Efektywność pomp ciepła

Odpowiedni dobór pompy ciepła (moc sprężarki, skraplacza i parowacza) jest sprawą bardzo istotną. Ocenę termodynamiczną pompy ciepła (p.c.) przeprowadza się na podstawie współczynnika wydajności. Dla p.c. jest to stosunek energii cieplnej oddanej do środowiska ogrzewanego Qk do energii napędowej urządzenia N: εp = Qk / N . Większość producentów pomp ciepła podaje wartości współczynnika wydajności bardzo wysokie. Jest to prawdą ale tylko po części, ponieważ współczynnik wydajności p.c. może być aż tak wysoki, ale tylko chwilowo (wysoka temperatura źródła dolnego) ale nie w perspektywie całorocznej. Poniżej przedstawię kilka przykładów.

Na początku wyjaśnijmy sobie jak działa sprężarkowa pompa ciepła. Na dobrą sprawę nie różni się ona niczym od klasycznego układu ziębniczego. Wyposażona jest w sprężarkę, skraplacz, parownik i zawór rozprężny. W zamkniętym układzie termodynamicznym krąży czynnik roboczy będący nośnikiem energii cieplnej.

Schemat ideowy pompy ciepła
Schemat ideowy pompy ciepła

Gorący czynnik chłodniczy dostaje się do skraplacza (2). Tutaj pobrane ciepło oddawane jest czynnikowi chłodzącemu (powietrze / woda). Przekazywanie ciepła można podzielić na trzy części. W pierwszej części odprowadzane jest ciepło przegrzania (ciepło jawne). W drugiej części, czynnik oddaje ciepło w stałej temperaturze (ciepło utajone) i ulega skropleniu i w trzeciej części ochładza się do pożądanej temperatury, niższej od temperatury skraplania, a następnie spływa do zbiornika (3). Tutaj zostaje zdławiony od wysokiego do niskiego ciśnienia parowania i dostaje się do parownika (4), w którym pobiera ciepło. Czynnik chłodniczy opuszczając parownik (stan gazowy) dostaje się do sprężarki (1). W sprężarce czynnik roboczy jest sprężany do ciśnienia skraplania po czym gorący czynnik chłodniczy dostaje się do skraplacza i obieg powtarza się.

Poprzez czynnik chłodniczy powietrze/woda rozumie się przekazanie ciepła do środowiska ogrzewanego. W taki sposób pompa ciepła dostarcza „energię cieplną” np. w celu ogrzewania domu oraz przygotowania c.w.u.

Przykład

Aby lepiej zrozumieć działanie p.c. i zachodzące w niej przemiany spróbujemy dobrać pompę ciepła do poniższego przykładu.

Dom jednorodzinny znajdujący się pod Wrocławiem o parametrach:

  • U ścian zewnętrznych = 0,25 W/m2K
  • U dachu – 0,14 W/m2K
  • U okien – 1,00 W/m2K
  • U drzwi zew. – 2,00 W/m2K

Dom o powierzchni 218,50 m2 i kubaturze V=973 m3. Temperatura wewnątrz 20,38 °C.

Po zbilansowaniu budynku otrzymano zapotrzebowanie na moc do ogrzewania i przygotowania c.w.u. wynoszącą 11,2 kW ( w tym c.w.u. 1,5 kW).

Powiedzmy, że rodzina zdecydowała się na zakup pompy ciepła typu powietrze-woda do ogrzewania i przygotowania c.w.u. w budynku. Spróbujemy policzyć ilość energii niezbędnej do pracy pompy ciepła w dwóch miesiącach: dla stycznia i dla lipca (tylko c.w.u.).

Średnia temperatura dla miesiąca styczeń we Wrocławiu na podstawie stacji meteorologicznej wynosi – 0,40°C. Spróbujmy dobrać pompę ciepła dla takich danych.

Średnia temperatura powietrza dla danego miesiąca -0,40 °C
Temperatura ciepłej wody w zbiorniku +55,0 °C
Ilość ciepła Q 12,0 kW
Czynnik roboczy R 407 A
Temperatura źródła dolnego -9,40 °C
Temperatura źródła górnego +70,0 °C
Moc parownika 12,0 kW
Moc skraplacza 22,1 kW
Moc sprężarki 10,1 kW
COP 1,19 bezwym.

Dla powyższych danych współczynnik wydajności pompy ciepła typu powietrze woda wynosi zaledwie COP = 1,19.

Poniżej znajduje się wykres log p - h

Wykres log p – h dla miesiąca styczeń
Wykres log p – h , dla miesiąca styczeń

Zobaczmy jak sprawa wygląda dla miesiąca lipiec.

Średnia temperatura dla miesiąca lipiec we Wrocławiu na podstawie stacji meteorologicznej wynosi + 16,0°C. Spróbujmy dobrać pompę ciepła dla takich danych.

Średnia temperatura powietrza dla danego miesiąca +16,0 °C
Temperatura ciepłej wody w zbiorniku +55,0 °C
Ilość ciepła Q 2,0 kW
Czynnik roboczy R 407 A
Temperatura źródła dolnego +7,0 °C
Temperatura źródła górnego +70,0 °C
Moc parownika 2,0 kW
Moc skraplacza 3,05 kW
Moc sprężarki 1,05 kW
COP 1,90 bezwym.
Wykres log p - h dla miesiąca lipiec
Wykres log p – h dla miesiąca lipiec

Wg naszych wyliczeń efektywność pompy ciepła w dalszym ciągu nie przekracza COP <2,0.

Zobaczmy jak sprawa wygląda dla jeszcze wyższej temperatury zewnętrznej wynoszącej 30 °C (temperatura chwilowa powietrza zewnętrznego).

Średnia temperatura powietrza dla danego miesiąca +30,0 °C
Temperatura ciepłej wody w zbiorniku +55,0 °C
Ilość ciepła Q 2,0 kW
Czynnik roboczy R 407 A
Temperatura źródła dolnego +21,0 °C
Temperatura źródła górnego +70,0 °C
Moc parownika 2,0 kW
Moc skraplacza 2,71 kW
Moc sprężarki 0,71 kW
COP 2,82 bezwym.

Na podstawie obliczeń widać, że reklamowana przez większość sprzedawców wysoka efektywność pompy ciepła (COP> 3,0) rzadko jest osiągana. W naszych obliczeniach udało się osiągnąć wysoki współczynnik efektywności COP = 2,82 ale tylko przy pewnych założeniach zewnętrznych (temp. powietrza zewnętrznego = +30,0 °C, temperatura ciepłej wody użytkowej = +55,0 °C.

Mgr inż. Śliwiński Tomasz

Literatura:

  • W. Zalewski „Pompy ciepła”
  • H. Ullrich „Technika chłodnicza”
  • Program obliczeniowy Solkane 8.0