Pompa ciepła

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Chłodnictwo
Katedra Techniki Cieplnej
„Czy w warunkach polskich uzasadnione jest pod względem
ekonomicznym stosowanie do ogrzewania pompy ciepła w
systemie monowalentnym czy biwalentnym?”
Wykonali:
Michalik Przemysław
Kosiński Mariusz
SMiUE
Gdańsk 2008
Spis treści
1. Podstawowe pojęcia............................................................................................................ 3
2. Wykorzystanie i kryteria decydujące o wyborze systemu ogrzewania z pompą ciepła...... 5
3. Podsumowanie .................................................................................................................... 8
Literatura: ................................................................................................................................... 9
1. Podstawowe pojęcia
Pompa ciepła jest urządzeniem wymuszającym przepływ ciepła z obszaru o niŜszej
temperaturze do obszaru o temperaturze wyŜszej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu
kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej
(w pompach ciepła spręŜarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych).
Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:
•
gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamraŜarki)
•
przetwórstwie spoŜywczym (chłodnie, zamraŜalnie, fabryki lodu)
•
klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń)
•
chłodnictwie
•
ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników
wodnych lub powietrza)
W chłodziarkach i zamraŜarkach ciepło jest "wypompowywane" z przechowywanych
produktów (co obniŜa ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka
lub zamraŜarka. Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń "wypompowuje"
ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnątrz budynku)
i po podniesieniu
temperatury czynnika roboczego
oddaje ciepło
do ogrzewanego
pomieszczenia.
Zasada działania spręŜarkowej pompy ciepła. Nazwa "pompa ciepła" jest uŜyta
przez analogię do nazwy powszechnie znanej "pompy hydraulicznej" pompującej ciecz
(najczęściej wodę) z niŜej połoŜonego zbiornika do zbiornika połoŜonego wyŜej. Zarówno
"pompa hydrauliczna" jak i "pompa ciepła" potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy
ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyŜszej temperatury do niŜszej), przepływ tego
ciepła moŜe być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody
płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby
"zmusić" ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niŜszej do wyŜszej)
naleŜy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z
dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji "pompa ciepła" i "silnik
cieplny" mogą być jednym urządzeniem, podobnie jak jednym urządzeniem mogą być pompa
hydrauliczna i silnik hydrauliczny (np. turbina Kaplana) w elektrowni szczytowo-pompowej.
SpręŜarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący
odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez roboczy czynnik
termodynamiczny (freon, amoniak, spręŜony dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło
ciepła), w którym czynnik odparowuje i trafia do spręŜarki, gdzie rośnie energia wewnętrzna
czynnika (a więc i temperatura), a następnie w skraplaczu oddaje ciepło (górne źródło ciepła)
skraplając się i przez zawór dławiący lub rurkę kapilarną, trafia z powrotem do parownika.
Pompy ciepła wykorzystują ciepło niskotemperaturowe (o niskiej energii) (w praktyce 0°C 60°C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.
Systemy z pompami ciepła
1. System monowalentny – jest to system w którym jako źródło ciepła wykorzystuje
się tylko jedno urządzenie, np. pompa ciepła, kocioł gazowy itp., bez dodatkowych
urządzeń.
2. System biwalentnym – jest systemem wykorzystujący dwa lub więcej źródeł
ciepła do ogrzania tego samego obiektu. Źródła te są ze sobą sprzęŜone
poprzez układy elektroniczne i mogą pracować jednocześnie lub pojedynczo
w zaleŜności od zapotrzebowania na ciepło. Często spotykanym systemem
biwalentnym jest połączenie pompy ciepła z grzałką elektryczną lub kotłem
gazowym. Pompa ciepła pokrywa główne zapotrzebowanie na ciepło, w momencie
kiedy
zapotrzebowanie
to
przewyŜsza
automatycznie drugie źródło ciepła.
moŜliwości
pompy
dołącza
się
2. Wykorzystanie i kryteria decydujące o wyborze systemu
ogrzewania z pompą ciepła
Pompy ciepła powoli zaczynają się pojawiać na polskim rynku i cieszą się
coraz większa popularnością, 40% budujących rozwaŜa moŜliwość zastosowania pompy
ciepła. Prognozy na przyszłość są obiecujące ze względu na modernizację ogrzewania
w starych budynkach. W Europie instaluje się pompy ciepła w 30-50% nowych budynków.
Większość inwestujących decyduje się na instalację pompy ciepła ze względu na:
•
Wzrost cen baryłek ropy naftowej
•
Rosnące ceny gazu ziemnego, węgla oraz innych paliw
•
Względy ekologiczne
•
Niskie koszty eksploatacyjne
Kryteria i zalecenia jakie naleŜy zbadać przed instalacją pompy ciepła
•
Dostępność dolnego źródła ciepła
•
Odpowiednia izolacyjność budynku
•
Niskotemperaturowy system ogrzewania zainstalowany wewnątrz budynku
•
•
NaleŜy takŜe:
Przeprowadzić rachunek ekonomiczny pozwalający na instalację optymalnego
systemu grzewczego
•
Uwzględnić czas eksploatowania danej instalacji
Sumaryczny koszt eksploatacji systemu biwalentnego składa się z kosztów:
- energii elektrycznej
Bep
- paliwa gazowego
Bek
- kapitałowych pompy ciepła
Bkap-p
- kapitałowych kotła
Bkap-k
Proporcjonalne koszty wytwarzania przyjęto 8% kocioł, 5% pompa ciepła, koszty
utrzymania 2% kosztów inwestycyjnych,
Roczny koszt eksploatacyjny:
Bsb= Bkap-p+ Bkap-k+ 1.05Bep+ 1.08Bek+ 0.02(Bp+Bk)
Dla przykładu podajemy porównanie kosztów ogrzewania domku ok. 300m2,
dla róŜnych źródeł ciepła w Polsce:
Do określenia rocznych kosztów eksploatacyjnych dla systemu grzewczych naleŜy
obliczyć całkowitą ilość ciepła Qc, zuŜytego w ciągu roku na potrzeby centralnego
ogrzewania i ogrzania ciepłej wody uŜytkowej:
Qc=365*Qewu+∑Qcoi*T
Qewu – dzienne zapotrzebowanie energii na podgrzanie c.w.u.
Qcoi – obciąŜenie cieplne na ogrzewanie budynku w i-tym przedziale temperaturowym
T – czas trwania i-tego przedziału temperaturowego
Pompa ciepła w systemie biwalentnym, w najlepszym przypadku powinna zajmować
60% zapotrzebowania ciepła dla najzimniejszych dni w sezonie grzewczym, resztę
zapotrzebowania zapewniać powinien np. kocioł gazowy, olejowy itp.
Roczny
koszt
eksploatacji
–
system
rozdzielony
pompa
ciepła
P-W
z konwencjonalnym kotłem gazowym lub z kondensacyjnym kotłem gazowym dla róŜnych
obciąŜeń minimalnych
3. Podsumowanie
Optymalne
z
punktu
ekonomicznego
rozwiązanie
powinno
zmierzać
do zastosowania układu biwalentnego, indywidualnie projektowanego dla kaŜdej
inwestycji. W przypadku instalacji o małych nominalnych obciąŜeniach cieplnych
rozwaŜyć naleŜy stosowanie układu z PC pow – woda. W obiektach o duŜych wartościach
nominalnych obciąŜeń cieplnych lepsze są pompy ciepła grunt woda pracujące cyklicznie
w taryfie nocnej. W przypadku rozpatrywanych konfiguracji układów biwalentnych
wraz ze wzrostem nominalnego obciąŜenia cieplnego minimum kosztów dla wybranego
układu pracy przesuwa się w kierunku większego wykorzystania urządzeń o niŜszych
kosztach wytwarzania energii czyli pomp ciepła
Literatura:
Artykuł „Analiza techniczna i optymalizacja ekonomiczna biwalentnego systemu
pompa ciepła- kocioł gazowy”, dr inŜ. J. śelasko, mgr inŜ. A. Łachut, Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna 10/2007
Artykuł „Ocena techniczno-ekonomiczna stosowania pomp ciepła w systemach
ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych” część 1 i 2, mgr inŜ. J. Sieniuc,
dr inŜ. Z. Bonca, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 9 i 10/2005
Artykuł wstępny „Pompy ciepła w ogrzewaniu budynków mieszkalnych”, Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna 9/2007
Artykuł „Zastosowanie pompy ciepła w budownictwie jednorodzinnym”, Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna 3/2002
Dom energooszczędny z pompą ciepła
http://www.solarshop.pl/solarshop/gfx/s12.gif
http://www.dom4you.republika.pl/Wykres300.jpg
http://www.ogrzewnictwo.pl/index.php?akt_cms=155&cms=325