#b21 #instalacje #ogrzewanie #seo
2
Co to jest ciepło ?
Ciepło jest to forma wewnętrznej energii substancji. Substancje zawierają energię cieplną, aż do temperatury zera absolutnego (0 K = -273,15°C).
Nawet powietrze o temperaturze -20°C zawiera ciepło, które mogą
efektywnie wykorzystywać pompy ciepła.
sprawność 2,5 to
2,5kw oddaje ciepla przy poborze prądu 1kw ciepło przechodzi od ciała od temp wyzszej do niższej
Przepływ ciepła
Jeśli istnieje możliwość oddania energii innej substancji, powstaje strumień ciepła (przepływ ciepła).
Strumień ten płynie zawsze w kierunku temperatury niższej (nigdy odwrotnie).
Przykład przepływu ciepła.
Naczynie wypełnione wrzącą wodą, w temperaturze otoczenia, stygnie tak długo aż osiągnie temperaturę otaczającego je powietrza.
4
--
Fizyka pomp ciepła
Pompy ciepła wykorzystują zjawisko przepływu ciepła, ale również zmianę stanu fizycznego substancji.
Przykład.
Jeżeli do gotującej się w naczyniu wody będziemy dalej dostarczać energię (ciepło), to cała woda wyparuje, a jej temperatura nie wzrośnie.
Ilość energii związana ze zmianą stanu fizycznego substancji, jest „tajemnicą”, dzięki której pompa ciepła pozyskuje z „zimnego” źródła energię o użytecznym poziomie termicznym (którą można wykorzystać).
--
zamiana wody w lód i lodu w wodę zachodzi prz stałej temperarurze
5
Skraplanie i parowanie
Są to dwa główne procesy zachodzące w pompie ciepła:
skraplanie – stopniowe przechodzenie gazu (mieszaniny gazów), w stan ciekły
parowanie – stopniowe przechodzenie cieczy (lub mieszaniny cieczy), w stan gazowy.
Aby podgrzać 1 litr (kilogram) wody do punktu wrzenia, potrzeba 116 Wh (1-2).
Kolejne 627 Wh są konieczne, aby całkowicie odparować wodę (2-3) - punkt nasycenia pary wodnej.
źródło ciepła to staw, ziemia, powietrze górne źródło to podłogówka lub kaloryfery
im nizsze cisnienie tym nizsza tem wrzenia (odparowania)
im wyższe cisnienie tym temperatura wrzenia wyzsza
mamy dwa rodaje zaworów rozprężnych: termostatyczny i elektroniczny
Sposób działania pompy ciepła (PC)
1 – w parowniku, czynnik chłodniczy odparowuje w niskich temperaturach - pochłania ciepło
2 – sprężanie (kompresja) podnosi temperaturę i ciśnienie pary czynnika chłodniczego
3 – w skraplaczu, dzięki kondensacji para czynnika chłodniczego oddaje ciepło
4 – zawór dławiący (rozprężny) - czynnik chłodniczy jest rozprężany, osiąga ciśnienie i temperaturę wyjściową
Parowanie i skraplanie odbywa się przy stałym ciśnieniu.
Rys. Zasada działania kompresyjnej PC
7
Obieg pracy pompy ciepła, można przedstawić na wykresie logarytmicznym, pokazującym zależność między ciśnieniem czynnika roboczego (chłodniczego), a jego entalpią.
Entalpia – określa zawartość energii w układzie termodynamicznym, oznaczana jako: H, I [kJ; Wh]; entalpia właściwa: h, i [kJ/kg, Wh/kg]. Entalpia, ze starogreckiego: „en” – „w” i „thalpein” – „rozgrzewać”.
8
Zasada działania pompy ciepła
Sposób działania pompy ciepła (PC), c.d.
Rys. Diagram logarytmiczny ciśnienie-entalpia dla R407C (pompa ciepła A/W)
9
Efektywność pompy ciepła
Współczynnik efektywności PC (wsp. wydajności) – COP
Jest to stosunek ilości uzyskanej energii użytecznej (np. ciepła do ogrzewania), do energii włożonej – napędowej (np. energia elektryczna do zasilania sprężarki).
COP (ang. coefficent of performance):
Rys. Przykład obliczania COP
Lub:
Q1 + Q2 = Q3
COP = Q3 / Q2
Rys. Przykładowy COP = 4 – ilość uzyskanej energii cieplnej jest 4 razy większa od zużytej energii elektrycznej; COP = 4 kW / 1 kW = 4
11
Zasada działania pompy ciepła
Efektywność pompy ciepła, c.d. Wysokość COP
Im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy temperaturą zasilania obiegu grzewczego i temperaturą wejściową źródła ciepła (∆T),
tym wyższy jest współczynnik wydajności COP (efektywności).
temperatura zasilania ogrzewania niższa o 1 K – COP wyższy o 2,5% temperatura źródła, np. solanki, wyższa o 1 K – COP wyższy o 2,7%
Rys. Zmiana różnicy temperatur a współczynnik efektywności pompy ciepła
12
Zasada działania pompy ciepła
Efektywność pompy ciepła, c.d.
Współczynnik efektywności chłodniczej – EER
EER (Energy Efficiency Ratio) – współczynnik, który określa efektywność pompy ciepła, przy pracy w trybie chłodzenia.
Jest to stosunek dostarczonej mocy chłodniczej, do pobranej mocy elektrycznej.
Jeśli EER wynosi 3 to znaczy, że wykorzystując 1 kWh energii elektrycznej dostarczamy do pomieszczenia 3 kWh chłodu (lub usuwamy 3 kWh ciepła).
13
Zasada działania pompy ciepła
Efektywność pompy ciepła, c.d.
COP znormalizowany
Współczynniki efektywności (wydajności) pomp ciepła, ustalane są w oparciu o normę DIN PN-EN 14511 i mierzone w ustalonych punktach pracy, w zależności od rodzaju pompy ciepła.
Punkty te określane są przez temperaturę wejściową źródła ciepła do PC – dolne źródło ciepła (powietrza: A, solanki: B, wody: W); i temperaturę zasilania instalacji grzewczej – górne źródło ciepła (na wyjściu z pompy ciepła); schłodzenie wody grzewczej: 5 K.
Punkty pracy (DIN EN 14511):
14
Zasada działania pompy ciepła
Efektywność instalacji z pompą ciepła
Sezonowy współczynnik efektywności: SPF, JAZ, SCOP
COP określa stosunek ciepła użytecznego dostarczonego przez pompę ciepła, do pobranej przy tym energii elektrycznej - w konkretnym punkcie pracy (temperatur), w danej chwili.
Może służyć do porównania pomp ciepła różnych
producentów – dla tych samych warunków pracy.
SPF, JAZ, SCOP - jest to stosunek dostarczonego ciepła użytecznego, do zużycia energii elektrycznej, ale wykorzystanej przez całą instalację ogrzewania (pompy, grzałki, siłowniki, itp.) - dla określonego przedziału czasu, np.: dla miesiąca, okresu grzewczego, całego roku, itp.
Jest pomocny przy określaniu efektywności instalacji ogrzewania budynku z pompą ciepła, tym samym, do oszacowania kosztów ogrzewania, np. w ciągu całego roku.
15
Źródła ciepła
Źródło ciepła dla PC
Rys. Efektywność PC w zależności od źródła ciepła i jego dostępność.
16
Źródła ciepła
Źródło ciepła dla PC – podział ogólny
Rys. Wybór dolnego źródła pompy ciepła (PC)
17
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW)
Grunt jest stabilnym źródłem energii cieplnej – np. na głębokości 2 m temperatura gruntu utrzymuje się przez cały rok na stosunkowo równomiernym poziomie: od ok. 7°C do ok. 13°C.
Pozyskiwanie ciepła z gruntu, realizowane jest najczęściej przez tzw. wymiennik gruntowy: rury ułożone
poziomo lub pionowo, którymi
przepływa „solanka” (mieszanina
wody i środka przeciw zamarzaniu).
Rys. Rozkład temperatury w gruncie.
18
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Rys. Rozkład temperatury w gruncie.
19
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Rys. Zmiana temperatury gruntu
20
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik gruntowy poziomy - kolektor gruntowy:
21
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik gruntowy pionowy – sondy gruntowe:
22
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy
Kolektory wykorzystują ciepło, które dostarczone zostało do gruntu
w wyniku promieniowania słonecznego, opadów deszczu lub z wodą pochodzącą z roztopów. Wykorzystują w miarę stabilną temperaturę gruntu w ciągu całego roku :
rury z tworzyw sztucznych, zakopane ok. 20 cm poniżej strefy przemarzania gruntu: od 1,2 do 1,6 m (większe głębokości są nieuzasadnione ekonomicznie)
pojedyncze pętle (kręgi): do100 m długości – dla uzyskania możliwie niewielkich spadków ciśnienia (>100 m – pompa o większej mocy)
poszcz. pętle wymiennika łączą się w kolektorze zasilającym i powrotnym
23
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy, c.d.
odstępy między rurami określa się tak, aby uniknąć całkowitego zamarznięcia gruntu; mamy wówczas pewność, że warstwy lodu, tworzące się wokół rur, nie połączą się ze sobą
Przykład:
- dla rury PE o średnicy DA 20 (DN 15) zalecany odstęp wynosi 30 cm –
długość przewodów rurowych wynosi wówczas 3 m na metr kwadratowy
powierzchni kolektora (3 m/m2)
- rura PE DA 25 (DN 20), zalecany odstęp: 50 cm, długość: 2 m/m2
Tab. Odstępy pomiędzy rurami w kolektorach gruntowych (poziomych)
24
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy, c.d.
im bardziej suche jest podłoże, tym mniejsza jest wydajność poboru ciepła kolektorów ziemnych – trzeba wykonać większy wymiennik
Teb. Wydajność poboru ciepła z kolektorów poziomych
25
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy, c.d.
Rys. Kolektor gruntowy - poziomy.
Rys. Strefy przemarzania gruntu w Polsce.
26
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy, c.d.
na skutek działania pompy ciepła, wokół przewodów rurowych wymiennika poziomego, może okresowo występować niewielkie oblodzenie ziemi – nie ma negatywnego wpływu na działanie instalacji, „ani na rosnące na powierzchni rośliny”
rośliny o głębokich korzeniach nie powinny być sadzone w pobliżu kolektorów ziemnych – bezpieczeństwo instalacji
powierzchnia nad kolektorem gruntowym nie powinna być zabudowana czy zabetonowana, żeby umożliwić regenerację gruntu w okresie wiosenno-letnim (magazynowanie ciepła w gruncie)
27
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik poziomy – kolektor gruntowy, c.d.
właściwości magazynujące i zdolność do przewodzenia ciepła są tym lepsze, im więcej wody i składników mineralnych jest w ziemi i im mniej porowaty jest grunt
wydajność poboru ciepła z gruntu (ziemi), wynosi od ok. 10 do 35 W/m2
Tab. Wydajność poboru ciepła z gruntu.
28
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik pionowy – sondy gruntowe
Rury wymiennika ułożone są pionowo w głąb ziemi. Wymiennik wykonywany jest za pomocą specjalnych maszyn wiertniczych:
najczęściej sondy gruntowe wykonuje się do głębokości ok. 100 m konieczny jest projekt geologiczny i uzyskanie zgody Urzędu Gminy głębsze odwierty – potrzebna jest zgoda Urzędu Górniczego
w wywiercony otwór wprowadza się sondę (rurę z tworzywa sztucznego), a przestrzeń miedzy rurą a ścianą otworu uzupełnia się substancją wypełniającą
29
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik pionowy – sondy gruntowe, c.d.
w zależności od rodzaju gruntu i rozmiaru sondy stosuje się różne typy wierteł
koszt wykonania wymiennika gruntowego (z sondą, podłączeniem i wypełnieniem), wynosi zwykle
od 60 do 120 zł za metr
30
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik pionowy – sondy gruntowe. c.d.
podstawą projektowania instalacji wymiennika pionowego, jest dokładna znajomość właściwości gruntu, kolejność warstw geologicznych, obecność wód gruntowych lub powierzchniowych – kierunek przepływu cieków wodnych
średnia wydajność ciepła z sondy gruntowej wynosi do 50 W/m długości sondy; jeśli sonda znajduje się w bogatej warstwie wodonośnej możliwe jest uzyskanie wyższej wydajności poboru ciepła
pobrany podczas odwiertu rdzeń pozwala określić spodziewaną wydajność poboru ciepła z gruntu i skorygować wielkość obliczeniową wymiennika pionowego; czasem wykonuje się odwierty próbne dla uzyskania dokładnych informacji potrzebnych do zaprojektowania instalacji
31
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik pionowy – sondy gruntowe. c.d.
podobnie jak w kolektorach poziomych, czynnikiem transportującym ciepło jest solanka
sondy gruntowe wykonuje się z rur w kształcie litery „U” – pojedyncza
lub podwójna „U-rura”; zasilanie i powrót łączy się w rozdzielaczu solanki
Zdj. Studnia rozdzielaczowa
32
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Wymiennik pionowy – sondy gruntowe. c.d.
Tab. Wydajność średnia poboru ciepła – podwójna „U-rura”.
33
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d. Rury wymiennika
Do wykonania sond i kolektorów gruntowych wykorzystuje się najczęściej przewody (rury) z tworzyw sztucznych (PE 100, HDPE - polietylen wysokiej gęstości, HDPE RC, PEXa).
PE 80 i 100 – klasa materiału, określana przez współczynnik minimalnej wymaganej wytrzymałości (wsp. MRS). Zastosowanie materiału o wyższym MRS pozwala na zmniejszenie grubości ścianki rury przy zachowaniu określonej wytrzymałości na ciśnienie.
Grubość ścianki rury decyduje o jej wytrzymałości na ciśnienie. Dla rur z tworzyw sztucznych używa się oznaczenia SDR (standard dimension ratio).
34
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Rury wymiennika, c.d.
Im wsp. SDR jest mniejszy, tym bardziej wytrzymała na ciśnienie jest rura.
35
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d. Rury wymiennika, c.d.
Wymienniki gruntowe mogą być również wykonane z rur PE-Xa (np. firma REHAU)
36
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Rury wymiennika, c.d.
Źródło: REHAU 37
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Inne rozwiązania wymienników gruntowych
38
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Inne rozwiązania wymienników gruntowych, c.d.
Źródło: REHAU
39
Źródła ciepła
Ciepło z gruntu – z ziemi (PC BW), c.d.
Inne rozwiązania wymienników gruntowych, c.d.
Źródło: REHAU
40
Źródła ciepła
Ciepło z wody (PC WW)
Nawet w czasie chłodnych zimowych dni, woda gruntowa utrzymuje stałą temperaturę, na poziomie: od 7 do 12°C.
Woda gruntowa pobierana jest ze studni zasilającej i transportowana do parownika pompy ciepła. Po odebraniu ciepła, schłodzona woda odprowadzana jest do studni zrzutowej.
Wykorzystanie wody gruntowej lub powierzchniowej, wymaga zezwolenia odpowiedniego urzędu, najczęściej do spraw gospodarki wodnej.
Jakość wody gruntowej może przekraczać wartości graniczne producenta urządzenia. Dlatego, często stosuje się pośrednie wymienniki ciepła (obieg pośredni), np. płytowe skręcane lub lutowane.
Obieg pośredni – napełniony solanką,
niższe COP, ale pełna ochrona
parownika pompy ciepła. Rys. PC woda/woda (WW), z obiegiem pośrednim
41
Źródła ciepła
Ciepło z wody (PC WW), c.d.
Podstawą wyboru wody gruntowej jako źródła ciepła, jest określenie, czy wydajność studni jest wystarczająca. Do stałej dyspozycji powinno
być 205 l/h wody na kW mocy chłodniczej PC.
Miejscowe zanieczyszczenia, poprzez swoje tamujące działanie, powodują częściowe zamarzanie wody. W ten sposób zmniejsza się prędkość strumienia, temperatura wody spada poniżej punktu zamarzania i tworzą się korki lodowe. Może to prowadzić do rozsadzenia wymiennika ciepła, co z kolei pociąga za sobą nieodwracalne uszkodzenia obiegu chłodzenia.
Rys. Zagrożenia dla płytowego wymiennika ciepła.
42
Źródła ciepła
Ciepło z wody (PC WW), c.d.
Obieg pośredni gwarantuje wysokie bezpieczeństwo pracy instalacji. Również dlatego, że jakość wody gruntowej może ulegać zmianie przez cały okres użytkowania instalacji.
Woda z procesu technologicznego – należy unikać przekroczenia maksymalnej dopuszczalnej temperatury obiegu pierwotnego: +25°C.
Rys. Woda chłodząca jako źródło ciepła.
43
Źródła ciepła
Ciepło z powietrza (PC AW)
Wykorzystanie powietrza jako źródło ciepła wymaga najmniejszych nakładów inwestycyjnych, w porównaniu z uzbrojeniem terenu. Powietrze jest zasysane, schładzane w parowniku, a następnie ponownie odprowadzane do otoczenia.
nowoczesne pompy ciepła są w stanie wykorzystać ciepło z powietrza o temperaturze -20°C – pracują z COP > 2
Rys. Pompa ciepła powietrze-woda (AW), Zdj. Pompa AW, ustawiona ustawiona wewnątrz budynku na zewnątrz budynku
44
Źródła ciepła
Ciepło z powietrza (PC AW), c.d.
nawet najefektywniej pracująca PC AW, najczęściej nie jest w stanie pokryć całego zapotrzebowania na ciepło budynku – wymaga wspomagania dodatkowym źródłem ciepła, np. grzałką elektryczna, kotłem gazowym, olejowym, na paliwo stałe
hałas – pompy ciepła AW przetłaczają spore ilości powietrza (3.000 do 4.500 m3/h), w związku z tym, przy projektowaniu instalacji należy uwzględnić związany z tym poziom hałasu
PC AW mogą zostać zamontowane wewnątrz, na zewnątrz budynku, lub tu i tu – urządzenia typu Split składające
się z jednostki wewnętrznej i zewnętrznej
stosowane są PC AW z regulacją mocy, jak i bez takiej regulacji (wymagany bufor).
Rys. Pompa ciepła AW Split, Vitocal 200-S
45
Źródła ciepła
Ciepło z powietrza (PC AW), c.d.
Pompy AW montowane wewnątrz budynku – powietrze doprowadzane
i odprowadzane jest systemem kanałów, np.:
Rys. Przypływ powierza wewnętrznej pompy ciepła AW
46
Źródła ciepła
Ciepło odpadowe
Pompy ciepła mogą wykorzystywać również ciepło odpadowe np. z zużytego powietrza, ścieków, wody z procesu technologicznego itd..
Rys. Wykorzystanie ścieków jako źródło ciepła dla PC
47
Źródła ciepła
Instalacje solarne
Do podniesienia temperatury po stronie pierwotnej PC można użyć kolektory słoneczne lub absorbery nieprzeszklone – podnosi to efektywność pracy pompy ciepła, jednak korzyści nie równoważą niezbędnych nakładów technicznych i finansowych.
Połączenie instalacji solarnej i pompy ciepła umożliwia natomiast wykorzystanie zmiany faz w zasobnikach ciepła.
Zdj. Absorbery nieprzeszklone, wykorzystujące jako źródło ciepła promieniowanie słoneczne i temperaturę otoczenia.
48
Źródła ciepła
Instalacje solarne; c.d.
Absorber pobiera ciepło głównie z powietrza (w dzień jak i w nocy)
Zdj. Absorber z rur z tworzywa, w formie harfy
49
Źródła ciepła
Instalacje solarne; c.d.
Absorber pobiera ciepło głównie z powietrza (w dzień jak i w nocy)
Zdj. Absorber w formie wężownicy, położonej na dachu.
50
Źródła ciepła
Zasobniki ciepła – zmiana „faz”
„Ogrzewanie lodem”
Zdj. Zasobnik ciepła – energii pierwotnej, 10m3
51
Źródła ciepła
Zasobniki ciepła – zmiana „faz”; c.d.
Wykorzystują zmianę faz do gromadzenia ciepła (magazynowania ciepła),
po stronie pierwotnej pompy ciepła.
Jako źródło ciepła dla PC wykorzystywana jest entalpia krzepnięcia. Regeneracja zasobnika (topnienie), następuje przy udziale ciepła z otoczenia i instalacji solarnej.
Obok wody (lodu), można również zastosować np. parafinę.
„W praktyce okazało się, że wykorzystanie jako źródła pierwotnego kombinacji zasobników ciepła opartych o przemianę fazową oraz absorberów zasilanych energią słoneczną, prowadzi
do powstania bardzo efektywnych systemów”.
Zdj. Zasobnik ciepła - wykorzystanie przemiany
fazowej wody-w lód jako źródło ciepła
52
Źródła ciepła
Zasobniki ciepła – zmiana „faz”, c.d.
Rys. Wykorzystanie przemiany fazowej – do stopienia 1 kg lodu, przy stałej temperaturze, potrzeba 93 Wh energii cieplnej.
53
Źródła ciepła
Źródła ciepła wykorzystywane w systemie zasobnika lodu
Zasobnik lodu wykorzystuje różne źródła ciepła, których wykorzystaniem zarządza sterownik (np. regulator pompy ciepła):
powietrze atmosferyczne promieniowanie słoneczne ciepło gruntu
Rys. Schemat ideowy pompy ciepła z zasobnikiem lodu.
54
Źródła ciepła Zasobnik lodu
Standardowy system, o mocy grzewczej do 20 kW:
zasobnik lodu składa się z jednego lub dwóch cylindrów betonowych (średnica 2,5 m, wysokość 3,56 m)
zasobnik zakopuje się w gruncie i napełnia wodą wodociągową – pojemność zasobnika: 10 m3; PC 13 lub 16 kW – 2 zasobniki po 10 m3
w zbiorniku znajdują się spiralne wężownice z rur z tworzywa sztucznego (wymiennik PC – dolne źródło ciepła)
przy ściankach zbiornika ułożone są wężownice regenerującego źródła ciepła – regeneracja zasobnika energią z powietrznego kolektora słonecznego (ok. 12 m2 powierzchni brutto, maks. temperatura postojowa: 60°C)
55
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Wykorzystanie przemiany fazowej:
przy schłodzeniu 1 kg wody, o 1 K - pozyskujemy 1,163 Wh energii
cieplnej; schłodzenie 10 m3 wody o 1 K – pozyskamy: 11,63 kWh
przy całkowitym zamarznięciu 1 kg wody pozyskujemy 93 Wh/kg (przy stałej temperaturze = 0°C); 10 m3 => 930 kWh
energia z powietrznego absorbera solarnego ogrzewa wodę lub roztapia lód
do zasobnika stale dopływa ciepło z gruntu (zależy od rodzaju gruntu)
56
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Zasobnik lodu wykorzystywany jest również do chłodzenia budynku w lecie (zamarznięta woda stanowi naturalne źródło chłodu).
Zdj. Oblodzenie wężownic w zasobniku lodu.
Rys. Ukierunkowane zamarzanie i tajenie w zasobniku lodu
57
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Rys. Rozkład temperatur zasobnik lodu w pracującej instalacji
58
Źródła ciepła
Zasobnik lodu, c.d.
- „starsza” pompa ciepła Viessmann (2014r.)
59
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Vitocal 300-G – „nowa” pompa ciepła Viessmann (2015r. ,do dzisiaj)
60
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Rys. Charakterystyki Vitocal 300-G typ BWC 301.B10
61
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Tab. Dane w formie tabeli dla Vitocal 300-G typ BWC 301.B10
62
Źródła ciepła
Zasobnik lodu, c.d. Przykładowa instalacja
Budynek biurowy firmy Porsche Design, Ludwigsburg, Niemcy:
moc grzewcza pompy ciepła Vitocal 300-G: 29 kW (B0/W35, schłodzenie 5 K, wg EN 14511)
wydajność chłodnicza: 23 kW
COP 4,83 (przy schłodzeniu 10 K COP 5,08)
minimalna/maksymalna temperatura solanki: -10/+25°C
COP w wybranych punktach pracy wg EN 14511: 3,70 (B-5/W35)
6,00 (B10/W35)
7,01 (B15/W35)
63
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Przykładowa instalacja, c.d.
Budynek biurowy firmy Porsche Design, Ludwigsburg, Niemcy: c.d.
instalacja do ogrzewania i chłodzenia budynku
wysokość zasobnika lodu: 3 m
średnica zasobnika: 7 m
objętość zasobnika lodu: 120 m3 (120 000 litrów)
pojemność wody w zbiorniku: 93 m3 (93 000 litrów)
powierzchnia brutto absorbera powietrzno-solarnego: 51 m2
Artykuł o ogrzewaniu lodem – Załącznik.
64
Źródła ciepła Zasobnik lodu, c.d.
Przykładowa instalacja, c.d.
Rys. Roczny bilans energii
65
Źródła ciepła
Klatki energetyczne
Klatki geotermalne (geothermal energy cage), kosze energii itp.; np. firma UPONOR
66
Źródła ciepła
Klatki energetyczne, c.d.
67
Źródła ciepła
Spiralny wymiennik gruntowy
68
Sposób pracy pompy ciepła
Pompa ciepła może samodzielnie ogrzewać budynek lub współpracować z innym źródłem ciepła. W zależności od sposobu tej współpracy możemy wyróżnić dwa główne tryby pracy instalacji z pompą ciepła:
monowalentny tryb pracy
biwalentny tryb pracy: monoenergetyczny; równoległy; alternatywny; mieszany
69
Sposób pracy pompy ciepła
Monowalentny tryb pracy
Pompa ciepła pokrywa całe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku (c.o.) i wody użytkowej (c.w.u.).
Rys. Monowalentny tryb pracy.
70
Sposób pracy pompy ciepła
Biwalentny tryb pracy
Oprócz pompy ciepła, w instalacji znajduje się dodatkowe źródło ciepła, które dostarcza część potrzebnej mocy grzewczej lub ogrzewa wodę do wyższych temperatur.
Jeśli dodatkowym źródłem ciepła jest grzałka elektryczna (np. elektryczny przepływowy podgrzewacz wody), to mówimy o układzie biwalentnym monoenergetycznym (pompa ciepła i dodatkowe źródło ciepła zasilane są energią elektryczną).
71
Sposób pracy pompy ciepła
Biwalentny tryb pracy, c.d.
Biwalentny, równoległy tryb pracy
PC pokrywa zapotrzebowanie na ciepło do określonej tempery zewnętrznej, np. -5°C (punkt biwalentny). Przy niższych temperaturach załącza się dodatkowe źródło ciepła, które dostarcza brakujące ciepło (moc).
UWAGA. W równoległym trybie pracy zwiększa się okres pracy pompy ciepła, a więc pobiera ona ze źródła ciepła więcej energii. Należy to uwzględniać w procesie projektowania, zwłaszcza
w przypadku sond i kolektorów płaskich. Rys. Równoległy tryb pracy.
72
Sposób pracy pompy ciepła
Biwalentny tryb pracy, c.d.
Biwalentny, alternatywny tryb pracy
PC zostaje wyłączona po osiągnięciu punktu biwalentnego. Drugie źródło ciepła pokrywa całe zapotrzebowanie na ciepło.
Przy takim sposobie pracy, źródło ciepła projektuje się odpowiednio do mocy grzewczej pompy ciepła.
Rys. Alternatywny tryb pracy.
73
Sposób pracy pompy ciepła
Biwalentny tryb pracy, c.d.
Biwalentny, mieszany tryb pracy
Do osiągnięcia punktu biwalentnego PC pokrywa całe zapotrzebowanie na ciepło. Przy niższych temperaturach, załącza się dodatkowe źródło ciepła (oba pracują równolegle).
Po przekroczeniu maksymalnej
temperatury (B) na zasilaniu PC lub przy określonej temperaturze zewnętrznej, wyłącza się PC, a całą potrzebną moc grzewczą dostarcza drugie źródło ciepła.
Rys. Mieszany tryb pracy.
74
Sposób pracy pompy ciepła
Ze względu na sposób pracy samej pompy ciepła możemy je podzielić na:
jednostopniowe (np. Vitocal 200-G 10 kW)
dwustopniowe (np. Vitocal 300-A 16,8/21,3 kW)
o modulowanej mocy grzewczej (np. Vitocal 300-A 3-9 kW) instalacje kaskadowe
75
Sposób pracy pompy ciepła
Instalacje kaskadowe
Dwie lub więcej pomp ciepła pracujących w danej instalacji – rozwiązanie stosowane zwykle dla uzyskania wyższej całkowitej mocy grzewczej; również do jednoczesnego zasilania obiegów grzewczych o różnych temperaturach.
Możliwe jest łączenie w jednej instalacji (kaskada) pomp ciepła: o tej samej mocy grzewczej; o różnych mocach; o różnych temperaturach zasilania.
Przykład: Dom szeregowy - równoczesne zapotrzebowanie na c.w.u. i c.o., wysokotemperaturowa pompa ciepła (70°C) może podgrzać zbiornik c.w.u. do temperatury 60°C, w tym samym czasie inne moduły wchodzące w skład kaskady mogą efektywnie pokryć zapotrzebowanie na cele grzewcze na znacznie niższym poziomie temperatury. Jedno urządzenie nie byłoby w stanie tego zapewnić.
76
Sposób pracy pompy ciepła
Instalacje kaskadowe; c.d. VITOCAL 200-S
do 5-ciu pomp ciepła w kaskadzie
możliwość jednoczesnego dostarczania ciepła do c.o. i do c.w.u. lub dostarczania chłodu
i ogrzewania c.w.u.
specjalny algorytm sterowania kaskadą dla uzyskania najwyższego SCOP
optymalne COP jest obliczane przez regulator każdej pompy ciepła zależnie od aktualnej wartości temperatury zewnętrznej i zasilania
77
Sposób pracy pompy ciepła Instalacje kaskadowe; c.d.
VITOCAL 200-S; c.d.
Optymalizacja mocy dla utrzymania maksymalnej efektywności:
Pompy ciepła: Zainstalowana moc: Chwilowa wymagana moc:
3 x Vitocal 200-S 201.C13 48 kW (dla A7/W35)
25 kW
78
Wizualizacje pracy instalacji
Nawet najlepsza pompa ciepła nie gwarantuje najniższych kosztów ogrzewania.
Właściwie zaprojektowana i wykonana instalacja, tworzy efektywny system grzewczy budynku.
Obieg pierwotny pompy ciepła – wszystkie komponenty, które są potrzebne do pobrania energii ze środowiska lub innego źródła ciepła, np. wymienniki ciepła, pompy solanki, wentylatory, itd..
Obieg wtórny – wszystkie komponenty, które są potrzebne do przekazania pozyskanej energii do instalacji grzewczej, np. grzejników.
79
Wizualizacje pracy instalacji Przykładowe rozwiązanie instalacji
80
Wizualizacje pracy instalacji Przykładowe rozwiązanie instalacji, c.d.
Link do Wizualizacji instalacji z pompą ciepła:
http://www.viessmann.pl/pl/dom-jednorodzinny/Ogrzewanie/pompy-ciepla/wizualizacja.html
Dane budynku:
powierzchnia użytkowa: 160 m2
powierzchnia pomieszczeń ogrzewanych: 200 m2 kubatura: 550 m3
obliczone zapotrzebowanie budynku na ciepło – wentylacja
grawitacyjna: 11.300 W (11,3 kW) – wskaźnik 56,5 W/m2
powierzchni ogrzewanej; 20,5 W/m3 kubatury 4 mieszkańców (w tym dwoje dzieci)
Link do opisu instalacji i wyników jej pracy:
http://www.slideshare.net/Centraltech/gruntowa-pompa-ciepa- online?ref=http://www.centraltech.pl/pompa-ciepla-gruntowa/
81
Wizualizacje pracy instalacji
Przykładowe rozwiązanie instalacji, c.d. Instalacje z pompami ciepła on-line, ISE
W latach 2006-2010 Instytut Fraunhofera ISE przeprowadził badania blisko 200 instalacji z pompami ciepła pracującymi w rzeczywistych budynkach :
- 110 instalacji w nowowybudowanych domach jedno- i dwurodzinnych
- 70 starszych domów, w których jeszcze nie przeprowadzono termomodernizacji, ale z pompami ciepła jako alternatywą dla kotłów olejowych.
Badano pompy ciepła pobierające ciepło z gruntu (gruntowe) i z powietrza atmosferycznego (powietrzne). Nowe budynki, w ok. 95%, ogrzewane są przez ogrzewanie podłogowe. Starsze, w ponad 95% ogrzewane tradycyjnymi grzejnikami.
Średnia powierzchnia ogrzewana nowych i starszych budynków wynosi 190 m2. Zapotrzebowanie na ciepło w nowych budynkach wynosiło od ok. 30 do 150 kWh/m2rok – średnio 70 kWh/m2rok. Dla starszych domów, zapotrzebowanie na ciepło obliczono na podstawie zużycia oleju opałowego z 5 lat i wynosiło: ok. 150 kWh/m2 powierzchni ogrzewanej w ciągu roku.
82
Wizualizacje pracy instalacji Przykładowe rozwiązanie instalacji, c.d.
Instalacje z pompami ciepła on-line, ISE, c.d.:
W przeważającej części budynków, pompa ciepła służyła do ogrzewania domu i wody użytkowej.
Współczynniki efektywności instalacji SPF, w nowych i starszych domach, uwzględniały zużycie energii elektrycznej przez: pompę ciepła i jej regulator; pompę solanki (dla pomp ciepła gruntowych) lub wentylator powietrza – dla pomp ciepła powietrznych; grzałkę elektryczną (uzupełniające źródło ciepła).
Ilość ciepła dostarczonego do instalacji ogrzewania mierzono bezpośrednio za pompą ciepła.
83
Wizualizacje pracy instalacji Przykładowe rozwiązanie instalacji, c.d.
Instalacje z pompami ciepła on-line, ISE, c.d.:
Na podstawie kilku lat badań tych instalacji, określono średnie wartości współczynników SPF, które wyniosły:
- dla pomp ciepła gruntowych (BW): 3,9 w nowych i 3,3 w starszych budynkach - dla powietrznych pomp ciepła (AW): 2,9 dla nowych i 2,6 dla starszych
Więcej o wynikach badań w artykule: Sprawność pomp ciepła w realnych warunkach użytkowania, plik PDF, 862 KB >>
Link do pobrania PDF-a: http://instalreporter.pl/wp- content/uploads/2011/01/IR_2011_01_02_WynikiBadan.pdf
84
Systemy energetyki odnawialnej Temat nr 2, 16.11.2016:
Polecam artykuły:
Zrozumieć pompę ciepła
Ogrzewanie lodem
Sprawność pomp ciepła w realnych warunkach
Dodatkowo polecam:
Kalkulator SCOP, na stronie PORT PC: http://portpc.pl/kalkulator-scop/
mgr inż. Krzysztof Gnyra tel. 602 231 407
e-mail: kgnyra@gmail.com
www.viessmann.edu.pl