Projekt koncepcyjny systemu ogrzewania wolnostojącego budynku

Informacja o pracy dyplomowej
1. Nazwisko i Imię:
2. Kierunek studiów:
3. Rodzaj studiów:
4. Specjalnośd:
5. Katedra dyplomująca:
6. Promotor pracy:
7. Recenzent pracy:
8. Termin obrony:
9. Ocena pracy dyplomowej:
10.Temat pracy dyplomowej:
Duda Dawid
adres e-mail: [email protected]
Mechanika I Budowa Maszyn
inżynierskie
Systemy, Maszyny i Urządzenia Energetyczne
Katedra Techniki Cieplnej
dr inż. Waldemar Targaoski
dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG
18.03.2010 r.
Projekt koncepcyjny systemu ogrzewania wolnostojącego
budynku mieszkalnego z wykorzystaniem sprężarkowej
pompy ciepła, z odzyskiem ciepła z wentylacji mechanicznej.
Spis treści
Wstęp
1. Pompa ciepła – zasada działania i dolne źródła ciepła
3
5
1.1. Zasada działania pompy ciepła
5
1.2. Dolne źródła ciepła
8
1.2.1. Woda
9
1.2.2. Grunt
10
1.2.3. Powietrze atmosferyczne
11
2. Techniczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania pompy ciepła
w układzie ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych
13
2.1. Ogrzewanie obiektu
13
2.2. Przygotowanie ciepłej wody użytkowej obiektu
14
2.3. Całkowite koszty ogrzewania Cc obiektu
15
2.3.1. Koszty paliwa
15
2.3.2. Koszty wytwarzania ciepła Cw
16
2.3.3. Koszty związane z amortyzacją urządzenia (kapitałowe) Ck
16
2.4. Porównanie systemów.
3. Odzysk ciepła w układzie wentylacji
3.1. Metody odzysku ciepła w układzie wentylacji.
16
20
21
3.1.1. Recyrkulacja powietrza
21
3.1.2. Regeneracyjny obrotowy wymiennik ciepła
22
3.1.3. Krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła
23
3.1.4. Przeciwprądowy wymiennik ciepła
23
3.1.5. Spiralny wymiennik ciepła
24
4. Obiekt ogrzewany i układ jego wentylacji
25
5. Określenie zapotrzebowania na ciepło
31
5.1. Straty ciepła przez przenikanie
31
5.2. Straty ciepła na wentylację
34
5.3. Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania ciepłej wody użytkowej
35
5.4. Projektowe obciążenie cieplne budynku
36
6. Projekt koncepcyjny układu ogrzewania
37
7. Dobór elementów instalacji
39
7.1. Pompa ciepła
39
7.2. Dolne źródło ciepła
40
7.3. Górne źródło ciepła
43
8. Ocena techniczno – ekonomiczna zaproponowanego układu
47
Podsumowanie
51
Bibliografia
53
Wstęp
Niniejsza praca inżynierska stanowi projekt systemu ogrzewania wolnostojącego budynku
mieszkalnego z wykorzystaniem sprężarkowej pompy ciepła z poziomym kolektorem gruntowym w
dolnym źródle ciepła oraz z rozprowadzeniem ciepła w obiekcie za pomocą układu ogrzewania
podłogowego. Oprócz ogrzewania pomieszczeń system dostarcza energię do ogrzania ciepłej wody
użytkowej.
Praca składa się z ośmiu rozdziałów, z których pierwsze dwa omawiają rozwiązania układów
ogrzewania mające zastosowanie w wolnostojących budynkach jednorodzinnych. W rozdziale
pierwszym omówiona została zasada działania pompy ciepła oraz rodzaje dolnych źródeł ciepła
wykorzystywanych w obiektach o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło. Wady i zalety stosowania
pomp ciepła dla podobnych budynków opisano w rozdziale drugim. W tym miejscu porównano
również wybrane systemy grzewcze z kotłownią olejową, gazową oraz ogrzewaniem elektrycznym.
W rozdziale trzecim omówiono sposoby realizacji odzysku ciepła w układzie wentylacji
mechanicznej. Wentylacja taka zapewnia dostateczną ilość świeżego powietrza niezależnie od pory
roku i warunków atmosferycznych, a zainstalowanie urządzenia do odzysku ciepła zmniejsza
zapotrzebowanie budynku na ciepło.
W rozdziale czwartym opisano obiekt i zaprojektowano układ jego wentylacji, natomiast w
piątym określono zapotrzebowanie cieplne budynku przy projektowej temperaturze zewnętrznej dla
pierwszej strefy klimatycznej w Polsce. Rozdział szósty poświęcony jest koncepcji układu
ogrzewania, do którego w rozdziale siódmym dobrane zostały poszczególne elementy instalacji.
Natomiast w rozdziale ósmym dokonano oceny techniczno – ekonomicznej zaproponowanego
układu w porównaniu z instalacją grzewczą opartą na kotle olejowym.
W przedstawionej pracy zwrócono uwagę na aspekt techniczno – ekonomiczny
wykorzystania sprężarkowej pompy ciepła w celu ogrzewania wolnostojących budynków
mieszkalnych. Należy jednak zwrócić uwagę, że oprócz korzyści ekonomicznych wynikających ze
stosowania takich instalacji, jest to stosunkowo mało uciążliwy dla środowiska naturalnego sposób
na pozyskiwanie ciepła. W XXI wieku ma to niebagatelne znaczenie, a tendencje w rozwiązywaniu
układów ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej w Europie i Polsce
wskazują na zdecydowany rozwój tego typu proekologicznych trendów.
Podsumowanie
Zastosowanie instalacji grzewczej opartej na pompie ciepła dla analizowanego obiektu ma
niewątpliwie wiele zalet, a kierunek rozwoju techniki grzewczej w Polsce i Europie wskazuje, że
można spodziewać się znacznego wzrostu popularności tego typu instalacji w budownictwie
mieszkalnym i nie tylko. Zasadniczymi zaletami są niski koszt eksploatacji, brak konieczności
uzupełniania paliwa oraz brak emisji zanieczyszczeń w miejscu zainstalowania pompy ciepła.
Najpoważniejszą wadą tego systemu jest koszt inwestycyjny, na który składa się wykonanie dolnego
i górnego źródła ciepła oraz wykonanie kotłowni, której najkosztowniejszym elementem jest pompa
ciepła.
Ze względu na obniżenie kosztów inwestycyjnych w niniejszej pracy zaprojektowano
spiralny gruntowy wymiennik ciepła. Uwarunkowania topograficzne dla wybranego obiektu
umożliwiły takie rozwiązanie, nie zawsze jednak jest ono możliwe do zrealizowania. Należy wtedy
rozważyć, jaki rodzaj dolnego źródła ciepła zastosować w konkretnym przypadku. Pionowy
wymiennik gruntowy jest nieco droższy w realizacji, ale użytkownik nie jest ograniczony m. in.
wielkością działki. Gruntowe wymienniki ciepła są często stosowane ze względu na stosunkowo
dobre własności przewodzenia ciepła gruntu oraz niewielkie wahania temperatury w skali roku.
Rozważany obiekt położony jest na terenie, gdzie jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu
𝑊
𝑞𝑒 = 20 𝑚 2 , co jest dobrym uwarunkowaniem dla wymienników poziomych.
Aby pompa ciepła działała ekonomicznie, różnica temperatury skraplania i parowania w
lewobieżnym układzie termodynamicznym powinna być jak najmniejsza. Użytkownik ma niewielki
wpływ na temperaturę dolnego źródła ciepła, ale zastosowanie odpowiedniego systemu
rozprowadzenia ciepła w budynku pozwala obniżyć temperaturę źródła górnego. Spośród
niskotemperaturowych
górnych
źródeł
ciepła
najlepszy
rozkład
temperatury
dla
osób
przebywających w pomieszczeniach ma ogrzewanie podłogowe. Jego popularność jest również
uwarunkowana łatwiejszym, szybszym montażem, co przyczynia się do niższych kosztów instalacji.
W rozważanym obiekcie temperatura zasilania pętli ogrzewania podłogowego wynosi 𝑇𝑧𝑎𝑠 = 35℃,
a temperatura powrotu 𝑇𝑝𝑜𝑤 = 25℃. Dzięki ułożeniu rur ogrzewania podłogowego w układzie
ślimakowym, średnia temperatura dwóch sąsiednich rur jest jednakowa, co pozwala osiągnąć
równomierny rozkład temperatury podłogi.
Zapotrzebowanie na moc grzewczą dla analizowanego budynku zależy od temperatury
zewnętrznej, a maksymalną projektową wartość osiąga jedynie podczas kilku dni sezonu
grzewczego. Z tego względu opłacalny jest dobór pompy ciepła na mniej niż 100% zapotrzebowania
cieplnego budynku. Dodatkowym źródłem ciepła jest grzałka elektryczna, dzięki czemu szczytowe
źródło ciepła stanowi niewielki koszt inwestycyjny. Wybrana pompa ciepła firmy Stiebel Eltron o
symbolu WPF 5 E pokrywa 93% zapotrzebowania cieplnego rozważanego obiektu. Jej wydajność
cieplna w warunkach obliczeniowych kształtuje się na poziomie 5,8 kW, podczas gdy wyliczone
zapotrzebowanie budynku na moc cieplną wynosi 6,2 kW. Tą stosunkowo niską wartość uzyskano
dzięki wykorzystaniu układu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła.
W porównaniu z innymi systemami ogrzewania w przyjętym 20-letnim okresie eksploatacji
pompa ciepła jest najbardziej ekonomiczna i w przypadku analizowanego obiektu generuje
oszczędność 50800 PLN w stosunku do instalacji opartej na kotle olejowym. Oznacza to okres
zwrotu instalacji w siódmym sezonie grzewczym.