Konferencji XLVII Dni Chłodnictwa. Poznań. 2015. 67-74.

[19] Rozporządzenie nr 842/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie niektórych fluorowanych gazów cieplarnianych. DzU L161 z 14.06.2006.

[20] Rozporządzenie nr 517/2014 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia nr 842/2006. DzU Unii Europ. L150/195, 20.05.2014

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

  • Pompy ciepła 2011

 

 

01 chik        kig 134x45 left   

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.