Gazowe pompy ciepła – technologie i wydajności

Pod pojęciem „pompa ciepła” rozumie się powszechnie pompę ciepła ze sprężarką napędzaną silnikiem elektrycznym. Jednak wśród pomp ciepła dostępnych na rynku spotyka się też inne technologie.

W pompach sprężarkowych do przenoszenia energii wykorzystywana jest też sprężarka napędzana nie silnikiem elektrycznym, ale spalinowym, zasilanym gazem. Gaz jest bowiem tanim i łatwo dostępnym paliwem silnikowym, a podczas jego spalania powstaje mała ilość szkodliwych substancji. Ponadto silniki gazowe produkowane specjalnie do pomp ciepła osiągają długie okresy pomiędzy przeglądami, gdyż pracują stabilnie, charakteryzują się skróconym suwem oraz niższym ciśnieniem sprężania i w związku z tym niższymi temperaturami spalania.

Coraz częściej w branży operuje się też pojęciem „gazowa pompa ciepła”. Odnosi się ono zarówno do wspomnianej powyżej sprężarkowej pompy ciepła z silnikiem gazowym, jak i do pomp absorpcyjnych z palnikiem gazowym oraz – wprawdzie rzadko – do pomp ciepła, w których użyto gazu (np. CO₂), a nie typowego czynnika chłodniczego.

W branży do opisu technologii pomp ciepła używa się głównie skrótów pochodzących od angielskich nazw:

• EHP (ang. Electric Heat Pumps) – elektryczne pompy ciepła (sprężarkowe),

• GHP (ang. Gas Heat Pumps) – gazowe pompy ciepła (sprężarkowe),

• GAHP – (ang. Gas Absorption Heat Pumps) – gazowe absorpcyjne pompy ciepła.

W gazowych pompach ciepła (GHP) sprężanie następuje przy pomocy sprężarki mechanicznej napędzanej za pomocą silnika spalinowego. Podstawową różnicą w przypadku elektrycznych pomp sprężarkowych EHP i sprężarkowych gazowych GHP jest ciepło powstające podczas pracy silnika spalinowego. Nie jest ono wyrzucane, ale wykorzystywane – trafia do instalacji ogrzewania.

W trybie grzania w GHP sprężony czynnik w procesie skraplania oddaje ciepło do instalacji. Następnie po przejściu przez zawór rozprężny czynnik o niskich parametrach pobiera w parowniku ciepło odpadowe z silnika i znów zostaje sprężony. Pompy te mogą pracować też w trybie chłodzenia i wówczas ciepło z silnika wykorzystuje się do podgrzewu ciepłej wody użytkowej.

Z kolei gazowe absorpcyjne pompy ciepła (GAHP) do wymuszenia przepływu energii z chłodniejszego do cieplejszego układu nie korzystają z urządzeń mechanicznych, czyli sprężarek, ale ze zjawiska absorpcji. Przykładowy opis tego procesu przedstawiono poniżej. Sprężanie czynnika roboczego odbywa się nie w sprężarce, ale w warniku, w którym znajduje się roztwór amoniaku i wody.

Warnik jest ogrzewany palnikiem gazowym, przez co następuje odparowanie amoniaku, wzrost jego temperatury i ciśnienia. Pary amoniaku kierowane są do deflegmatora w celu wykroplenia resztek wody, a czynnik prowadzony jest następnie do skraplacza, gdzie oddaje ciepło do wody zasilającej instalację. Elementem charakterystycznym dla technologii absorpcyjnej jest widoczny na rys. 2 absorber.

Zachodzi w nim proces absorpcji amoniaku przez wodę. Roztwór ubogi rozpraszany jest w parach amoniaku i łącząc się z nimi, wydziela ciepło. To ciepło wykorzystane jest do dalszego podgrzewania wody w skraplaczu. Urządzeniem wymuszającym obieg czynnika w GAHP jest membranowa pompa roztworu. Jest ona tak zbudowana, że z jednej strony membrany znajduje się olej, a z drugiej roztwór wody i amoniaku.

Pompowanie oleju wywołuje pulsacyjne ruchy przepony wymuszające obieg roztworu w układzie. Rozwiązanie z przeponą zastosowano w celu odseparowania obiegu absorpcyjnego od mechanicznych elementów pompy roztworu. Uproszczony schemat ideowy obiegów w GAHP przedstawia rys. 3.

Zastosowanie technologii sprężania termicznego i membranowej pompy roztworu umożliwiło hermetyczne zamknięcie układu czynnika roboczego. W trakcie działania pompy nie ma jakichkolwiek strat amoniaku czy roztworu. Charakterystyczny dla GAHP jest brak urządzeń mechanicznych, takich jak np. sprężarka czy silnik spalinowy. Elementy te należy serwisować, a po pewnym czasie się zużywają, co może spowodować rozszczelnienie układu i ubytek czynnika roboczego.

Układ w GAHP jest hermetyczny i może być rozszczelniony przez uszkodzenia mechaniczne niezwiązane z jego pracą. W tym układzie jedynym newralgicznym elementem są membrany, ale ich żywotność umożliwia kilkadziesiąt lat pracy. Kolejną różnicą między pompami sprężarkowymi a absorpcyjnymi jest to, że w GAHP zamiast syntetycznych czynników chłodniczych stosuje się naturalne substancje: wodę i amoniak.

Gazowe absorpcyjne pompy ciepła mogą być zasilane zarówno gazem ziemnym, jak i LPG. Energia, jaką uzyskuje się na wyjściu z urządzenia, jest sumą ciepła ze spalenia gazu (ze sprawnością jak w kotle kondensacyjnym) i ciepła z energii odnawialnej (gruntu, wody gruntowej, powietrza).

Efektywność pomp ciepła – COP i GUE

Przy porównywaniu różnych technologii pomp ciepła powstaje często problem, co tak naprawdę można porównać. Postęp techniczny i różnorodność urządzeń, a także różne parametry ich pracy powodują, że nie ma jednolitej metodyki obliczeń. Do scharakteryzowania elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła nie używa się pojęcia sprawności, jak w przypadku kotłów, ale współczynnika wydajności cieplnej pompy ciepła – COP (Coefficient of Performance). Określa on stosunek pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a mocą energii elektrycznej niezbędnej do napędu sprężarki.

W praktyce współczynnik COP najczęściej obliczany jest z zależności:

gdzie:
Q_g - moc górnego źródła ciepła [kW],
P_e – moc pobierana przez sprężarkę [kW].

COP to relacja między energią elektryczną dostarczoną do pompy ciepła a energią ciepła dostarczoną przez pompę do instalacji i opisuje efektywność pompy ciepła w jednym konkretnym punkcie pracy. Istotny wpływ na efektywność energetyczną sprężarkowej pompy ciepła ma temperatura zarówno dolnego, jak i górnego źródła ciepła.

W danych technicznych urządzeń COP jest najczęściej podawany dla temperatury 0°C na wejściu do pompy ciepła z dolnego źródła i 35°C na zasilaniu systemu grzewczego. Wartość COP jest ściśle uzależniona od tych dwóch temperatur. Np. dla jednej z pomp przy temperaturach 0/35°C COP = 4,5, a przy 0/50°C COP = 3,6. Im wyższa wartość współczynnika COP, tym wyższa jest efektywność pompy.

COP dla pomp elektrycznych jest podawany głównie wg PN-EN 14511-1 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym wykorzystywane do ogrzewania i oziębiania. Część 1: Terminy i definicje. Dla zobrazowania zagadnienia na marginesie można dodać, że efektywność zwykłego grzejnika elektrycznego zbliża się do wartości 1.

Także pompy ze sprężarkami napędzanymi elektrycznie w pewnych niekorzystnych dla nich warunkach (błędy w doborze górnego i dolnego źródła, błędy wykonawcze) mogą pracować z wydajnością i kosztami porównywalnymi do grzejnika elektrycznego. Aby tego uniknąć, należy starannie dobierać dolne i górne źródło ciepła oraz urządzenie.

W zmieniającej się wydajności pomp zasilanych energią elektryczną w zależności od temperatur dolnego źródła ciepła tkwi atut gazowych sprężarkowych pomp ciepła. Wprawdzie silnik gazowy ma ok. dwukrotnie niższą sprawność od silnika elektrycznego, lecz wyposażone w niego pompy wykorzystują ciepło powstające podczas spalania gazu, co znacznie poprawia ich wydajność.

Ponadto pompy gazowe mogą pracować z wysoką mocą nawet przy bardzo niskich temperaturach dolnego źródła ciepła, co ma zasadnicze znaczenie dla pomp powietrze/woda. Ich wysoka moc okupiona jest jednak wyższym spalaniem gazu i spadkiem efektywności. Kolejnym czynnikiem wpływającym na walory eksploatacyjne są różnice w cenach energii elektrycznej i gazu. Porównanie elektrycznych i gazowych pomp ciepła należy przeprowadzać z dużą ostrożnością.

Najbardziej właściwe wydaje się porównywanie efektywności EHP i GHP pod względem zużycia energii pierwotnej PER (ang. Primary Energy Ratio – rys. 4). Można pokusić się o porównanie za pomocą COP elektrycznych pomp ciepła i gazowych sprężarkowych pomp ciepła, np. kiedy weźmiemy pod uwagę oba układy pracujące z tym samym czynnikiem chłodniczym i o takiej samej budowie wymienników, sprężarek i innych elementów urządzenia – gdy stanowią one praktycznie takie same obiegi termodynamiczne, COP będzie taki sam [2].

Ale pomiędzy EHP i GHP jest pewna różnica polegająca na tym, że pompy gazowe zużywają mniej energii do wytworzenia takiej samej mocy koniecznej do zasilania sprężarki. Ponadto ciepło powstające ze spalania gazu w silniku wytwarzającym energię mechaniczną do napędu sprężarek nie jest tracone i wykorzystuje się je w obiegu termodynamicznym pompy ciepła. Tym samym COP gazowych pomp sprężarkowych ma wysokie wartości przy niskich temperaturach w stosunku do wartości, jakie osiągają pompy z napędem elektrycznym (rys. 5).

Stała wydajność grzewcza urządzeń gazowych uzyskiwana jest jednak przez spalanie większej ilości gazu i w temperaturze powietrza ok. 0°C efektywność GHP spada poniżej 1,1. Praca tradycyjnych pomp ciepła typu powietrze/woda bez doprowadzenia energii zapobiegającej szronieniu wymienników była trudna już przy temperaturach poniżej 7°C.

Ten problem wielu producentom nowoczesnych EHP typu powietrze/woda udało się rozwiązać poprzez zastosowanie różnorodnych rozwiązań umożliwiających pracę w niskich temperaturach, bez ryzyka uszkodzenia urządzenia i z wydajnością umożliwiającą optymalne zasilanie układu grzewczego. Należy tu jednak podkreślić, że współczynnik COP jest podawany jako wartość chwilowa, dla konkretnych warunków i urządzeń.

W publikacjach [1, 2] wskazywano, że porównanie EHP i GHP wymaga zwrócenia uwagi na fakt, że w tych drugich urządzeniach energia pierwotna (gaz) jest przetwarzana na miejscu i bez strat na przesyle oraz z większą sprawnością niż energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach węglowych i docierająca do urządzenia ze stratami podczas przesyłu. Nie wspominając o tym, że wytworzenie energii elektrycznej w Polsce obarczone jest wysoką emisją spalin, w tym CO₂, i kosztami ekologicznymi.

Do określenia wydajności gazowych absorpcyjnych pomp ciepła niemożliwe jest zastosowanie współczynnika COP. Urządzenia absorpcyjne nie wykorzystują sprężarki i są zasilane ciepłem, w związku z tym ich efektywność (sprawność) należy określać inaczej. Efektywność pomp GAHP opisywana jest za pomocą współczynnika efektywności spalania gazu GUE (ang. Gas Utilization Efficiency):

gdzie:
Q_PC – moc dostarczona (wyprodukowana) przez pompę ciepła,
G_PC – energia dostarczona w postaci gazu (energia wyliczona na podstawie wartości opałowej).

GUE to stosunek mocy dostarczonej (wyprodukowanej) przez pompę ciepła QPC do energii dostarczonej w postaci gazu (energia wyliczona na podstawie wartości opałowej) GPC. Jest to wielkość stosowana przez producentów urządzeń gazowych.

Np. dla pompy GAHP-A LT (gazowej absorpcyjnej pompy ciepła typu powietrze/woda) przeznaczonej do zasilania instalacji niskotemperaturowych (np. ogrzewania podłogowego) producent podaje, że przy parametrach A7/W35 – czyli temperaturze powietrza zewnętrznego 7°C i temperaturze 35°C dla wody grzewczej odbieranej na skraplaczu - moc wynosi 41,6 kW, a efektywność 165% GUE.

Jak zatem widać na przytoczonych przykładach danych technicznych podawanych przez producentów, wartości COP i GUE nie mogą być bezpośrednio porównywane. Mniejszy błąd popełnilibyśmy, gdybyśmy porównywali sprawność gazowego kotła kondensacyjnego i GUE gazowej absorpcyjnej pompy ciepła, dla których producenci podają przykładowe wartości odpowiednio 110% i 165%.

To proste, ale niepozbawione mankamentów porównanie wskazuje, ile szacunkowo moglibyśmy uzyskać energii z tej samej ilości gazu dostarczonego do urządzenia, co ma bezpośredni wpływ na koszty eksploatacyjne.

Wracając do porównania pomp ciepła, urządzenia sprężarkowe i absorpcyjne dzielą istotne różnice. Urządzenia sprężarkowe – EHP i GHP – działają na zasadzie lewobieżnego obiegu chłodniczego. Natomiast w GAHP mają miejsce dwa obiegi – prawobieżny napędowy i lewobieżny chłodniczy. Aby skonfrontować efektywność pomp ciepła napędzanych elektrycznie i gazowo, wartości współczynników powinny być zamienione na „wskaźnik zużycia energii pierwotnej” PER. Jednak gaz uznawany jest za paliwo pierwotne, natomiast energia elektryczna – nie.

Prawidłowe porównanie wymagałoby zatem zamiany energii elektrycznej na energię pierwotną, co opisuje zależność:

gdzie:

PER_EPC – wskaźnik zużycia energii pierwotnej przez elektryczną pompę ciepła,
Q_PC – energia dostarczona przez pompę ciepła,
E_PC – energia elektryczna dostarczona do pompy ciepła,
η_el – sprawność wytwarzania energii elektrycznej oraz jej transportu.

Dla gazowych pomp ciepła współczynnik ten wylicza się następująco:

gdzie:

PER_GPC – wskaźnik zużycia energii pierwotnej przez gazową pompę ciepła,
Q_PC – energia dostarczona przez pompę ciepła,
G_PC – energia dostarczona w postaci gazu do gazowej pompy ciepła określona z wartości opałowej,
E_GPC – energia elektryczna zużyta przez gazową pompę ciepła, np. na potrzeby sterowania, zasilania elektrody jonizacyjnej, zasilania pompki czynnika,
η_el – sprawność wytwarzania energii elektrycznej i jej transportu.

W tym miejscu należy jednak podkreślić, że kompleksowe porównanie różnych instalacji nie może opierać się tylko na współczynnikach wydajnościowych. Na taką analizę składają się również: temperatura pracy, przepływy medium, konstrukcja dolnego źródła, serwis, produkcja c.w.u. itd.

Podsumowanie

W scenariuszach rozwoju energia elektryczna ma mieć coraz większy udział w zasilaniu urządzeń instalacji grzewczych. Zakłada się jednocześnie, że będzie temu towarzyszył wzrost produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, nieobciążonej emisją spalin i CO₂ do atmosfery. Z drugiej strony nowe budynki zużywać będą coraz mniej energii, a stare będą modernizowane, zatem do ich ogrzewania wystarczą wysokosprawne urządzenia o małej mocy, jak np. pompy ciepła.

Jednak obecnie odczuwamy raczej niedobór energii elektrycznej. Ponadto w Polsce jej produkcja obarczona jest wysoką emisją CO₂, gdyż powstaje ona głównie ze spalania węgla, a sprawność dostaw wynosi ok. 25% [3]. Tym samym traktowanie elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła jako ekologicznych urządzeń nie zawsze jest zasadne. Pod względem wykorzystania energii pierwotnej i emisji spalin w całym procesie korzystniej wypadają gazowe pompy ciepła, w tym gazowe absorpcyjne pompy ciepła, i tym samym technologie te warte są uwagi.

GAHP współpracują efektywnie z każdym systemem ogrzewania. Można je wykorzystywać jako źródło zasilania zarówno instalacji niskotemperaturowych (ogrzewanie podłogowe, klimakonwektory), jak i wysokotemperaturowych (ogrzewanie konwekcyjne, nagrzewnice nadmuchowe). Ich wszechstronność umożliwia też podłączanie do już istniejących instalacji w ramach modernizacji, w celu poprawy efektywności i zmniejszenia kosztów ogrzewania czy chłodzenia.

Gazowe absorpcyjne pompy ciepła i gazowe absorpcyjne wytwornice wody lodowej znalazły już zastosowanie w wielu miejscach na świecie. Dotychczas popularności GAHP na rynku grzewczym nie sprzyjał brak urządzeń o mocach odpowiednich dla zasilania instalacji w domach jednorodzinnych. Obecnie na ukończeniu są prace jednego z producentów nad wprowadzeniem na rynek takiego urządzenia i należy oczekiwać, że zwiększy to popularność i znajomość tej technologii w branży.

Literatura

1. Śnieżyk R., Gazowe pompy ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2011.

2. Wałek T., Juszczyk J., Nowoczesne energooszczędne technologie w klimatyzacji i wentylacji, XXVI Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2011.

3. Śnieżyk R., Parametry pracy gruntowej pompy ciepła z sondami pionowymi do przygotowania c.w.u., „RI” nr 11/2010.

4. Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Wyd. III, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006.

5. Rubik M., Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej, MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2011.

6. Zalewski W., Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, IPPU MASTA, Warszawa 2001.

7. Kosieradzki J., Gazowa pompa ciepła w instalacji grzewczej i chłodniczej, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2010.

8. www.gazowe-pompy-ciepla.pl, www.robur.pl, www.aisin.pl.

9. PN-EN 12309-1:2002 Urządzenia klimatyzacyjne absorpcyjne i adsorpcyjne i/lub wyposażone w pompy ciepła, zasilane gazem, o obciążeniu cieplnym nieprzekraczającym 70 kW. Cz. 1. Bezpieczeństwo.

10. PN-EN 12309-2:2002 Urządzenia klimatyzacyjne absorpcyjne i adsorpcyjne i/lub wyposażone w pompy ciepła, zasilane gazem, o obciążeniu cieplnym nieprzekraczającym 70 kW. Cz. 2. Racjonalne zużycie energii.