Delovni cikel toplotne črpalke
Cikel delovanja toplotne črpalke
Toplotna črpalka pretvori energijo iz nižjega temperaturnega nivoja v energijo višjega toplotnega nivoja. Pretvorba je možna zaradi krožnega hladilnega procesa. Hladilna tekočina izpareva pri zelo nizki temperaturi in porabi večji del energije iz okolja (zrak, voda, zemlja), ko prehaja iz tekočega v plinsko stanje.
Kompresor stisne hladilni plin in ga s tem dvigne na višji temperaturni nivo. Vroči plin se nato utekočini in se pretvori v tekoče stanje, pri čemer odda svojo toploto ogrevalnemu sistemu. Tekočina se spet razširi, ko potuje skozi ekspanzijski ventil, tako da se krožni proces lahko nadaljuje. Toplotne črpalke odvzemajo shranjeno solarno toploto iz okolja – zemlje, vode, zraka – in jo posredujejo poleg delovne moči v obliki toplote v ogrevalni ali toplovodni sistem.
Grelno število, koeficient učinkovitosti (COP)
COP = količina koristne energije / dovedena moč = (energija iz okolja dovedena moč) / delovna moč
Koeficient učinkovitosti, t. i. COP (Coefficient of Performance) nam pokaže razmerje med količino dobavljene koristne energije (toplote) in dovedeno močjo, ki je potrebna.
Če je koeficient učinkovitosti na primer 4, bomo z vložkom 1kWh pridobili 4kWh toplotne energije.
»Carnotov« cikel
Cikel delovanja toplotne črpalke bolj ali manj sledi (idealnemu) Carnotovemu ciklu izgorevanja motorja v obrnjenem zaporedju. Zaradi tega lahko izračunamo COP tako, da izračunamo razliko med temperaturo vira (uparjalnikom) in razliko temperature (kondenzorjem):
ec = T / (T - Tu) = T / DT
ec = koeficient učinkovitosti v idealnem Carnotovem ciklu
Tu = temperatura okolja, iz katerega je vzeta toplota (hladna stran)
T = temperatura padca toplote, kamor je transformirana (topla stran)
DT = temperaturna razlika med toplo in hladno stranjo
Predstavitev vrednosti spremenljivk T (temperatura) in S (entropija), ki potekajo v Carnotovem ciklu, je naslednja:
Fig.: T-S Diagram.
Graf sestoji iz dveh adiabet (S = konst.) in dveh izoterm (T = konst.)
Energija, vzeta iz okolja: Površina a
Delovna moč kompresorja: Površina b
Vsa dovedena energija: Površina a b
S = entropija
4 - 1: uparjanje 1 - 2: kompresija
2 - 3: kondenzacija 3 - 4: ekspanzija
Primer:
Tu = 0°C = 273 K, T = 50°C = 323 K
ec = T / (T - Tu) = 323 / 323-273 = 6,46
Idealni proces v realnosti ni mogoč, zato bo COP dejansko nižji. Zaradi termičnih, mehanskih in električnih izgub, pa tudi delovne moči, ki jo zahteva pomožna črpalka, bo doseženi COP ali E nižji kot Ec.
Pri grobi oceni lahko za vrednost E upoštevamo 0,5 x Ec
Dvig temperature določi COP
V vseh primerih je COP odvisen od temperaturne razlike med virom in porabniki toplote– nižji kot je zahtevani temperaturni dvig, bolj ekonomično bo toplotna črpalka delovala. Zato je zelo pomembno, da je skrbno načrtovan vsak element instalacije.
Delovna oz. hladilna tekočina
Tekočine so primerne kot delovna ali hladilna tekočina, če imajo visoko specifično gostoto in nizko temperaturo uparjanja. V novem tisočletju so dovoljene le še tiste tekočine, ki ne vsebujejo klora. Tekočini, ki jih uporabljamo pri OCHSNERJU, sta R 134 a, R 407 C, ki sta tudi ozonu prijazni, njun ODP ali Ozone-Depletion-Potential je namreč nič. Poleg tega sta uporabljeni tekočini tudi nevnetljivi in biološko razgradljivi, zato lahko naše toplotne črpalke vgradite kamor koli brez kakršnih koli omejitev. V nasprotju z našimi toplotnimi črpalkami mnoge druge še vedno uporabljajo vnetljive medije, zaradi česar ima vgradnja slednjih veliko omejitev zaradi varnostnih prepovedi.