W Polsce problem znalezienia tanich sposobów ogrzewania pomieszczeń jest szczególnie ważny społecznie. Większość społeczeństwa jest mało zamożna, energia elektryczna jest najdroższa w Europie w stosunku do dochodów ludności, a popularne ceny surowców energetycznych, typu węgiel czy gaz rosną w szybkim tempie.
W tej sytuacji coraz większą popularność zdobywają różne, alternatywne sposoby ogrzewania pomieszczeń. Nie wszystkie z nich dają oszczędności, a przykład stosowania pomp ciepła, wręcz odwrotnie - wydatki związane z inwestycją są tak duże, że stosunkowo nieduże oszczędności w wydatkach spłacą się nierzadko po 100 latach.

Co gorsza, pompy ciepła mające duża reklamę na rynku, niestety wprowadzającą potencjalnych użytkowników w błąd, szczególnie w zakresie ich wydajności grzewczej.

Aspekt ekologiczny stosowania pomp ciepła też nie powinien być propagowany.

Wystarczy zauważyć, że Unia Europejska nie kwalifikuje pomp ciepła do odnawialnych źródeł energii.
Pompa ciepła czerpiąc energię ze źródła odnawialnego wprawdzie sama nie emituje szkodliwych związków jednak potrzebuje do napędu energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce w elektrowniach cieplnych -węglowych. Dodatkowo energia elektryczna jest nośnikiem najdroższym spośród tradycyjnych.
Dodatni efekt energetyczny użytkowania sprężarkowych pomp ciepła, napędzanych energią z krajowego systemu elektroenergetycznego, po uwzględnieniu skumulowanej sprawności wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej, wymaga osiągnięcia współczynnika wydajności grzejnej na poziomie ok. 3,5-4,0 [1].

Najpopularniejszym systemem użytkowania sprężarkowych pomp ciepła są układy z wymiennikiem gruntowym jako źródłem niskotemperaturowym. Natomiast nośnik ciepła - woda instalacyjna (na potrzeby centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej) podgrzewany jest zwykle do (50+55)°C. W takich rozwiązaniach rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej w warunkach eksploatacyjnych rzadko przekracza wartość 3,0.

Niezwykle ważne badania przeprowadziły równolegle zespoły badawcze Politechnik Gdańskiej oraz SGGW.

Oto skrót wyników.

"Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest podniesienie temperatury dolnego źródła ciepła lub obniżenie temperatury górnego źródła. Wówczas zgodnie z zależnością dla obiegu porównawczego Carnota następuje wzrost współczynnika wydajności grzejnej. Parametry konstrukcyjno - regulacyjne każdej pompy ciepła są zaprojektowane do określonego zakresu temperatury źródła i odbiornika. Zmiana tego zakresu bez ingerencji w te parametry może skutkować obniżeniem doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego.

Badania eksperymentalne prowadzone równolegle na Politechnice Gdańskiej i SGGW w Warszawie wykazały, że dla sprężarkowych pomp ciepła pracujących z fabrycznymi nastawami (czynnik R22), przy wzroście poziomu temperatury dolnego źródła z 3°C do 30°C (temperatura górnego źródła na poziomie 50°C) współczynnik wydajności grzejnej osiąga wartość wyższą o 13%, a przy spadku poziomu temperatury górnego źródła z 56°C do 35°C (temperatura dolnego źródła na poziomie 10°C) współczynnik wzrasta o 26 %. "

Dla porównania proszę zwrócić uwagę na sławną już książkę Wojciecha Oszczaka "Jak taniej ogrzać dom", gdzie sprawności pomp ciepła dochodzi do 7.

Teoretyczne zwiększenie wartości współczynnika następuje, gdy wzrasta temperatura źródła dolnego lub obniża się temperatura źródła górnego - odbiornika, co wynika, z zależności występujących w teoretycznym lewobieżnym obiegu Carnota, który jest dla uproszczenia przyjmowany za porównawczy dla sprężarkowych pomp ciepła. Współczynnik efektywności energetycznej tego obiegu opisany jest zależnością:

Cel, obiekt i metoda badań
Celem badań prowadzonych równolegle w Katedrze Podstaw Inżynierii SGGW oraz w Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej było określenie wpływu poziomu temperatury źródła ciepła dolnego (nazywanego dalej po prostu źródłem) i górnego (nazywanego dalej odbiornikiem) na współczynnik wydajności grzejnej i współczynnik doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego dwu wybranych sprężarkowych pomp ciepła.

Badania przeprowadzono metodą eksperymentalną, przyjęto przy tym, że nie dokonuje się zmian w fabrycznych ustawieniach w układzie automatycznej regulacji urządzeń.

Badaniom poddano dwie pompy ciepła różnych producentów o zbliżonych nominalnych mocach grzejnych (kilkanaście kW). Pompę o nieco mniejszej mocy oznaczono jako PC-1, zaś drugą jako PC-2. Obiekt PC-1 badano przy różnych wartościach temperatury źródła ciepła, natomiast PC-2 - przy różnych wartościach temperatury odbiornika ciepła. Ponadto pompę PC-1 badano w warunkach eksploatacyjnych wyznaczając dobowe współczynniki wydajności grzejnej i chłodniczej.

Badane pompy ciepła przewidziane są do pracy np. w charakterze monowaletnego źródła ciepła dla typowego domu jednorodzinnego. Oba urządzenia pracowały z wykorzystaniem czynnika R22 w obiegu z dochłodzeniem, a w układzie automatycznej regulacji zastosowano termostatyczny zawór rozprężny. W pierwszym z nich wbudowano wymienniki płytowe natomiast w drugim wymienniki płaszczowo - rurowe.

Obie pompy ciepła zostały zainstalowane w układzie woda/woda. Zmiany temperatury źródła dla wartości powyżej +10°C uzyskiwano w zbiorniku - akumulatorze o objętości 2000 dm3 wyposażonym w zasilanie cieplne z termostatem. Zmiany temperatury źródła w niższym zakresie osiągano wykorzystując wymiennik gruntowy, albo wodę z wodociągu. Zmiany temperatury odbiornika realizowano w ten sposób, że wymuszony przepływ wody grzejnej odbywał się w układzie zamkniętym utworzonym przez skraplacz pompy ciepła oraz dodatkowy wymiennik ciepła.

Pomiaru mocy elektrycznej pobieranej przez napęd sprężarki pompy ciepła dokonywano za pomocą trójfazowego licznika energii typu 4C52dg, wyposażonego w impulsator (600 impulsów na 1 kWh) i za pomocą laboratoryjnych watomierzy typu LW 1.
Strumienie entalpii wody dopływającej i odpływającej do i ze skraplacza oraz parownika, wyznaczano mierząc objętościowy strumień wody oraz jego temperaturę. Strumień objętościowy wody wyznaczano wg wskazań przepływomierza lub wodomierza. Wodomierze są wyposażone w impulsatory (1 impuls na 2,5 dm3). Temperaturę wody mierzono laboratoryjnymi termometrami rtęciowymi oraz scalonymi czujnikami temperatury LM 335 o odpowiednio dobranych zakresach pomiarowych, (podstawowy zakres pomiarowy 0-50 °C). Działka elementarna każdego termometru wynosiła 0,1 K.

Króćce wlotowe i wylotowe czynnika R22 do parownika i ze skraplacza zostały także wyposażone w czujniki temperatury w celu określenia rozkładu temperatury w obiegu termodynamicznym.
Wszystkie urządzenia pomiarowe pozwalały na zapisywanie wskazań na komputerowej karcie pomiarowej PCL 818 i PCL 836 firmy Advantech.

Podczas badania energetycznego po wybraniu zadanego zakresu temperatury źródła i odbiornika cały układ badawczy obejmujący parownik i skraplacz wraz z układem stabilizacji temperatury źródła i odbiornika doprowadzano do stanu równowagi termodynamicznej. Dopiero wówczas dokonywano właściwych pomiarów. Pomiary dla każdego wybranego zakresu działania pompy ciepła trwały co najmniej 1 godz., zaś odczytu odpowiednich wielkości dokonywano w ustalonych uprzednio odstępach czasu - co kilka minut.

Cykl badań wpływu wartości temperatury źródła na parametry energetyczne pompy ciepła [3] zrealizowano w zakresie temperatury wody na wlocie do parownika (3,0 - 32,0)°C - łącznie 25 serii pomiarowych. Jednocześnie podczas badań temperatura wody na dolocie do skraplacza wynosiła (40,0 - 44,0)°C, a na wylocie uzyskiwano (50,0 - 52,2)°C.

W cyklu badań wpływu wartości temperatury odbiornika ciepła na parametry energetyczne pompy ciepła wykonano 27 serii pomiarowych ustawiając temperaturę wody wylotowej w obiegu grzewczym skraplacza w zakresie (34,5 - 56,5)°C. W pierwszej części badań obejmującej 15 serii pomiarowych temperatura wody zasilającej parownik wynosiła (7 - 8) °C, a w drugiej części obejmującej 12 serii ok. 10°C.
Próby wykonane w warunkach eksploatacyjnych prowadziły do wyznaczenia współczynników wydajności grzejnej i chłodniczej w bilansie dobowym, gdy pompa ciepła PC-1 zasilała system ciepłej wody użytkowej korzystając z pionowego wymiennika gruntowego.

Wyniki badań

Rozkład temperatury w obiegu czynnika R22
Najniższą temperaturą czynnika zmierzoną w obiegu termodynamicznym na powierzchni rurociągu jest temperatura na wlocie do parownika Tp' i może być ona utożsamiana z temperaturą odparowania Tp. Znajomość zależności temperatury odparowania czynnika od temperatury źródła Tźrd (na dolocie do wymiennika) umożliwia ocenę stopnia doskonałości energetycznej rzeczywistego obiegu termodynamicznego pompy ciepła.

Rysunek 1 przedstawia uzyskany przebieg tej zależności dla obiektu PC-1. Wysoki współczynnik determinacji R=0,99 wskazuje, że wpływ innych parametrów w tym temperatury odbiornika Todw(na wylocie z wymiennika) jest w badanym zakresie mało istotny.
Rozkład temperatury czynnika R22 i wody podgrzewanej w skraplaczu okazał się podobny podczas wszystkich przeprowadzonych serii pomiarowych. Pomiary wykazały, że temperatura czynnika i wody grzejnej opuszczającej skraplacz nie różnią się więcej niż o 2,6 K. Można więc wnioskować, że średnia arytmetyczna wartość ich temperatury jest zbliżona do temperatury skraplania czynnika TĄ, przy której następuje oddawanie energii w wymienniku.

Moc grzejna pompy ciepła
 Moc grzejna sprężarkowej pompy ciepła określana jest na podstawie strumienia energii odprowadzanej ze skraplacza. Dla obiektu PC-1 wyznaczono przebieg mocy grzejnej Pg w zależności od temperatury dolotowej wody do parownika (Rys. 2). Podczas tych badań temperatura wody na wylocie ze skraplacza wynosiła (50,0 + 52,2) °C.
 Wyniki badań wskazują, że wraz ze wzrostem temperatury źródła od 3 do 32°C moc grzejna wzrasta od 8,8 do 15,3 kW. Zależność ta opisana jest funkcją :
Przy czym w warunkach niewielkiej zmienności temperatury odbiornika zależność ta charakteryzuje się wysokim współczynnikiem determinacji wynoszącym R=0,976.
Dla drugiej z badanych pomp ciepła PC-2 wyznaczono przebieg mocy grzewczej w zależności od temperatury wylotowej wody w obiegu grzewczym skraplacza Todw (rys. 3). Opis uzyskanych wyników funkcją :
wskazuje na istnienie związku pomiędzy tymi wielkościami, ale pomimo ograniczania w kolejnych próbach zmienności innych wymuszeń zewnętrznych (np. temperatury źródła do zakresu 7 + 10°C) istotność tego związku nie jest znacząca.
Moc grzejna badanej pompy ciepła dla zakresu temperatury końcowej podgrzewu wody (34-M-9)"C nie wykazuje wyraźnego kierunku zmian. Natomiast po przekroczeniu 49°C spada z poziomu 14,0 kW do 12,5 kW dla temperatury podgrzewu ponad 55°C.

Moc pobierana przez napęd sprężarki
Napęd sprężarki w badanych pompach ciepła stanowi trójfazowy silnik asynchroniczny. Pomiary mocy pobieranej w okresach pracy ustalonej przez silnik Pei wykonano w zależności od temperatury źródła dla obiektu PC-1 (lys. 2) oraz w zależności od temperatury odbiornika dla obiektu PC-2 (lys. 3). Badania obiektu PC 1 wykazały że, moc silnika jest najniższa dla granicznej temperatury źródła 3°C i wynosi wówczas niespełna 2,50 kW, a najwyższą wartość 3.95 kW uzyskano dla górnej granicy temperatury dolnego źródła równej 32,0°C. Wzrost temperatuiy tego źródła wymusza zwiększony pobór mocy zgodnie z zależnością :

Wysoki współczynnik determinacji tej zależności wskazuje, że dla ustabilizowanych wartości temperatury wody odbierającej ciepło o energochłonności napędu sprężarki decyduje tylko temperatura źródła.
Pobór mocy przez silnik napędowy jest także silnie skorelowany z temperaturą końcową odbiornika w warunkach niewielkiej zmienności temperatury źródła ciepła. W badaniach obiektu PC-2 wzrost poziomu temperatury odbiornika z 34,5°C do 56,5°C wywołał zwiększenie poboru mocy przez silnik z 3,50 do 4,10 kW.

Współczynnik wydajności grzejnej i doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego sprężarkowych pomp ciepła.

Na rysunku 4 przedstawiono w zależności od temperatury źródła przebieg wartości współczynnika wydajności grzejnej pompy ciepła PC-1, obliczonego jako stosunek Pg do Pel. Wartość współczynnika dla temperatury źródła równej 10°C, przyjmowanej za nominalną w wymiennikach gruntowych, wynosi 3,54 i wzrasta wraz z jej podnoszeniem, osiągając dla 30°C wartość 3,92. Dla skrajnej dopuszczalnej nastawami fabrycznymi temperatury źródła wynoszącej 3"C współczynnik wydajności grzejnej maleje do wartości 3,48.
Na rysunku 5 przedstawiono przebieg współczynnika wydajności grzejnej pompy ciepła PC-2 w zależności od temperatury odbiornika dla temperatury źródła stabilizowanej na poziomie (7-10)C. Jego wartość dla temperatury odbiornika równej 50C, przyjmowanej za nominalną według normy EN 255 [4], wynosi 3,38 i spada do 3,10 w warunkach wzrostu temperatury odbiornika do dopuszczalnej granicy 56°C. Z kolei obniżenie poziomu temperatury odbiornika na wylocie ze skraplacza do 35°C wywołuje wzrost współczynnika wydajności do 3,90.

Korzystając z eksperymentalnie wyznaczonych zależności temperatury skraplania Tsk i odparowania Tp, czynnika oraz mocy grzewczej Pg i mocy pobieranej przez napęd sprężarki Pel od temperatury źródła ciepła Tźrd i odbiornika ciepła Todw obliczono współczynnik doskonałości obiegu rzeczywistego:
Z wyników przedstawionych dla obiektu PC-1 na rysunku 4 można wnioskować, że dla danej konstrukcji pompy ciepła, wzrost temperatury źródła powyżej poziomu przewidywanego przez producenta za nominalny i związanego z określoną nastawą zaworu rozprężnego obniża stopień doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego tej pompy. W cyklu badań dla warunków temperaturowych źródło / odbiornik: 10/50°C wyznaczono współczynnik doskonałości wynoszący 0,455, natomiast dla warunków 30/50°C tylko 0,386.

Z kolei wyniki dla obiektu PC-2 przedstawione na rysunku 5 wskazują, że obniżenie temperatury nośnika ciepła, na poziomie odbiornika, stosowane w celu poprawy efektywności pracy pompy ciepła, także wpływa na pogorszenie stopnia doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego. Podczas badań dla warunków temperaturowych 10/50°C współczynnik doskonałości osiągnął wartość 0,495, natomiast dla warunków 10/35C wyznaczono jego wartość jako 0,425.

Wyniki badań eksploatacyjnych
Pompa ciepła PC-1 została zainstalowana w systemie przygotowania ciepłej wody użytkowej, gdzie pracuje w sposób zdeterminowany harmonogramem rozbioru wody oraz algorytmem automatycznego sterowania. Zasadniczym trybem jest cykliczny dogrzew trwający od kilku do kilkunastu minut zależnie od intensywności poboru wody oraz strat ciepła ze zbiorników i rurociągów.
Dłuższe okresy ciągłej pracy urządzenia dochodzące do kilkudziesięciu minut występują podczas porannych i wieczornych szczytów obciążenia systemu.
W cyklu badań eksploatacyjnych dokonano, na podstawie zarejestrowanych danych pomiarowych, zestawienia   dobowych   sum   strumieni   energii   (tabela   1).   Podano   także wynikające z nich wartości współczynników wydajności chłodniczej oraz grzejnej.
W tym przypadku energia pobierana z sieci do napędu urządzenia obejmuje sprężarkę oraz osprzęt (głównie pompy wodne). Temperaturę źródła obliczono jako wartość średnią ważoną dla okresów włączenia sprężarki.

Zestawienie wartości parametrów energetycznych pompy ciepła w ujęciu dobowym dowodzi, że jej efektywność w warunkach eksploatacyjnych zależy od poziomu temperatury źródła. Jednak w zakresie zmienności temperatur występujących w wymienniku gruntowym pionowym w ciągu roku różnice w osiąganych wartościach współczynników wydajności grzejnej są niewielkie.

Uzyskanie wartości współczynnika ponad 3,0 w warunkach temperaturowych 10/50 °C uwzględniając rzeczywisty tryb pracy pompy ciepła w systemie ciepłej wody użytkowej jest mało prawdopodobne.

Tabela 1. Zestawienie dobowych parametrów energetycznych pompy ciepła

Data	Średnia temperatura źródła, C	Energia pobrana z sieci, kWh	Energia oddana przez skraplacz, MJ	Energia pobrana przez parownik, MJ	Współczynnik wydajności chłodniczej	Współczynnik wydajności grzewczej
12.10	6,7	27,70	253,4	183,8	1,84	2,54
26.04	8,4	27,68	266,3	191,9	1,92	2,67
01.01	8,6	25,24	216,6	166,0	1,83	2,39
14.05	9,5	40,69	375,8	305,9	2,09	2,57
22.10	10,1	26,85	250,2	196,5	2,03	2,59
11.05	10,3	28,76	260,7	205,5	1,98	2,52
28.09	11,1	15,70	149,4	118,4	2,10	2,64
24.08	11,5	24,27	251,7	187,6	2,15	2,87
11.10	12,6	24,79	263,8	201,3	2,25	2,96

Podsumowanie   
Jedną z metod poprawy energetycznej efektywności eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła jest podniesienie temperatury dolnego źródła ciepła lub obniżenie temperatury górnego źródła. Wówczas zgodnie z zależnością dla obiegu porównawczego Carnota następuje wzrost współczynnika wydajności grzejnej. Parametry konstrukcyjno - regulacyjne każdej pompy ciepła są zaprojektowane do określonego zakresu temperatury źródła i odbiornika. Zmiana tego zakresu bez ingerencji w te parametry może skutkować obniżeniem doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego.

Badania eksperymentalne prowadzone równolegle na Politechnice Gdańskiej i SGGW w Warszawie wykazały, że dla sprężarkowych pomp ciepła pracujących z fabrycznymi nastawami (czynnik R22), przy wzroście poziomu temperatury dolnego źródła z 3°C do 30°C (temperatura górnego źródła na poziomie 50°C) współczynnik wydajności grzejnej osiąga wartość wyższą o 13%, a przy spadku poziomu temperatury górnego źródła z 56°C do 35°C (temperatura dolnego źródła na poziomie 10°C) współczynnik wzrasta o 26 %.

Stosunkowo niewielka poprawa współczynnika wydajności pomp ciepła w badanych warunkach jest konsekwencją spadku doskonałości energetycznej obiegu termodynamicznego przy pozyskiwaniu energii ze źródła o temperaturze wyższej, niż przyjęta jako nominalna, oraz przy podgrzewaniu wody w zakresie temperatury niższej niż nominalna. Dla pompy ciepła PC-1 w warunkach temperaturowych 10/50°C stopień doskonałości wyniósł 0,455, natomiast w warunkach  30/50°C tylko  0,386.  W  cyklu badań pompy ciepła  PC-2 w warunkach 10/50C stopień doskonałości osiągnął 0,495, ale dla warunków 10/35°C spadł do 0,425.

Jeśli uznać, że dodatni efekt energetyczny użytkowania sprężarkowych pomp ciepła wymaga współczynnika wydajności grzejnej na poziomie 3,5-4,0 to osiągnięcie tego celu przy wykorzystaniu ciepła gruntu jest możliwe tylko drogą obniżenia poziomu temperatury podgrzewu odbiornika zdecydowanie poniżej poziomu 50C.

Literatura

1. Kubski P : Energetyczna ocena celowości stosowania sprężarkowych pomp grzejnych do zagospodarowania niekonwencjonalnych źródeł energii. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 4, 2001.
2. Rubik M.: Pompy ciepła - poradnik. Wydawnictwo Instal. Warszawa 1996.
3. Chochowski A. Czekalski D., Mirski T.: Diagnostyka urządzeń i systemów niekonwencjonalnego zasilania energią. Sprawozdanie końcowe projektu KBN nr 7 T07B 074 14. Warszawa 2001.
4. British Standard EN 255: Air conditioners, liquid chiling packages and heat pumps with electrically driven compressors - Heat modę British Standards Institute 1997"
   

W artykule wykorzystano materiały z badań PG i SGGW autorstwa Piotra Kubskiego i Dariusza Czekalskiego.


Dariusz Głowacki