Pompy ciepła. Efektywniej

Pompy ciepła. Efektywniej...
Autorzy: Włodzimierz Kotowski, Eduard Konopka
("Energia Gigawat" - 10-11/2014)
Dotychczas w standardowych pompach ciepła sprężarki czynnika roboczego bywają
najczęściej zasilane silnikami elektrycznymi. Energia elektryczna jest jednak relatywnie droga i
to głównie przez fakt, że jest wytwarzana z pierwotnych nośników energii ze sprawnością 35 –
45%.
Tymczasem tego typu agregaty ciepła można energetycznie znacznie uefektywnić,
zastępując w nich elektryczne napędy sprężarek silnikami spalinowymi, zasilanymi gazem
ziemnym lub biogazem. Ta innowacja procesowo-techniczna owocuje nie tylko znaczną poprawą
sprawności energetycznej agregatu ciepłowniczego, ale w dodatku staje się mniej uciążliwa dla
środowiska, poprzez ograniczenie emisji CO2, co przekłada się na niższe koszty eksploatacyjne.
Powyższe uefektywnienia energetyczne przyczyniają się do rosnącego zainteresowania
właścicieli domków jedno- i dwurodzinnych oraz zakładów rzemieślniczych ogrzewaniem
swoich budynków wyżej wymienionymi, udoskonalonymi pompami ciepła (W.Wilming, Sonne
Wind & Wärme, 54, 2, 2014).
W standardowej pompie ciepła czynnik roboczy (freon, gaz płynny, amoniak, itp.)
cyrkuluje poprzez urządzenia zaprezentowane na rys. 1: sprężarkę – zasilaną silnikiem
elektrycznym lub spalinowym, skraplacz – w którym ciepło kondensacji opar czynnika
roboczego bywa przekazywane do odbieralników ciepła dla celów grzewczych, zawór
ekspansyjny – zapewniający czynnikowi roboczemu znaczne ochłodzenie w następstwie jego
rozprężania oraz odparowalnik – w którym destylujący czynnik roboczy pobiera ciepło z
otoczenia dla celów grzewczych.
Absorpcyjne oraz adsorpcyjne pompy ciepła działają wg podobnej technologii, jak ta
przedstawiona na rys. 1. Różnica między nimi tkwi w procesie sprężania, który w powyższych
nie dokonuje się na drodze mechanicznej, ale termicznej. Stąd podczas charakteryzowania
sorpcyjnych pomp ciepła mówi się o termicznym sprężaniu, które stanowi główny element
procesu.
Czynnik roboczy – w postaci opar – po opuszczeniu odparowalnika bywa absorbowany przez
wodny roztwór. Objętość tego ostatniego jest niewielka w porównaniu do opar czynnika
roboczego. Dzięki temu ten roztwór wodny bywa relatywnie małą pompą przetłaczany do
odparowalnika dla destylacyjnego wydzielania czynnika roboczego. Ciepło dla tej operacji może
pochodzić z dowolnego źródła – między innymi ze spalin silnika sprężarki.
Rys. 1.
Zasada funkcjonowania pompy ciepła
Stosowanie silników spalinowych do napędu sprężarek pomp ciepła ma kilka zalet w
porównaniu z napędem silnikami elektrycznymi. O relatywnie wysokich cenach energii
elektrycznej w następstwie pokaźnych kosztów jej wytwarzania w elektrowniach wspomniano na
początku niniejszego studium.
Ciepło obiegu chłodniczego, jak i ze spalin silnika spalinowego sprężarki można wykorzystać w
systemie grzewczym agregatu pompy ciepła, co owocuje obniżka kosztów eksploatacyjnych.
Pompy ciepła, które można stosować tak w ogrzewaniu budynków, jak i w przygotowaniu
ciepłej wody użytkowej, nadają się również w systemach chłodniczych oraz w procesach
suszenia różnorakich materiałów.
Potrzeby grzewcze występują nie tylko w budownictwie mieszkaniowym, zakładach
rzemieślniczych, czy w przemyśle, ale również w szpitalach, szkołach, hotelach, obiektach
handlowych oraz basenach kąpielowych. Jeśli chodzi o te ostatnio wymienione obiekty, to dla ich
ogrzewania nie ma efektywniejszych agregatów grzewczych, jak pompy ciepła z silnikami
spalinowymi. Przykładowo zakłady miejskie w miejscowości Freudenstadt w RFN stosują tego
typu pompę ciepła w miejscowej pływalni. 66% jej zapotrzebowania na ciepło pokrywa się z
powietrza wentylacyjnego kąpieliska.
Wszystkie elementy pomp ciepła wykonują u siebie firmy specjalistyczne, montując je w
kilka miesięcy w miejscu ich eksploatacji i zapewniają odpłatne wykonawstwo bieżących prac
konserwacyjno-remontowych.
Do niedawna nie tylko na terenie Niemiec zapotrzebowanie na ciepło oraz zimno
pokrywano oddzielnymi agregatami.
W międzyczasie Japończycy oraz Amerykanie opracowali wytwórczość agregatów
klimatyzacyjnych, które dostarczają ciepło oraz zimno i bywają napędzane silnikami
spalinowymi lub elektrycznymi, które ilustruje rys. 2. Tu stosuje się silniki spalinowe zasilane
przede wszystkim gazem ziemnym lub biogazem. Ten ostatni wytwarza się na drodze
fermentacyjnej z organicznych odpadów przemysłu rolno-spożywczego oraz od mieszkańców
miast i gmin.
Źródło: ASUE
Rys. 2.
Agregat klimatyzacyjny, którego dwie sprężarki napędza wspólny silnik spalinowy, zasilany
gazem ziemnym lub biogazem.
Gdy agregaty klimatyzacyjne bywają instalowane w istniejącym budownictwie, to dla
celów grzewczych w okresie zimowym konieczne są standardowe kotłownie.
Jeżeli agregaty klimatyzacyjne bywają zasilane silnikami spalinowymi, to takowe można
przystosować do pozyskiwania z nich ciepłej wody użytkowej dla celów spożywczych oraz
gospodarczych. Po prostu wykorzystuje się w takowych ciepło spalin z gazowych silników
napędowych. Jest to szczególnie wskazane dla okresów letnich, kiedy wyłączone bywają
instalacje ogrzewające budynki.