Sprężarkowe pompy ciepła napędzane silnikiem gazowym (cz. 1.)
Analiza kosztów eksploatacyjnych związanych z ogrzewaniem i klimatyzacją budynków wskazuje, że stanowią one aż 80% wydatków poniesionych na funkcjonowanie obiektu.
Z tego względu proces projektowania i doboru instalacji ogrzewania i klimatyzacji jest bardzo istotny i ma znaczący wpływ na późniejsze koszty eksploatacyjne. Dla dysponenta budynku ważne są na równi z kosztami inwestycyjnymi koszty eksploatacji obiektu, które na przestrzeni wielu lat znacznie przewyższają wartość inwestycji początkowej. Stąd wybór technologii ograniczającej zużycie energii w znaczny sposób zmniejsza TCO (Total Cost of Ownership). Ciągły wzrost cen źródeł energii wymaga szerszego spojrzenia na rozwiązania pozwalające ograniczyć koszty eksploatacji.
Jedną z metod podnoszących efektywność wykorzystania źródeł energii są pompy ciepła, których ogólny sposób działania jest dobrze znany. Prowadzone ciągle badania dotyczące tych urządzeń skupiają się m.in. nad poprawą ich sprawności energetycznej.
Główne kierunki rozwoju to stosowanie układów wielostopniowych, dobór odpowiedniej konstrukcji sprężarek i możliwych rodzajów napędu mechanicznego (stosowanie wysokosprawnych specjalnie projektowanych gazowych silników tłokowych) lub cieplnego w przypadku urządzeń absorpcyjnych. Ważnym problemem są ciągłe badania poświęcone poszukiwaniu czynników roboczych, które jednocześnie muszą spełniać kryteria bezpieczeństwa i wymagania dotyczące najlepszych właściwości termodynamicznych z punktu widzenia efektywności energetycznej. Dodatkowo stosuje się pompy ciepła w systemach kogeneracyjnych (rys. 1.), czyli mających możliwość jednoczesnej generacji energii cieplnej, energii elektrycznej oraz pośrednio dostarczanie mocy chłodniczej (włączając układy absorpcyjne i adsorpcyjne). Kogeneracja pozwala na znaczące podwyższenie wykorzystania energii pierwotnej dostarczanej do zasilania urządzeń. W systemach tych również ciepła woda użytkowa może być produkowana za pomocą strumieni energii ciepła odpadowego. Stanowi to doskonałe rozwiązanie w przypadku obiektów o dużym zapotrzebowaniu na taką wodę (baseny, obiekty SPA, aquaparki, hotele oraz przemysłowe procesy technologiczne).
Podejmowana przez ośrodki naukowe i komercyjne ośrodki badawczo-rozwojowe tematyka badań naukowych i doświadczalnych odnosi się w szerokim zakresie do efektywności energetycznej. Tutaj widać zainteresowanie stosowaniem układów wielostopniowych, poprawą sprawności sprężania i oszczędności energii w układach napędowych (tutaj znajduje miejsce stosowanie silników gazowych). Rozważa się stosowanie sprężania eżektorowego a ponadto ciągle trwają pracę nad lepszymi ekologicznymi czynnikami roboczymi, które są wykorzystywane w sprężarkowych, absorpcyjnych i adsorpcyjnych pompach ciepła. Ważne jest także zwiększanie efektywności wykorzystania energii w pompach ciepła pracujących w układach odzyskujących ciepło z gleby, źródeł geotermalnych, promieniowania słonecznego, które wykorzystywane są w suszarnictwie, kogeneracji oraz w wielu systemach do ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń biurowych, hal widowiskowych, kin, teatrów oraz centrów handlowych.
[1] US DOE (Department of Energy). Industrial heat pumps for steam and fuel savings. Energy efficiency and renewable energy technical report. 2009. (http://www.oit.doe.gov).
[2] Masahiro YAHAGI, Kazuya IMAI, Yoshihito TANIGUCHI: Development of High-Efficiency Gas Engine Heat Pumps. Report. Japan.
[3] HEPBASLI A., ERBAY Z., ICIER F., COLAK N., HANCIOGLU E.: A review of gas engine driven heat pumps (GEHPs) for residential and industrial applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13, 2009. p. 85–99.
[4] Jak obliczać sprawność gazowych pomp ciepła? Materiały informacyjne firmy Robur. Rynek instalacyjny. 12/2011.
[5] HEPBASLI A., KALINCI Y.: A review of heat pump water heating systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13, 2009. p. 1211–1229.
[6] ZARZYCKI D.: Analiza zastosowania silnika gazowego do napędu sprężarkowych urządzeń chłodniczych. Praca dyplomowa. Politechnika Warszawska. 2007.
[7] RUSOWICZ A., RUCIŃSKI A.: The Mathematical Modelling of The Absorption Refrigeration Machines Used in Energy Systems. 8th International Conference ENVIRONMENTAL ENGINEERING Selected papers, Vilnius Gedimias Technical University Press-Technika Vol. II. 2011. p. 802–806.
[8] RUCIŃSKI A., RUSOWICZ A.: The Comparative Analysis of Single and Multi-Effect Absorption Cooling Machines. Biuletyn Politechniki Lwowskiej. Nr 659. 2010. str. 8–13.
[9] BUSATO F., LAZZARIN R.M., NORO M.: Ten years history of a real gas driven heat pump plant: Energetic, economic and maintenance issues based on a case study. Applied Thermal Engineering. 31, 2011. p. 1648–1654.
[10] A. HEPBASLI et al.: A review of gas engine driven heat pumps (GEHPs) for residential and industrial applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13, 2009. p. 85–99.
[11] Gas Heat Pumps. Efficient heating and cooling with natural gas. GasTerra/Castel International Publishers. Groningen, The Netherlands.
mgr inż. Daniel LIPIŃSKI
dr inż. Adam RUCIŃSKI – Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska
