Sprężarkowe pompy ciepła napędzane silnikiem gazowym (cz. 2)

Właściwości pomp ciepła ze sprężarkami napędzanymi silnikiem gazowym można opisać w sposób następujący:

•    w porównaniu do typowych elektrycznych napędów sprężarek dostrzega się duże obniżenie zużycia energii elektrycznej – bo możliwa jest generacja prądu elektrycznego.
•    ze względu na możność spożytkowania odpadowego ciepła spalin i strumienia ciepła odprowadzonego od silnika w wyniku chłodzenia korpusu, można znacznie podnieść ogólną sprawność wykorzystania energii pierwotnej (gaz ziemny, LNG, biogaz), co daje szczególnie dużo korzyści w regionach chłodnych z niską średnią temperaturą roczną.
•     odpowiednio dobrany silnik gazowy zapewnia zmniejszenie emisji dwutlenku węgla nawet w przypadku stosowania typowych układów spalania węgla kamiennego połączonego z pompą ciepła napędzaną silnikiem elektrycznym.
•    pompy te mają swoje zalety w chłodnym klimacie ze względu na brak potrzeby stosowania oszraniania, gdyż może służyć do tego gorąca woda po schłodzeniu silnika gazowego.


Problemy eksploatacyjne natomiast dotyczą drgań i przemieszczeń związanych z przełożeniem napędu z wału silnika na wał sprężarki oraz towarzyszącemu tym zjawiskom hałasowi. Zazwyczaj był on wyższy niż w przypadku zwykłych napędów elektrycznych, lecz nowsze konstrukcje są już bardziej wyciszone. Gazowy silnik napędowy realizuje obieg termodynamiczny oparty na obiegu Otto. Silniki o mocy mechanicznej mniejszej niż 60 kW to zmodernizowane silniki o konstrukcjach wysokowytrzymałych wywodzących się z silników wielkogabarytowych ciężarówek długodystansowych. Silniki o mocach większych to silniki o długiej żywotności wolnoobrotowe. Wymagają wymiany głowic cylindrów co 30 000 godzin roboczych (około 3,5 roku ciągłej pracy). Przegląd techniczny w nowych konstrukcjach silników co 10 000 godzin wymaga regulacji zaworów, sprawdzenia świec iskrowych (wymiana w razie konieczności), wymiany oleju i filtrów powietrza, sprawdzenia stosunku dostarczanego paliwa i powietrza oraz pomiaru sprężu na wszystkich cylindrach.

W trakcie rozwoju technologii najlepsze wyniki efektywności energetycznej osiągnięto przez zastosowanie wysokowydajnych sprężarek typu scroll. Dobre wyniki osiągnięto również za pomocą systemu płynnej zmiany obrotów, objętości sprężanego czynnika oraz wydajności chłodniczej. Ustalono także w wyniku badań, że na tym etapie eksploatacji najlepszym czynnikiem roboczym jest mieszanina HFC 410A [3], ze względu na dobrą jednostkową objętościową wydajność chłodniczą. Na uwagę zasługują także nowoczesne silniki zasilane niskokaloryczną mieszanką powietrzno-paliwową, które poprzez zmiany konstrukcyjne, utrzymują bardzo dobrze stabilność procesu spalania. Osiąga się to także przez lepszą kontrolę stosunku objętościowego gazu palnego i powietrza.

Należy pamiętać, że koszty inwestycyjne w momencie zakupu tzw. gazowej pompy ciepła są wyższe niż w przypadku tych z napędem elektrycznym, ale taryfy opłat za gaz w trakcie eksploatacji są konkurencyjne wobec opłat za energię elektryczną...

LITERATURA:

[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