Elastyczna pompa z odzyskiem ciepła! COP o 20% wyższe niż w tradycyjnych modelach

Najtańsze wśród pomp ciepła są pompy powietrzne, ale w dalszym ciągu są około 3 razy droższe niż kotły gazowy. Tak jest m.in. w Polsce, w Niemczech czy w Wielkiej Brytanii. Poprawa efektywności energetycznej budynków i spadek cen urządzeń będą miały decydujące znaczenie w ich popularyzacji. Czy pomoże w tym elastyczna pompa ciepła?  

Elastyczna pompa ciepła z magazynem

Na czym polega innowacja? Otóż zbiornik wody odzyskuje część nadwyżek ciepła wytworzonego podczas pracy pompy. Przechowuje je, a następnie pompa wykorzystuje je jako dodatkowe dolne źródło ciepła.

Naukowcy opisują zalety eksploatacyjne pompy ciepła jako podobne do zalet gazowych kotłów kondensacyjnych w porównaniu z tradycyjnymi modelami. W obu przypadkach bardziej efektywne rozwiązanie polega na odzyskiwaniu części ciepła w celu poprawy wydajności. Jak wygląda prototypowa pompa?

Budowa prototypu

Prototyp elastycznej pompy ciepła zawiera bezolejową sprężarkę spiralną o mocy 1 kW. Sterowanie odbywa się za pomocą napędu inwerterowego. Moc sprężarki i inwertera jest mierzona miernikiem mocy, a więc w rezultacie mierzona moc obejmuje zarówno straty mocy inwertera, jak i pobór mocy przez sprężarkę. 

Skraplacz przenosi ciepło z czynnika chłodniczego do pętli wodnej. Temperatura wody powrotnej jest kontrolowana za pomocą agregatu chłodniczego. Nadmiar czynnika chłodniczego jest zatrzymywany w zbiorniku cieczy (LR).

Większa wydajność pompy

Elastyczna pompa ciepła może działać w trybie quasi-dwustopniowym, aby osiągnąć średni COP do 20 proc. wyższy niż konwencjonalne pompy ciepła w tych samych warunkach operacyjnych, w zależności od temperatury zasilania i płynu roboczego. Należy zauważyć, że jest to teoretyczna górna granica, a rzeczywiste systemy osiągną zapewne mniejszą poprawę.

Odzyskane ciepło ma znacznie wyższą temperaturę niż otaczające powietrze zewnętrzne. Zmagazynowana energia może być ponownie wykorzystana, redukując znacznie zużycie energii przez pompę. Według analiz zespołu z Uniwersytetu w Glasgow, nowa technologia może być nawet o 10 proc. bardziej wydajna niż obecnie wykorzystywane pompy ciepła.

Jak wzrasta rzeczywiste COP?

Prototyp zbudowano z gotowych części i wyposażono go w mały zbiornik na wodę, pełniący funkcję magazynu ciepła. Grupa badawcza nadmienia, że części eksperymentalnej konstrukcji mogły nie być do końca zoptymalizowane przez co wyniki mogą być zaniżone. 

Eksperymentalna konstrukcja wykazała poprawę COP o 3,7 proc., gdy temperatura produkcji ciepła wynosi tylko 35°C. Poprawa COP wzrasta wraz ze wzrostem temperatury zasilania cieplnego niemal liniowo. Można więc osiągnąć 10 proc. poprawę współczynnika efektywności, gdy temperatura produkcji ciepła wzrośnie do 65°C w rzeczywistych systemach.

Wynika z tego, że odzysk ciepła przy pompie ciepła jest uzasadnione i przynosi zauważalne korzyści.

• Zobacz również: Cena dnia dla pomp ciepła? Nowe zjawisko na rynku

Lepsza efektywność za niewielką cenę

Czynniki chłodnicze o wysokim cieple właściwym w stanie ciekłym i niewielkim utajonym cieple parowania przy użyciu elastycznego cyklu pompy ciepła mogą zauważalnie poprawić COP urządzenia. Zarówno utajone, jak i jawne magazynowanie ciepła może zapewnić podobną poprawę COP, ale magazynowanie ciepła jawnego przy użyciu wody jest tańsze. 

Koszt magazynowania ciepła w małym zbiorniku na wodę jest marginalny, ale oszczędność energii jest znacząca

Zhibin Yu - profesor z Uniwersytetu w Glasgow

Na jakim etapie jest implementacja elastycznej pompy ciepła?

Zespół zabezpieczył swój wynalazek patentem PCT. Obecnie poszukiwani są partnerzy do przyspieszenia rozwoju i umożliwienia implementacji tej technologii w użytku komercyjnym. Zhibin Yu, prowadzący badania, nazywa ten rodzaj pompy ciepła nową generacją i ma nadzieję, że uda się tej technologii zaistnieć na rynku brytyjskim, a później światowym. 

Teraz, gdy zdobyliśmy patent na tę technologię i potwierdziliśmy tę koncepcję w laboratorium, chętnie rozpoczniemy współpracę z producentami, dostawcami energii i innymi partnerami

Zhibin Yu - profesor z Uniwersytetu w Glasgow

Przyszłość integracji pomp i magazynów ciepła

Elastyczna pompa ciepła łączy w sobie magazynowanie ciepła z konwencjonalnym cyklem produkcji ciepła. Co warte zaznaczenia, magazynowanie ciepła na potrzeby eksploatacji pompy jest perspektywiczne i może być szerzej wykorzystywane w przyszłości. Naukowcy zauważają, że instalacja z pompą ciepła może być łączona np. z kolektorami słonecznymi. Innym wskazywanym rozwiązaniem jest odzysk ciepła odpadowego.

Opracowano na podstawie A flexible heat pump cycle for heat recovery opublikowanego w czasopiśmie Communications Engineering.

Zdjęcie główne i cytaty: Uniwersytet w Glasgow.