Wstęp i zasada działania pompy ciepła
advertisement
POLITECHNIKA GDAŃSKA SEMINARIUM Z WYBRANYCH ZAGADNIEŃ Z WYMIANY CIEPŁA I MASY. Temat : Przegląd konstrukcji wraz z oceną parametryczną dostępnych na rynku spręŜarkowych pomp ciepła. Opracował: Adam KONISZEWSKI Radosław KORPALSKI sem. VIII SUCHiKL rok ak. 2007/08 Konspekt 1. Wstęp i zasada działania pompy ciepła, 2. Konstrukcja i parametry dostępnych na rynku spręŜarkowych pomp ciepła, 3. Wybrane systemy z wykorzystaniem pompy ciepła, 4. Podsumowanie i wnioski. Wstęp Pompa ciepła jest to technologią ogrzewania domów energią elektryczną, do której dodaje się 2-5 krotnie większa energia cieplna pobierana z powietrza lub gruntu. Zatem płacąc za 1 kWh pobranej energii elektrycznej otrzymuje się dodatkowe 2-5 kWh darmowej energii cieplnej. Pompy ciepła są praktycznie stosowane w Europie od 30 lat, ale w ostatnich 2 latach obserwuje się gwałtowny wzrost skali ich sprzedaŜy (rys. 1). Rys.1. Liczba pomp ciepła na przestrzeni lat instalowana w nowo budowanych domach. W wielu krajach, jak np. Niemcy, Szwecja, Finlandia, Austria, Szwajcaria, Francja, liczba domów wyposaŜonych w pompę ciepła rośnie w tym roku prawie dwukrotnie w odniesieniu do roku 2006. Niemal co drugi dom budowany w tych krajach jest wyposaŜony w pompę ciepła (w Szwajcarii jest to 60% nowo budowanych domów). Niewątpliwie przyczyną zainteresowania pompą ciepła są niezwykle wysokie i ciągle rosnące ceny na ropę i gaz, a takŜe nieobliczalność polityczna głównego dostawcy tych surowców – Rosji. Społeczeństwo niemieckie boi się zaleŜności od dostaw paliwa z Rosji. Nasuwa się retoryczne pytanie – jeśli Niemcy obawiają się zaleŜności energetycznej od Rosji, to co powinni myśleć o tym Polacy? U nas zainteresowanie pompami ciepła jest coraz większe, ale pod względem liczby domów budowanych z pompą ciepła wleczemy się w ogonie Europy (rys.2). Rys.2.Ilośc sprzedawanych pomp ciepła w wybranych krajach. Zasada działania pompy ciepła. Działanie pompy ciepła polega na cyklicznej zmianie stanu fizycznego czynnika krąŜącego w obiegu termodynamicznym – spręŜanie, skraplanie, rozpręŜanie, parowanie. SpręŜarka „serce układu” zasilana z zewnątrz za pomocą prądu elektrycznego spręŜa parę czynnika chłodniczego, w wyniku czego wzrasta temperatura tej pary. W skraplaczu para ulega skropleniu oddając swoje ciepło wodzie krąŜącej w instalacji ogrzewania. Następnie ciekły i spręŜony czynnik chłodniczy przepływa przez zawór rozpręŜny i w procesie rozpręŜania następuje jego gwałtowny spadek temperatury. „Zimny” czynnik chłodniczy, przepływając pod niskim ciśnieniem przez parownik ogrzewa się pobierając ciepło od czynnika roboczego (wody, solanki bądź innego płynu pośredniczącego) dolnego źródła. W wyniku ogrzania czynnik chłodniczy odparowuje , a para zasysana jest przez spręŜarkę i cały cykl się powtarza. Rys.3. Schemat działania pompy ciepła. Wielkości charakterystyczne opisujące pompę ciepła. O efektywności działania pompy ciepła decyduje jakość energetyczna zdefiniowana jako stosunek skutku jej działania , tj. ilości ciepła uŜytecznego uzyskanego w skraplaczu Qg do nakładu, który trzeba ponieść, aby ten skutek uzyskać, tj. do ilości zuŜytej energii napędowej L. Jakość energetyczna pomp ciepła nazywana jest współczynnikiem wydajności grzejnej –COP. COP = Qg (1) L W analizach związanych z ocenami efektywności energetycznej instalacji pompo ciepła stosowane jest pojęcie sezonowego współczynnika wydajności grzejnej β . β= Q E (2) Gdzie: Q- ilość ciepła uzyskana w sezonie grzewczym za pomocą pompy ciepła [kWh], E- ilość energii elektrycznej zuŜytej do napędu systemu pompy ciepła w sezonie grzewczym [kWh]. Konstrukcja i parametry dostępnych na rynku pomp ciepła Zebrane informacje o parametrach i konstrukcji obecnie dostępnych pomp ciepła, ze względów pragmatycznych, zostały ograniczone do SPC o mocy do 30 kW, wykorzystywanych w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych. PoniŜsza tabela daje pogląd na polski rynek tych urządzeń. Dostępne na rynku pompy ciepła: konstrukcja i parametry Rys.4. Ogólna zasada działania systemu ogrzewania z pompą ciepła. Pompa ciepła, w połączeniu z instalacją pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego ( woda, grunt, powietrze), oraz instalacją odbiorczą ( c.o. i c.w.u.), stanowi system zaopatrzenia w ciepło budynku. Sprawność energetyczna i niezawodność działania tego systemu , szczególnie wtedy , gdy źródłem ciepła niskotemperaturowego jest grunt lub woda gruntowa , zaleŜy od jakości wykonania instalacji pozyskiwania ciepła. Źródło dostarczające ciepło niskotemperaturowe niezbędne do ogrzania budynku mieszkalnego jak i od strony działania urządzenia do odparowania czynnika chłodniczego w parowniku pompy ciepła powinno charakteryzować się : - duŜą pojemnością cieplną, - moŜliwie wysoką i stałą temperaturą, - brakiem zanieczyszczeń powodujących korozję elementów instalacji lub powstawanie osadów, - łatwą dostępnością i niskimi kosztami instalacji słuŜącej do pozyskiwania i transportu ciepła. Źródła ciepła niskotemperaturowego mogą być wykorzystywane pojedynczo mówimy wówczas o układach monowalentnych lub mogą być tworzone układy zasilane z wielu źródeł ciepła (przewaŜnie z dwóch) są to wtedy układy biwalentne. A) B) Rys.5. Lokalizacja pompy ciepła A) wewnątrz budynku B) na zewnątrz budynku Rys.6. SpręŜarka typu scroll SpręŜarkowe pompy ciepła z elektrycznymi silnikami napędowymi przeznaczone do zasilania instalacji centralnego ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody uŜytkowej, budowane są jako: - urządzenia zwarte typu kompakt, - urządzenia rozdzielone typu split. Kompaktowa pompa ciepła stanowi zwarty zespół, w skład którego wchodzą wszystkie niezbędne elementy jak np. spręŜarka, parownik, skraplacz, wentylator lub pompa obiegowa, urządzenia regulacyjno-sterujące, zabezpieczające itp. Elementy te zmontowane są we wspólnej obudowie, instalacja jest napełniona czynnikiem chłodniczym i prace montaŜowe sprowadzają się do ustawienia pompy ciepła na odpowiednio przygotowanym fundamencie i podłączone do instalacji elektrycznej. Niektórzy producenci dostarczają pompy ciepła z dodatkowym, szczytowym źródłem ciepła, np. kotłem olejowym, gazowym lub elektrycznym. Gdy nośnikiem ciepła niskotemperaturowego jest powietrze to, ze względu na jego małe ciepło właściwe i niewielkie spadki temperatury, przez parownik trzeba przetłaczać duŜy strumień objętości nośnika ciepła. Wymaga to stosowania szybkoobrotowych, a więc hałaśliwych wentylatorów oraz przewodów o duŜych przekrojach. W takich przypadkach, aby uprościć montaŜ i usunąć poza ogrzewany budynek główne źródło hałasu, pompa ciepła wykonywane są w systemie split (rozdzielonym). W tego rodzaju pompach ciepła obie części konstrukcyjne moŜna montować w pewnej odległości od siebie i łączyć za pomocą przewodów czynnika chłodniczego. Rys.7. Części składowe pompy ciepła IVT Greenline HT Plus C Charakterystyka dolnych źródeł ciepła niskotemperaturowego. Powietrze zewnętrzne Powietrze zewnętrzne jest najłatwiej dostępnym źródłem ciepła i dlatego jest ono często stosowane do zasilania parowników pomp ciepła o małej mocy ogrzewających budynki jednorodzinne oraz uŜywanych do przygotowania ciepłej wody uŜytkowej w okresie letnim. Do niekorzystnych cech powietrza atmosferycznego jako źródła ciepła niskotemperaturowego naleŜą : - małe ciepło właściwe, - małe współczynniki przejmowani ciepła, - małe współczynniki przenikania ciepła w parownikach pomp ciepła, - duŜe wahania temperatury powietrza zarówno w okresie doby jak i sezonu. Grunt Grunt stanowi roczny zasobnik ciepła , w którym na pewnej głębokości ( 5 do 10m w zaleŜności od strefy klimatycznej ) ma stałą temperaturę, odpowiadającą średniej, rocznej temperaturze powietrza w danej strefie. Grunt, jako dolne źródło ciepła, ma przewagę nad wodą gruntową, gdyŜ jest ogólnie dostępny, a jego temperatura jest wyŜsza niŜ temperatura powietrza zewnętrznego. Ciepło zakumulowane w gruncie jest wykorzystywane do zasilania parowników pomp ciepła najczęściej za pomocą wtórnego nośnika ciepła, który krąŜy w obiegu zamkniętym przez wymiennik (kolektor) gruntowy (poziomy, spiralny lub pionowy) ułoŜony w gruncie. Nośnikiem ciepła moŜe być woda, lecz częściej stosowane są ciecze ekologiczne o niskiej temperaturze krzepnięcia (wodne roztwory glikoli lub soli-solanki). Do zalet gruntu moŜna zaliczyć: - duŜą pojemność cieplną, -stałą temperaturę, -bardzo niskie koszty eksploatacyjne, -moŜliwość wykorzystania wymiennika gruntowego jako parownika w zimie i skraplacza w lecie. Do wad tego źródła zaliczają się wysokie koszty inwestycyjne. Koszt kolektorów gruntowych w warunkach polskich stanowi około od 25 do 50% całkowitych kosztów instalacji pompy ciepła. NajniŜsze są koszty ujęcia dolnego źródła ciepła z wymiennikiem poziomym, najwyŜsze z kolektorem pionowym. Wody gruntowe i głębinowe Wody o stałej średniorocznej temperaturze 5- 12 °C stanowią szczególnie dogodne dolne źródło do zasilania parowników pomp ciepła. Wody o stałej średniorocznej temperaturze 5+12°C stanowią szczególnie dogodne dolne źródło do zasilania parowników pomp ciepła. Woda pobierana jest za pomocą studni czerpalnej i po ochłodzeniu w parowniku o 4+5 K odprowadzona zostaje do gruntu za pomocą studni zrzutowej . Studnie: czerpalna i zrzutowa powinny być oddalone od siebie o ok. 30+50 m, przy czym odległość ta zaleŜy od właściwości gruntu i poziomu wody gruntowej. Jednostkowa ilość ciepła uzyskana w parowniku zasilanym wodą gruntową wynosi 4500-5900 Wh/m3, a zatem z 1 m3 wody moŜna w skraplaczu uzyskać 6,8-9,0 kWh ciepła . Wody gruntowe lub głębinowe mogą być tłoczone bezpośrednio do parownika pompy wtedy, gdy ich stopień mineralizacji nie jest zbyt wysoki lub nie są one agresywne w stosunku do materiałów konstrukcyjnych parownika . Gdy jakość wody nie spełnia wymagań producenta pompy ciepła, muszą być stosowane pośrednie wymienniki ciepła. NiepoŜądanymi skutkami eksploatacji instalacji pozyskiwania ciepła z wód gruntowych i głębinowych są m.in.: -narastanie szlamu na ściankach studni, -zanieczyszczenia biologiczne, -zamulenie oraz uszkodzenia obramowania studni zrzutowej. Wody powierzchniowe Stawy, jeziora, rzeki stanowią duŜe zasobniki ciepła i pobór z nich ciepla nie powoduje zakłócenia równowagi środowiska. Do zalet wód powierzchniowych naleŜą: niskie, w porównaniu z wodą gruntową i głębinową, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji pozyskiwani ciepła. Natomiast niekorzystne są: - stosunkowo duŜa zmienność temperatury (0-15 °C), - najniŜsza temperatura występuje w okresie maksymalnego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania, - moŜliwość występowania oblodzenia powierzchni parowników w temperaturze bliskiej 0 °C. Charakterystyka kolektorów gruntowych Kolektor poziomy Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego moŜliwe jest poprzez ułoŜony w gruncie poziomy wymiennik ciepła. Wymienniki są wykonywane przewaŜnie z rur z tworzyw sztucznych (PVC, polietylenowych, polipropylenowych lub polibutylenowych) o średnicy 20-40 mm, układanych na głębokości 1,0-1,2 do 1,5 m, a odległość między rurami wynosi 0,8-1,0 m. W zasadzie rury wymienników ciepła powinny być układane na głębokości ok. 0,3 m niŜszej niŜ głębokość przemarzania. Na głębokości tej są wprawdzie jeszcze dość duŜe wahania temperatury gruntu, zgodne z przebiegiem wahań temperatury powietrza, lecz występują tu inne korzystne zjawiska. Na początku sezonu grzewczego grunt ma temperaturę wyŜszą niŜ w głębi; pod koniec sezonu grzewczego, gdy temperatura powietrza wzrasta, a temperatura gruntu osiąga najniŜszą wartość, rozpoczyna się naturalne doładowanie zasobnika, powodujące wyraźny przyrost temperatury gruntu. Odbiór ciepła z gruntu na głębokości 1 m jest w okresie letnim w pełni zrekompensowany i nie powoduje zakłócenia wegetacji roślin powyŜej wymiennika ciepła. Maksymalna długość rur w jednej pętli węŜownicy nie powinna przekraczać 100-150 m. Przyrost temperatury nośnika ciepła w wymienniku gruntowym wynosi 3-4 K, a gęstość strumienia ciepła przejmowanego zaleŜy od właściwości fizycznych gruntu, a głównie od jego wilgotności. W glebach wilgotnych gęstość strumienia przejmowanego ciepła wynosi 40-50 W/m2, a w gruntach suchych 10-30 W/m2. Orientacyjnie moŜna przyjąć, Ŝe za pośrednictwem węŜownicy wykonanej z rury PVC o długości 100 m moŜna pozyskać z gruntu strumień ciepła wynoszący ok. 3-5 kW w czasie 1 godz. Rys.8. Kolektor poziomy płaski. Rys.9. Kolektor poziomy spiralny. Kolektory pionowe Wymienniki pionowe umieszcza się w pionowo wywierconych otworach o głębokości od 20 do 100 m, a w jednym odwiercie moŜe być umieszczony pakiet rur. W gruntach piaszczystych i wirowych stosuje się takŜe stalowe wymienniki wbijane do głębokości 8-25 m . Odstęp pomiędzy poszczególnymi sondami powinien wynosić około 5 m. Koszty wykonania wymienników pionowych są wyŜsze od kosztów montaŜu kolektorów poziomych, a ich stosowanie jest uzasadnione wielkością stojącej do dyspozycji powierzchni gruntu. Rys.10. Kolektor pionowy Charakterystyka górnego źródła ciepła Woda ogrzewana w pompie ciepła działającej w systemie mono- lub biwalentnym dostarczana jest do ogrzewanych pomieszczeń, w których stanowi źródło ciepła. Sposób rozwiązania systemu grzewczego w pomieszczeniu ma zasadniczy wpływ na rozkład temperatury, a co za tym idzie na stopień spełnienia kryterium komfortu. Bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na samopoczucie uŜytkowników pomieszczeń jest pionowy rozkład temperatury w pomieszczeniu. Idealny rozkład temperatury odpowiada podstawowej zasadzie prawidłowego ogrzewania "nogi w cieple, głowa w chłodzie" Ogrzewanie grzejnikowe Rys.11.Ogrzewanie grzejnikowe Ogrzewanie grzejnikowe jest dobre z punktu widzenia energooszczędności - pozwala łatwo nim sterować, gdyŜ ma małą pojemność wodną i szybko reaguje na zmiany zapotrzebowania na ciepło. Grzejniki mają duŜo wyŜszą temperaturę pracy ok. 55°C. Pompa ciepła wytwarzająca tak wysoką (jak dla niej) temperaturę źródła górnego nie osiągnie wysokiej sprawności, co odbije się niekorzystnie na kosztach eksploatacji. Oczywiście, instalowanie grzejników nie jest Ŝadnym błędem technicznym, wszak pompy ciepła są na ogół przystosowane do pracy z grzejnikami o temperaturze do 60°C. Ogrzewanie podłogowe Rys.12.Ogrzewanie podłogowe Podłogówka ma korzystny rozkład temperatury w pomieszczeniu, dzięki czemu moŜemy utrzymywać temperaturę powietrza o 2°C niŜszą niŜ przy tradycyjnym ogrzewaniu grzejnikowym nie tracąc przy tym na komforcie. Wiemy, Ŝe sprawność pompy ciepła, wyraŜona współczynnikiem COP, jest odwrotnie proporcjonalna do róŜnicy temperatur źródła górnego Tg i dolnego Td. Zatem im niŜsza jest temperatura pracy źródła górnego, tym większa jest sprawność. Niskie temperatury pracy mają te systemy co., w których wykorzystuje się bardzo duŜe powierzchnie grzewcze, czyli ogrzewanie płaszczyznowe - podłogowe, ścienne lub sufitowe. Najczęściej z pompą ciepła współpracuje ogrzewanie podłogowe o temperaturze czynnika grzewczego (wody w rurach) zaledwie 35°C (w domach o bardzo dobrej termoizolacji i duŜej bezwładności cieplnej moŜe nawet wystarczyć niespełna 30°C) . Jest wiele róŜnic między ogrzewaniem podłogowym a grzejnikowym. Dotyczy to nie tylko sposobu prowadzenia instalacji - tu róŜnice są oczywiste, ale takŜe sposobu przekazywania ciepła, mocy grzewczej systemu itp. Rys.13.Rozkład temperatury. a) ruch powietrza i rozkład temperatury przy ogrzewaniu grzejnikowym; b) przy ogrzewaniu podłogowym ruch powietrza jest duŜo słabszy, gdyŜ ciepło jest równomiernie oddawane ku górze; c) rozkład temperatury dla ogrzewania podłogowego jest bliski idealnemu. . Wybrane systemy z wykorzystaniem pompy ciepła. Pompa ciepła Fighter 1220 Rys14. Wykorzystanie wody gruntu lub wody gruntowej jako źródła ciepła Budowa Rys.15. Budowa Fighter 1220 Zasada działania FIGHTER 1220 składa się z pompy ciepła, podgrzewacza wody, grzałki zanurzeniowej, pomp obiegowych oraz komputera sterującego z wyświetlaczem. FIGHTER 1220 jest podłączony do instalacji dolnego źródła ciepła i układu grzewczego. Ciepło ze źródła ciepła (skała, grunt) pobierane jest przez zamknięty układ kolektora, w którym krąŜy mieszanina wody i płynu niezamarzającego (np. glikolu). Woda gruntowa równieŜ moŜe być wykorzystywana jako źródło ciepła, ale takie rozwiązanie wymaga zastosowania dodatkowego wymiennika ciepła. W parowniku pompy ciepła glikol oddaje swoją energię czynnikowi chłodniczemu, który odparowuje, a następnie jest spręŜany w spręŜarce. Czynnik chłodniczy, którego temperatura w ten sposób wzrasta, przechodzi do skraplacza, gdzie oddaje swoją energię do układu grzewczego (instalacja grzewcza / podgrzewacz wody). Za skraplaczem wbudowany jest moduł elektryczny, który włączy się w przypadku wystąpienia duŜego zapotrzebowania na ciepło. Rys.15.Ilustracja pompy ciepła . Dane techniczne Pompa ciepła Neuratherm W pompie ciepła Neuratherm rezygnujemy z wymiennika ciepła między obiegiem glikolu w kolektorze poziomym a obiegiem pompy ciepła . W takim wydłuŜonym obiegu termodynamicznym krąŜy specjalny czynnik ( propan ), który odparowuje w kolektorze, pobierając ciepło z gruntu .Rury kolektora wykonane są z miedzi pokryte PE. Wyeliminowanie wymiennika ciepła i pompy obiegowej pozwala na zwiększenie sprawności COP o ok. 20 %. Rys. Pompa ciepła Neuratherm. Zasada działania Rys.16.Ilustracja pompy ciepła Neuratherm Zasada działania pomp NEURATHERM ®jest następująca: W kolektorze poziomym (1) czynnik roboczy (propan) wskutek pobierania energii cieplnej zawartej w ziemi zamieniany jest w stan gazowy. Następnie przemieszczany jest do kompresora (2), gdzie w wyniku spręŜenia następuje wzrost jego temperatury. Uzyskane w ten sposób ciepło, poprzez wymiennik (3) oddawane jest do odbiornika (4) (np. kaloryfer). Gaz po oddaniu ciepła przemieszczany jest do zaworu rozpręŜnego (5), w którym dokonywana jest jego zamiana ze stanu gazowego w ciekły. W tej postaci przemieszczany jest ponownie do kolektora poziomego (1). Dolne źródła Rys.17. Kolektor gruntowy poziomy Pompa ciepła moŜe być zamontowana w kaŜdym miejscu gdzie istnieje moŜliwość rozmieszczenia instalacji do odzysku energii zmagazynowanej w środowisku naturalnym Kolektor gruntowy poziomy zbudowany jest z rur miedzianych pokrytych polichlorkiem winylu i układanych w gruncie , na głębokości poniŜej poziomu przemarzania gruntu (ok. 1,2 – 1.5m).Wewnątrz rur wymiennika znajduje się ekologiczny czynnik roboczy – propan. Rys18. Studnia gruntowa Odzysk energii cieplnej poprzez zastosowanie pompy ciepła czerpiącej energię zawartą w wodach gruntowych. Wodę ze studni czerpnej za pomocą pompy głębinowej transportuje się do wymiennika pompy ciepła, gdzie oddaje ona część swojej energii cieplnej czynnikowi roboczemu . Na skutek tego zostaje ona schłodzona o kilka stopni, a następnie odprowadzona ponownie do gruntu poprzez studnię gruntową. Rys.19. Pompa ciepła podczas montaŜu Pompa pozwala na montaŜ poza ogrzewanym budynkiem , dzięki czemu eliminuje pomieszczenie spełniające rolę kotłowni. Rys.20. Parametry pompy ciepła Neuratherm Pro – kolektor ziemny Podsumowanie SPC jest optymalnym rozwiązaniem w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych dlatego , Ŝe: • charakteryzuje się duŜą sprawnością cieplną, • pokrywa wszelkiego rodzaju zapotrzebowania na ciepło, • moŜe wykorzystywać kaŜde z dostępnych źródeł niskotemperaturowych dolnych oraz moŜna ją podłączyć do prawie kaŜdego systemu ogrzewania w pomieszczeniach, • jest przyjazna dla środowiska i w pełni bezpieczna dla otoczenia, • łatwa w obsłudze, • zapewnia komfort cieplny. Literatura: [1] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 3 2006. „Przegląd konstrukcji z oceną parametryczną dostępnych na rynku spręŜarkowych pomp ciepła” – mgr inŜ. Justyna Sieniuc [2] Chłodnictwo i Klimatyzacja nr 12 2007 – „ SpręŜarkowe pompy ciepła w Polsce” – dr inŜ. Marian Rubik – Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska. [3] Budujemy Dom wydanie specjalne 1 2008 – „ Dom energooszczędny z pompą ciepła” [5] Materiały firmy:Clima Confort, Sun Energy, Hydro Tech., Nibe-Biwar.
