Gazowe pompy ciepła – porównanie technologii

Gaz ziemny będzie w najbliższych latach pełnił coraz większą rolę w ciepłownictwie. Dążenie do neutralności klimatycznej w 2050 r., zgodnie z polityką energetyczną Polski, zakłada odejście od węgla na rzecz OZE. Proces ten jest długofalowy i byłby niemożliwy bez okresu przejściowego, w którym kluczowe miejsce zajmie gaz. Dlatego zużycie gazu w elektrowniach i elektrociepłowniach w przeciągu kolejnych 20 lat ma wzrosnąć ponad trzykrotnie [1].

Pomimo tego, że gaz jest paliwem emisyjnym, to jest uważany za „najczystszy” kopalny nośnik energii, potocznie nazywany błękitnym paliwem. Rozwiązania wykorzystujące gaz w ciepłownictwie będą wspierane programami inwestycyjnymi, przekonuje Ministerstwo Klimatu i Środowiska [2].

W przypadku wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych potężne zagadnienie stanowi jej magazynowanie na dużą skalę. Obecnie, najbardziej rekomendowanym sposobem magazynowania nadwyżek energii elektrycznej jest zamiana w wodór, a następnie w metan. W związku z tym technologie pomp ciepła zasilanych gazem wysokometanowym, biogazem, bio-LPG lub wodorem i jego mieszankami powinny odegrać istotną rolę w procesie transformacji energetycznej na przestrzeni przyszłych lat.

Wzrost znaczenia gazu w sektorze ciepłownictwa otwiera drogę pompom ciepła zasilanym gazem, jako alternatywie lub technologii kooperującej z pompami ciepła napędzanymi energią elektryczną. Gazowe pompy ciepła pozwalają na zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery oraz umożliwiają obniżenie kosztów wytwarzania energii. Są również rozwiązaniem problemu spełnienia Warunków Technicznych 2021 i osiągnięcia wartości współczynnika EP na wymaganym poziomie.

Rodzaje gazowych pomp ciepła

Pompy ciepła zasilane gazem występują w dwóch podstawowych typach – sprężarkowe zasilane silnikiem gazowym (GHP) oraz absorpcyjne napędzane poprzez palnik gazowy (GAHP). Wbrew pozorom nie są to podobne do siebie urządzenia.

Rys. 1. Gazowe pompy ciepła dostępne w ofercie Gazuno. Po lewej gazowa pompa ciepła, po prawej absorpcyjna pompa ciepła marki Robur.

Gazowe pompy ciepła (GHP)

Sprężarkowe pompy ciepła GHP wykorzystują energię powstałą w wyniku spalania gazu do napędu sprężarki. Czynnik chłodniczy, w celu przekazania ciepła musi przejść przez cztery etapy cyklu termodynamicznego:

  • Sprężanie w sprężarce – wzrost ciśnienia i temperatury;
  • Skraplanie w skraplaczu – oddanie ciepła w procesie kondensacji (skraplania);
  • Rozprężanie w zaworze – obniżenie ciśnienia;
  • Parowanie w parowniku – pobranie ciepła w procesie parowania.

W trybie grzania czynnik chłodniczy na skutek wysokiego ciśnienia przekazuje ciepło wodzie grzewczej. Następnie po przejściu przez zawór rozprężny, w niskim ciśnieniu ciekły czynnik odparowuje w parowniku, pobierając energię z dolnego źródła. Czynnik w postaci pary ponownie ulega sprężaniu, następuje wzrost jego temperatury i cykl się powtarza.

W trybie chłodzenia czynnik chłodniczy oddaje ciepło do otoczenia. Skroplony czynnik jest następnie rozprężany i kierowany do parownika zasilającego urządzenia klimatyzacyjne. Tam pobiera ciepło z pomieszczenia i odparowuje. Na dalszym etapie czynnik poddawany jest sprężaniu i proces zachodzi od początku.

W trybie chłodzenia, na skutek pracy silnika gazowego, powstaje ciepło, które w normalnej sytuacji byłoby stracone. Aby je wykorzystać, najczęściej proponuje się spożytkowanie go w celu podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Istotne jednak jest odpowiednie zaprojektowanie systemu, aby był on w stanie zmagazynować ciepło z odzysku, które można wykorzystać wyłącznie w okresach, kiedy urządzenie pracuje na cele chłodzenia.

Rys. 2. Schemat sprężarkowej pompy ciepła zasilanej gazem.

Absorpcyjne pompy ciepła zasilane gazem (GAHP)

Absorpcyjne pompy ciepła GAHP to z kolei urządzenia, które w odróżnieniu od pomp sprężarkowych, nie posiadają w swojej budowie sprężarki mechanicznej. Ich zasada działania oparta jest o działanie układu absorpcyjnego, który pełni rolę sprężarki termicznej.

Układ ten składa się z generatora, absorbera oraz palnika gazowego. Gaz wykorzystywany jest tutaj bezpośrednio do ogrzewania generatora. Naturalny czynnik chłodniczy, jakim jest R717 (amoniak) znajdujący się w generatorze, pod wpływem dostarczonej energii cieplnej odparowuje z wody. Następnie pobrane ciepło oddaje na pierwszej sekcji wymiennika ciepła.

W dalszym etapie procesu, pary amoniaku ulegają skropleniu i kierowane są na lamelowy wymiennik, na którym dzięki wykorzystaniu ciepła powietrza zewnętrznego ponownie odparowują. Pary amoniaku kierowane są do absorbera, gdzie w połączeniu z rozpyloną wodą, podlegają procesowi egzotermicznemu (proces, podczas którego wydzielane jest ciepło).

Po połączeniu roztwór amoniaku i wody, kierowany jest na drugą sekcję wymiennika, gdzie następuje ponowne oddanie ciepła do układu ogrzewania. Następnie roztwór wraca do generatora, dzięki wykorzystaniu pompy przeponowej (jedynego mechanicznego urządzenia w układzie).

Rys. 3. Schemat absorpcyjnej pompy ciepła zasilanej gazem

Porównanie gazowych pomp ciepła – GHP vs. GAHP

Porównując absorpcyjną pompę ciepła zasilaną gazem (GAHP) do gazowej pompy ciepła (GHP), podstawową różnicą jest sposób wykorzystania gazu oraz brak sprężarki mechanicznej. Ograniczenie części mechanicznych w GAHP przemawia na korzyść jej bezawaryjności i ograniczenia ilości wykonywanych przeglądów.

F-GAZY

Czynniki chłodnicze stosowane w GHP, jak np. R410A podlegają pod ustawę F-gazową. Wymaga to dodatkowych kontroli szczelności urządzenia, które są obowiązkowe. Takie czynności, w zależności od ilości czynnika, mogą odbywać się nawet co 3 miesiące [3]. Dodatkowym wymogiem związanym z ustawą F-gazową jest obowiązek posiadania certyfikatu przez instalatora.

Taka sytuacja nie ma miejsca, gdy w urządzeniu stosowany jest naturalny czynnik, jak np. amoniak w absorpcyjnych pompach ciepła zasilanych gazem (GAHP). Naturalny czynnik o GWP=0 i ODP=0 pozwala na zredukowanie kosztów eksploatacyjnych o ceny dodatkowych przeglądów w ciągu roku.

Przejście z czynnika chłodniczego na wodę grzewczą w GHP, poprzez zastosowanie wymiennika, znacznie obniża maksymalną temperaturę wody grzewczej, oraz efektywność całego układu nawet o kilkanaście procent. Z tego powodu instalacje bardzo często pracują z odbiornikami przystosowanymi do bezpośredniego odparowania czynnika.

Rozwiązania takie wymagają rozprowadzenia instalacji freonowej po całym budynku. Duża ilość freonu zwiększa wymagania odnośnie bezpieczeństwa, kontroli szczelności itd., z drugiej strony praca na czynniku zapewnia bezpieczeństwo, że zewnętrznej część instalacji nie grozi zamarznięcie.

WODA GRZEWCZA

Kolejna różnica pojawia się przy porównaniu parametrów pracy urządzeń. Absorpcyjna pompa ciepła zasilana gazem (GAHP) jest w stanie produkować wodę grzewczą o temperaturze 65 °C, podczas gdy gazowa pompa ciepła (GHP) po przejściu na układ wodny osiągnie maksymalnie 50 °C. Co więcej, GAHP jest w stanie osiągnąć ten parametr niezależnie od temperatury zewnętrznej.

EFEKTYWNOŚĆ

Należy również mieć na uwadze efektywność urządzeń. W instalacjach wodnych GAHP w temperaturze -15 °C i temperaturze zasilania 35 °C osiąga efektywność równą 1,4 [-]. GHP pracujące w takich samych warunkach osiąga efektywność na poziomie 0,8 [-]. GHP osiąga znacznie lepsze parametry w układach z bezpośrednim odparowaniem, tam, gdzie ciepło lub chłód przekazywane jest bezpośrednio do powietrza z pominięciem układu wodnego.

MONTAŻ

Zarówno GAHP, jak i GHP dają użytkownikowi możliwość montażu zewnętrznego. Minimalna temperatura zewnętrzna pracy dla GAHP oraz GHP (w zależności od modelu, producenta itd.) może wynosić odpowiednio -30 °C dla GAHP i -20 °C dla GHP.

WYDAJNOŚĆ CHŁODNICZA

Gazowe pompy ciepła GHP są bardzo dobrą technologią, jeśli chodzi o produkcję chłodu z wykorzystaniem gazu. Jednostki GHP dysponują zbliżoną mocą grzewczą i chłodniczą. W przypadku rewersyjnych pomp GAHP moc grzewcza jest dwukrotnie większa od wydajności chłodniczej.

ZESTAWIENIE

Tab. 1. Porównanie gazowych pomp ciepła (GHP) i absorpcyjnych pomp ciepła zasilanych gazem (GAHP).

Jak można zauważyć, te z pozoru podobne do siebie urządzenia, różnią się od siebie nie tylko budową, ale przede wszystkim zasadą działania oraz zastosowaniem. To, którego typu urządzenie będzie lepiej pasowało do danego systemu, będzie zależało od zapotrzebowania na ciepło i chłód, parametrów pracy oraz sposobu przekazywania energii w pomieszczeniach w budynku.

Rys. 4. Schemat technologiczny instalacji źródła ciepła z wykorzystaniem absorpcyjnej pompy ciepła zasilanej gazem GAHP-A.

Układy, w których ciepło będzie przekazywane wodzie (np. centralne ogrzewanie z odbiornikami w postaci grzejników, klimakonwektorów, central z wymiennikami wodno-glikolowymi) zdecydowanie efektywniej funkcjonować będą współpracując z GAHP, które zapewnią odpowiednio wysokie temperatury zasilania, stabilną pracę oraz wysoką efektywność a przez to niskie koszty eksploatacji.

Nie oznacza to jednak, że nie możemy wykorzystać urządzeń absorpcyjnych do produkcji chłodu. Miejsca, w których priorytetem jest dostarczenie ciepła, a chłód produkowany w mniejszym stopniu to idealne obszary zastosowania urządzeń absorpcyjnych umożliwiających produkcję chłodu.

Rys. 5. Schemat technologiczny instalacji źródła ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania i produkcji chłodu ogrzewania i produkcji chłodu z wykorzystaniem absorpcyjnej pompy ciepła zasilanej gazem GAHP-A.

Budynki, w których występuje wysokie zapotrzebowanie na chłód i chcemy zastosować systemy VRF lub systemy z bezpośrednim odparowaniem czynnika to natomiast miejsce, w którym GHP będzie bardzo ciekawym rozwiązaniem.

Rys. 6. Schemat technologiczny systemu VRF z wykorzystaniem gazowych pomp ciepła (GHP)

Również układy, w których wymagane jest schładzanie dużych ilości powietrza wentylacyjnego w centralach wentylacyjnych z wymiennikami na bezpośrednim odparowaniu będzie bardzo dobrym miejscem do zastosowania urządzeń GHP.

Rys. 7. Schemat technologiczny współpracy centrali wentylacyjnych z gazowymi pompami ciepła (GHP).

Kiedy zastosować gazową pompę ciepła (GHP), a kiedy absorpcyjną pompę ciepła zasilaną gazem (GAHP)?

Podsumowując, GAHP jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem, gdy mamy do czynienia z układami wodnymi i ich celem jest głównie dostarczanie ciepła. Przykładami takich budynków mogą być szkoły, czy budynki wielorodzinne.

Zastosowanie GAHP pozwoli na pracę systemu z wysoką efektywnością, a przez to obniżenie kosztów eksploatacyjnych, zapewnienie udziału energii odnawialnej oraz niskich wartości współczynników energii pierwotnej dla obiektu.

GHP natomiast znajdzie swoje zastosowanie w przypadku budynków z wysokim zapotrzebowaniem na chłód oraz układami VRF lub współpracującymi z centralami wentylacyjnymi i innymi układami powietrznymi bezpośredniego odparowania. Przykładami takich budynków są hale produkcyjne i magazynowe, w których wymagane jest zachowanie odpowiednio niskiej temperatury, oraz biurowce.

Źródło:

[1] – https://biznesalert.pl/dise-gaz-lng-energetyka-polska-wodor-magazyny-energii-emisje-transformacja-energetyczna-oze/

[2] – https://300gospodarka.pl/news/ministerstwo-klimatu-chce-wspierac-gaz-ziemny-w-cieplownictwie-mimo-ze-wie-ze-jest-emisyjnym-paliwem

[3] – https://www.hvacr.pl/ustawa-f-gazowa-nowosci-od-1-stycznia-2018-r-kontrola-szczelnosci-nowe-harmonogramy-4940

Jeżeli jesteście Państwo zainteresowani kompleksowym doborem odpowiedniego rozwiązania dla wybranego budynku – zapraszamy do kontaktu.