Gazowe pompy ciepła

Zasada pracy pompy ciepła opiera się na lewobieżnym obiegu termodynamicznym [1–3]. Dzięki pracy mechanicznej, niezbędnej do napędu sprężarki, zwiększana jest temperatura w górnym źródle ciepła. Do napędu sprężarek wykorzystuje się najczęściej energię elektryczną – to rozwiązanie nazywane jest w dalszej części artykułu „klasyczną pompą ciepła”. Z kolei przykład zastosowania pompy ciepła ze sprężarką napędzaną silnikiem gazowym przedstawiono m.in. w publikacji [4].Rozwiązanie z silnikiem elektrycznym nie daje niestety zadowalającego efektu energetycznego i ekonomicznego [5]. Jest to przede wszystkim rezultatem bardzo niskiej sprawności wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej – wynosi ona ok. 25%. Jak wykazano w artykule [6], najlepszym dolnym źródłem ciepła są sondy pionowe, a najmniej ekonomicznym rozwiązaniem jest zastosowanie wężownic poziomych.Pojęcie „gazowa pompa ciepła” nie jest jednoznaczne, może bowiem oznaczać jedno z trzech poniższych urządzeń:

• pompę ze sprężarką napędzaną silnikiem spalinowym na gaz, np. ziemny [7],
• pompę, dla której nośnikiem ciepła w obiegu termodynamicznym jest gaz, np. CO2 [8],
• gazową absorpcyjną pompę ciepła z palnikiem gazowym ogrzewającym roztwór, np. wody z amoniakiem, w obiegu absorpcyjnym [8].

Klasyczna pompa ciepła (z silnikiem elektrycznym)

Na rys. 1 pokazano schematycznie budowę klasycznej pompy ciepła. Charakterystyka pompy to graficzna ilustracja zmiany mocy cieplnej Q [kW], mocy napędu sprężarki N [kW] oraz wskaźnika COP, który jest definiowany zależnością:Na rys. 2 przedstawiono przykładową charakterystykę jednej z pomp ciepła firmy Viessmann. Na podstawie dostępnych danych możliwe jest obliczenie zależności wskaźnika COP od temperatur dolnego i górnego źródła ciepła [6]. W przypadku opisywanej pompy ma ona postać:Zależność taka umożliwia szczegółowe obliczenie warunków pracy pompy w ciągu całego roku, co jest niezbędne do przeprowadzenia rzetelnych analiz ekonomicznych oraz znalezienia najlepszych rozwiązań technologicznych. Przy stałej wydajności sprężarki zakres zmian mocy cieplnej jest dość duży i odwrotnie proporcjonalny do potrzeb centralnego ogrzewania.

Gazowa pompa ciepła (z silnikiem spalinowym)

Zamiast silnika elektrycznego do napędu sprężarki można zastosować silnik spalinowy zasilany gazem ziemnym lub LPG. Na rys. 3 pokazano schemat budowy takiej gazowej pompy ciepła. W przypadku tego rozwiązania można dodatkowo wykorzystywać ciepło spalin i pochodzące z procesu chłodzenia silnika spalinowego. Zwiększa to w oczywisty sposób efekty energetyczne zastosowania pompy. Wprawdzie silnik spalinowy charakteryzuje relatywnie niska sprawność, bo zaledwie 25–40%, podczas gdy silnik elektryczny ma sprawność rzędu 80–90%, jednak przy kalkulacji kosztów należy również uwzględnić niższą cenę gazu.Miarodajne byłoby porównanie charakterystyk pracy obydwu rodzajów pomp ciepła w takich samych warunkach, nie jest to jednak proste, gdyż producenci nie podają wszystkich niezbędnych danych. Ponadto zupełnie inaczej definiowany jest w obu przypadkach wskaźnik COP.

Pompa ze sprężarką z gazowym silnikiem spalinowymCiekawe rozwiązanie gazowej pompy ciepła proponuje firma Aisin-Toyota [10], która udostępniła wiele materiałów dotyczących wykorzystania swojego urządzenia, szczególnie w zakresie klimatyzacji. Pompie tej poświęcono wiele publikacji. W jednej z nich [11] porównano moc cieplną gazowej i elektrycznej pompy ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej (rys. 4). Potwierdza to fakt utrzymywania się niemal stałej mocy cieplnej gazowych pomp ciepła w ciągu całego roku (niezależnie od temperatury zewnętrznej).Jak wiadomo, potrzeby cieplne związane z ogrzewaniem są zmienne, tym większe, im niższa jest temperatura zewnętrzna. Ze stałą mocą cieplną wiąże się zmienne zużycie gazu. Regulacja zmiany obrotów sprężarki przy wykorzystywaniu napędu spalinowego jest znacznie łatwiejsza niż w przypadku silników elektrycznych. Z drugiej strony trudno ocenić, jaka część gazu przekształcana jest w energię mechaniczną do napędu sprężarki, a jaka podgrzewa bezpośrednio obieg ogrzewczy.Wśród udostępnionych przez producenta materiałów nie ma jednak najbardziej potrzebnych – charakterystyk pracy, które pozwoliłyby na jak najbardziej efektywne wykorzystanie wszystkich zalet urządzenia.Pompa z gazowym nośnikiem ciepłaZ kolei Sanyo proponuje pompy ciepła z gazowym nośnikiem ciepła – dwutlenkiem węgla [7]. Na rys. 5 zaprezentowano schemat budowy tej pompy. Sprężarka jest w tym wypadku napędzana silnikiem elektrycznym.

Uzyskiwane współczynniki COP, w przedziale 1,8–4,0, są bardzo niskie i raczej nie spełniają oczekiwań ze względu na bardzo niski stopień wykorzystania energii pierwotnej. Zaletą tych pomp jest możliwość ich zastosowania w celu uzyskania wysokich temperatur, nawet do 90°C. Temperatura dolnego źródła ciepła w klasycznych pompach nie powinna być wyższa niż 25°C ze względu na dopuszczalne ciśnienie nośnika ciepła.Na rys. 6 przedstawiono charakterystykę pompy ciepła Sanyo sporządzoną na podstawie danych producenta [7]. Temperatura górnego źródła ciepła jest najprawdopodobniej stała i wynosi 50°C. Trudno wyjaśnić wzrost mocy cieplnej oraz mocy silnika elektrycznego napędzającego sprężarkę. Może to np. sugerować płynną regulację obrotów silnika elektrycznego. Gazowa absorpcyjna pompa ciepłaW przypadku ciepłowni geotermalnych (np. w Pyrzycach - rys. 7) stosuje się absorpcyjne pompy ciepła z zasilaniem z wysokotemperaturowych kotłów gazowych (parametry czynnika grzewczego tz/tp = 155/145°C), aby obniżyć temperaturę wody geotermalnej zwracanej do złoża. Z kolei firma Robur produkuje absorpcyjną pompę ciepła z palnikiem gazowym podgrzewającym bezpośrednio warnik. Schemat budowy tej pompy pokazano na rys. 8. Producent nie podał niestety na swojej stronie internetowej charakterystyk pracy pompy pozwalających na ocenę energetyczną wykorzystania tego rozwiązania. W dostępnych opisach poszczególnych typów można znaleźć pojedyncze wartości najprawdopodobniej współczynnika COP, który nazywany jest w materiałach „efektywnością zużycia gazu” lub „sprawnością cieplną” – zawierającą się w zakresie 149–244%.

Porównanie emisji CO2 dla pomp klasycznych i gazowych

Zakładając prawdopodobne zużycie paliw pierwotnych oraz przyjmując, że silnik spalinowy służy wyłącznie do napędu sprężarki pompy ciepła, porównano ilość wytwarzanego dwutlenku węgla w przypadku obu rozwiązań pomp. Posłużono się sprawnością wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej ηp = 25% i przesyłania gazu ηp = 98,5% (energia do tłoczenia gazu w sieci przesyłowej) według [14]. Wskaźniki wielkości emisji CO2 dla paliw przyjęto za [15]. Wyniki obliczeń podano w tab. 1.Zastosowanie gazowej pompy ciepła pozwala na zmniejszenie ilości dwutlenku węgla – aż o 70% w porównaniu do napędu elektrycznego sprężarki. Z obliczeń wynika, że sugerowana przez autorów publikacji [11–13] redukcja ilości CO₂ w wysokości 50% jest w rzeczywistości jeszcze większa.

Podsumowanie

Na podstawie dostępnych informacji stwierdzić można, że zastosowanie do celów grzewczych gazowych pomp ciepła jest rozwiązaniem wartym zainteresowania. Jednak aby można było w pełni wykorzystać potencjał tych pomp, konieczne jest uzyskanie następujących informacji:

• dokładne charakterystyki urządzeń z wyznaczeniem udziału i wielkości poszczególnych części wykorzystania energii z gazu,
• opis sposobów regulacji wydajności w zależności od potrzeb,
• warunki techniczne pracy urządzeń w różnych sytuacjach,
• zależność wskaźnika COP od temperatur dolnego i górnego źródła ciepła,
• wysokość temperatury w obiegu pompy ciepła oraz zmiany wydajności źródła uzupełniającego.

Dopiero te dane umożliwią pełne wykorzystanie gazowych pomp ciepła w konkretnych instalacjach grzewczych, z uwzględnieniem ich specyficznych wymagań.

Literatura

1. Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Wydanie III, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006.
2. Rubik M., Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej, MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2011.
3. Zalewski W., Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, IPPU MASTA, Warszawa 2001.
4. Kosieradzki J., Gazowa pompa ciepła w instalacji grzewczej i chłodniczej, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2010.
5. Śnieżyk R., Parametry pracy gruntowej pompy ciepła z sondami pionowymi do przygotowania c.w.u., „Rynek Instalacyjny” nr 11/2010.
6. Śnieżyk R., Oszacowanie współczynnika COP pomp ciepła do centralnego ogrzewania, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 1/2011.
7. www.klimatyzacja.sanyo.pl.
8. www.gazowe-pompy-ciepla.pl.
9. www.viessmann.pl.
10. www.aisin.pl.
11. Wałek T., Juszczyk J., Nowoczesne technologie w klimatyzacji i wentylacji z zastosowaniem gazowych pomp ciepła, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 6/2011.
12. Wałek T., Juszczyk J., Nowoczesne energooszczędne technologie w klimatyzacji i wentylacji – cz. 1, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 5/2011.
13. Wałek T., Juszczyk J., GHP – energooszczędne technologie w klimatyzacji i wentylacji – cz. 2, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 7/2011.
14. Żmijewski K., Białe Certyfikaty – trudne dylematy. Czy stać nas na nieoszczędzanie?, debata „Białe Cetyfikaty”, Warszawa, 14 lipca 2009 r., www.proinwestycje.pl.
15. Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO 2 w roku 2007 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2010, KASHUE, www.kashue.pl.