Pompy ciepła i kolektory słoneczne w instalacjach ciepłej wody
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 22.06.2017

W artykule scharakteryzowano pompy ciepła z wybranymi dolnymi źródłami ciepła. Porównano opłacalność ich zastosowania jako źródeł ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej w instalacjach pojemnościowych budynków jednorodzinnych i wielorodzinnych, uwzględniając w analizie dodatkowo kolektor słoneczny i kocioł gazowy. Rozważania oparto o wyznaczenie kosztów stałych, zmiennych i całkowitych dla poszczególnych rozwiązań. 

 

Obecnie dominującymi w Polsce źródłami ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej są kotłownie lub węzły cieplne zasilane z elektrociepłowni pracujących w oparciu o spalanie paliw konwencjonalnych, głównie węgla kamiennego i gazu ziemnego. Przy istniejących zasobach paliw kopalnych oraz obecnym poziomie ich zużycia, a także wzroście zapotrzebowania na energię spowodowaną rozwojem technologicznym szacuje się, że zasoby gazu ziemnego wystarczą na 50 lat, ropy naftowej na 40 lat, natomiast węgla na 200 lat [4]. W wyniku spalania paliw kopalnych emitowane są do atmosfery ogromne ilości CO2, SO2, czy też tlenków azotu NOx. Środowisko naturalne nie może wchłonąć tych produktów spalania bez występowania skutków ubocznych, głównie globalnego ocieplenia klimatu, kwaśnych deszczów oraz smogu. W celu ograniczenia tych szkodliwych zjawisk, w „Polityce energetycznej Polski do roku 2030” jako jeden z celów przyjęto wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w finalnym zużyciu energii, co najmniej do poziomu 15% w 2020 roku. Niekonwencjonalne źródła energii mają ogromny potencjał energetyczny, zatem warto poszukiwać efektywnych rozwiązań ich wykorzystania. Przedmiotem artykułu jest analiza opłacalności zastosowania pomp ciepła oraz kolektora słonecznego jako źródeł ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) w pojemnościowych instalacjach ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych.

 

 

2017 4 40 1

Rys. 1. Schemat działania sprężarkowej pompy ciepła [7]

 

 

Zastosowanie pomp ciepła z różnymi dolnymi źródłami ciepła do podgrzewania ciepłej wody

 

Pompa ciepła jest to urządzenie umożliwiające przepływ ciepła z dolnego źródła o temperaturze niższej do środowiska o temperaturze wyższej, przy wykorzystaniu energii napędowej.

 

Zasadę działania sprężarkowej pompy pokazano na rysunku 1. Efektywność energetyczną pompy ciepła charakteryzuje współczynnik wydajności grzejnej COP wyrażony zależnością:

 

COP = Qk / Pn (1)

 

gdzie:


Qk − moc grzewcza uzyskana w skraplaczu, [kW]
Pn − energia napędowa sprężarki, [kW]

 

COP ma tym większą wartość, im mniejsza jest różnica temperatury między dolnym i górnym źródłem ciepła. Im wyższy jest współczynnik COP, tym bardziej ekonomiczna jest praca pompy ciepła. W praktyce sprężarkowe pompy ciepła uzyskują COP na poziomie 2,5÷3,5 i wyższe, a decyduje o nim głównie rodzaj dolnego źródła ciepła.

 

Obecnie często wykorzystywanym dolnym źródłem ciepła w pompach ciepła jest grunt. Temperatura gruntu jest ustabilizowana w ciągu roku, na głębokości około 2,0 m oscyluje w granicach 6÷15°C; natomiast na głębokości 10 m jest stała i w przybliżeniu równa 10°C. Ilość ciepła, jaką można pozyskać jest zależna od rodzaju i wilgotności gruntu. Do pozyskiwania ciepła stosuje się zarówno poziome jak i pionowe kolektory gruntowe (rys. 2.). Wymiennik ciepła w postaci płaskiego, poziomego kolektora gruntowego powinien być umieszczony około 20 cm poniżej strefy przemarzania, praktycznie jest to głębokość 1,2 do 1,5 m. Każde zwiększenie głębokości jest związane z pozyskaniem większej ilości ciepła, ale również rosną przy tym koszty inwestycyjne. Średnice wewnętrzne rur wykonanych z tworzywa sztucznego wynoszą od 20 do 40 mm, a długość jednej sekcji wężownicy nie powinna ze względów hydraulicznych przekraczać 100 m. Pionowe sondy gruntowe wykonuje się najczęściej z rur z tworzywa sztucznego (PE-HD, PB) i umieszcza w odwiertach, formując je w kształt litery U [1]. Sondy pionowe są droższym rozwiązaniem, z uwagi na konieczność wykonania odwiertów, które niekiedy w związku z jednostkową wydajnością cieplną gruntu wymagają odwiertów aż do głębokości 200 m. Pionowe sondy gruntowe gwarantują większą stabilność w dostarczaniu ciepła oraz są rozmieszczone na znacznie mniejszej powierzchni niż kolektory poziome [5]. Nośnikiem ciepła w obu rodzajach kolektorów po stronie dolnego źródła ciepła jest najczęściej roztwór glikolu.

 

 

2017 4 41 1

Rys. 2. Schemat instalacji pompy ciepła z poziomym kolektorem gruntowym oraz z pionowymi sondami gruntowymi [6]

 

 

Znacznie rzadziej stosowane są pompy ciepła z odparowaniem bezpośrednim, w których nie występuje tradycyjny wymiennik gruntowy, a parownik pompy stanowią umieszczone w gruncie miedziane rury napełnione czynnikiem chłodniczym. Rozwiązanie to przyczynia się do zwiększenia współczynnika efektywności energetycznej, dzięki brakowi dodatkowego obiegu nośnika ciepła (glikolu), w tym wymiennika ciepła i pompy obiegowej kolektora gruntowego. Konstrukcja ta obarczona jest licznymi wadami. Parownik musi składać się z dużej liczby mieładzianych rurek, które są osłonięte specjalną, wykonaną z tworzywa sztucznego osłoną, co przyczynia się do zwiększenia kosztów. Pompa z bezpośrednim odparowaniem powinna być zlokalizowana możliwie blisko miejsca poboru ciepła, na zewnątrz obiektu, co powoduje dodatkowe straty ciepła. Na skutek nieszczelności może dojść do „wypływu” czynnika chłodniczego do gruntu, a ponowne napełnienie możliwe jest dopiero po zlokalizowaniu wycieku i uszczelnieniu obiegu.

 

Kolejne dolne źródła ciepła, jakie mogą być zastosowane to wody gruntowe, w. głębinowe, w. powierzchniowe czy w. geotermalne. Wody gruntowe i głębinowe cechują się zmiennością temperatury w zakresie 8÷12°C. Woda gruntowa pobierana jest ze studni czerpalnej (zasilającej), następnie w parowniku oddaje ciepło czynnikowi chłodniczemu krążącemu w obiegu pompy ciepła, schładza się i jest odprowadzana do studni chłonnej (zrzutowej). Studnie (rys. 3.) są jednak rozwiązaniem kosztownym inwestycyjnie. Wydajność studni, zależna od lokalnych warunków gruntowych powinna zapewnić ciągłość przepływu wody w nominalnych warunkach pracy pompy ciepła. Woda powinna charakteryzować się odpowiednim składem chemicznym, głównie niewielką zawartością żelaza, które wpływa na proces zamulania studni zrzutowej [2]. Układ musi być szczelny, aby na skutek kontaktu wody z powietrzem nie dochodziło do utleniania i odkładania żelaza. Na ściankach studni może się odkładać szlam. Z wód powierzchniowych jako dolnego źródła ciepła pozyskuje się ok. 20 W/mb przy średniej temperaturze w ciągu roku około 5°C i zakładanym spadku temperatury w parowniku 2÷3 K.

 

 

2017 4 41 2

Rys. 3. Schemat pompy ciepła typu woda-woda z sondami pionowymi [6]

 

 

Kolejnym typem urządzeń pozyskujących energię ze źródeł niskotemperaturowych są pompy ciepła typu powietrze-woda (rys. 4.). Moc cieplna tych pomp jest ściśle związana z temperaturą powietrza i zwiększa się wraz ze jej wzrostem. W pompach ciepła powietrze-woda można pozyskiwać ciepło nawet przy bardzo niskich temperaturach powietrza. Zaletą tego rozwiązania jest dostępność powietrza oraz niższe nakłady finansowe na prace instalacyjno-budowlane. Pompa ta charakteryzuje się jednak niższym współczynnikiem wydajności grzewczej niż pompy ciepła typu roztwór glikolu-woda i woda-woda. Wadą tej pompy ciepła jest hałas towarzyszący pracy wentylatora oraz możliwość obladzania parownika, gdy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej 0°C. Zamarzanie parownika blokuje przepływ powietrza i spadek wydajności cieplnej pompy ciepła. Do odmrażania wykorzystuje się grzałki elektryczne lub odwrócony obieg w pompie ciepła, co jest związane ze zużyciem dodatkowej ilości energii.

 

 

2017 4 41 3

Rys. 4. Schemat pompy ciepła typu powietrze-woda [6]

 

 

Instalacja ciepłej wody zasilanej pompą ciepła − przykład

 

Przykładowy schemat cieplny układu podgrzewania ciepłej wody w pojemnościowym podgrzewaczu ciepłej wody z zastosowaniem pompy ciepła pokazano na rysunku 5. W tym przypadku pompa ciepła współpracuje z pionowym kolektorem gruntowym jako dolnym źródłem ciepła. Woda podgrzana w skraplaczu pompy ciepła za pomocą pompy ładującej jest przetłaczana przez wężownicę podgrzewacza pojemnościowego, w którym spełnia rolę czynnika grzejnego dla zimnej wody wodociągowej. Ciepła woda podgrzana w podgrzewaczu jest kierowana bezpośrednio do instalacji. W dużych instalacjach, w budynkach wielorodzinnych stosuje się system cyrkulacji, którego zadaniem jest zapewnienie odbiorcy w punkcie poboru wody o odpowiedniej temperaturze, tuż po otwarciu wypływu. W przedstawionym przykładzie (rys. 5.) pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, nie wspomaga jej żaden inny system. Pracą pompy ładującej zbiornik i pracą pompy obiegowej pompy ciepła steruje układ automatyki z czujnikiem temperatury w podgrzewaczu. Ewentualne dogrzewanie ciepłej wody użytkowej może nastąpić poprzez załączenie się elektrycznej grzałki w zbiorniku podgrzewacza.

 

 

2017 4 42 1

Rys. 5. Uproszczony schemat instalacji c.w.u. zasilanej pompą ciepła z gruntem jako dolnym źródłem ciepła (na podstawie [8])

 

 

W przypadku podgrzewania ciepłej wody występują pewne ograniczenia. Z uwagi na groźbę wystąpienia w podgrzewaczu pojemnościowym bakterii Legionella wymagana jest możliwość przeprowadzenia dezynfekcji termicznej. W związku z tym w podgrzewaczu zainstalowana jest grzałka elektryczna, która zapewnia okresowe podgrzanie wody do temperatury powyżej 60°C.

 

 

Pompa ciepła jako źródło zasilania instalacji c.w.u.

Zapotrzebowanie mocy cieplnej na podgrzanie c.w.u. w budynku jedno- i wielorodzinnym

 

W celu porównania efektywności ekonomicznej zastosowań różnych źródeł ciepła do zasilania instalacji ciepłej wody użytkowej wyznaczono koszty inwestycyjne i koszty całkowite 5 różnych wariantów źródeł ciepła dla dwóch instalacji, odrębnie dla budynku jednorodzinnego i wielorodzinnego.

 

Trzy pierwsze warianty obejmują pompy ciepła z różnymi dolnymi źródłami ciepła: z poziomym wymiennikiem gruntowym (wariant 1), z pionowymi sondami gruntowymi (wariant 2) i powietrzną pompą ciepła (wariant 3). Wariant 4 stanowią kolektory słoneczne współpracujące z kotłem gazowym, a w wariancie 5 rozważano zastosowanie kotła gazowego do pokrycia całkowitego zapotrzebowania mocy cieplnej na cele c.w.u.

 

Budynek jednorodzinny o powierzchni użytkowej A = 156 m2 jest wyposażony w jedną wannę o jednostkowym zużyciu wody Vjw = 140 dm3/h oraz dwie kabiny prysznicowe o jednostkowym zużyciu wody Vjw = 40 dm3/h. Na podstawie obliczeń wg met. Sandera wymagana średnia moc cieplna do podgrzania ciepłej wody w instalacji pojemnościowej wyniosła Qcwuśr = 1,9 kW.

 

Budynek wielorodzinny o powierzchni użytkowej A = 295 m2 jest dwukondygnacyjny i znajduje się w nim 7 mieszkań. W zależności od standardu, ilości osób i wyposażenia w urządzenia sanitarne w budynku występują cztery typy mieszkań. Standard wyposażenia mieszkań ma wpływ na wielkość zapotrzebowania mocy cieplnej na podgrzanie wody. W tym przypadku dla instalacji pojemnościowej moc cieplna obliczona wg liczby znamionowej N, wyniosła Qcwu śr = 9,5 kW.

 

 

Alternatywne rozwiązania źródeł ciepła na podgrzanie c.w.u. w rozpatrywanych budynkach

 

Dla wyznaczonego zapotrzebowania mocy cieplnej Qcwu śr dla obu rodzajów budynków dobrano stosownie do rozważanych wariantów trzy różne dolne źródła ciepła. Podstawowe dane techniczne urządzeń wraz z niezbędnymi informacjami nt. dolnych źródeł ciepła zamieszczono w tabeli 1. Dane te są podstawą do wyznaczenia kosztów inwestycyjnych i kosztów całkowitych poszczególnych wariantów.

 

 

2017 4 43 1

 

 

Analiza efektywności ekonomicznej

 

(...)

 

 

Podsumowanie

 

O wyborze źródła ciepła do pokrycia zapotrzebowania mocy cieplnej na podgrzanie wody w instalacji centralnego ogrzewania czy instalacji ciepłej wody użytkowej powinna decydować rzetelna analiza techniczno – ekonomiczna.

 

O względach technicznych w przypadku pomp ciepła decyduje możliwość wykorzystania odpowiednich źródeł ciepła. Należy rozważyć np., czy inwestor dysponuje odpowiednią wynikającą z obliczeń powierzchnią terenu (wymiennik gruntowy poziomy), czy w przypadku zamiaru wykorzystania kolektorów pionowych wydajność energetyczna wymaganych odwiertów jest wystarczająca. W tej sytuacji alternatywnym wyjściem jest zastosowanie powietrznej pompy ciepła, która nie wymaga większych nakładów na instalację poboru powietrza atmosferycznego, ale odpowiednio do temperatury powietrza ulega wahaniom jej moc grzejna. Zastosowanie kolektorów słonecznych wymaga m.in. odpowiedniej konstrukcji dachu oraz bezpośredniego dostępu promieniowania słonecznego z wykluczeniem zacieniania przez sąsiednie budynki lub drzewa.

 

W przypadku źródeł niekonwencjonalnych najtańszym rozwiązaniem w przypadku domu jednorodzinnego była powietrzna pompa ciepła, a w przypadku domu wielorodzinnego kolektory słoneczne (bez uwzględnienia dodatkowego źródła szczytowego).

 

Najbardziej korzystnym pod względem inwestycyjnym dla obu rodzajów budynków jest kocioł gazowy. Podstawową wadą tego rozwiązania są wysokie koszty zmienne wynikające z wysokich i zmieniających się cen gazu, stąd rozwiązanie jest jednym z najdroższych w eksploatacji.

 

Uogólnienie uzyskanych w pracy wyników wymaga jeszcze wielu podobnych analiz w odniesieniu do budynków jednorodzinnych i wielorodzinnych.

 

 

 

 

 dr inż. Grzegorz KRZYŻANIAK
− Politechnika Poznańska,
Instytut Inżynierii Środowiska,
Zakład Ogrzewnictwa Klimatyzacji
i Ochrony Powietrza

 

 

LITERATURA:

GASSNER A.: Instalacje sanitarne. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 2008.

OSZCZAK W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2009.

TABAKA E. K.: Praca pojemnościowych podgrzewaczy ciepłej wody użytkowej z niekonwencjonalnymi źródłami ciepła. Praca dyplomowa magisterska – niepublikowana. Politechnika Poznańska 2016.

WIŚNIEWSKI G., GOŁĘBIEWSKI S., GRYCIUK M.: Kolektory słoneczne. Poradnik wykorzystania energii słonecznej. Centralny ośrodek informacji budownictwa Warszawa 2001.

http://www.gazuno.pl/ghp-vs-gahp-czyto-jest-to-samo.html  

http://www.klima-pol.com.pl

http://www.mt.com.pl/pompa-ciepla-nieco-historii

www.viessmann.pl 

 

 

PODOBNE ARTYKUŁY:

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.