Pompa ciepła

Ten artykuł dotyczy urządzeń służących do ogrzewania, a potencjalnie także chłodzenia budynku z wykorzystaniem obiegu chłodniczego. W przypadku samego chłodzenia patrz klimatyzator . W przypadku innych zastosowań zobacz Pompa ciepła (ujednoznacznienie) .

Zewnętrzny wymiennik ciepła powietrznej pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie, które może dostarczać ciepło do budynku, przekazując energię cieplną z zewnątrz za pomocą obiegu chłodniczego . Wiele pomp ciepła może również działać w przeciwnym kierunku, schładzając budynek, usuwając ciepło z zamkniętej przestrzeni i odrzucając je na zewnątrz. Jednostki, które zapewniają tylko chłodzenie, nazywane są klimatyzatorami .

W trybie ogrzewania sprężany jest czynnik chłodniczy o temperaturze zewnętrznej . W rezultacie czynnik chłodniczy staje się gorący. Ta energia cieplna może być przekazywana do jednostki wewnętrznej. Po ponownym przeniesieniu na zewnątrz czynnik chłodniczy ulega dekompresji — odparowaniu. Straciła część swojej energii cieplnej i powraca zimniejsza niż otoczenie. Może teraz pobierać otaczającą energię z powietrza lub ziemi, zanim proces się powtórzy. Sprężarki, wentylatory i pompy napędzane są energią elektryczną.

Powietrzne pompy ciepła są najbardziej popularnymi modelami, podczas gdy inne typy obejmują gruntowe pompy ciepła , wodne pompy ciepła i wywiewne pompy ciepła . Wielkoskalowe pompy ciepła są również stosowane w ciepłowniczych .

Sprawność pompy ciepła wyraża się za pomocą współczynnika wydajności (COP) lub sezonowego współczynnika wydajności (SCOP). Im wyższa liczba, tym bardziej wydajna jest pompa ciepła i zużywa mniej energii. W przypadku ogrzewania pomieszczeń pompy ciepła są zazwyczaj znacznie bardziej energooszczędne niż proste elektryczne grzejniki oporowe .

Ze względu na swoją wysoką wydajność i rosnący udział źródeł wolnych od paliw kopalnych w sieciach elektroenergetycznych pompy ciepła mogą odgrywać kluczową rolę w łagodzeniu zmian klimatu . Za pomocą 1 kWh energii elektrycznej mogą przekazać do budynku od 3 do 6 kWh energii cieplnej . Ślad węglowy pomp ciepła zależy od sposobu wytwarzania energii elektrycznej , ale zazwyczaj zmniejszają one emisje w łagodnym klimacie. Pompy ciepła mogłyby zaspokoić ponad 80% globalnego zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń i wody przy niższym śladzie węglowym niż kotły kondensacyjne opalane gazem : jednak w 2021 r. zaspokoiły tylko 10%.

Zasada działania

Ciepło przepływa spontanicznie z obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze. Ciepło nie przepływa spontanicznie z temperatury niższej do wyższej, ale można je zmusić do przepływu w tym kierunku, wykonując pracę . Praca wymagana do przeniesienia danej ilości ciepła jest zwykle znacznie mniejsza niż ilość ciepła; jest to motywacja do stosowania pomp ciepła w zastosowaniach takich jak podgrzewanie wody i wnętrza budynków.

Ilość pracy wymaganej do przeniesienia ilości ciepła Q ze zbiornika o niższej temperaturze, takiego jak powietrze otoczenia, do zbiornika o wyższej temperaturze, takiego jak wnętrze budynku, wynosi:

$${\ Displaystyle W = {\ Frac {Q} {\ operatorname {COP}}}}$$

Gdzie

• ${\ displaystyle W}$ to praca wykonywana na płynie roboczym przez sprężarkę pompy ciepła.
• ${\ displaystyle Q}$ to ciepło przenoszone ze zbiornika o niższej temperaturze do zbiornika o wyższej temperaturze.
• $jest$ chwilowym współczynnikiem wydajności ciepła przy temperaturach panujących w zbiornikach w jednej

Współczynnik wydajności pompy ciepła jest większy niż jedność , więc wymagana praca jest mniejsza niż przenoszone ciepło, dzięki czemu pompa ciepła jest bardziej wydajną formą ogrzewania niż elektryczne ogrzewanie oporowe. Gdy temperatura zbiornika o wyższej temperaturze wzrasta w odpowiedzi na dopływające do niego ciepło, współczynnik wydajności maleje, co powoduje, że na każdą przenoszoną jednostkę ciepła wymagana jest coraz większa ilość pracy.

Współczynnik wydajności i pracę wymaganą przez pompę ciepła można łatwo obliczyć, biorąc pod uwagę idealną pompę ciepła działającą w odwróconym cyklu Carnota :

• Jeśli zbiornik niskotemperaturowy ma temperaturę 270 K (-3 ° C), a wnętrze budynku ma temperaturę 280 K (7 ° C), odpowiedni współczynnik wydajności wynosi 27. Oznacza to, że tylko 1 dżul wykonuje pracę wymagane do przeniesienia 27 dżuli ciepła ze zbiornika o temperaturze 270 K do drugiego o temperaturze 280 K. Jeden dżul pracy ostatecznie kończy się jako energia cieplna we wnętrzu budynku, więc na każde 27 dżuli ciepła, które są usuwane z nisko- zasobnika temperatury, do wnętrza budynku dodawane jest 28 dżuli ciepła, co czyni pompę ciepła jeszcze bardziej atrakcyjną z punktu widzenia efektywności.
• Gdy temperatura wewnątrz budynku stopniowo wzrasta do 300 K (27°C), współczynnik wydajności spada stopniowo do 9. Oznacza to, że każdy dżul pracy jest odpowiedzialny za przeniesienie 9 dżuli ciepła ze zbiornika niskotemperaturowego i do budynku. Ponownie, 1 dżul pracy ostatecznie kończy jako energia cieplna we wnętrzu budynku, więc do wnętrza budynku dodaje się 10 dżuli ciepła.

Historia

Kamienie milowe:

1748

William Cullen demonstruje sztuczne chłodzenie.

1834

Jacob Perkins konstruuje 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.

1877

W okresie przed 1875 r. poszukiwano pomp ciepła do odparowywania sprężonego pary (proces otwartej pompy ciepła) w warzelniach solnych z ich oczywistymi zaletami w zakresie oszczędności drewna i węgla. W 1857 roku Peter von Rittinger jako pierwszy spróbował wdrożyć ideę sprężania pary w małej instalacji pilotażowej. Przypuszczalnie zainspirowani eksperymentami Rittingera w Ebensee, Antoine-Paul Piccard z Uniwersytetu w Lozannie i inżynier JH Weibel z firmy Weibel-Briquet w Genewie zbudowali pierwszy na świecie naprawdę działający system sprężania pary z dwustopniową sprężarką tłokową. warzelni soli Bex zainstalowano pierwszą pompę ciepła w Szwajcarii .

1928

Aurel Stodoła buduje obiegową pompę ciepła (źródło wody z Jeziora Genewskiego ), która do dziś dostarcza ciepło do ratusza w Genewie .

1937–1945

Podczas i po pierwszej wojnie światowej Szwajcaria cierpiała z powodu bardzo utrudnionego importu energii, a następnie rozbudowała swoje elektrownie wodne. W okresie poprzedzającym, a zwłaszcza podczas drugiej wojny światowej , kiedy neutralna Szwajcaria była całkowicie otoczona przez kraje rządzone przez faszystów, niedobór węgla ponownie stał się alarmujący. Dzięki swojej wiodącej pozycji w technologii energetycznej, szwajcarskie firmy Sulzer , Eschera Wyssa i Browna Boveriego zbudowano i uruchomiono około 35 pomp ciepła w latach 1937-1945. Głównymi źródłami ciepła były woda z jeziora, woda rzeczna, woda gruntowa i ciepło odpadowe. Na szczególną uwagę zasługuje sześć zabytkowych pomp ciepła z miasta Zurych o mocy cieplnej od 100 kW do 6 MW. Międzynarodowym kamieniem milowym jest pompa ciepła zbudowana przez firmę Escher Wyss w latach 1937/38 w celu zastąpienia pieców na drewno w ratuszu w Zurychu. Aby uniknąć hałasu i wibracji, zastosowano niedawno opracowaną sprężarkę z tłokiem obrotowym. Ta zabytkowa pompa ciepła ogrzewała ratusz przez 63 lata do 2001 roku. Dopiero wtedy została zastąpiona nową, wydajniejszą pompą ciepła,

1945 rok

John Sumner, miejski inżynier elektryk w Norwich , instaluje eksperymentalny system centralnego ogrzewania zasilany wodną pompą ciepła, wykorzystujący sąsiednią rzekę do ogrzewania nowych budynków administracyjnych Rady. Współczynnik sprawności sezonowej na poziomie 3,42. Średnia moc cieplna 147 kW i moc szczytowa 234 kW.

1948

Uważa się, że Robert C. Webber opracował i zbudował pierwszą gruntową pompę ciepła.

1951

Pierwsza instalacja na dużą skalę — Royal Festival Hall w Londynie zostaje otwarta z miejską , zasilaną gazem, odwracalną wodną pompą ciepła, zasilaną przez Tamizę , zarówno na potrzeby ogrzewania zimą, jak i chłodzenia latem.

typy

Powietrzna pompa ciepła

Główny artykuł: powietrzna pompa ciepła

Jednostka zewnętrzna powietrznej pompy ciepła pracująca w warunkach ujemnych

Powietrzne pompy ciepła służą do przemieszczania ciepła między dwoma wymiennikami ciepła, jednym na zewnątrz budynku, który jest wyposażony w żebra, przez które powietrze jest przetłaczane za pomocą wentylatora, a drugim, który albo bezpośrednio ogrzewa powietrze wewnątrz budynku, albo podgrzewa wodę, która jest następnie krąży wokół budynku przez grzejniki lub ogrzewanie podłogowe, które oddaje 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. Niektóre mogą służyć do podgrzewania wody do prania, która jest przechowywana w zbiorniku ciepłej wody użytkowej.

Powietrzne pompy ciepła są stosunkowo łatwe i niedrogie w instalacji i dlatego w przeszłości były najczęściej stosowanym rodzajem pomp ciepła. Przy łagodnej pogodzie współczynnik wydajności (COP) może wynosić około 4, podczas gdy w temperaturach poniżej około -7 ° C (19 ° F) powietrzna pompa ciepła może nadal osiągać COP na poziomie 3.

Podczas gdy starsze powietrzne pompy ciepła działały stosunkowo słabo w niskich temperaturach i były lepiej przystosowane do ciepłych klimatów, nowsze modele ze sprężarkami o zmiennej prędkości pozostają bardzo wydajne w warunkach mrozu, co pozwala na szerokie zastosowanie i oszczędności w miejscach takich jak Minnesota i Maine.

Gruntowa pompa ciepła

Główny artykuł: Gruntowa pompa ciepła

Gruntowa pompa ciepła pobiera ciepło z gruntu lub wody gruntowej , która utrzymuje stosunkowo stałą temperaturę przez cały rok poniżej głębokości około 30 stóp (9,1 m). Dobrze utrzymana gruntowa pompa ciepła będzie miała typowo COP 4,0 na początku sezonu grzewczego i sezonowy COP około 3,0, gdy ciepło jest pobierane z gruntu. Gruntowe pompy ciepła są droższe w montażu ze względu na konieczność wiercenia otworów w celu pionowego ułożenia orurowania wymiennika ciepła lub kopania rowów w celu poziomego poprowadzenia orurowania, przez które przepływa płyn wymiennika ciepła (woda z niewielką ilością płynu niezamarzającego ).

Gruntowa pompa ciepła może być również używana do chłodzenia budynków w upalne dni, przekazując w ten sposób ciepło z mieszkania z powrotem do gruntu za pośrednictwem pętli uziemienia. Kolektory słoneczne lub rurociągi umieszczone w pasie asfaltowym parkingu mogą być również wykorzystywane do uzupełniania ciepła pod ziemią.

Pompa ciepła na powietrze wywiewane

Główny artykuł: Pompa ciepła na powietrze wywiewane

Pompy ciepła na powietrze wywiewane pobierają ciepło z powietrza wywiewanego z budynku i wymagają wentylacji mechanicznej . Istnieją dwie klasy:

• Pompy ciepła powietrze-powietrze wywiewane przekazują ciepło do powietrza wlotowego.
• Pompy ciepła powietrze-woda na wylocie przekazują ciepło do obiegu grzewczego, który obejmuje zbiornik ciepłej wody użytkowej.

Pompa ciepła wspomagana energią słoneczną

Zobacz też: Pompa ciepła wspomagana energią słoneczną

Pompa ciepła wspomagana energią słoneczną integruje pompę ciepła i termiczne panele słoneczne lub fotowoltaiczną energię słoneczną w jednym systemie. W przypadku termicznej energii słonecznej zazwyczaj te dwie technologie są stosowane oddzielnie (lub działają równolegle) do produkcji ciepłej wody użytkowej . W tym systemie panel słoneczny jest niskotemperaturowym źródłem ciepła, a wytworzone ciepło zasila parownik pompy ciepła. Celem tego systemu jest uzyskanie wysokiego COP, a następnie wytwarzanie energii w bardziej efektywny i tańszy sposób. . W przypadku fotowoltaicznych słonecznych pomp ciepła lub słonecznych klimatyzatorów energia elektryczna do napędzania pompy ciepła jest generowana ze słońca. Albo akumulatory mogą być używane do przechowywania nadmiaru energii słonecznej generowanej do pracy w okresach pochmurnych lub nocnych, albo energia z sieci może być używana w tych okresach.

Wodna pompa ciepła

Instalowany jest wodny wymiennik ciepła

Wodna pompa ciepła działa w podobny sposób jak gruntowa pompa ciepła, z tą różnicą, że pobiera ciepło ze zbiornika wodnego, a nie z gruntu. Zbiornik wodny musi być jednak wystarczająco duży, aby mógł wytrzymać efekt chłodzenia jednostki bez zamarzania lub wywierania negatywnego wpływu na dzikie zwierzęta.

Termoakustyczna pompa ciepła

Pompa ciepła, która działa jak termoakustyczny silnik cieplny bez czynnika chłodniczego, ale zamiast tego wykorzystuje falę stojącą w szczelnej komorze napędzanej przez głośnik w celu uzyskania różnicy temperatur w komorze.

Aplikacje

Międzynarodowa Agencja Energii oszacowała, że ​​od 2021 roku pompy ciepła zainstalowane w budynkach mają łączną moc ponad 1000 GW. Są używane w klimatach o umiarkowanych zakresie ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), a także mogą zapewniać ciepłą wodę użytkową i suszenie ubrań w suszarce bębnowej. Koszty zakupu są w różnych krajach wspierane rabatami konsumenckimi.

Ogrzewanie pomieszczeń, a czasem także chłodzenie

W zastosowaniach HVAC pompa ciepła jest zwykle urządzeniem chłodniczym ze sprężaniem pary , które zawiera zawór zwrotny i zoptymalizowane wymienniki ciepła, dzięki czemu można odwrócić kierunek przepływu ciepła (ruch energii cieplnej). Zawór zwrotny przełącza kierunek czynnika chłodniczego w całym cyklu, dzięki czemu pompa ciepła może dostarczać do budynku ogrzewanie lub chłodzenie. W chłodniejszym klimacie domyślnym ustawieniem zaworu zmiany kierunku jest ogrzewanie.

Domyślnym ustawieniem w cieplejszym klimacie jest chłodzenie. Ponieważ dwa wymienniki ciepła, skraplacz i parownik, muszą zamieniać się funkcjami, są zoptymalizowane tak, aby działały odpowiednio w obu trybach. Dlatego ocena SEER, czyli ocena sezonowej efektywności energetycznej , odwracalnej pompy ciepła jest zwykle nieco niższa niż w przypadku dwóch oddzielnie zoptymalizowanych maszyn. Aby sprzęt otrzymał Energy Star , musi mieć ocenę co najmniej 14 SEER, a 18 SEER lub wyższą uważa się za wysoce wydajną, a produkowane pompy ciepła o najwyższej wydajności osiągają wartość do 24 SEER.

Podgrzewanie wody

W zastosowaniach związanych z ogrzewaniem wody pompa ciepła może być używana do podgrzewania lub wstępnego podgrzewania wody w basenach lub podgrzewania wody pitnej do użytku domowego i przemysłowego. Zwykle ciepło jest pobierane z powietrza zewnętrznego i przekazywane do zbiornika wody w pomieszczeniu, inna odmiana pobiera ciepło z powietrza w pomieszczeniu, aby pomóc w chłodzeniu przestrzeni.

Ogrzewanie miejskie

Główny artykuł: Ciepłownictwo

Pompy ciepła mogą być również wykorzystywane jako dostawcy ciepła dla sieci ciepłowniczych . W Europie pompy ciepła odpowiadają za zaledwie 1% dostaw ciepła w sieciach ciepłowniczych, ale kilka krajów wyznaczyło sobie cele dekarbonizacji swoich sieci w latach 2030–2040. Możliwe źródła ciepła do takich zastosowań to ścieki, woda otoczenia (np. morze , jezioro i woda rzeczna), przemysłowe ciepło odpadowe , energia geotermalna , gazy spalinowe , ciepło odpadowe z sieci chłodniczej i ciepło z sezonowego magazynowania energii słonecznej . W Europie od lat 80. zainstalowano ponad 1500 MW dużych pomp ciepła, z czego około 1000 MW było używanych w Szwecji w 2017 r. Wielkoskalowe pompy ciepła do sieci ciepłowniczych w połączeniu z magazynowaniem energii cieplnej oferują dużą elastyczność dla integracja zmiennej energii odnawialnej. Dlatego są one uznawane za kluczową technologię dla inteligentnych systemów energetycznych z wysokim udziałem 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 związanej z tym emisji gazów cieplarnianych w przemyśle poprzez zastosowanie przemysłowych pomp ciepła. Międzynarodowy projekt współpracy zakończony w 2015 roku zebrał łącznie 39 przykładów projektów badawczo-rozwojowych i 115 studiów przypadków z całego świata. Z badania wynika, że ​​możliwe są krótkie okresy zwrotu, poniżej 2 lat, przy jednoczesnym osiągnięciu wysokiej redukcji emisji CO ₂ (w niektórych przypadkach ponad 50%). Przemysłowe pompy ciepła mogą nagrzewać się do 200°C i mogą sprostać wymaganiom grzewczym wielu gałęzi przemysłu lekkiego . W samej Europie 15 GW pomp ciepła można by zainstalować w 3 000 obiektów w przemyśle papierniczym, spożywczym i chemicznym.

---

[MYIE1]Cytuj raport IEA https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps

Wydajność

Główny artykuł: Współczynnik wydajności

Porównując wydajność pomp ciepła, termin „ wydajność” jest preferowany w stosunku do „efektywności” , przy czym współczynnik wydajności (COP) jest używany do opisania stosunku przepływu ciepła użytkowego do wkładu pracy. Elektryczny grzejnik oporowy ma współczynnik COP równy 1,0, który jest znacznie niższy niż dobrze zaprojektowana pompa ciepła, która zwykle wynosi od 3 do 5 przy temperaturze zewnętrznej 10°C i temperaturze wewnętrznej 20°C. Gruntowa pompa ciepła ma zwykle wyższą wydajność niż powietrzna pompa ciepła.

„Sezonowy współczynnik wydajności” (SCOP) jest miarą zagregowanej miary efektywności energetycznej w okresie jednego roku, który jest bardzo zależny od klimatu regionalnego. Ramy dla tych obliczeń określa rozporządzenie Komisji (UE) nr 813/2013:

Wydajność pracy pompy ciepła w trybie chłodzenia charakteryzuje się w USA współczynnikiem efektywności energetycznej (EER) lub współczynnikiem sezonowej efektywności energetycznej (SEER), z których oba wyrażone są w jednostkach BTU/(h·W) (należy pamiętać, że 1 BTU/ (h·W) = 0,293 W/W) i 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.

Zmiana COP wraz z temperaturą wyjściową

Typ pompy i źródło	Typowe zastosowanie	35 °C (np. podgrzewana podłoga jastrychowa )	45 °C (np. podgrzewana podłoga jastrychowa)	55 °C (np. podgrzewana 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 o temperaturze -20 °C	Niska temperatura źródła	2.4	2.2	1.9	-	-	-
Wysokowydajny ASHP, powietrze o temperaturze 0°C	Niska temperatura wyjściowa	3.8	2.8	2.2	2.0	-	-
Prototypowa transkrytyczna pompa ciepła CO 2 (R744) z trójdzielną chłodnicą gazu, źródło 0°C	Wysoka temperatura wyjściowa	3.3	-	-	4.2	-	3.0
Gruntowa pompa ciepła (GSHP), woda o temp. 0°C		5.0	3.7	2.9	2.4	-	-
GSHP, mielony 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
Teoretyczna granica cyklu Lorentzena ( pompa CO 2 ), płyn powrotny 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

ślad węglowy

Ślad węglowy pomp ciepła zależy od ich indywidualnej wydajności i sposobu wytwarzania energii elektrycznej. Rosnący udział niskoemisyjnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce, zmniejszy wpływ na klimat.

System grzewczy	emisje źródła energii	efektywność	wynikające z tego emisje dla energii cieplnej
pompa ciepła z lądową energią wiatrową	11 gCO2 / kWh	400% (COP=4)	3gCO2 / kWh
pompa ciepła z globalnym miksem energii elektrycznej	458 gCO2 / kWh	400% (COP=4)	131 gCO2 / kWh
termiczny na gaz ziemny (wysoka wydajność)	201 gCO2 / kWh	90%	223 gCO2 / kWh
pompy ciepła z węgla brunatnego (stara elektrownia) i niska wydajność	1221 gCO2 / kWh	300% (COP=3)	407 gCO2 / kWh

W większości przypadków pompy ciepła zmniejszają emisję CO ₂ w porównaniu z systemami grzewczymi zasilanymi paliwami kopalnymi. W regionach odpowiedzialnych za 70% światowego zużycia energii, oszczędności emisji pomp ciepła w porównaniu z wysokosprawnym kotłem gazowym wynoszą średnio ponad 45% i sięgają 80% w krajach o czystszym miksie energii elektrycznej. Wartości te można poprawić odpowiednio o 10 punktów procentowych, stosując alternatywne czynniki chłodnicze. W Stanach Zjednoczonych 70% domów mogłoby zmniejszyć emisje, instalując pompę ciepła. Rosnący udział wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w wielu krajach ma z czasem zwiększyć ograniczenie emisji dzięki pompom ciepła.

Systemy grzewcze zasilane zielonym wodorem są również niskoemisyjne i mogą stać się konkurentami, ale są znacznie mniej wydajne ze względu na straty energii związane z konwersją, transportem i użytkowaniem wodoru. Ponadto oczekuje się, że przed rokiem 2030 lub 2040 będzie dostępna niewystarczająca ilość zielonego wodoru.

Operacja

Zobacz też: Chłodzenie ze sprężaniem pary

Rysunek 2: Wykres temperatury i entropii cyklu sprężania pary.

Widok wnętrza jednostki zewnętrznej powietrznej pompy ciepła Ecodan

Kompresja pary wykorzystuje cyrkulujący czynnik chłodniczy jako medium, które pochłania ciepło z jednej przestrzeni, spręża je, zwiększając w ten sposób jego temperaturę przed uwolnieniem w innej przestrzeni. System zwykle składa się z 8 głównych elementów: sprężarki , zbiornika, zaworu zwrotnego , który wybiera tryb 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 się odwracają.

Krążący 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 wtedy w stanie termodynamicznym znanym jako para przegrzana i ma temperaturę i ciśnienie, w których może zostać skraplana z wodą chłodzącą lub powietrzem chłodzącym przepływającym przez wężownicę lub rury. W trybie ogrzewania ciepło to jest wykorzystywane do ogrzewania budynku za pomocą wewnętrznego wymiennika ciepła, aw trybie chłodzenia ciepło to jest odprowadzane przez zewnętrzny wymiennik ciepła.

Skroplony, ciekły czynnik chłodniczy, w stanie termodynamicznym zwanym cieczą nasyconą , jest następnie kierowany przez zawór rozprężny, gdzie ulega gwałtownemu obniżeniu ciśnienia. Ta redukcja ciśnienia powoduje adiabatyczne odparowanie błyskawiczne części ciekłego czynnika chłodniczego. Efekt samozamrażania adiabatycznego odparowania błyskawicznego obniża temperaturę cieczy i-

mieszaninę czynnika chłodniczego w postaci pary do miejsca, w którym jest zimniejsza niż temperatura zamkniętej przestrzeni przeznaczonej do chłodzenia.

Zimna mieszanina jest następnie kierowana przez wężownicę lub rurki w parowniku. Wentylator wymusza obieg ciepłego powietrza w zamkniętej przestrzeni przez wężownicę lub rurki przenoszące mieszaninę zimnego czynnika chłodniczego w postaci cieczy i oparów. To ciepłe powietrze odparowuje płynną część zimnej mieszaniny czynników chłodniczych. Jednocześnie powietrze obiegowe jest schładzane i tym samym obniża temperaturę zamkniętej przestrzeni do żądanej temperatury. Parownik to miejsce, w którym krążący czynnik chłodniczy pochłania i usuwa ciepło, które jest następnie odrzucane w skraplaczu i przenoszone gdzie indziej 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 jest topiony w rozmrażania . Wewnętrzny wymiennik ciepła służy do bezpośredniego ogrzewania/chłodzenia powietrza w pomieszczeniu lub do podgrzewania wody, która jest następnie rozprowadzana przez grzejniki lub obieg ogrzewania podłogowego w celu ogrzania lub schłodzenia budynków.

Poprawa współczynnika wydajności (COP) poprzez dochłodzenie

Główny artykuł: dochłodzenie

Dopływ ciepła można poprawić, jeśli czynnik chłodniczy wpływa do parownika z niższą zawartością pary. Można to osiągnąć poprzez schłodzenie ciekłego czynnika chłodniczego po skropleniu. Gazowy czynnik chłodniczy skrapla się na powierzchni wymiany ciepła skraplacza. Aby uzyskać przepływ ciepła od ośrodka przepływu gazu do ścianki skraplacza, temperatura ciekłego czynnika chłodniczego musi być niższa niż temperatura skraplania.

Dodatkowe przechłodzenie można uzyskać poprzez wymianę ciepła między stosunkowo ciepłym ciekłym czynnikiem chłodniczym opuszczającym skraplacz a chłodniejszą parą czynnika chłodniczego wypływającą z parownika. Różnica entalpii wymagana do dochłodzenia prowadzi do przegrzania pary zasysanej do sprężarki. Gdy wzrost chłodzenia, uzyskany przez dochładzanie , jest większy niż moc napędu sprężarki wymagana do pokonania dodatkowych strat ciśnienia, taka wymiana ciepła poprawia współczynnik wydajności.

Wadą dochładzania cieczy jest to, że różnica między temperaturą skraplania a temperaturą radiatora musi być większa. Prowadzi to do umiarkowanie dużej różnicy ciśnień między ciśnieniem skraplania i parowania, przez co wzrasta energia sprężarki.

Wybór czynnika chłodniczego

Główny artykuł: czynnik chłodniczy

Czyste czynniki chłodnicze można podzielić na substancje organiczne ( węglowodory (HC), chlorofluorowęglowodory (CFC), wodorochlorofluorowęglowodory ( HCFC), wodorofluorowęglowodory (HFC), wodorofluoroolefiny (HFO) i HCFO) oraz substancje nieorganiczne ( amoniak (NH3), dwutlenek węgla ( CO₂) i woda (H₂O)).

W ciągu ostatnich 200 lat zmieniły się normy i wymagania dotyczące nowych czynników chłodniczych. Normy, które regulują wybór czynników chłodniczych nowej generacji, obejmują wymóg niskiego współczynnika ocieplenia globalnego (GWP), oprócz wszystkich poprzednich wymagań dotyczących bezpieczeństwa, praktyczności, kompatybilności materiałowej, odpowiedniej trwałości atmosferycznej i kompatybilności z produktami o wysokiej wydajności. Do 2022 roku urządzenia wykorzystujące czynniki chłodnicze o bardzo niskim współczynniku ocieplenia globalnego (GWP) nadal będą miały niewielki udział w rynku, ale oczekuje się, że będą odgrywać coraz większą rolę ze względu na egzekwowane przepisy, ponieważ większość krajów ratyfikowała już Poprawka Kigali zakazująca stosowania HFC. Izobutan (R600A) i propan (R290) są znacznie mniej szkodliwe dla środowiska niż konwencjonalne wodorofluorowęglowodory (HFC) i są już stosowane w powietrznych pompach ciepła . Amoniak (R717) i dwutlenek węgla (R744) również mają niski współczynnik GWP.

Do lat 90. pompy ciepła, lodówki i inne powiązane produkty wykorzystywały chlorofluorowęglowodory (CFC) jako czynniki chłodnicze, które po uwolnieniu do atmosfery powodowały poważne uszkodzenia warstwy ozonowej . Stosowanie tych chemikaliów zostało zakazane lub poważnie ograniczone przez Protokół Montrealski z sierpnia 1987 r.

Zamienniki, w tym R-134a i R-410A , to wodorofluorowęglowodory (HFC) o podobnych właściwościach termodynamicznych z nieznacznym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej , ale z problematycznym potencjałem globalnego ocieplenia . HFC jest silnym gazem cieplarnianym, który przyczynia się do zmian klimatycznych. Popularność jako czynnik chłodniczy w połączeniu z R404a zyskał również eter dimetylowy (DME). Nowsze lodówki zawierają difluorometan (R32) o obniżonym GWP, który wciąż przekracza 600.

chłodziwo	Współczynnik ocieplenia globalnego w ciągu 20 lat (GWP)	100 lat GWP
R-290 propan / R-600a izobutan		3.3
R-32	2430	677
R-410a	> 2430	2088
R-134a	3790	1550
R-404a		3922

Zachęty rządowe

Zachęty finansowe są obecnie dostępne w ponad 30 krajach na całym świecie, pokrywając ponad 70% światowego zapotrzebowania na ogrzewanie w 2021 roku.

Australia

Przetwórcy żywności, piwowarzy, producenci karmy dla zwierząt domowych i inni użytkownicy energii przemysłowej badają, czy możliwe jest wykorzystanie energii odnawialnej do produkcji ciepła klasy przemysłowej. Ogrzewanie procesowe ma największy udział w zużyciu energii na miejscu w australijskiej produkcji, przy czym operacje w niższych temperaturach, takie jak produkcja żywności, szczególnie dobrze nadają się do przejścia na odnawialne źródła energii.

Aby pomóc producentom zrozumieć, w jaki sposób mogliby skorzystać na zmianie, Australijska Agencja Energii Odnawialnej (ARENA) przekazała fundusze Australijskiemu Sojuszowi na rzecz Produktywności Energii (A2EP) na przeprowadzenie wstępnych studiów wykonalności w szeregu miejsc w Australii, z najbardziej obiecujące lokalizacje przechodzące do pełnych studiów wykonalności.

Kanada

W 2022 roku Canada Greener Homes Grant zapewnia do 5000 USD na modernizację (w tym niektóre pompy ciepła) i 600 USD na oceny efektywności energetycznej.

Zjednoczone Królestwo

Od 2022 r.: pompy ciepła nie mają podatku VAT, chociaż w Irlandii Północnej są opodatkowane według obniżonej stawki 5% zamiast zwykłego poziomu 20% podatku VAT dla większości innych produktów. Od 2022 r. koszt instalacji pompy ciepła jest wyższy niż koszt instalacji kotła gazowego, ale przy dotacji rządowej i przy założeniu, że koszty energii elektrycznej/gazu pozostaną podobne, koszty ich eksploatacji będą podobne.

Stany Zjednoczone

Po uchwaleniu ustawy o redukcji inflacji przez Kongres Stanów Zjednoczonych i podpisaniu jej przez prezydenta Joe Bidena w dniu 16 sierpnia 2022 r., utworzono program rabatów na wysokowydajne domy elektryczne w celu przyznawania dotacji stanowym urzędom energetycznym i plemionom Indian w celu ustanowienia ogólnostanowe rabaty na wysokowydajne domy elektryczne. Ze skutkiem natychmiastowym amerykańskie gospodarstwa domowe kwalifikują się do ulgi podatkowej na pokrycie kosztów zakupu i instalacji pompy ciepła, do 2000 USD. Od 2023 r. gospodarstwa domowe o niskich i średnich dochodach będą uprawnione do rabatu na pompę ciepła w wysokości do 8 000 USD.

Niektóre stany i gminy USA oferowały wcześniej zachęty dla powietrznych pomp ciepła:

Kalifornia

W 2022 r. California Public Utilities Commission przeznaczyła dodatkowe 40 mln USD z aukcji uprawnień do gazu typu Cap-and-Trade w 2023 r. do istniejącego budżetu w wysokości 44,7 mln USD programu motywacyjnego Self-Generation (SGIP) Heat Pump Water Heater (HPWH) , w ramach którego klienci domów jednorodzinnych mogą otrzymać zachętę w wysokości do 3800 USD na zainstalowanie HPWH. Połowa funduszy zachęty jest zarezerwowana dla klientów użyteczności publicznej o niskich dochodach, którzy kwalifikują się do maksymalnej zachęty w wysokości 4885 USD.

Maine

Fundusz Efficiency Maine Trust oferuje rabaty na pompy ciepła w budynkach mieszkalnych w wysokości do 1200 USD, a także rabaty na pompy ciepła dla mieszkańców stanu Maine o niskich i średnich dochodach w wysokości 2000 USD na pierwszą kwalifikującą się pompę ciepła i do 400 USD na drugą kwalifikującą się pompę ciepła.

Massachusetts

Mass Save, wspólna inicjatywa między dostawcami gazu ziemnego i energii elektrycznej z Massachusetts oraz dostawcami usług w zakresie efektywności energetycznej, oferuje rabat na powietrzną pompę ciepła w wysokości do 10 000 USD, który obejmuje cenę zakupu pompy ciepła i koszty instalacji.

Minnesota

Minnesota Power oferuje rabat na powietrzną pompę ciepła w wysokości do 1200 USD, jeśli pompa zostanie zakupiona i zainstalowana przez wykonawcę uczestniczącego w Minnesota Power.

Karolina Południowa

Dominion Energy Karolina Południowa oferuje rabat w wysokości 400–500 USD na zakup i instalację pompy ciepła lub klimatyzatora z certyfikatem ENERGY STAR .

Zobacz też

• EkoŁadny

Źródła

Raporty IPCC

•   IPCC (2013). Stocker, TF; Qin, D.; Plattner, G.-K.; Tignor, M.; i in. (red.). Zmiany klimatu 2013: podstawy nauk fizycznych (PDF) . Wkład I Grupy Roboczej w Piąty Raport Oceniający Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu. Cambridge, Wielka Brytania i Nowy Jork, NY, USA: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-05799-9 . (pb: 978-1-107-66182-0 ). https://archive.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
  • Myhre, G.; Shindell, D.; Bréon, F.-M.; Collins, W.; i in. (2013). „Rozdział 8: Antropogeniczne i naturalne wymuszanie radiacyjne” (PDF) . Zmiany klimatyczne 2013: podstawy nauk fizycznych . Wkład I grupy roboczej w piąty raport oceniający Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu. s. 659–740.
• IPCC (2018). Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pörtner, HO; Roberts, D.; i in. (red.). Globalne ocieplenie o 1,5°C. Raport specjalny IPCC na temat skutków globalnego ocieplenia o 1,5°C w stosunku do poziomu sprzed epoki przemysłowej i związanych z nim globalnych ścieżek emisji gazów cieplarnianych w kontekście wzmocnienia globalnej reakcji na zagrożenie zmianami klimatycznymi, zrównoważonego rozwoju i wysiłków na rzecz wyeliminowania ubóstwa (PDF) . Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu. https://www.ipcc.ch/sr15/ .
  • Rogelj, J .; Shindell, D.; Jiang, K.; Fifta, S.; i in. (2018). „Rozdział 2: Ścieżki łagodzenia zgodne z 1,5°C w kontekście zrównoważonego rozwoju” (PDF) . IPCC SR15 2018 . s. 93–174.
• IPCC (2022). Shula, PR; Skea, J.; Slade, R.; Al Khourdajie, A.; i in. (red.). Zmiany klimatu 2022: Łagodzenie zmian klimatu (PDF) . Wkład Grupy Roboczej III w Szósty Raport Oceniający Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu. Cambridge, Wielka Brytania i Nowy Jork, NY, USA: Cambridge University Press (w druku).

Inny

• „Czynniki chłodnicze o wysokim GWP” . Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrznych . Źródło 13 lutego 2022 r .
• „Moc śledzenia 2021” . Międzynarodowa Agencja Energii . Źródło 22 lutego 2022 r .
• „Wartość GWP czynników chłodniczych i jej znaczenie dla operatorów” . Infraserv höchst . Źródło 20 lutego 2022 r .
• Quaschning, Volker. „Specyficzne emisje dwutlenku węgla dla różnych paliw” . Źródło 22 lutego 2022 r .

Linki zewnętrzne

• Media związane z pompami ciepła w Wikimedia Commons
• Departament Energii USA: Praktyczne informacje na temat konfigurowania systemów geotermalnych pomp ciepła w domu
• Program współpracy technologicznej IEA w zakresie technologii pomp ciepła
• Wpis gościnny Carbon Brief: Jak sprzedaż pomp ciepła zaczyna rosnąć na całym świecie