W artykule omówiono zagadnienie metodyki badań wraz z opracowaniem stanowiska do badań pomp ciepła typu ziębiwo/woda, pozwalającego na spełnienie wymogów normy PN-EN 14511 przy pomiarze wskaźnika COP. W ramach prowadzonych prac stanowisko zaprojektowano, zbudowano i przetestowano pod kątem spełnienia wymogów tej normy.

W każdej dziedzinie techniki przy doborze elementów składowych projektowanej instalacji należy się kierować przede wszystkim przesłankami merytorycznymi opartymi o dane techniczne poszczególnych komponentów. W założeniu, podawane przez producentów dane znamionowe produktów powinny być wiarygodne i określone w sposób jednoznaczny. Niestety, w tym względzie nie zawsze mamy do czynienia z uwzględnieniem zasad dobrej praktyki inżynierskiej. W przypadku wielu instalacji nierzadko przekłada się to na niepoprawną ich pracę oraz zwiększenie ilości awarii. Dla instalacji grzewczych wyposażonych w pompy ciepła, jednym z kluczowych parametrów, którym kierują się projektanci przy wyborze pompy ciepła, jest wskaźnik wydajności COP (ang. Coefficient Of Performance).

Przykładowo, dla pompy ciepła typu ziębiwo/woda, nie wyposażonej w pompy obiegowe, wskaźnik ten definiowany jest jako stosunek wydajności grzania do mocy efektywnej pobieranej przez pompę ciepła:

gdzie:
PH – ilość ciepła przekazywana przez pompę ciepła do nośnika ciepła w jednostce czasu,
PE – średni pobór mocy elektrycznej przez zespół w określonym przedziale czasu, obejmujący:

• – pobór mocy przez działającą sprężarkę,
• – pobór mocy przez wszystkie przyrządy regulacyjne i zabezpieczające zespołu,
• – odpowiednią część mocy urządzeń zapewniających przepływ czynników pośredniczących w przekazywaniu ciepła wewnątrz zespołu (pomp).

Wskaźnik COP powinien być określony na podstawie wyników pomiarów w jednoznacznie określonych warunkach. Precyzyjną definicję sposobu określenia tego wskaźnika podaje norma PNEN 14511-1:4 (aktualna wersja z 2012 roku). Norma ta nie tylko podaje parametry nominalne, przy jakich powinny być wyznaczane wartości COP, ale również określa wszystkie niezbędne wymogi, które należy spełnić podczas pomiaru. Producent powinien podać wartość wskaźnika COP na tabliczce znamionowej pompy ciepła. Wskaźnik ten jest o tyle ważny, że przekłada się on bezpośrednio na energię elektryczną pobieraną przez pompę ciepła. W związku z tym jego wartość jest najczęściej wykorzystywanym kryterium przy wyborze pompy ciepła.

Analizując materiały reklamowe pomp ciepła dostępnych w Polsce, można odnieść wrażenie, że podawane tam wartości COP nie zawsze są ściśle określone zgodnie z normą PN-EN 14511. W pracy [1] autor podaje przykłady nierzetelnych praktyk rynkowych przy podawaniu wskaźnika COP. Są to między innymi określenie COP:

• według już nieobowiązującej normy PN-EN 255,
• bez podania parametrów dolnego i górnego źródła (podaje się czasami wartość maksymalną),
• bez uwzględnienia energii elektrycznej zużywanej przez pompę obiegową c.o. związanej z przetłaczaniem wody przez skraplacz (dla pomp ciepła typu powietrze/woda),
• bez uwzględnienia energii elektrycznej zużywanej przez pompy dolnego i górnego źródła pomimo tego, że pompy te są integralną częścią pompy ciepła (dla pomp ciepła typu woda/ woda i ziębiwo/woda).

Stosowanie wyżej wymienionych praktyk może powodować zawyżanie wartości tego wskaźnika od kilku do kilkunastu procent. W pracy [1] autor szacuje, że podawanie w materiałach reklamowych wartości COP, odbiegających od wymagań aktualnej normy, dotyczy 5% przypadków. Wydaje się jednak, że wartość ta jest zaniżona, bowiem należy uwzględnić fakt, że norma PN-EN 14511 dotyczy zagadnienia pomiaru wskaźnika COP a nie tylko jego definicji. Dla danej pompy ciepła można określić współczynnik COP w ścisłej zgodności z definicją podaną w PN-EN 14511, korzystając z charakterystyk elementów składowych pompy. Jednak rzeczywista, zmierzona wartość COP dla zestawu może się różnić, czasami znacznie, od tak obliczonej wartości. Wartość tego współczynnika można zmierzyć jednoznacznie na stanowisku badawczym przystosowanym do spełnienia wysokich wymagań normy PN-EN 14511. Powinno to być dedykowane stanowisko własne producenta lub stanowisko jednostki badawczej certyfikowanej przez EHPA (Europejską Organizację Pomp Ciepła). Należy nadmienić, że pomimo członkostwa dwóch polskich stowarzyszeń w EHPA nie istnieje w naszym kraju jak dotąd żadne laboratorium akredytowane przez tę organizację.

Przytoczona norma precyzyjnie określa warunki przeprowadzania pomiaru wskaźnika COP, jednak przy projektowaniu konkretnego stanowiska badawczego należy przeprowadzić analizę, czy spełni ono te warunki. W Laboratorium Techniki Cieplnej Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku w ramach prac nad typoszeregiem nowoczesnych pomp ciepła powstało takie stanowisko, pozwalające na badania pomp ciepła typu ziębiwo/ woda o mocach grzewczych do 120 kW. Stanowisko pozwala na prowadzenie badań w precyzyjnie utrzymywanych warunkach stacjonarnych oraz w warunkach przejściowych – pomiary dynamiczne. Wszystkie działania podjęte podczas przeprowadzonych badań miały przede wszystkim na celu opracowanie i przetestowanie ścisłej i wiarygodnej procedury określenia wskaźnika COP zgodnie z aktualną wersją normy PN-EN 14511.

Prototypowa pompa ciepła

Prace eksperymentalne dotyczą prototypowej pompy ciepła typu ziębiwo/woda o mocy grzewczej wynoszącej w warunkach znamionowych znormalizowanych około 110 kW. Urządzenie pracujące z czynnikiem R134a zbudowano na bazie sprężarki śrubowej BITZER. Pompa ta jest najmniejszą jednostką w typoszeregu pomp przewidzianą do wprowadzenia na rynek w najbliższym okresie przez firmę Sun Energy. Badania miały na celu przede wszystkim określenie wydajności cieplnej pompy ciepła typu ziębiwo/woda w warunkach znormalizowanych oraz udoskonalenie pompy poprzez optymalizację pracy ekonomizera. Dodatkowo podjęto badania dotyczące pracy pompy w warunkach przejściowych (rozruch oraz odstawienie). Analiza wyników badań pozwoliła na wprowadzenie korekt konstrukcji pompy. Podjęte działania pozwoliły na poprawienie efektywności energetycznej pompy ciepła. Przeprowadzone pomiary pozwoliły na wyznaczenie charakterystyki wydajności cieplnej oraz sprawności energetycznej pompy ciepła w funkcji temperatury wody na wylocie z wymiennika wewnętrznego, co było zasadniczym celem prac.

W sposób szczegółowy w pracy przedstawiono istotne informacje dotyczące metodyki badań, stanowiska badawczego oraz procedury sprawdzenia torów pomiaru temperatury systemu pomiarowego. Metodyka pomiaru została opracowana w oparciu o wytyczne normy PN-EN 14511-1,2,3:2011 z lutego 2012 roku. W dalszej części pracy przedstawiono wymagane warunki otoczenia i zasilania energią elektryczną, metodę badania pomp ciepła typu ziębiwo/woda, dopuszczalne niepewności wielkości mierzonych oraz dopuszczalne odchylenia od wartości zadanych. Zamieszczono również metodę wyznaczania wydajności znamionowej grzania oraz współczynników COP.

Zakres i metodyka badań

(...)

Wydajność grzania

(...)

Niepewności pomiarowe

(...)

Warunki przeprowadzania badań

(...)

Własności nośników ciepła

(...)

Stanowisko badawcze

Stanowisko badawcze, dedykowane do badań pomp ciepła, składa się z obiegów obciążenia cieplnego wymiennika zewnętrznego i wymiennika wewnętrznego oraz z systemu pomiarowosterującego. Schemat ideowy instalacji badawczej wraz z schematem badanej pompy ciepła przedstawiono na rysunku 1. Na schemacie zaznaczono najważniejsze elementy instalacji oraz rozmieszczenie punktów pomiarowych. Poniżej przedstawiono skrótowy opis poszczególnych części składowych stanowiska.

Rys. 1. Schemat instalacji badawczej i pompy ciepła

Układ obciążenia cieplnego zewnętrznego wymiennika ciepła

(...)

Układ obciążenia cieplnego wewnętrznego wymiennika ciepła

(...)

Układ pomiarowo-sterujący

(...)

Rys. 3. Widok pompy ciepła podczas badań: a) widok od strony podłączenia instalacji obciążenia cieplnego wymiennika wewnętrznego; b) widok od strony podłączenia instalacji obciążenia cieplnego wymiennika zewnętrznego

Kalibracja i sprawdzenie torów pomiarowych

Podczas testów pracy systemu automatyki i systemu pomiarowego sprawdzono poprawność wskazań wszystkich przyrządów pomiarowych i wskaźników. Dokonano precyzyjnej kalibracji i sprawdzenia torów pomiaru temperatury przy pomocy pieca kalibracyjnego DRUCK DBC-150 i laboratoryjnego czujnika wzorcowego Pt100 ISOTECH. W przypadku pomiarów ciśnień i strumieni mas przy ocenie niepewności pomiaru bazowano na aktualnych protokołach sprawdzenia poszczególnych przyrządów dostarczonych przez producentów.

Koniec części pierwszej

Jarosław KARWACKI
Dariusz BUTRYMOWICZ
Tomasz PRZYBYLIŃSKI
Instytut Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk

Rickard OLEJNIK
Piotr STYPUŁA
Sun Energy, Gdańsk

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 01-02/2014