...inż. Bartłomiej ROSTANKOWSKI

...dr inż. Tomasz MUSZYŃSKI
Politechnika Gdańska Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej

Większość instalacji grzewczych w polskich domach stanowią układy zasilane tradycyjnymi nośnikami ciepła, takimi jak węgiel, drewno czy olej opałowy lub gaz ziemny. Coraz więcej gospodarstw domowych decyduje się na używanie instalacji grzewczej wykorzystującej niekonwencjonalne (odnawialne) źródła energii, głównie energię słoneczną lub geotermalną. Wynika to ze wzrostu świadomości ekologicznej ludzi, ale przede wszystkich z realnych oszczędności finansowych wynikających z mniejszego kosztu eksploatacji tego typu rozwiązań.  

Najbardziej popularnym rozwiązaniem technicznym bazującym na odnawialnych źródłach energii jest instalacja grzewcza wykorzystująca sprężarkową pompę ciepła (SPC) jako serce układu. SPC wykorzystuje ciepło pobrane z gruntu za pośrednictwem dolnego źródła ciepła – w tym przypadku gruntowego wymiennika ciepła. W przypadku pomp ciepła ich maksymalna efektywność podyktowana jest poziomami temperaturowymi pracy. Po uwzględnieniu oporów przepływu, strat ciepła i sprawności wewnętrznej, pompy ciepła osiągają jedynie ułamek możliwej efektywności grzewczej. W związku z tym, że pompa ciepła jest urządzeniem, którego przeznaczeniem jest odbiór ciepła z gruntu zewnętrznego i jego dostarczenie do systemu centralnego ogrzewania budynków, elementy wymieniające ciepło w głównej mierze decydują o wydajności całego układu. Niewątpliwie więc należy zadbać o to, aby każdy z projektowanych elementów pompy ciepła osiągał jak najwyższe parametry, tak aby w jak największym stopniu wykorzystać energię doprowadzaną do układu.

Wpływ parametrów dolnego źródła ciepła na wydajność sprężarkowej pompy ciepła

Rys.1. Schemat budowy sprężarkowej pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła

Tabela 1. Właściwości cieplno-fizyczne materiałów występujących w modelu obliczeniowym

Sprężarkowa pompa ciepła jest prostym urządzeniem grzewczym, służącym do wykorzystywania doprowadzonej do niej energii (dolnego źródła ciepła), wynoszeniu jej na wyższy poziom oraz przekazywania otrzymanej energii cieplnej do środowiska ogrzewanego (górnego źródła ciepła). SPC cechuje się nieskomplikowaną budową, a jej działanie opiera się na podstawowych przemianach termodynamicznych. Na rysunku 1 przedstawiono schemat budowy tego urządzenia.

Praca SPC możliwa jest dzięki realizacji lewobieżnego obiegu suchego Lindego. Wydajność pompy ciepła jest zależna przede wszystkim od ilości ciepła jaką jesteśmy w stanie pozyskać z dolnego źródła ciepła, co jest ściśle związane z wartością temperatury tZ1, tak więc należy dążyć do maksymalizacji wartości tego parametru. Możliwie jak największą wartość temperatury czynnika „przed” parownikiem można uzyskać dzięki zwiększeniu jakości procesu wymiany ciepła. W niniejszej publikacji do analizy wzięto pod uwagę pionowy, gruntowy wymiennik ciepła. Powszechnie wiadomo że przekazywanie ciepła w układzie, bez dodatkowej pracy może odbywać się wyłącznie od medium cieplejszego do zimniejszego. Różnica ta powoduje, że medium robocze pompy ciepła (PC) musi pracować na wyższym poziomie temperaturowym niż wymagany przez system centralnego ogrzewania. Dodatkowo przepływ czynnika przez kanały wymiennika wywołuje spadek ciśnienia, pociągający za sobą spadek temperatury skraplania, co pokazano na rysunku 2. Zwiększając efektywność pracy gruntowego wymiennika ciepła osiągamy większą wydajność grzejną SPC, a tym samym zmniejszamy ilość mocy doprowadzonej do sprężarki, co przyniesie oczekiwane przez nas efekty w postacizmniejszenia kosztów eksploatacji całej instalacji grzewczej.

Badane modele CFD

Pierwszym obiektem analizy CFD stał się gruntowy wymiennik ciepła typu U-rura. Cyrkulujący czynnik roboczy ma niższą temperaturę od wypełnienia odwiertu otaczającego wymiennik, co pozwala na odbieranie ciepła od gruntu na całej długości przewodu. Jako uproszczenie analizowane modele CFD zakładały stałe właściwości materiałów i nie zawierały informacji o wszystkich występujących w rzeczywistości czynnikach, takich jak np. przepływ wód gruntowych, czy też przemarzanie gruntu. 

Rys. 2. Wizualizacja wpływu spadku ciśnienia w parowniku i skraplaczu w układzie pompy ciepła [2]: 1-2-3-4 – obieg porównawczy PC, 1-2’-3’-4 – obieg S.U.CH z uwzględnieniem spadów ciśnienia w wymiennikach ciepła (1-2 – odparowanie, 2-3 – kompresja, 3-4 – skraplanie, 4-1 – dławienie czynnika): ΔPskr – spadek ciśnienia wywołany przepływem czynnika przez skraplacz, ΔPpar- spadek ciśnienia wywołany przepływem czynnika przez parownik, x – stopień suchości pary czynnika

W celu uproszczenia modelu i zredukowania liczby elementów siatki, stworzona została  siatka samego kolektora przy założeniu, że temperatura ścianki przewodów będzie utrzymywała się na stałym poziomie (281oK). Zakładana temperatura wlotowa czynnika wynosiła 277oK, natomiast jego prędkość 0,3 m/s. Czynnik roboczy stanowił 30% roztwór wodny glikolu etylenowego, a materiałem z którego wykonano przewody jest polietylen (PE 80). Właściwości cieplno-fizyczne obu materiałów zostały zestawione w tabeli 1. 

Wygenerowana siatka obliczeniowa zawierała 731.386 elementów. Została ona zagęszczona w obszarach, w których należało spodziewać się wszelkiego rodzaju utrudnień przepływu. Najbardziej newralgicznymi miejscami były ścianka na wlocie i wylocie czynnika oraz łuk. Średnica zewnętrzna przewodu wynosiła 40 mm, średnica hydrauliczna 36 mm, natomiast łączna jego długość, to 99,98 m. Na rysunku 3 przedstawiono wygenerowaną siatkę obliczeniową. 

Rys. 3a. Siatka wlotu i wylotu U-rury

Rys. 3b. Siatka łuku U-rury

Optymalizacja wymiennika 

Głównym celem optymalizacji było zwiększenie mocy cieplnej wymiennika przy jednoczesnym zmniejszeniu jego rozmiarów. Aby to osiągnąć konieczne było zwiększenie wydajności procesu wymiany ciepła, co wiązało się głównie z koniecznością powiększenia powierzchni wymiany ciepła kolektora, a miało skutkować zwiększeniem różnicy temperatury wlotowej i wylotowej czynnika. Zostało stworzonych 5 siatek obliczeniowych gruntowego wymiennika ciepła w kształcie spirali. Wymiary przekroju przewodu nie uległy zmianie. Średnica osi spirali wynosiła 165 mm, natomiast odległości pomiędzy zwojami wynosiły 150; 200; 300; 400 oraz 500 mm. Na rysunku 4 została zaprezentowana wygenerowana siatka dla modelu obliczeniowego, który okazał się najefektywniejszy (o odległości między zwojami równej 150 mm). Wygenerowana siatka zawierała 1.866.956 elementów.

Wyniki symulacji

Najbardziej istotnym parametrem w przypadku gruntowego wymiennika ciepła jest całkowita moc cieplna jaką można uzyskać z kolektora. Efektywność wymiany ciepła w kolektorze można również wyrażać za pomocą jednostkowej wydajności cieplnej w odniesieniu do całkowitej powierzchni wymiany ciepła lub długości przewodów. Parametrem decydującym o obciążeniu pompy obiegowej kolektora gruntowego jest całkowity opór przepływu. Na rysunku 5 przedstawiono porównanie badanych wariantów ze względu na ich charakterystykę cieplno-przepływową. 

Rys. 4a. Widok początku spirali

Rys. 4b. Widok końca spirali

Istotną zmienną jest również uzyskana różnica temperatur wlotowej i wylotowej czynnika roboczego. Na rysunku 6 zostało przedstawione porównanie uzyskanej różnicy temperatur dla każdego z badanych rozwiązań. 

Wstępnie jako najlepsze rozwiązanie został wybrany spiralny wymiennik ciepła o odstępie pomiędzy zwojami rzędu 150 mm. W celu upewnienia się, że konstrukcja ta będzie również opłacalna, należało porównać koszt wykonania każdego z wariantów oraz koszt eksploatacji pompy obiegowej wymiennika. W koszt wykonania instalacji wliczone zostały: koszt wykonania odwiertu, koszt materiału potrzebnego do wykonania wypełnienia odwiertu, koszt roztworu wodnego glikolu oraz zakup przewodów rurowych. Przy obliczeniach założono, że pompa obiegowa będzie pracowała 24 godziny na dobę, w celu zapobiegania rozwarstwianiu się płynu, co mogłoby powodować zamarzanie czynnika roboczego podczas przymrozków, a w skutek tego zmniejszenie efektywności wymiany ciepła (lub też uniemożliwienie pracy całego wymiennika). Obliczenia zostały wykonane dla 10-letniego okresu eksploatacji wymiennika. Na rysunku 7 przedstawiono porównanie poniesionych kosztów w odniesieniu do uzyskanej mocy i różnicy temperatur czynnika dla każdego z wariantów. 

Ostateczna analiza ekonomiczna stanowiła porównanie pierwotnie zaprojektowanego gruntowego wymiennika ciepła w kształcie U-rury z rozwiązaniem, które okazało się najbardziej optymalne. Porównane zostały sumaryczne koszty wynikające z wykonania instalacji oraz pracy pompy obiegowej wymiennika jak i sprężarkowej pompy ciepła. Otrzymane w tym zakresie wyniki zostały pokazane na rysunku 8. 

Rys. 5. Porównanie charakterystyki cieplno - przepływowej badanych rozwiązań

W artykule przedstawiono wstępny projekt gruntowego wymiennika ciepła, oraz na podstawie wyników otrzymanych dzięki zastosowaniu symulacji CFD zaproponowano rozwiązanie, które miało umożliwić zwiększenie efektywności przebiegu procesu wymiany ciepła. Rozwiązanie zostało zbadane w kilku wariantach, dzięki czemu możliwe było wybranie z nich najbardziej opłacalnego, zarówno pod względem technicznym jak i ekonomicznym. Wykonane analizy pokazują, jak bardzo opłacalna może okazać się optymalizacja nawet najprostszych rozwiązań inżynierskich. Zaproponowane rozwiązanie pozwoliło na wzrost mocy cieplnej sondy gruntowej o 13,17%, dzięki wzrostowi uzyskanej różnicy temperatury wlotowej i wylotowej czynnika roboczego o 13,92%. Na skutek komplikacji kształtu wymiennika nastąpił nieznaczny wzrost oporów przepływu, który spowodował wzrost kosztu pracy pompy obiegowej. W sumarycznym rozrachunku pozwoliło to na uzyskanie oszczędności finansowych w perspektywie 10-letniej na poziomie 44,12%, co przełożyło się na zysk równy 10930,48 zł. 

Rys. 6. Porównanie uzyskanej różnicy temperatu

Rys. 7. Porównanie jednostkowego kosztu każdego z wariantów w perspektywie 10-lat

Rys. 8. Porównanie sumarycznych kosztów w perspektywie 10-letniej

Literatura

[1] Andrzejczyk R., Muszyński T.: Alternatywne do R134a czynniki proponowane jako płyny robocze w klimatyzacji samochodowej i innych instalacjach chłodniczych o małej wydajności. Część 3. Zamienniki dla R134a w kontekście projektowania parowników instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych// Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna. -., nr. 10(212) (2013), s.439-441

[2] Muszyński T., Meller M.: Numeryczna analiza możliwości zwiększenia efektywności grzewczej pompy ciepła, poprzez modyfikację skraplacza// Chłodnictwo: organ Naczelnej Organizacji Technicznej. -., iss. 5 (2016), s.7-11

[3] Andrzejczyk R., Muszyński T., Jakubowska B.: Nowe czynniki chłodnicze i zmiany w instalacjach chłodniczych. Cz.1// Przemysł Spożywczy. - nr. 9 (2015), s.12-15

[4] Andrzejczyk R., Muszyński T., Jakubowska B.: Nowe czynniki chłodnicze i zmiany w instalacjach chłodniczych. Cz.2// Przemysł Spożywczy. - nr. 10 (2015), s.26-30