Przechłodzenie Przegrzanie Wymiennik ciepła ciecz

2015-12-29
Przechłodzenie
Przegrzanie
wtorek, 29 grudnia 2015
Wymiennik ciepła ciecz-para (regeneracyjny)
wtorek, 29 grudnia 2015
Wymiennik ciepła - regenerator
Ponieważ
Cp,ciecz > Cp,gaz
ciepło
Stąd:
Co oznacza, że:
stopień przechłodzenia zawsze będzie mniejszy od stopnia przegrzania.
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
1
2015-12-29
Obieg rzeczywisty
Efekty nieodwracalne:
 Spadek ciśnienia w parowniku, skraplaczu i wymienniku
regeneracyjnym
 Spadek ciśnienia na zaworach ssących i dławiących
 Przepływ ciepła w sprężarce
 Spadek ciśnienia i przepływ ciepła w przewodach
wtorek, 29 grudnia 2015
COP obiegu rzeczywistego
wtorek, 29 grudnia 2015
Obieg jednostopniowy
Można zauważyć, że dla stałej temperatury skraplania, spadek
temperatury odparowania pociąga za sobą:
ηcyc – sprawność obiegu chłodniczego
ηis – sprawność sprężania izentropowego sprężarki, (zwykle 0,5-0,8)
ηmotor – sprawność silnika elektrycznego, (zwykle 0,7-0,95 dla dużych





wzrost strat dławienia
wzrost strat przegrzania
wzrost końcowej temperatury sprężania
wzrost stopnia suchości na wlocie do parownika
wzrost objętości właściwej na wlocie do sprężarki
układów)
Jako rezultat powyższego, maleje efekt chłodniczy i wzrasta praca
sprężania.
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
2
2015-12-29
Obieg wielostopniowy w układzie lgp-h
Podział układów wielostopniowych
Układy wielostopniowe mogą być sklasyfikowane jako:
 wielo - sprężarkowe
 wielo – parownikowe
 systemy kaskadowe
Z systemami wielostopniowymi powiązane są zwykle dwa procesy:
 upust pary
 chłodzenie międzystopniowe
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
Obieg z upustem pary
Obieg z upustem pary
Dlatego w celu praktycznej realizacji procesu i poprawienia COP obiegu
stosowany jest zbiornik rozprężonego gazu – EKONOMIZER
pracujący przy ciśnieniu międzystopniowym (pomiędzy ciśnieniem
parownika i skraplacza).
Ciecz czynnika chłodniczego musi być odseparowana od pary w
zbiorniku gazu. Aby mogło do tego dojść prędkość pary odpływającej
ze zbiornika nie może być większa jak < 1 m/s, aby krople czynnika
chłodniczego mogły opaść na skutek sił grawitacyjnych.
Zbiornik gazu jest zaworem ciśnieniowym, w którym rozdzielany jest
czynnik chłodniczy na parę i ciecz przy ciśnieniu międzystopniowym.
Czynnik chłodniczy najpierw jest rozprężany do ciśnienia
międzystopniowego, jakie panuje w zbiorniku, przy wykorzystaniu
zaworu pływakowego niskiego ciśnienia (proces 6-7). Zawór utrzymuje
również odpowiedni poziom cieczy w zbiorniku. Ciecz nasycona (punkt
8) poprzez zawór rozprężny dopływa do parownika uzyskując ciśnienie
parowania (punkt 9).
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
3
2015-12-29
Obieg z upustem pary
Ekonomizer
Para na 2 stopień sprężarki
Ze skraplacza
Do sprężarki
Ekonomizer
Zawór
rozprężny
Ciecz do parownika
Ciecz ze skraplacza
Do parownika
Zawór rozprężny
wtorek, 29 grudnia 2015
Obieg z upustem pary
wtorek, 29 grudnia 2015
Chłodzenie międzystopniowe
Praca sprężania w procesie politropowym:
Praca maleje wraz ze zmniejszaniem się objętości właściwej na wlocie
do sprężarki v1.
Dla danego ciśnienia v1 można zmniejszyć poprzez zmniejszenie
temperatury.
Powyższe spostrzeżenie jest podstawą stosowania procesu chłodzenia
międzystopniowego!
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
4
2015-12-29
Chłodzenie międzystopniowe
Chłodzenie międzystopniowe
Zaoszczędzona
praca sprężania
Ciecz z
skraplacza
Sprężarka
wysokiego
stopnia
Ekonimizer
Sprężarka
niskiego stopnia
wtorek, 29 grudnia 2015
Chłodzenie międzystopniowe
Wylot wody
wtorek, 29 grudnia 2015
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem
międzystopniowym za pomocą chłodnicy wodnej i cieczy chłodniczej
Wlot wody
skraplacz
Sprężarka - II
Sprężarka
wysokiego stopnia
zbiornik
Chłodnica
wodna
Wymiennik ciepła
woda-czynnik
chłodniczy
Sprężarka - I
Sprężarka
niskiego stopnia
parownik
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
5
2015-12-29
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem
międzystopniowym za pomocą chłodnicy wodnej i cieczy chłodniczej
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem …
Wydajność energetyczna systemu
COP:
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem …
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem …
Zalety systemu:
Wady systemu:
 Mały stopień suchości czynnika trafiającego na parownik, powoduje
większy efekt chłodniczy, mniejszy spadek ciśnienia i lepszą wymianę
ciepła w parowniku;
 Straty dławienia są redukowane przez zastosowanie zbiornika
międzystopniowego i upustu odseparowanej pary bezpośrednio na
sprężarkę II;
 Wydajność objętościowa sprężarki jest większa, ponieważ mniejszy
jest stopień sprężania;
 Znaczące zmniejszenie końcowej temperatury sprężania.
 Możliwość przedostawania się cieczy ze zbiornika do przewodów przed
zaworem rozprężnym i częściowym skropleniem;
wtorek, 29 grudnia 2015
Problem ten jest rozwiązywany przez zastosowanie dochładzania cieczy.
wtorek, 29 grudnia 2015
6
2015-12-29
System 2 stopniowy z zbiornikiem cieczy i chłodzeniem …
Wykorzystanie zbiornika gazu do przegrzania pary
dochładzanie cieczy
Chłodzenie międzystopniowe pary czynnika chłodniczego przy użyciu
chłodnicy wodnej możliwe jest w przypadku amoniaku, ze względu na
wysoką temperaturę końcową sprężania.
Z skraplacza
Do sprężarki
wysokiego
ciśnienia
Dla takich czynników jak R-12 lub R-134a, nie jest to możliwe z powodu
niskiej końcowej temperatury sprężania.
Dlatego zamiast przeprowadzać czynnik chłodniczy ze sprężarki
niskiego ciśnienia przez zbiornik, para ze zbiornika mieszana jest z
parą po sprężarce niskiego ciśnienia.
W efekcie, na sprężarkę wysokiego ciśnienia trafia para lekko przegrzana.
Dochładzacz
cieczy
Do parownika
Zawór rozprężny
wtorek, 29 grudnia 2015
Wykorzystanie zbiornika gazu do przegrzania pary
wtorek, 29 grudnia 2015
Wykorzystanie zbiornika gazu do przegrzania pary
skraplacz
Sprężarka II
zbiornik
Sprężarka I
parownik
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
7
2015-12-29
Przykład obiegu wielostopniowego – „lodówka”
Przykład obiegu wielostopniowego
Lodówka domowa
wtorek, 29 grudnia 2015
Domowe urządzenia chłodzące – kategorie wydajności
wtorek, 29 grudnia 2015
Pompa ciepła w funkcji chłodzenie
Kategorie od najwyższej do najniższej zaczynają się do: A, B, C...do G.
Kategoria dla klimatów tropikalnych odnosi się do dopuszczalnej temperatury
zewnętrznej, występują oznaczenia:
N
ST
T
dla normalnego klimatu Tz < 32 ºC,
dla pół-tropikalnego Tz < 35 ºC,
dla „tropików” Tz < 43 ºC.
Litery oznaczają roczne zużycie energii przez urządzenie w kWh na rok.
W urządzeniach domowych znajduje się ok. 0.25 kg czynnika chłodniczego.
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
8
2015-12-29
Pompa ciepła i układ chłodniczy – wydajność systemu w funkcji źródła
ciepła lub chłodu
Temperatura na wlocie
do skraplacza
Pompa ciepła –
przykład doboru
wtorek, 29 grudnia 2015
Układy dwu-stopniowy z pionowym intercoolerem
Najczęściej stosowany w zakresie temperatur pomiędzy -25 do -45°C.
Pionowy
intercooler
Parownik
wtorek, 29 grudnia 2015
Układy dwu-stopniowy z pionowym intercoolerem
Najczęściej stosowany w zakresie temperatur pomiędzy -25 do -45°C.
Wielkość x jest udziałem cieczy odparowującej w intercoolerze.
Zawór
rozprężny
Skraplacz
Zbiornik
Sprężarka
niskiego ciśnienia
Sprężarka
wysokiego ciśnienia
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
9
2015-12-29
Porównanie intercoolera ze zbiornikiem freonu (upustem pary)
+
-
Ograniczenia układów wielostopniowych
INTERCOOLER: Gorący gaz ze
sprężarki niskiego ciśnienia jest zawsze w
pobliżu krzywej nasycenia – nie jest
zbytnio przegrzany. Jest to zjawisko
korzystne dla czynników o wysokich
temperaturach jak np. amoniak.
1.
2.
EKONOMIZER:
Przegrzanie
jest
wynikiem zmieszania pary z gorącym
gazem i nie ma znaczenia krzywa
nasycenia dla pary suchej, stąd stosowany
dla czynników z niską temperaturą po
sprężaniu (HCFC, HFC).
3.
Ponieważ w całym systemie użyty jest tylko 1 czynnik chłodniczy
powinien on mieć wysoką temperaturę krytyczną i niski punkt
zamarzania.
Ciśnienie pracy dla pojedynczego czynnika chłodniczego może
osiągnąć zbyt dużą lub zbyt małą wartość. Ogólnie tylko R-12, R-22
and NH3 mogą pracować w systemach wielo-stopniowych ponieważ
inne konwencjonalne czynniki chłodnicze mogą pracować przy
dużym podciśnieniu (bliskim próżni) przy niskich temperaturach.
Praca przy próżni prowadzi do dużych nieszczelności, co prowadzi
do dużych objętości właściwych sprężarki.
Możliwość migracji oleju z jednej sprężarki do drugiej, powodując
uszkodzenie pierwszej.
Powyższych ograniczeń nie mają systemy kaskadowe!
wtorek, 29 grudnia 2015
Dwa moduły sprężarkowe o
takiej samej mocy pracują
równolegle.
wtorek, 29 grudnia 2015
Dwa niezależne moduły sprężarkowe
gwarantują
ponadto
wysoką
niezawodność
eksploatacyjną.
Zaletą takiego układu jest
możliwość wyłączenia jednego
modułu
przy
mniejszym
zapotrzebowaniu ciepła.
Tak jak w układzie kaskadowym
kotłów grzewczych, zaletą jest tu
znaczne
zwiększenie
niezawodności
eksploatacyjnej całej instalacji.
W pierwszym stopniu ta pompa
ciepła rozwija połowę swojej
mocy.
Dla osiągnięcia pełnej mocy
regulator włącza automatycznie
drugi stopień.
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
10
2015-12-29
Pompa ciepła osiąga, dzięki
wykonaniu dwustopniowemu,
wysoką moc grzewczą.
W systemach kaskadowych seria czynników chłodniczych z malejącymi
temperaturami parowania (NBP) jest wykorzystana w serii pojedynczych
obiegów chłodniczych.
Modułowa budowa na bazie
dwóch osobnych obiegów
sprężarkowych
zapewnia
szczególnie
wysoką
efektywność
w
zakresie
obciążeń częściowych.
Skraplacz niższego obiegu jest połączony z parownikiem wyższego
obiegu, dlatego czynniki chłodnicze w obiegach powinny mieć
odpowiednie charakterystyki jeśli chodzi o ciśnienie i temperaturę.
Element, gdzie ciepło kondensacji niższego obiegu jest wykorzystywane
do odparowania czynnika chłodniczego w wyższym obiegu nosi nazwę
skraplacza kaskadowego.
Dla
osiągnięcia
jeszcze
wyższych
mocy
można
połączyć równolegle kilka
pomp ciepła po stronie
zasilania i powrotu
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
Przykładowo, parą czynników chłodniczych pracujących w kaskadzie
mogą być:
 CO2 (NBP = -78.4oC, Tcr = 31.06oC) jako obieg niższy kaskady i
 NH3 (NBP = -33.33oC, Tcr = 132.25oC) jako obieg górny kaskady.
Proces kaskadowy ma zastosowanie głównie w:





Skraplaniu gazów przemysłowych
Skraplaniu pary w procesach petrochemicznych
Wytwarzaniu suchego lodu
Głębokim mrożeniu
Uzyskiwaniu wysokich temperatur grzewczych
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
11
2015-12-29
Zwykłe, jednostopniowe sprężarkowe
pompy
ciepła,
pracujące
na
powszechnie stosowanych czynnikach
chłodniczych (R 407 C, R 404 A itd.)
osiągają temperaturę na zasilaniu
maksymalnie 55°C.
Jeden agregat zawiera dwie pompy
ciepła, połączone szeregowo poprzez
wymiennik ciepła. Ten pośredni
wymiennik ciepła 1 jest skraplaczem
pompy
ciepła
pierwszego
i
równocześnie parownikiem drugiego
stopnia.
A to jest zbyt mało, by radiatory
normalnej wielkości mogły przekazać
pomieszczeniom dość ciepła.
wtorek, 29 grudnia 2015
Te dwa obiegi pracują zazwyczaj na
różnych czynnikach chłodniczych, np.
R 404 A w dolnym i R 134 A w górnym
stopniu.
W takim układzie oba stopnie muszą
jednak stale pracować, gdyż ciepło z
otoczenia może pobierać tylko stopień
pierwszy, a tylko drugi przystosowany
jest do przekazywania ciepła systemowi
grzewczemu.
wtorek, 29 grudnia 2015
System z auto-kaskadą jest odmianą systemu kaskadowego z jedną
sprężarką. Po raz pierwszy rozwiązanie to zaproponował Ruhemann w
1946.
Skraplacz częściowy
Sprężarka
Skraplacz kaskadowy
Parownik
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
12
2015-12-29
Mieszanina dwóch czynników przepływa przez skraplacz częściowy.
Czynnik o wysokiej temperaturze wrzenia ulega kondensacji na skutek
odprowadzonego ciepła (Qc,out). Skraplanie nastąpi jedynie wtedy gdy,
ciśnienie cząstkowe czynnika górnego obiegu jest takie, że temperatura
nasycenia dla ciśnienia cząstkowego jest większa od temperatury czynnika
chłodzącego skraplacz częściowy. Stąd temperatura nasycenia dolnego
czynnika przy ciśnieniu cząstkowym jest dużo mniejsza od temperatury
czynnika chłodzącego skraplacz częściowy, dlatego czynnik nie może
skondensować i odpływa jako para.
Sprężarka spręża dwa czynniki o małej i wysokiej temperaturze wrzenia
do ciśnienia skraplania górnego obiegu. Aby zaszła wymiana ciepła w
skraplaczy kaskadowym musi wystąpić różnica temperatur ∆T.
Czynnik chłodniczy o niskiej
temperaturze
Czynnik chłodniczy o wysokiej
temperaturze
Ciśnienie po sprężaniu
Skraplacz
kaskadowy
Skraplacz częściowy
Ciśnienie na ssaniu
Sprężarka
wtorek, 29 grudnia 2015
wtorek, 29 grudnia 2015
W każdej instalacji z pompą ciepła można wyróżnić trzy obiegi.
1. Otoczenie, z którego pobierana jest energia, zwane dolnym źródłem ciepła.
2. Wewnętrzny obieg chłodniczy pompy ciepła.
3. Instalacja grzewcza budynku, zwana górnym źródłem ciepła.
wtorek, 29 grudnia 2015
[email protected]
13
2015-12-29
Wzrost temperatury górnego źródła ciepła lub spadek temperatury dolnego
źródła o 1K powodują spadek sprawności pompy ciepła o 2,5%.
Dla tego samego dolnego źródła ciepła, systemy z ogrzewaniem podłogowym
posiadają wyższy współczynnik COP o 35% – 40% niż systemy z grzejnikami.
Zadaniem dolnego źródła ciepła jest dostarczenie energii do urządzenia pompy ciepła.
Dolne źródło ciepła można podzielić na naturalne (odnawialne) oraz sztuczne.
Dolne źródła ciepła
naturalne
szuczne
sztuczne
grunt
gazy,
spaliny
woda
ścieki
woda powrotna z
systemów ciepłowniczych
powietrze
Dolne źródło ciepła powinno posiadać następujące cechy:




Duża pojemność cieplna;
Brak zanieczyszczeń, które powodowałyby korozję materiałów instalacyjnych;
Jak największa temperatura,
Łatwa dostępność.
Naturalne źródła ciepła charakteryzuje to, że ich temperatura jest w znacznej mierze
zależna od warunków atmosferycznych i od pory roku. Również nie zawsze są w
stanie zapewnić 100% zapotrzebowania na ciepło. Ich zaletą jest to, że są łatwo
dostępne.
Ciepło może być „wypompowywane” z następujących
źródeł (dolne źródła ciepła):
 grunt,
 woda gruntowa,
 woda powierzchniowa,
 powietrze zewnętrzne,
 słońce,
 ciepło odpadowe.
woda
rodzaj źródła
grunt
słońce
powietrze
gruntowa
W przypadku sztucznych źródeł ciepła mogą one być bardzo różnorodne.
Temperatury ścieków, spalin czy wód przemysłowych zależą od procesów, podczas
których powstają i są z reguły wyższe od temperatur naturalnych źródeł ciepła. Jednak
ich występowanie jest ściśle związane z ich powstawaniem.
powierz.
Temp., oC
8-12
20-80
4-15
Spadek temp., K
3-4
-
4-6
4-5
15-30
30-400
1,4-2,2
4500-5900
4-5
-
1
Jednost. moc W/m2
h-1
Koszt pozysku
zł/kW
8-12
3-5
5-15
-
14
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Klasyfikacja pomp ciepła wg PN-EN 14511-1:2004






woda – woda
woda – powietrze
powietrze – woda
powietrze – powietrze
solanka (brine) – woda
solanka – powietrze
Gruntowa pompa ciepła GPC
Klasyfikacja pomp ciepła wg PN-EN 14511-1:2004
(W/W)
(W/A)
(A/W)
(A/A)
(B/W)
(B/A)
Ponadto występują oznaczenia liczbowe określające wartość temperatury w oC. Np.:
B0/W50 – pompa ciepła solanka/woda, temperatura solanki dopływającej do
parownika 0oC, a temperatura wody odpływającej ze skraplacza 50oC.
Jako solankę stosuje się najczęściej wodny roztwór glikolu etylenowego (ERGOLID
A) lub propylenowego (ERGOLID EKO).
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy z obiegiem solanki
.
Ciepło
zgromadzone
w
gruncie
odbierane jest bezpośrednio przez
czynnik
chłodniczy
(np. R-290) lub pośrednio za pomocą
solanki.
Mniej kosztowne od pionowych.
Zmienne temperatury na kolektorach.
15
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Grunt jest dobrym akumulatorem ciepła,
gdyż przez cały rok zachowuje
stosunkowo równomierne temperatury
rzędu 7 do 12°C na głębokości 2 m.
Ciepło gruntu pobierane jest przez
mieszaninę
wody
i
środka
przeciwmroźnego
(glikol)
i
transportowane do parownika tzw.
pompy ciepła solanka/woda (glokol w
obiegu pierwotnym, woda w obiegu
wtórnym (grzewczym).
Gleba absorbuje ok. 50% ciepła.
Poniżej 5 m ilości ciepła można pominąć – do 0,1 W/m2.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Gruntowa pompa ciepła GPC – solanka/woda
Kolektor ziemny poziomy
Materiał wymienników to PVC, PE, PP, PB o DN 20-40 mm.
Całość układa się na głębokości 1,2 do 1,5 m, w odległości pomiędzy rurami 0,8 do
1,0m.
Maksymalna długość pętli to
100-150 m dla solanki.
Przyrost temperatury – 10-15K
16
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy – wydajność cieplna z gruntu
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Dno wykopu należy obficie
zwilżyć wodą.
Powtarzać co 0,5m.
Kolektory z bezpośrednim
odparowaniem czynnika
wykonuje się z rur miedzianych
pokrytych powłoką z tworzywa
sztucznego o średnicy 10-12
mm i długości jednej pętli do
60-75 m.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy
Pole powierzchni rur wymiennika A
Qg
ag
moc grzejna pompy ciepła, kW
jednostkowe pole wymiennika gruntowego, m2/kW
Rodzaj gruntu
Ciepło pobierane z gruntu, W/m2
Suchy grunt piaszczysty
10-15
Wilgotny grunt piaszczysty
15-20
Suchy grunt ilasty
20-25
Wilgotny grunt ilasty
25-30
Nasycony wodą piasek/żwir
30-35
17
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny poziomy – wymagamna powierzchnia gruntu pod kolektor
Gruntowa pompa ciepła GPC
W uproszczeniu
można
powiedzieć, że właściwości
akumulacyjne i przewodność
cieplna są tym większe, im
bardziej grunt jest nasycony
wodą,
im więcej jest
składników mineralnych i im
mniejsza jest porowatość.
Tabela określa długości dla mocy pobieranej ze źródła q=25W/m2 i SFP=4,0.
SFP – sezonowy współczynnik wydajności grzewczej (podobnie jak COP tylko
określone dla całego sezonu grzewczego) – będzie mowa później!
Gruntowa pompa ciepła GPC
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektory układać poniżej
strefy przemarzania.
Roślin z głębokimi korzeniami nie należy sadzić w pobliżu kolektora.
Należu rury przysypać piachem, aby uniknąć ich uszkodzenia przez ostre kamienie.
Przed zasypaniem rur konieczne jest wykonanie próby ciśnieniowej.
18
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Gruntowa pompa ciepła GPC – kolektor poziomy
Gruntowa pompa ciepła GPC - kolektor spiralny
Gruntowa pompa ciepła GPC – rodzaje kolektorów płaskich
spiralny
„serpentyna”
„Tichelmanna”
19
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Instalacja dolnego źródła powinna być zrównoważona hydraulicznie poprzez
regulację przepływów w poszczególnych obiegach za pomocą zaworów
równoważących. Regulacja prowadzona powinna być wg jednakowej
temperatury glikolu powracającego z każdej pętli dolnego źródła.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Rozdzielacze obiegu dolnego (solanki)
Materiały instalacyjne wykorzystywane do wykonania dolnego źródła muszą
posiadać odpowiednie dopuszczenia i certyfi
katy do pracy w tym
zastosowaniu.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Rozdzielacze obiegu dolnego (solanki) mogą się znajdować również w
pomieszczeniu w przypadku znacznej liczby obiegów.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego (solanki)
20
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego – przykład (Aspol)
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego
Wyjścia zasilania należy sprowadzić
na poziom czynnika powrotnego
za pomocą kształtek przejściowych.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego - posadowienie
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego – przykład studzienki Spider (Aspol)
Studnia włazowa z wbudowanymi schodami
ułatwiającymi czynnoości serwisowe. Sekcje
kolektorowe rozchodzą się promieniście od
komory rozdzielczej. Zawory odcinające na
rurach dobiegowych wewnątrz studni.
Sekcje zasilające i powrotne ułożone parami
obok
siebie.
Umożliwiają
podłączenie
przewodów
wymiennika
(rur
rozprowadzających) w sposób bezkolizyjny
zapobiegając krzyżowaniu wokół studni
kolektorowej.
21
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Studzienka rozdzielacze obiegu dolnego – przykład studzienki Spider (Aspol)
Gruntowa pompa ciepła GPC – przykład oznaczenia studzienki
Możliwość podłączenia od 17 do 26 obiegów w obrębie jednej studni.
Gruntowa pompa ciepła GPC – studzienki
Dla większej liczby obiegów stosuje się studzienkę zbiorczą
Gruntowa pompa ciepła GPC – Szafki kolektorowe
Dla mniejszej liczby obiegów (od 2 do 5) możliwe jest połaczenie obiegów na
ścianie zewnętrznej budynku w szafce.
22
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC – Szafki kolektorowe
Przykład szafki z rotametrami 2 kolektorowej (ASPOL)
Gruntowa pompa ciepła GPC – Szafki kolektorowe
Dla mniejszej liczby obiegów (od 2 do 3) możliwe jest połaczenie obiegów na
ścianie wewnętrznej budynku w szafce.
Gruntowa pompa ciepła GPC – Szafki kolektorowe wewnętrzne – przykład
Gruntowa pompa ciepła GPC
W układzie dolnego źródła powinno panować nadciśnienie względem
ciśnienia atmosferycznego (np. 1 bar). Jeżeli zastosowane jest naczynie
wzbiorcze i odpowietrzające, to jego napełnienie glikolem wykonuje się do
połowy objętości przy zamkniętym jego zaworze bezpieczeństwa.
Zespół do napełniania i odpowietrzania oraz naczynie wyrównawcze należy
zamontować na rurociągu powrotnym z dolnego źródła.
Podejścia z obiegów lub ze studzienki rozdzielaczowej do budynku powinny
być układane pod ziemią na głębokości nie mniejszej niż 1 m z rozstawem nie
mniejszym niż 1 m. Jeżeli te odległości nie są zachowane, to rurociągi
powinny być izolowane cieplnie. Niezależnie od powyższego warunku
rurociągi wymagają izolacji cieplnej na odcinku do 2 m od ściany budynku.
Izolacja powinna być dostosowana do ułożenia w gruncie. Wewnątrz budynku
rurociągi powinny być izolowane na całej długości od ściany do pompy ciepła
otuliną izolacyjną paroszczelną.
23
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC – przykłady instalacji
Instalacja z jednym obiegiem grzewczym oraz wewnętrznym podgrzewaniem c.w.u.
Gruntowa pompa ciepła GPC – przykłady instalacji
Gruntowa pompa ciepła GPC z kolektorem pionowym
lub poziomym z buforem ciepła w pompie ciepła
zasilającym obieg klimakonwektorów i obieg
grzewczy c.o.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Gruntowa pompa ciepła GPC przykład projektu wymiennika
Zalety:
wysokie COP i SPF
niewielkie koszty inwestycyjne
szybka regeneracja temperatury po o kre sie zimowgo poboru ciepła
Wady:
duże wymagania powierzchniowe
długotrwałe odpowietrzanie
brak możliwości modyfikacji wymiennika poziomego
stopniowy spadek temperatury gruntu podczas ciagłego poboru ciepła
samoistny spapadek temperatury na skutek spadku temperatury powietrza zewnętrznego
24
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC przykład projektu wymiennika
Gruntowa pompa ciepła GPC przykład projektu wymiennika
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Najczęściej stosowane czynniki do pomp ciepła to:
Droższy od poziomego
Wyższa efektywność
Ze 100 m rury w gruncie może
pozyskać strumień ciepła 3-5 kW w
czasie 1 godziny.
Najczęściej stosowane czynniki do
pomp ciepła to:




R-134a
R-410A
R-290 – propan
R-774 – CO2
25
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy – wydajność cieplna dla sondy typu U
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Technologia odwiertów
pompa płuczki
przewód ssawny
płuczka
filtr
żerdź wiertnicza
głowica
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Instalacja z pionowymi wymiennikami ciepła jest dogodnym w użyciu źródłem
ciepła ponieważ temperatura gruntu na głębokości poniżej 10 m jest stała przez
cały rok i wynosi około 10°C.
Sondy montuje się do głębokości 100
m, dzięki czemu odzyskuje się energię
geotermalną ze źródła o niezmiennej
temperaturze.
Aby zapobiec przechładzaniu gruntu
odwierty powinny być wykonywane w
odległości minimum 5 m od siebie, pod
warunkiem, że ich głębokość nie
przekracza 50 m. Jeżeli głębokość
przekracza 50 m odległość ta powinna
wynosić powyżej 8 m.
Kolektory wykonane z rur najczęściej
PE 25x2,3 typoszeregu PE100
w odległość pomiędzy nimi
od 0,9 do 1,6 m.
Połączenia układów pionowych
realizowane są jako szeregowe lub
równoległe (Tichelmanna).
26
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Gruntowa pompa ciepła GPC
Do przygotowania sond i kolektorów ziemnych używa się z reguły przewodów z
tworzyw sztucznych (PE 80 lub PE 100).
Kolektor ziemny pionowy
Sondy pionowe – podział
Najmniej wrażliwe na zmiany temperatury są
sondy koncentryczne.
Poniżej 15 m zmiany temp. nie mają
znaczenia.
Gruntowa pompa ciepła GPC
Gruntowa pompa ciepła GP
Sondy pionowe – przykłady rozwiązań (Aspol)
Sondy pionowe – układy przewodów
27
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GP
Sondy pionowe – przykłady rozwiązań (z rurą przelotową dla płuczki)
Gruntowa pompa ciepła GP
Sondy pionowe – przykłady rozwiązań (z rurą u-kształtną)
Z żerdzią wiertnicza jako rurą popychającą
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Dla sond typu „podwójne U”
28
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
współczynnik przewodzenia
ciepła gruntu i wypełnienia odwiertu.
Gruntowa pompa ciepła GPC – wymiarowanie długości rur
Głębokość sądy pionowej typu U (wg Bose-Parkera):
Gruntowa pompa ciepła GPC – wymiarowanie długości rur
Gruntowa pompa ciepła GPC – wymiarowanie długości rur
Zredukowany jednostkowy opór cieplny materiału rur wymiennika
Zredukowany jednostkowy opór cieplny gruntu dla jednego odwiertu
Dla więcej niż jednego odwiertu
n – liczba odwiertów
Funkcja I(X) zależy od wzajemnej konfiguracji odwiertów.
29
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC – wymiarowanie długości rur
Gruntowa pompa ciepła GPC – wymiarowanie długości rur
Funkcja I(X)
Dla konfiguracji jak na rysunku obok:
x – wielkość charakteryzująca sposób eksploatacji pompy ciepła
z = -x2
Gruntowa pompa ciepła GPC
Thermal Response Test – skąd wiemy ile ciepła z gruntu można pobrać?
Gruntowa pompa ciepła GPC
Thermal Response Test – skąd wiemy ile ciepła z gruntu można pobrać?
Pomiar przewodności gruntu metodą Thermal Response Test (test reakcji
termicznej) za pomocą mobilnego urządzenia pomiarowego TRT.
Metoda thermal Response Test to szybki i skuteczny sposób wyznaczenia
efektywnej przewodności cieplnej gruntu co z kolei pozwala określić zdolność
przekazania ciepła z gruntu do sondy geotermalnej lub odwrotnie.
Ile ciepła uda się pozyskać
w czasie 1 godziny!
Korzyści z wykonania pomiarów :
-pewna informacja nt wydajności cieplnej sondy geotermalnej;
-optymalizacja kosztów dolnego źródła ciepła.
Pomiar tą metodą trwa około 70 godzin. Do przeprowadzenia
pomiaru niezbędne jest zasilenie energią elektryczną o
mocy od 2 do 9 kW w zależności od rodzaju gruntu
i głębokości odwiertu z sondą .
30
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Thermal Response Test – skąd wiemy ile ciepła z gruntu można pobrać?
Jak policzyć?
Średnia temperatura pomiędzy wlotem i wylotem z odwertu testowego
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Średnice przewodu w zależności od długości odwietru
Współczynnik przenikania ciepła dla przewodu
sondy o długości L
m – poślizg czasowy w oddawaniu ciepła do gruntu,
stały dla urządzenia TRT
Koszty wykonania jednego odwiertu łącznie z sondą wynoszą 30 do 50 €/ m,
zależnie od rodzaju gruntu. Dla komfortowego ogrzewania typowego domu
jednorodzinnego w wykonaniu niskoenergetycznym konieczna jest pompa ciepła
o mocy cieplnej ok. 6 kW, dla której konieczna głębokość odwiertu wynosi ok.
95 m. Koszty odwiertu wyniosą więc ok. 3 000 do 5 000 €.
Na tej podstawie wyznacza się opór cieplny gruntu!
Gruntowa pompa ciepła GPC - Kolektor ziemny pionowy
Typoszereg ciśnieniowy przewodów sondy należy bezwzględnie odnosić do
głębokości wywierconych otworów. Dla odwiertów:
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy –długości sond
dla SFP = 4,0 i mocy pobieranej ze źródła q = 50 W/m
o długości do 100m wymaga - HDPE100, co najmniej PN10 (SDR17)
o długości od 100m do 160m - HDPE100, co najmniej PN16 (SDR11)
o długości od 160m do 200m - HDPE100, co najmniej PN20 (SDR9)
Wszystkie przewody rurowe wychodzące ze studni i szafek rozdzielaczowych,
powinny być prowadzone w sposób nie powodujący jakichkolwiek naprężeń.
Nie zachowanie reżimu wynikającego z tej zasady może doprowadzić do:
 uszkodzeń poszczególnych elementów rozdzielacza, skutkujących
pozszczelnieniem i wyciekami medium krążącego w układzie instalacyjnym
dolnego źródła.
 rozszczelnienia przejścia przewodu rurowego przez ścianę studni
rozdzielaczowej, powodując przedostawanie się wód gruntowych do jej
wnętrza.
31
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Studzienka rozdzielaczowa
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Materiał instalacyjny wykorzystywany do wykonania dolnego źródła musi
posiadać odpowiednie dopuszczenia i certyfi
katy do pracy w tym
zastosowaniu.
Zespół do napełniania i odpowietrzania oraz naczynie wzbiorcze i
odpowietrzające należy zamontować na rurociągu powrotnym z dolnego
źródła.
Instalacja dolnego źródła powinna być zrównoważona hydraulicznie poprzez
regulację przepływów w poszczególnych obiegach za pomocą zaworów
równoważących. Regulacja prowadzona powinna być wg jednakowej
temperatury glikolu powracającego z każdej pętli dolnego źródła.
Zaleca się stosować separator powietrza w obiegu dolnego źródła.
W układzie dolnego źródła powinno panować nadciśnienie względem ciśnienia
atmosferycznego (np. 1 bar). Jeżeli zastosowane jest naczynie wzbiorcze i
odpowietrzające, to jego napełnienie glikolem wykonuje się do połowy
objętości przy zamkniętym jego zaworze bezpieczeństwa.
Podejścia z obiegów lub ze studzienki rozdzielaczowej do budynku powinny
być układane pod ziemią na głębokości nie mniejszej niż 1 m z rozstawem nie
mniejszym niż 1 m. Jeżeli te odległości nie są zachowane, to rurociągi powinny
być izolowane cieplnie. Niezależnie od powyższego warunku rurociągi
wymagają izolacji cieplnej na odcinku do 2 m od ściany budynku.
Użyta izolacja powinna być dostosowana do ułożenia w gruncie. Wewnątrz
budynku rurociągi powinny być izolowane na całej długości od ściany do
pompy ciepła otuliną izolacyjną paroszczelną.
32
2015-12-29
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Gruntowa pompa ciepła GPC
Kolektor ziemny pionowy
Zaleca się, aby przed obliczeniem dolnego źródła ciepła rozpoznany został rodzaj
gruntu i podany średni współczynnik przewodności cieplnej λ – lambda [W/mK].
Zalety:
wysokie COP (SPF)
niewielkie wymagania powierzchniowe
stała temperatura niezależnie od
temperatury powietrza zewnętrznego
chłodzenie pasywne
Instalacja powinna być całkowicie odpowietrzona.
Sondy gruntowe powinny być prefabrykowane przez producenta z gotowych
elementów, a następnie dostarczone na budowę.
Wady:
duże koszty inwestycyjne
długotrwałe odpowietrzanie
brak możliwości modyfikacji
długotrwała regenacja temperatury
uwarunkowania prawne
Gruntowa pompa ciepła GPC
Podłaczenie dolnego źródła ciepła do pompy ciepła
Gruntowa pompa ciepła GPC
Podłaczenie dolnego źródła ciepła do pompy ciepła - przykład
33