Experimentálne merania prevádzkových parametrov tepelných čerpadiel

V súčasnosti sa venuje značná pozornosť zvyšovaniu energetickej efektívnosti zariadení využívajúce fosilné palivá, čo vedie k vývoju a inštalácii nových moderných technológií, ktoré sú energeticky úsporné, ekologické a zároveň aj ekonomicky menej náročné.

Experimentálne meranie prevádzkových parametrov PTČ na Žilinskej Univerzite

Na Katedre energetickej techniky, Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline v rámci riešenia projektu EkoFond – 249_PG_04_2010 A Experimentálne určenie využitia primárnej energie ZP na teplo pri použití plynových tepelných čerpadiel sa realizoval výskum prevádzkovania plynových tepelných čerpadiel v reálnych podmienkach, návrh a výskum plynových tepelných čerpadiel v usporiadaní systému zem/voda, ktoré na svoju prevádzku využívali nízkopotenciálne teplo zeme.

Hodnotenie efektívnosti PTČ

Energetická efektivita TČ sa definuje na základe dvoch faktorov COP a PER. COP (Coefficient of Performance) je tzv. výkonové číslo, často nazývané aj vykurovací faktor, ktorý porovnáva pomer vyrobenej tepelnej energie (dodávanej do vykurovania) a energie potrebnej na pohon TČ, ktorá môže byť elektrická alebo energia získaná spaľovaním zemného plynu. Pre systémy hodnotené na základe výkonového čísla platí, že čím vyššie COP dosahujú, tým sú energeticky efektívnejšie. Pri porovnávaní energetickej efektívnosti na základe COP je dôležité, aby sa porovnávali systémy s rovnakým druhom primárnej energie. Pre TČ platí:

COP = QHP / EHP

Kde:

QHP – vyrobená tepelná energia TČ (kWh) – vypočítame ju na základe vzťahu QHP = m . c . Δt (m – hmotnostný prietok, c – merná tepelná kapacita vody, Δt – rozdiel teplôt)

EHP – dodávaná energia do TČ (kWh)

PER (Primary Energy Rate) je tzv. stupeň využitia primárnej energie, ktorý porovnáva efektívnosť energetických systémov s rôznymi druhmi pohonnej a produkovanej energie. PER je vo všeobecnosti pomer všetkých dodávaných energií do systému k vyrobenej užitočnej energii. Systém, ktorý má nižšiu hodnotou PER spotrebuje menšie množstvo primárnej energie na jednotku vyrobenej užitočnej energie, a tým je daný systém energeticky efektívnejší. Pre plynové TČ platí:

kde:
GHP – dodávaná energia plynu do TČ (kWh),
EelHP- dodávaná elektrická energia do TČ (kWh),
ηel – účinnosť výroby elektrickej energie (35 %).

Koeficient PER v sebe zahŕňa aj spotrebu elektrickej energie na pohon obehových čerpadiel systému. Táto elektrická energia sa zároveň vzťahuje k účinnosti výroby elektrickej energie. Na základe hodnoty PER možno porovnávať energetické systémy aj s rôznymi vstupnými energiami.

Experimentálne zariadenie na meranie prevádzkových parametrov plynového tepelného čerpadla vzduch/voda

Na experimentálne meranie prevádzkových parametrov plynového tepelného čerpadla vzduch/voda bolo vybrané plynové tepelné čerpadlo Toyota AISIN 10HP model AXYGP 280 E1. Jeho parametre sú následovné:

Toto plynové tepelné čerpadlo bolo zabudované do experimentálneho zariadenia nainštalovaného v areáli Žilinskej univerzity. Zapojené následovne:

Vonkajšia jednotka sa skladá z výmenníkov vzduch/chladivo, kompresora, spaľovacieho motora a výmenníka na predohrev chladiva. Oranžovou farbou je znázornený chladivový okruh PTČ. Vnútornú stranu tvorí technologická jednotka tzv. AWS (Air – Water System), ktorá slúži na odovzdanie tepla z chladivového okruhu do vody. Súčasťou
PTČ je aj tzv. HOT KIT, ktorý tvorí výmenník voda – voda zaradený do chladiaceho okruhu motora. Voda z AWS, ako aj z HOT KIT-u sa distribuuje do rozdeľovača a slúži na vykurovanie chodby a laboratórií ŽU. Jednotlivé snímače teplôt, tlaku a prietoku sú inštalované na miestach podľa schémy na obrázku vyššie. Merané parametre zaznamenáva meracia ústredňa a ukladajú sa do PC.

Pretože PTČ pracuje na princípe vzduch/voda a odoberá nízkopotenciálnu primárnu energiu z vonkajšieho prostredia, bolo potrebné počas experimentálnych meraní zisťovať vonkajšie klimatické parametre. Jednotlivé merané parametre sa zaznamenávali v minútových intervaloch a následne sa vypočítali hodinové priemery. Pre jednotlivé dni sa merali okrem iných parametre potrebné na určenie energetickej efektívnosti TČ:

• spotreba zemného plynu (m3),
• spotreba elektrickej energie (kWh),
• teplota HOT KIT výstup (˚C),
• teplota HOT KIT vstup (˚C),
• prietok HOT KIT (m3/h),
• teplota AWS výstup (˚C),
• teplota AWS vstup (°C),
• prietok AWS (m3/h).

Súčasne sa zaznamenávali aj vonkajšie klimatické podmienky. Z nameraných údajov sme vyhotovili grafy na dané dni a na záver sa vyhodnotila celá doba merania.

Výsledky experimentálneho merania plynového tepelného čerpadla vzduch/voda pri nízkych teplotách vonkajšieho vzduchu

Prvé merania PTČ vzduch/voda sa realizovali v mesiacoch december, január a február. PTČ po celý čas prevádzky pracovalo v režime vykurovania. Výstupná teplota z PTČ do systému vykurovania bola 43 ± 2 ˚C. Priestory univerzity sa vykurovali prostredníctvom kazetových stropných jednotiek.

Na následujúcom grafe je ukážka z experimentálneho merania závislosti COP od vonkajšej teploty počas jedného dňa . Nameraná priemerná denná teplota vonkajšieho vzduchu tento deň bola –3,65 ˚C. Na grafe vidieť zmenu COP v závislosti od zmeny vonkajšej teploty. Priemerná hodnota COP v tomto vzorovom dni bola 0,78.

Z takto získaných priebehov sa vyhodnocovali priemerné hodnoty COP a priemerné vonkajšie teploty pre jednotlivé dni v mesiaci a následne pre jednotlivé mesiace. Na násedujúcom grafe je ukážka výsledkov experimentálnych meraní COP a priemernej vonkajšej teploty pre december a na ďalšom za mesiace december, január a február.

Z nameraných parametrov a vypočítaných údajov možno vyhodnotiť celkové COP a PER za celú dobu merania v reálnych podmienkach, keď plynové tepelné čerpadlo pracovalo v režime vykurovania, obrázok vyššie. PTČ dosiahlo priemerné COP 0,79 a PER 1,41. Meranie prebiehalo v mesiacoch keď sa priemerná denná vonkajšia teplota pohybovala v intervale -10,6 až +6,4 ˚C.

Výsledky experimentálneho merania modifikovaného plynového tepelného čerpadla systému zem/voda

Tak ako už bolo spomenuté, plynové tepelné čerpadlá sa využívajú v usporiadaní vzduch/voda. PTČ však v tomto usporiadaní dosahuje v čase najväčšej potreby tepla na vykurovanie najnižšie hodnoty COP. Preto sa ukazovalo ako vhodný variant získať tepelnú energiu z nízkopotenciálneho zdroja tepla zo zeme pomocou hlbokých zemných vrtov, ktoré vykazujú relatívne stabilné tepelné parametre na primárnej strane TČ, resp. na vstupe do TČ. Z toho dôvodu sme v rámci projektu navrhli modifikáciu plynového tepelného čerpadla v usporiadaní vzduch/voda na plynové tepelné čerpadlo v usporiadaní zem/voda, ktoré využíva nízkopotenciálne teplo zeme. Usporiadanie a zapojenie
modifikovaného PTČ do experimentálneho zariadenia , kde PSM je plynový spaľovací motor a KOM je kompresor. Takto navrhnutá modifikácia PTČ sa môže využívať v rámci úpravy plynového tepelného čerpadla v dvoch režimoch, a to vzduch/voda a zem/voda. Experimentálne zariadenie pozostáva z plynového tepelného čerpadla AISIN 10 HP E1 so systémomu vzduch/voda, ku ktorému je napojený výmenník tepla zem/voda. V oboch prípadoch bude k dispozícii možnosť využitia tepla z chladenia motora prostredníctvom elektromagnetického ventila. Na primárnej strane je možné odoberať nízkopotenciálne teplo z okolitého vzduchu alebo z dvoch 150 metrov hlbokých vrtov realizovaných na Žilinskej univerzite. Sekundárna strana tepelného čerpadla je zapojená podobne ako v prípade experimentálneho merania PTČ v usporiadaní vzduch/voda.

Meranie PTČ zem/voda sa uskutočnilo od 26. 2. 2013 do 3. 3. 2013. Rovnako ako v prvom prípade sa zaznamenávali celodenné spotreby primárnej energie dodanej do tepelného čerpadla (spotreba zemného plynu, elektrická energia samotného PTČ a elektrická energia na pohon obehového čerpadla na strane vrtu). Na primárnej strane PTČ sa zaznamenávali prietok a vstupná a výstupná teplota z vrtu. Prietok na primárnej strane bol konštantný 0,9 m3.hod-1. Rozdiel teplôt na strane vrtu Δt = 4 ˚C. Na sekundárnej strane (na výstupe) sa teplo odovzdáva vykurovacej sústave s prietokom 4,3 m3.hod-1. Rozdiel teplôt na výstupe z PTČ je Δt = 5 ˚C. Na základe meraní a vyhodnocovaní sa stanovilo COP a PER PTČ zem/voda. Priemerná denná hodnota COP počas merania bola 0,86, čomu zodpovedali aj vyššie hodnoty PER = 1,35. Vonkajšia teplota sa pohybovala v intervale od 0 do 4 ˚C.

Obr. Priemerné denné COP a PER plynového tepelného čerpadla zem/voda

Priemerné hodinové hodnoty COP a PER plynového tepelného čerpadla vzduch/voda

Priemerné denné hodnoty COP a PER plynového tepelného čerpadla vzduch/voda

Výsledky experimentálneho merania plynového tepelného čerpadla vzduch/voda pri vyšších teplotách vonkajšieho vzduchu

V čase od 23. 4. 2013 do 30. 4. 2013 sme vykonali experimentálne merania plynového tepelného čerpadla vzduch/voda pri vyšších teplotách vonkajšieho vzduchu,
keď sa priemerná denná vonkajšia teplota vzduchu pohybovala v intervale od +16 do +21 ˚C. Na grafe je ukážka z experimentálneho merania závislosti COP od vonkajšej
teploty počas 30. 4. 2013. Nameraná priemerná denná teplota vonkajšieho vzduchu bola v tento deň +19,8 ˚C. Na grafe je vidieť zmenu COP v závislosti od zmeny vonkajšej teploty. Priemerná hodnota COP v tomto vzorovom dni bola 1,14. Na grafe je znázornená závislosť priemerných hodnôt COP a PER plynového tepelného čerpadla vzduch/voda v závislosti od vonkajšej teploty pri vyšších vonkajších teplotách. Z nameraných a vypočítaných hodnôt uvedených v grafe možno konštatovať, že plynové tepelné čerpadlo v usporiadaní vzduch/voda pracovalo efektívne a dosahovalo COP = 1,1.

Záver

Z uvedených experimentálnych meraní PTČ vzduch/voda vyplýva, že namerané experimentálne parametre sa dosť odlišujú od parametrov uvádzaných výrobcom, čo je dané rozdielnymi podmienkami prevádzkovania plynového tepelného čerpadla a potrebou tepla na strane spotreby. Počas prevádzkovania PTČ bol rozdiel v prietoku vody na sekundárnej strane PTČ. Výrobca uvádza optimálny prietok 6,3 m3.hod-1, pri meraní sa dosahoval prietok 4,4 m3.hod-1. Ďalším faktorom, ktorý zohrával úlohu, bola vonkajšia teplota. Pri dosiahnutí určitej kritickej teploty sa výparníky PTČ, ktoré pracuje v systéme vzduch/voda, uzatvoria a chladivový okruh prúdi len pomocou odoberania tepla z motora prostredníctvom výmenníka slúžiaceho ply na predohrev chladiva. Z týchto výsledkov vyplýva, že prevádzkové parametre PTČ do značnej miery ovplyvňujú podmienky jeho prevádzkovania. Modifikáciou PTČ vzduch/voda na systém zem/voda sa dosiahlo prevádzky schopné zariadenie. Namerané výsledky ukázali, že sa dosiahli stabilnejšie teplotné parametre na primárnej strane PTČ zem/voda. Rozdiel teplôt na primárnej strane plynového tepelného čerpadla (na strane vrtu) bol  onštantný cca 4 °C. Táto teplota nebola závislá od zmeny vonkajšej teploty. Nevýhodou PTČ zem/voda je, že tieto parametre sú takmer konštantné počas celého roka. Z toho vyplýva vhodnosť prevádzkovania PTČ v systéme zem/voda pri vonkajších teplotách nižších ako 5 °C a pri vonkajších teplotách vyšších ako 5 °C v systéme vzduch/voda.
Pri prevádzke PTČ zem/voda sa dosiahlo priemerné COP 0,86. Zlepšenie prevádzkových parametrov PTČ zem/voda by sa mohlo dosiahnuť optimalizáciou navrhnutého
systému.

Zdroj: Jozef JANDAČKA a kol.* – Experimentálne merania prevádzkových parametrov tepelných čerpadiel poháňaných spaľovacím motorom na zemný plyn