Pompa ciepła - Heat pump
| Część serii na |
| Energia odnawialna |
|---|
 |
Pompa ciepła jest urządzenie wykorzystywane do ogrzania i czasem chłodzenia budynku przez przeniesienie energii cieplnej z przestrzeni chłodnicy do cieplejszej przestrzeni za pomocą cyklu chłodzenia , jest w kierunku przeciwnym, w którym wymiana ciepła odbędzie się bez potrzeby stosowania zewnętrznego źródła zasilania. Typowe typy urządzeń to powietrzne pompy ciepła , gruntowe pompy ciepła , wodne pompy ciepła i pompy ciepła na powietrze wywiewane . Pompy ciepła są również często stosowane w systemach ciepłowniczych .
Wydajność pompy ciepła jest wyrażona jako współczynnik wydajności (COP) lub sezonowy współczynnik wydajności (SCOP). Im wyższa liczba, tym bardziej wydajna pompa ciepła i tym mniej energii zużywa. W przypadku zastosowania do ogrzewania pomieszczeń, urządzenia te są zazwyczaj znacznie bardziej energooszczędne niż zwykłe elektryczne grzałki oporowe . Pompy ciepła mają mniejszy ślad węglowy niż systemy grzewcze spalające paliwa kopalne, takie jak gaz ziemny , ale te zasilane wodorem są również niskoemisyjne i mogą stać się konkurentami.
Historia
Kamienie milowe:
- 1748: William Cullen demonstruje sztuczne chłodzenie.
- 1834: Jacob Perkins buduje praktyczną lodówkę z eterem dimetylowym .
- 1852: Lord Kelvin opisuje teorię leżącą u podstaw pomp ciepła.
- 1855-1857: Peter von Rittinger opracowuje i buduje pierwszą pompę ciepła.
- 1928: Aurel Stodola konstruuje pompę ciepła z obiegiem zamkniętym (źródło wody z Jeziora Genewskiego ), która do dziś zapewnia ogrzewanie ratusza w Genewie .
- 1945: John Sumner, miejski inżynier elektryk w Norwich , instaluje eksperymentalny system centralnego ogrzewania zasilany pompą ciepła, wykorzystując sąsiednią rzekę do ogrzewania nowych budynków administracyjnych Rady. Wskaźnik efektywności sezonowej 3,42. Średnia moc cieplna 147 kW i moc szczytowa 234 kW.
- 1948: Robert C. Webber został uznany za opracowanie i budowę pierwszej gruntowej pompy ciepła.
- 1951: Pierwsza instalacja na dużą skalę — Royal Festival Hall w Londynie zostaje otwarta z miejską odwracalną wodną pompą ciepła zasilaną gazem , zasilaną przez Tamizę , zarówno na potrzeby ogrzewania zimowego, jak i letniego chłodzenia.
Rodzaje
Powietrzna pompa ciepła
Powietrzne pompy ciepła służą do przenoszenia ciepła między dwoma wymiennikami ciepła, jednym na zewnątrz budynku, który jest wyposażony w lamele, przez które powietrze jest przetłaczane za pomocą wentylatora, a drugi, który albo bezpośrednio ogrzewa powietrze wewnątrz budynku, albo podgrzewa wodę, która jest następnie cyrkulowana wokół budynku poprzez emitery ciepła, które oddają ciepło do budynku. Urządzenia te mogą również pracować w trybie chłodzenia, w którym pobierają ciepło przez wewnętrzny wymiennik ciepła i wyrzucają je do otaczającego powietrza za pomocą zewnętrznego wymiennika ciepła. Zwykle są one również używane do podgrzewania wody do mycia, która jest przechowywana w zbiorniku ciepłej wody użytkowej.
Powietrzne pompy ciepła są stosunkowo łatwe i niedrogie w instalacji i dlatego historycznie były najczęściej stosowanym typem pompy ciepła. Przy łagodnej pogodzie COP może wynosić około 4,0, podczas gdy w temperaturach poniżej około 0°C (32°F) powietrzna pompa ciepła może nadal osiągać COP na poziomie 2,5. Średni COP w zmianach sezonowych wynosi zazwyczaj 2,5-2,8, a wyjątkowe modele są w stanie przekroczyć ten poziom w łagodnym klimacie.
Geotermalna (gruntowa) pompa ciepła
Geotermalna pompa ciepła ( angielski północnoamerykański ) lub gruntowa pompa ciepła ( angielski brytyjski ) czerpie ciepło z gleby lub wód gruntowych, które przez cały rok utrzymują względnie stałą temperaturę poniżej głębokości około 30 stóp (9,1 m). Dobrze utrzymana geotermalna pompa ciepła zazwyczaj ma COP na poziomie 4,0 na początku sezonu grzewczego i sezonowy COP na poziomie około 3,0, gdy ciepło jest pobierane z gruntu. Geotermalne pompy ciepła są droższe w instalacji ze względu na konieczność wiercenia odwiertów w celu pionowego ułożenia rur wymiennika ciepła lub kopania rowów w celu poziomego ułożenia rur przenoszących płyn wymiany ciepła (woda z niewielką ilością środka przeciw zamarzaniu).
Geotermalna pompa ciepła może być również wykorzystywana do chłodzenia budynków w upalne dni, przekazując w ten sposób ciepło z mieszkania z powrotem do gruntu przez pętlę gruntową. Kolektory słoneczne lub rurociągi umieszczone w asfalcie parkingu mogą być również wykorzystane do uzupełnienia ciepła pod ziemią.
Pompa ciepła na powietrze wywiewane
Pompy ciepła na powietrze wywiewane pobierają ciepło z powietrza wywiewanego budynku i wymagają wentylacji mechanicznej . Istnieją dwie klasy pomp ciepła na powietrze wywiewane.
- Pompy ciepła powietrze-powietrze przekazują ciepło do powietrza wlotowego.
- Pompy ciepła powietrze-woda odprowadzają ciepło do obiegu grzewczego, który zawiera zbiornik ciepłej wody użytkowej.
Pompa ciepła wspomagana energią słoneczną
Wspomagana energią słoneczną pompa ciepła to maszyna, która reprezentuje integrację pompy ciepła i termicznych paneli słonecznych w jednym zintegrowanym systemie. Zazwyczaj te dwie technologie są używane oddzielnie (lub działają równolegle) do produkcji ciepłej wody . W tym systemie panel słoneczny pełni funkcję niskotemperaturowego źródła ciepła, a wytworzone ciepło wykorzystywane jest do zasilania parownika pompy ciepła. Celem tego systemu jest uzyskanie wysokiego COP, a następnie wytwarzanie energii w bardziej wydajny i tańszy sposób.
Wodna pompa ciepła
Wodna pompa ciepła działa w podobny sposób jak gruntowa pompa ciepła, z tą różnicą, że pobiera ciepło z wody, a nie z gruntu. Jednak zbiornik wodny musi być wystarczająco duży, aby wytrzymać efekt chłodzenia urządzenia bez zamarzania lub powodowania niekorzystnego wpływu na dziką przyrodę.
Hybrydowa pompa ciepła
Hybrydowe (lub podwójne) pompy ciepła pobierają ciepło z różnych źródeł w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz. Kiedy powietrze na zewnątrz ma temperaturę powyżej 4 do 8 stopni Celsjusza (40-50 stopni Fahrenheita, w zależności od temperatury wody gruntowej), wykorzystują powietrze; w niższych temperaturach korzystają ze źródła gruntowego. Te systemy z dwoma źródłami mogą również magazynować ciepło latem, przepuszczając wodę ze źródła gruntowego przez wymiennik powietrza lub przez wymiennik ciepła budynku, nawet gdy sama pompa ciepła nie pracuje. Ma to dwie zalety: działa jako tani system chłodzenia powietrza wewnętrznego i (jeśli woda gruntowa jest stosunkowo zastała) zwiększa temperaturę źródła gruntowego, co poprawia efektywność energetyczną systemu pompy ciepła o około 4% na każdy stopień wzrostu temperatury źródła gruntowego.
Aplikacje
Międzynarodowa Agencja Energii szacuje, że w roku 2011 było 800 milionów pomp ciepła zainstalowanych na Ziemi. Są używane w klimacie o umiarkowanych potrzebach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), a także mogą zapewniać ciepłą wodę użytkową i funkcje suszenia ubrań w suszarce bębnowej. Koszty zakupu wspierane są w różnych krajach rabatami konsumenckimi.
Ogrzewanie i chłodzenie budynków i pojazdów
W zastosowaniach HVAC pompa ciepła jest zwykle urządzeniem chłodniczym z kompresją pary , które zawiera zawór zwrotny i zoptymalizowane wymienniki ciepła, dzięki czemu można odwrócić kierunek przepływu ciepła (ruch energii cieplnej). Zawór zmiany kierunku przepływu zmienia kierunek czynnika chłodniczego w cyklu, dzięki czemu pompa ciepła może dostarczać do budynku ogrzewanie lub chłodzenie. W chłodniejszym klimacie domyślnym ustawieniem zaworu przełączającego jest ogrzewanie.
Domyślnym ustawieniem w cieplejszym klimacie jest chłodzenie. Ponieważ dwa wymienniki ciepła, skraplacz i parownik, muszą zamienić się funkcjami, są one zoptymalizowane pod kątem odpowiedniego działania w obu trybach. Dlatego ocena SEER, która jest sezonową oceną efektywności energetycznej odwracalnej pompy ciepła, wynosi zwykle nieco mniej niż dwie oddzielnie zoptymalizowane maszyny. Aby sprzęt otrzymał ocenę Energy Star , musi mieć ocenę co najmniej 14,5 SEER.
Podgrzewanie wody
W ogrzewania wody zastosowań, pompa ciepła może być używany do podgrzewania wody lub ciepła do basenów lub podgrzewania wody pitnej do użytku domów i przemysłu. Zwykle ciepło jest pobierane z powietrza zewnętrznego i przenoszone do zbiornika wody w pomieszczeniu, inna odmiana pobiera ciepło z powietrza w pomieszczeniu, aby pomóc w chłodzeniu przestrzeni.
Ciepłownictwo
Pompy ciepła mogą być również wykorzystywane jako dostawca ciepła do sieci ciepłowniczych . Możliwe źródła ciepła dla takich zastosowań to ścieki, woda z otoczenia (np. woda morska, jeziorna i rzeczna), przemysłowe ciepło odpadowe , energia geotermalna , gazy spalinowe , ciepło odpadowe z sieci chłodniczej i ciepło z magazynowania ciepła słonecznego . W Europie zainstalowano ponad 1500 MW od lat 80. XX wieku, z czego około 1000 MW było używanych w Szwecji w 2017 r. Pompy ciepła na dużą skalę do ciepłownictwa w połączeniu z magazynowaniem energii cieplnej oferują dużą elastyczność w integracji zmiennej energii odnawialnej. Dlatego są uważane za kluczową technologię dla inteligentnych systemów energetycznych o wysokim udziale energii odnawialnej do 100% oraz zaawansowanych systemów ciepłowniczych czwartej generacji. Stanowią również istotny element zimnych systemów ciepłowniczych .
Ogrzewanie przemysłowe
Istnieje ogromny potencjał zmniejszenia zużycia energii i związanych z tym emisji gazów cieplarnianych w przemyśle dzięki zastosowaniu przemysłowych pomp ciepła. Zakończony w 2015 roku projekt współpracy międzynarodowej zgromadził łącznie 39 przykładów projektów badawczo-rozwojowych i 115 studiów przypadków na całym świecie. Z badania wynika, że możliwe są krótkie okresy zwrotu, krótsze niż 2 lata, przy jednoczesnym osiągnięciu wysokiej redukcji emisji CO2 (w niektórych przypadkach ponad 50%).
Wydajność
Przy porównywaniu wydajności pomp ciepła preferowany jest termin „wydajność” niż „wydajność”, przy czym współczynnik wydajności (COP) jest używany do opisania stosunku użytecznego ruchu ciepła na nakład pracy. Elektryczny grzejnik oporowy ma COP 1,0, która jest znacznie niższa, niż dobrze zaprojektowane pompy ciepła, który będzie zazwyczaj pomiędzy COP 3 do 5, przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej 10 ° C i temperaturze wewnętrznej 20 ° C. Gruntowa pompa ciepła ma zazwyczaj wyższą wydajność niż powietrzna pompa ciepła.
„Sezonowy współczynnik efektywności” (SCOP) jest miarą zagregowanej miary efektywności energetycznej w okresie jednego roku, który jest bardzo zależny od klimatu regionu. Jedno z ram dla tego obliczenia jest określone w Rozporządzeniu Komisji (UE) nr 813/2013:
Wydajność operacyjna pompy ciepła w trybie chłodzenia charakteryzuje się w Stanach Zjednoczonych wskaźnikiem efektywności energetycznej (EER) lub wskaźnikiem sezonowej efektywności energetycznej (SEER), z których oba mają jednostki BTU/(h·W) (należy zauważyć, że 1 BTU/ (h·W) = 0,293 W/W), a większe wartości wskazują na lepszą wydajność. Rzeczywista wydajność jest różna i zależy od wielu czynników, takich jak szczegóły instalacji, różnice temperatur, wysokość terenu i konserwacja.
| Typ i źródło pompy | Typowe zastosowanie | 35 °C (np. podgrzewana podłoga jastrychowa ) |
45 °C (np. podgrzewana podłoga jastrychowa) |
55 °C (np. ogrzewana podłoga drewniana) |
65 °C (np. grzejnik lub CWU ) |
75 °C (np. grzejnik i CWU) |
85 °C (np. grzejnik i CWU) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wysokowydajna powietrzna pompa ciepła (ASHP), powietrze o temperaturze −20 °C | 2.2 | 2,0 | ‐ | ‐ | ‐ | ‐ | |
| Dwustopniowy ASHP, powietrze w temperaturze −20 °C | Niska temperatura źródła | 2,4 | 2.2 | 1,9 | ‐ | ‐ | ‐ |
| Wysoka sprawność ASHP, powietrze w temperaturze 0 °C | Niska temperatura wyjściowa | 3,8 | 2,8 | 2.2 | 2,0 | ‐ | ‐ |
| Prototypowy transkrytyczny CO 2 (R744) pompa ciepła z trójdzielną chłodnicą gazu, źródło 0 °C |
Wysoka temperatura wyjściowa | 3,3 | ‐ | ‐ | 4.2 | ‐ | 3,0 |
| Gruntowa pompa ciepła (GSHP), woda o temperaturze 0 °C | 5.0 | 3,7 | 2,9 | 2,4 | ‐ | ‐ | |
| GSHP, szlifowany w temperaturze 10 °C | Niska temperatura wyjściowa | 7,2 | 5.0 | 3,7 | 2,9 | 2,4 | ‐ |
| Teoretyczna granica cyklu Carnota , źródło -20 °C | 5,6 | 4,9 | 4.4 | 4.0 | 3,7 | 3.4 | |
| Teoretyczna granica cyklu Carnota , źródło 0 °C | 8,8 | 7,1 | 6,0 | 5.2 | 4,6 | 4.2 | |
| Teoretyczny limit cyklu Lorentzena ( CO 2 pompa), powrotna ciecz 25°C, źródło 0°C |
10.1 | 8,8 | 7,9 | 7,1 | 6,5 | 6,1 | |
| Teoretyczna granica cyklu Carnota , źródło 10 °C | 12,3 | 9,1 | 7,3 | 6,1 | 5.4 | 4,8 |
Operacja
Sprężanie pary wykorzystuje krążący ciekły czynnik chłodniczy jako medium, które pochłania ciepło z jednej przestrzeni, spręża je, zwiększając w ten sposób jego temperaturę przed uwolnieniem go w innej przestrzeni. System składa się zwykle z 8 głównych elementów: sprężarki , zbiornika, zaworu zwrotnego, który wybiera między trybem ogrzewania i chłodzenia, dwóch termicznych zaworów rozprężnych (jeden używany w trybie ogrzewania, a drugi w trybie chłodzenia) oraz dwa wymienniki ciepła, jeden związany z zewnętrznym źródłem ciepła/odbiornikiem, a drugi z wnętrzem. W trybie ogrzewania zewnętrzny wymiennik ciepła jest parownikiem, a wewnętrzny skraplaczem; w trybie chłodzenia role są odwrócone.
Cyrkulujący czynnik chłodniczy wchodzi do sprężarki w stanie termodynamicznym znanym jako para nasycona i jest sprężany do wyższego ciśnienia, co skutkuje również wyższą temperaturą. Gorąca, sprężona para znajduje się wówczas w stanie termodynamicznym znanym jako para przegrzana i ma temperaturę i ciśnienie, w których może być kondensowana z wodą chłodzącą lub powietrzem chłodzącym przepływającym przez wężownicę lub rurki. W trybie ogrzewania ciepło to jest wykorzystywane do ogrzewania budynku za pomocą wewnętrznego wymiennika ciepła, aw trybie chłodzenia ciepło to jest odrzucane przez zewnętrzny wymiennik ciepła.
Skroplony ciekły czynnik chłodniczy, w stanie termodynamicznym zwanym cieczą nasyconą , jest następnie kierowany przez zawór rozprężny, gdzie ulega nagłej redukcji ciśnienia. To obniżenie ciśnienia powoduje adiabatyczne szybkie odparowanie części ciekłego czynnika chłodniczego. Efekt automatycznego chłodzenia w wyniku adiabatycznego odparowania błyskawicznego obniża temperaturę ciekłej i parowej mieszaniny czynnika chłodniczego do poziomu, w którym jest zimniejsza niż temperatura zamkniętej przestrzeni, która ma być chłodzona.
Zimna mieszanina jest następnie kierowana przez wężownicę lub rury w parowniku. Wentylator rozprowadza ciepłe powietrze w zamkniętej przestrzeni przez wężownicę lub rury przenoszące zimną mieszaninę ciekłego czynnika chłodniczego i pary. To ciepłe powietrze odparowuje płynną część zimnej mieszaniny czynnika chłodniczego. Jednocześnie krążące powietrze jest schładzane i tym samym obniża temperaturę zamkniętej przestrzeni do pożądanej temperatury. Parownik to miejsce, w którym krążący czynnik chłodniczy pochłania i usuwa ciepło, które jest następnie odrzucane w skraplaczu i przenoszone w inne miejsce przez wodę lub powietrze używane w skraplaczu.
Aby zakończyć cykl chłodzenia, para czynnika chłodniczego z parownika jest ponownie parą nasyconą i jest kierowana z powrotem do sprężarki.
Z biegiem czasu parownik może zbierać lód lub wodę z wilgoci otoczenia . Lód topi się w cyklu rozmrażania . W wewnętrznym wymienniku ciepła służy albo do bezpośredniego ogrzewania/chłodzenia powietrza wewnętrznego, albo do ogrzewania wody, która następnie krąży w grzejnikach lub obiegu ogrzewania podłogowego w celu ogrzewania lub chłodzenia budynków.
Wybór czynnika chłodniczego
Do lat 90. pompy ciepła, wraz z lodówkami i innymi powiązanymi produktami wykorzystywały chlorofluorowęglowodory (CFC) jako czynniki chłodnicze, które powodowały poważne uszkodzenia warstwy ozonowej po uwolnieniu do atmosfery . Stosowanie tych chemikaliów zostało zakazane lub surowo ograniczone na mocy Protokołu Montrealskiego z sierpnia 1987 roku. Zamienniki, w tym R-134a i R-410A , to hydrofluorowęglowodór o podobnych właściwościach termodynamicznych o nieznacznym potencjale niszczenia warstwy ozonowej, ale mający problematyczny potencjał globalnego ocieplenia . HFC to potężny gaz cieplarniany, który przyczynia się do zmiany klimatu. Nowsze lodówki zawierają difluorometan (R32) i izobutan (R600A), które nie zubożają warstwy ozonowej i są znacznie mniej szkodliwe dla środowiska. Eter dimetylowy (DME) również zyskał popularność jako czynnik chłodniczy.
Zachęty rządowe
Zjednoczone Królestwo
Od 2021 r.: pompy ciepła są opodatkowane według obniżonej stawki 5% zamiast zwykłego podatku VAT w wysokości 20% w przypadku większości innych produktów.
Stany Zjednoczone
Alternatywne kredyty energetyczne w Massachusetts
Standard alternatywnego portfela energii (APS) został opracowany w 2008 r., aby wymagać, aby pewien procent dostaw energii elektrycznej w stanie Massachusetts pochodził z określonych alternatywnych źródeł energii. W październiku 2017 r. Departament Energii Stanu Massachusetts (DOER) opracował przepisy, zgodnie z rozdziałem 251 ustaw z 2014 r. i rozdziałem 188 ustaw z 2016 r., które dodały do APS.
Alternatywne Kredyty Energetyczne (AEC) są wydawane jako zachęta dla właścicieli kwalifikujących się urządzeń wykorzystujących odnawialną energię cieplną, według stawki jednego kredytu za każdy ekwiwalent megawatogodziny (MWhe) wytworzonej energii cieplnej. Detaliczni dostawcy energii elektrycznej mogą nabywać te kredyty, aby spełnić standardy zgodności APS. APS rozszerza obecne mandaty na odnawialne źródła energii na szersze spektrum uczestników, ponieważ państwo stale poszerza swoje portfolio alternatywnych źródeł energii.