Optymalizacja konstrukcji pomp ciepła

Naukowcy z amerykańskiego Instytutu Standardów i Technologii pracują nad udoskonaleniem konstrukcji powietrznych pomp ciepła. Mają nadzieję, że w ten sposób przyczynią się do szerszego stosowania tego typu urządzeń zarówno w budownictwie mieszkalnym jak i przemyśle.

Pompy ciepła korzystające z energii cieplnej zwartej w otaczającym nas powietrzu są urządzeniami z grupy tzw. urządzeń energii odnawialnej. Pobór ciepła przez pompę następuje z powietrza, z zewnątrz budynku. Pozyskana energia wykorzystana jest do ogrzania wody użytkowej lub samego budynku.

Pompa ciepła działa na analogicznej zasadzie jak klasyczne sprężarkowe urządzenia chłodnicze, czyli lodówka. W inny sposób zagospodarowuje się uzyskiwane ciepło. W pompie ciepła parownik służy do pozyskiwania, przy niskiej temperaturze, ciepła z otoczenia. W skraplaczu to samo ciepło oddawane jest, przy wyższej temperaturze, do ogrzewanego medium. Przepływ ciepła od niższej do wyższej temperatury realizowany jest w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy, będący nośnikiem energii cieplnej.

Pompy powietrzne dostarczają do budynku średnio od 1 do 1,5 razy więcej energii w postaci ciepła w porównaniu do pobieranej energii elektrycznej. Jest to możliwe ponieważ pompy cieplne przenoszą ciepło a nie wytwarzają go z paliwa jak np. kotły grzewcze. Energia włożona, czyli energia elektryczna potrzebna do napędzania sprężarki pracującej w pompie jest mniejsza niż dostarczona energia cieplna. Część energii jest więc całkowicie darmowa i pochodzi z otaczającego nas środowiska.

Naukowcy z amerykańskiego Instytutu Standardów i Technologii (National Institute for Standards and Technology - NIST) pracują aktualnie nad udoskonaleniem pomp powietrznych a przyszłości chcą udostępnić odpowiednie narzędzia komputerowe dla projektantów służące do wspomagania i optymalizacji projektowania wymienników ciepła stosowanych w tego typu konstrukcjach.

Sprawność wymienników ciepła może spadać na skutek nierównomiernego rozkładu strumienia powietrza w ich wnętrzu. Aby uniknąć tego zjawiska ważne jest odpowiednie zaprojektowanie wymienników, np. w taki sposób, aby zwiększyć przepływ nośnika ciepła w strefach, w których występuje zwiększony przepływ powietrza. Jednak aby to osiągnąć należy ustalić rzeczywisty ruch powietrza.

Naukowcy z NIST wykonali aparaturę testującą do badania przepływów używając kamery o wysokiej rozdzielczości. Kamera umożliwia śledzenie przepływu strumienia powietrza w kanale pomiędzy wymiennikami ciepła za pomocą laserowej wiązki padającej na cząsteczki kurzu. Dane uzyskane z laboratoryjnego eksperymentu są porównywane z komputerową symulacją przepływów, opartą na rachunku dynamiki płynów (CFD).

Uzyskanie dokładnych modeli pozwoli inżynierom zaprojektować zmiany w wymiennikach ciepła i przystosować je do rzeczywistego rozkładu strumienia powietrza. Program badawczy, zakłada zwiększenie sprawności wymienników o około 5%. W przypadku powietrznych pomp ciepła ta modyfikacja umożliwi producentom zmniejszenie rozmiarów urządzeń a tym samym pozwoli na ograniczenie zużycia materiałów i ilości czynnika chłodzącego.

Wyniki badań będą wdrażane w życie w 2009 roku.

(am)