POMPY CIEPŁA

pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
POMPY
CIEPŁA
w ogrzewaniu
(2)
budynków mieszkalnych
Piotr JASIUKIEWICZ, Budrus Technika Grzewcza sp. z o.o., Dział Odnawialne Źródła Energii Oddział Gdańsk
2. OGÓLNA ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA
możliwe było wówczas wytłumaczenie zjawiska wymiany
ciepła między ciałami jako przekazywanie cieplika, a więc
określonej ilości materii, od jednego ciała do drugiego,
w kierunku spadku temperatury. Zgodnie ze znajomością
i opisem praw termodynamiki owego czasu, również Kelwin opisał transformowanie ciepła z poziomu niskotemperaturowego na poziom wysokotemperaturowy, jako proces
pompowania owej materii – cieplika (za jakie uważano
ciepło) dzięki dostarczeniu energii napędowej z zewnątrz,
a urządzenie to nazwał pompą ciepła.
Współcześnie wiadomo, że „pompowanie” ciepła nie
jest możliwe z uwagi na bezpostaciowy jego charakter,
w przeciwieństwie np. do pompowania wody za pomocą
pompy wodnej. Jednak nazwa tych urządzeń – pompa ciepła – obowiązuje do dziś.
Mówi się często, że pompa ciepła to odwrócona lodówka lub, że pompa ciepła działa tak jak lodówka, tylko, że
w drugą stronę (mając chyba na myśli kierunek zachodzących przemian termodynamicznych w urządzeniu).
Stwierdzenia te i tym podobne są błędne i nie powinny być
cytowane, szczególnie przez inżynierów i to w prasie technicznej. Z całą mocą należy podkreślić, ze pompa ciepła
nie ma nic odwróconego w stosunku do lodówki, tak jak
i lodówka nie ma nic odwróconego w stosunku do pompy
ciepła. Pompa ciepła i chłodziarka domowa, bo tak technicznie nazywa się nasza domowa lodówka, to takie same
urządzenia, pracujące według tej samej zasady działania,
a przemiany termodynamiczne, które zachodzą w obu tych
urządzeniach są identyczne i następują po sobie w tej samej
2.1. Budowa i opis procesów termodynamiczkolejności.
Nazwa pompa ciepła lub niekiedy „pompa cieplna” nych
czy „pompa grzejna” jest skrótem myślowym, którego nie Zanim omówiona zostanie zasada działania pompy ciepła,
należy odczytywać dosłownie. Ciepło jest bowiem częścią porównajmy budowę tego urządzenia i chłodziarki domoenergii cieplnej (energii termicznej) przekazywanej mię- wej. Na rysunku 1 pokazano chłodziarkę domową wraz
dzy dwoma ośrodkami (przez granice obu ośrodków) na z jej podstawowymi elementami.
Składa się ona z czterech podstawowych elementów.
skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur, jednak
Wewnątrz
przestrzeni chłodzonej znajduje się wymiennik
bez przenoszenia substancji (np. przekazywanie ciepła
ciepła
nazywany
potocznie – zamrażalnikiem. Wymiennik
między dwoma płynami w wymienniku ciepła w kierunten
pobiera
ciepło
od produktów spożywczych znajdujących
ku i na skutek spadku temperatury). Ciepło nie jest osobną
się
wewnątrz
tej
przestrzeni.
Celem pracy chłodziarki jest
formą energii, a jedynie sposobem jej przekazywania – jest
obniżenie
temperatury
produktów
spożywczych znajdująto energia cieplna w przejściu.
Nazwa pompa ciepła
pochodzi z 1852 roku,
kiedy to po raz pierwszy
Lord Kelwin (Wiliam
Thomson ur. 1824, zm.
1907) opisał w sposób
czysto teoretyczny możliwości wykorzystania tego
urządzenia do ogrzewania. W tym czasie, a więc
w XVIII i pierwszej połowie XIX wieku ciepło
uważane było za rodzaj
nieważkiej materii – zwanej cieplikiem. W oparciu o „teorię cieplikową” Rys. 1. Budowa chłodziarki domowej
492
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 12/2007
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
pompy ciepła
cych się w jej wnętrzu lub zamrożenie
tych, które znajdują
się w zamrażalniku.
Z uwagi na to, proces pobierania ciepła
z przestrzeni chłodzonej zachodzi przy
niskiej temperaturze
powietrza i znajdujących się w niej produktów. Wymiennik
ten wykonany jest
najczęściej jako pojemnik aluminiowy
(w obecnie budowanych chłodziarkach,
schowany jest on za
tylnią ścianą komory). Na zewnątrz,
w tylnej części urząRys. 2. Budowa pompy ciepła Logatherm firmy Buderus
dzenia znajdują się:
skraplacz, wymiennik ciepła wykonany jako czarna rur- nie wyższej temperaturze.
Pompa ciepła, jako urządzenie chłodnicze posiada te
ka, często z przylutowanymi pręcikami lub blaszkami dla
zwiększenia jego powierzchni wymiany ciepła. Ponadto same elementy, lecz o nieco innej konstrukcji. Na rysunku
chłodziarka wyposażona jest w: sprężarkę hermetyczną, 2 pokazano budowę pompy ciepła Logatherm firmy Budeczęsto nazywaną agregatem lub kompresorem. Ostatnim rus.
Urządzenie to, w swojej dolnej części posiada wszystelementem jest rurka kapilarna. Te cztery elementy, odpowiednio połączone przewodami, stanowią obieg chłodni- kie elementy stanowiące jej obieg chłodniczy, i tak są to:
dwa wymienniki ciepła, parownik i skraplacz o budowie
czy chłodziarki domowej.
Zasada działania i cel pracy tego urządzenia jest ogólnie wymienników płytowych lutowanych. Zastosowanie wyznany. Jego zadaniem jest obniżanie temperatury produk- mienników płytowych jest konieczne z uwagi na fakt, że
tów spożywczych znajdujących się wewnątrz przestrzeni procesy wymiany ciepła zachodzą pomiędzy czynnikiem
chłodzonej znacznie
poniżej temperatury
otoczenia, przeciętnie jest to wartość
+5°C lub –18°C przy
zamrażaniu. Obieg
chłodniczy lodówki
pobiera energię cieplną z powietrza znajdującego się w przestrzeni chłodzonej,
a zatem pośrednio
od produktów spożywczych i poprzez
zachodzące po sobie
przemiany termodynamiczne
niskowrzącego płynu roboczego, przekazuje to
ciepło do powietrza
otaczającego
urządzenie, najczęściej do
pomieszczenia kuch- Rys. 3. Schemat ideowy pompy ciepła wraz z obiegiem grzewczym budynku i obiegiem dolnego źródła ciepła
ni, ale już przy znacztechnika chłodnicza i klimatyzacyjna 12/2007
493
pompy ciepła
pompy ciepła
chłodniczym a nośnikiem ciepła źródła dolnego, który
jest w postaci ciekłej lub wodą w instalacji grzewczej.
W pompach ciepła stosuje się obecnie przede wszystkim
sprężarki spiralne, czasami nazywane scroll, gdy w chłodziarce domowej stosowane są głównie sprężarki tłokowe.
Zasada działania obu tych maszyn jest identyczna. Ponadto
w pompie ciepła zamiast rurki kapilarnej stosowane są zawory rozprężne. Zmiana ta podyktowana jest większymi
wydajnościami pomp ciepła oraz możliwością wprowadzenia niewielkiej regulacji ich wydajności.
Aby pompa ciepła mogła pracować, należy te elementy połączyć ze sobą przewodami, tak jak to pokazano na
rysunku 3, a ich wnętrze wypełnić płynem niskowrzącym
– czynnikiem chłodniczym. To właśnie w płynie roboczym
tkwi tajemnica działania pompy ciepła.
Czynnik chłodniczy, to substancja, która charakteryzuje
się szczególną własnością, a mianowicie odpowiednio niską normalną temperaturą wrzenia. Mówiąc inaczej, cechą
charakterystyczną czynnika chłodniczego jest temperatura
w jakiej on wrze przy ciśnieniu otoczenia. W technice stosowanych jest wiele czynników niskowrzących, różniących
się od siebie normalną temperaturą wrzenia, gęstością, objętością właściwą, ciepłem właściwym, ciepłem parowania
itp. Więcej informacji na temat czynników chłodniczych
i ich charakterystycznych własności, stosowanych w pompach ciepła, przedstawionych zostanie w punkcie 2.2.
Do pompy ciepła, a precyzyjniej do instalacji chłodniczej pompy ciepła, należy podłączyć dwie instalacje towarzyszące, tzw. instalację dolnego źródła ciepła, która pobiera ciepło z otoczenia, np. z gruntu oraz instalację grzewczą budynku, która przenosi energię cieplną z pompy ciepła
do wnętrza obiektu. Instalację grzewczą budynku nazywa
się często instalacją górnego źródła ciepła, w analogi do
pompy wodnej, która pompuje wodę z niżej położonego do
wyżej położonego zbiornika wody.
Instalację dolnego źródła ciepła podłączamy do parownika, natomiast instalację grzewczą budynku podłączamy do skraplacza pompy ciepła. Instalacje te muszą być
wypełnione tzw. nośnikiem ciepła. W instalacji grzewczej
budynku jest to po prostu woda, odpowiednio oczyszczona, uzdatniona i zmiękczona, natomiast w instalacji dolnego źródła ciepła nie może to być już woda. Jeżeli zdarzyłoby się, że grunt przemarzł lokalnie, to woda w rurach
w ziemi zamieniłaby się w lód i pompa ciepła przestałaby
działać. Zatem należy zabezpieczyć się na taką ewentualność i instalację dolnego źródła ciepła wypełnić cieczą
niezamarzającą. W tym celu najczęściej stosuje się wodne
roztwory glikolu propylenowego, lub rzadziej etylenowego
(monoetylenowego). Obecnie jednak coraz częściej stosuje się wodne roztwory spirytusu technicznego. Mieszanina ta posiada dużo lepsze własności fizyko-chemiczne,
szczególnie znacznie mniejszą lepkość kinematyczną, co
istotnie wpływa na obniżenie zużycia energii eklektycznej
przez pompę obiegową dolnego źródła. Więcej informacji
o własnościach chemicznych i użytkowych różnych nośników ciepła źródła dolnego przedstawionych zostanie
w punkcie 3.
494
pompy ciepła
pompy ciepła
Zatem nośnik ciepła dolnego źródła ciepła za sprawą
pompy obiegowej P3 krąży w wymienniku dolnego źródła ciepła, np. zakopanym poziomo w gruncie, tak jak to
pokazano na rysunku 3. Nośnik ciepła pobiera z gruntu
pewien strumień energii cieplnej, w wyniku czego podgrzewa się do temperatury zbliżonej do temperatury gruntu. W początkowym okresie sezonu grzewczego, np. w listopadzie może to być temperatura ok. +6,5ºC [1], a pod
koniec lutego –2ºC. Pompa obiegowa przetłacza nośnik
ciepła źródła dolnego do pompy ciepła, a w niej do parownika. Parownik jest wymiennikiem płytowym, zatem
między sąsiednimi stalowymi jego płytami znajdują się
czynnik chłodniczy i nośnik ciepła dolnego źródła ciepła.
Okazuje się, że nośnik ciepła źródła dolnego, który pobrał
z gruntu pewną ilość energii cieplnej i ogrzał się do +6,5ºC
jest dla czynnika chłodniczego substancją „gorącą”. Dzięki
tej energii i dzięki temu, że nośnik ciepła posiada wyższą
temperaturę, czynnik chłodniczy zaczyna w parowniku
podgrzewać się, a gdy osiągnie temperaturę nasycenia przy
danym ciśnieniu, zaczyna intensywnie parować (wrzeć).
Podczas tego procesu czynnik pobiera od nośnika ciepła
źródła dolnego strumień energii cieplnej, który uprzednio
ten pobrał z gruntu. Należy zwrócić tu szczególną uwagę
na określenie, że czynnik chłodniczy wrze (odparowuje)
dzięki energii cieplnej pozyskanej od nośnika ciepła źródła
dolnego (wrzenie – parowanie: pojęcia te w chłodnictwie
używane są zamiennie, mimo, że oznaczają różne procesy
energetyczne). Zrozumienie tego faktu jest niezbędne do
prawidłowego poznania procesów zachodzących w pompie ciepła i wynikającego z tego prawidłowego projektowania i serwisowania omawianego urządzenia. Okazuje
się bowiem, że brak dostarczania energii cieplnej z dolnego źródła ciepła do pompy ciepła spowoduje zatrzymanie
procesu parowania czynnika chłodniczego w parowniku
oraz przerwanie dostarczania ciepła do instalacji grzewczej
budynku. Wiele osób, szczególnie tych, które rozpoczynają
swoją karierę zawodową w serwisie pomp ciepła, nie wiąże
ze sobą tych faktów. Gdy pompa ciepła „nie grzeje”, próbują doszukiwać się przyczyny po stronie grzewczej pompy ciepła (źródła górnego), a ta często „leży” dosłownie
w ziemi. Okazuje się bowiem, że przyczyną awaryjnego
zatrzymania pompy ciepła jest zwykle zanieczyszczony
filtr siatkowy w instalacji dolnego źródła ciepła, co powoduje zatrzymanie przepływu nośnika ciepła w instalacji
dolnego źródła i wnikające z tego zatrzymanie dostarczana
ciepła do procesu parowania czynnika. Czynnik chłodniczy, nie mając źródła ciepła, przestaje odparowywać, co
prowadzi do zatrzymania sprężarki w trybie awaryjnym,
wyłącznikiem ciśnieniowym LP (tzw. presostat niskociśnieniowy). Opis zagrożeń i niedomagań eksploatacyjnych
dolnych źródeł ciepła przedstawiony zostanie w punkcie 3
tego cyklu.
cdn ...
LITERATURA:
[1] Pomiary cieplne pompy ciepła Logatherm Buderus zainstalowanej w oddziale firmy Buderus w Gdańsku.
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 12/2007