Pierwsza taka pompa ciepła na świecie! Przyjrzyjmy się technologii SAHP

Naukowcy z Uniwersytetu w Padwie we Włoszech zbudowali prototyp pompy ciepła, który jako parownik wykorzystuje powietrzno-żebrowy wymiennik ciepła lub moduły hybrydowe (PVT).

W badaniu „Eksperymentalna i numeryczna analiza dwuźródłowej pompy ciepła CO₂ z parownikami PVT do zastosowań grzewczych w budynkach mieszkalnych”, opublikowanym na łamach Applied Thermal Engineering, włoska grupa opisała stworzony system jako pompę ciepła wspomaganą energią słoneczną o mocy 5 kW z bezpośrednim odparowaniem (DX-SAHP) wykorzystujący CO₂ jako czynnik chłodniczy. Jednostka wykorzystuje obieg nadkrytyczny do produkcji gorącej wody w chłodnicy gazu (GC).

Pompa ciepła składa się ze sprężarki, chłodnicy gazu, zaworu dławiącego, wewnętrznego wymiennika ciepła, dwóch zbiorników wody oraz wspomnianych dwóch technologii odparowania, które według zespołu mogą działać alternatywnie.

Wbudowana cewka żebrowana składa się z 22 szeregów i 4 rzędów, jest połączona z wentylatorem napędzanym sygnałem w zakresie 0-10 Vdc w celu modulowania prędkości obrotowej. Zastosowany moduł PVT jest zbudowany z płyty aluminiowej o grubości 0,5 mm przyklejonej poniżej polikrystalicznego modułu fotowoltaicznego. Aluminiowa płytka jest połączona z miedzianym serpentynem o średnicy zewnętrznej 8 mm. Chłodnica gazu to lutowany płytowy wymiennik ciepła złożony z 28 płyt o wymiarach zewnętrznych 379 x 79 mm.

Obieg czynnika w trakcie cyklu

Obecnie dwuźródłowa (słoneczna i powietrzna) pompa ciepła CO₂ pozostaje zainstalowana na Uniwersytecie w Padwie we Włoszech i pracuje w cyklu transkrytycznym, wytwarzając ciepłą wodę w chłodnicy gazu. Prototyp ma moc grzewczą równą 5 kW i został zaprojektowany do pracy zamiennie z dwoma parownikami: powietrznym wymiennikiem ciepła z żebrowaną wężownicą lub 3 kolektorami hybrydowymi PVT. Układ systemu z zainstalowanymi czujnikami i pomocniczymi pętlami wodnymi pokazano na schemacie poniżej.

Analizując obieg czynnika chłodniczego pompy ciepła, po sprężarce rotacyjnej napędzanej inwerterem (COMP), przegrzany pod ciśnieniem czynnik chłodniczy jest przesyłany do chłodnicy gazu (GC), lutowanego płytowego wymiennika ciepła, w którym woda przepływa w przeciwprądzie. Za chłodnicą gazu czynnik chłodniczy trafia do wewnętrznego wymiennika ciepła (INT), w którym CO₂ jest schładzany. Następnie jest rozprężany w elektronicznym urządzeniu rozprężnym (EEV), które działa jak zawór zwrotny, kontrolując ciśnienie w chłodnicy gazu. Od tego momentu czynnik chłodniczy może odparować wewnątrz lamelowego wymiennika ciepła lub kolektorów słonecznych PVT. Po odparowaniu CO₂ trafia do zbiornika odbiorczego niskiego ciśnienia (REC), gdzie faza parowa jest pobierana od góry i przesyłana do sprężarki przez wewnętrzny wymiennik ciepła (co gwarantuje pewien stopień przegrzania na ssaniu sprężarki). Podczas pracy pompy ciepła możliwe jest sterowanie wartością wysokiego ciśnienia po stronie chłodnicy gazu, prędkością obrotową sprężarki oraz prędkością wentylatora na parowniku lamelowym.

Dwie technologie wykonania parownika

Naukowcy przeprowadzili serię testów eksperymentalnych za pomocą oprogramowania TRNSYS, które służy do symulacji zachowania przejściowych systemów energii odnawialnej. Symulacja pozwoliła na przeanalizowanie dwóch różnych technologii parownika możliwych do zastosowania w badanej pompie ciepła. Wyniki wskazują, że pracując z systemem PVT, panel fotowoltaiczny osiąga 8% wzrost produkcji energii fotowoltaicznej ze względu na chłodzący efekt parowania czynnika chłodniczego w kolektorach.

Badanie dowiodło również, że podczas pracy w trybie solarnym (z użyciem PVT jako parownika) symulowany współczynnik wydajności (COP) pompy ciepła jest równy 2,58, czyli o 2% niższy niż wartość oszacowana na podstawie testów eksperymentalnych. Naukowcy zapewniają jednak że użyta metoda modelowania jest użytecznym narzędziem do przeprowadzania sezonowych symulacji pompy ciepła CO₂ działającej w trybie słonecznym i powietrznym. Przyszłe prace będą koncentrować się na opracowaniu technologii modelowania w celu maksymalizacji sprawności urządzeń działających w oparciu o dwa źródła.

Dlaczego CO₂?

Zastosowanie CO₂ jako czynnika chłodniczego jest bardzo obiecujące ze względu na jego niski współczynnik GWP równy 1, zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ODP) przy jednoczesnym braku toksyczności i palności. Ponadto CO₂ zapewnia wysokie współczynniki przewodzenia ciepła i niski spadek ciśnienia w trakcie cyklu roboczego w porównaniu z innymi czynnikami chłodniczymi. Jednak jego niski punkt krytyczny i wysokie ciśnienie robocze wymagają szczególnej uwagi przy projektowaniu elementów systemu.

Oprócz niewielkiego wpływu na środowisko, jedną z głównych zalet dwutlenku węgla jest możliwość zapewnienia wysokiego skoku temperatury pomiędzy wlotem i wylotem wody przy zastosowaniu obiegu nadkrytycznego. Z tego powodu transkrytyczny obieg CO₂ jest szczególnie odpowiedni do ogrzewania wody użytkowej.

Źródło: Experimental and numerical analysis of a CO₂ dual-source heat pump with PVT evaporators for residential heating applications