Kompletne systemy energetyczne wykorzystujące czystą i darmową energię środowiska naturalnego z zastosowaniem:

1. Pomp ciepła
2. Kolektorów słonecznych
3. Fotoogniw i elektrowni wiatrowych małej mocy

Specjalizujemy się w rozwiązaniach kompleksowych.
Świadczymy:
Usługi projektowe i wykonawcze

Nasza dewiza brzmi:
OD PROJEKTU DO EFEKTU

Autor: prof. dr hab. inż. Zygmunt Lipnicki, Uniwersytet Zielonogórski

(„Czysta Energia” – kwiecień 2008)

Pompa ciepła jest urządzeniem, w którym realizuje się lewobieżny obieg termodynamiczny, umożliwiający przekazywanie ciepła z obszaru o temperaturze niższej (dolne źródło ciepła) do obszaru o temperaturze wyższej (górne źródło ciepła). Wymieniony obieg przebiega dzięki doprowadzeniu energii napędowej z zewnątrz na sposób pracy mechanicznej (SPC – sprężarkowa pompa ciepła) lub ciepła (absorpcyjna pompa ciepła) do czynnika termodynamicznego pompy ciepła, który jest pośrednikiem w przekazywaniu energii. O efektywności pompy ciepła (sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny i parownik) decyduje stosunek ilości ciepła uzyskanego w skraplaczu (źródło ciepła o wyższej temperaturze) do ilości energii użytej do napędu sprężarki. Nazywany jest on współczynnikiem wydajności cieplnej (COP- coefficient of performance). Na temat pomp ciepła w literaturze fachowej pojawiło się ostatnio wiele opracowań^1-8.

Uwarunkowania dla pompy ciepła

Główną przyczyną zastoju w stosowaniu pomp ciepła w Polsce są wysokie koszty inwestycyjne urządzeń i instalacji towarzyszących oraz mała wiedza na ten temat.

Ważnym argumentem przemawiającym za stosowaniem pomp w danym miejscu są warunki zewnętrzne - dostępność do tzw. źródeł ciepła. Szczególnie ważna jest ich pojemność cieplna, odnawialność i temperatura, która przez swą zmienność w czasie w sposób istotny wpływa na współczynnik wydajności cieplnej pompy. Im wyższa temperatura, tym większa efektywność pompy ciepła. Korzystne warunki do budowy instalacji pomp ciepła panują w pobliżu oczyszczalni ścieków, źródeł energii odpadowej z zakładów przemysłowych, naturalnych zbiorników wód powierzchniowych i podziemnych. Wody podziemne stanowią bardzo interesujące dolne źródło ciepła. Pobierają one ciepło bezpośrednio z gruntu, a pośrednio z wnętrza ziemi i od słońca. Stanowią źródło o dobrej koherentności i stosunkowo łatwej dostępności.

Reasumując, można powiedzieć, że wydajność grzejna pomp ciepła zależy od temperatury źródeł ciepła oraz od rodzaju układu grzewczego (systemu). Zastosowanie pompy będzie korzystne gdy doprowadzi się do mniejszego zużycia paliwa. Należy rozpatrywać zużycie energii we wszystkich etapach – wydobycia paliwa, jego transportu i przerobu – oraz pod względem sprawności samego źródła ciepła. Nazywa się to w literaturze skumulowaną sprawnością energetyczną⁵. Przy dokładnej analizie przydatności pompy ciepła należy określić jej graniczny wskaźnik wydajności grzejnej, poniżej którego pompa ciepła nie zapewnia oszczędności paliwa. Jego wartość zależy od rodzaju zastępowanego źródła ciepła. Ostatecznym kryterium doboru pompy ciepła powinno być to ekonomiczne, które musi iść w parze z kryterium energetycznym. Wstępna analiza termodynamiczna, winna dawać podstawy do rozważań ekonomicznych.

Pompa ciepła w systemie grzewczym

Zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania daje korzyści ekologiczne i energetyczne. Do pierwszych można zaliczyć przede wszystkim zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, tlenków azotu i siarki.

Jeżeli lokalne źródła ciepła nie posiadają dostatecznych walorów termicznych, tj. temperatura wody jako źródła ciepła nie jest wystarczająco wysoka, aby ją wykorzystać bezpośrednio do ogrzewania budynków, pompę można traktować jako urządzenie wspomagające w ogrzewaniu. Takim przykładem jest współpraca odwiertu z pompą ciepła (rys. 1, system Geohil). Temperatura wypływającej wody z odwiertu, która jest jeszcze zbyt niska do ogrzewania, zostaje podniesiona za jej pomocą do temperatury użytecznej.

Korzyści energetyczne zastosowania pomp ciepła można pokazać, porównując różne systemy ogrzewania: ogrzewanie tradycyjne, ogrzewanie sprężarkową pompą ciepła SPC, ogrzewanie absorpcyjną pompą ciepła, ogrzewanie SPC współpracującą z silnikiem spalinowym2, 7, przy tej samej ilości energii pierwotnej (100%). Z wymienionych wyżej sposobów ogrzewania najbardziej efektywnym jest sposób oparty na zastosowaniu SPC napędzanej silnikiem spalinowym. Wykorzystane jest tu oprócz ciepła z otoczenia ciepło chłodzenia silnika spalinowego i ciepło spalin odlotowych. W tym przypadku ze 100% energii pierwotnej uzyskuje się ok. 175% ciepła użytecznego. Pokazane wyżej systemy różnią się tylko koncepcjami ogrzewania.

Istotną przyczyną poprawiającą efektywność może być bezpośrednie wykorzystanie pompy ciepła do ogrzewania instalacjami niskotemperaturowymi. Przykładem takiego ogrzewania jest powierzchniowe. Ze względu na duży obszar grzewczy można zastosować niską temperaturę ogrzewania, a tym samym czynnika termodynamicznego (grzewczego). Innym przykładem może być ogrzewanie basenów, gdzie temperatura wody kąpielowej wynosi ok. 25°C. Przykład koncepcji ogrzewania basenu to zastosowanie SPC z czynnikiem termodynamicznym freon R32 i wykorzystaniem wody studziennej jako dolnego źródła ciepła (przedstawiono go w pracy autora7 i na rys. 2). Z bilansu ciepła rozważanego basenu wynika zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w ilości ok. 130 kW, które pokrywane jest przez ciepło pobierane ze studni głębinowych w ilości ok. 110 kW i ze strumienia energii elektrycznej dostarczanej do napędu sprężarki, wynoszące 26 kW. Bilans energii nie zamyka się, czego przyczyną są przede wszystkim straty na sprężarce. Taki sposób ogrzewania wydaje się bardzo efektywny.

Na koszty wytwarzania ciepła składają się m.in. koszty energii i nakładów inwestycyjnych. Nakłady inwestycyjne na SPC wraz z instalacją są prawie 3,5 razy wyższe niż na tradycyjne źródła energii. Koszty eksploatacji pomp ciepła współpracujących z OZE są znacznie niższe niż koszty eksploatacji tradycyjnych sposobów ogrzewania (wykorzystanie kotła gazowego i olejowego). W cytowanej pracy pokazano na przykładzie basenu, że zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania tego typu obiektu jest szczególnie opłacalne. Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej osiągnął wysoką wartość równą COP = 5,03.

Pompy ciepła do produkcji prądu elektrycznego

Obecnie powszechnie produkcję prądu elektrycznego na wielką skalę realizuje się w siłowniach parowych, pracujących wg obiegu Clausiusa-Rankine’a, w których czynnikiem termodynamicznym jest woda.

kliknij w obrazek aby go powiększyć 

Do napędu turbiny nieodzowne są odpowiednie parametry termodynamiczne pary wodnej. Względnie wysokie ciśnienie i wysoka temperatura przegrzania sprzyjają, zgodnie z zasadami termodynamiki, osiągnięciu pożądaniu sprawności obiegu termodynamicznego. 

Wytwarzanie prądu elektrycznego za pośrednictwem pompy ciepła wydaje się też możliwe. Schemat takiej instalacji i odpowiadający jej obieg termodynamiczny na wykresie i-s przedstawiono na rys. 3 i 4. 

Czynnik termodynamiczny przepływający z dolnego źródła ciepła dostarczany jest do wytwornicy pary, gdzie przekazuje ciepło q (4-1). Wytworzona para wpływa do turbiny parowej i rozpręża się (1-2) wytwarzając prąd elektryczny. Para z turbiny wpływa do skraplacza, gdzie się skrapla i oddaje ciepło skraplania 0 q (2-3). Kolejno ciekły czynnik termodynamiczny przy pomocy pompy (3-4) wpływa ponownie do wytwornicy pary. Omówione w skrócie przemiany (4-1-2-3-4) realizują klasyczny obieg Clausiusa-Rankine’a, którego sprawność termiczna ηCR , jak wynika z przykładowego obiegu dla czynnika termodynamicznego freon R32, wynosi ok. 20%. Niska sprawność obiegu wydaje się mało interesująca, szczególnie dla SPC, w których sprężarka napędzana byłaby prądem. Przedstawiona konstrukcja z wykorzystaniem pompy ciepła mogłaby być do zaakceptowania, jeżeli iloczyn współczynnika COP SPC i sprawności ηCR obiegu Clausiusa-Rankine’a byłby dużo większy od jedności.

Omawiana instalacja do wytwarzania prądu (pompa ciepła i siłownia parowa) może być użyteczna, w miejscach oddalonych od elektrowni i tam gdzie dostarczanie prądu przy pomocy sieci przesyłowych jest trudne do realizacji. Przy podejmowaniu decyzji o wytwarzaniu w ten sposób prądu wymagana jest pełna analiza energetyczna oraz ocena tzw. sprawności skumulowanej⁵.

Główne korzyści

Z podstaw termodynamiki wiadomo, że siłę sprawczą przepływu ciepła stanowi różnica temperatur, a kierunek strumienia ciepła jest zgodny ze spadkiem temperatury. Ilościowo wyraża to prawo Fouriera. Główną korzyścią z zastosowania pomp ciepła jest wywołanie w efekcie łącznym przepływu ciepła „pod prąd”. W elementach składowych pełnego procesu zachodzącego w pompie ciepła, kierunki przepływu ciepła są zgodne ze spadkami temperatury. Energia dodana w pompie ciepła w ogólnym bilansie energii jest znikoma, natomiast najważniejszy i ilościowo największy jest przepływ ciepła ze źródła dolnego do górnego. Wymogi lokalne – zewnętrzne: dostępność do dolnego źródła i jego jakość oraz warunki otoczenia, które nie zawsze pokrywają się z parametrami dolnego źródła, determinują zastosowanie i wykorzystanie pompy ciepła.

Źródła

1. Brodowicz K., Dyakowski T.: Pompy Ciepła. PWN. Warszawa 1990.

2. Rubik M.: Pompy Ciepła – Poradnik. Branżowy Ośrodek Informacji Naukowej Technicznej i

Ekonomicznej. Warszawa 1996.

3. Chmielowski A., Nowicki J., Rubik M.: Poradnik – ogrzewanie, wentylacja, termorenowacja

(warsztatów, salonów wystawowych, magazynów, budynków przemysłowych), pompy ciepła. Warszawa

1997.

4. Zalewski W.: Pompy Ciepła. Podstawy teoretyczne i przykłady zastosowań. Kraków 1995.

5. Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN. Warszawa 1998.

6. Kubski P.: Propozycja oceny energetycznej lokalnych zasobów wód geotermalnych. „Gospodarka

Paliwami i Energią” 3/1998.

7. Lipnicki Z., Machel G.: Die Nutzung der Wärme aus Grundwasser am Beispiel der Beheizung einer

Schwimmhalle. Nutzung von Alternativen Energien. Deutsch-Polnisches Ökologisches Symposium.

Cottbus 2000.

8. Lipnicki Z., Sobich J.: The consumption of the heat from the earth. International Conference on Thermal

Energy Storage. Warszawa 2003.

Autor: prof. dr hab. inż. Zygmunt Lipnicki, Uniwersytet Zielonogórski

(„Czysta Energia” – kwiecień 2008)

cire.pl