Pompy ciepła z roku na rok stają się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem. Dzięki możliwości osiągnięcia wysokiego parametru zasilania, pompy ciepła znajdują zastosowanie w przemyśle, gdzie odpowiadają za dostarczenie medium o odpowiedniej temperaturze we wszelkiego rodzaju procesach technologicznych (pasteryzacja, liofilizacja, suszenie). Poza wykorzystaniem pompy ciepła do celów grzewczych istnieje możliwość zastosowania wybranych jednostek do celów chłodniczych (chłodzenie serwerowni, utrzymanie odpowiedniej temperatury w chłodni lub mroźni). W takich przypadkach często mamy do czynienia z jednoczesnością grzania i chłodzenia, gdzie ciepło odpadowe powstałe w procesie chłodzenia wykorzystywane jest np. na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Szereg zalet, które przemawiają za zastosowaniem pompy ciepła nie może odwrócić uwagi od tego, że pompa ciepła to urządzenia bardzo wrażliwe na oddziaływanie wielu czynników zewnętrznych. To ważne w przemysłowym zastosowaniu tych urządzeń, gdzie nawet najmniejszy wzrost efektywności jednostki potrafi wygenerować zauważalne oszczędności.
W dalszej części przedstawione zostaną główne wyzwania, przed którymi stajemy podczas doboru wysokotemperaturowych pomp ciepła typu woda/woda dedykowanych do rozwiązań przemysłowych, w oparciu o doświadczenia firmy Gazuno z jednostkami Oilon serii ChillHeat.
Pompy ciepła umożliwiają produkcję wody grzewczej o temperaturze nawet 120 °C. Tak wysoki parametr wydaje się niezwykle obiecujący w wielu dziedzinach przemysłu. Wyzwaniem, jakie staje przed nami w przypadku takich rozwiązań jest dostarczenie medium o odpowiedniej temperaturze na parownik pompy ciepła. Niestety, nie zawsze możliwe jest osiągnięcie maksymalnych parametrów pracy pompy ciepła, gdy do dyspozycji mamy dolne źródło w postaci np. odwiertów pionowych (sond gruntowych) dostarczających medium o temperaturze ok. 7 °C.
W wielu przypadkach czas pracy z najwyższymi parametrami pracy będzie stanowił niewielki udział w skali całego cyklu pracy. Należy się wtedy zastanowić nad obniżeniem wymaganego parametru dla pompy ciepła. Taki zabieg pozwoli na uzyskanie znacznie lepszej efektywności jednostek.
Rysunek 1. Przykładowe parametry pracy jednostki Oilon ChillHeat: niższe parametry zasilania – po lewej, wyższe parametry zasilania – po prawej.
Czas pracy z wyższym niż osiągany przez pompę ciepła parametrem można w takich układach uzupełnić źródłem szczytowym, co wpłynie pozytywnie na koszty inwestycyjne, a koszty eksploatacyjne zmienią się jedynie nieznacznie.
To właśnie z tego powodu podczas doborów, które wykonujemy bardzo ważne jest dla nas poznanie całego procesu. Nie zawsze najwyższy możliwy parametr pracy pompy ciepła będzie rozwiązaniem, które spełni oczekiwania inwestora.
Oczywiście zdarzają się instalacje, w których do dyspozycji mamy bardzo niską temperaturę dolnego źródła ciepła oraz bardzo wysoką temperaturę wymaganą na zasilaniu. Przykładem takiego układu może instalacja odzyskująca ciepło ze ścieków oczyszczonych połączona z siecią ciepłowniczą. Najniższe temperatury ścieków oczyszczonych występują w okresach, gdy sieć ciepłownicza pracuje z maksymalnym obciążeniem. W takich przypadkach, gdy ścieki osiągają temperaturę ok. 10 °C, a sieć pracuje z parametrem ok. 100 °C i nie mamy możliwości obniżenia parametru pracy sieci, możliwe jest zastosowanie układów dwustopniowych.
Pierwszy stopień odpowiada za przygotowanie dolnego źródła ciepła dla drugiego stopnia. Wykorzystuje on energię ze ścieków oczyszczonych i produkuje medium o temperaturze ok. 45 °C. Medium o takiej temperaturze trafia na drugi stopień układu, gdzie osiągana jest już docelowa temperatura pracy instalacji.
Rysunek 2. Parametry pracy dwustopniowego układu pracy pomp ciepła. Pierwszy stopień – po prawej, drugi stopień – po lewej.
Sumaryczne COP takiego układu wynosi 2,14 [-]. Jest to oczywiście skrajna wartość, występująca jedynie w warunkach projektowych. Przez zdecydowaną większość roku układ powinien pracować w bardziej sprzyjających warunkach, tj. niższa temperatura zasilania oraz wyższa temperatura dolnego źródła ciepła, co powinno zapewnić COP pomiędzy 2,5 a 3. Taki układ pozwala uzyskać wysoki parametr przy skrajnie niskich parametrach dolnego źródła niskotemperaturowego.
Znaczenie źródła szczytowego
Poza temperaturą dolnego źródła ciepła ograniczeniem, które często pojawia się przy doborach pomp ciepła jest jego ilość. Bardzo rzadko zdarzają się sytuacje, gdzie do dyspozycji jest niemalże nieskończony przepływ po stronie dolnego źródła ciepła. Posiadając do dyspozycji średni godzinowy przepływ na poziomie 10 m3 nie możemy oczekiwać, że pompa ciepła osiągnie moc kilku MW po stronie grzania. W każdym doborze staramy się wykorzystać maksymalny potencjał dolnego źródła ciepła, dlatego bardzo ważne jest posiadanie informacji na temat ilości/przepływów po stronie dolnego źródła ciepła. Poza wartościami średnimi, kluczowa jest również informacja na temat minimalnych oraz maksymalnych wartości oraz rozkład dobowy. Ze względu na zazwyczaj nierównomierny rozkład tych wartości zalecamy buforowanie medium po stronie dolnego źródła w celu zapewnienia płynnego i efektywnego działania całej instalacji.
Kolejną kwestią istotną podczas doboru pompy ciepła jest jej moc. Z doświadczenia wiemy, że bardzo często zdarzają się układy, w których pompy ciepła dobierane są na całkowite zapotrzebowanie na ciepło. Takie rozwiązania nie zawsze są konieczne. Podobnie, jak w przypadku wcześniej wspomnianych maksymalnych temperatur pracy instalacji, maksymalne zapotrzebowanie na ciepło może występować przez krótki okres. Z tego powodu ważną kwestią jest źródło szczytowe.
W przypadku doboru pompy ciepła na całkowite zapotrzebowanie należy zwrócić uwagę, czy jej moc grzewcza nie będzie zbyt wysoka w okresach, gdy zapotrzebowanie będzie najniższe. Pompy ciepła ChillHeat Oilon wyposażone są w sprężarki inwerterowe, co umożliwia płynne dopasowanie mocy pompy ciepła do aktualnego zapotrzebowania obiektu/procesu.
Nie należy zapominać, że pompy ciepła to (w większości przypadków) urządzenia zasilane energią elektryczną. Bardzo ważną kwestią jest odpowiednie zaprojektowanie przyłącza elektrycznego. W trakcie projektowania instalacji powinno się zwrócić uwagę na dostępną moc elektryczną oraz odpowiednie zabezpieczenia. Należy również mieć na uwadze prąd rozruchowy pompy ciepła (większy pobór mocy w trakcie startu urządzenia).
W wielu przypadkach wyzwaniem jest również lokalizacja jednostek. Poza gabarytami samego urządzenia należy przewidzieć również przestrzenie serwisowe umożliwiające swobodny dostęp do jednostki. Pomieszczenie techniczne, w którym umieszczone będą pompy ciepła powinno zostać zlokalizowane w taki sposób, aby ewentualny hałas wynikający z pracy urządzeń nie przekraczał dopuszczalnych norm. Poza doborem samej pompy ciepła bardzo ważną kwestią jest jakość instalacji. Źle dobrany wymiennik ciepła może spowodować spadek efektywności instalacji, a w skrajnych przypadkach nawet awarię pompy ciepła. Odpowiednio dobrane zbiorniki buforowe, rurociągi, izolacja to elementy, które pozwolą na utrzymywanie maksymalnej efektywności pompy ciepła, a co za tym idzie oszczędności, które najbardziej interesują inwestora w trakcie podejmowania decyzji o inwestycji w odnawialne źródła energii.
Wysokotemperaturowe pompy ciepła w podziemnej oczyszczalni ścieków
Na koniec zachęcamy do przeczytania artykułu na temat wykorzystania pomp ciepła ChillHeat Oilon na potrzeby własne oczyszczalni ścieków znajdującej się w wydrążonych w skale komorach. W tym celu odwiedziliśmy fińskie miasto Mikkeli.
W Gazuno pracuję na stanowisku doradcy techniczno-handlowego. W zespole działam z Kierownikiem Regionu (info wkrótce). Razem zapewniamy indywidualną opiekę techniczno-handlową w województwie mazowieckim, podlaskim i lubelskim.
Zapraszamy do udziału w Akademii Profesjonalistów Gazuno. Raz w miesiącu otrzymasz zaproszenie na nasze spotkania oraz dostęp do wcześniejszej rejestracji. Zapisz się już teraz, aby nie przegapić nadchodzących wydarzeń!
