Jednym z negatywnych efektów ubocznych nadmiernego zainteresowania pompami ciepła jest to, że rynek został zalany nie do końca kompetentnymi informacjami w celu zwiększenia sprzedaży. Sprawność pomp ciepła kryjąca się pod tajemniczym skrótem COP (współczynnika efektywności) zmienia od definicji do podawania go, jako argumentu sprzedażowego. Z zasady nie ma w tym nic złego, ale nieodpowiednie jest używanie go bez związku z tym czy jest on adekwatny czy nie, bez żadnego związku z warunkami użytkowania aplikacji i bez brania pod uwagę ekonomiki pracy. Celem niniejszego artykułu jest oddzielne przysłowiowego jabłka i pomarańczy w rozumieniu COP.
- Podobnie jak woda nie płynie pod górę, tak i ciepło nie będzie przepływało automatycznie z niższej temperatury Tb (K) (b – dolne źródło ciepła) do wyższej Ta (K) (a – odbiór ciepła). Potrzebna jest do tego energia. Współczynnik COP, który jest teoretycznie osiągalny nazywany jest wydajnością Carnota i powiązany jest ze źródłem i odbiorem ciepła.
Rysunek 1 pokazuje teoretyczne COP dla większości
zastosowań. Wydajność obiegu Carnot’a spada równie szybko jak wzrasta różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem ciepła a odbiorem!
Rzeczywista wartość współczynnika COP jest nieco niższa. Związek pomiędzy rzeczywistą a teoretyczną wartością współczynnika COP nazywamy całkowitą wydajnością.
COP rzeczywiste = η x COPcarnot
Jako odniesienie wykorzystaliśmy najwyższe wartości dla obecnych pomp ciepła dostępnych na rynku, wliczając w to sprzęt ze zmienną temperaturą źródła ciepła i emisji w ciągu całego roku.
W ogólnej wydajności brane są pod uwagę następujące kwestie:
|
1. Temperatura źródła ciepła nie jest zwykle stała, mają na nią wpływ pory roku, jak również dostarczone i odprowadzone ciepło (wykres 2).
2. Temperatura emisji ciepła nie jest zwykle stała (wykres 3).
3. Do transportu i rozprowadzenia ciepła potrzebne są dodatkowe urządzenia takie jak pompa.
4. Ciepło musi być przekazane za pośrednictwem skraplaczy. Aby uzyskać najwyższą wartość COP różnica temperatur pomiędzy temperaturą parowania a temperaturą skraplania powinna być jak najmniejsza,
a) różnica temperatur mniejsza od 3K jest technicznie i komercyjnie możliwa do uzyskania w skraplaczach,
b) w parowniku zależy od sposobu odparowania. W parowniku zalanym lub natryskowym (FX) dolna granica wynosi około 1K. Z pełnym obciążeniem różnica zwykle jest mniejsza od 3K. W parowniku ze sterowaniem ilością czynnika chłodniczego względem przegrzania czynnika (DX) różnica temperatur będzie musiała co najmniej odpowiadać minimalnemu stabilnemu przegrzaniu (wykres 7). Zwykle jest to około 7 – 8 K, dlatego więc DX ma zawsze gorsze COP niż FX (4 do 9%),
c) rodzaj czynnika wpływa na transfer ciepła. Amoniak (R717) przenosi więcej ciepła niż czynniki syntetyczne. To może dać nam różnicę 1K przy równoważnej powierzchni wymiany ciepła.
|
Wykres 2.
Wykres 3
|
Dla pomp ciepła z różnicą temperatur w procesie wymiany ciepła wydajność Carnota może być także obliczona, jako:
Tc i To są odpowiednio temperaturami skraplania i parowania
5. Największy wpływ ma wydajność samej pompy ciepła i jest to wystarczający powód, aby poświęcić temu aspektowi resztę artykułu.
Istnieją różne techniczne modele pomp ciepła. Najbardziej zaawansowane technicznie są projekty sprężarkowych i absorpcyjnych pomp ciepła. Pompy ciepła w wersji sprężarkowej mają współczynnik COP wielokrotnie większy niż w wersji absorpcyjnej. Obecność wystarczającej ilości ciepła odpadowego czyni wykorzystanie pomp ciepła bardzo atrakcyjnym. Ten artykuł jest o COP, jako argumencie sprzedażowym, zbadamy więc sprężarkowe pompy ciepła, jako najlepiej dostępne do głębszej analizy.
Jeśli popatrzymy na teoretyczny proces, (patrz poniżej wykres 4) zobaczymy:
- od 1 do 2 sprężanie izentropowe P,
- od 2 do 3 izobaryczne i częściowo izotermiczne skraplanie Qc
- od 3 do 4 izentalpowe dławienie
- od 4 do 1 izobaryczna i częściowo izotermiczna absorpcja Qo ma miejsce,
Teoretyczny współczynnik COP pompy ciepła jest stosunkiem teoretycznego skraplania i teoretycznej pracy sprężania.
Wykres 4
Wyrażone poprzez entalpie:
Dla warunku to=0oC, przegrzanie =15K i tc=55oC efektywność dla wielu znanych czynników chłodniczych będzie przedstawia się następująco:
Odległość od punktu pracy do krytycznej temperatury znacząco wpływa na wartość COP, (patrz wykres 5), jak również na wydajność objętościową skraplacza, (patrz wykres 6).
|
Wykres 5
|
Wykres 6
|
Wykres 7
Im wyższa temperatura krytyczna, tym bardziej COPteor, zbliża się do COPcarnot, ale mniejsza staje się wydajność skraplania dostarczona w tej pojemności skokowej. W przypadku amoniaku obserwujemy pozytywne odejście od takich właściwości!
W jaki sposób można można zatem zwiększyć skuteczność? Ponieważ we wzorze COP Carnota w liczniku znajduje się ciepło skraplania, a w mianowniku praca sprężania odpowiedź na to pytanie jest prosta:
- należy zwiększyć ciepło skraplania i / lub,
- obniżyć pracę sprężania.
|
Redukcja pracy skraplania spowoduje zmniejszenie ciepła skraplania, jednak COP dzięki temu wzrośnie. Możemy się o tym przekonać np. przy COP = 4: 25% zmniejszenie pracy sprężania zaowocuje COP= (4-0,25)/(1-0,25) = 5! |
1. Zwiększenie ciepła skraplania jest możliwe poprzez:
a) Używanie nośnika ciepła przechładzającego skraplanie po stronie emisyjnej. Optimum jest więc osiągane przy użyciu nieskończenie dużego przechładzacza oraz niskiej temperatury powrotnej medium grzanego. To oznacza, że wysokie różnice temperatur podgrzanego medium są zaletą.
|
Stosowanie innych możliwości dochłodzenia skraplania jest często popełnianym błędem podpowiadanym przez myślenie w kategoriach chłodnictwa. Polecana jest uwadze następująca sytuacja: sprężarka przetłacza taką samą ilość; w związku z tym spręż jak warunki ssania nie zmieniają się (h1 pozostaje na stałe). Entalpia tłoczonego gazu także nie wzrasta (h2 pozostaje stałe). W efekcie końcowym nic się nie zmienia. |
b)
Zwiększenie temperatury gazu:
- Pozwalanie na wzrost użytecznego przegrzewu w parowniku. Jest to pewna sprzeczność, gdyż wyższe przegrzanie przy stałej temperaturze dolnego źródła ciepła, powoduje niższe temperatury parowania. W konsekwencji będzie to powodowało spadek COP. (wykres 7)
- Używanie skraplacza, który dochładza skraplanie poprzez podgrzewanie zasysanych par. Skutkiem tego jest zmniejszenie gęstości zasysanych par, a przez to ilości cyrkulującego czynnika a także zwiększenie wydajności. Jeśli weźmiemy skraplacz (ZWW) o wydajności 0.6, to wraz ze wzrostem COP rośnie ciepło jak i temperatura skraplania (wykres 8). Wynik ten jest pozytywny dla amoniaku (+17% o tc=45oC), lecz zbyt wysoka temperatura gazów utrudnia jego praktyczne zastosowanie.
- Zwiększenie masowego wylotu ze skraplacza za pomocą dwustopniowego sprężania z wtryskiem czynnika do ciśnienia międzystopniowego w rezultacie powoduje marginalny wzrost COP dla amoniaku i spadek dla czynników syntetycznych. Jeżeli użyjemy międzystopniowego wtrysku do dochłodzenia skraplania to uzyskamy negatywny efekt dla wszystkich czynników (R717<10%, R134a i R407C>>10%).
2. Zmniejszenie pracy sprężania poprzez:
a) Sprężanie wielostopniowe, które nic nie powoduje w systemach z wtryskiem czynnika w międzystopniu.
b) Ciepło emitowane podczas sprężania nie jest opcją dla sprężarek tłokowych gdyż jest mało czasu i mało powierzchni do emisji odpowiedniej ilości ciepła. Za pomocą śruby olej używany do uszczelnienia jest używany również jako czynnik.
c) Jeśli na powrocie temperatura wody do podgrzania jest odpowiednio niska istnieje możliwość odprowadzenia ciepła od tłoczonego gazu na międzystopień. Dodatkowe ciepło powoduje zwiększenie COP.
Jeśli wykreślimy ten efekt na wykresie i porównamy z R134A to To=0oC dTov=15K. Patrz wykres 9.
Wykres 9
Wnioski
Czynik chłodniczy z najwyższą temperaturą krytyczną daję najlepsze COP; naturalne czynniki chłodnicze są lepsze pod tym względem. Aby otrzymać wodę o temp. 70oC, czynnik chłodniczy R134A potrzebuje prawie dwa razy więcej objętości niż amoniak (HP i LP) i około 1,5 razy tyle ile czynnik R407c.
|
W przypadku amoniaku, cylindry wysokociśnieniowe będą musiały wytrzymać większe ciśnienie niż zwyczajowe 25 bar. Dla R407C to samo tyczy się całej linii tłocznej. Grasso 5-HP może wytrzymać ciśnienie tłoczenia 50 bar. Łatwopalny butan (R600) wymaga około 2,5 razy więcej objętości zasysanej niż R134a, czyli 5 razy więcej niż amoniak więc w związku z tym nie jest interesujący komercyjnie. |
Jak obecnie wygląda sytuacja z wydajnością osiąganą w praktyce?
Ponieważ szukamy najwyższych wartości COP, zignorujemy sprężarki śrubowe, które nie pasują do energooszczędności sprężarek tłokowych. Oszczędności energii są wyraźnie tak duże, że kolega wykonawca poświęcił temu cały wątek HVAC&R ENGINEERING. W trosce o kompletność dosłownym cytatem z tego raportu jest „Dla klimatyzacji lub pomp ciepła oszczędności kosztów energii mogą przekraczać koszty utrzymania śruby o 100 do 300%”.
Gęstość gazu znacznie wpływa na wydajność sprężarki. Gazy ciężkie pozytywnie wpływają na chłodzenie sprężarki, a w rezultacie na wyższą wydajność izentropową. Im cięższy gaz tym wyższe straty ciśnienia, które utrzymują niską pojemność skokową. Wpływ ten jest mierzony codziennie w laboratoriach różnych producentów sprężarek. Test ten będziemy przeprowadzać ze sprężarką Grasso 10, przy użyciu czynników takich jak: R717, R22, R134A, R507, R404A i R407c. Naszym punktem wyjściowym będzie:
- temperatura nasycenia ssania 0oC,
- efektywne przegrzanie czynnika syntetycznego 15 K (amoniak = 0oC),
- jeden stopień sprężania dla czynnika syntetycznego,
- dla amoniaku, 2 stopnie sprężania, jeżeli maksymalna temperatura gazów jest przekroczona,
- w przypadku czynników syntetycznych, ZWW o wydajności 0,6% (sprawność 1 oznacza że odsysany gaz ma taką samą temperaturę co gaz skraplający),
- z amoniakiem, również emisja ciepła przy ciśnieniu miedzystopniowym,
- różnica temperatur między parowaniem i dolnym źródłem 3K,
- różnica temperatur między źródłem ciepła a parowaniem 5K, więc roczna przeciętna temperatura staje się źródłem 8oC,
- trzy różne temperatury skraplania 45, 60 i 75oC,
- różnica temperatur pomiędzy skraplaniem a przeciętną roczną temperaturą 3K, więc przeciętna roczna emisja temperatury wynosi 42, 57, i 72oC,
- różnica temperatur średnich emisji ciepła 20K,
- wykorzystanie ciepła o niskiej temperaturze emisji do przechłodzenia. Różnica temperatur wyjścia i powrotu skraplania wynosi 3K, daje to dodatkowe dochłodzenie rzędu 20K.
Maksymalne COP osiągane przy pełnym obciążeniu pompy ciepła wynosi:
Jeżeli chłodzenie nie może być wykorzystane efektywnie, wydajność chłodzenia zostaje dodana do wydajności skraplania w liczniku i otrzymujemy następujące wartości:
Wartości te przekraczają nawet wydajność Carnota źródła emisji. Więc to jest wszystko kwestią definicji!!!
Współczynnik COP pomp ciepła – od definicji do argumentów sprzedażowych
Titus M.C. Bartholomeus, Senior Development Engineer, Grasso Products b.v.
Tłumaczenie: Przemysław Klimkowski
Projektant
GEA Grasso Sp. z o.o.