Politechnika
Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Sprawność energetyczna pomp ciepła
z wymiennikami typu woda-woda i powietrze-woda
Ć
wiczenie nr 5
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod: ŚĆ3066
Opracowała:
mgr inż. Anna Werner-Juszczuk
luty 2015
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
2
1.
Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie i porównanie współczynników efektywności COP
pomp ciepła z wymiennikami typu woda-woda i powietrze-woda.
2.
Podstawy teoretyczne
2.1.
Pompa ciepła
Pompą ciepła określa się maszynę cieplną, która odbiera ciepło Q
d
ze źródła
o temperaturze niższej T
d
(źródło dolne) i przekazuje go (Q
g
) do źródła o temperaturze
wyższej T
g
(źródło górne), kosztem doprowadzanej pracy zewnętrznej W (tzw. proces
podnoszenia potencjału cieplnego).
Rys. 1. Schemat działania silnika cieplnego, pompy ciepła oraz chłodziarki* [1]
*Powszechnie przyjmuje się, że ciepło które układ przyjmuje z otoczenia jest dodatnie, natomiast ciepło które
układ oddaje jest ujemne. Praca, która jest doprowadzana do układu (pobierana przez układ) jest ujemna,
a praca odprowadzana przez układ wykonywana przez układ) jest dodatnia.
Jak widać na rysunku 1, zasada działania chłodziarki i pompy ciepła jest taka sama.
Różnicą jest cel działania, którym w przypadku chłodziarki jest odprowadzenie ciepła
od źródła o niższej temperaturze, a nie dostarczenie ciepła, jak w przypadku pompy ciepła,
oraz wartości temperatur przy których obiegi są realizowane. W praktyce obie te funkcje
mogą być wykonywane przez jedno urządzenie, które będzie dostarczać ciepło
(do ogrzewania budynku) lub chłód (do schładzania pomieszczeń) w zależności od potrzeb.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
3
Ze względu na sposób podnoszenia potencjału cieplnego (transportu ciepła) wyróżnia
się pompy ciepła:
•
sprężarkowe (sprężarki tłokowe, rotacyjne, śrubowe, spiralne, przepływowe),
•
absorpcyjne,
•
termoelektryczne.
W praktyce najczęściej stosowane są sprężarkowe pompy ciepła, których schemat
ideowy przedstawiono na rysunku 2, realizujące termodynamiczny obieg Lindego (tzw. obieg
sprężania pary).
Rys. 2. Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła. S – skraplacz, Sp – sprężarka,
P – parownik, ZR – zawór rozprężny
Rys. 3. Obieg Lindego w układach T–s, p–h
Symbole 1-4, na rysunkach 2 i 3 oznaczają poszczególne stany czynnika roboczego,
realizującego obieg termodynamiczny, na który składają się następujące procesy:
1 – 2 → izentropowe sprężanie od pary nasyconej do pary przegrzanej,
2 – 3 → wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest
oddawane w skraplaczu, przejście ze stanu pary przegrzanej do cieczy nasyconej,
3 – 4 → dławienie w zaworze rozprężnym, do momentu gdy P
4
=P
3
przy h
4
=h
3
,
4 – 1 → wewnętrzna odwracalna przemiana przy stałym ciśnieniu, w której ciepło jest
pobierane w parowniku, przejście ze stanu mieszaniny cieczy z parą do stanu pary
nasyconej.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
4
2.2.
Ź
ródło ciepła
Istotnym elementem instalacji pompy ciepła są źródła ciepła:
•
niskotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło dolne), z którego pobierane jest ciepło w
celu odparowania czynnika w parowniku,
oraz
•
wysokotemperaturowe źródło ciepła (tzw. źródło górne), które odbiera ciepło powstające
w wyniku skraplania się czynnika w skraplaczu.
Niskotemperaturowe źródła ciepła powinny charakteryzować się następującymi
właściwościami:
•
duża pojemność cieplna,
•
stabilna i wysoka temperatura,
•
ś
rodowisko mało korozyjne w stosunku do elementów instalacji,
•
brak zanieczyszczeń powodujących powstawanie osadów,
•
dostępność,
•
niskie koszty wykonawstwa instalacji.
Jako źródła niskotemperaturowe można wykorzystać tzw. ciepło odpadowe,
do którego zalicza się
•
powietrze i gazy,
•
ś
cieki,
•
woda chłodząca w procesach przemysłowych,
oraz źródła odnawialne (naturalne) takie jak
•
powietrze atmosferyczne,
•
grunt (warstwy przypowierzchniowe i głębokie),
•
promieniowanie słoneczne,
•
woda powierzchniowa,
•
woda gruntowa i głębinowa,
•
woda geotermalna,
•
woda morska.
Przykładem wykorzystania ciepła odpadowego jest ciepło pochodzące z urządzeń
klimatyzacyjnych, z instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych czy procesów
technologicznych np. suszenia. W związku z problemami związanymi z dostępnością ciepła
odpadowego, w budynkach jedno- i wielorodzinnych najczęściej wykorzystywane są źródła
odnawialne.
Ze względu na zastosowanie pomp ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania,
c.w.u. klimatyzacji i wentylacji, źródłem wysokotemperaturowym są najczęściej powietrze
i woda.
W przypadku niektórych źródeł ciepła (grunt, silnie korozyjna woda) konieczne jest
zastosowanie nośników ciepła w celu przekazania ciepła do parownika. W praktyce jako
nośniki ciepła wykorzystuje się:
•
wodę (gdy nie ma zagrożenia zamarznięcia nośnika w instalacji),
•
wodne roztwory glikoli (propylenowego lub etylenowego) – ciecze o niskiej temperaturze
krzepnięcia,
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
5
•
wodne roztwory soli (solanka) – stosowane bardzo rzadko, ze wglądu na dużą
korozyjność w stosunku do instalacji.
W zależności od rodzaju wybranego nośnika ciepła nisko- i wysokotemperaturowego,
pompy ciepła klasyfikuje się zgodnie z normą PN-EN 14511-1:2012 (tab. 1)
Tabela 1. Klasyfikacja pomp ciepła wg PN-EN 14511-1:2012
Nośnik ciepła
Oznaczenie
Ź
ródło dolne
Ź
ródło górne
woda
woda
W/W
solanka/glikol
woda
B/W
powietrze
woda
A/W
woda
powietrze
W/A
solanka/glikol
powietrze
B/A
powietrze
powietrze
A/A
Wybór źródła i nośnika ciepła wpływa na konstrukcję wymienników ciepła skraplacza
i parownika. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest ciecz, stosowane są wymienniki
płaszczowo-rurowe, spiralne lub płytowe. W przypadku, gdy nośnikiem ciepła jest powietrze,
parownik i skraplacz stanowi zespół równoległych połączonych ze sobą wężownic, które
od strony powietrza są wyposażone w żebra lamelowe lub nawijane.
2.3.
Sprawność pompy ciepła
Energetyczny bilans cieplny pompy ciepła można zapisać w postaci:
0
=
+
Q
Q
W
(1)
gdzie: Q – ilość ciepła oddawana w skraplaczu,
Q
0
– ilość ciepła pobranego w parowniku,
W – praca dostarczona do sprężarki.
Parametrem charakteryzującym wydajność cieplną pompy ciepła jest sprawność
energetyczna obiegu grzejnego, którą wyraża się stosunkiem bezwzględnej wartości ciepła
odprowadzanego od czynnika wykonującego obieg w skraplaczu do bezwzględnej wartości
pracy zewnętrznej obiegu:
0
0
=
1
W
W
+
=
= +
q
Q
W
Q
Q
W
ε
(2)
W normie PN-EN 14511:2012 sprawność energetyczna obiegu grzejnego jest
określana jako wskaźnik efektywności COP (Coefficient Of Performance), który jest
wyznaczany dla nominalnych parametrów pracy pompy ciepła. Przy obliczaniu COP
uwzględnia się nominalną temperaturę dolnego i górnego źródła ciepła oraz pobór prądu
urządzeń: sprężarki, pomp obiegowych, wentylatorów, automatyki itd. Współczynnik COP
stanowi podstawę do klasyfikacji energetycznej pomp ciepła i jest podawany przez
producentów w kartach katalogowych.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
6
W przypadku pomp ciepła pracujących także jako urządzenia chłodzące, określa się
dodatkowo sprawność energetyczną obiegu chłodniczego, którą stanowi stosunek mocy
chłodniczej urządzenia, czyli ciepło doprowadzone do czynnika wykonującego obieg
w parowniku do bezwzględnej wartości pracy zewnętrznej obiegu:
0
=
W
ch
Q
ε
(3)
Norma PN-EN 14511:2012 określa sprawność obiegu chłodniczego jako wskaźnik
wydajności energetycznej chłodniczej EER (ang. Energy Efficiency Ratio). W kartach
katalogowych pomp ciepła wskaźnik ten jest oznaczany także jako COP w trybie chłodzenia.
Norma PN-EN 14825:2012 wprowadza dodatkowe wskaźniki do oceny efektywności
energetycznej pomp ciepła m.in. referencyjny sezonowy wskaźnik efektywności
energetycznej SEER oraz sezonowy wskaźnik efektywności SCOP.
Współczynnik SCOP określa efektywność energetyczną pompy ciepła dla całego
sezonu grzewczego, a nie tylko dla nominalnych parametrów pracy. Jest wyrażony jako
stosunek rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, do całkowitej energii zużytej
na jego wytworzenie. Uwzględnia warunki klimatyczne, temperatury wewnętrzne
w pomieszczeniach, które są ogrzewane lub chłodzone oraz warunki techniczne urządzenia
i warunki jego eksploatacji. W przeciwieństwie do COP, w obliczeniach brany jest pod uwagę
pobór energii elektrycznej w różnych trybach pracy urządzenia (tryb wyłączonego termostatu,
tryb czuwania, trybie grzałki karteru).
3.
Metodyka badań
3.1.
Budowa stanowiska
Rys. 4. Główne elementy stanowiska badawczego:1 – pompa ciepła z wymiennikami typu
woda–woda, powietrze–woda, powietrze–powietrze, woda–powietrze, 2 – jednostka sterująca,
3 – komputer
1
2
3
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
7
1 – sprężarka
7 - zawór czterodrogowy AVS-1
2 – skraplacz powietrzny
8 – zbiornik akumulujący czynnik chłodniczy
3 – skraplacz wodny
9 – filtr
4 – parownik powietrzny
10 – separator cieczy
5 – parownik wodny
11 – zawór bezpieczeństwa
6 - zawór rozprężny AVEX-1
Rys. 5. Schemat pompy ciepła
3.2.
Oznaczenia
1)
Pomiar ciśnienia
SP-1 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki
SP-2 czujnik ciśnienia czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki
M-1 manometr na wyjściu ze sprężarki
M-3 manometr za zaworem rozprężnym
M-2 manometr na wyjściu ze skraplacza
M-4 manometr na wejściu do sprężarki
2)
Pomiar przepływu
SC-1 czujnik przepływu czynnika chłodniczego
SC-2 czujnik przepływu wody przez skraplacz wodny
SC-3 czujnik przepływu wody przez parownik wodny
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
8
3)
Pomiar temperatury
ST-1
temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze sprężarki
ST-2
temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza
ST-3
temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika
ST-4
temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki
ST-5
temperatura wody na wejściu do skraplacza wodnego i parownika wodnego
ST-6
temperatura wody na wyjściu ze skraplacza wodnego
ST-7
temperatura wody na wyjściu z parownika wodnego
ST-8
temperatura powietrza w pomieszczeniu (temperatura na wejściu do parownika
powietrznego i skraplacza powietrznego)
ST-9
temperatura powietrza na wyjściu ze skraplacza powietrznego
ST-10
temperatura powietrza na wyjściu z parownika powietrznego
4)
Zawory regulacyjne
AEAI-1
zawór na wejściu do parownika powietrznego służący do regulacji strumienia
powietrza przez parownik (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji komputerowej)
ACAI-1
zawór na wejściu do skraplacza powietrznego służący do regulacji strumienia
powietrza przepływającego przez skraplacz (pokrętło na panelu roboczym w aplikacji
komputerowej)
AEWI-1
zawór do regulacji przepływu wody przez parownik wodny
ACWI-1
zawór do regulacji przepływu wody przez skraplacz wodny
AVS-3
zawór do wyboru powietrza jako dolne źródło ciepła (wybór parownika powietrznego)
AVS-4
zawór do wyboru wody jako dolne źródło ciepła (wybór parownika wodnego)
AVS-5
zawór do wyboru wody jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza wodnego)
AVS-6
zawór do wyboru powietrza jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza powietrznego)
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
9
3.3.
Metodyka pomiarów
Uwaga
W trakcie ćwiczeń realizowany jest obieg pompy ciepła określony na schemacie
strzałkami zielonymi i czarnymi.
Pompa ciepła z wymiennikiem typu woda-woda
1)
Za pomocą zaworu AVS-4 wybrać wodę jako dolne źródło ciepła (wybór parownika
wodnego)
2)
Za pomocą zaworu AVS
–
5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza
wodnego).
3)
Za pomocą zaworu AEWI-1 ustawić przepływ wody przez parownik na poziomie 50%
maksymalnego przepływu.
4)
Za pomocą zaworu ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50%
maksymalnego przepływu.
5)
Uruchomić jednostkę sterującą 2.
6)
Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę „START”.
7)
Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM.
8)
Odczekać, aż układ się ustabilizuje, dokonując odczytu wskazań co 3 minuty (Tab.2)
9)
Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone
w tabeli 3.
10)
Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę.
Pompa ciepła z wymiennikiem typu powietrze-woda
1)
Za pomocą zaworu AVS-3 wybrać powietrze jako dolne źródło ciepła (wybór
parownika powietrznego)
2)
Za pomocą zaworu AVS
–
5 wybrać wodę jako górne źródło ciepła (wybór skraplacza
wodnego).
3)
Za pomocą pokrętła AEAI-1 na panelu roboczym ustawić przepływ powietrza przez
parownik na poziomie 50% maksymalnego przepływu.
4)
Za pomocą ACWI-1 ustawić przepływ wody przez skraplacz na poziomie 50%
maksymalnego przepływu.
5)
Uruchomić sprężarkę wciskając na panelu roboczym przycisk COM.
6)
Odczekać, aż układ się ustabilizuje, dokonując odczytu wskazań co 3 minuty (Tab.2).
7)
Utrzymując stały przepływ wody przez skraplacz, odczytać wskazania określone
w tabeli 4.
8)
Po zakończeniu odczytu wyłączyć sprężarkę.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
10
Zestawienie wyników
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów
t
W/W
t
A/W
ST-5
ST-6
ST-5
ST-6
ST-8
gdzie: t – czas pomiaru
Tabela 3. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła woda
–
woda
Pompa ciepła woda-woda
Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę
[ ]
Temperatura wody na wejściu do skraplacza i do parownika ST-5
[ ]
Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6
[ ]
Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2
[ ]
Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarów pompa ciepła powietrze-woda
Pompa ciepła powietrze-woda
Pobór energii elektrycznej przez sprężarkę
[ ]
Temperatura wody na wejściu do skraplacza ST-5
[ ]
Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza ST-6
[ ]
Przepływ wody na wejściu do skraplacza SC-2
[ ]
Temperatura powietrza na wejściu do parownika ST-8
[ ]
Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeń
Pompa ciepła z
wymiennikiem
typu
woda
-
woda
powietrze
-
woda
COP [ - ]
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
11
3.4.
Analiza wyników pomiarów
1)
Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć współczynniki COP dla dwóch
rozwiązań pomp ciepła korzystając z poniższych wzorów.
Wzory obliczeniowe – pompa ciepła woda-woda oraz powietrze-woda
•
Moc grzewcza pompy ciepła
(
)
2
1
J
s
=
⋅ ⋅
−
C
p
Q
M
c
T
T
(4)
gdzie:
C
M
- przepływ masowy wody przez skraplacz, kg/s,
p
c
- ciepło właściwe wody 4180
⋅
J
kg K
,
1
T
- temperatura wody na wejściu do skraplacza, °C,
2
T
- temperatura wody na wyjściu ze skraplacza, °C.
Uwaga: Przepływ objętościowy należy przeliczyć na przepływ masowy. Przyjąć gęstość wody
na wyjściu ze skraplacza.
•
Współczynnik efektywności COP
[ ]
=
−
Q
COP
W
(5)
gdzie: Q – moc grzewcza pompy ciepła, J/s,
W – moc napędowa sprężarki, J/s.
2)
Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 3.
3)
Na podstawie wyników sporządzić wykres słupkowy zależności COP (oś y)
od rodzaju źródła ciepła dolnego i górnego (oś x).
3.5.
Wnioski
1)
Czy współczynnik efektywności COP jest zawsze bezwymiarowy, dlaczego?
2)
Opisać jaki wpływ na wartość współczynnika COP ma zmiana rodzaju źródła dolnego.
3)
Porównać współczynniki COP pomp ciepła.
4)
Porównać otrzymane wartości współczynników COP z wartościami przedstawianymi
w kartach katalogowych pomp ciepła.
5)
Czym spowodowane są różnice pomiędzy wartościami COP otrzymanymi na
zajęciach, a wartościami określonymi w kartach katalogowych.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Sprawność energetyczna pomp ciepła z wymiennikami typu
woda-woda, powietrze-woda.
12
4.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:
1)
Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć
wiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2)
Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:
a)
cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
b)
opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
c)
przebieg realizacji eksperymentu,
d)
wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
e)
wykresy i charakterystyki,
f)
zestawienie i analiza wyników badań.
3)
Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków.
5.
Wymagania BHP
Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni
(na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach
elektrycznych bez polecenia prowadzącego.
6.
Literatura
1)
Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna
w budownictwie", Warszawa, 2006
2)
Rubik M.: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej : monografia.
MULTICO Warszawa, 2011
3)
Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydaw.
Komunikacji i Łączności Warszawa, 2011
4)
Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Polska Ekologia,
Warszawa, 2003
5)
PN-EN 14825:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła, ze sprężarkami
o napędzie elektrycznym, do ogrzewania i chłodzenia - Badanie i charakterystyki
przy częściowym obciążeniu
6)
PN-EN 14511:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami
o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia