Wykorzystanie transformacji energii w obiegu termodynamicznym lewobieżnym za pomocą pompy ciepła (sprężarkowej lub absorpcyjnej) może stanowić ważne ogniwo w rozwoju współczesnej energetyki. Dotyczy to zwłaszcza energetyki o charakterze rozproszonym, z zastosowaniem układów kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych. W opracowaniu przedstawiono podstawowe zasady transformacji energii za pomocą pompy ciepła, a w oparciu o elementy analizy energetycznej i egzegetycznej wskazano metody wzrostu efektywności współczesnych sprężarkowych pomp ciepła. Określono ogólne kierunki zastosowania tych urządzeń w skojarzonych układach energetycznych. 

Łańcuch konwersji energii
     Wśród różnych rodzajów energii należy wymienić takie, jak: chemiczna, wewnętrzna, mechaniczna, elektryczna itp. Możliwe są wzajemne przekształcenia różnych form energii, zwane ogólnie konwersją energii. Procesom tym towarzyszy transport energii dokonywany za pomocą ciepła, albo pracy. Dlatego w termodynamice pracę i ciepło traktuje się tylko jako metody przekazywania energii, a nie jej rodzaje. Oznacza to, że nie można w układzie zakumulować pracy lub ciepła; można natomiast zakumulować energię i wydatkować ją albo przez ciepło, albo przez pracę. Wynika stąd, że pojęcie energia cieplna nie jest pojęciem merytorycznie słusznym, ale stosowanym w praktyce jako pewien skrót myślowy. Procesom konwersji energii towarzyszą różne przemiany, a od ich sprawności zależą ilościowe i jakościowe skutki termoekonomiczne konwersji. Istotnym problemem jest zachowanie wysokiej sprawności przemian i ciągłości łańcucha konwersji energii. Na rys. 1 przedstawiono przykładowo łańcuch konwersji energii w elektrowni parowej [1, 2].

● zwiększenia procentowego udziału energii pochodzącej z odnawialnych źródeł (OZE) w bilansie energetycznym kraju,
● doskonalenia znanych i wprowadzenia nowych technologii energetycznych, które są wysoko efektywne, a jednocześnie przyjazne człowiekowi i jego środowisku [5]. (...)

Wykorzystanie urządzeń do transformacji energii (...)

Zarys zasady działania sprężarkowej i absorpcyjnej pompy ciepła
     W zależności od rodzaju czynnika obiegowego wyróżnia się pompy ciepła sprężarkowe parowe lub gazowe, przy czym parowe zyskały szerokie zastosowanie. W parowej sprężarkowej pompie ciepła realizuje się lewobieżny obieg termodynamiczny. Przy zastosowaniu czynnika chłodniczego jednoskładnikowego jest on zwykle zbliżony do porównawczego obiegu Lindego (rys. 5) z zaworem rozprężnym, natomiast dla czynnika dwuskładnikowego (w postaci roztworu) wzorcowym może być obieg Lorenza [8].

     Rys. 5 przedstawia schemat ideowy oraz interpretację przemian w obiegu lewobieżnym parowej pompy ciepła z czynnikiem jednoskładnikowym. Dolnym źródłem ciepła jest parownik P, natomiast górnym – skraplacz SKR. Obieg pokazany na tym rysunku jest obiegiem bez dochłodzenia czynnika.
     W przypadku sorpcyjnych pomp ciepła najczęściej występuje w praktyce pompa absorpcyjna, w której energia napędowa E doprowadzana jest z otoczenia za pośrednictwem ciepła. Oprócz tego różni się ona od pompy sprężarkowej tym, że sprężarka typu mechanicznego (z rys. 5) została zastąpiona tzw. sprężarką termiczną (rys. 6). W absorpcyjnej pompie ciepła występuje czynnik roboczy w postaci tzw. zespołu sorpcyjnego, składającego się z czynnika chłodniczego i pochłaniacza. Zwykle stosowane są zespoły sorpcyjne NH₃-H₂O oraz H₂O – LiBr. Podkreślić trzeba, że istnieje bardzo szerokie pole do zastosowania absorpcyjnych pomp ciepła, zwłaszcza w rozproszonej kogeneracyjnej gospodarce energetycznej [12]. Istnieją jednak wieloletnie zaniedbania w produkcji elementów, potrzebnych do budowy krajowej absorpcyjnej pompy ciepła. Z historii chłodnictwa po II wojnie światowej wynika, że polskie chłodnictwo absorpcyjne stało niegdyś na bardzo wysokim poziomie, nie tylko pod względem projektowania, ale również budowy tego typu urządzeń (z elementów produkowanych w Polsce). Niestety wciąż absorpcyjne pompy ciepła wydają się być zapomnianymi urządzeniami energetycznymi, a ich duże możliwości mogłyby być przydatne we współczesnej energetyce polskiej i nie tylko.

Metody zwiększania efektywności współczesnych sprężarkowych pomp ciepła
     Aby w energetyce wykorzystanie urządzeń do transformacji ciepła było opłacalne konieczne jest zapewnienie wysokich wartości współczynników ich efektywności. Jak uprzednio wskazano, miernikiem tej efektywności jest współczynnik wydajności cieplnej ε_pc pompy ciepła. Dlatego porównuje się efekty uzyskiwane w obiegach rzeczywistych pomp ciepła z efektami maksymalnie możliwymi w obiegach wzorcowych. Podstawowym wzorcowym obiegiem dla sprężarkowych parowych pomp ciepła jest lewobieżny obieg Carnota. Na rys. 7 przedstawiono jego schemat w układzie współrzędnych T-S.

     Współczynnik wydajności cieplnej lewobieżnego obiegu Carnota opisany jest zależnością:

gdzie T_g [K] jest temperaturą bezwzględną górnego źródła ciepła, zaś T_d [K] – temperaturą bezwzględną źródła dolnego. Wartość współczynnika εC nie zależy od rodzaju czynnika, lecz jest funkcją różnicy temperatury źródeł: ε_C = f(T_g, T_d). Na rys. 8 pokazano wykres zależności ε_C = f(T_d), przy T_g = const. Z obiegu Carnota uzyskuje się najwyższe możliwe wartości współczynnika wydajności cieplnej. Wzrost temperatury źródła dolnego zmniejsza różnicę temperatury źródeł i powoduje wzrost efektywności pompy ciepła. (...)

Niektóre możliwości pracy pompy ciepła w zewnętrznie skojarzonych układach energetycznych
(...)

Podsumowanie
     Koncepcja transformacji energii ze źródła dolnego do górnego w obiegu lewobieżnym pompy ciepła jest znana od 1833 roku [3]. Obecnie istnieją sprzyjające warunki dla restauracji tego urządzenia we współczesnych układach energetyki rozproszonej, zwłaszcza w zakresie kogeneracji i trójgeneracji.
     Pomimo, że wartości współczynnika efektywności energetycznej rzeczywistej, sprężarkowej pompy ciepła mieszczą się w granicach ε_pc = 2÷3,5, a dla absorpcyjnej pompy ciepła ε_pc =1,2÷2 możliwe jest budowanie układów skojarzonych lub hybrydowych w połączeniu z kolektorami słonecznymi, turbinami wiatrowymi lub instalacją geotermiczną. Wymagane jest przy tym wykonanie rachunku techniczno – ekonomicznego inwestycji.
     Rozważania zawarte w niniejszym opracowaniu można dedykować również tym wszystkim, którzy są pełni wiary, że procentowy udział energii ze źródeł OZE osiągnie w krajowym bilansie energetycznym poziom: w 2010 roku – 7,5%, a w 2020 roku – 14% (według standardów planowania energetyki w Unii Europejskiej).