ANALIZA UWARUNKOWAŃ STOSOWANIA POMP CIEPŁA W KRAJU

BIULETYN
INFORMACYJNY
INSTYTUTU
TECHNIKI
POLITECHNIKI
WARSZAWSKIEJ
CIEPLNEJ
Nr 66
1985
Kazimierz Brodowicz
Instytut T e c h n i k i
Politechniki
Cieplnej
Warszawskiej
ANALIZA UWARUNKOWAŃ STOSOWANIA POMP
CIEPŁA W K R A J U
Podjęcie decyzji o celowości stosowania pomp ciepła wymaga poza analizą ekonomiozną pewnych dodatkowych informacji.
W pracy przedstawiono szereg przypadków występująoych w
technice, w któryoh użycie pomp ciepła może być szczególnie
korzystne. Dla tych przypadków zaproponowano zastosowanie odpowiednich typów pomp oiepła* Dokonano tego w oparciu ρ dane
literaturowe, a także na podstawie znajomośoi uwarunkowań krajowyoh.
Sorpcyjne pompy oiepła wydają się szczególnie korzystne do
zastosowania w kraju.
Jak wiadomo, pompa oiepła znana jest od wieku, a od pół
wieku była sporadycznie instalowana. Niskie ceny surowców
energetyoznyoh, a szoeególnie ropy naftowej, utrzymujące się
przez znaozny okres po drugiej wojnie światowej nie sprzyjały
oszczędzaniu e n e r g i i . Tymozasem pompa ciepła stanowi pod tym
względem znakomite, a w pewnym-sensie i niezastąpione urządzen i e . Nie znaczy t o , że pompami ciepła w ogóle się nie interesowano· I tak w końcu lat siedemdziesiątych w Stanaoh Zjednoczonych było ich około 8 5 0 tys. a w Europie Zaohodniej 10 t y s .
Szozytowe zainteresowanie, a w pewnym sensie i moda na pompy
ciepła szczególnie w Europie Zachodniej, wystąpiło na przełomie lat 8 0 / 8 1 .
W następnyoh lataoh znacznie się ono zmniej-
szyło w wyniku kilkunastoprooentowego spadku cen ropy naftow e j . Należy tu wyjaśnić, że przeważająca większość pomp oiepł a , o których wyżej mowa, służy do ogrzewania domów jednoro-
4
К. Brodowioz
dz inny oh i ma stosunkowo małe moce, kille« do kilkunastu kilowatów na r poziomie źródła górnego. Większeść z niob. to urządzenia sprężarkowe z elektrycznym napędem, pobierające oiepło z
powietrza atmosferycznego, a więo najbardziej dostępnego źródła dla pompy oiepła ogrzewająoej wolno stojący dom jednorodzinny. Znaczna liczba pomp ciepła działająca w Stanach Zjednoczonych zimą ogrzewa pomieszozenia, latem je oblodzi.
Widać z tego, że omawiane wyżej pompy oiepła znakomicie
pasują do warunków występująoyoh w Stanaoh Zjednoozonyoh. Zarówno klimatycznych i urbanistycznych jak i wynikających z .
faktu, że pompy oiepła konkurują tam z ogrzewaniem elektrycznym. Jeżeli ohodzi o warunki klimatyczne to izoterma stycznia
na przeważającej częóoi terytorium wynosi tam +10°C, co umożliwia uzyskanie korzystnego współczynnika efektywności pompy
oiepła, natomiast latem występują potrzeby klimatyzacji, do
czego również można wykorzystać instalaoję pompy ciepła. Urbanizację oharakteryzuje rozproszona zabudowa, która wymaga indywidualnego ogrzewania (i klimatyzacji) każdego domu. Natomiast konkurenoja w stosunku do ogrzewania
elektrycznego
jest bardzo spektakularna, gdyż jak wiadomo pompa oiepła uwielokrotnia na poziomie źródła górnego energię zużytą do jej napędu. Stąd takie szerokie zastosowanie pomp oiepła w Stanaoh
Zjednoczonych.
Tymczasem do warunków Europy Zachodniej, mimo że i tam podobna jest urbanizacja i stosowane jest ogrzewanie elektryozne, z uwagi na niższe o kilka stopni temperatury zimą (nie ma
już tak korzystnego współozynnika efektywności) i latem (nie
ma potrzeby klimatyzacji) pompy oiepła nie są już tak dobrze
dopasowane. Dlatego też do ogrzewania domów jednorodzinnych
niezbyt się tam rozpowszechniły. Jeszcze słabiej pasują do naszych warunków, gdzie i temperatura zimą jest niższa o dalsze
kilka stopni, urbanizacja bardziej zaglomerewana, i stosowane
są scentralizowane systemy ogrzewania. Można tu dodać, że dla
dość powszechnego u nas ogrzewania z elektrociepłowni, wykorzystującego ciepło odpadowe wynikające z drugiej zasady termodynamiki, pompa ciepła zupełnie nie jest konkurencyjna. Dlatego też nie wydaje s i ę , aby wyżej omawiane pompy ciepła o małej mocy do ogrzewania domów jednorodzinnych wykorzystujące
Analiza uwarunkowań stosowania, pomp ciepła w kraju
ciepło powietrza atmosferycznego
5
mogłyby być u nas szerzej
stosowane.
Większe pompy oiepła o mocy od kilkuset kilowatów do kilku
megawatów, głównie wykorzystujące ciepło odpadowe, stosowaně
są na coraz szerszą skalę w przemysłach krajów wysoko rozwiniętych, takich jak RFN, Japonia i Anglia. Znacznie bardziej
takie pompy ciepła przystają do naszej gospodarki cieplnej.
Mogą też i powinny odgrywać w n i e j istotną rolę, im też głównie poświęcone jest niniejsze opracowanie.
Jeżeli chodzi o pompy oiepła o' mocach kilkuset kilowatów,
to mogą one być sprężarkowe, ze sprężarkami tłokowymi.; źródłem
dolnym może jeszcze być powietrze atmosferyczne, ale znacznie
lepsze są wody powierzchniowe lub podziemne, ohociaż najbard z i e j atrakcyjne jest ciepło odpadowe. Większe pompy ciepła
sprężarkowe, o mooach jednego lub kilku megawatów, wymagają
użycia nie produkowanych w kraju sprężarek przepływowyoh oraz
silników elektrycznych o dużej mocy i odpowiednioh l i n i i przesyłowych. blatego znacznie bardziej atrakcyjne mogą okazać się
w zakresie tych mooy sorpcyjne pompy oiepła ozy transformatory
oiepła. Mogą one być budowane całkowioie w kraju, a do ich napędu wystarcza energia cieplna. Źródłem dolnym jest tu prawie
wyłącznie ciepło odpadowe z przemysłu, energetyki lub gospodarki komunalnej.
Tak jak w każdym racjonalnym rozwiązaniu technicznym,
o
zastosowaniu pompy ciepła powinien deoydować rachunek optymalizacyjny. Jego przedmiotem powinny być rozwiązania równań
opisujących pompy ciepła oraz równań opisujących inne układy
spełniające te same co ona funkoje (np. ogrzewanie centralne
koksem, gazem i t p . ) z zastosowaniem wspólnego kryterium optymalizacji o charakterze ekonomicznym. Takie obliczenia bywają
prowadzone dla bardziej typowych przypadków [ 1 ] , [ 4 ] ,
[5].
Niemniej dość trudno uzyskać z nich wystarozające uogólnienia,
szczególnie dla pomp oiepła wykorzystujących ciepło odpadowe,
a więc działających w bardzo różnych warunkach w każdym odrębnym przypadku, i w naszych warunkach, gdzie o kryteria ekonomiczne optymalizacji jest szczególnie trudno.
Z jednej strony do takich obliczeń trzeba dążyć poprzez
opracowanie odpowiednich prototypów, określenie kosztów ich
6
Ε. Brodowicz
wytwarzania, parametry termodynamiczne i straty energetyczne.
Uporządkowania wymagają też ceny energii, co jest powszechnie
wiadome, ale na co rzucają pewne światło dane przedstawione
w załąozniku (tablica 2 ) .
Z drugiej jednak strony, niezależ-
nie od wyników raohunku optymalizacyjnego wiadomo, że energię
trzeba coraz bardziej oszczędzać, tak jak robią to wysoko
uprzemysłowione kraje, którym stosowanie pomp ciepła się opłaca. Można np. w literaturze spotkać dane o zwrocie kosztów nakładów po dwóoh Ozy trzech latach [ i ] ,
nawet po roku [б].
[2], [ 3 ] ,
a niekiedy
Są to więc stosunkowo krótkie okresy ozy
to w porównaniu z okresem zwrotów kosztów w innych inwestycjach energetycznych, czy to w porównaniu z długim czasokresem
ioh spra|mego działania, czego przykładem mogą być pompy ciepła działająoe już od czterdziestu lat.
W tej sytuacji dokonano próby zestawienia niezbędnych informacji, które mogą umożliwić podjęcie decyzji co do celowości stosowania pompy oiepła w określonych warunkach oraz ocenę
przydatności poszozególnych rodzajów pomp ciepła do różnych
zastosowań.
Niezbędne informaoje umożliwiające podjęcie decyzji o zastosowaniu pompy ciepła zestawiono w postaci trzech zbiorów
(S, Z , W ) . Zbiór
S
zastosowania, zbiór
W
przedstawia sprzyjające warunki do jej
Z
zawiera jej szczególne zalety,
zbiór
natomiast podaje wady i ograniczenia, które powinny zapo-
biegać zbyt pochopnemu j e j zastosowaniu.
Zbiory te przedsta-
wiają się następująco!
Zbiór
S - sprzyjająoe warunki do zastosowania pompy
ciepła
3 1 . Gdy jest do dyspozycji źródło oiepła odpadowego o odpowiedniej meoy i temperaturze zbyt n i s k i e j (ale wyższej od
otoozenin), aby wykorzystać je bez zastosowania pompy
oiepła.
S2. Gdy w jakimś urządzeniu przepływa znaczny strumień energ i i , to zamiast dostarozać ją na wlooie i zrzuoać na wylooie, pompą oiepła można wywołać cyrkulację strumienia
iw
bardzo znaozny sposób ograniozyć doprowadzony z zewnątrz
strumień energii.
Analiza uwarunkowań stosowania, pomp ciepła w kraju
7
5 3 . Gdy istnieje zapotrzebowanie zarówno na ciepło i na zimno
( ś c i ś l e j , na energię cieplną oddawaną przez pompę ciepła
na poziomie źródła górnego i na energię cieplną odbieraną
na poziomie źródła dolnego); zapotrzebowanie to może być
jednoczesne (np. chłodzenie chłodni składowej i ogrzewanie
budynku) albo przemienne (np. używanie pompy ciepła zimą
do ogrzewania, latem do klimatyzowania).
5 4 . Gdy energia jest przekazywana na znaozne odległości, zastosowanie pompy ciepła w miejsou poboru energii może spowodować oszczędności na izolacji cieplnej rurociągu powrotnego.
Zbiór
Z - zalety pompy ciepła
Z1. Może w istotny sposób poprawić bilans energetyozny węzła
technologicznego, instalaoji ozy zakładu.
2 2 . Może dostarczać energii cieplnej taniej n i ż inne urządzenia.
Z3. Może stanowić istotny element większego układu cieplnego
gospodarki skojarzonej, obniżając koszt nowej inwestyoji
lub stwarzając możliwośoi modernizacyjne.
2Л.
W znacznie niższym stopniu niż inne systemy ogrzewania
oddziałuje degradująco na środowisko.
Sorpcyjne pompy ciepła mogą być budowane w kraju z dostępnych materiałów po umiarkowanych kosztach.
Zbiór W - wady i ograniazenia zewnętrzne
W1. W sprężarkowej pompie oiepła nie łatwo jest osiągać temperaturę źródła górnego wyższą od 383 Κ, z uwagi na wysokie
ciśnienie występujące w obiegu termodynamicznym.
W2. Różnica temperatur źródeł dolnego i górnego jest dość
ograniczona, i tak dla sprężarkowych pomp ciepła wynosi
ona maksymalnie 50 K , dla sorpcyjnych 60 K .
W3. W kraju brak jest sprężarek do sprężarkowych pomp ciepła:
dla pomp oiepła o mocy od kilku do kilkuset kilowatów
można by je.uzyskać z produkowanych sprężarek ohłodniczyoh
po niewielkioh ioh przeróbkach; duże sprężarki przepływowe dla pomp ciepła,"rzędu megawatów, nie eą w kraju dostępne (chociaż w ograniózońyoh ilośoiaoh), bo ich produkcja nie pokrywa zapotrzebowania chłodnictwa.
8
К.
Broäowioz
1
T a b l i c a
Przydatności różnych pomp ciepła do poszczególnych ich funkojji
Nr
Temperatury źródła
górnego
i dolnego
Funkcja pompy
oiepła i jej moc
w źródle górnym
Skala ocen
przydatności
różnych pomp
ciepła
Dodatkowe
uwagi
Сб
α
да
α)
L°c]
•ri
ё
ιΜ s
га -ш
Ogrzewanie domów
jednorodzinnych
1 ciepłem pobieranym z atmosfery:
O
(0
•to
а
•Ö
•M
ö
Ό
.'.Ω
C«) Ae As
1,5 3,0 3,5
60/0
- 1 0 kW
kolumna rektyfikacyjna
G
C
5,0 9,0
F
0,5
urządzenia
do mycia
F
Ae
3,5 0,5
wyparka
Zawracanie strumienia ciepła
2 (jak w warunku
S2)j
100-500 kff
-P
9
rlH
130/70
Й
o
№
Η
suszarnia
i
t4H
hH
<0
E5
50/30
4»
suszarnia
D Ae
1 , 4 6,0
produkc ja
pary technologicznej
D
F
1,4 0,5
S
TÍH
130/70
Odzysk oiepła
odpadowego ze
9
źródeł technolo- ΉΗ
3 gicznych komuян
Сб
nalnyoh i innych; Е
е
80/50
przy współpracy z CO
lub gospodarką skojarzoną
50/50
odzysk ciepła
ze skraplania
do podgrzewania wody komunalne j
κ
α
is
-ρ
1 i więcej
Ш
•Ρ
9н
•HH
ЙН
СО
г*
Η
В
D
3,5 1,4
-
C
S
1.5 5,0
** Kod określający rodzaj pompy ciepła użyty w rubryoe skali ocen:
A - sprężarkowa ze sprężarką tłokową, Ae - napędzana energią elektryozną, As - napędzana silnikiem spalinowym na gaz, В - sprężarkowa ze sprężarką przepływową,
С - sprężarkowa ze sprężarką strumieniową,
D - sorpcyjna: absorpcyjna, Ε - sorpcyjna: resorpcyjna,
F - transformator ciepła,
G - termosprężanie oparów, Η - powietrze
ze sprężarką przepływową.
Wartości liczbowe przedstawiają orientacyjne współczynniki efektywności w rozpatrywanych warunkach.
Analiza uwarunkowań stosowania, pomp ciepła w kraju
9
W4. Gdyby w kraju zastosować w skali masowej sprężarkowe pompy
ciepła napędzane elektrycznie,to ani nie wystarczyłoby
zainstalowanej mocy elektrycznej, ani nie podołałyby istniejące sieci przesyłowe.
W5. Pompa oiepła stanowi instalację o pewnym stopniu złożonoś c i , wymagającej automatyzacji oraz odpowiednio kwalifikowanej obsługi w zakresie eksploataoji, remontów itp.
Przydatność poszczególnych typów pomp ciepła do różnych
ioh zastosowań przedstawiono w tablicy 1
za pomocą zapropono-
wanej skali! ocen. V rubryce ooen przydatności symbolami literowymi oznaczono różne pompy ciepła według podanego kodu, jednocześnie przeprowadzających ocenę poprzez wpisanie ich symbol i do poszczególnych rubryk oceniającyoh. Obok tyoh symboli
naniesiono przeciętne wartości efektywności, jakie pompa ciepła powinna w tych warunkach osiągać. To daje pewien pogląd,
jakie oszczędności energii można z ioh zastosowania uzyskać.
BIBLIOGRAFIA
[ 1 ] . B e r g h m a n s
J.,
G e l d e r s
L.:
Eoonomic
comparison of the industrial application of heat pumps of
different types, 16th I n t . Congress of Refrigeration,
Oom E2, Paris 1983.
[2] Ε d e
" W.,
M o s e r
D. t Die Wärmepumpe in der
Verfahrenstechnik Springer Verlag, 1979.
[3] К e w
P.A.s
The industrial application of heat pumps,
Heat pumps fundamentals, Proceeding of the NATO Advanced
Study Institute of Heat Pump Fundamentals, Esphinho,
Spain, September 1-12, 1980.
[4] L o o v e r e n
van A . et al.s Determining the capital
cost of industrial heat pumps by correlation. I n t . Symp.
Industrial Applications of Heat Pumps, Coventry 1§82.
[5] L o r e n t z e n
G.:
Economio possibilities and limitations of heat pumps with electric drive, Wärmepumpen,
t , 1 , wyd. 2 , 1980, Vulkan - Verlag Essen.
[6] S a n 0
Μ. et a l . *
Absorption heat pump for upgrading
of industrial waste heat, 16th I n t . Congress of Refrigeration, Com E2, Paris 1983.
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ
ТЕПЛОВЫХ Н А С О С О В В ПНР
К р а т к о е
с о д е р ж а н и е
Решение о целесообразности применения в промышленности
тепловых насосов должно приниматься не только на основе результатов экономического анализа, но и с учетом некоторых дополнительных данных. В работе рассматриваются случаи, встречающиеся
в технике, когда использование тепловых насосов может оказаться
особенно полезным. Дла этих случаев предлагается использование
тепловых насосов соответствующих типов. Автор опирается при
этом на литературных данных, а также исходит из своей осведомленности относительно отечественных условий. В Польше особенно
перспективным» по мнению автора, является применение сорбционных тепловых насосов.
THE ANALYSIS OF THE CONDITIONS OF USING
HEAT PUMPS IN POLAND
S u m m a r y
The decision of effective applying of heat pumps should
be based mainly on economic analysis, as well as on some
additional information.
,
/
In this work, some industrial oases were aeleoted in which
one could expeot the highest effectiveness of applying the
heat pumps. For these oases the most efficient types of heat
pumps were proposed. The choice was based on information taken
from literaturze and on the knowledge of our looal situation.
Sorption heat pumps seem to be especially useful in our
oountry.
Analiza uwarunkowań stosowania, pomp ciepła w kraju
11
c\i
я
•ri
to
ł—1
φ
η
α
o
СМ
·>
ΛΙ
со
KN
Οm
KN
CM
вк
СМ
Φо
Γ-
LA
10«к СУ
«к
(О if
>-<
φ
Ti
Ь
О
щ.
*
л
o
α
ТЭ
<0
ä
л
o
å
o
u
•ri
ьо
Й
4)
g
a
N
o
iM
я
tsj
CQ
Ρ
л
о
я
•Ρ
α
я
TS
О
φ
s
Ν
02
r-
IA
•к
ΙΑ
CN
«к
О•к
ι
СО
«к
KN
•Ρ
=J
Ν
а
и
φ
о
&
я
α
φ
о
%
ty;
Ξ
-β!
ω
t=>
1
if•к
я
ΙΑ
«к
ΙΑ
гOk
KN
ΙΑ
Ο«
ΙΑ ,
I
1
1
&
o
00
ifт
см.
1-1
1
Η
см
NN
KN ^
ΙΑ
О
•к О•к «
к
о
&
гτ-
N
O
co
φP
•Ö
я
φ
о
О CVI
я
д Orr
φ 4 TD
о Μ Я
й
ON
C\J
•k
о
LA
r·»
3•к
KN
•к
О
NN
«к
О
О
00
Т-
φ
Ti
о
φ
•ri
s
-Ρ
0>
φ
Ν
•И
ОтЧ
ЬО
Ό Й
о φ
йd
«
•к
Μ
Μ
^ч
гЧ
(4
LÍ«N
1
φ
C4
Я
ЬО
Я
α
řs
Ν
0
φ
,α
g
•Ö
Φ·
Pi
Я
α
Ό
φ
Γ-Ι
Ο
Я
5
ι—ι
Я
P.
-Р
=1
Η
s
а
r-i
Φ
•ri
ьо
ф>
f*
•о
40
О
α
»
о
&
и.
φ
^
φ
Р-.
ř
о
•Ы
•и
d
i-i
•ri
0)
+>
α
«β
та
Φ
I-I
ТЭ
О.
φ
' ·
а ·>
43 r-i
о ч
(Ч
g Ν
Φ
•Η о
P. ΙΑ
•ri Я
•ri α
f">
Fi Η
Φ ει
ci φ
φ л
-Ρ Ν ΚΝ
η а
5 ξ
ιΜ ·
φ ΝW
•и
ja
л
о
£
3
•d
Л
о
α
й
•ρ
я
φ
о
Л Л
о о
& &
1-1 о
Ά fi
Φ ·0
•г) Cď
О тэ
•ri i-t (5
g g s
О О О
(4 й й
-Ρ -Ρ
•Η
·|Μ Μ
Μ
Я
μ nj Ň Φ Φ (И
я
Η rJ h
Ρι « ΙΑ Φ Φ Η
cd я
6 orvi Ν SI EH
см
KN
UV