Chłodnictwo i pompy ciepła
Autor: Marian Rubik
Chłodnictwo jest dziedziną techniki charakteryzującą się bardzo szybkim rozwojem. Najważniejszymi i najczęstszymi obszarami zastosowania techniki chłodniczej są obecnie: klimatyzacja, transport oraz przechowywanie łatwo psujących się produktów spożywczych. Chłodzenie odpowiada za 8% emisji gazów cieplarnianych i przewiduje się, że do 2050 r. udział ten wzrośnie do 15%, jeśli nie zostaną wprowadzone na rynek oszczędniejsze technologie.
Urządzenia chłodnicze zużywają obecnie 20% całej energii elektrycznej wytwarzanej na świecie. Przewiduje się, że jeżeli utrzymają się tendencje rozwojowe „business as usual”, to zapotrzebowanie na chłodzenie w sektorze mieszkaniowym UE w roku 2050 będzie czterokrotnie wyższe niż w roku 2015, a do roku 2030 podwoi się liczba klimatyzatorów i lodówek. Ponadto do 2050 roku ok. 80% Europejczyków będzie mieszkać w budynkach zlokalizowanych na obszarach miejskich, przy czym budynki mieszkalne i użyteczności publicznej będą wyposażone w systemy klimatyzacji (źródło: Danfoss).
System klimatyzacji, połączony z układem chłodzenia, staje się również w Polsce koniecznym elementem technicznego wyposażenia budynków. Jest to spowodowane różnymi przyczynami, między innymi poprawą izolacyjności i szczelności budynków, co w połączeniu z ich zwiększonym nasyceniem sprzętem elektrycznym i elektronicznym sprawia, że konieczne jest odprowadzanie nadmiaru ciepła z pomieszczeń, a zatem ich chłodzenie. Problem ten znalazł odbicie w dyrektywie europejskiej 2002/91/WE – w punkcie 18 przedmowy stwierdzono, że ostatnie lata pokazały wzrost ilości systemów klimatyzacji w krajach południowej Europy. Stwarza to istotne problemy w okresach szczytowego obciążenia energetycznego, zwiększając koszty elektryczności i psując bilans energetyczny w tych krajach. Powinno się dać priorytet strategiom poprawiającym charakterystyki energetyczne budynków w okresie lata. W tym celu powinien nastąpić dalszy rozwój pasywnych technologii chłodzenia, a przede wszystkim tych poprawiających warunki klimatyczne wnętrz oraz mikroklimat wokół budynków.
Rosnące obciążenie cieplne pomieszczeń, a więc konieczność ich chłodzenia, stanowi obecnie jeden z poważniejszych problemów energetycznych, gdyż energią napędową urządzeń chłodniczych stosowanych powszechnie w klimatyzacji jest energia elektryczna.
Urządzenia chłodnicze zasilające instalacje klimatyzacyjne eksploatowane są stosunkowo krótko w ciągu roku i żeby zwiększyć ich efektywność energetyczną, celowe jest ich wykorzystanie poza sezonem chłodzenia, np. jako pompy ciepła wytwarzające ciepło do ogrzewania pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody. Na podstawie analizy tendencji rozwoju źródeł ciepła na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody można stwierdzić, że w bieżącym stuleciu nastąpi ogromny przyrost instalacji z pompami ciepła. Wynika to z eksploatacyjnych właściwości tych urządzeń oraz konieczności ograniczenia stosowania konwencjonalnych źródeł ciepła wykorzystujących paliwa kopalne (nieodnawialne). Pompy ciepła to urządzenia grzewcze nowej generacji, które dzięki wykorzystaniu odnawialnych zasobów ciepła osiągają najwyższe sprawności energetyczne i zaliczane są do klas energetycznych A++, a nawet A+++, przy czym w ostatnich trzech dekadach efektywność pomp ciepła wzrosła prawie dwukrotnie.
Analizując trendy występujące w instalacjach budowlanych i systemach energetycznych krajów europejskich oraz cele polityki klimatyczno-energetycznej Unii Europejskiej, można założyć, że w najbliższych dziesięcioleciach w naszym kraju nastąpią istotne zmiany w dziedzinie instalacji budowlanych oraz dotychczasowego systemu energetycznego. Dotyczy to również sektora produkcji ciepła i chłodu ze względu na konieczność dekarbonizacji procesów ich wytwarzania. Według badań Instytutu Ekonomii Środowiska ok. 70% budynków jednorodzinnych w Polsce wykorzystuje do ogrzewania kotły grzewcze na paliwa stałe. Na tej podstawie można stwierdzić, że jest to ok. 3,5 mln kotłów opalanych w większości węglem kamiennym i/lub drewnem. Z jednej strony problem stanowią przestarzałe urządzenia niespełniające żadnych standardów emisyjnych, a z drugiej strony niska jakość paliwa spalanego w tych urządzeniach. Brak jakichkolwiek urządzeń do oczyszczania spalin i przestarzała technologia spalania sprawiają, że do atmosfery emitowane są ogromne ilości dwutlenku węgla, substancji toksycznych (a w nich kancerogennego benzo(a)pirenu) oraz pyłów zawieszonych (PM2,5 i PM10). Uciążliwości tej tzw. niskiej emisji mogą być znacznie ograniczone dzięki stosowaniu pomp ciepła. Ponadto pompy ciepła, które większość ciepła pobierają z odnawialnych zasobów otoczenia, będą odgrywać kluczową rolę w budynkach o niemal zerowym zużyciu energii – zgodnie z wymogami dyrektywy EPBD (2010/31/UE) już od początku 2019 roku nowe budynki zajmowane przez władze publiczne i należące do nich powinny być obiektami o niemal zerowym zużyciu energii. Od roku 2021 wymagania te mają dotyczyć wszystkich nowych budynków. Istotne znaczenie będą miały pompy ciepła w technologiach smart grid (systemy inteligentnego sterowania siecią energetyczną) oraz smart home (inteligentne domy). Dzięki zastosowaniu rozwiązań smart grid można będzie zwiększyć efektywność sieci energetycznych oraz niezawodność i bezpieczeństwo poszczególnych ogniw łańcucha dostaw energii, a także zracjonalizować użytkowanie energii, ciepła i chłodu.
W ostatnich latach duże zmiany nastąpiły w zakresie stosowanych czynników chłodniczych oraz napędów maszyn roboczych stanowiących elementy instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych, co wywołało z kolei zmiany rozwiązań całych instalacji. Równocześnie obserwuje się wzrost znaczenia sorpcyjnych urządzeń chłodniczych, które umożliwiają wykorzystanie do ich napędu niskotemperaturowego ciepła z odnawialnych źródeł oraz ciepła odpadowego (trójgeneracja, a właściwie kogeneracja podwojona).
Wszystkie te zagadnienia opisano w książce. Podano w niej podstawy teoretyczne techniki chłodniczej w zakresie niezbędnym do poznania i zrozumienia procesów zachodzących w urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła oraz ich wpływu na efektywność energetyczną, niezawodność i bezpieczeństwo eksploatacji, a także na środowisko, gdyż obecnie często to aspekty ekologiczne decydują o wyborze rozwiązania instalacji. Jednak sama wiedza teoretyczna, która powinna być przyswajana w okresie nauki, nie wystarcza do tego, aby być dobrym i kreatywnym inżynierem – wiedzę tę trzeba uzupełnić odpowiednią praktyką.
Pisząc tę książkę, starałem się pamiętać o dwóch celnych stwierdzeniach: „Nie ma nic bardziej praktycznego niż dobra teoria” Ludwiga Bolzmanna oraz „Wiedza jest skarbem, a praktyka jest kluczem do niego” Feliksa Feldheima. Teoria i praktyka są naturalnymi sprzymierzeńcami i uzupełniając się, przynoszą sobie nawzajem korzyści, gdyż nauka wynika z praktyki, a dobra praktyka z teorii. Aby ułatwić i przyspieszyć przyszłym inżynierom nabycie umiejętności praktycznych oraz wykazać ścisły związek między teorią i praktyką, w książce przytoczono, w miarę możliwości „wzięte z życia”, przykłady, które stanowią ilustrację często błahych i prozaicznych błędów popełnianych w praktyce. Jednak liczba tych przykładów jest niewielka z powodu ograniczeń w odniesieniu do objętości książki.
Rozwój nauk informacyjnych sprawił, że współczesny inżynier ma do dyspozycji wiele programów komputerowych, które ułatwiają i przyspieszają proces projektowania. Jednak należy pamiętać o tym, że są to tylko narzędzia ułatwiające pracę, a wszelkie kluczowe decyzje dotyczące wyboru optymalnych i innowacyjnych rozwiązań podejmuje człowiek. W aspekcie tych decyzji bardzo ważną rolę odgrywa znajomość historii rozwoju techniki chłodniczej, która ułatwia ocenę meandrów postępu technicznego, jak np. w przypadku czynników chłodniczych.
Mam nadzieję, że treść książki, która według wstępnych założeń miała być podręcznikiem, ułatwi Czytelnikowi poznanie nie tylko zasad działania i eksploatacji urządzeń chłodniczych i pomp ciepła, ale, spełniając zadania zawarte w nazwie „podręcznik”, który powinien być zawsze dostępny („pod ręką”), umożliwi znalezienie odpowiedzi na wiele problemów, które mogą się pojawić w praktyce.
Uprzejmie proszę o wszelkie uwagi i sugestie dotyczące książki. Proszę również o to, aby autor książki pozostał w pamięci Czytelników jako człowiek ciepły; wprawdzie z tytułu książki wieje chłodem, lecz w drugiej części jej tytułu znajduje się wyraz ciepło, którego źródłem są nie tylko pompy ciepła, ale przede wszystkim ludzka pamięć i życzliwość.
Kończąc przedmowę, pragnę podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do wydania książki, a szczególnie kolegom z Zakładu Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Wydziału Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej: dr. Piotrowi Ziętkowi i dr. Michałowi Sobierajowi oraz p. Pawłowi Lachmanowi, twórcy i prezesowi Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła, za zgodę na wykorzystanie materiałów PORT PC. Dziękuję również p. Bogusławie Wiewiórowskiej-Paradowskiej, p. Waldemarowi Jońcowi, p. Agnieszce Orysiak oraz p. Michałowi Grodzkiemu i pracownikom Grupy MEDIUM Sp. z o.o. Sp.k. za trud włożony w przygotowanie i wydanie książki.