W artykule zawarto opisy rozwiązań i eksploatacji wodnych pomp ciepła. Ukazano wady i zalety poszczególnych rozwiązań w tym również tworzenia się na powierzchni wymienników ciepła lodu. Analizy literaturowe i badania własne pozwalają na ocenę wpływu temperatury oraz natężenia przepływu wody na efektywność COP. Przedstawiono również nowy wynalazek: pompę ciepła zasilaną okresowo ciepłem krzepnięcia wody.

Coraz powszechniejsze stosowanie pomp ciepła w Europie, które wynika z zaleceń UE dotyczących wykorzystywania źródeł odnawialnych (choć trwa dyskusja czy pompy ciepła są odnawialnym źródłem energii) wymaga zwrócenia uwagi na ich rzeczywistą efektywność. Obserwowane w ostatnich latach zmiany klimatu w Polsce (cieplejsze zimy) pozwalają na przychylną ocenę takich zastosowań. Jednak decydującą w tym względzie rolę powinny odgrywać badania eksperymentalne prowadzone w rzeczywistych warunkach.

W okresie jesienno-zimowym, kiedy temperatura zewnętrznego wymiennika ciepła powietrznej pompy ciepła (PPC) utrzymuje się poniżej 0°C i poniżej temperatury punktu rosy, z powietrza na zasadzie dyfuzji wydziela się para wodna, która osadza się i zamarza na jego powierzchni, tworząc warstwę szronu. Zjawisko szronienia zewnętrznego wymiennika ciepła PPC występuje już przy temperaturze powietrza 4÷5°C. Oszronienie wymiennika zmusza do okresowego oczyszczania powierzchni ze szronu poprzez ogrzewanie, które wpływa też na pogorszenie efektywności pomp ciepła pracujących w tych warunkach. Zastosowanie wodnych pomp ciepła nie powoduje takich problemów nawet w okresie niskich wartości temperatury zewnętrznej. Mamy wtedy w najgorszym wypadku do czynienia ze stałą temperaturą – około 4°C.

Badania i obserwacje wodnych pomp ciepła

Poniżej zostały przedstawione wyniki niektórych dostępnych w literaturze badań wodnych pomp ciepła. Na rysunkach 1-2 pokazano wyniki badań wodnej pompy ciepła przeprowadzonych przez V. C. Mai [20]. Przedstawiają one kształtowanie się współczynnika COP oraz wydajności grzewczej w zależności od wartości temperatury wody na wejściu oraz od natężenia przepływu wody zasilające dolne źródło.

Rys. 1. Wydajność grzewcza w funkcji temperatury wody na wlocie i masowego przepływu czynnika roboczego (dla R22 i przepływu 5,7∙10-4m3/s) [20]

Rys. 2. Efektywność energetyczna COP w funkcji temperatury wody na wejściu przy natężeniu przepływu wody na poziomie 5,7∙10-4m3/s [20]

Wydajność grzewcza jest definiowana jako suma wydajności cieplnej skraplacza i ciepła wydzielanego na silniku wentylatora. Efektywność energetyczna (COP) jest zdefiniowana jako stosunek mocy grzewczej do całkowitej mocy wejściowej. Rysunek 1 przedstawia wydajność i moc wejściową (bez pompy wodnej) w funkcji temperatury wody na wejściu dla natężenia przepływu wody 5,7∙10-4 m3/s.

Efektywność wzrosła wraz ze wzrostem temperatury wody od 9,4 kW przy 7,2°C do 12,89 kW przy 21,1°C. Zużycie energii również wzrosło wraz ze wzrostem temperatury wody, od 3,1 do 3,7 kW. Gdyby wziąć pod uwagę szybkość przepływu wody, co jest dodatkowym parametrem, to można zauważyć, że im natężenie przepływu wody jest większe, tym wyższy jest współczynnik COP.

Rysunek 2 pokazuje wyniki testów efektywności energetycznej w funkcji temperatury wody na wejściu dla natężenia przepływu wody 5,7∙10-4m3/s. Efektywność energetyczna COP wzrosła wraz ze wzrostem temperatury wody od 2,96 do 3,5 w badanym zakresie temperatury. Jeżeli moc wejściowa pompy wodnej jest uwzględniona przy obliczaniu COP, to w tym przypadku okazuje się, że COP spada wraz ze wzrostem natężenia przepływu wody.

Rysunki 3 i 4 przedstawiają schemat i badania typowego rozwiązania wodnej pompy ciepła zamieszczone w pracy [21]. Autorzy przeprowadzili porównanie kształtowania się współczynnika COP dla dwóch rodzajów zasilania dolnego źródła, odpowiednio wodą i powietrzem.

Rys. 3. Ideowy schemat wodnej pompy ciepła działającej w trybie grzania (opcjonalnie do celów obliczeniowych i porównawczych jako źródło zasilania można przyjąć również powietrze): 1-sprężarka; 2-zawór czterodrogowy; 3-skraplacz/nagrzewnica powietrza; 4-zawór rozprężny; 5-parowacz; 6,7-obieg medium zasilającego dolne źródła; 8-kanał wentylacyjny [21]

Rys. 4. Efektywność energetyczna COP konwencjonalnych pomp ciepła w funkcji temperatury źródła zasilania [21]

Niestety brak jest szczegółowego opisu badań autorów, które nie pozwalają na ocenę uzyskanych zbliżonych wartości COP dla wody i powietrza.

Wodne pompy ciepła

Można je podzielić według sposobu zasilania:

-„„ wodą w obiegu pośrednim,
-„„ bezpośrednie zasilanie wodą,
„-„ zasilane ciepłem krzepnięcia wody.

Pompy ciepła zasilane wodą gruntową

Na wielu obszarach gdzie nie ma dostępnych wód powierzchniowych naturalnych lub sztucznych często możemy korzystać z wód gruntowych. Na rysunku 5 przedstawiono schemat wodnej pompy ciepła (WPC) zasilanej woda gruntową z dwiema studniami: czerpną i chłonną.

Rys. 5. Wodna pompa ciepła wykorzystująca ciepło z wód gruntowych: 1-studnia czerpalna; 2-pompa; 3-wymiennik ciepła (parowacz); 4-sprężarka; 5-wymiennik ciepła (skraplacz); 6-odbiorcy „ciepła”; 7-TZR; 8-studnia chłonna

Podczas trwania okresu grzania pompy wodne wymuszające przepływ wody przez zewnętrzny i wewnętrzny wymiennik ciepła są włączone. Wyłączenie pomp wodnych następuje po wyłączeniu pompy ciepła z procesu grzania.

Zalety:
-„„ duża prostota rozwiązania,
-„„ prosta obsługa,
-„„ możliwość pracy w trybach: ogrzewanie, chłodzenie,
-„„ wysoka efektywność.

Wady:
-„„ wymiennik ciepła musi być specjalnie przystosowany do agresywności stopnia zmineralizowania wody,
-„„ wysokie koszty inwestycyjne,
-„„ konieczność stosowania wysokiej klasy filtrów.

Na rysunku 6 przedstawiono schemat WPC zasilanej woda gruntową z jedną studnią czerpalną. W tym przypadku koszt inwestycji maleje, jednak woda musi spełniać szereg norm dotyczących zrzutu wody do zbiorników naturalnych lub rzek. Przy życzliwym podejściu do udostępniania wody na cele zasilania WPC, a więc pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych, wydaje się to korzystnym ekonomicznie rozwiązaniem.

Rys. 6. Wodna pompa ciepła wykorzystująca ciepło z wód gruntowych, wariant z jedną studnią: 1-filtr wody; 2-studnia czerpalna; 3-pompa; 4-wymiennik ciepła (parowacz); 5-sprężarka; 6-wymiennik ciepła (skraplacz); 7-odbiorcy „ciepła”; 8 -TZR; 9-naturalny zbiornik wodny

Pompa ciepła wykorzystująca ciepło wód gruntowych może być wykonana również w przypadku, gdy mamy dostęp do naturalnego zbiornika wodnego (jeziora, stawu, rzeki). W tym przypadku wierci się tylko jedną studnię, z której następuje pobór wody gruntowej, a następnie po odzyskaniu z niej ciepła zostaje ona zrzucona do pobliskiego zbiornika wodnego. Rozwiązanie to jest istotnie tańsze inwestycyjnie z uwagi na tylko jeden odwiert. Nie zmienia się natomiast efektywność pompy ciepła oraz parametry obiegu. Rozwiązanie to jest dość często stosowane w USA oraz Kanadzie.

Zalety:
-„„ duża prostota rozwiązania,
-„„ prosta obsługa,
-„„ możliwość pracy w trybach: ogrzewanie, chłodzenie,
-„„ wysoka efektywność,
-„„ niższe koszty inwestycyjne przy budowie jednej studni.

Wady:
-„„ wymiennik ciepła musi być specjalnie przystosowany do agresywności stopnia zmineralizowania wody gruntowej,
-„„ konieczność stosowania wysokiej klasy filtrów.

Pompy ciepła zasilane wodą z jezior lub stawów (...)

Pompy ciepła zasilane wodą morską (...)

Pompy ciepła zasilane ściekami (...)

Nowe rozwiązanie wodnej pompy ciepła (...)

Kształtowanie się współczynnika efektywności energetycznej COP wodnej i powietrznej pompy ciepła (...)

Wnioski końcowe

-„„ Analizując dostępną literaturę, można zauważyć, że wodne pompy ciepła są najmniej popularne wśród wszystkich rodzajów pomp ciepła, wynika to między innymi z ograniczonego dostępu do wody o odpowiednich parametrach (t >12°C) jako źródła zasilania dolnego wymiennika pompy. Istotnym ograniczeniem jest konieczność uzyskania pozwoleń wodno-prawnych w wielu przypadkach oraz dość wysokie koszty inwestycyjne.

-„„ Nowy wynalazek WPC rozszerza zakres zastosowań do temperatury wody ok. 4°C (najniższa temperatura wody w zbiornikach) i temperatury parowania poniżej 0°C, zachowując wysoką efektywność.

-„„ Analizy teoretyczne pracy nowego wynalazku WPC pozwalają przypuszczać, iż jego efektywność będzie znacznie wyższa od standardowych rozwiązań WPC. „„Główny wpływ na kształtowanie się współczynnika COP wodnej pompy ciepła ma temperatura i natężenie przepływu wody w dolnym źródle ciepła (w układach zasilanych bezpośrednio). „„Wodne pompy ciepła charakteryzują się najwyższymi współczynnikami COP, szczególnie w porównaniu z powietrznymi pompami ciepła.

-„„ Pewnym problemem WPC jest skład (agresywność chemiczna) wody zasilającej dolne źródło ciepła i jej zmiany podczas eksploatacji, co wymusza stosowanie drogich materiałów na wymienniki.

LITERATURA

[1] RUBIK M.: Pompy ciepła – poradnik. Wydanie III rozszerzone. Ośrodek Informacyjny „Technika instalacyjna w budownictwie”. Warszawa 2006.
[2] ZALEWSKI W.: Pompy ciepła – sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeń. I.P.P.U. Masta 2001.
[3] PN-EN 378 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła.
[4] RECKNAGEL, SPRENGER, HONMANN, SCHRAMEK: Kompendium wiedzy Ogrzewnictwo, Klimatyzacja, Ciepła Woda, Chłodnictwo. OMNI SCALA. Wrocław 2008.
[5] Steve KAVANAUGH: Ground – Coupling with water source heat pump. The University of Alabama. Tuscaloosa. Alabama.
[6] MITSDOERFFER R., CHRIST O., MOESER C.: Zum Heizen und Kühlen gibt es Abwasser. Wasserwirtschaft Wassertechnik 11-12/2006.
[7] Heat Pump Center: Heat pumps can cut global CO2 emissions by nearly 8%. Technical Report HPC and IEA.
[8] Heat Pump & Termal Storage Technology Center of Japan: Heat Pumps Long Awaited Way out of the Global Warming.
[9] Tadeusz BOHDAL, Henryk CHARUN, Marian CZAPP: Urządzenia chłodnicze sprężarkowe parowe, podstawy teoretyczne i obliczenia. WNT. Warszawa 2003.
[10] Mirosław ZAWADZKI: Kolektory słoneczne pompy ciepła na tak. Polska Ekologia. 2003.
[11] Roman ZARZYCKI: Wymiana ciepła i ruch masy w inżynierii środowiska. WNT. Warszawa 2005.
[12] Wojciech OSZCZAK: Jak taniej ogrzać dom. Wydawnictwo Komuunikacji i Łączności. Warszawa 2005.
[13] XIAO Chen, GUOQIANG Zhang, JIANGUO Peng, XUANJUN Lin, TINGTING Liu: The performance of an open-loop lake water heat pump system of south China. Applied Thermal Engineering 26 (2006) s.2255–2261.
[14] CHAO Chen, FENG-LING Sun, LEI Feng, MING Liu: Underground water source loop heat-pump air-conditioning system applied in a residential building in Beijing. Applied Energy 82 (2005) s.331–344.
[15] ZHIWEI Lian, SEONG-RYONG Park, WEI Huang, YOUNGJIN Baik, YE Yao: Conception of combination of gasengine driven heat pump and water loop heat pump system. International Journal of Refrigeration 28 (2005) s.810–819.
[16] O. BUYUKALACA, F. EKINCI, T. YILMAZ: Experimental investigation of Seyhan River and dam lake as heat source – sink for a heat pump. Energy 28 (2003) s.157–169.
[17] Satoru OKAMOTO: A heat pump system whit a latent heat storage utilizing seawater installed in an aquarium. Energy and Buildings 38 (2006) s.121–128.
[18] Prawo wodne. Ustawa z dnia 18 lipca 2001 roku. Prawo wodne. (DzU 2001.115.1229 z dnia 11 października 2001 r.).
[19] Zbigniew PRUSZAK: Akweny Morskie. Zarys procesów fizycznych i inżynieria środowiska. IBW PAN. Gdańsk 2003.
[20] V.C.MAI: Laboratory test of a residential low-temperature water source heat pump. Energy Division.
[21] Gordon M. REISTAD, Associate Professor and Poul Means, Graduate Student: Heat pumps for geothermal applications: availability and performance. Department of Mechanical Engineering Oregon State University. Maj 1980.
[22] ZAKRZEWSKI B., TUCHOWSKI W.: Wodne pompy ciepła. Chłodnictwo 06/2009.
[23] ZAKRZEWSKI B. Zgłoszenie patentowe nr P387938. Wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła. 06.03.2009.
[24] http://www.geo4va.vt.edu/A2/GHP