Chłodnictwo i pompy ciepła

Przedmowa
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.
Marian Rubik, Warszawa, październik 2019
O Autorze
Studia wyższe ukończył w 1962 r. na Politechnice Warszawskiej, uzyskując tytuł mgr. inż., przy czym tematem magisterskiej pracy dyplomowej była „Analiza
możliwości i projekt instalacji ogrzewania schroniska górskiego za pomocą pompy ciepła systemu W/W”.
Stopień naukowy doktora nauk technicznych uzyskał w 1973 r. na PW po obronie rozprawy pt. „Wymiana ciepła i masy w zmiennym polu ciśnienia”. Od 1961 r. zatrudniony w Zakładzie Urządzeń Kotłowych i Gospodarki Cieplnej, a od 1970 r. w Instytucie Ogrzewnictwa i Wentylacji PW jako asystent, starszy asystent i adiunkt. Dr inż. Marian Rubik prowadził zajęcia na studiach stacjonarnych i niestacjonarnych oraz studiach podyplomowych wydziałowych i międzywydziałowych: „Klimatyzacja i sterowanie w obiektach telekomunikacyjnych”, „Ciepłownictwo i ogrzewnictwo”, „Wentylacja i klimatyzacja”, „Klimatyzacja i chłodnictwo”, „Ciepłownictwo i ogrzewnictwo z auditingiem energetycznym”, „Inżynieria gazownictwa”, „Mechaniczne konstrukcje w telekomunikacji”; był również wykładowcą na kursach i szkoleniach organizowanych przez COB-PBP BISTYP, COB-PBO, COBRTI INSTAL, NAPE, Ośrodek Rzeczoznawstwa i Postępu Organizacyjno-Technicznego SIMP, Fundację Rozwoju Ciepłownictwa „Unia Ciepłownictwa” i inne instytucje. W latach 1981–1996 wicedyrektor IOW ds. dydaktyki, a w latach 1996–2005, do momentu przejścia na emeryturę, dyrektor instytutu. Promotor ok. 350 prac dyplomowych inżynierskich i magisterskich, autor ok. 20 książek i skryptów wyróżnionych nagrodami I, II i III stopnia Ministrów: Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Budownictwa i Przemysłu Materiałów Budowlanych. Autor ok. 210 artykułów i referatów oraz redaktor naukowy ok. 40 książek i podręczników z dziedziny ciepłownictwa, ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji.
W okresie 1992–2000 był delegatem Polski do L'Institut International du Froid (członek komisji E1/IIF).
W latach 1993–1998 przewodniczący Normalizacyjnej Komisji Problemowej nr 174 ds. Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji PKN, w latach 1998– 2014 Komitetu Technicznego nr 279 ds. Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji PKN, a od 2014 Komitetu Technicznego nr 316 ds. Ciepłownictwa i Ogrzewnictwa (nadal). Od r. 1995 recenzent w Centrum Innowacji FST NOT w Warszawie (liczba recenzji – ok. 50). Od kwietnia 2011 r. przewodniczący Rady Naukowo-Programowej w Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła.
Głównym obszarem działalności zawodowej i naukowej Autora jest technika chłodnicza w klimatyzacji, zastosowanie pomp ciepła w technice instalacyjnej, trójgeneracja, wykorzystanie systemów ciepłowniczych w okresie letnim do zasilania urządzeń chłodniczych instalacji klimatyzacyjnych, niezawodność urządzeń chłodniczych, racjonalizacja wykorzystania ciepła, chłodu i energii elektrycznej, intensyfikacja procesów wymiany ciepła i masy w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej, niekonwencjonalne źródła ciepła i energii. Ważniejsze publikacje: Technika chłodnicza w klimatyzacji (współautor), Chłodnictwo (PWN, 1985), Central supply of big urban agglomerations with heating and cooling energy – Kongres Clima-2000, Milano, 3–5 marzo 1975, Pompy ciepła. Poradnik Warszawa 1996, Warszawa 1999, Warszawa 2006), Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej (Multico, Warszawa 2011), Energetyczne i ekologiczne korzyści wykorzystania ciepła sieciowego do produkcji chłodu, Intensyfikacja procesów wymiany ciepła i masy w aparaturze ogrzewczo-wentylacyjnej i inne.
Ważniejsze prace i opinie związane z zastosowaniem pomp ciepła i odnawialnych źródeł energii: CPBR 6.4. Oszczędne technologie budowlane. Zadanie 5.4.: Zastosowanie pomp ciepła do ogrzewania budynków. ITB Warszawa; PR-5. Zastosowanie pomp ciepła w systemach ciepłowniczych. Energoprojekt Warszawa; Analiza podsumowująca krajowe prace, doświadczenia i osiągnięcia w dziedzinie wykorzystania pomp ciepła dla celów ogrzewania i wytwarzania c.w.u. – Ministerstwo Gospodarki Przestrzennej; Projekt Badawczy STEP Termomodernizacja budynków użyteczności publicznej zgodna z zasadami zrównoważonego rozwoju; Świątynia Bożej Opatrzności w Warszawie, Europejskie Centrum Solidarności w Gdańsku, Europejskie Centrum Zdrowia w Otwocku, Muzeum Romantyzmu w Opinogórze, Opinia na temat technologicznej i technicznej innowacyjności koncepcji projektu nr 2304155 Powierzchniowej Stacji Klimatyzacyjnej i Stacji Agregatów Prądotwórczych pracujących w układzie trigeneracji na terenie szybu R-XI w Grodowcu gmina Grębocice (KGHM Polska Miedź S.A. O/ZG „Rudna), ekspert w projekcie nr WNDPOIG.01.04.00-14-250/11-HPSG Heat Pump SMART GRID – innowacyjny system grzewczo‐klimatyzacyjny; ekspert w projekcie POIG.01.03.01-00-071/12 Opracowanie i konstrukcja regulatora pompy ciepła typu powietrze‐woda; ekspert w projekcie GEKON nr NCBiR: GEKON1/O2/213728/39/2015 nr proj. PW513/00433/1110/70.020001; tytuł projektu: Opracowanie technologii wytwarzania kompaktowych ogrzewaczy ciepłej wody użytkowej z pompą ciepła.