Kabina lakiernicza z powietrzną pompą ciepła

Krótkie wprowadzenia na temat pomp ciepła.

Co to jest pompa ciepła? Spora część czytelników z pewnością zna już to pojęcie, ale dla pewności pozwolę sobie na krótkie wprowadzenie. W bardzo mocnym uproszczeniu można odnieść się do znanego każdemu z nas sprzętu AGD – lodówki. Urządzenie chłodnicze w lodówce jest pewną odmianą pompy ciepła. Jego zadaniem jest schładzanie powietrza i produktów składowanych w lodówce, to jest transfer ciepła na zewnątrz. Kolejnym, większym rozwiązaniem jest klimatyzacja, która również ma podobne zadanie, lecz już z możliwością odwróconego obiegu to znaczy może schładzać lub ogrzewać powietrze w pomieszczeniu. Pompa ciepła ma dwa wymienniki ciepła: parownik i skraplacz. Nośnikiem ciepła jest czynnik chłodniczy, który jest sprężany dzięki czemu podnosi swoją temperaturę i przekazywany jest do skraplacza, gdzie oddaje ciepło do otoczenia. Następnie ciśnienie czynnika jest znacznie obniżane poprzez zawór rozprężny, co skutkuje spadkiem jego temperatury. Rozprężany czynnik chłodniczy jest kierowany do parownika, gdzie odbiera ciepło od schładzanego powietrza.

Głównym parametrem pompy ciepła jest współczynnik wydajności COP (ang. Coefficient Of Performance), nazywany również współczynnikiem efektywności energetycznej. Opisuje on stosunek oddanej przez pompę ciepła użytecznej mocy cieplnej P_C do dostarczonej mocy elektrycznej P_el

W uproszczeniu można powiedzieć, że przedstawia on liczbę kilowatów przenoszonej mocy cieplnej przy użyciu jednego kilowata mocy elektrycznej. Na przykład dla COP równego 3, używając jednego kilowata mocy elektrycznej zostanie przeniesiona moc cieplna równa 3 kW.

Wskaźnik efektywności COP zależy od różnicy temperatur pomiędzy dolnym (na parowniku) a górnym (na skraplaczu) źródłem ciepła. Dla pomp ciepła różnych producentów wartości wskaźnika efektywności energetycznej COP są niejednolite. Zależy to od stosowanych czynników chłodniczych, elementów konstrukcyjnych, wymienników ciepła, itp. W literaturze można wyszukać uśrednioną zależność efektywności energetycznej powietrznych pomp ciepła, opracowaną na podstawie kart katalogowych:

Rys. 1. Uśrednione wartości COP dla rzeczywistych pomp ciepła

Wartości COP podawane przez producentów dotyczą różnicy temperatury DT dla mediów na parowniku i skraplaczu. Najwyższe wskaźniki COP pomp ciepła uzyskiwane są przy bezpośrednim stosowaniu czynnika chłodniczego w wymiennikach ciepła. Jednak ze względu na destrukcyjny wpływ czynników chłodniczych na atmosferę przy dużych instalacjach dla bezpieczeństwa stosowane są pośrednie nośniki ciepła. Nośniki pośrednie oddające ciepło w parowniku i odbierające ciepło w skraplaczu znajdują się w oddzielnych, niezależnych obiegach.  Jeżeli w przekazywaniu ciepła biorą udział również inne pośrednie nośniki ciepła, do obliczenia wskaźnika efektywności energetycznej uwzględnia się zmiany temperatury na pośredniczących wymiennikach ciepła.

Zastosowanie pompy ciepła w kabinie lakierniczej

Pompa ciepła w kabinie lakierniczej daje możliwość nie tylko ogrzewania powietrza, ale również ochładzania powietrza w gorących okresach letnich oraz jego osuszania, szczególnie podczas pracy kabiny w trybie suszenia. Pozyskiwane ciepło może być akumulowane.

Istnieją indywidualne rozwiązania instalacji pomp ciepła dla kabin lakierniczych wykorzystywane do odzyskiwania ciepła lub osuszania powietrza. Rozwiązania te jednak nie wiążą w sobie obydwu tych funkcji. Nie przewidują one akumulacji ciepła, wykorzystywania ciepła z innych, alternatywnych źródeł ciepła a także przekazywania ciepła do innych odbiorów. Opracowano koncepcyjne rozwiązanie kabiny lakierniczej z pompą ciepła. Tryby pracy modułu wymiany ciepła, umożliwiają odzyskiwanie, akumulację, wykorzystanie ciepła do innych celów oraz pozyskiwanie ciepła z alternatywnego źródła. Akumulowane ciepło może być przeznaczone do późniejszego wykorzystania w pracy kabiny lakierniczej np. w trakcie wygrzewania.

Rys. 2. Schemat blokowy instalacji pompy ciepła w kabinie lakierniczej

Przedstawione rozwiązanie daje następujące możliwości:

• odzyskiwanie ciepła odpadowego z usuwanego powietrza,
• ogrzewanie świeżego powietrza,
• akumulacja ciepła,
• schładzanie świeżego powietrza w okresie letnim,
• osuszanie powietrza w recyrkulacji podczas trybu suszenia,
• wykorzystanie i akumulacja ciepła z innych źródeł,
• wykorzystanie ciepła odzyskanego z kabiny do innych celów np. ogrzewanie pomieszczeń lub ciepłej wody użytkowej,
• ogrzewanie świeżego powietrza ciepłem z akumulatora bez użycia pompy ciepła przy jednoczesnym odzyskiwania ciepła odpadowego z powietrza usuwanego z kabiny lakierniczej.

Zestawienie powyższych funkcjonalności umożliwia racjonalną i skojarzoną gospodarkę ciepłem odpadowym nie tylko w kabinie lakierniczej, lecz w całej lakierni. Ma to istotny wpływ na obniżenie zużycia energii w lakierni. Ponieważ konstrukcja instalacji nie ingeruje znacząco w konstrukcję kabiny lakierniczej, rozwiązanie ma zastosowanie w nowych oraz używanych kabinach lakierniczych, również wyposażonych w rekuperatory.

Kabina lakiernicza z rekuperatorem i pompą ciepła

Stosując rekuperator odzyskuje się znaczną część ciepła odpadowego z ogrzanego powietrza usuwanego z wnętrza kabiny. Usuwanego do atmosfery powietrza za rekuperatorem pomimo odzyskanego ciepła nadal utrzymuje dodatnią temperaturę, nawet dla ujemnych temperatur powietrza zewnętrznego. Przy dodatniej temperaturze powietrza, pompa ciepła uzyskuje duże wartości wskaźnika efektywności energetycznej COP.  Przyjęto więc powietrzną pompę ciepła jako możliwy kolejny stopień odzyskiwania ciepła odpadowego z powietrza za rekuperatorem w kabinie lakierniczej.

Na rysunku 3 przestawiono kabinę lakierniczą wyposażoną w rekuperator oraz pompę ciepła. Rysunek przedstawia obieg powietrza w trybie lakierowania. W celu odzyskiwania ciepła z usuwanego powietrza za rekuperatorem, w kanale wyrzutni umieszczono wymiennik ciepła 2c. Wymiennik 2b znajduje się za filtrem wywiewnym w podłodze, jego zadaniem jest ochładzanie i osuszanie powietrza w trybie suszenia.

Rys. 3. Kabina lakiernicza z rekuperatorem oraz pompą ciepła

Wykaz oznaczeń na rysunku 3: 2a – wymiennik ciepła w kanale nawiewnym, 2b – wymiennik ciepła w kanale wywiewnym, 2c –wymiennik ciepła w kanale wywiewnym za rekuperatorem, 3 – kanał nawiewny, 4 – kanał wywiewny, 5 – akumulator ciepła6a – dolny wymiennik ciepła, 6b – górny wymiennik ciepła, 6c – wymiennik ciepła w akumulatorze ciepła dla alternatywnych źródeł ciepła, 8 – alternatywne źródło ciepła, 9 – wymiennik ciepła przekazujący ciepło do innego wykorzystania, 10 – rekuperator, 11 – filtr nawiewny, 12 – filtr wywiewny, 13 – Filtr wstępny, 14 – wentylator nawiewny, 15 – wentylator wywiewny, 16 – przestrzeń robocza kabiny, 20 – przestrzeń nad filtrem sufitowym (plenum), 21 – palnik z wymiennikiem ciepła, 22a – przepustnica w kanale nawiewnym, 22b – przepustnica recyrkulacji, 23 – moduł urządzenia wymiany ciepła.

W przedstawionym ma rysunku module urządzenia do wymiany ciepła 24, zawarto pompę ciepła wraz z jej armaturą. W trybie lakierowania wymiennik ciepła 2c umieszczony w kanale wywiewnym za rekuperatorem 10 odbiera ciepło odpadowe od usuwanego powietrza. Ciepło jest przekazywane do wymiennika 2a, umieszczonego w plenum kabiny, który ogrzewa nawiewane powietrze. W przypadku nadmiarów ciepła pozyskanego z wyrzucanego powietrza za rekuperatorem może być ono kierowane do akumulatora ciepła 5. W okresie letnim, gdy powietrze na zewnątrz budynku uzyskuje wysokie wartości temperatury, wymiennik ciepła 2a może schładzać powietrze i przekazywać ciepło do akumulatora. Akumulator ciepła opcjonalnie połączony jest z alternatywnym źródłem ciepła np. solarem. Buforowane ciepło przewidziane jest przede wszystkim do wykorzystania w trybie suszenia, a jego nadmiary mogą być przekazywane poprzez wymiennik ciepła 9 do innego wykorzystania np. ogrzewania ciepłej wody użytkowej lub ogrzewania pomieszczeń.

Podczas trybu suszenia powietrze jest w recyrkulacji. W tym czasie moduł wymiany ciepła pobiera ciepło z akumulatora i przekazuje je do wymiennika ciepła 2a, który ogrzewa powietrze do zadanej temperatury. Wymiennik ciepła 2b umożliwia osuszanie powietrza poprzez jego schładzanie.

Dla opisywanego rozwiązania kabiny z rekuperatorem i pompą ciepła przeprowadziłem wiele badań symulacyjnych. Uzyskane wyniki wskazują, iż zastosowanie rekuperatora i pompy ciepła o maksymalnej mocy cieplnej 120kW nie wymaga stosowania dodatkowych źródeł ciepła do ogrzewania powietrza o temperaturze początkowej powyżej -15^OC. Moc

pobierana z sieci energetycznej jest kilkukrotnie mniejsza od mocy cieplnej zużywanej do ogrzewania powietrza. Należy jednak mieć na uwadze, że badania na modelach numerycznych stanowią wstępną fazę walidacji technologii. Dopiero prace eksperymentalne na rzeczywistym obiekcie przynoszą rzeczywiste wyniki.

Celem artykułu było przedstawienie możliwości gospodarowania ciepłem w lakierni. Dokładniejszy opis możliwych konfiguracji kabiny lakierniczej z pompą ciepła został zawarty w dokumencie patentowym PL.231811. Poprawę efektywności energetycznej lakierni może również przynieść odzyskiwanie i akumulacja ciepła z procesu sprężania powietrza.

Piotr Nikończuk

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Wydział Techniki Morskiej i Transportu

Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego