inżynieria instalacji pomp ciepła

Transkrypt

Tomasz Mania, Joanna Kawa
INŻYNIERIA INSTALACJI POMP CIEPŁA
ISBN: 978-83-64423-38-3
INŻYNIERIA INSTALACJI
POMP CIEPŁA
Monografia
pod redakcją Adama MrozińskIEGO
Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych
INŻYNIERIA
INSTALACJI POMP CIEPŁA
1
2
INŻYNIERIA
INSTALACJI POMP CIEPŁA
Monografia
pod redakcją Adama MrozińskIEGO
3
Autorzy:
Mgr inż. Tomasz Mania
Mgr Joanna Kawa
Recenzent - Prof. dr hab. inż. Janusz Badur
Redaktor - Dr inż. Adam Mroziński
ISBN: 978-83-64423-38-3
Projekt i opracowanie graficzne, skład, łamanie, druk i oprawa:
Grafpol Agnieszka Blicharz-Krupińska
ul. Czarnieckiego1
53-650 Wrocław
tel. 507 096 545
fax 71 797 88 80
Bydgoszcz 2016
4
Spis treści
I. INSTALACJE POMP CIEPŁA......................................................................................9
1. Wprowadzenie..............................................................................................................9
2. Pompa ciepła – historia, zasada działania, systematyka...............................................9
3. Podział i systematyka pomp ciepła.............................................................................17
4. Zakres stosowalności układów opartych o pompy ciepła..........................................20
5. Podsumowanie............................................................................................................51
6. Literatura....................................................................................................................52
II. DOLNE ŹRÓDŁA POMP CIEPŁA.............................................................................53
1. Wprowadzenie............................................................................................................53
2. Rodzaje dolnych źródeł do pomp ciepła.....................................................................53
3. Przykład obliczeniowy dla wybranego obiektu wraz z symulacją numeryczną........92
4. Podsumowanie..........................................................................................................106
5. Literatura..................................................................................................................106
III.MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA INSTALACJI DOLNYCH ŹRÓDEŁ
DO BUDOWY SYSTEMÓW OGRZEWANIA POWIERZCHNI
ZEWNETRZNYCH PRZY UŻYCIU UKŁADÓW OZE.......................................107
1. Wstęp.......................................................................................................................107
2. Wprowadzenie.........................................................................................................107
3. Cel opracowania......................................................................................................108
4. Drogowe technologie energetyczne - podział systemów........................................108
5. Usłonecznienie powierzchni Polski.........................................................................113
6. Systemy odladzania powierzchni stosowanych w Polsce.......................................118
7. Analiza techniczna rozwiązań instalacji topnienia śniegu i odladzania
powierzchni zewnętrznych......................................................................................119
8. Analiza obliczeniowa systemu przypowierzchniowego ogrzewania gruntu
zasilanego z OZE.....................................................................................................136
5
9. Podsumowanie i Wnioski..........................................................................................140
10. Literatura.................................................................................................................141
IV. RODZAJE POMP CIEPŁA.......................................................................................142
V. PRZEGLĄD CZYNNIKÓW CHŁODNICZYCH DO POMP CIEPŁA...............181
1. Czynniki chłodnicze do pomp ciepła.........................................................................181
2. Literatura....................................................................................................................194
6
Mgr Joanna Kawa – prawnik, absolwentka Wydziału Prawa
Uniwersytetu Gdańskiego i doktorantka na tym Wydziale, oraz
menadżer zarządzania projektami badawczo-rozwojowymi jednostek naukowych, oraz Doradca Finansowy z uprawnieniami
nadanymi przez KNF. Obecnie powołana przez Ministra Piechocińskiego na podstawie ustawy Prawo Energetyczne na członka
organu ustawowego - Komitetu Odwoławczego w sprawie certyfikacji i akredytacji instalatorów OZE.
Zawodowo związana z Polskim Stowarzyszeniem Pomp Ciepła
oraz spółkami z obszaru OZE gdzie pełni funkcje Prezesa oraz
członka Zarządu zajmując się szeroko rozumianymi technologiami OZE oraz szkoleniami związanymi z OZE oraz popularyzacją postaw prosumenckich w społeczeństwie. W swoim dorobku naukowym posiada wiele
publikacji z zakresu prawa energetycznego, europejskiego oraz OZE. Dydaktykę prowadzi
w ramach Studiów Podyplomowych z zakresu OZE na Uniwersytecie Technologiczno – Przyrodniczym w Bydgoszczy.
Mgr inż. Tomasz Mania – pracownik naukowo-dydaktyczny
Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy,
doktorant (PG /IMP PAN), absolwent Wydziału Oceanotechniki
i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej. Menadżer zarządzania
projektami badawczo-rozwojowymi jednostek naukowych, Prezes Zarządu Polskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła od 20 lat
czynny w zawodowo (Budownictwo i Energetyka OZE). Współautor wielu koncepcje i projektów oraz wdrożeń takich jak: Centrum Badawcze PAN - Konwersja Energii i Źródła Odnawialne
(współautor koncepcji budowlano-instalacyjnej), Molo Sopot
Budynek Kubaturowy, Akwarium Gdyńskie, SKŻ Sopot Hestia,
Muzeum w Biskupinie, Narodowe Centrum Żeglarstwa w Gdańsku, Szkoła Podstawowa w Cedrach Wielkich i w Cedrach Małych, Centrum Hewelianum,
Muzeum Wraków w Tczewie, Remiza Strażacka w Purdzie, Dom Uphagena w Gdańsku, Centrum Kultury w Chojnicach, Budynek NOT w Gdańsku, Instytut Sztuki Wyspa w Gdańsku
i wiele innych. Pomysłodawca i realizator unikalnych w skali kraju studiów podyplomowych
z pomp ciepła i magazynowania energii ciepła na UTP w Bydgoszczy współfinansowanych
z Funduszy Norweskich. Zawodowo związany również z Polskim Stowarzyszeniem Pomp
Ciepła (członek założyciel) od 2002 roku do dnia dzisiejszego. W swoim dorobku naukowym
posiada około 40 publikacji z zakresu pomp ciepła, magazynowania energii, budownictwa
ekoenergetycznego i efektywności energetycznej. Dydaktykę prowadzi w ramach Studiów
Podyplomowych z zakresu OZE na Uniwersytecie Technologiczno – Przyrodniczym w Bydgoszczy (pracownik naukowy - asystent), Sopockiej Szkole Wyższej kierunek Architektura
i Urbanistyka oraz w IMP PAN w Gdańsk z zakresu OZE w praktyce.
7
Motto
Ogrzewanie przez spalanie jest równie stare jak ludzkość.
W najbliższych latach prawdopodobnie zacznie być traktowane jak relikt przeszłości. Paliwa pierwotne są zbyt cenne,
żeby używać ich do spalania tylko po to, aby ogrzać pomieszczenie do 200C
dr R. Jacobs,
Koordynator European Heat Pumps Summit.
8
I. INSTALACJE POMP CIEPŁA
1. Wprowadzenie
Potrzeby energetyczne ludzkości stale rosną, szczególnie widoczne jest to w branży
grzewczej. Postęp cywilizacyjny na przełomie XX i XXI wieku doprowadził do spustoszenia
zasobów naturalnych, degradacji środowiska naturalnego oraz zanieczyszczeniu atmosfery
do tego stopnia, iż niektórych miasta w Polsce (np.: Kraków) zakazano całkowitego spalania
w obrębie centrum. Można powiedzieć, że jest to ostatni sygnał dla ludzkości aby sięgnąć
po inne alternatywne źródła energii oraz zmodernizować istniejącego systemy grzewcze do
tego stopnia aby były jak najmniej uciążliwe dla środowiska. Polityka UE i wprowadzanie
restrykcyjnych przepisów odnośnie systemów grzewczych jak i promowanie efektywności
energetycznej na wszystkich poziomach gospodarki spowodowało większe zainteresowanie
systemami opartymi na pompach ciepła. Pompy ciepła ,,Ciągle u Nas nie doceniane…” to
hasło w dobitny sposób oddaje istotę sprawy jeżeli chodzi o energetykę rozproszona i dywersyfikację źródeł ciepła, chłodu oraz prądu. Kierunku rozwoju budownictwa oraz przemysłu zostały już określone przez wiele państwa w Europie jak i na Świecie. Efektywności
EkoEnergetycznej nie jesteśmy wstanie zbudować bez OZE ze szczególnym naciskiem na
pompy ciepła. Pompa ciepła sama w sobie nie jest urządzeniem grzewczym ale transformatorem stanów energetycznych i swoją ,,wielkość” zawdzięcza możliwością zagospodarowania
różnych rodzajów energii o zróżnicowanych potencjałach egzergetycznych. W dalszej części
artykułu zostanie przeprowadzony analiza dostępnych technologii pomp ciepła w stosunku
do możliwości zastosowań w budownictwie oraz przemyśle w celu zwiększenia efektywności energetycznej nowych jak i istniejących układów.
2. Pompa ciepła – historia, zasada działania, systematyka
Poniższe motto jest tak naprawdę kwintesencją zdefiniowania problematyki związanej
z zastosowaniem układów, które w sposób bezemisyjny lub niskoemisyjny wytwarzają energię ciepła i chłodu a w przyszłości w układach hybrydowych będzie wytwarzana również
energię elektryczną. Technologicznie jedynym układem mogącym sprostać temu zadaniu jest
właśnie pompa ciepła.
Pompa ciepła (ang. heat pump) została zdefiniowana w literaturze technicznej jako maszyna cieplna lub jako urządzenie chłodnicze do przekazywania energii ciepła lub chłodu
na drodze procesów termodynamicznych z ośrodków o niższej temperaturze do ośrodków
o wyższej temperaturze. Konwersja energii w pompach ciepła może odbywać się na różnych
poziomach egzergetycznych.
Pierwszym, który opisał relacje między ciepłem a pracą był francuz Nicolas Léonard
Sadi Carnot . Jego książka z 1824 roku pozostawała nieznany aż do jego śmierci do roku
1832. Została ona opublikowana prywatnie. Decydujący wkład Carnota w rozwój nauki dotyczył opisania relacji zachodzących pomiędzy energią mechaniczną która może być przekształcana na całkowicie na energię cieplną, również częściowo energia cieplna może być
przekształcona w energię mechaniczną.
9
Rys. 1. Książka opisująca relacje między ciepłem a pracą. Oryginalny tytuł ,,Motive Power of Heat”
N.L.S. Carnot [22]
Kolejnym naukowcem był Robert Julius von Mayer, który ustanowił zasadę równoważności pracy i ciepła w roku 1842. W 1843 roku anglik James Joule udowodnił w eksperymentalny sposób twierdzenia Mayers. 1847 roku, niemiecki uczony Hermann von Helmholtz
opublikował artykuł, w którym opisał zasadę zachowania energii w sposób ogólny .
Rudolf Julius Emanuel Clausius niemiecki fizyk i matematyk uważany jest za jednego
z głównych prekursorów termodynamiki jako nowej gałęzi nauki [Cardwell 1971]. Przekształcił zasady Sadi Carnota znane pod nazwą cykli Carnota, wprowadził pojęcie entropii i precyzyjnie sformułował II zasadę termodynamiki.
W 1851 roku, niezależnie od Clausiusa, ale uznając jego priorytet, Lord Kelvin (późniejszy Lord Kelvin) znaleźć bardziej ogólny wzór na 2. Zasady. W 1852 roku wprowadził termodynamicznej skali temperatur. W 1866 roku, austriacki fizyk Ludwig Eduard Boltz- Mann
dał nowe znaczenie do 2. Zasada łącząc pojęcie entropii do pojęcia prawdopodobieństwa
w fizyce statystycznej. Entropia stanowi zatem stopień nieuporządkowania, a zasada Carnot
staje się wyraźniejszy.
1873 do 1878 roku Amerykanin Josiah Willard Gibbs wprowadzono entalpię do teoretycznych dynamiki termoplastycznych. Richard Mollier przyniósł go do stosowanych termodynamiki (1902) i wykorzystał je jako jeden z jego współrzędnych termodynamicznych
10
diagramów (druga była entropia lub ciśnienia) dla amoniaku i CO2 od roku 1904. Przez diagramów dał graficzną wizualizację i łatwo zrozumiały sposób obliczenia cykl sprężania pary.
Carnot
Mayer
Joule
Helmholtz
Clausius
Thomson/Kelvin
Boltzmann
Gibbs
Prekursorzy podstaw naukowych i technicznych technologii pomp ciepła
Historia pomp ciepła ma już prawie 200 lat i jest powiązana z odkryciami w dziedzinie chłodnictwa. W 1810 roku szkocki naukowiec J. Leslie skonstruował pierwszy absorpcyjny agregat chłodniczy. Dwadzieścia lat później Amerykanin, Jacob Perkins zbudował
chłodziarkę sprężarkową[17][18].
11
Rys. 2. Chłodziarka sprężarkowa Perkinsa [17]
Rys. 3. Maszyna chłodnicza Lindego z roku 1877 [16]
Dopiero francuz Nicolas Léonard Sadi Carnot jako pierwszy dokonał opisu relacji między ciepłem i pracą. Książka Carnota została opublikowana prywatnie ale miała ogromny wkład w uporządkowanie zasad związanych z energia mechaniczną która może zostać
przekształcona w energię cieplną całkowicie, natomiast ciepło jako źródło energii może być
tylko częściowo przekształcone w energię mechaniczną. Jednak dopiero Wiliam Thomson
w 1852 roku opisał szczegółowo zasady działania pomp ciepła i udowodnił, że maszyny
chłodnicze mogą być wykorzystywane również do ogrzewania. Trzy lata później skonstruował parownię w jednej z warzelni soli w Austrii. W wyniku sprężania powietrza maszyna
ogrzewała opary solanki, a uzyskiwane ciepło trafiało ponownie do użytku. Dalszy rozwój technologii chłodniczo-grzewczej nastąpił dzięki rozpowszechnieniu energii elektrycznej. W 1928 roku, anglik T.G. Haldane skonstruował pierwszą instalację do ogrzewania
domu opartą na amoniakalnym agregacie sprężarkowym [16][17].
12
Rys. 4. Pompa ciepła absorpcyjna [18]
Poważne braki węgla, które spowodowane były wybuchem drugiej wojny światowej
pozwoliły na kolejne intensywne prace nad technologią pomp ciepła. Największe instalacje
z tamtego okresu zasilały między innymi ratusz, budynek kongresu i urzędy w Zurychu. Spadek cen ropy i rozwój energetyki jądrowej po drugiej wojnie światowej przyczynił się jednak do spadku zainteresowania tą technologią, które utrzymywało się na niskim
poziomie, aż do lat 70-tych. Ponownym impulsem do rozwoju prac nad pompami ciepła był kryzys naftowy, dzięki któremu, poczynając od lat 80-tych można zauważyć coraz
powszechniejsze zastosowanie tych urządzeń. Najwięcej pomp ciepła jest wykorzystywana
w Szwecji, gdzie około 1,6 miliona domów jest wyposażona w te urządzenia. W Polsce
pierwsze pompy ciepła zainstalowano na początku lat 90, z roku na rok można zauważyć rosnące zainteresowanie tą technologią, które jest podyktowane m.in. programami wsparcia
na jej zakup oraz montaż.
13
Rys. 5. Schemat zasady działania pompa ciepła – Materiały firmy Ochsner [7]
W trakcie pracy pompy ciepła czynnik chłodniczy przechodzi następujące zmiany stanu:
1 - 2 Odparowanie – czynnik chłodniczy zaczyna odparowywać w układzie zamkniętym. Energia(entalpia parowania) pozyskiwana jest z otoczenia np.: powietrza na zewnątrz.
2 – 3 Sprężanie – Sprężarka podnosi ciśnienie a tym samym temperaturę czynnika roboczego wykorzystują energię napędową dostarczaną z zewnątrz. Entalpia (zawartość energii)
wzrasta.
3 - 4 Skraplanie – Czynnik chłodniczy w układzie ulega skropleniu w procesie kondensacji oddając energię pobraną ze środowiska zwiększoną o energię pochodzącą ze sprężarki.
4 - 1 Rozprężanie – Czynnik chłodniczy ulega rozprężeniu, czyli temperatura i ciśnienie są sprowadzone za pomocą zaworu rozprężnego do poziomu wyjściowego. Po wejściu
czynnika roboczego do parownika cały proces odparowania zaczyna się od nowa.
14
Rys. 6. Diagram logarytmiczny p-h ciśnienia i entalpii – materiały firmy Viessmann [6]
Współczynnik wydajności COP wg. wykresu można definiować następująco:
gdzie:
h2 – entalpia na początku procesu sprężania – 114 Wh/kg
h3 – entalpia na końcu procesu sprężania / początek przekazywania ciepła – 126 Wh/kg
h4 – entalpia na końcu procesu skraplania / koniec przekazywania ciepła – 69 Wh/kg
Po obliczeniach i wstawieniu do wzoru:
COP = (126 Wh/kg – 69 Wh/kg) /( 126 Wh/kg – 114 Wh/kg) = 4,75
COP dla obiegu chłodniczego pompy ciepła wynosi 4,75
Najważniejszym parametrem charakteryzującym pompy ciepła jest współczynniki wydajności lub efektywności COP (ang. Coefficient of Performance), jest to stosunek pomiędzy
mocą grzewczą pompy ciepła a niezbędną do napędu sprężarki mocą elektryczną. Zwykle
w danych technicznych jest on podawany zgodnie z normą EN 255 dla parametrów 00C
temperatury na wejściu do pompy ciepła z dolnego źródła i 350C na zasilaniu systemu grzewczego Im wyższa wartość współczynnika COP pompy ciepła tym wyższa jest jej efektywność. Zgodnie z nowymi wytycznymi UE wprowadzono współczynnik SCOP (SPF) (ang.
Seasonal Coefficient of Performance) czyli sezonowy współczynnik efektywności energetycznej oznacza całościowy wskaźnik efektywności urządzenia, reprezentatywny dla całego
wyznaczonego sezonu ogrzewczego. Na poniższym rysunku obliczany jako stosunek refe-
15
rencyjnego rocznego zapotrzebowania na ciepło do rocznego zużycia energii elektrycznej na
potrzeby ogrzewania [1].
Rys. 7. Metoda szacowania współczynnika SCOP - materiały PORT PC [3]
Rys. 8. Podział współczynników wydajnościowych - materiały PORT PC [3]
16
Wyznaczenie współczynników wydajności
Rys. 9. Podział współczynników na poszczególne elementy instalacji pompy ciepła - materiały PORT
PC [3]
3. Podział i systematyka pomp ciepła
Istotnym elementem instalacji pompy ciepła jest uzmysłowienie sobie problematyki
projektowania tego typu układów. Prawidłowo zaprojektowany układ obejmuje następujące
składowe instalację dolnego źródła, instalację maszynowni pompy ciepła, instalację górnego źródła oraz najważniejszy element często pomijany przez projektantów, wykonawców
i inwestorów to struktura budynku w którym układ pompy ciepła ma być zamontowany.
Kompleksowe podejście do projektowania układów pomp ciepła skutkuje tym, iż mamy prawidłowo wyliczone współczynniki COP lub SCOP a efektywność energetyczna systemu jest
optymalna.
Kolejnym krokiem w prawidłowym doborze pompy ciepła do systemu grzewczego jest
wiedza w systematyce podziału pomp ciepła Obecnie możemy rozróżnić kilkanaście rodza-
17
jów pomp ciepła z obiegiem parowym, które realizują przemiany fazowe w różnych wariantach termodynamicznych.
Rys. 10. Systematyka pompa ciepła [1]
Powyższa systematyka pokazuje możliwości zastosowań pomp ciepła uwzględniając
tylko przemiany w obiegu parowym. Na schemacie poniżej przedstawiono rodzaje pomp
ciepła uwzględniające wszystkie możliwie warianty dostępne komercyjne jak i wykonaniu
specjalnym:z obiegiem gazowym, wykorzystujące ciepło reakcji chemicznej, efekt Ranque’a, termoelektryczne, magnetyczne, hydrosoniczne, elektrodyfuzyjne[1][2].
18
Rodzaje pomp ciepła
Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym
jednoskładnikowym
dwuskładnikowym
wieloskładnikowym
Gazowa palnikowa absorpcyjna pompa ciepła
Gazowa silnikowa pompa ciepła z czynnikiem roboczym
Absorpcyjny transformator ciepła
Resorpcyjna pompa ciepła napędzana energią mechaniczną
Resorpcyjna pompa ciepła napędzana ciepłem
Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów
Sprężarkowa pompa ciepła z obiegiem gazowym
Sprężarkowa pompa ciepła z otwartym obiegiem powietrznym
Chemiczny transformator ciepła
Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a
Pompa ciepła wykorzystująca efekt elektrodyfuzji
Termoelektryczne pompy ciepła – efekt Seebecka / Peltiera
Magnetyczne pompy ciepła
Hydrosoniczne pompa ciepła – wirowy generator ciepła
Laserowa pompy ciepła
Pompa ciepła Vuilleumiera
Termoakustyczna pompa ciepła
Termoelastyczna pompa ciepła
Molekularna pompa ciepła
Rys. 11. Rodzaje pomp ciepła ze względu na zasadę działania
19
4. Zakres stosowalności układów opartych o pompy ciepła
Zakres zastosowania pomp ciepła jest bardzo szeroki. Popularne pompowanie energii
z niższego poziomu energetycznego na wyższy znalazło zastosowanie praktycznie we
wszystkich dziedzinach techniki oraz we wszystkich skalach wymiarowych od skali nano,
skala mikro aż do skali mega [4].
W Polsce praktyczne zastosowanie układów opartych na pompach ciepła boryka się
jeszcze z wieloma trudnościami. Na rynku instalacyjnym możemy spotkać następujące rozwiązania techniczne pozwalające w sposób efektywny wytwarzać ciepło i chłód w układach
mono jak i biwalentnych. Z punktu widzenia asortymentu dostępnego na rynku polskim możemy wyróżnić:
20
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne w układzie powietrze-powietrze [15]
Rys. 12. Schemat pompy ciepła z widoczna jednostką zewnętrzną i jednostką wewnętrzną pracującą
na powietrzu recyrkulacyjnym wewnętrznym. Klimatyzator posiada funkcję grzania i chłodzenia [5]
21
Rys. 13. Pompa ciepła typu Split z jednostką zewnętrzną i buforem –materiały firmy Dimplex [5]
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne powietrzne wewnętrzne oraz zewnętrzne,
Rys. 14. Pompa ciepła elektryczne powietrzne w układzie wewnętrznym. Jednostka centralna umiejscowiona jest wewnątrz budynku, powietrze doprowadzone jest kanałami do pompy ciepła–materiały
Dimplex [5]
22
Rys. 15. Pompa ciepła elektryczne powietrzne w układzie zewnętrznym. Jednostka centralna umiejscowiona jest zewnątrz budynku wraz z układem chłodniczym. – materiały Dimplex [5]
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne gruntowe w układzie pionowego jaki poziomego wymiennika ciepła
Rys. 16. Pompa ciepła elektryczne gruntowa w układzie kolektora gruntowego poziomego. Wymiennik
może występować w różnych konfiguracjach. Jednostka pompy ciepła umiejscowiona jest z budynku
wraz z układem chłodniczym z przeznaczeniem na c.o. + c.w.u. – materiały firmy Dimplex [5]
23
Rys. 17. Pompa ciepła elektryczne gruntowa w układzie kolektora gruntowego pionowego. Wymiennik
może występować w różnych konfiguracjach. Jednostka pompy ciepła umiejscowiona jest z budynku
wraz z układem chłodniczym z przeznaczeniem na c.o. + c.w.u. – materiały firmy Dimplex [5]
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne gruntowe w układzie pionowego jaki poziomego wymiennika ciepła na bezpośrednim odparowaniu
Rys. 18. Pompa ciepła z wymiennikiem pionowym na bezpośrednim odparowaniu. Widoczne na zdjęciu wykonany otwór gruntowego wymiennika ciepła i rura miedziana - materiały firmy Fonko [8]
24
Rys. 19. Pierwsza faz odwiertu uruchomienie świdra wiertnicy wraz natryskiem wody, na drugim zdjęciu pierwsza faza montażu pionowego gruntowego wymiennika ciepła na bezpośrednim odparowaniu
widoczny element głowicy - materiały firmy Fonko [8]
Rys. 20. Zasada działania pompy ciepła na bezpośrednim odparowaniu. Widoczny układ jednego stopnia wymiany ciepła czyli skraplacza w układzie wewnętrznym pompy ciepła. Parownik został umieszczony w gruncie co powoduje, zwiększenie wydajność systemu - materiały firmy Fonko [8].
Rys. 21. Pompa ciepła ustawiona na fundamencie zewnętrznym - materiały firmy Climakomfort [9]
25
Rys. 22. Pompa ciepła na bezpośrednim odparowaniu z czynnikiem roboczym propan-butan. Pompy
ciepła firmy NEURA z technologią NDX stanowi ciekawą alternatywę dla małych pomp ciepła gdyż
cały układ można zamontować na zewnątrz a do budynku doprowadzić zasilanie i powrót bezpośrednio
do zbiornika buforowego - materiały firmy Climakomfort [9]
26
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne powietrzne z parownikiem zewnętrznym
Rys. 23. Rozwiązanie firmy OCTOPUS pokazuje kolejne możliwości wykorzystania ciepła utajonego
zawartego w wilgotnym powietrzu materiały firmy OCTOPUS [10]
Rys. 24. Pompy ciepła z widocznym wymiennikiem zewnętrznym zbudowanym z rurek połączonych
z radiatorem w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła wraz z układem sprężarkowy . Pokazano
również możliwości montażu na konstrukcji dachowej oraz na fundamencie przy budynku materiały
firmy OCTOPUS [10]
27
Rys. 25. Pompy ciepła z widocznym wymiennikiem zewnętrznym zbudowanym z rurek połączonych
z radiatorem w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła wraz z układem sprężarkowy, widoczny
montaż na konstrukcji stalowej powyżej połaci dachowej hali materiały firmy OCTOPUS [10]
Podobnym rozwiązaniem opartym o układ bezpośredniego odparowania został zaprojektowany i opatentowany jako transformator ciepła. Pod względem zasady działania działania jest to rozwiązanie bardzo podobne do rozwiązania szwedzkiego firmy OCTOPUS. Polskie rozwiązanie opiera się na 3 rodzajach transformatorów energii z możliwością łączenia
w kaskady
Rys. 26. Transformator ciepła firmy EKO-HEAT z widocznym wymiennikiem zewnętrznym zbudowanym z rurek połączonych z radiatorem w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła - materiały
firmy EKO-HEAT [11]
Zasada działania transformatora ciepła wykorzystuje zjawiska fizyczne związane z przemianami fazowymi oraz wykorzystaniem sposobów magazynowania energii w cieple jawnym i utajonym: - ciepło jawny - związany z przyrostem temperatury materiału akumulującego ciepło; - ciepło utajony - związany ze zmianą stanu skupienia materiału akumulującego ciepło przy stałej temperaturze. 28
Najbardziej popularnymi substancjami akumulującymi energię na sposób jawny są
woda oraz ciała stałe . Woda, jest łatwo dostępna (cenowo i ilościowo) i charakteryzuje się
dużą właściwą objętościową pojemnością cieplną wynoszącą 1,16 kWh/m3/0C, większą niż
na przykład żelazo lub inne minerały. Niestety, w zastosowaniach do celów chłodniczych
występują duże ograniczenia w jej wykorzystaniu wynikające z niewielkiego możliwego
przyrostu temperatur czynnika chłodzącego, nieprzekraczającego w praktyce kilku stopni.
W tych warunkach rzeczywista maksymalna zdolność akumulacji dla wody wynosi tylko ok.
6 kWh/m3 (przy założonym przyroście temperatury o 50C). Praktycznie eliminuje to wodę
z tego typu zastosowań. Ciepłem utajonym nazywamy energię gromadzoną lub uwalnianą
podczas przemian fazowych substancji (zmiany stanu skupienia) zachodzących w stałej temperaturze (przy niezmiennym ciśnieniu).
Na przykład: zmiana lodu w wodę, wody w parę itp. Energia absorbowana lub uwalniana podczas tego procesu jest z reguły wielokrotnie większa niż energia niezbędna do
zmiany temperatury substancji (ciepło jawne). Na przykład do stopienia 1 m3 lodu w temperaturze 0 0C konieczne jest aż ok. 93 kWh energii cieplnej. Taka sama ilość ciepła zostaje
uwolniona z materiału, kiedy przechodzi on w fazę stałą. Różne substancje charakteryzują
się zróżnicowanymi temperaturami punktów zmiany fazy. Stosując dodatkowo tak zwane
mieszaniny eutektyczne można uzyskiwać materiały akumulujące o podobnych własnościach cieplnych różniące się jedynie temperaturami zmiany stanu skupienia. Ciepło utajone przemiany fazowej resublimacji oraz sublimacji dla wody - 2833 kJ/kg
Ciepło przemiany fazowej parowania i skraplania wody - 2500 kJ/kg
Ciepło zamarzania wody - 333 kJ/kg
Ciepło właściwe wody - 4,19 kJ/kgK
Ciepło właściwe powietrza - 1,05 kJ/kgK
Rys. 27. Wykres fazowy dla wody - materiały firmy AGH [22]
29
Tabela 1. Koszty wytworzenia c.w.u. z instalacji wyposażonej w transformator energii EKO HEAT
z okresu 2012-2014 - materiały firmy EKO HEAT [11]
Rys. 28. Rezultaty uzyskane na drodze badań w okresie 4 lat pompa ciepła EKO-HEAT wykorzystujące
energię zawartą w wilgotnym powietrzu. Wykres przedstawia zależność COP od temperatury otoczenia
parownika zgodnie z normami materiały firmy EKO-HEAT [11]
30
Rys. 29. Parownik pompy ciepła EKO-HEAT podczas pracy, widoczny efekt szronu na wymienniku
materiały firmy EKO-HEAT [11]
Zasada działania pompy ciepła z parownikiem zewnętrznym polega na tym, iż czynnik
chłodniczy (gaz) w formie cieczy przepływa przez sieć miedzianych rurek otoczonych potężnymi aluminiowymi powierzchniami (radiatorami) ułatwiającymi przyjmowanie energii
z zewnątrz. Rozwinięta powierzchnia radiatorów zastępuje około 800 m bieżących rury ułożonej poziomo pod powierzchnią ziemi do pobierania ciepła jako dolne źródło. Gaz przepływając przez magistralę otoczoną radiatorami ulega podgrzaniu pobierając ciepło z powietrza atmosferycznego. Tu należy zaznaczyć, iż ujemna temperatura nie oznacza braku tej
energii. To nadal jest energia cieplna. Znaczącym czynnikiem energetycznym jest zawartość
pary wodnej w powietrzu (wilgotność powietrza) oraz wiatr. Wilgoć zawarta w powietrzu
(w postaci gazu, lub opadów atmosferycznych), osiadając (skraplając się) na powierzchni
radiatorów oddaje ciepło. Zjawisko jest tak intensywne, iż następnym stanem skupienia jest
po prostu szadź lub lód. Następuje szybki transfer energii do przepływającego w rurach czynnika. Wynikiem takiej przemiany fazowej jest jego nagrzanie i przejście z cieczy do stanu
lotnego. Jako gaz trafia on do kompresora (sprężarki), gdzie podnoszone jest jego ciśnienietemperatura. W momencie otwarcia zaworu ekspansyjnego sprężony gwałtownie ogrzewa
się i gorący trafia do wymiennika cieplnego o dużej wydajności. Tam oddaje swoją energię
(ciepło). Ogrzewając wodę, znów przechodzi w stan ciekły. Woda krążąc w systemie centralnego ogrzewania oddaje energię cieplną do budynku. W chwili gdy ubędzie jej poniżej
zadanej wartości, powyżej opisany proces rozpoczyna się od nowa.
- pompy ciepła sprężarkowe elektryczne gruntowe w układzie studziennym (studnie należy wykonywać w układzie dwufunkcyjnym poborowo-zrzutowym)
31
Rys. 30. Pompa ciepła w układzie wody-woda (gdzie dolnym źródłem może być: woda studzienna, jeziora, rzeki, morze, zbiorniki wodne, zbiorniki przepływowe, stawy, kanały portowe) materiały firmy Stiebel Eltron [19]
- pompy ciepła gazowe silnikowo-sprężarkowe powietrzne,
Budowa układu GHP oraz zdjęcie pompy ze zdjętą obudową części silnika.
Rys. 31. Budowa jednostki GHP -pompa ciepła w układzie powietrze/woda (czynnik chłodniczy),
gdzie energia potrzebna do zasilania pochodzi z silnika zasilanego gazem materiały firmy Toyota
i Sanyo [12]
32
Rys. 32. Układ podłączenia gazowej silnikowej pompy ciepła GHP do systemu zdawania ciepła np:
klimakonwektor w układzie powietrze/woda(czynnik chłodniczy), gdzie energia potrzebna do zasilania
pochodzi z silnika zasilanego gazem materiały firmy Toyota i Sanyo [12]
- absorpcyjne gazowe pompy ciepła powietrzne oraz gruntowe,
33
Rys. 33. GAHP – Gazowa Absorpcyjna Pompa ciepła w układzie powietrze/woda lub solanka/woda,
są kolejnym rozwiązaniem na rynku polskim, gdzie zaczynają konkurować z systemami tradycyjnymi.
GAHP konstrukcyjne nie posiadają żadnych elementów ruchomych a wymiana energii odbywa się
w układzie zamkniętym układzie amoniakalnym materiały firmy Robur i Gazuno [13]
34
Absorpcyjna Gazowa Pompa Ciepła - widok z przodu
Rys. 34. GAHP 1. Wentylator 2. Zawór gazowy 3. Wlot powietrza do spalania 4. Wentylator palnikowy
5. Transformator zapłonowy 6. Sonda temperatury mieszanki do spalania 7. Pompa olejowa 8. Przyłącze wody, wejście do urządzenia “G 1”¼ F 9. Przyłącze wody, wyjście z urządzenia “G 1”¼ F 10.
Przyłącze gazu 11. Czujnik temperatury zewnętrznej 12. Czujnik ciśnienia powietrza dolotowego [13]
35
Absorpcyjna Gazowa Pompa Ciepła - widok z lewej strony
Rys. 35. GAHP 1. Reset termostatu spalin 2. Odprowadzenie zaworu bezpieczeństwa 3. Syfon odprowadzenia kondensatu 4. Termostat spalin 5. Odprowadzenie spalin Ø 80mm 6. Czujnik temperatury
spalin PT 1000 7. Elektrody zapłonowe i jonizacyjna 8. Czujnik kondensatu [13].
36
Absorpcyjna Gazowa Pompa Ciepła - widok z lewej prawej
Rys. 36. GAHP 1. Czujnik temperatury w generatorze TG 2. Zawór bezpieczeństwa 3. Przepływomierz wody na wyjściu 4. Czujnik temperatury wody na wyjściu 5. Termostat ograniczający 6. Zawór
odszraniający 7. Czujnik temperatury wody na wejściu 8. Czujnik temperatury na wyjściu z parownika
Teva [13]
37
Absorpcyjna Gazowa Pompa Ciepła - schemat hydrauliczny
Rys. 37. Układ połączenia GAHP 1 Złącze antywibracyjne 2 Manometr 3 Regulator przepływu 4 Filtr
wody 5 Zawór odcinający 6 Pompa wody (obieg pierwotny) 7 Zawór bezpieczeństwa (3 bar) 8 Naczynie wzbiorcze 9 Sprzęgło hydrauliczne / zbiornik buforowy z 4 króćcami 10 Pompa wody (obieg
wtórny)materiały firmy Robur i Gazuno [13].
Innowacyjnym rozwiązaniem z zakresu techniki absorpcyjna jest nowo zaprojektowana kompaktowa pompa ciepła firmy Robur typ K18 typu powietrze/woda w projekcie
międzynarodowym ,,HEAT4U” . Urządzenie jest dedykowane dla budownictwa jednorodzinnego. Jej działanie opiera się na patencie Alberta Einsteina i Leo Szilarda z 1930 roku
dotyczącym urządzenia, które potrafi przenosić energię cieplną z miejsca o temperaturze
niższej do miejsca o temperaturze wyższej. Odbywa się to dzięki m.in. różnicy ciśnień
i gęstości, zastosowaniu absorbentu oraz dostarczeniu ciepła poprzez spalanie gazu. Suma
energii napędowej ze spalania gazu oraz odnawialnej uzyskanej z powietrza przekazywana
jest do instalacji grzewczej.
Efektywność pomp GAHP (ang. Gas Absorption Heat Pump) opisywana jest za pomocą współczynnika „efektywności spalania gazu” G.U.E. (ang. Gas Utilization Efficency).
Efektywność spalania gazu (G.U.E.) to stosunek mocy dostarczonej (wyprodukowanej) przez pompę ciepła QPC do energii dostarczonej w postaci gazu (energia wyliczona
na podstawie wartości opałowej) GPC. Jest to wielkość stosowana jest przez producentów
urządzeń gazowych.
Przy porównywaniu systemów grzewczych opartych na różnych rodzajach pomp ciepła
bardzo ważne jest posługiwanie się tą samą terminologią. Wartości COP i G.U.E. nie mogą
być bezpośrednio porównywane. Aby skonfrontować efektywność pomp ciepła napędzanych
elektrycznie i gazowo, wartości współczynników muszą być zamienione na „wskaźnik zużycia energii pierwotnej” PER (ang. Primary Energy Ratio). Gaz uznawany jest za paliwo
pierwotne, natomiast energia elektryczna – nie.
38
Prawidłowe porównanie wiąże się z zamianą energii elektrycznej na energię pierwotną,
co opisuje następująca zależność:
gdzie:
PEREPC – wskaźnik zużycia energii pierwotnej przez elektryczną pompę ciepła,
QPC – energia dostarczona przez pompę ciepła,
EPC – energia elektryczna dostarczona do pompy ciepła,
ηel – sprawność wytwarzania energii elektrycznej oraz jej transportu.
Dla gazowych pomp ciepła współczynnik ten wylicza się następująco:
gdzie:
PERGPC– wskaźnik zużycia energii pierwotnej przez gazową pompę ciepła,
QPC – energia dostarczona przez pompę ciepła,
GPC – energia dostarczona w postaci gazu do gazowej pompy ciepła określona z wartości opałowej,
EGPC – energia elektryczna zużyta przez gazową pompę ciepła np. na potrzeby sterowania,
zasilania elektrody jonizacyjnej, zasilania pompki czynnika,
ηel – sprawność wytwarzania energii elektrycznej oraz jej transportu.
Należy jednak zaznaczyć, że całościowe porównanie różnych instalacji nie może opierać się tylko na współczynnikach wydajnościowych. Na taką analizę składają się również:
temperatura pracy, przepływy medium, konstrukcja dolnego źródła, serwis, produkcja c.w.u.
itd.
39
Parametry pompy ciepła GAHP model K18
Tabela. 2. Zestawienie parametrów technicznych efektywności energetycznej GUE (%) i mocy grzewcze (kW) w zależności od temperatur zewnętrznych w zakresie wydajności oraz mocy grzewczych
materiały firmy Robur i Gazuno [13]
Tabela. 3. Zestawienie kosztów ogrzewania w porównaniu z innymi urządzeniami wytwarzającymi
c.o. oraz c.w.u. - materiały firmy Robur i Gazuno [13]
40
Rys. 38. Pompa ciepła typu K18 w trakcie montażu widoczny po lewej stronie odkryty układ rur preizolowanych zasilanie c.o. i c.w.u. . Układ posiada również własny komin w celu odprowadzenia gazów,
zaś odprowadzenie skroplin odbywa bezpośrednio do gruntu. materiały firmy Robur i Gazuno [13].
http://www.bronax-bud.pl/gazowa-absorpcyjna-pompa-ciepla-gahp-k18.html
Nowelizacja prawa oraz zaostrzenie przepisów technicznych zgodnych z Dyrektywami
UE doprowadziła do wygenerowania zasad etykietowania urządzeń grzewczych i widać wyraźnie że urządzenia tradycyjne wytwarzające energię posiadają etykiety z zakresu C, D, E.
Rys. 39. Od 09.2015 roku obowiązuje obowiązkowe etykietowanie energetyczne (Lot 1) urządzeń
grzewczych, gazowe absorpcyjne pompa ciepła mieszczą się w najwyższych klasach A+, co oznacza
że ich wydajność energetyczna jest powyżej 1 [13]
W zakresie projektowania i budowy dużych pomp ciepła wiodące rozwiązania techniczne pochodzą ze Szwajcarii. Firma Friotherm produkuje pomp ciepła specjalistyczne pod
41
konkretne zamówienie. Budowa pomp ciepła w układach urządzeń grzewczo - chłodzących
oraz hybrydowych rozpoczynają się od mocy 2 MW. Technologicznie systemy pomp ciepła
sprawdzają się również w układach odzysku ciepła np: w elektrociepłowniach. Przykładem
takie rozwiązania jest odzysk ciepła z oczyszczonych spalin przy pomocy pomp ciepła.
Rys. 40. Odzysk ciepła z pary wodnej po oczyszczeniu spalin SYSAV Malmö – Spalarnia odpadów
stałych . Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14].
System przemysłowych pomp ciepła w fińskim ,,KATI VALA” w Helsinkach to przykład zaawansowanego połączenia układu pomp ciepła o mocy 90 MW z systemem pomp
ciepła absorpcyjnych (10 x 3,5 MW), magazynem energii ciepła a całość współpracuje układem sieci zdalaczynnej.
42
System eksploatacji w okresie letnim
Parametry systemu w okresie lata
43
System eksploatacji w okresie zimowym
Parametry systemu w okresie zimowym
Rys. 41. Ogrzewanie i chłodzenie sieciowe w układzie rewersyjnej pomp ciepła o mocy 90 MW (układ
pomp ciepła 5 x 18 MW)“Katri Vala”, Helsinki, Finlandia. Wykorzystanie dolnego źródła w postaci
kanału portowego oraz kanałów ściekowych .Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14]
W
2016 roku pracownicy naukowi (dr inż. Adam Mroziński oraz mgr inż. Tomasz Mania) z Wydziału Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy w ramach projektu polsko norweskiego wizytowali Instytut TEL-TEK oraz Uniwersytet Południowo-Wschodniej Norwegii (ang. University College of Southeast Norway). Podczas pobytu zwiedzano również
nowoczesny zakład utylizacji śmieci Vestfold około Oslo. Innowacyjne technologie utylizacji odpadów w połączeniu produkcja biogazu oraz instalacja odzysku ciepła z procesów
technologicznych przy pomocy przemysłowych pomp ciepła tworzą optymalne rozwiązania
energetyczne. Zainstalowany układ pomp ciepła typ P 220 firmy Oilon o mocy 436 kW (2
44
jednostki x 218 kW) o wysokotemperaturowe parametrze górnego źródła (do 800C) oparty o czynnik R 134a mogą sprostać każdemu zakresowy uzyskiwanej energii odpadowej.
W każdym procesie technologicznym powstaje ciepło odpadowe i bez układu odzysku energii wspomaganym systemem pomp ciepła jest bezpowrotnie tracone.
Rys. 42. Widok z lotu ptaka. Zakład utylizacji śmieci Vestfold. materiały NEXUM/PSPC [4].
Rys. 43. Wizytacja w fabryce utylizacji odpadów. Po prawej pompy ciepła, po lewej wymiennik ciepła
ze stali nierdzewnej. Materiały firmy PSPC/NEXUM[4].
Specyfikacja techniczna pompy ciepła P 220 firmy Oilon - materiały firmy Oilon.
45
Rys. 44. Materiały techniczne i parametry pompy ciepła P 220. Materiały firmy Oilon [20]
Rys. 45. Widok 2 jednostek pomp ciepła P 220 połączonych równolegle. Materiały PSPC/NEXUM [4]
Osiągnięcie optymalnej efektywności energetycznej budynku wiąże się nierozerwalnie
z określeniem bilansem zysków i strat dla budynku. Poniższy wykres w sposób wyraźny
pokazuje, w którym kierunku zmierza budownictwo i jakie systemy energetyczne będą dominowały w najbliższych latach.
46
Rys. 46. Wpływ rozwoju technologii na zmiany efektywnych ekonomicznie standardów energetycznych w budynkach – trend, szacunek własny [kWh/m2/a] [4].
Na dzień dzisiejszy poziom technologii dostępnej na rynku pozwala w sposób optymalny wybudować budynek jedno lub wielorodzinny, biurowiec, halę o niskim zużyciu energii
poniżej współczynnika Ep=50 kWh/m2/rok. Uzyskanie odpowiedniej efektywności energetycznej w nowych budynkach musi odbywać się na poziomie koncepcyjnym i projektowym.
Dlatego Inwestorzy stawiają coraz wyższe wymagania a generuje całkowicie inne podejście
do procesu projektowego. Nowoczesne projektowanie musi odbywać się w interdyscyplinarnych zespołach, w których wymiana informacji oraz zarządzanie zespołem przyniosą pożądany efekt. W warunkach polskich proces ten dopiero jest w stadium początkowym czyli
uczymy się nowych technologii, nowego podejścia do projektowania a przed wszystkim musimy zmienić myślenie, które przez lata było zakorzenione w polskiej kulturze budowlanoinstalacyjnej. Z roku na rok przybywa inwestycji coraz bardziej finezyjne zaprojektowanych
ale nie efektywnych energetycznie co w dalszej perspektywie kosztów eksploatacji powoduje drastyczny ich wzrost. Spowodowane jest to zazwyczaj brakiem wiedzy architektów,
projektantów oraz zespołów doradczych, które projektują stare sprawdzone systemy oparte
o tradycyjne technologie spalania. W kolejnym rozdziale zostaną zaprezentowane przykładowe rozwiązania technologiczne z udziałem OZE (ze szczególnym uwzględnieniem pomp
ciepła) zwiększające efektywność energetyczną budynków.
Przykładem budynku kubaturowego może być pierwszy na świecie stadion o zerowej
emisji CO2 (Lechwerke, Niemcy) – materiał konferencyjny PSPC/Nexum [4]
47
Wizualizacja stadionu
Rys. 47. Wizualizacja stadionu z instalacjami technicznymi. Ważnym aspektem technicznym jest powtarzalność projektu w każdych warunkach. materiał konferencyjny PSPC/Nexum [14]
Rys. 48. Schemat instalacji ekoenergetycznej stadionu składające się z układu pomp ciepła, kotła na
biogaz, dwóch magazynów energii (ciepła i chłodu) wraz z systemem zdawania ciepła łącznie z podgrzewaniem płyty stadionu. Materiał konferencyjny PSPC/Nexum [14]
48
Rys. 49. Widok dwóch pomp (2) o łącznej wydajności cieplnej 645 kW oraz widok zbiornika wyrównawczego wraz wymiennikami płytowymi dolnego źródła. Woda gruntowa dolnego źródła wykorzystywana jest również latem do chłodzenia pomieszczeń obiektu stadionu. W tle są widoczna instalacja
do nawadniania płyty stadionu (3)
Budowa stadionów piłkarskich o parametrach zero emisyjny w polskich warunkach jest
praktycznie nie możliwa ze względu na silne lobby i monopolistyczny charakter dużych
dostawców energii i ciepła. W roku 2009 w Niemczech powstał taki układ oparty o system
zasilania biogazem i układem pomp ciepła typu woda/woda. Układ ten zawiera dwa krótkoterminowe magazyny ciepła i chłodu (12 000 l), które połączone są systemem zdawania
ciepła (wentylacja, ogrzewanie pomieszczeń, c.w.u. oraz system podgrzewania boiska) tworzą niezależny system energetyczny. Korzyści wynikające z takie rozwiązania to 750t CO2
zaoszczędzone co roku. Dla porównania na przy tradycyjnym ogrzewaniu np.: olejem zużyto
by około 10.000 litrów ropy. Koszty operacyjne dla wybudowanego stadionu zostały znacznie ograniczone dzięki opracowaniu wstępnej koncepcji energetycznej a dodatkowo projekt
stadiony jest projektem powtarzalnym. Rys. 50. Przykład polskich stadionów wybudowanych w ostatnim czasie pokazuje jaki potencjał ekoenergetyczny został zaprzepaszczony i możliwości montażu w układu OZE. Materiał konferencyjny
PSPC/Nexum [4]
Kolejnym przykładem nietypowego rozwiązania jest zastosowania pomp ciepła na Molo
w Sopocie w budynku kubaturowym gdzie dolnym źródłem jest woda morska w układzie
49
bezpośrednim. Dodatkowo zamontowano system kolektorów słonecznych płaskich w celu
wspomagania c.w.u.
Rys. 51. Układ pompy ciepła o mocy grzewczej 60 kW wspomagany układem kolektorów słonecznych
o mocy 10 kW. Na zdjęciach widoczne pośredni układ wymiennika tytanowego wody morskiej przed
parownikiem pompy ciepła. Materiał konferencyjny PSPC/Nexum [4].
Jedno z nielicznych rozwiązań gdzie na etapie koncepcji projektowej założono efektywność energetyczną na poziomie budynku plus energetycznego, czyli budynku, który więcej
energii produkuje niż zużywa. Centrum Badawcze PAN w Jabłonnej - KEZO, ma połączyć
wszystkie dostępne technologie OZE komercyjne dostępne na rynku. Ideą układu jest optymalnie zaprojektowana bryła budynku, zasilana pompami ciepła z magazynem energii ciepła
i chłodu co w połączeniu ze zintegrowanym systemem ogniw PV tworzy plus energetyczny
system ekoenergetyczny.
50
Rys. 52. Kluczowym aspektem mającym wpływ na wysoką efektywność energetyczną budynku jest
optymalnie dobrany układ pompy ciepła wraz z magazynem energii ciepła i chłodu do przechowywania nadwyżek energii pochodzących z różnych źródeł odpadowych. Na terenie CB PAN przewidziano
system podgrzewania powierzchniowe ( parkingów i chodników ) przy pomocy samowystarczalnego
układu zasilanego ciepłem z gruntu - materiał [21]
5. Podsumowanie
Przegląd dostępnych komercyjnych rozwiązań technicznych zwiększających efektywność energetyczną pozwala jednoznacznie stwierdzić, iż stosowanie tego typu systemów
w układzie mono lub biwalentnym pozwala ograniczyć emisję CO2 praktycznie do zero
w skali mikro oraz zredukować znacząco koszty eksploatacji zaś w nowej perspektywie
kierunków rozwoju efektywności energetycznej preferowanej przez wytyczne U.E. budynek będzie generował większą ilość zysków minimalizując przy tym straty. Na świecie jak
i w krajach europejskich, efektywność energetyczna ściśle wiąże się z optymalnym wykorzystaniem systemów OZE w tym pomp ciepła. Zmieniające się przepisy oraz wprowadzanie nowych dyrektyw U.E. ma spowodować, iż gospodarka U.E. w 2050 roku ma być zero
emisyjną gospodarką o zasięgu globalnym. Największym wrogiem proekologicznych roz-
51
wiązań, które zwiększającą efektywność energetyczną w budownictwie jak i przemyśle jest
lobby energetyczno-paliwowe oparte na technologiach spalania paliw kopalnych. Najważniejszym aspektem techniczno-ekonomicznym rozwiązań opartych o pompy ciepła jest ich
niezawodność i długi okres użytkowania. Początkowym minusem są wyższe koszty inwestycyjne, które w bardzo szybki sposób zmieniają się w korzyści w postaci niskich kosztów
eksploatacji. Coraz częściej inwestorzy jak i wykonawcy sięgają po rozwiązania hybrydowe
(pompa ciepła wraz kotłem gazowy), które świetnie wpisują się w istniejące budownictwo,
które wymaga również modernizacji lub termomodernizacji w celu poprawy wskaźników
efektywności energetycznej.
6. Literatura
[1] Kazimierz Brodowicz, Tomasz Dyakowski Pompy Ciepła, Wydanie PWN Warszawa 1990
[2] Marian Rubik, Pompy Ciepła w Systemach Geotermii Niskotemperaturowej, Wydanie PWN Warszawa 1990
[3] materiały techniczne i konferencyjne PORT PC
[4] materiały techniczne i konferencyjne Polskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła / NEXUM
[5] materiały techniczne firmy Dimplex
[6] materiały techniczne firmy Viessmann
[7] materiały techniczne firmy Ochsner.
[8] materiał techniczne firmy Fonko.
[9] materiał techniczne firmy Climakomfort.
[10] materiał techniczne firmy Octopus.
[11] materiał techniczne firmy Eko-Heat.
[12] materiał techniczne firmy Toyota / Sanyo
[13] materiał techniczne firmy Robur / Gazuno.
[14] materiał techniczne firmy Friotherm.
[15] http://serwer1349388.home.pl/webcms/produkty/produkty-klimatyzacje/
[16] http://www.machine-history.com/Refrigeration%20Machines
[17] http://aehistory.wordpress.com/1854/10/05/1854-first-mechanical-ice-machine/
[18] http://progress21.com.ua/en/heat-pumps/production-history
[19] materiały firmy Stiebel Eltron
[20] materiały firmy Oilon
[21] http://docplayer.pl/4641561-Patryk-chaja-sebastian-bykuc-gdansk-29-09-2015.html
[22] http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/2_stany_skupienia/050300.html
[23] http://www.kostic.niu.edu/Sadi-Carnot-Reflections.html
52
II. DOLNE ŹRÓDŁA POMP CIEPŁA
1. Wprowadzenie
Potrzeby energetyczne ludzkości stale rosną, szczególnie widoczne jest to w zużyciu
paliw kopalnych na całym świecie. Konflikty zbrojne, niestabilność polityczna oraz ubywające zasoby paliw pierwotnych doprowadziły do ukierunkowania rozwoju kluczowych
gałęzi gospodarki na maksymalizację efektywności energetycznej w celu redukcji kosztów
utrzymania. 40% energii cieplnej zużywają budynki w skali całego globu. Postęp cywilizacyjny na przełomie XX i XXI wieku doprowadził do spustoszenia zasobów naturalnych,
degradacji środowiska naturalnego oraz zanieczyszczeniu atmosfery do tego stopnia, iż niektórych miasta w Polsce (np.: Kraków) zakazano całkowitego spalania w obrębie centrum.
Można powiedzieć, że jest to ostatni sygnał dla ludzkości aby sięgnąć po inne alternatywne źródła energii oraz zmodernizować istniejącego systemy grzewcze do tego stopnia aby
były jak najmniej uciążliwe dla środowiska. Polityka UE i wprowadzanie restrykcyjnych
przepisów odnośnie systemów grzewczych jak i promowanie efektywności energetycznej
na wszystkich poziomach gospodarki spowodowało większe zainteresowanie wykorzystaniem zasobów energii naturalnej lub sztucznej o różnym poziomie ezergii. Technologicznie nie ma najmniejszych problemów aby wykorzystywać odpadowe źródła energii, które
na co dzień emitują duże ilości czynnika o różnych parametrach temperaturowych. Jednym
z takich urządzeń są różnego rodzaju pompy ciepła, które w sposób bezemisyjny są wstanie
generować ciepło i chłód na drodze wymiany ciepła w procesach termodynamicznych lub
termochemicznych o wysokiej efektywności energetycznej. Kierunku rozwoju budownictwa
oraz przemysłu zostały już określone przez wiele państwa w Europie jak i na Świecie. W dalszej części książki zostaną omówione rodzaje dolnych źródeł z możliwościami ich wykorzystania z przykładami praktycznego wykorzystania naturalnych źródeł jak i sztucznych oraz
przykład obliczeń projektowych i symulacji numerycznej na przykładzie obiektu sakralnego.
2. Rodzaje dolnych źródeł do pomp ciepła
Efektywność energetyczna układów pomp ciepła w dużej mierze uzależniona jest od
optymalnego doboru układu dolnego źródła. Istotnym aspektem od strony projektowej jest
określenie przez projektanta jakimi możliwościami dysponujemy jeżeli chodzi dyspozycyjność energetyczną dolnego źródła. W dobie rozwoju technologicznego mamy do dyspozycji
dwa podstawowe rodzaje dolnych źródeł: naturalne oraz sztuczne. - tabela 1
53
Tabela. 1. Systematyka dolnych źródeł do pomp ciepła.
UKŁAD DOLNEGO
ŹRÓDŁA POMPY CIEPŁA
ŹRÓDŁA NATURALNE
- grunt
- podłoże skalne - skały
- wody powierzchniowe
- morze, jeziora, rzeki, stawy,
- kanały portowe,
- wody głębinowe
- wody podziemne niskotemperaturowe
- wody podziemne średniotemperaturowe
- woda technologiczna naturalna
- powietrze atmosferyczne
- promieniowanie słoneczne
ŹRÓDŁA SZTUCZNE
- gazy odpadowe z procesów przemysłowych
- spaliny średnio i wysokotemperaturowe
- ścieki z procesów technologicznych
- ścieki bytowe z instalacji miejskich
- woda powrotna z instalacji ciepłowniczej
- woda technologiczna z procesów produkcyjnych
- woda basenowa / zbiorniki lodu
- powietrze odpadowe z procesu przemysłowego
- powietrze wentylacyjne z hal i budynków
- konstrukcje żelbetowe budynków / pale energetyczne
Dlaczego zagadnienia dolnego źródła (ang. lower source ) do tej pory stanowi duży
problem dla inwestorów i projektantów ? W celu prawidłowej odpowiedzi na to pytanie
musimy posiadać odpowiednią wiedzę techniczną jak i merytoryczną oraz poznać specyfikę
pracy układów opartych o pompy ciepła. Istotą problemu związaną z optymalnym doborem
układu dolnego źródła jest znajomość termodynamicznych procesów przekazywania energii
o odpowiednim potencjalne egzergetycznym z niższego poziomu energetycznego na wyższy.
54
Powyższa maksyma została wypowiedziana w połowie XIX wieku przez Williama
Thomsona - lorda Kelvina po odkryciu zera absolutnego temperatury. Czy coś się zmieniło
od tamtych czasów, czy słowa tego wielkiego uczonego są dalej aktualne. Niewątpliwie bez
danych wejściowych i parametrów brzegowych optymalnie zaprojektowanie dolnego źródła
jest praktycznie nie wykonalne i może doprowadzić do problemów eksploatacyjnych. W dalszej części artykułu zostaną zostanie zaprezentowane rodzaje dolnych źródeł z parametrami
jak i możliwościami ich wykorzystania. Jednym z najpopularniejszych rozwiązań dolnych
źródeł jest grunt rodzimy. Układ pompy ciepła sprężarkowej elektryczne lub absorpcyjnej
może być zasilany z układzie pionowego jaki poziomego wymiennika ciepła ułożonego
w różnej konfiguracji.
Rys. 1. Kolektor poziomy powinien być wykonany z zachowaniem takich wymagań, jak: „a” – głębokość ułożenia rur min. 20 cm poniżej granicy zamarzania gruntu, a więc około 1,2÷1,7 m w zależności
od strefy klimatycznej kraju, „b” – odległość od fundamentów budynku 1,5 m, „c” – odległość od przyłączy wodociągowych i kanalizacyjnych 1,5 m, „d” – odległość od zewnętrznego skraju korony drzewa
0,5 m, „e” – odległość od fundamentu ogrodzenia 1,0 m [19]
55
Rys. 2. Kolektor poziomy kompaktowy wraz ze schematem działania oraz podłączeniem do kolektora
zbiorczego [19]
Rys. 3. Kolektor poziomy spiralny jedna z odmian kolektora poziomego układanego w gruncie.[20]
56
Wymiennik poziomy spiralny S32 PE100 PN-10 o długości 125 mb.
Rys. 4. Kolektor poziomy spiralny wraz z parametrami ułożenia w gruncie.[22]
Innym rozwiązanie gruntowych poziomych wymienników ciepła są wymiennik spiralne.
Wykonany jest z rury o średnicy 32 mm i długości 125 m ułożonej w postaci spirali.
Rozwijając wymiennik w wykopie, uzyskuje się spiralę z rury, którą łączy się sąsiednie okręgi celem zachowania odpowiedniego odstępu między rurami. Średnica zwoju wymiennika
wynosi ok. 1 m. Na początku przed ułożeniem w wykopie należy wymiennik rozciągnąć
i sprawdzić ciśnieniowo. Następnie celem zapewnienia odpowiedniego rozłożenia (tzn. sąsiednie rury powinny być oddalone o 50-60 cm), należy skleić taśmą co drugą rurę w osi wymiennika. Rurę powrotną następnie z końca rozłożonego wymiennika centrali trzeba przeciągnąć do rury zasilającej umieszczonej z przodu. Metoda ułożenia wymiennika w gruncie to
(wykonanie wykopu, usunięcie urobku, przygotowanie podłoża, wykonanie 15 cm podsypki
piaskowej, ułożenie wymiennika, próba ciśnieniowa przed zasypaniem wykopu) .
Charakterystyka techniczna wymiennika spiralnego:
- odległość kręgów dla rozłożonego wymiennika ok. 0,6 m;
- całkowita długość rozłożonego wymiennika to 18 m (wymiennik zbudowany jest
z 125-metrowej rury);
- odległość osi wymienników od siebie w osi wynosi 5 m (dla strumienia ciepła co
najmniej 17 W/m2).
Odległość środków wymienników pozostaje bez zmian, nawet w przypadku gdy strumień ciepła przekazywany przez grunt jest większy. Wymiennik pracuje wówczas na wyższych parametrach gwarantuje to wyższą sprawność PC. Można również a rynku znaleźć
rozwiązania techniczne tzw. wymienniki spiralno-meandrycznym (np. MS32). Jest to rozwiązanie pośrednie pomiędzy meandrycznym a spiralnym. Występuje jako produkt gotowy.
Na budowę przywożony jest w postaci „walca” o podstawie 1,2 m i wysokości 1 m, który
rozwija się „jak dywan” na budowie. Wielkość wymiennika po rozłożeniu, odległość od kolejnego i szerokość wykopu są analogiczne, jak przy wymienniku spiralnym.
57
Rys. 5. Kolektor poziomy w postaci wymiennika meandryczno-sekcyjnego.[22] - materiały firmy
ASPOL FV
Wymiennik meandryczno-sekcyjny jest autorskim rozwiązaniem producenta ASPOL
FV. Układ analogicznie do systemu meandrycznego i spiralnego bazuje na wykorzystaniu
energii zgromadzonej pod powierzchnią Ziemi poprzez system przewodów rurowych HDPE
100 RC ułożonych w gruncie poniżej strefy przemarzania (dla poszczególnych regionów
Polski wynosi od 80 do 140 cm ppz). Jego zaletą jest kompaktowa forma. Wymiennik jest
gotowym kolektorem wprowadzanym do obrotu po przeprowadzeniu prób ciśnienia i przepływu. Zwinięty na palecie ułatwia transport i magazynowanie (wymiar 1,1x1,0m). Po rozwinięciu w gruncie umożliwia sprawną wymianę ciepła i eksploatację pompy ciepła. Swój
systemowy i unikalny charakter zawdzięcza najnowszym systemom produkcyjnym i doświadczeniom rynkowym. Łatwość projektowania i wykonywania instalacji dolnego źródła
ciepła w oparciu o wymiennik meandryczno-sekcyjny stanowią podstawę jego sukcesu i rozpoznawalności systemu Energeo w Europie. Pojedynczy wymiennik po rozwinięciu zajmuje
powierzchnię 18 m2 (18 x 1).
Charakterystyka techniczna wymiennika meandryczno-sekcyjnego MS32:
- Materiał: polietylen HDPE 100, PN 10
- Średnica rur rozprowadzających (średnica przyłącza): 32mm
- Wymiary zwiniętego wymiennika: 1,2m/1,2m [średnica/wysokość]
- Waga wymiennika: ok. 25 kg
- Wymiary wymiennika rozwiniętego: 18*1 m
- Całkowita długość sekcji: 110 m
- Pojemność : 50 l
- Moc chłodnicza : (przy parametrach uzysk energetyczny 18-19W/m2): ok. 1,5 kW
- Powierzchnia czynna pojedynczego wymiennika: ok. 80 m2
58
Rys. 6. Sondy pionowe powinny być wykonane z zachowaniem takich wymagań, jak: „a” – zasilanie/
powrót ze spadkiem w kierunku od pompy ciepła do sondy gruntowej, w podłożu piaszczystym ułożone na głębokości ok. 1 m; odpowietrznik kolektora przy pompie ciepła, „b” – minimalna odległość
od fundamentu budynku powinna wynosić 2 m, „c” i „d”- rura okładzinowa, stosowana w przypadku
luźnego materiału, o długości ok. 6–20 m, średnica ok. 17 cm, „e” – odległość od fundamentu ogrodzenia 1,0 m [19]
Rys. 7. Układ kolektora pionowego umieszonego pod kątem w technologii odwiertów firmy GRD (ang.
Geothermal Radial Drilling) Tracto-Technik.[23]
59
Rys. 8. Wiertnica GRD ustawiona w pozycji roboczej przygotowanie do wykonania odwiertu. Widoczny pierścień kotwiący przy studni odwiertu i możliwość wiercenia wokół osi studni co pozwala na
obszarze montażu studni wykonać wszystkie potrzebne otwory dolnego źródła [23]
Rys. 9. Możliwości odwiertu w systemie GRD. Wiertnica może wykonać odwierty pionowe jak również bez przestawiania wokół własnej osi jest wstanie wykonać odwierty kątowe. [23]
60
Rys. 10. Mapa przekroju gruntu i możliwości wykonywania odwiertów kątowych. Zakres pracy urządzenia wierceń od kątem wynosi od 200 do 600 zaś głębokość maksymalnie do 60m [23]
Rys. 11. Obraz symulacji numerycznej wersji 2D oddziaływania dwóch sond pionowych względem
siebie. Istotnym elementem w projektowaniu dolnego źródła w postaci odwiertów wykonywanych pod
kątem jest ograniczenie do minimum wpływu maksymalnych pól temperaturowych wytworzonych wokół rdzenia sondy na siebie.[24 ]– materiały firmy www. drilline-energy.com
Kolejnym rozwiązaniem technicznym dolnego źródła są sondy pionowe typu Helix PEXa. Montaż sond RAUGEO Helix może odbywać się na różne sposoby w zależności od
warunków gruntu i od ilości dostępnego miejsca. W celu zapewnienia minimalnej straty
61
ciśnienia w całym systemie, przewody sond Helix powinny być prowadzone do rozdzielacza w dwóch równoległych obwodach. Możliwy jest montaż zespołów do 3 sond Helix,
które mogą być zainstalowane w szeregu. Najlepiej jest, gdy rozdzielacz jest zamontowany
w najwyższym punkcie systemu, aby zapewnić optymalne odpowietrzanie. Jeśli nie jest to
możliwe, w najwyższym punkcie systemu należy zaprojektować odpowietrzacz, aby było
możliwe całkowite odpowietrzenie.
Wytyczne projektowe posadowienia wymienników koszowych *:
- odległość od granicy działki lub budynku: 1,5 m
- odległość od instalacje wodnych lub gazowych oraz kanałów: 1,5 – 2m
- odległość od innych instalacji: 0,5 m
* są to wartość minimalne
Rys. 12. Wizualizacja kolektora pionowego typu Helix PE-Xa w połączeniu ze studzienką rozdzielaczo
[25]
Rys. 13. Sonda spiralna widok połączeń zaciskowych rur PEX , które należy zabezpieczyć przed wpływem gruntu i ewentualnym uszkodzeniami tulejami termokurczliwymi [25]
62
Rys. 14. Przy dużej liczbie sond dopuszcza się łączenie do jednego rozdzielacza do trzech sond Helix
spiętych szeregowo [25]
Rys. 15. Przykład rozwiązania technicznego firma Rehau, która wykonuje również wymienniki spiralne typu Helix w wersji XXL, gdzie spirala wykonana z rury PEX została zamontowana wewnątrz
zbrojenia pala żelbetowego. Zbrojenie jest ramą techniczną do montażu wymiennika. Całość stanowi
gotową do zamocowania w gruncie konstrukcję. Wymienniki Helix XXL produkowane s w oparciu
o gotowy projekt i mają różne średnice jak i długości spiral w zależności od zapotrzebowania energetycznego instalacji [25]
dmianą wymiennika spiralnego jest wymiennik koszowy z usztywnioną konstrukcją
O
montażową.
Rys. 16. Gruntowy wymiennik ciepła tzw. sonda koszowa typu Geo Calix firmy Uponor [26]
63
Rys. 17. Gruntowy wymiennik ciepła tzw. sonda koszowa typu Geo Calix firmy Uponor - montaż przy
pomocy dźwigu w specjalnie wydrążonym otworze roboczym, kolejnym elementem jest zasypanie całości. Przed zasypaniem należy wykonać próbę ciśnieniową w celu sprawdzenia szczelności układu [27]
Sonda koszowa posiada stożkowy kształt o średnicy od 2,4 zmniejszający się do 1,4 m.
Rury produkowane są z tlenowo-sieciowanego polietylenu (PE-Xa) wykorzystującego metodę Engela, zgodnie z normą PN-EN ISO 15875 „Systemy przewodów rurowych z tworzyw
sztucznych do instalacji wody zimnej i ciepłej, Usieciowany polietylen (PEX)“. Przeznaczone do stosowania dla kolektorów gruntowych. Posiadają warstwę ochronną z czarnego
PE, odporne na promieniowanie UV. Zakres temperatura pracy do -50°C do 95°C. Zawiera
przyłączeniowy odcinek rury zasilenia i powrotu o długości 20 lub 25 m. Dopuszczone jest
do zgrzewania elektrooporowego ze złączkami Uponor EF, PE100, PN16. Zgodnie z DVGW
W 400-2 możliwość układania bez podsypki z piasku. Sondy koszowe typu Geo Calix produkowane są w dwóch wielkościach o całkowitej długości rury 150 i 200m.
Rys. 18. Porównanie wartości technicznych sondy koszowej typu Geo Calix oraz Geo Calix typu XL.
Wydajność jednego kosza pozwala uzyskać maksymalnie około 2 kW energii ale tak wysoka wydajność jest mocno uzależniona od parametrów gruntu jak również parametrów temperaturowych systemów zdawania ciepła [27]
64
Rys. 19. Wykres przebiegu zmian temperatury w gruncie w ciągu roku – materiały firmy Dimplex [5]
Tabela. 2. Moc poboru kolektorów poziomych dla 1800 i 2400 godz. pracy – materiały firmy HAKA [28]
Tabela. 3. Współczynniki mocy cieplnej pionowych wymienników ciepła w zależności od rodzaju
gruntu – materiały firmy HAKA [28]
65
Poza gruntem o różnej strukturze geologicznej, najpopularniejszym dolnym źródłem
szczególnie w krajach Skandynawskich jest skała. Jako naturalny magazyn energii o bardzo
dobrych własnościach akumulacyjnych przewyższający grunt idealnie spełnia wymagania
dolnego źródła. Przy zastosowaniu systemów regeneracji (ciepło z chłodzenia w okresie
lata), możemy w bardziej efektywny sposób wykorzystać skały. Jedynym elementem negatywnie wpływającym na eksploatację dolnego źródła umieszczonego w skale może być brak
lub tylko częściowa regeneracja otoczenia górotworu skalnego z umieszczonym pionowym
wymiennikiem ciepła przez migrację wód podziemnych. Przykładowy model przepływu
wód podziemnych obrazuje (Rys.20L, Rys.21Ś, Rys.22P.)
Przepływ czynnika roboczego w różnej strukturze gruntu
Rys. 20L. Układ kolektora pionowego przy równomiernym rozpływie strumienia wody o odpowiednim
potencjale energetycznym qw w skale o pełnej porowatości przy pełnej jednorodności materiału [28]
Rys. 21Ś. Układ kolektora pionowego przy nierównomiernym rozpływie strumienia wody o odpowiednim potencjale energetycznym qw w skale o niejednorodnym materiale i braku przepuszczalności
warstw wody przy odwiercie. Całość przepływu wód podziemnych kierowana jest przez warstwy najbardziej porowate i przepuszczalne [28]
Rys. 22P. Układ kolektora pionowego przy całkowitym braku przepuszczalności warstw wodonośnych
regeneracyjnych. W tym modelu przepływająca woda podziemna nie ma szerokości, ani masy, ani
zdolności przenoszenia ciepła tzw. złamanie płaszczyzny pionowej między warstwami skalnymi [28]
Zdolność magazynowania i przewodzenia ciepła przez grunt, skały jest uzależniony od
jego składu i jakości. Jakość masy gruntu jak i skał jest tym lepsza im ma większą wilgotność
oraz odpowiedni udział pierwiastków mineralnych z jak najmniejszym udziałem pęcherzyków powietrza.
66
Tabela. 4. Przewodność cieplna właściwa skał według różnych źródeł [W/m*0C] – materiały firmy Sun
Energy [29]
Kolejnym rozwiązań dolnego źródła o stabilnym poziomie energetycznym są wszelkiego rodzaju zbiorniku wodne ( jeziora, stawy, kanały, rzeki, morze). Woda powierzchniowa,
gruntowa jak i głębinowa oferuje nam stałą i stosunkowo wysoką temperaturę od 80C - 120C
zaś wody głębinowe około 150C. [] Popularnym systemem przy dużych pomp ciepła ( > 100
kW) jest układ dwóch studni (studnie wykonywane w układzie dwufunkcyjnym poborowozrzutowym) lub w układzie nieparzystym czyli studnia (otwór) poborowy i dwie studnie
(otwory) zrzutowe. Układ taki występuje często przy problemach z zatłaczaniem wody do
warstwy wodonośnej.
Rys. 23. Schemat dostarczania wody gruntowej jako źródła ciepła poprzez system połączonych studni:
czerpalnej i chłonnej materiały firmy Vaillant [30]
67
Opis poszczególnych elementów układu dolnego źródła typu wod-woda :
Rys. 24. Spiralny wymiennik ciepła wykonany z odpornej na korozję stali szlachetnej dla układów typu
woda-woda przy pomp ciepła woda/woda SI 10-22TU. Wysokojakościowe rozwiązania wymienników
ciepła szczególnie mają znaczenie przy zastosowaniu w układach gdzie przepływająca woda może
zmieniać swoje własności fizykochemiczne i niekorzystanie wypływać na pracę układu (odkładanie się
kamienia lub zwiększona korozyjność nośnika) [5]- materiały firmy Dimplex
68
Wymiennik ciepła pośredni typu M3 FM
Wymiennik ciepła pośredni typu M6 FM
Rys.25. Wymiennik ciepła działające w układzie pośrednim. Konstrukcja wymiennika pozwala rozkręcić płyty i wymienić lub oczyścić układ. Wymiennik pośrednie stosuje przy kontakcie z mediami
agresywnymi. Materiały firmy Vaillant [30]
Bezpieczne wartości parametrów wody gruntowej:
Tabela. 5. Tabela wartości granicznych parametrów fizykochemicznych wody gruntowej Materiały
firmy Vaillant [30]
W materiałach projektowych i technicznych każdy producent może indywidualnie określić parametry graniczne dla swojego urządzenia. Na przykład u niektórych producentów
ograniczenia na żelazo i mangan wynoszą odpowiednio <0,2 mg/l oraz <0,1 mg/l – jak dla
wody pitnej jako elementu dolnego źródła dla pompy ciepła.
69
Strumień objętości wody gruntowej zasilającej parowacz pompy ciepła (konieczną wydajność studni) oblicza się ze wzoru [30]:
gdzie:
Qo – moc cieplna pobierana z dolnego źródła, [kW],
cp – ciepło właściwe wody, [kJ/kg*K],
ΔT – spadek temperatury wody w parowaczu (ΔT = 4 ÷ 5 K), [K],
ρ – gęstość wody, [kg·m-3].
W przypadku studni głębokich nie powinno dopuszczać się do swobodnego spływu
wody powrotnej, gdyż powoduje to wydzielanie się dwutlenku węgla i tworzenie węglanu
wapnia na ściankach studni.
Najczęściej spotykane problemy eksploatacyjne to: narastanie szlamu na ściankach
studni, wytrącanie się żelaza, zanieczyszczenia biologiczne, ograniczenie dopływu świeżej
wody, zamulenie (kolmatacja) oraz uszkodzenie obramowania studni. Niektóre studnie wymagają czyszczenia roztworem kwasu solnego, np. studnie aluwialne wymagają konserwacji
co 2 do 5 lat. Przy projektowaniu studni wodnych jako dolnych źródeł warto zaprojektować
układ jako system dwufunkcyjny, każda studnia wykonana jako układ poborowo-zrzutowy
z doprowadzeniem energii elektrycznej do zasilania pompy głębinowej. Takie rozwiązanie
pozwala w okresie eksploatacji oczyścić układ filtra oraz rur zasilania i powrotu, odwrócenie
obiegu nie ma również negatywnego środowiskowego wpływu na układ naturalnego obiegu
wody głębinowej jak również na jej parametry temperaturowe.
Nietypowym rozwiązaniem technicznym nie stosowanym w polskich warunkach klimatycznych jest zastosowanie wymienników podwodnych umiejscowionych w jeziorach,
stawach, rzekach i zbiornikach przepływowych. Kanadyjska firma opatentowała wymiennik
podwodny służący jako dolne źródło dla układów pomp ciepła. Innowacyjnym rozwiązaniem tego wymiennika jest jego prostota i materiały z których został wykonany czyli kompozytowe materiały nie ulegające korozji a przede wszystkim jest szczelny i bezpieczny dla
środowiska naturalnego.
Podwodne Wymiennik ciepła typu LIMNION jako uzupełnienie systemów dolnych
źródeł.
Możliwości instalacji pod powierzchnią wody oraz również na konstrukcji stacjonarnej
lub podczepione pod pomostami
70
Rys. 26. Schemat montażu podwodnego wymiennika ciepła [31]
Rys. 27. Schemat połączeń poszczególnych wymienników podwodnych oraz przekrój i widok wewnętrznych elementów układu [31]
Rys. 28. Układ wymiennika typu LIMA-1 z widocznymi rurkami zamontowanymi wokół rdzenia
z wyprowadzeniem przewodów zasilania i powrotu [31]
71
Tabela parametrów technicznych podwodnego wymiennika ciepła:
Tab. 6. Tabela parametrów technicznych wymiennika typu LIMNION [31]
L.p.
Oznaczenia
Parametry techniczne
Maksymalny przepływ wody
8 m3 /h
2.
Maksymalne ciśnienie pracy
3,5 bar
3.
Maksymalne ciśnienie obciążenia chwilowego
5,0 bar
4.
Temperaturowy zakres pracy
-100 C do +400 C
5.
Wymiary średnica x wysokość
1070 mm x 1120 mm
6.
Średnica króćców przyłączeniowych
40 mm
1.
W
warunkach zimowych układ podwodnego wymiennika ciepła pozwala na odzysk
energii aż do 12 kW mocy grzewczej, zaś w okresach przejściowych wiosną oraz jesienią
może osiągnąć nawet do 15 kW. Dane techniczne w postaci wykresu wyraźnie pokazują
możliwości wykorzystania wymienników typu LIMA-1. Wydajność układu LIMA-1 przy
współpracy z 15 kW pompą ciepła, medium roboczym jest roztwór wody z glikolem 30%,
ciepło na poziomie 3,9 (kJ/kg*K) oraz stały przepływ o wartości 3,4 m3/h
Rys. 29. Charakterystyka wydajności wymiennika typu LIMA-1 w zależności od temperatury wody.
Widoczny wyraźny wzrost egzergii układu przy temperaturze wody na poziomie 200C możemy uzyskać około 14 kW energii zaś przy temperaturze na poziomie 50C ten uzysk energetyczny jest na poziomie 8 kW [31]
LIMA F - Wymiennik ciepła strumienicowy do wody przepływającej
Wymiennik typu LIMA F został zaprojektowana specjalnie do odzysku ciepła z wody
przepływającej. Kompaktowy kształt , zwarta obudowa oraz uniwersalność konstrukcji powodują iż może być również wykorzystywany do chłodzenia pasywnego i aktywnego.
72
Budowa instalacji oparta o system kotwienia ciężarów na dnie akwenu lub na konstrukcji palowych, pomostach lub na nabrzeżu. Zabezpieczeniem przed zblokowaniem wymiennika jest montaż siatki w kształcie stożka a wlocie u wylocie wymiennika. Cały wymiennika
typu LIMA F został wykonany z wysokiej jakości polietylenu i nie stanowi środowiska korozyjnego, którym ma pracować.
Cechy wymiennika LIMA F:
• Duża powierzchnia wymiennika ciepła • Wszystkie połączenia rurowe spawane elektrooporowo • Stabilna obudowa oraz prosty układ montażu
• Bezpieczne połączenie do pompy ciepła przez spawanie z łączeniem elektrooporowym.
Rys. 30. Wizualizacja 3D wymiennika typu LIMA F. [31]
Tabela parametrów technicznych wymiennika strumieniowego ciepła LIMA F:
Tab. 7. Tabela parametrów technicznych wymiennika typu LIMA F. [31]
L.p.
Oznaczenia
Parametry techniczne
1.
Maksymalny przepływ wody
8 m3 /h
2.
Maksymalne ciśnienie pracy
3,5 bar
3.
Maksymalne ciśnienie obciążenia chwilowego
5,0 bar
4.
Temperaturowy zakres pracy
-100 C do +400 C
5.
Wymiary średnica x wysokość
630 mm x 600 mm
6.
Średnica króćców przyłączeniowych/grubość ścianki
40 mm x 3,7 mm
73
Rys. 31. Rysunek techniczny wymiennika strumieniowego LIMA F. [31].
Rys. 31. Zamontowany wymiennik strumieniowy z widoczną siatka ochronna i systemem przyłączeniowym do układu pompy ciepła. Układ został zamontowany na ścianie kanału [31]
Rys. 32. Układ dolnego źródła w postaci wymiennika spiralnego zatopionego w jeziorze przy pomocy
obciążeń jest zatapiany na dnie jeziora [31]
74
Kolejnym przykładem nietypowego rozwiązania w warunkach polskich jest układ pompy ciepła na Molo w Sopocie zamontowanym w budynku kubaturowym gdzie dolnym źródłem jest woda morska w układzie bezpośrednim przetłaczana przez wymiennik tytanowy
zamontowany w maszynowni pompy ciepła.
Rys. 33. Montaż dolnego źródła w postaci pionowej kolumny do bezpośredniego przepompowywania
wody morskiej [4] - materiały firmy NEXUM
Rys. 34. Skręcany wymiennik ciepła firmy ALFA LAVAL wraz z kolumną filtracyjną zamontowaną
pod powierzchnią mola i przymocowaną obejmami ze stali nierdzewnej do pali konstrukcyjnych. - materiały firmy NEXUM [4]
75
Kolumna robocza dolnego źródła do poboru wody morskiej
Rys. 35. Układ kolumny roboczej dolnego źródła składający się z części podfiltrowej, filtra, części
nadfiltrowej - materiały firmy NEXUM [4]
Najtańszym dolnym źródłem ciepła jest powietrze atmosferyczne. Ze względu na dostępność w dowolnych ilościach oraz niskie koszty inwestycyjne układy typu powietrzewoda cieszą się dużym powodzeniem. Istotną wada takiego rozwiązania jest niestabilność
temperaturowa (w okresie zimowym do -300 C , w okresie lata do +400C) tak duża różnica
temperaturowa wpływa istotnie na COP układu jak i na stosowalność []. Układy powietrznych pomp ciepła idealnie funkcjonują w układach biwalentnych ze szczytowym źródłem
ciepła. Pobór powietrza może być realizowany przez układ jednostki zewnętrznej lub przez
układ jednostki wewnętrznej połączonej kanałami (czerpni i wyrzutni).
Rys. 36. Dolne źródło powietrze w układzie wewnętrznym. Jednostka centralna umiejscowiona jest
wewnątrz budynku, powietrze doprowadzone jest kanałami do pompy ciepła – materiały Vaillant [30].
76
Rys. 37. Dolne źródło powietrze w układzie zewnętrznym. Jednostka centralna umiejscowiona jest
zewnątrz budynku wraz z układem chłodniczym. – materiały Alphainnotec [32]
Innym rozwiązaniem wykorzystującym dolne źródło jako powietrzne jest system radiatorów zewnętrznych z czynnikiem roboczym (parownik zewnętrzny tz. bezpośrednie odparowanie)
zawartego w wilgotnym powietrzu układ sprężarki umieszczony na zewnętrz budynku - materiały firmy OCTOPUS [10]
zawartego w wilgotnym powietrzu układ sprężarki umieszczony wewnątrz budynku - materiały firmy
OCTOPUS [10]
77
zawartego w wilgotnym powietrzu układ sprężarki umieszczony wewnątrz budynku - materiały firmy
OCTOPUS [10]
Rys. 41. Rezultaty uzyskane na drodze badań w okresie 4 lat pompa ciepła EKO-HEAT wykorzystujące
energię zawartą w wilgotnym powietrzu. Wykres przedstawia zależność COP od temperatury otoczenia
parownika zgodnie z normami materiały firmy EKO-HEAT [11]
78
Rys. 42. Parownik pompy ciepła EKO-HEAT podczas pracy, widoczny efekt szronu materiały firmy
EKO-HEAT [11]
Zasada działania pompy ciepła z parownikiem zewnętrznym polega na tym, iż czynnik
chłodniczy (gaz) w formie cieczy przepływa przez sieć miedzianych rurek otoczonych potężnymi aluminiowymi powierzchniami (radiatorami) ułatwiającymi przyjmowanie energii
z zewnątrz. Powierzchnia radiatorów po rozwinięciu odpowiada około 800 m bieżących rury
ułożonej poziomo pod powierzchnią ziemi do pobierania ciepła, analogia do gruntowych poziomych wymienników ciepła. Przepływając gaz przez magistralę otoczoną radiatorami ulega podgrzaniu pobierając ciepło z powietrza zewnętrznego. Należy przypomnieć, iż ujemna
temperatura nie oznacza braku energii. Energia ciepła dalej jest w powietrzu jej wartość energetyczna w stosunku do przyjętej skali temperaturowej jest mała. Znaczącym czynnikiem
energetycznym jest zawartość pary wodnej w powietrzu (wilgotność powietrza) oraz wiatr.
Wilgoć zawarta w powietrzu (w postaci gazu, lub opadów atmosferycznych), osiadając
(skraplając się) na powierzchni radiatorów oddaje ciepło. Zjawisko jest tak intensywne, iż
następnym stanem skupienia jest po prostu szadź lub lód. Następuje szybki transfer energii
do przepływającego w rurach czynnika. Wynikiem takiej przemiany fazowej jest jego nagrzanie i przejście z cieczy do stanu lotnego. Jako gaz trafia on do kompresora (sprężarki),
gdzie podnoszone jest jego ciśnienie temperatura. W momencie otwarcia zaworu ekspansyjnego sprężony gwałtownie ogrzewa się i gorący trafia do wymiennika cieplnego o dużej
wydajności. Tam oddaje swoją energię (ciepło). Ogrzewając wodę, znów przechodzi w stan
ciekły. Woda krążąc w systemie centralnego ogrzewania oddaje energię cieplną do budynku.
W chwili gdy ubędzie jej poniżej zadanej wartości, powyżej opisany proces rozpoczyna się
od nowa.
Zbiornik akumulacyjny lodu - innowacyjne dolne źródło pomp ciepła
Zbiorniki lodu to betonowy zasobnik energii o średnicy 2,5 m i wysokość 3,56 m, zakopywany w gruncie poniżej strefy przemarzania. W zależności od zapotrzebowania na ciepło
budynku instalacja może składać się z jednego lub kilku takich zbiorników. Dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10 kW jeden zbiornik będzie wystarczający – zapewni wystarczającą
ilość ciepła dla pompy ciepła w całym okresie grzewczym. Może również stanowić źródło niskiej temperatury dla chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim. Wewnątrz zbiornika,
w wodzie, umieszczone są dwa wymienniki ciepła – wężownice z rur z tworzywa sztucznego. Przez pierwszy wymiennik przepływa solanka z instalacji pompy ciepła.
Drugi wymiennik, umieszczony przy ściankach zewnętrznych zbiornika, połączony jest
z kolektorem powietrzno-słonecznym [33].
79
Rys. 43. Odkryty widok zbiornika akumulacyjnego lodu z układem wężownic i rozdzielaczem z układem rotametrów w celu zrównoważenia pętli wymiennika - materiał firmy SKORUPA ENERGY
TECHNIC [34].
W instalacjach o mocy grzewczej do ok. 15 kW stosuje się jeden zbiornik betonowy
o średnicy 2,5 m, wysokość ok. 4 m, i pojemności wody ok. 10 m3 (10 000 litrów). W zależności od zapotrzebowania na ciepło budynku, instalacja może składać się z jednego lub kilku
takich zbiorników połączonych.
Rys. 44. Widok wnętrza zbiornika lodu z widocznymi rozdzielaczami zamontowanymi pod sufitem
proces zamarzania w takich zbiornikach zawsze przebiega od środka do ściany zewnętrznej - materiał
firmy SKORUPA ENERGY TECHNIC [34]
Rys. 45. Widok kolektora powietrznego na dachu budynku - materiał firmy SKORUPA ENERGY
TECHNIC [34]
80
W 2014 roku został wybudowany pierwszy w Polsce układ ze zbiornikiem akumulacyjnym lodu, na terenie firmy Skorupa Energy Technic w Dobrodzieniu, woj. opolskie.
W najbliższym okresie instalacja zostanie opomiarowana i będzie możliwość wizualizacji
parametrów on-line.
System składa się ze zbiornika betonowego o średnicy 2,7 m i wysokość 3,2 m oraz grubość ścianki 10 cm i mieści w sobie ok. 10 m3 wody (10 000 kg). We wnętrzu zbiornika znajduje się stelaż wykonany ze stali ocynkowanej, na którym umieszczone są dwa wymienniki
ciepła w postaci wężownic, wykonanych z rur PE o średnicy 32 mm. Zbiornik lodu został
posadowiony w gruncie, w odległości ok. 15 m od budynku oraz 1,5 m p.p.t.
Kolektor (absorber powietrzno-słoneczny) o długości roboczej 8 m został wykonany
na wolno stojącej konstrukcji metalowej ze stali ocynkowanej, o wysokości 1,9 m. Do konstrukcji stalowej przymocowana jest rura PE o średnicy 32 mm i całkowitej długości 600
m (Rys.45). Ciepło z powietrza i promieniowania słonecznego pozyskane przez absorber
transportowane jest rurą PE o średnicy 50 mm do kotłowni oddalonej o 25 m. W instalacji została zamontowana pompa ciepła typu solanka-woda model Vitocal 300-G o mocy grzewczej
10 kW. System układu pompy ciepła oparty o układ zbiornika lodu jako dolnego źródła
wykorzystuje energię skumulowaną w przemianie fazowej tzw. proces zamarzania wody.
(Rys.46
Rys. 46. Wykres zmiany stanu skupienia wody oraz oddawania względnie pobierania odpowiedniej
dawki energii - materiał firmy SKORUPA ENERGY TECHNIC [34].
W powyższe wykresu wynika, iż obniżając temperaturę wody o masie 1 kg o 1°C, uzyskujemy 1,163 Wh energii cieplnej. Natomiast podczas procesu całkowitego zamarzania
wody o masie 1 kg uzyskujemy 93 Wh energii cieplnej. Dla porównania, taką samą ilość
energii cieplnej w ilości 93 Wh uzyskamy, schładzając 1 kg masy wody od temperatury 80°C
do 0°C. Drugim ważnym aspektem jest fakt iż lód może być optymalnym rozwiązaniem
jeżeli chodzi o źródło do chłodzenia budynku. W celu całkowitego roztopienia 1 kg masy
lodu musimy do dostarczyć zewnątrz 93 Wh energii cieplnej, czyli tyle samo, ile potrzeba do
całkowitego zamarznięcia wody. Proces zamarzania przebiega od środka do zewnętrznych
ścian zbiornika, zaś proces tajania odwrotnie do wnętrza zbiornika (Rys. 47).
81
Kierunek zamarzania i topnienia lodu w zasobniku
Rys. 47. Faza zamarzania i tajania lodu w zbiorniku żelbetowym - materiał firmy SKORUPA ENERGY
TECHNIC [34]
Schemat instalacji układu pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci magazynu lodu
o pojemności 12 m3 i dwoma buforami (bufor chłodu oraz bufor ciepła) oraz systemem zdawania ciepła - górnym źródłem.
Ważnym aspektem technicznym w celu optymalizacji projektowania systemów opartych o zbiorniki lodu jest możliwość analizy danych. Na poniższym wykresie zwizualizowano pracujący od ponad roku system instalacji z zasobnikiem lodu o pojemności 170 m3 (17 zbiorników lodu) i pompą ciepła o mocy grzewczej 120 kW pokazuje, że energia uzyskiwana
z kolektora powietrznego stanowi większość wykorzystywanej energii (Rys.48).
Zbiorniki akumulacyjne lodu mogą stanowić dobrą alternatywę dla klasycznych dolnych źródeł ciepła przeznaczonych do pomp ciepła typu solanka-woda lub woda-woda.
Prace montażowe są prostsze, w zdecydowanie mniejszym stopniu wpływają na otoczenie
i środowisko, a dodatkowo nie wymagają projektu prac geologicznych i uzgodnień środowiskowych. Rozwój tego typu technologii mocno się rozwija na rynku niemieckim ponieważ
od pewnego czasu zaczynają być problemy formalne związane z wykonywaniem odwiertów,
a także ich późniejszą eksploatacją. W warunkach polskich ten problem jeszcze nie istnieje
ale należy przyglądać się rozwojowi tej technologii i próbować wprowadzać do naszych
układów OZE.
82
Rys. 48. Schemat instalacji układu pompy ciepła ze zbiornikiem akumulacyjnym lodu o pojemności
12 m3 - - materiał firmy SKORUPA ENERGY TECHNIC [34]
Rys. 49. Przykładowy przebieg temperatury wody z zbiorniku lodu w poszczególnych miesiącach roku
[34]
W ostatnim okresie czasu bardzo mocno wzrosło zainteresowanie dolnymi źródłami,
które są sztucznie wytwarzane w różnych procesach przemysłowych jak i technologicznych.
Energia zgromadzona w sztucznych dolnych źródłach o różnym stopniu (niskiej i wysokiej)
entalpii po przetworzeniu przy pomocy różnych układów rekuperacyjnych powoduje zwiększenie efektywności energetycznej systemów cieplno-energetycznych.
83
Rys. 50. Przebieg bilansu strat energii w budynku do mocy uzyskanej ze zbiornika lodu i mocy układu
kolektora powietrznego [34]
Gazy odpadowe, spaliny średni i wysokotemperaturowe, ścieki z procesów technologicznych, ścieki bytowe, woda powrotna z instalacji cieplnych, woda basenowa, zbiorniki
lodu, powietrze odpadowe itp. to potencjał o dużych możliwościach energetycznych. Odzysk
ciepła ze spalin i zwiększenie entalpii wody ciepłowniczej przy pomocy pompy ciepła jest
ciekawym rozwiązaniem technologicznym stosowanym przy dużych elektrociepłowniach
miejskich.
Rys. 51. Odzysk ciepła z pary wodnej po oczyszczeniu spalin SYSAV Malmö – Spalarnia odpadów
stałych . Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14]
84
Rozwiązanie techniczne odzysku energii z instalacji zdalaczynnej ciepła i chłodu w systemie miejskim Oslo - instalacja ,,SANDVIKA” - Norwegia
Rys. 51. System odzysku ciepła ze ścieków w OSLO - instalacja SANVIKA. Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14]
Rys. 52. Pompa ciepła w instalacji odzysku ciepła ze ścieków przed montażem. Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14]
85
Tryb pracy letni (wytwarzanie wody lodowej w trybie chillera chłodzonego ściekami)
Tryb pracy zimowy (odzysk ciepła z nieoczyszczonych ścieków)
Rys. 53. Ogrzewanie i chłodzenie sieciowe w układzie rewersyjnej pomp ciepła (układ pomp ciepła
14 MW) instalacja ,,SANDVIKA”, Oslo, Norwegia. Wykorzystanie dolnego źródła w postaci kanału
portowego oraz kanałów ściekowych. Materiały firmy Friotherm Szwajcaria [14]
Gwałtowny rozwój budownictwa ekoenergetycznego przyniósł innowacyjne rozwiązania wykorzystania konstrukcji budynków jako sztucznego dolnego źródła. Wykorzystanie
konstrukcji żelbetowych oraz konstrukcji budynku jako systemu magazynowania energii
i następnie odzyskiwania jej przy pomocy układów pomp ciepła spowodowało całkowitą
zmianę podejścia w projektowaniu tego typu systemów. Interdyscyplinarność procesu projektowego i współpraca na etapie koncepcji, projektu i wykonawstwa wszystkich branż
gwarantuje optymalizację kosztów eksploatacji jaki i uzyskanie odpowiedniej efektywności
energetycznej systemów budowlano-instalacyjnych.
Pale energetyczne, termopale, płyty fundamentowe, ściany szczelinowe, konstrukcje tuneli to wszystko stanowi układ dolnego źródła o dużej pojemności cieplnej.
86
Rys. 54. Termopale energetyczne jako element konstrukcyjny budynków wykorzystywany do transformacji energii ciepła i chłodu w układzie grawitacyjnym lub wymuszonym . - materiały firmy Titan
Polska [35 ]
Rys. 55. Płyta fundamentowa oraz ściana szczelinowa jako element konstrukcyjny budynków wykorzystywany do transformacji energii ciepła i chłodu w układzie grawitacyjnym lub wymuszonym.
W warstwie konstrukcji zbrojeniowej zostały ułożone rury z polietylenu sieciowanego jako tzw. wymiennik ciepła - materiały firmy Titan Polska [35]
87
Rys. 56. Termoaktywne elementy konstrukcyjne obiektów budowlanych - Tunele kolei podziemnej
materiał wg. prof. H.Brandla [36]
Rys. 57. Budowy nowych podziemnych tuneli komunikacyjnych stanowi doskonałą okazję do wykorzystania elementów konstrukcji jako dolnych źródeł energii odnawialnej w miastach o mocno zurbanizowanym terenie naziemnych jak i podziemnym. Konstrukcja tunelu może wykorzystywać ciepło
zgromadzone w gruncie oraz ciepła o niskiej entalpii powietrza wentylacyjnego krążącego w tunelach.
Koszty inwestycyjne takie rozwiązania w skali całej inwestycji są tyko 2% większe od rozwiązania
tradycyjnego - materiał Stuttgarter Straßenbahnen AG [36]
88
- czujnik temperatury powietrza wewnętrznego w tunelu
- konstrukcja ściany termoaktywnej
- warstwę rozdzielającą powłokę wewnętrzną od zewnętrznej
- warstwa konstrukcji żelbetowej wzmacniająca ściany tunelu
- skała - materiał rodzimy tunelu
- rury z czynnikiem roboczym
- czujnik do pomiaru temperatury betonu
- warstwa konstrukcyjna betonu wewnętrzna od strony tunelu
- zbrojenie wewnętrznej warstwy betonu, również element
mocujący system rur instalacyjnych.
Rys. 58. Schemat konstrukcji aktywnej ściany tunelu do wykorzystania energii geotermii niskotemperaturowej - materiał Stuttgarter Straßenbahnen AG [36]
Przepływ ciepła
w poszczególnych
fazach w funkcji
czasu.
Faza 1
Faza 2
Faza 3
Rys. 59. Wykres wydajności układu dolnego źródła w funkcji czasu. Temperatura zasilania utrzymuje
się na stałym poziomie 250C. Przepływ masowy czynnika był dwukrotnie większy niż w fazie pierwszej zaś połowę w porównaniu fazy trzeciej. W przypadku zwiększenia przepływu masy strumienia
zwiększa się zdolność do wymiany ciepła między dwa ośrodkami przy powierzchni absorbera na poziomie 180 m2. - materiał Stuttgarter Straßenbahnen AG [36]
Najważniejszym parametrem określającym efektywność energetyczną dolnych źródeł
pompy ciepła jest współczynniki wydajności lub efektywności COP (ang. Coefficient of
89
Performance), jest to stosunek pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a niezbędną do napędu sprężarki mocą elektryczną. Zwykle w danych technicznych jest on podawany zgodnie
z normą EN 255 dla parametrów 00C temperatury na wejściu do pompy ciepła z dolnego
źródła i 350C na zasilaniu systemu grzewczego Im wyższa wartość współczynnika COP
pompy ciepła tym wyższa jest jej efektywność. Zgodnie z nowymi wytycznymi UE wprowadzono współczynnik SCOP (SPF) (ang. Seasonal Coefficient of Performance) czyli sezonowy współczynnik efektywności energetycznej oznacza całościowy wskaźnik efektywności
urządzenia, reprezentatywny dla całego wyznaczonego sezonu ogrzewczego. Na poniższym
rysunku obliczany jako stosunek referencyjnego rocznego zapotrzebowania na ciepło do
rocznego zużycia energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania [1].
Istotną sprawą utrzymania wysokich wartości współczynnika COP, SCOP jest wartość entalpii dolnego źródła. Zasada efektywności energetycznej w stosunku do wszystkich
dolnych źródeł jest bardzo prosta, musimy zapewnić wysoki i stabilny parametr medium
w czasie eksploatacji zaś po stronie górnego źródła temperatura zdawania musi być jak najniższa aby wydajność układu była optymalna. Prawidłowość procesu projektowania systemów opartych o pompy ciepła jest uzależniona od wydajności i parametrów dolnego źródła,
optymalnego doboru urządzeń maszynowni pompy ciepła, efektywnego niskotemperaturowego układu górnego źródła (ciepła i chłodu) jak również (co często jest pomijane) od warunków w jaki układ pracuje czyli budynek, hala, układ grzewczy itp.
Diagram przedstawia układ połączenia energetycznego poszczególnych składników instalacji oraz ich wzajemne oddziaływania poprzez parametry systemu co przekłada się na
efektywność energetyczną poszczególnych składowych.
90
Rys. 60. Podział współczynników na poszczególne elementy instalacji pompy ciepła - materiały PORT
PC [3]
91
3. Przykład obliczeniowy dla wybranego obiektu wraz z symulacją numeryczną
poniżej przedstawiono przykład obliczeniowy wraz z symulacją numeryczną dla budynku sakralnego zasilanego z pompy ciepła typu solanka/woda w układzie kolektora poziomego.
Parametry wejściowe do projektu
- strefa klimatyczna zimowa IV
- strefa klimatyczna letnia IV
- obliczeniowa temperatura zewnętrzna zimą: -220 C
- średnia roczna temperatura zewnętrzna : 6,90 C
- miejscowość Lidzbark Warmiński
DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA – MODEL OBLICZENIOWY
Przy projektowaniu tego typu układów posłużono się szczegółowymi normami i wytycznymi odnoszącymi się do projektowania poziomych gruntowych wymienników ciepła
oraz wytycznymi branżowymi (norma VDI 4640 i wytyczne projektowe PORT PC). Kolektor gruntowy płaski składa się z systemu przewodów rurowych, ułożonych na roboczej
powierzchni, ok. 20 cm poniżej granicy zamarzania gruntu. System przewodów rurowych
układa się na głębokości około 1.50 m. p.p.t. Na tej głębokości panują przez cały rok względnie stałe temperatury w granicach 5 °C – 15 °C. Moc pobieranego ciepła jest zależna od
właściwości fizycznych gruntu. Regenerację kolektorów umożliwia przede wszystkim nasłonecznienie oraz opady. W porównaniu z tym przepływ ciepła jest niewielki. Z tego względu
kolektorów nie należy ani zabudowywać ani umieszczać pod powierzchnią pokrytą warstwą
uszczelniającą. Cały grunt nad i wokół rur musi być dobrze zagęszczony. Miejsca, w których
grunt jest źle zagęszczony mają negatywny wpływ na wydajność energetyczną kolektora.
Zgodnie z wykonanym projektem robót geologicznych i na podstawie istniejących materiałów archiwalnych i interpretacji opracowanego przekroju zakłada się następujący profil
geologiczny projektowanej warstwy gruntu od poziomu 0 m – ok. 5 m występują piaski
drobnoziarniste dobrą infiltracją wody gruntowej.
Odcinki poziome do studni rozdzielaczowej będą ułożone w wykopach na głębokości
1.4 - 1.5 m. Przewody powinny być układane ze spadkiem 0.3% do 0.5% Przewody wchodzące do budynku w maszynowni pompy ciepła należy szczelnie zaizolować pianką poliuretanową o grubości 50 mm. Po doprowadzeniu rur do pomieszczenia maszynowni pompy ciepła należy podłączyć do układu pompy ciepła. Cały układ należy odpowietrzyć przy użyciu
pompy cyrkulacyjnej (umieszczonej w pompie ciepła).
92
Przekrój wykopu gruntowego wymiennika ciepła:
Podczas układania rur na dnie wykopu, przy zmianie kierunku, nie należy przekroczyć
dopuszczalnego minimalnego promienia załamania – dla rur PEHD wynosi ~50D (przy
czym wartości ugięć zmieniają się w zależności od temperatury zewnętrznej ). Należy dążyć
do układania rur w gruncie rodzimym z nienaruszoną jego strukturą – chodzi o grunty piaszczyste, gliniaste i żwirowe nienawodnione i nie zawierające kamieni. W razie wykonania
podsypki piaskowej powinna ona wynosić 0.10 m. W pobliżu drzew należy rury ułożyć na
podsypce z piasku nie bliżej niż 0.5m od pnia. Zastosowane pompy ciepła przystosowane są
do współpracy z naturalnym źródłem ciepła tj. gruntem. Dolne źródło ciepła pracuje w zamkniętym systemie cyrkulacyjnym z mieszanką płynu niezamarzającego. Połączenie między
zewnętrzną studzienką rozdzielacza a pompą ciepła wykonać z rury PE100 SDR-17 PN10
φ 75x4,5mm. Przejście do budynku należy wykonać pod ławą fundamentową nie naruszając
zabytkowej struktury budynku. Podczas prowadzenia robót ziemnych jak i instalacyjnych należy zachować dużą staranność i dbałość w celu ochronny zabytku.
Moc grzewcza dobranej pompy ciepła typu solanka/woda wynosi: 44,7 kW
Zapotrzebowanie na cele grzewcze: 44,7 kW
System stanowi monowalentny układ źródło ciepła dla istniejącego budynku, dobrany układ
pompy ciepła ma średnioroczny współczynnik efektywności COP układu na poziomie: 3,78
Zastosowano dwie metody obliczeniowe:
Metoda uproszczona: czynna długość poziomego gruntowego wymiennika ciepła:
gdzie:
Pc – wydajność chłodnicza pompy ciepła przy parametrach pracy [W] – 31,10 kW
qE – współczynnik zależny od rodzaju gruntu wg tabeli nr 2 [m] – 19[W/m]
δ – współczynnik zależny od średnicy rury wg tabeli nr 2– 1,05
93
Metoda szczegółowa: czynna długość poziomego gruntowego wymiennika:
gdzie:
Q0 – moc cieplna pobierana z gruntu obliczona Qch - 31,10 kW
Rp – jednostkowy opór cieplny rury, [m K·W-1], wg. warunków gruntowych
Rs – opór cieplny gruntu, [m K·W-1], Rs = 0,55 ÷ 0,80 [m·K·W-1]
τh – poprawka uwzględniająca okresowość pracy pompy ciepła; jest to stosunek czasu
pracy pompy w sezonie ogrzewania do czasu trwania sezonu ogrzewania, gdzie:
wartość średnia czasu pracy pompy ciepła 2100 h, zaś sezon grzewczy wynosi:
5400 h – 225 dni,
∆Tg– różnica między temperaturą gruntu o nienaruszonej strukturze (na głębokości ułożenia
rury) przyjmuje się wartość uśrednioną 200C, a temperaturą nośnika ciepła na
dopływie do parowacza pompy ciepła, [K] przyjmuje się wartość średnią -300 C.
Jednostkowy opór cieplny rury RP wyznaczyć można za pomocą wzoru:
gdzie:
λp –współczynnik przewodności cieplnej materiału rury, [W·m-1K-1], - współ.0,36
[m K·W-1]
Dz – zewnętrzna średnica rury, [m], - 0,040 m
Dw – wewnętrzna średnica rury, [m], - 0,0340 m
Obliczenia:
- opór cieplny rury Rp :
- czynna długość poziomego gruntowego L :
94
- pole powierzchni obszaru roboczego zajmowanego przez wykop wymiennika poziomy
Arob = L; czyli powierzchnia robocza około 1700 m2 + 300 m2 pow. technicznej
W związku z powyższym został zaprojektowany poziomy wymiennik ciepła o długości
około 1700 mb. na obszarze roboczym gruntu 2000 m2 z podziałem na 8 sekcji regulacyjnych
o długościach zgodnych z tabelą nr 1. Rozmieszczenie oraz ilość sekcji poziomego wymiennika ciepła wynika z optymalnego dopasowania do warunków terenowych.
Tabela nr 1:
L.p.
Długość pętli
Rodzaj rury
Głębokość układania
1.
219 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
2.
206 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
3.
200 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
4.
195 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
5.
223 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
6.
220 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
7.
214 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
8.
227 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
9.
Ogółem :1704 mb.
PE80 SDR-13,6 PN10 φ40x3,0mm
1,5 mb.
W tym konkretnym przypadku zaprojektowano pętle dolnego źródła wykonane w technologii rur PE, do obliczeń przyjęto rury PE80 SDR13,6 PN10 Dn 40x3,0mm. Średnica oraz
ilość pętli została dobrana na podstawie obliczeń hydraulicznych, przy założeniu prędkości
przepływu ok. 0,5 m/s przy maksymalnym dopuszczalnym spadku 70 kPa i przepływie nominalnym pompy 2,7 m/s =>9,72 m3/h
Tabela nr 2. Parametry rur oraz wartości współczynników
95
Współczynnik rozprowadzenia przewodów rurowych i pozyskiwana jednostkowa moc
cieplna
Dopuszczalna długość pojedynczej rury (pętli) poziomego gruntowego wymiennika
z przepływem szeregowym zależy od średnicy rury i wynosi:
Czas pracy dla zakładanej temperatury wewnętrznej 2000 C i temperatur zewnętrznych
dla poszczególnych stref (bez zysków wewnętrznych i solarnych)
96
Symulacja numeryczna na podstawie obliczeń projektowych dolnego źródła
Kolejnym krokiem w procesie projektowania dolnego źródła w postaci poziomego wymiennika ciepła jest wykonanie symulacji numerycznej. Poniższa symulacja numeryczna ma określić
efektywność energetyczną poziomego wymiennika ciepła w okresie 25 lat przy zastosowaniu
komputerowych metod numerycznych typu CFD (ang. Computational Fluid Dynamics).
Określone warunki brzegowe:
a.) pobór energii cieplnej z gruntu przy użyciu poziomego wymiennika ciepła
b.) wpływ wody na pobór energii cieplnej z gruntu
Warianty te wymagają jednak przedstawienia rzeczywistych parametrów (charakteru)
gruntu, który może być wykorzystany w konfiguracji zależnej od poszczególnych warstw co
stanowi ważny element parametrów symulacyjnych.
Brak izolacji od powierzchni terenu stwarza dogodne warunki do infiltracji wód opadowych drenowanych do Wisły. Omawiany teren znajduje się w odległości ok. 1,0 – 1,5 km
od koryta Wisły, która stanowi bazę drenażu I poziomu wodonośnego bardzo zasobnego
w wodę. Stany wody w Wiśle pozostają w ścisłym zawiązku z poziomem wody w warstwie
użytkowej. Szerokość koryta Wisły wynosi 600 – 1200 m a spadek 0,36%. Średni przepływ
wynosi 680 m3/s przy wahaniach od 230 do 3000 m3/s.
Kierunki i możliwości wykorzystania energii ciepła gruntu.
Analizując możliwości wykorzystania energii cieplnej gruntu w strefie poziomu głębokości od 0 – 2 m p.p.t. (założenia projektowe) należy rozważyć:
- pobór energii (ciepła) z ww. warstwy przy pomocy poziomego kolektora gruntowego
wymiennika ciepła z czynnikiem roboczym w postaci alkoholu etylowego lub glikolu propylenowego, w obiegu zamkniętym. Wariant ten obciążony jest dodatkowym zjawiskiem
stopniowej deprecjacji gradientu temperatury w gruncie, co w rezultacie powoduje trwały
spadek wydajności energetycznej masy gruntu. W celu minimalizacji efektu stopniowego
wychładzania masy gruntu należy zbilansować rachunek energetyczny na poziomie zera.
Należy uwzględnić szybkość oraz czas regeneracji gruntu szeroko rozumianego dolnego
źródła w celu ochronny jego zasobów energetycznych. Ważnym aspektem jest zabezpieczenie systemu dolnego źródła przed wymrożeniem. Regeneracja dolnego źródła następuje
w okresie letnim przez bezpośrednie nagrzewanie energią słoneczną oraz wodą gruntową
przepływającą bezpośrednio w obrębie poziomego wymiennika ciepła. Możliwe dodatkowe
warianty systemów regeneracji dolnego źródła to układy solarne, ciepło odpadowe lub inne
źródła wysoko energetyczne.
Dane wejściowe do symulacji numerycznej:
- Zapotrzebowanie mocy (ciepło) dla układu pomp ciepła Qh=44,7 kW
- Zapotrzebowanie mocy (chłód) dla układu pomp ciepła Qc=31,10kW
- Zagłębienie poziomych rurociągów dolnego źródła ciepła 1,2-1,4 m
- Średnia roczna temperatura zewnętrzna Tśr. = 6,900 C
- Obliczeniowa temperatura zewnętrzna zimą Tzima = -220 C
- Zakres temperatur pracy dolnego źródła ciepła Tzak = 5-150 C
- Profil geologiczny: przedział 0m-5m piaski drobnoziarniste z dobrą infiltracją wody
gruntowej tj. 19[W/m].
- Współczynnik przewodzenia ciepła dla rurociągu - 0,36[W/mK]
- Opór cieplny gruntu Rs = 0,8 [m2 K/W] - Średnica rurociągu wynosi: 40mm przy grubości ścianki 3,0mm
97
Model matematyczny systemu dolnego źródła pompy ciepła.
W modelu wykorzystano podstawowe równanie dynamiki przewodnictwa cieplnego:
gdzie:
ρ – współczynnik przewodności cieplnej materiału rury,[W·m-1K-1], współ.0,36 [m K·W-1]
Cp – ciepło właściwe [K/kg·K]
∂T – różniczka cząstkowa temperatury
∂t – różniczka cząstkowa czasu
– operator Nabla
k – współczynnik przewodności cieplnej [W/m·K]
T – gradient temperatury
Przy czym zdefiniowano warunek brzegowy dla dolnego źródła ciepła w postaci równania:
– n ∙ (– k T) = h ∙ (Text – T)
gdzie:
n – współczynnik przewodności cieplnej materiału rury, [W·m-1K-1], współ.0,36 [m K·W-1]
T – gradient temperatury
k – współczynnik przewodności cieplnej [W/m·K]
h – entalpia [J/kg]
Text – temperatura otoczenia = -220 C
T – temperatura płynu = 50 C
W równaniu tym założono otwarte warunki brzegowe dla gruntu. W przypadku kontaktu gruntu z otoczeniem założono że przepływ ciepła zależny jest od temperatury otoczenia
(Text = -220C). Dla obliczeń wymiennika gruntowego założono temperaturę płynu odbierającego ciepło (Text=50C). Jako temperaturę początkową gruntu w obliczeniach dynamiki
przyjęto T=150 C.
Do weryfikacji obliczeń założono dwa charakterystyczne punkty na głębokości 1m centralnie nad rurą, oraz na głębokości 1,5m między dwoma rurami wymiennika dolnego źródła
ciepła. Obliczenia wykonano dla piasku średniego średniowilgotnego λ=0,4[W/mK] (PNEN ISO 6946)
98
Parametry gruntu wykorzystane do analiz
Lp.
Nazwa parametru
Wielkość
jedn. miary
1
ciepło właściwe gruntu (piasek)
840
J/kg/K
2
gęstość gruntu (piasek)
1600
kg/m3
3
pojemność cieplna gruntu (piasek)
1,34
MJ/m3/K
4
ciepło właściwe wody
190
J/kg/K
5
gęstość wody
1000
kg/m3
6
pojemność cieplna wody
4,19
MJ/m3/K
7
pojemność cieplna gruntu (1/3 woda + 2/3 piasek)
2,29
MJ/m3/K
99
Rys. 1. Geometria modelowanego układu dolnego źródła ciepła
Zdefiniowano siatkę na potrzeby obliczeń w postaci elementów triangulacyjnych generowanych metodą Delaunay* o parametrach jak na rysunku 2.
*Triangulacja Delaunay – tworzenie sieci trójkątów na zbiorze punktów (2D lub 3D)
z warunkiem maksymalnie możliwej równoboczności trójkątów. Triangulacja Delaunay’a
jest podziałem obszaru na trójkąty, gdzie każde koło opisane na trzech sąsiadujących ze sobą
punktach nie zawiera żadnego innego punktu (rysunek poniżej)
Rys. 2. Model triangulacji Delaunay - użyty w tworzeniu siatki obliczeniowej
100
Rys. 3. Parametry zdefiniowanej siatki obliczeniowej
Na rysunku .4. przedstawiono uzyskaną siatkę geometryczna na podstawie zdefiniowanych parametrów (z rys 3) dla zagadnienia obliczania dynamiki obciążenia gruntu.
Rys. 4. Siatka obliczeniowa dolnego źródła ciepła
Wyniki obliczeń dolnego źródła – poziomy gruntowy wymiennik ciepła. W rozdziale
tym przedstawiono wyniki obliczeń dolnego źródła ciepła dla obliczeń związanych z wychładzaniem oraz regeneracją gruntu. Strategie te przedstawiono w tablicy 1 i 2 – w tablicach
przedstawiono również zestawienie rysunków uzyskanych dla przyjętych temperatur początkowych i brzegowych.
Ponieważ proces wychładzania gruntu przedstawiony na rysunku nr 5 ulegał stabilizacji
w czasie t=4e7s to zawężono obliczenia do czasu symulacji t=5e7s co w przybliżeniu daje
1,6 lat.
101
Rys. 5. Zmiany temperatury w czasie dla głębokości 1m (niebieski) i 1,5 m (zielony) podczas wychładzania gruntu - czas 50 lat
Rys. 6. Widok 3D dla izoterm oraz gradientu temperatury dla czasu t=2e5s
102
103
104
Osiągnięcie temperatury 0oC gruntu na głębokości 1 metr zajdzie w czasie 1.75e6
(20 dni) w przypadku pracy ciągłej dolnego źródła ciepła (24h/doba) przy zachowaniu temperatury otoczenia -22oC, oraz temperatury dolnego źródła na poziomie 5oC (tablica 1). Na
głębokości 1,5 m punkt zamarzania – 0oC osiągany jest w czasie 2,05e7 (237 dni) pracy
ciągłej.
W modelu pominięto wpływ cieków wodnych w gruncie (wariant niekorzystny)na procesy przewodzenia ciepła. Założono że w gruncie nie ma cieków wodnych oraz nie występuje proces przemiany fazowej krystalizacji wody. W związku z tym temperatura poniżej 0oC
w procesie wymrażania gruntu może być osiągana w dłuższym czasie zarówno z przyczyn
dyfuzji wilgoci w gruncie jak również na skutek zmiany fazy ciekłej wody w fazę krystaliczną co związane jest z ciepłem przemiany fazowej zamarzania oraz czasem tej przemiany
zależnym od zawartości wilgoci w gruncie.
Biorąc pod uwagę fakt, że osiągnięcie temperatury 00 C na głębokości 1,5m dla założonego w obliczeniach gruntu następuje po około 237 dniach pracy ciągłej zaleca się wykonanie wymiennika gruntowego co najmniej na głębokości 1,5m. Dla przewidywanego okresu
eksploatacji 50 lat w przypadku wystąpienia skrajnie niskich temperatur otoczenia zimą oraz
nadmiernej penetracji wilgoci gruntowy wymiennik ciepła może doznawać lokalnego obmarzania z tworzeniem się tzw. lodowych wieńcy, które z biegiem czasu mogą tworzyć rodzaj
lodowej ,,płyty’’ wewnątrz struktury gruntu.
W przypadku zastosowania systemu regeneracji latem przywrócenie parametrów eksploatacyjnych gruntu do 100 C powinno nastąpić po około 15 dniach pracy ciągłej systemu
regeneracji dla przyjętych założeń jak w tablicy 2.
105
4. Podsumowanie
W powyższym opracowaniu inżyniera instalacji geotermalnych przedstawiono przegląd
dostępnych komercyjnych rozwiązań technicznych dolnych źródeł oraz ich możliwości energetyczne przy współpracy z układami pomp ciepła. Wydajność energetyczna gruntu, wody,
powietrza, lodu jak i sztucznych dolnych źródeł w dużej mierze uzależniona jest od egzergii
i potencjału wewnętrznego danego źródła. Różnorodność dolnych źródeł zwiększa możliwości projektowania układów pomp ciepła jak również nie ma problemu z łączeniem czyli hybrydyzacją (dolnego źródła naturalnego ze źródłem sztucznym). Efektywność energetyczna
dolnych źródeł jest najistotniejszym problemem w procesie projektowania układów opartych
o pompy ciepła. Istotną barierą w wykorzystaniu naturalnych jak i sztucznych źródeł energii
jest brak wiedzy technicznej po stronie projektantów jak również inwestorów. Na świecie jak
i w krajach europejskich, wykorzystanie ,,darmowej energii” pochodzącej ze środowiska lub
zagospodarowanie szeroko rozumianego ciepła odpadowego, które nam towarzyszy na co
dzień stało się priorytetem i wyznacznikiem naszych czasów.
5. Literatura
Kazimierz Brodowicz, Tomasz Dyakowski Pompy Ciepła, Wydanie PWN Warszawa 1990
Marian Rubik, Pompy Ciepła w Systemach Geotermii Niskotemperaturowej, Wydanie PWN Warszawa 1990
materiały techniczne i konferencyjne PORT PC
materiały techniczne i konferencyjne Polskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła / NEXUM
materiały techniczne firmy Dimplex
materiały techniczne firmy Viessmann
materiały techniczne firmy Ochsner.
materiał techniczne firmy Fonko.
materiał techniczne firmy Octopus.
materiał techniczne firmy Eko-Heat.
materiał techniczne firmy Friotherm.
http://serwer1349388.home.pl/webcms/produkty/produkty-klimatyzacje/
http://www.machine-history.com/Refrigeration%20Machines
http://aehistory.wordpress.com/1854/10/05/1854-first-mechanical-ice-machine/
http://progress21.com.ua/en/heat-pumps/production-history
http://instalex-instalacje.pl/abc-energii-odnawialnej/dolne-zrodlo-ciepla-dla-pompy-ciepla-sondy-czykolektor/
[21] http://www.pompyciepla.com.pl/pl/text/10-Lista_referencyjna.php
[22] http://instalreporter.pl/ogolna/jak-wlasciwie-wykonac-gruntowe-poziome-wymienniki-ciepla/
[23] http://tunele.inzynieria.com/cat/8/art/23437/ekologiczne-cieplo-system-grd-tracto-technik
[24] http://www.tracto-technik.com/Radial-drilling-method-148.html
[25] materiały firmy REHAU
[26] materiały firmy UPONOR
[27] https://www.uponor.pl/pl-pl/instalacje/aktualnosci/nowosci/archiwum-2014/uponor-fire-station-goetzis.aspx
[28] materiały firmy HAKA
[29] materiały firmy Sun Energy
[30] http://www.dar-eko.pl/vaillant/cz2-materialyproj-dolnezrodla.pdf
[31] http://www.gogeothermal.co.uk/product-detail.asp?c=23&p=53
[32] materiały Alphainnotec
[33] http://kotly.pl/ogrzewanie-lodem-nowe-metody-pozyskiwania ciepla/#eK8gXxGqV4m6XLzO.99
[34] materiał firmy SKORUPA ENERGY TECHNIC
[35] materiały firmy Titan Polska
[36] http://www.bine.info/en/publications/publikation/klimatisieren-mit-erdwaerme-aus-u-bahn-tunneln/
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[10]
[11]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
106
III. MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA INSTALACJI
DOLNYCH ŹRÓDEŁ DO BUDOWY SYSTEMÓW
OGRZEWANIA POWIERZCHNI ZEWNETRZNYCH
PRZY UŻYCIU UKŁADÓW OZE
1. Wstęp
Jednym z ważniejszych elementów sprawnej infrastruktury komunikacyjnej w Polsce
jest układ dróg i mostów. Sprawny i wydajny system drogowy decyduje w dużej mierze
o rozwoju gospodarczym miast i regionów. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój
metropolii miejskich, a to wymusiło na władzach lokalnych, rozbudowę całej infrastruktury
drogowej w celu zapewniania odpowiedniego skomunikowania coraz dalej rozbudowujących
się dzielnic. Budowa nowej infrastruktury drogowej lub kompleksowa modernizacja istniejących dróg w metropoliach niesie za sobą duże utrudnienia komunikacyjne ale też potężne nakłady finansowe. Wybudowana lub zmodernizowana infrastruktura drogowa na przestrzeni
kolejnych lat musi być obowiązkowo utrzymywana w odpowiednim stanie technicznym aby
mogła być prawidłowo eksploatowana. Zmniejszenie kosztów eksploatacji jak i zwiększenie
trwałości konstrukcji dróg i mostów można uzyskać stosując rozwiązania oparte o systemy
OZE. W dobie gwałtownego rozwoju technologii OZE dostrzeżono możliwość wykorzystania ,,darmowej” energii pochodzącej ze środowiska do obniżenia kosztów eksploatacji
autostrad, dróg, mostów, chodników oraz parkingów. Rozwój technologii spowodował że,
integralnym elementem drogowej infrastruktury stają się instalacje energetyczne OZE do odśnieżania jak i odladzania nawierzchni jezdnych jak i pieszych. Istotnym elementem takich
rozwiązań są instalacje magazynowania energii cieplnej, która w istotny sposób zabezpiecza
układ drogowy przed negatywnym wpływem niskich temperatur oraz środków chemicznych.
Drogowe Technologie Energetyczne wykorzystują w dużej mierze energię słoneczną, energię wody oraz energię wiatru w celu zwiększenia efektywności energetycznej układów drogowych jak i redukcji emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. W analizie przedstawiono
techniczne zastosowania układów OZE* w systemach infrastruktury drogowej DTE** wraz
z przykładami ich wykorzystania w celu osiągnięcia optymalnej efektywności energetycznej.
* OZE - Odnawialne Zasoby Energii
**DTE – Drogowe Technologie Energetyczne
2. Wprowadzenie
Potrzeby energetyczne metropolii miejskich stale rosną, szczególnie w duże skupiska
miejskie potrzebują sprawnej infrastruktury komunikacji drogowej, mostowej oraz kolejowej. Rozbudowany układ komunikacyjny w miastach lub metropoliach wiąże się również
w odpowiednim utrzymaniem stanu technicznego nawierzchni jak i infrastruktury towarzyszącej. Istotną składową budżetów dużych metropolii są koszty utrzymania, remontów
jaki eksploatacji całej infrastruktury drogowej. Największym problemem z jakim borykają
się metropolie to zapewnienie odpowiedniego stanu dróg w okresie zimowym. Problematyka zapewnienia odpowiedniego stanu technicznego dróg jest najistotniejszym elementem
z jakim borykają się służby drogowe w metropoliach. Przykładem ogromnych nakładów
finansowych na odśnieżanie w metropolii w okresie zimowym jest Trójmiasto. W sezonie
107
(2011/2012) koszty odśnieżania pochłonęły kwotę około 23mln zł, z bieżący sezon to kwota
na poziomie 40 mln zł. W porównaniu z poprzednim sezonem jest to prawie 100% wzrost
kosztów[1]. Kolejnym przykładem jest metropolia warszawska, która zgodnie z oficjalnymi szacunkami wydała na odśnieżanie w analogicznym sezonie 2012/2013 około 70 mln
złotych. Miasto Gdańsk jako jedno z miast metropolii Trójmiejskiej posiada w swoich zasobach 845,99 km dróg o łącznej powierzchni 6,4 mln m2. Powyższe zestawienie pokazuje jak
ogromny potencjał energetyczny jest zgromadzony w infrastrukturze drogowej samego tylko
miasta Gdańska [2]. Drugim aspektem są z roku na rok rosnące koszty odśnieżania jak i odladzania dróg, mostów, chodników, itp. Z każdym kolejnym sezonem zimowym i rosnącymi
kosztami odśnieżania wzrasta zainteresowania Drogowymi Technologiami Energetycznymi.
Definicja DTE** określa kompletne systemy instalacji energetycznych magazynowania,
podgrzewania nawierzchni jak i wspomagania infrastruktury drogowej w celu zapewnienia
optymalnych warunków eksploatacyjnych w sezonie zimowym. Instalacje DTE** zwiększają bezpieczeństwo poruszania się użytkowników, podnoszą czterokrotnie trwałość konstrukcji drogowych jak i mostowych, minimalizują koszty eksploatacji zwiększają rentowność
inwestycyjną, eliminują środki chemiczne niszczące infrastrukturę drogową, które w coraz
większych ilościach są stosowane w trakcie mechanicznego usuwania warstwy śniegu, błota jak i lodu z dróg, jedni i chodników. Jednak największą wartością dodaną zastosowania
nowoczesnych rozwiązań DTE** jest zwiększenie bezpieczeństwa użytkowników, ograniczenie wypadków drogowych i ochronna życia ludzkiego. W dalszej części artykułu zostanie
przeprowadzony przegląd technologii odśnieżania jak i odladzania w których, istotnym elementem jest stosowania rozwiązań OZE* wraz z przykładami ich zastosowań.
3. Cel opracowania
Celem opracowania jest przedstawienie rozwiązań technicznych i analiza możliwości
wykorzystania gruntu do magazynowania energii ciepła w systemach ogrzewania przypowierzchniowego zewnętrznego w celu likwidacji śniegu i oblodzonych nawierzchni parkingów, dróg, mostów, chodników. Proponowane rozwiązanie techniczne ma wykazać możliwości powszechnego zastosowania tego układów w polskich warunkach klimatycznych.
układów hybrydowych w stosunku do układów hybrydowych. Drugim ważnym aspektem
jest wykazanie rentowności montażu takiego rozwiązania w dobie zwiększonej konkurencyjności układów tradycyjnych zasilanych energią elektryczną.
4. Drogowe technologie energetyczne - podział systemów
DTE** zdefiniowane jako drogowo technologie energetyczne mają na celu zwiększenie efektywności energetycznej budowanej jak i istniejącej infrastruktury drogowej poprzez
montaż instalacji magazynujących jak i oddających energię cieplną. Obecnie możemy rozróżnić cztery systemy podgrzewania nawierzchni drogowych jak i pieszych:
- system elektryczne – maty lub przewody grzejne elektryczne ułożone w ogrzewanej
nawierzchni,
- systemy podczerwieni – przemysłowe promienniki ciepła,
- systemy hybrydowe (ogniwa PV, kolektory słoneczne, pompy ciepła, ciepło odpadowe),
108
-
system geotermii niskotemperaturowej z ogrzewaniem przypowierzchniowej warstwy gruntu,
Zgodnie z wytycznymi projektowymi instalacje DTE** można podzielić w zależności
od przeznaczenia powierzchni wymaganego czasu stopienia śniegu na trzy klasy[4]:
klasa I (minimalna/mieszkaniowa): chodniki, podjazdy, ścieżki,
klasa II (umiarkowana/handlowa): chodniki i podjazdy użyteczności publicznej, schody
szpitali,
klasa III (maksymalna/przemysłowa): płatne odcinki autostrad i mostów, powierzchnie
załadunkowe portów lotniczych, podjazdy szpitali.
Typowe wartości mocy dla gruntowych instalacji przeciwoblodzeniowych Orientacyjne zasady doboru mocy grzewczej dla instalacji zewnętrznych
Rys. 1. ASHRAE Podręcznik Zastosowań: szerokość ogrzewanego obszaru 6 m, prędkość wiatru
4,5 m/s, 20% starty ciepła [4]
109
Podział na poszczególne klasy jest wymagany ze względu na szybkość topnienia śniegu i w zależności od rodzaju kategoryzacji poszczególnych dróg, chodników, mostów itp.
Z punktu widzenia termodynamicznego proces topnienia śniegu jest przemianą fazową (fazy
stałej w ciekłą) z wyminą ciepła. Sam proces zmiany fazy związany jest z ciepłem jawnym
jak i utajonym, transportem masy wyniku procesu parowania, wymianą ciepła następuję
przez konwekcję jak i promieniowaniem na powierzchni roboczej oraz przewodzenie od
systemu grzewczego do warstwy przylegającego śniegu. Istotnym elementem na powierzchniach ogrzewanych są właściwości izolacyjne niestopionego śniegu, jego struktura jaki nasycenie wodą.
Rys. 2. Wykres zależności mocy cieplnej instalacji topnienia śniegu w zależności od temperatury
i prędkości wiatru [4]
Rys. 3. Wykres zależności opadów śniegu w stosunku do czasu i mocy cieplnej instalacji topnienia
śniegu [4]
110
Tab. 1. Tabela uwzględniająca wskaźnik powierzchni wolnej od śniegu w stosunku do temperatury
zewnętrznej – przykładowa instalacja topnienia śniegu w Szczecinie [4]
Tab. 2. Parametryzacja poszczególnych klas projektowych systemów instalacji topnienia śniegu
w zależności od powierzchni Ar ; temperatury powietrza zewnętrznego tz ; prędkości wiatru V [4]
Tab. 3. Zestawienie tabelaryczne wykorzystania energii geotermalnej na świecie 2004 rok – z zaznaczeniem instalacji topnienia śniegu/odladzania/chłodzenia [10]
111
Bezpośrednie wykorzystanie zasobów geotermalnych na świecie do instalacji topnienia
śniegu lub odladzania nawierzchni jest słabo rozpowszechnionych rozwiązaniem technicznych w drogownictwie. Wynika to z ograniczonych zasobów geotermalnych w poszczególnych rejonach świata ale też ze względów finansowych tego typu instalacji. Bardziej popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie systemów geotermii niskotemperaturowej opartej
na odwiertach pionowych jak i kolektorach poziomych), które można instalować w każdym
obszarze roboczym budowanej drogi, mostu oraz wiaduktu. Istotnym elementem tego typu
rozwiązań jest analiza możliwości uzyskania odpowiedniej ilości energii, która ma posłużyć
w okresie zimy do utrzymania dodatniej temperatury nawierzchni roboczej.
Rys. 4. Wykres możliwości pozyskania energii ze źródeł OZE. Bezpośredni strumień geotermiczny
docierający z wnętrza ziemi na powierzchnię wynosi zaledwie 0,06 W/m2 (ang. Geothermal heat flow).
Energia pozyskana z padającego deszczu wynosi 13W/m2 (ang. Rain) zaś największe możliwości daje
średnioroczny strumień energii promieniowania słonecznego który wynosi około 600 W/m2 (ang. Solar radiation) [9]
Rys. 5. W okresie zimowym zmagazynowane ciepło przy pomocy odwiertu pionowego jest transportowane na powierzchnię roboczą drogi w celu utrzymania stałej dodatniej temperatury. Dodatkowo ze
topniejącego lodu uzyskujemy 160 W/m2 (ang. free from ice) ciepła zaś ze śniegu około 300 W/m2
(ang. free from snow) [9]
112
Rys. 6. W okresie lata oraz okresach przejściowych gdzie następuje proces magazynowania ciepła
poprzez odwiert roboczy w postaci sondy pionowej, dysponujemy średnią wartością mocy napromieniowania w Polsce na poziomie około 600 W/m2.(ang. solar energy ) W całkowitym promieniowaniu słonecznym udział promieniowania rozproszonego w okresie lata waha się na poziomie 47% zaś
w okresie zimowym wartość ta wynosi około 70% [9]. http://energiaodnawialna.net/
5. Usłonecznienie powierzchni Polski
Usłonecznienie wynosi rocznie ok. 3500 h na terenach nasłonecznionych na Ziemi. Natomiast w środkowej Europie słońce świeci średnio tylko ok. 2000 h/a. W Polsce wartość
ta wynosi 1300 – 1900 h/a, przy czym dla większej części kraju średnie roczne wynoszą
1600 h, co stanowi 40% astronomicznej długości dnia. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej
w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.
Usłonecznienie jest definiowane, jako liczba godzin słonecznych, czas podany w godzinach,
podczas którego na powierzchnię Ziemi padają bezpośrednio promienie słoneczne. Jest to
parametr opisujący głównie warunki pogodowe a nie zasoby energii słonecznej. Wykorzystuje się go jednak w energetyce słonecznej do szacowania warunków pracy instalacji np. do
wyliczania godzin pracy pompy cyrkulacyjnej w instalacji kolektorów słonecznych. Warunki
klimatyczne, które między innymi opisuje usłonecznienie determinują zarówno możliwości
wykorzystania energii słonecznej, jak również limitują opłacalny okres eksploatacji instalacji słonecznych. W Polsce średnia wieloletnia wartość usłonecznienia, jest największa dla
Kołobrzegu i wynosi 1624 h/rok, odpowiednio dla Warszawy jest to 1579 h/rok, zaś dla
Zakopanego 1467 h/rok. Nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słonecznego
w danym czasie i na danej powierzchni np. suma natężenia promieniowania słonecznego
w czasie godziny, dnia, roku na powierzchni 1m². Nasłonecznienie jest wielkością opisującą
zasoby energii słonecznej w danym miejscu i czasie. Nasłonecznienie najczęściej wyrażane
jest w Wh/m², kWh/m², MJ/m², GJ/m² na dzień, miesiąc lub rok.
113
Natężenie promieniowania słonecznego to chwilowa wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię jednego m², prostopadłą do kierunku promieniowania. Wartość ta podawana jest zazwyczaj w [W/m²] lub [kW/
m²]. Do granicy atmosfery ziemi dociera ze słońca w sposób ciągły strumień energii o mocy
1366 [W/m²] i jest to tak zwana stała słoneczna (choć nie jest do końca wielkością stałą). Natężenie promieniowania słonecznego docierające do powierzchni ziemi ulega ciągłym zmianom zazwyczaj w przedziale 100 – 800 [W/m²] w ciągu dnia. Najwyższe wartości notowane
są w słoneczne bezchmurne dni i mogą osiągać 1000 [W/m²].
Rys. 7. Usłonecznienie w okresie zima 2014-2015 na terenie Polski
114
Rys. 8. Anomalie usłonecznienia zima 201/2015 na terenie Polski - zima.
Rys. 9. Usłonecznienie na terenie Polski wiosna 2015
115
Rys. 10. Anomalie usłonecznienia 2015 na terenie Polski - wiosna
Rys. 11. Usłonecznienie na terenie Polski 2015 - lato.
116
Rys. 12. Anomalie usłonecznienia 2015 na terenie Polski - lato
Wartości usłonecznienia na obszarze Polski wyznaczają trzy główne strefy:
- północno-wschodnią, ze średnimi usłonecznienia powyżej : 1550 godzin,
- środkową ze średnimi usłonecznienia w przedziałach :1480 - 1550 godzin,
- południową z wartościami średnimi usłonecznienia poniżej: 1450 godzin.
Rys. 13. Usłonecznienie powierzchni Polski dla poszczególnych regionów, po prawej stronie średnioroczne (1971-2000) sięga 1700 h, zaś w roku 2011 sięgnęło wartości 2100 h
117
6. Systemy odladzania powierzchni stosowanych w Polsce
Na rynku polskim brak jest rozwiązań technicznych odnoszących się do instalacji topnienia i odladzania opartych o OZE. W Polsce istnieje kilka instalacji DTE, które są zasilane
ciepłem odpadowym z różnych źródeł, należą do nich instalacja na odcinku drogi pomiędzy Sośnicą a granicą Polski, Śląski stadion piłkarski, parking centrum sportowego Unii
Oświęcim, dwie ulice w Zakopanym, pole golfowe koło Warszawy, most drogowy pomiędzy Sosnowcem a Będzinem, wyjątkiem jest pas startowy lotnisko w Goleniowe zasilany
z układu pompy ciepła [7][8]. W skali całego kraju jest to tylko zasygnalizowanie możliwości wykorzystania ciepła odpadowego, układów OZE do systemów topnienia jak i odladzania
nawierzchni [4]. Najbardziej rozpowszechnionym systemem topnienia śniegu w Polsce jest
system elektryczny. Instalacja topienia śniegu składa się z elektrycznych przewodów oporowych, gruntowego czujnika temperatury, systemu sterowania. Istotną wada tego typu rozwiązań są wysokie koszty eksploatacji, ze względu ciągle rosnące koszty energii elektrycznej
potrzebnej do zasilania systemu. Ogromną zaletą jest prostota wykonania oraz niskie koszty
zakupu jak i montażu tego typu instalacji.
Rys. 14. Przykład ogrzewania elektrycznego wjazdu do garażu. http://www.ogrzewanie-elektryczne.pl/
Rys. 15. Tabela odstępów miedzy ułożonymi równolegle odcinkami przewodów grzejnych – katalog
ELEKTRA
118
Rys. 16. Przykładowe wartości mocy elektrycznych systemów przeciwoblodzeniowych w zależności
od nawierzchni i przeznaczenia – przewodnik firmy LUXBUD. http://www.luxbud.com.pl
Drugim systemem powszechnie stosowanym są środki chemiczne do usuwania warstw
oblodzeniowych nawierzchni jezdnych np.: DONSOL TEKTUM. Środki chemiczne mają za
zadanie przyspieszenie procesu rozmrażania i topienia śniegu w zależności od temperatur zewnętrznych. Wadą tego typu rozwiązań jest wprowadzanie do środowiska naturalnego znaczących ilości związków chemicznych przy jednoczesnej powolnej degradacji konstrukcji,
dróg, jezdni i mostów.
Rys. 17. Parametry ilościowe stosowalności środków chemicznych do zapobiegania oblodzeniom
w zależności od temperatury zewnętrznej. http://www.donsol.pl/
7. Analiza techniczna rozwiązań instalacji topnienia śniegu i odladzania powierzchni zewnętrznych
W
dobie rosnącego zainteresowania systemami OZE oraz dynamicznym rozwojem innowacyjnych rozwiązań energetycznych zaczęto dostrzegać możliwość wykorzystania tego
typu rozwiązań w systemach topnienia i odladzania nawierzchni roboczych. Drogowe Technologie Energetyczne w Europie oraz na Świecie zaczęto wprowadzać już w połowie lat 70.
W 1948 pierwszy raz na świecie w Klamath Falls USA [6] wykonano system ogrzewania
powierzchniowego. Po 50 latach zmodernizowano system topnienia do poziomu 14 000 m2
powierzchni. Temperatura nawierzchni wynosi około 3,50C, zaś średnia gęstość strumienia
ciepła wynosi: 189W/m2 [4]. Z biegiem czasu w Europie zaczęto stosować różnego rodzaju
rozwiązania odladzania nawierzchni poprzez integrowanie budowanej konstrukcji budynku,
mostu, jezdni do celów energetycznych. I tak powstały rozwiązania wykorzystujące możliwości OZE w połączeniu z technologiami budowlanymi : pale energetyczne, termiczne
mikropale, magazyny energii ciepła i chłodu [3][5].
119
Typowym przykładem instalacji opartej o system geotermii niskotemperaturowej do odladzania i topnienia śniegu wybudowana na moście w ESSEX (Stany Zjednoczone).
Most z instalacją niskotemperaturową zasilany energia z gruntu
Rys. 18. Widok mostu w okresie letnim wraz z instalacją odladzania i topnienia śniegu.[11]
Faza ładowania magazynu energii i rozładowania w okresie zimy
Rys. 19. Poszczególne fazy pracy układu topnienia i odmrażania. Po lewej stronie w okresie letnim system ładuje energię cieplną do grunt, zaś w okresie zimowym jest ona pobierana i oddawana nawierzchni powodując jej wzrost temperatury ( do około 300 C) w celu utrzymania bezpiecznych warunków
eksploatacji [11]
120
Konstrukcja mostu z pętlami
Pętle rozłożone w gruncie
Konstrukcja żelbetowa wykorzystana jako system do magazynowania energii pochłanianej z nawierzchni mostu
Rys. 20. Poszczególne fazy budowy mostu, wykonywanie poszczególnych elementów konstrukcyjnych wraz z połączeniem elementów energetycznych instalacji topnienia śniegu tzw. systemy magazynowania energii cieplnej w konstrukcji mostu oraz z gruncie [11]
Poszczególne fazy topnienia instalacji grzewczej mostu
121
Poszczególne fazy topnienia instalacji grzewczej mostu
Rys. 21. Poszczególne fazy rozmrażania nawierzchni mostu w okresie zimy[11]
Rys. 22. Most w Niemczech w miejscowości Lubeck - ogrzewana nawierzchnia . [9]
Rozwiązanie techniczne w postaci ogrzewania nawierzchni mostu przy pomocy pompy
ciepła zostało zastosowane w Niemczech na rzece Elbie w miejscowości Lubeck. Pod warstwą asfaltu została rozłożona rura PE-Xa, która stanowi rodzaj kolektora słonecznego do
zbierania energii w okresie lata i magazynowania w gruncie. W okresie zimowym most jest
ogrzewany pompą ciepła gdzie dolnym źródłem jest woda pobierana z warstwy wodonośnej
o temp. 120C. Energia cieplna magazynowana jest w zbiornikach buforowych i przekazywana później do górnego źródła. Temperatura górnego źródła wacha się na poziomie 400C co
pozwala w okresie zimowym utrzymać optymalne warunki bezpieczeństwa na nawierzchni
asfaltowej mostu.[9] Inne rozwiązanie to ogrzewanie przystanków tramwajowych, peronów
kolejek podmiejskich lub całych peronów na dworcach kolejowych.
122
Okres letni
Okres zimowy
Rys. 23. Rozwiązanie ogrzewania peronu kolei podmiejskiej w miejscowości Harz -Niemcy. System
grzewczy został oparty o sondy pionowe lub pale energetyczne, które pełnią rolę magazynu energii.
W okresie letni powierzchnia peronu jest absorberem energii i rurami jest przekazywane do gruntu,
zaś zimą zgromadzona energia jest wykorzystywana do utrzymania stałej dodatniej temperatury na
powierzchni peronu [12]
Okres letni
Okres zimowy
Rys. 24. Wariant ogrzewania nawierzchni peronów z zastosowaniem układu wymiennika pośredniego
wykorzystujący rozwiązanie z magazynem energii typu ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage)
[12]
Rozwiązanie wykorzystujące naturalne lub sztuczne warstwy wodonośne. Wykonanie
tego typu magazynów musi być poprzedzone szczegółowymi badaniami hydrogeologicznymi, które mają za zadanie wyeliminować zagrożenie w postaci zakłócenia przepływów
w warstwach wodonośnych. Systemy tego typu wykorzystują naturalne możliwości temperaturowe warstw wodonośnych i są czynnikiem podnoszących efektywność systemów
grzewczych jak i chłodzących. Należy też wziąć pod uwagę skład chemicznych takich złóż,
gdyż wysoka zawartość związku soli lub wysoki stopień zawartości żelaza w wodzie może
doprowadzić w krótkim okresie czasu do uszkodzenia instalacji. W tym celu należy zastoso-
123
wać wymienniki ciepła oraz rurociągi przesyłowe z materiałów kompozytowych lub ze stali
nierdzewnej tytanowej lub molibdenowej.
Rozwiązania techniczne ogrzewania powierzchni otwartych peronów kolejki podmiejskiej - projekt Harz.
Rys. 25. Faza odwiertu - magazynu gruntowego typu BTES (ang. Borehole Thermal Energy Storage)
[12]
Rys. 26. Faza układania rur polipropylenowych do zasilania układu [12]
124
Rys. 27. Faza układania bloków żelbetowych prefabrykowanych [12]
Rys. 28. Faza przygotowania układu ogrzewania powierzchni peronu - moduł [12]
Rys. 29. Faza przygotowania do montażu prefabrykowanych modułów [12]
125
Rys. 30. Faza montażu modułów peronów już z układem grzewczym [12].
Rys. 31. Faza montażu układu rur zasilania do poszczególnych modułów [12]
Rys. 32. Faza montażu rozdzielcza układu ogrzewania modułów peronu [12]
126
Rys. 33. Faza topienia warstwy śniegu na powierzchni modułów grzewczych [12].
A
lternatywnym systemem jest wykorzystanie możliwości układów fotowoltaicznych
wraz z częściowym magazynowaniem energii elektrycznej. Układ Pave Guard System opracowany w USA pozwala w efektywny sposób likwidować warstwę czarnego lodu* w miejscach niebezpiecznych.
Rys. 34. Poszczególne fazy działania układu, od momentu gromadzenia energii elektrycznej, aż do
momentu zdawania ciepła poprzez system rur z płynem roboczym. Energia elektryczna dogrzewa izolowany zbiornik buforowy umieszczony w pomieszczeniu roboczym [13]
* Czarny lód to bardzo niebezpieczna, bo prawie niewidoczna, cienka warstwa zamarzniętej wody pokrywająca jezdnię. Czarny lód tworzy się szybko i niespodziewanie, gdy wilgotne powietrze, deszcz,
mgła lub roztopiony śnieg zamarza na powierzchni jezdni. Dzieje się tak zwykle w nocy albo wcześnie
127
rano, szczególnie podczas okresów dużej wilgotności, gdy temperatura powietrza spada poniżej zera.
Powstała w ten sposób warstwa lodu jest tak cienka, że mogą roztopić ją pierwsze promienie słońca,
ale w miejscach zacienionych lub tam, gdzie temperatura szybko się zmienia, czarny lód może utrzymywać się przez dłuższy czas.
W
1995 roku w miejscowości Ninohe (Japonia) został wybudowany system topienia
śniegi i lodu GAIA. Na powierzchni 266 m2 została rozłożone orurowanie i napełnione glikolem. Układ zasilany jest pompą ciepła o mocy 15 kW, zaś dolne źródło stanowią sondy
pionowe działające w układzie geotermii niskotemperaturowej.
Rys. 35. Schemat instalacji gruntowej pompy ciepła z pionowym kolektorem gruntowym o przepływie
koncentrycznym, który zasilana cały układ GAIA do odladzania i topnienia śniegu [14].
Rys. 36. Zdjęcia drogi ogrzewanej systemem GAIA, widoczny w okresie zimowym obszar stopionego
śniegu [14]
128
Rys. 37. Zdjęcia drogi ogrzewanej systemem GAIA, widoczny w okresie zimowym obszar stopionego
śniegu [14]
Holenderska firma Avenhorn Holding BV podjęła wyzwanie i realizowała od koncepcji
po wybudowanie i oddanie do eksploatacji innowacyjny układ DTR. Konstrukcja systemu
opiera się na wykorzystaniu powierzchni asfaltowej o długości 200m jako kolektora słonecznego z podziemnym magazynem energii typu ATES (ang. Augifer Thermal Energy Storage)
[15]. Całość dopełnia hybrydowy układ pompy ciepła, którego rolą jest zaopatrzenie miejscowych budynków w ciepło i chłód.
Rys. 38. Zdjęcia odcinka drogi z ułożonym systemem rur do przekazywania energii cieplnej wprost
do magazynu typu ATES [3], integracja systemów energetycznych opartych na OZE jest optymalnym
rozwiązaniem wykorzystującym możliwości budownictwa jak i drogownictwa [15].
129
Rys. 39. Schemat ideowy instalacji ogrzewania/chłodzenia budynku przy wykorzystaniu hybrydowego
systemu OZE, magazynu typu ATES, poziomego kolektora drogowego, pompy ciepła oraz wentylacji
z systemem rekuperacji. W okresie letnim magazyn typu ATES jest idealnym źródłem chłodu dla budynku, zaś w okresie zimowym zmagazynowane ciepło wykorzystywane jest do ogrzewania budynku
oraz pobliskiej drogi [16]
Nie ma lepszego sposobu odśnieżania, niż odśnieżania samoistne. To tylko kwestia znalezienia rozwiązania technicznego’’ powiedział Ernie Heymsfield, profesor na Uniwersytecie w Arkansas, który niedawno zakończył projekt podgrzewania drogi startowej zasilany
energią słoneczną dla FAA z betonu z włóknami stalowymi i pyłem grafitowego osadzonym w nim do przekazywania energii i zwiększenia efektu przewodzenia ciepła. Obecnie
dr Heymsfield pracuje na osadzenie przewodów w rowkach na powierzchni lotniskowych
podobnych do przewodów umieszczonych w tylnej szyby samochodowej.
FAA finansuje badania na dużą skalę ogrzewania geotermalnego na State University
of New York w Binghamton. Rury zostały już osadzone w obszarze terminalu lotniska Binghamton, i dwadzieścia 500-metrowych studni głębinowych są zostały wykonane jako dolne
źródła dla układu pompy ciepła. Zagłębienia odwiertów wypełnia się rurami przenoszącymi
wodę głęboko pod powierzchnią ziemi, gdzie jest uzyskuje temperaturę około 55°C. Następnie woda zostaje jeszcze podgrzana przez układ pompy ciepła, i jest wykorzystywana do
ogrzania płyty lotniska
Rys. 40. Układ ogrzewania lotniska FAA - widok rur ogrzewania powierzchni [17]
130
Rys. 41. Układ ogrzewania lotniska FAA - widok rur ogrzewania powierzchni przygotowanie do ułożenie masy betonowej [17]
Rys. 42. Układ ogrzewania lotniska FAA - wylewanie masy betonowej na przygotowany układ rur wraz
z czujnikiem temperatury i wilgotności powietrza [17].
Rys. 43. System odwiertów geotermalnych wykonanych na terenie lotniska [17]
131
Rys. 44. Płyty lotniska w trakcie pracy systemu odśnieżania zasilanego z układu OZE.[17]
Rys. 45. Sensor temperatury montowany w płycie żelbetowej układu topnienia śniegu [17]
132
Rys. 46. Schemat ideowy instalacji ogrzewania pasa startowego - przy pomocy układu energii zgromadzonej w gruncie przy pomocy gruntowego wymiennika ciepła [17]
133
Rys. 47. Schemat ideowy instalacji chłodzenia dla budynku przy wykorzystaniu odwiertów pionowych
systemu ogrzewania pasa startowego [17]
Nawierzchnie asfaltowe idealnie nadają się do rozwiązań technicznych montażu instalacji samoczynnego topnienia śniegu i warstw lodu.
134
Rys. 48. Układ eksperymentalny ogrzewania drogi - rozdzielacz systemu [18].
Rys. 49. Układ eksperymentalny ogrzewania drogi przy pomocy systemu rur ułożonych w warstwie
asfaltu [18]
135
8. Analiza obliczeniowa systemu przypowierzchniowego ogrzewania
gruntu zasilanego z OZE
Zakładając obszar parkingu do ogrzewania zewnętrznego o powierzchni całkowitej Af
-500 m2 możemy obliczyć stosunek powierzchni niepokrytej śniegiem Af do całkowitej powierzchni rozpatrywanej do projektowania instalacji topnienia śniegu (ang. snow meltingu)
At można nazwać wskaźnikiem wolnej (od śniegu) powierzchni Ar [1]:
Dla Ar = 1 system powinien topić śnieg natychmiast, czyli akumulacja śniegu jest równa
zero, dla celów projektowych przyjmuje się tę wartość dla mocy maksymalnej. Dla Ar = 0
ogrzewana nawierzchnia jest całkowicie pokryta śniegiem.
W projektowaniu należy posługiwać się trzema wartościami Ar charakteryzującymi izolacyjność warstwy zalegającego śniegu: Ar = 0, Ar = 0,5, Ar = 1.
Średnią gęstość strumienia ciepła q0 instalacji topnienia śniegu (ang. snow meltingu)
określili wzór wg. Chapman i Katunich [4, 13]:
Ciepło jawne qs potrzebne do stopienia śniegu do 0°C opisane jest zależnością gdzie:
cp – ciepło właściwe śniegu- 2090 [J/kgK],
c1 – 1000 mm/m×3600 s/h = 3,6×106,
s – wskaźnik opadów śniegu - 2 [mm wody/h],
ta – temperatura powietrza zewnętrznego - 6,5[°C],
ρ – gęstość wody (śniegu) - 998 [kg/m3].
136
Ciepło zmiany fazy qm topnienia śniegu zaś opisane jest zależnością:
gdzie:
hf – entalpia zmiany fazy wody - 334 [kJ/kg].
Ciepło parowania qe (wymiana masy) to:
gdzie:
hfg – ciepło parowania cienkiej warstwy wody - 2257 [kJ/kg],
pav – ciśnienie parowania wilgotnego powietrza przy temp. 00C - 0,611[kPa],
tf – temperatura zmiany fazy wody ze śniegu - 0,5 [°C],
V – prędkość wiatru - 6 [km/h] - [1,7 m/s] .
Wymiana ciepła przez konwekcję i promieniowanie qh opisana jest zależnością:
Z powyższych zależności wynika, że przy obliczaniu średniej gęstości strumienia ciepła q0 należy uwzględnić jednoczesny wpływ prędkości wiatru, wskaźnika opadów śniegu,
temperatury i wilgotności względnej powietrza zewnętrznego. Dodatkowo w obliczeniach
należy uwzględnić straty ciepła przez powierzchnię boczną i dolną. W zależności od budowy
nawierzchni, temperatury czynnika oraz temperatury gruntu wielkość tych strat zawiera się
w przedziale 4–50% [1].
Średnią temperaturę czynnika tm w funkcji q0 w instalacji z rur o średnicy zewnętrznej śr.20 i śr.25 mm określił Chapman [1, 4] następująco:
137
Na podstawie powyższych zależności obliczono średnią gęstość strumienia ciepła q0
(z uwzględnieniem strat ciepła w wysokości 20%) oraz średnią temperaturę czynnika tm dla
przykładowej instalacji topnienia śniegu w Gdańsku. Przyjęto do obliczeń wilgotność
względną powietrza zewnętrznego 80%, średni wskaźnik opadów śniegu 2 mm/h i średnią
prędkość wiatru 6 km/h (1,7 m/s) [20]. Projektując instalację topnienia śniegu, można, przy
wyborze mocy instalacji w zależności od klasy systemu, należy kierować się wytycznymi
projektowymi i branżowymi [1]. Otrzymane wartości średniej gęstości strumienia ciepła
q0 (tab. 1) można porównać z wartością q0 odczytaną z wykresów wynikających z doświadczeń islandzkich [6, 17] (rys. 4 i 5). Dla prędkości wiatru 1,7 m/s i temperatury zewnętrznej – 6,5°C odczytujemy, na podstawie 2, q0 = 150 W/m2, a dla wskaźnika opadów śniegu
2 mm/h (rys.3) – q0 = 150 W/m2, co oznacza stopienie tej ilości śniegu nastąpi w ciągu
ok. 210 minut. Potrzebne moce instalacji, obliczone w tab. 1, są wyższe od wartości projektowych wynikających z doświadczenia islandzkiego oraz od mocy instalacji już pracujących,
opisanych w przykładach w początkowej części artykułu. Oznacza to konieczność opracowania modelu obliczeń (np.numerycznego) dokładniej opisującego zjawiska cieplne zachodzące w procesie topnienia śniegu na powierzchni ogrzewanej oraz w instalacji grzewczej,
tak aby uniknąć niepotrzebnego przewymiarowania instalacji i źródła ciepła co wpływa nie
korzystnie na efekt ekonomiczny. W polskich warunkach klimatycznych poziom pokrywy
śnieżnej oraz czas jest utrzymywania można określić za pomocą danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie [19].
Rys. 50. Maksymalna grubość pokrywy śnieżnej wyniosła od zaledwie 2 cm we Wrocławiu przez
20 cm w Mikołajkach i 21 cm w Katowicach do 51 cm w Zakopanem. Na przeważającym obszarze
kraju stanowiła tylko od 10 do 30 procent normy wieloletniej w okres 2014/2015 [19]
138
Rys. 51. Pokrywa śnieżna utrzymywała się od 6 dni we Wrocławiu przez 41 dni w Katowicach i 57 dni
w Suwałkach do 79 dni w Zakopanem. To zaledwie od 30 do 50 procent normy w okresie 2014/2015
[19]
Rys. 52. Powierzchnia trawiasta (boiska), kostka brukowa lub powierzchnie asfaltowe, grubość wszystkich warstw nad systemem rur grzewczych nie powinna przekroczyć 25 cm dla przykrycia rury gruntem, natomiast w przypadku stosowania warstwy piasku nie zaleca się przekraczania 10 cm ich grubości [20]
Projektowany układ systemu do magazynowania energii służący do akumulowania ciepła z powierzchni zewnętrznej w postaci odwiertów pionowych o głębokości 50 - 60 mb.
z terenie suchym pozbawionym warstw wodnych. Składowe systemu przypowierzchniowego ogrzewania powierzchni otwartych.
139
L.p.
Składowe systemu
1.
Możliwości pozyskania energii słonecznej z powierzchni parkingu:
500m2x0,3kW/m2x1000h
2.
Możliwości energetyczne z powierzchni parkingu:
500m2x0,15kW/m2x1000h
(około 42 dni pokrywy śnieżnej
wartość uśredniona)
3.
Magazyn energii typu BTES:
80W/mb x 15 odwiertów x 60 mb
4.
System ogrzewania powierzchni otwartych:
Lc=20mx25m/0,25m=2000 mb.
+ 10% = 2200 mb. rury
Rozdzielacze, osprzęt, czujniki
5.
Podsumowanie :
Parametry
techniczne
500 m2
Kwota
brutto
250 000 zł
150 000 kWh
75 000 kWh
72 000 W
65 000 zł
2 200 mb
35 000 zł
350 000 zł
Rys. 53. Schemat układu zasilania ze magazynem energii BTES lub źródeł energii [20]
9. Podsumowanie i Wnioski
Przegląd dostępnych komercyjnych rozwiązań Drogowych Technologii Energetycznych
pozwala jednoznacznie stwierdzić, iż stosowanie tego typu systemów w połączeniu z systemami OZE pozwala skutecznie ograniczyć emisję CO2, zredukować koszty odśnieżania
i odladzania nawierzchni drogowych. Najważniejszym elementem stosowania technologii
DTE jest jednak zapewnienie bezpieczeństwo jak i ochrona życia ludzkiego.
Na świcie jaki w krajach europejskich, rozwiązania energetycznego wykorzystania
zasobów naturalnych są coraz szerzej wprowadzana do budownictwa oraz drogownictwa.
Zmieniające się przepisy jak i wprowadzanie nowych dyrektyw U.E. ma spowodować, iż
gospodarka U.E. w 2050 roku ma być zero emisyjna gospodarką o zasięgu globalnym. Największym wrogiem proekologicznych rozwiązań, które zwiększającą efektywność energetyczna drogownictwa jaki budownictwa jest lobby energetyczno-paliwowe oparte o technologie spalania paliw kopalnych. Aspekt ekonomiczny innowacyjnych rozwiązań oraz brak
140
wiedzy inwestorów, wykonawców, a przede wszystkim projektantów są głównym hamulcem
rozwoju nowoczesnych technologii. Każdego roku w Polsce wydaje się dziesiątki milinów
złotych na odśnieżanie dróg, chodników i mostów. Kolejne dziesiątki milionów złotych są
wydawane na remonty oraz budowę dróg po okresie zimowym. Należy pamiętać, iż wszystkie te zabiegi są finansowo nie opłacalne, gdyż są kosztem traconym bez efektu długoterminowego. Wybudowanie nowoczesnego układu sieci dróg i autostrad z zastosowaniem
DTE jest jedyną alternatywą zwiększenia efektywności energetycznej polskiej gospodarki
i bycia konkurencyjnym w strukturach U.E. Najważniejszym aspektem techniczno-ekonomicznym rozwiązań odladzania i topnienia śniegu jest ich prostota wykonania oraz jednorazowy koszt inwestycyjny ponoszony na początku budowy, w rachunku ciągnionym jest to
najbardziej optymalne i efektywne energetycznie rozwiązanie techniczne do zastosowania
w drogownictwie. Przytoczony przykład obliczeniowy wyraźnie pokazuje, iż inwestycja
w systemy ogrzewania przypowierzchniowego jest droższe około 40%. Największym kosztem jest magazyn energii typu BTES, lecz w większości systemów tego typu wykorzystuje się konstrukcje żelbetonowe (pale energetyczne) lub infrastrukturę budowlaną, która
w znacznym stopniu obniża koszty instalacji. Koszt instalacji grzewczych zewnętrznych jest
większy o około 3 do 10% inwestycji wybudowania drogi, parkingu, mostu.
10.Literatura
[1] www.trojmiasto.pl/wiadomosci/Trojmiasto-wydalo-40-mln-zl-na-odsniezanie-n67737.html
[2] www.gdansk.pl/plik,33951.html
[3] ERCAN ATAER O.: Magazynowanie energii cieplnej , w systemach magazynowania energii, w Encyklopedii systemów podtrzymujących życie (EOLSS), opracowany pod auspicjami UNESCO, EOLSS Publishers,
Oxford, UK 2006, http://www.eolss.net, (dostęp 11.08.2011).
[4] Katarzyna Zwarycz-Makles, Wodne instalacje topienia śniegu i odladzania, Rynek Instalacyjny,1-2/2011/
01.02.2011
[5] ASHRAE: Snow melting, Heating, ventilating and air conditioning applications, ASHRAE Applications
Handbook, 1995.
[6] Boyd T.L., New snow melting projects in Klamath falls, OR, Geo-Heat Center, GHC Bulletin, September 2003.
[7] Heliasz Z., Ostaficzuk S., Możliwości wykorzystania ciepła odpadowego i energii geotermalnej do odśnieżania i odladzania – koncepcje i problemy (How to use waste and geothermal energy do de-snowing and de-icing
in Poland – concepts and problems), materiały konferencyjne „Energia geotermalna w kopalniach podziemnych”, 21–23 listopada 2001 r., Ustroń.
[8] Zwarycz K., Snow melting and heating systems based on geothermal heat pumps at Goleniow airport, Poland,
Geothermal Training Programme, The United Nations University, Reports 2002, No. 21.
[9] Materiały Rehau, www.rehau.pl.
[10] http://globenergia.pl/geotermia/
[11] http://www.tacatc.ca/english/resourcecentre/readingroom/conference/conf2009 /pdf/essex.pdf
[12] https://www.rehau.com/download/1142872/outdoor-surface-heating-and-cooling-brochure.pdf
[13] http://www.paveguardtech.com
[14] http://www.geothermalenergy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2000/R0191.PDF
[15] http://www.restreets.org/case-studies/solar-roadway
[17] http://www.wsj.com/articles/SB1000142405270230491420457939288380968999
[19] http://www.twojapogoda.pl/wiadomosci/114695,skonczyla-sie-najcieplejsza-zima-w-historiipomiarow?page=2
[20] materiały techniczne i wytyczne firmy KAN-therm
141
IV. RODZAJE POMP CIEPŁA
L.P.
RODZAJE POMP CIEPŁA
1. Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym jednoskładnikowym
EHPSW (ang.Electric compressor heat pump with a single-factor working)
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
142
Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym dwuskładnikowym
EHPTW(ang.Electric compressor heat pump with a two-factor working)
Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym wieloskładnikowym
EHPMW(ang.Electric compressor heat pump with a working fluid multi component)
Gazowa palnikowa absorpcyjna pompa ciepła
GAHP (ang.Gas Absorption Heat Pump)
Gazowa silnikowa pompa ciepła z czynnikiem roboczym
GHP ( ang. Gas Heat Pump )
Absorpcyjny transformator ciepła
AHT ( ang. Absorption heat transformer)
Adsorpcyjna pompa ciepła
ADHP (ang. Adsorption heat pump )
Resorpcyjna pompa ciepła napędzana energią mechaniczną
RHPME (ang.Resorption heat pump powered by mechanical energy)
Resorpcyjna pompa ciepła napędzana ciepłem
RHPDH (ang. Resorption heat pump driven heat )
Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów
HPVC (ang.heat pump uses vapor compression )
Sprężarkowa pompa ciepła z obiegiem gazowym
CHPGC (ang.Compressor heat pump with gas circulation )
Sprężarkowa pompa ciepła z otwartym obiegiem powietrznym
CHPAR (ang.Compressor heat pump with an open air circuit )
Chemiczny transformator ciepła
CHT (ang.Chemical heat transformer)
Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a
HPR (ang.Heat pump uses the effect Ranque’a)
Pompa ciepła wykorzystująca efekt elektrodyfuzji
HPED (ang.Heat pump uses the effect electro diffusion)
Termoelektryczne pompy ciepła – efekt Seebecka / Peltiera
TEHP (ang.Thermoelectric heat pumps)
Magnetyczne pompy
MHP (ang. magnetocaloric heat pump)
Hydrosoniczne pompa ciepła – wirowy generator ciepła
CHP (ang.Cavitation Heat Pump)
Laserowa pompy ciepła
LHP (ang.Laser heat pump)
Pompa ciepła Vuilleumiera
VHP (ang. Vuilleumier heat pump )
Termoakustyczna pompa ciepła
TAHP (ang.Thermoacoustic heat pump)
22.
23.
Termoelastyczna pompa ciepła
TEHP (ang. thermoelastic heat pump)
Molekularna pompa ciepła
MHP (ang. Molecular heat pump)
1. Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym jednoskładnikowym - EHPSW (ang.Electric compressor heat pump with a single-factor working)
Sprężarkowe pompy ciepła przeważnie zasilane są energią elektryczną i jest to najbardziej rozpowszechnione rozwiązanie techniczne w Polsce jak i Europie. Mechaniczne
sprężanie par czynnika za pomocą sprężarki odbywa się w strefie 1-2, gdzie czynnik wpływa do układu sprężarki z parownika zostaje sprężony a następnie ze strefy 2-3 wpływa do
skraplacza, w którym następuje wymiana ciepła miedzy czynnikiem a medium roboczym.
(obszar górnego źródła). Zgodnie z regułą Gibbsa zachodzi zjawisko kondensacji przy stałej
temperaturze. Po przejściu czynniki roboczego w stanie parowym przez zawór rozprężny
strefa 3-4 następuje proces rozprężenia. Ponownie mieszanina dwufazowa z przeważającej
zawartością cieczy wpływa z powrotem do parownika (dolne źródło), gdzie następuje proces
odparowania w warunkach izobarczno-izotermicznych a następnie para wpływa do sprężarki
co powoduje zamknięcie obiegu czynnika roboczego. Przemiany izobarczyno-izotermicznie
w układzie czynnika roboczego (strefa1-2-3-4) ilustruje obieg Lindego, zaś obieg Carnota
jest obiegiem idealnym [1].
Substancjami roboczymi jednodnoskładnikowym nazywamy czynniki jednorodne chemicznymi takimi jak: amoniak, dwutlenek węgla R744, propan, butan, izobutan, pentan,
R12, R22, R134a.
a)
b)
Rys. 1. Sprężarkowa pompa ciepła z czynnikiem jednoskładnikowym [2]
a.) schemat ideowy instalacji pompy ciepła
b.) obieg Lindego
143
2. Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym dwuskładnikowym - EHPTW(ang.Electric compressor heat pump with a two-factor working)
Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem dwuskładnikowym realizowana
jest w identycznej instalacji ja na rysunku 1a. Proces kondensacji i odparowania występuje
w warunkach izobarycznych. W przypadku skończonych objętości (pojemności) termicznych
górnego i dolnego źródła jest możliwości uzyskania wyższych sprawności energetycznych
jaki egzergetycznych po stronie parownika jak i po stronie skraplacza co istotnie wpływa na
wydajność (wysoki współczynnik COP) pompy ciepła jak i całego układu (wartość uśredniona współczynnika SCOP). Czynniki robocze stosowane w pompach ciepła mogą być mieszaniną jednorodną lub mieszanina azeotropową (AZEO - bez poślizgu temperaturowego) czyli
o określonym składzie procentowym kilku substancji jednoskładnikowych, zachowujących
się podczas wrzenia i skraplania tak, jak czynniki jednoskładnikowe; R507, R508, R509.[1]
Rys. 2. Sprężarkowa pompa ciepła z czynnikiem dwuskładnikowym [1].
a.) schemat ideowy instalacji pompy ciepła
b.) obieg Lindego T-s
c.) obieg Lorenza T-s
144
3. Sprężarkowa elektryczna pompa ciepła z czynnikiem roboczym wieloskładnikowym - EHPMW (ang.Electric compressor heat pump with a working fluid multicomponent)
Kolejnym rozwiązaniem są sprężarkowe pompy ciepła z czynnikami roboczymi wieloskładnikowymi, jak w dwóch powyższych przypadkach układ posiada więcej niż dwa obiegi
robocze i używa się czynników zeotropowych (ZEO - z poślizgiem temperaturowym) są
mieszaninami o określonym składzie procentowym kilku substancji o znacznie zróżnicowanej lotności (tzw. poślizgu temperaturowy) [1].
Poślizg temperaturowy - właściwość czynników chłodniczych o mieszanym składzie, polegająca na odparowywaniu i skraplaniu się w różnych temperaturach (w pewnym
przedziale temperatur). W parowniku poślizg temperaturowy objawia się tym, że w danej
temperaturze odparowuje tylko część czynnika podczas gdy reszta pozostaje w fazie ciekłej
i wymaga dalszego wzrostu temperatury. Może to prowadzić do niezupełnego odparowania
(niższa sprawność) jak też do zjawiska szronienia na wlocie do parowacza [1].
4. Gazowa palnikowa absorpcyjna pompa ciepła - GAHP (ang.Gas Absorption Heat
Pump)
Gazowa absorpcyjna pompa ciepła – to jedna z typów pomp ciepła, których zadaniem
jest transformacja ciepła ze źródła o temperaturze niższej (powietrze, woda, grunt) do obszaru o temperaturze wyższej. Zasada działania opiera się na wykorzystaniu różnicy ciśnień
oraz różnic gęstości, stosowanego absorbentu jak i jakości (egzergii) dostarczanego ciepła.
Budowa i zasada działanie opiera się bazuje na patentu Alberta Einsteina i Leo Szilarda z 1930 roku.
Absorpcja stanowi odmianę zjawiska sorpcji i jest to proces pochłaniania substancji
ciekłej lub gazowej w całej objętość substancji ciekłej lub stałej. Absorbent ciekły, np. woda
absorbująca amoniak, natomiast absorbent stały to np. chlorek wapnia absorbujący amoniak.
W technice wykorzystywane są głównie absorpcyjne pompy ciepła dwóch rodzajów, tzn.
amoniak-woda oraz bromek litu – woda. Urządzenia te różnią się pod względem stosowanych
w układzie absorpcyjnym substancji oraz pracują na innych parametrach. W rozwiązaniach
bromo-litowych czynnikiem jest woda, natomiast absorberem bromek litu. W jednostkach
amoniakalnych czynnikiem chłodniczym jest amoniak, a woda stanowi medium pochłaniające. Urządzenia amoniakalne pozwalają uzyskiwać ujemne temperatury medium roboczego
(wody lodowej). Dodatkowo rozwiązania te bazują na całkowicie hermetycznym układzie
chłodniczym, nie potrzebują cykli rekrystalizacji oraz stosowania wież chłodniczych jak ma
to miejsce w większości urządzeń bromo-litowych. W amoniakalnej absorpcyjnej pompie
ciepła (rys.3.) podgrzany i sprężony w warniku (4) czynnik chłodniczy odparowuje z roztworu bogatego (woda z dużą zawartością amoniaku) i skrapla się w skraplaczu (5), przekazując
ciepło wodzie chłodzącej ten wymiennik. Skroplony czynnik jako mieszanina cieczy i pary
jest dławiony w zaworze rozprężnym (1), a następnie odparowuje w parowniku w niskim ciśnieniu, pobierając ciepło z niskotemperaturowego dolnego źródła ciepła. Powstała para jest
doprowadzana do absorbera (3), gdzie łączy się z roztworem ubogim (woda z małą zawartością amoniaku) dopływającym z warnika, stanowiącego dolną część generatora. Roztwór
ubogi przepływa przez zawór dławiący (6) w celu obniżenia ciśnienia z poziomu generatora
do poziomu absorbera. Powstały w absorberze roztwór bogaty jest następnie przetłaczany za
pomocą pompy (7) z powrotem do generatora/warnika. W dolnej części generatora (warniku)
następuje podgrzewanie roztworu bogatego i desorpcja amoniaku. Pary czynnika unoszą się
do górnej części generatora, gdzie natrafiają kolejno na półki rektyfikacyjne i deflegmator.
145
Półki rektyfikacyjne to przeszkody, na które trafia czynnik chłodniczy, natomiast deflegmator przypomina budową kolumnę rektyfikacyjną. Zastosowanie tych podzespołów pozwala
na praktycznie całkowite oddzielenie amoniaku od roztworu ubogiego. Zapobiega to dostawaniu się wody do elementów rozprężnych oraz chłodniczej części układu, gdzie mogłaby
ona zamarznąć i spowodować awarię urządzenia. W celu podniesienia sprawności działania
urządzenia stosuje się dodatkowe elementy, takie jak np. doziębiacz, który ma za zadanie dochłodzić ciekły czynnik za skraplaczem i podgrzać pary płynące z parownika do absorbera.
Rys. 3. Schemat ideowy absorpcyjnej pompy ciepła [3]
Między generatorem a absorberem instalowane są dodatkowo rekuperatory, w których
następuje obniżenie temperatury roztworu ubogiego, płynącego z warnika do absorbera
i podgrzanie roztworu bogatego opuszczającego absorber. Zastosowanie rekuperatora pozwala wstępnie podgrzać roztwór bogaty do temperatury bliskiej temperaturze wrzenia.
146
Rys. 4. Schemat ideowy urządzenia absorpcyjnego opatentowanego przez Einsteina i Szilarda 11 listopada 1930 roku [3]
Głównym zastosowaniem gazowych absorpcyjnych pomp ciepła jest ogrzewanie budynków, przygotowanie ciepłej wody użytkowej oraz chłodzenie budynków. Mogą również
współpracować ze wszystkimi rodzajami źródeł energii.
5. Gazowa silnikowa pompa ciepła z czynnikiem roboczym - GHP ( ang. Gas Heat
Pump )
W
układach gazowych pomp ciepła, głównym elementem napędowym jest silnik spalinowy zasilany gazem ziemnym lub LPG, który następnie przekazuje energię na układ
napędowy zespołu sprężarek pracujących w wysokowydajnym układzie pompy ciepła ze
zmiennym przepływem czynnika chłodniczego VRF (ang. Variable Refrigerant Flow). Ciepło powstające podczas pracy silnika wykorzystywane jest w trybie ogrzewania jako źródło
ciepła zasilającego obieg pompy ciepła, a w trybie chłodzenia pozwala na wyeliminowanie
strat związanych z procesem odszraniania parownika, jakie z kolei występują w układach
elektrycznych powietrznych pomp ciepła EHP (ang. Electric Heat Pumps).
W trybie ogrzewania ciekły czynnik roboczy R410A podgrzewany jest w wymienniku
zewnętrznym z wykorzystaniem ciepła otoczenia oraz ciepła pochodzącego z układu chłodzenia silnika. W ten sposób następuje jego odparowanie. Następnie czynnik podlega sprężaniu i trafia do jednostki wewnętrznej, gdzie następuje proces skroplenie i przekazania energii
zakumulowanej w postaci ciepła medium roboczemu (wodzie) do ogrzewania pomieszczeń.
147
Rys. 5. Budowa wnętrza gazowej pompy ciepła [4]
Wytwarzana energia elektryczna wykorzystywana jest do zasilania elementów elektrycznych agregatu. Sprawność wytwarzania energii przekracza 40%.
Rys. 6. Schemat systemu gazowej pompy ciepła [4]
148
Rys. 7. Układ gazowej pompy ciepła w układzie ze źródeł biwalentnym - materiały techniczne firmy
Panasonic [5]
Rys. 8. Jednostka napędowa - endotermiczny silnika zasilany paliwem gazowym. Specjalne silniki
o długowieczności gwarantowanej do 40 000 motogodzin (20 lat) wymagają przeglądów raz na 10 000
godzin (5 lat) [4]
149
Paliwo
gazowe 100%
Silnik gazowy
Strata
moment obrotowy 32%
Odzysk ciepła 53%
Strata całkowita 15%
Rys. 9. Bilans energii silnika gazowego [4].
Rys. 10. Schemat połączeń jednostki zewnętrznej [4]
Innowacyjnym rozwiązaniem pracującym na bazie silnika gazowego jest pomp ciepła
firmy TEDOM.
150
Rys. 11. Układ przedstawia zakres pracy gazowej pompy ciepła wraz z wizualizacją wytwarzania energii w różnych układach na tle gazowej pompy ciepła. [6]
Gazowa Pompa Ciepła to kompaktowe rozwiązanie do produkcji ciepła oraz chłodu
do wielu zastosowań. Projekt jednostki opiera się na małych silnikach gazowych oraz
sprężarkach przemysłowych połączonych z obiegiem chłodzącym razem z parownikiem
i skraplaczem. Agregat dostarcza chłód z obiegu chłodzącego oraz ciepło z kondensatora,
bloku silnikowego i spalin. W razie konieczności urządzenie może działać wyłącznie w „trybie grzewczym“. Dzięki wykorzystaniu ciepła z silnika oraz spalin, urządzenie pozwala na
wykorzystanie znacznej części energii dostarczanej wraz z paliwem. Gazowa Pompa Ciepła
jest więc jednym z najbardziej efektywnych urządzeń produkujących chłód oraz ciepło
6. Absorpcyjny transformator ciepła AHT ( ang. Absorption heat transformer)
Schematic diagram of an Absorption Heat Transformer (AHT).
Rys. 12. Wykres P-T absorpcyjnego transformatora ciepła [7]
151
Absorpcyjny transformator energii składa się parownika, skraplacza, prądnicy absorbera i wymiennik ciepła roztworu. Rys.12 przedstawia schemat cyklu absorpcji. Stałą ilość
ciepła ( PGE ) przekazywana jest w stosunkowo niskiej temperaturze ( TGE ) do generatora gdzie następuje proces częściowego odparowania czynnika roboczego z rozcieńczonego
roztworu soli, zawierających niskie stężenia chłonne. Rozprężony płyn roboczy wpływa do
skraplacza, dostarczając pewną ilość ciepła ( QCO ) w temperaturze bliskiej temperatury otoczenia ( TCO ). Płyn opuszczający skraplacz jest pompowany do parownika w strefie wyższego ciśnienia. Płyn roboczy odparowuje a następnie przy pomocy ciepła odpadowego ( PEV ),
jest dodawany do parownika w temperaturze ( TEV ). W tym samym czasie, płyn roboczy
odparowuje i przechodzi do absorbera. Zachodzący proces absorpcji dostarcza wyższych
temperatur ( TAB ) przy jednoczesnej wyższej produkcji ciepła( QAB ). W następnej kolejności rozcieńczony roztwór soli powraca do generatora w celu podgrzania stężonego roztworu soli w wymienniku ciepła, który nazywa się „ekonomizerem” Użyteczna ilość ciepła
wytworzonego przez AHT można stosować do rewaloryzacji energii cieplnej w procesach
przemysłowych i oczyszczania wody.
Rys. 13. Schemat ideowy chemicznego transformatora ciepła [8].
7. Adsorpcyjna pompa ciepła - AHP (ang. Adsorption heat pump )
A
dsorpcyjna pompa ciepła pracuje z zastosowaniem ciał stałych, np. węgla aktywnego,
żelu krzemionkowego (szkliste rodzaje krzemionki) lub zeolitu. Minerał zeolit – w wolnym
przekładzie „wrzący kamień” – ma właściwość wsysania pary wodnej, wiązania jej z sobą
(adsorpcji) z oddawaniem przy tym ciepła na poziomie temperaturowym do ok. 300°C. Mówi
się w takich wypadkach o reakcji egzotermicznej. Jak w opisanych uprzednio pompach ciepła, pobieranie i oddawanie ciepła w adsorpcyjnej pompie ciepła jest procesem cyklicznym,
lecz pompa ta pracuje okresowo. Warunkiem działania adsorpcyjnej pompy ciepła jest system próżniowy. W pierwszej fazie (tzw. fazie desorpcji) do wymiennika ciepła 1, pokrytego żelem krzemionkowym lub zeolitem, doprowadza się ciepło, np. z palnika gazowego 2.
Wskutek tego związana z tym ciałem stałym woda zostaje uwolniona jako para i przepływa
do drugiego wymiennika ciepła 3. Ten wymiennik ciepła ma podwójną funkcję: w pierwszej
fazie oddaje systemowi grzewczemu ciepło powstające przy kondensacji pary wodnej. Faza
ta kończy się z chwilą gdy zeolit nie zawiera już wody i został osuszony do pożądanego stopnia, a para została skroplona w drugim wymienniku ciepła. Teraz palnik zostaje wyłączony.
152
W fazie drugiej wymiennik ciepła 3 działa teraz jako parownik, przekazujący wodzie ciepło
ze środowiska. Ponieważ w tej fazie panują w systemie ciśnienia bezwzględne ok. 6 bar,
czynnik chłodniczy woda pod wpływem ciepła ze środowiska paruje. Para wodna przepływa z powrotem do wymiennika ciepła 1 i zostaje tam znowu wchłonięta (zaadsorbowana)
przez żel krzemionkowy lub zeolit. Ciepło, oddawane przy tym przez żel krzemionkowy lub
zeolit jest przekazywane poprzez wymiennik ciepła 1 do systemu grzewczego. Po całkowitym zaadsorbowaniu pary wodnej pełny cykl tej pompy ciepła jest zakończony. Adsorpcyjna
pompa ciepła dla ogrzewania domów jedno i dwurodzinnych znajduje się obecnie w fazie
prac badawczo-rozwojowych. Nakład techniczny jest tu stosunkowo duży, że względu na
konieczność stosowania techniki próżniowej. Podobnie jak opisana poprzednio absorpcyjna
pompa ciepła, również ten rodzaj pompy ciepła stosowany jest już od dłuższego czasu jako
maszyny chłodnicze dużej mocy.
Rys. 14. Schemat działania adsorpcyjnej pompy ciepła [9].
Gazowa, adsorpcyjna pompa ciepła łączy zalety ogrzewania gazem z wykorzystaniem
ciepła z natury. Kombinacja gazowego kotła kondensacyjnego i adsorpcyjnej pompy ciepła
obniża zużycie gazu o 25% w stosunku do zwykłej techniki kondensacyjnej. W ten sposób
sprawność roczna zwiększa się do 134 % (Hi), a to oznacza zmniejszenie zużycia paliwa
i obciążenia środowiska
Poniżej cechy pompy Vitolasorp-200F
- Moduł pompy ciepła: 1,6 do 4,8 kW
- Gazowy kocioł kondensacyjny: 4,8 do 10 kW
- Moc podgrzewu c.w.u.: 15 kW
- Wymagana łączna głębokość odwiertu sondy gruntowej: 50m
153
Rys. 15. Pompa zeolitowa Vitosorp-200F firmy Vissmann [9]
8. Resorpcyjna pompa ciepła napędzana energią mechaniczną - RHPME (ang.Resorption heat pump powered by mechanical energy)
Układ resorpcyjnej pompy ciepła z napędem mechanicznym obrazuje poniższy schemat.
Zamiany stanu skupienia czynnika w górnym źródle jak i dolnym realizowana jest przez
procesy sorpcji, zaś para sprężana jest mechanicznie. Ponieważ absorpcja i desorpcja realizowana jest w warunkach nieizotermicznych więc współczynnik efektywności COP może być
większy niż pompy ciepła sprężarkowej [1].
Rys. 16. Schemat resorpcyjnej pompy ciepłą ze sprężeniem mechanicznym czyli zasilany sprężarka
napędzana energią elektryczna lub gazową [1]
154
9. Resorpcyjna pompa ciepła napędzana ciepłem - RHPDH (ang. Resorption heat
pump driven heat )
Resorpcyjna pompa ciepła jest odmianą absorpcyjnej pomp ciepła. Rozróżnia się instalacje napędzane sprężarką mechaniczną lub ze sprężeniem sorpcyjnym czynnika. W urządzeniach absorpcja par czynnika pochodzących z warnika lub układu sprężarki mechanicznej
poprzez ubogi roztwór przebiega przy wyższych ciśnieniach niż desorpcja i dlatego absorber
nazywamy resorberem [1].
Rys. 17. Schemat resorpcyjnej pompy ciepłą ze sprężeniem sorpcyjnym czynnika [8]:
A - absorber
R - resorber
W1 - warnik niskiego ciśnienia
W2 - warnik wysokiego ciśnienia
WCI , WCII- wymienniki ciepła
ZR1 , ZR2 - zawory rozprężne
Zakres stosowalności tego typu rozwiązań to przemysł chemiczny, spożywczy i technologie przemysłowe.
10. Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów - HPVC (ang.heat pump uses
vapor compression )
Wykorzystanie sprężonych oparów z różnych procesów przemysłowych może być efektywnie zagospodarowane przez układ strumieniowej pompy ciepła. Większości procesów
opary stanowi para wodna. Ideą rozwiązania technicznego jest sprężanie oparów i podniesienie entalpii i wykorzystania jej do produkcji kolejnej porcji oparów. Dolnym źródłem jest
wrzący roztwór, zaś źródłem górnym skraplające się opary sprężone opary gazów. Czynnikiem roboczym w tego typu pompach ciepła są opary [1].
155
Rys. 18. Schemat termosprężania oparów przy pomocy pompy ciepła wykorzystującej sprężanie oparów [1]
Rys. 19. Schemat termosprężania oparów przy pomocy pompy ciepła wykorzystującej sprężanie oparów za pomocą strumienicy [1]
Zastosowanie tego typu układów sprawdza się w instalacjach przemysłowych i chemicznych z odzyskiem ciepła.
11. Sprężarkowa pompa ciepła z obiegiem gazowym - CHPGC (ang.Compressor heat
pump with gas circulation )
Sprężarkowa pompa ciepła z obiegiem gazowym przedstawiono poniżej. Zastosowanie rozprężarki obiegu czynnika roboczego może być porównywalny z obiegiem Joule’a.
Efektywność energetyczna układu jest mniejsza niż w innych układach pomp ciepła, dlate-
156
go zastosowano rozprężarki, które przekazują moc na wał napędowy sprężarki. Bez układu
rozprężania z zastosowaniem zaworu dławiącego wydajność układu drastycznie spada [1].
Rys. 20. Schemat pompy ciepła z obiegiem gazowym, sprężarką i rozprężarką mechaniczną [1]:
a) schemat instalacji
b) obieg porównawczy obiegu Joule’a
12. Sprężarkowa pompa ciepła z otwartym obiegiem powietrznym - CHPAR (ang.
Compressor heat pump with an open air circuit )
Sprężarkowa pompa ciepła z otwartym obiegiem powietrznym ma zastosowanie w układach, gdzie różnice temperatury miedzy źródłem górnym i dolnym nie przekraczają kilkunastu stopni, a temperatura źródła dolnego zbliżona jest do temperatury otoczenia [1].
Rys. 21. Schemat sprężarkowej pompy ciepła z otwartym obiegiem powietrznym, sprężarką i rozprężarką mechaniczną [1]:
a) schemat instalacji
b) obieg porównawczy obiegu Joule’a
157
13. Chemiczny transformator ciepła - CHT (ang.Chemical heat transformer)
Działanie chemicznego transformatora ciepła opiera się na połączeniu dwóch odwracalnych reakcji uwodornienia CaO i odwodnienia Ca(OH)2 z procesem parowania i skraplania
czynnika – wody. W zależności od rodzaju energii wymuszającej ruch ciepła z dolnego do
górnego źródła chemiczna pompa ciepła może być sprężarkowa, absorpcyjna, termoelektryczna itd [1].
Reakcje chemiczne i procesy fizyczne zachodzące w tej pompie są następujące:
Reakcja egzotermiczna CaO + H2O(g) → Ca(OH)2 + Q
Reakcja endotermiczna Ca(OH)2 + Q → CaO + H2O (g)
H2O (g) → H2O (c) + Q i H2O (c) + Q → H2O (g)
Reakcja endotermiczna – reakcja chemiczna, dla której bilans wymiany ciepła z otoczeniem jest ujemny, czyli jest to reakcja, która pochłania ciepło z otoczenia.
Reakcja egzotermiczna − reakcja chemiczna, która ma dodatni bilans wymiany ciepła z otoczeniem. Można też powiedzieć, że jest to reakcja, w której ciepło znajduje się po
stronie produktów, albo inaczej która emituje ciepło.
Zasada działania chemicznego transformatora ciepła opiera się na wykorzystaniu ciepła endo i egztermicznego reakcji chemicznych. Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych
w pompach ciepła mogłoby być bardziej atrakcyjne z uwagi na większą, niż dla obiegu parowego, gęstość objętościową wydzielanego ciepła. Bardzo trudno zachować stałe wartości
czynnika roboczego przy procesach absorpcji i desorpcji w czasie [1].
158
Rys. 22. Chemiczny transformator ciepła [1].
a) ideowy schemat zasady działania, b) schemat przepływu masy i ciepła, c) schemat instalacji chemicznego transformatora ciepła,
Instalacje oparte o chemiczne transformatory ciepła są układami wykorzystywanymi
w bardzo specyficznych warunkach np: instalacje laboratoryjne lub naukowe.
14. Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a - HPR (ang.Heat pump uses the
effect Ranque’a)
W
1931 r. G. Ranque zaobserwował różnicę temperatur strumienia powietrza płynącego
w osi cyklonu i przy jego ściance W 1945 R. Hilsch potwierdził eksperymentalnie i teoretycznie występowanie tego zjawiska.
Obieg Rankine’a
Rys. 23. Obieg Clausiusa-Rankine- w układzie p-v i T-s [2]
159
Obieg Rankine’a jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi
parowanie i skraplanie czynnika roboczego czyli siłowni parowych. Obieg ten składa się
z następujących przemian :
- izentropowego (adiabatycznego) rozprężania pary w turbinie parowej (przemiana
1-2),
- izobarycznego skraplania rozprężonej pary – odprowadzenia ciepła w skraplaczu
(przemiana 2-3),
- izochorycznego sprężania kondensatu w pompie (przemiana 3-4),
- izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania
powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary (przemiana 4-1) [2].
W
ykorzystanie efektu Ranqu”a w pompie ciepła jest możliwe ale ekonomicznie na skalę
komercyjną słabo opłacalne. Efekt Ranque’a polega na występowaniu różnic temperatury
w przepływie wirowym. Urządzenie służące do generowania efektu Rague’a rozdziela strumień gazu dopływającego do rury na dwa niezależne strumienie. Cieplejszy - stan 2, który
w pomie ciepła może być uważany za górne źródło oraz chłodniejszy - stan 3, który stanowi
dolne źródło. Takie rozpływu występują w przepływach poddźwiękowych jak i naddźwiękowych. Wadą takich rozwiązań jest duża hałaśliwość spowodowana przepływem powietrza[2].
Rys. 24. Schemat pompy ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a [8]:
a) - schemat przepływu gazu w rurze
b) - schemat instalacji
c) - wykres przemian w układzie T-s
160
Rys. 25. Przykłady zastosowań układów pompy ciepła z efektem Ranque’a [10]
15. Pompa ciepła wykorzystująca efekt elektrodyfuzji - HPED (ang.Heat pump uses
the effect electro diffusion)
Zjawisko elektrodyfuzji zachodzi w porowatym materiale przewodzącym prąd elektryczny (np. Beta-Aluminium-Solid-Electrolte BASE), na którym są adsorbowane pary Na(g)
z parownika. Efektywność tego typu pomp ciepła, (Qg/Eel,) wynosi COP = 6.51, dla izentropowego sprężania h = 0.9
Schemat pompy ciepła z efektem elektrodyfuzji przedstawiono poniżej. Czynnik roboczy w postaci ciekłego sodu odparowuje w parowniku zaś jego para jest adsorbowana przez
porowatą anodę, pokrywając warstwę elektrolitu, zasilanego prądem stałym.
161
Rys. 26. Pompa ciepła wykorzystująca efekt elektrodyfuzji Sód jako czynnik roboczy [8]:
a) - schemat instalacji
b) - wykres przemian w układzie T-s (Lindego)
Potencjalnym zastosowaniem pomp ciepła wykorzystujące efekt elektrodyfuzji są obszary bardzo wysokich temperatur nie możliwych do uzyskania przez obieg parowy. Rozwiązania tego typu stosuje w systemach odzysku ciepła przy procesie gazyfikacji węgla lub
produkcji etylenu.
1 6.Termoelektryczne pompy ciepła – efekt Seebecka / Peltiera -TEHP (ang.Thermoelectric heat pumps)
Zjawisko termoelektryczności polega na bezpośredniej transformacji różnicy temperatur między dwoma punktami układu ciał, na napięcie elektryczne i odwrotnie. Powstanie siły
elektromotorycznej, a w konsekwencji przepływ prądu na powierzchni styczności dwóch
ciał (metali lub półprzewodników) jest możliwe dzięki różnicom koncentracji elektronów
swobodnych
Zjawisko Seebecka (1821) polega na generowaniu napięcia w obwodzie składającym się
z dwóch różnych przewodników, których końce znajdują się w różnych temperaturach [11].
162
Rys. 27. Instrument Seebecka (z lewej) i jego eksperymentalnewykorzystanie (po prawej)
Efekt ten odkrył jako pierwszy przypadkowo niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck
w 1821. Różnica napięcia prądu elektrycznego V, wyprodukowana w poprzek przewodów
otwartego obwodu złożonego z pary dwóch różnych metali, A i B, których dwa połączone
końce są umieszczone w różnych temperaturach, jest wprost proporcjonalna do różnicy połączonych zimnego i gorącego Th - Tc [11].
Zjawisko Peltiera (1834) to zjawisko odwrotne do zjawiska Seebecka i polega na pochłanianiu lub wydzielaniu (zależnie od kierunku prądu) ciepła na granicy dwóch różnych
przewodników przy przepływie przez nie prądu elektrycznego.
163
Zjawisko Thomsona (1856) polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła przy przepływie prądu elektrycznego przez jednorodny przewodnik na całej jego długości, jeśli między końcami istnieje różnica temperatur [11]. Schemat modułu termoelektrycznego
Wykorzystanie tych zjawisk pozwalają na bezpośrednią konwersję energii cieplnej
w energię elektryczną i na odwrót tzn. na „pompowanie” ciepła przy użyciu energii elektrycznej. Praktycznie każdy materiał wykazuje w jakimś stopniu zjawiska termoelektryczne
z wyjątkiem nadprzewodników. Jednak nie wszystkie materiały nadają się równie dobrze do
wykorzystania. Cechy charakterystyczne dobrych materiałów termoelektrycznych to: wysokie przewodnictwo elektryczne i duża siła termoelektryczna. Grupą materiałów, która najlepiej spełnia te wymagania są półprzewodniki.
164
Zjawisko Seebecka wykorzystywane jest również do bardzo dokładnego pomiaru temperatury (termopary) lub pomiary natężenia światła (termostosy próżniowe) [11].
17. Magnetyczne pompy ciepła - MHP (ang. magnetocaloric heat pump )
W 1881 roku E. Warburg odkrył efekt magnetokaloryczny tzw. chłodzenie magnetyczne. Pierwszy system magnetokaloryczny o bardzo niskiej temperaturze (0.25K) zbudowany
w 1933 przez W. Giauque co doprowadziło naukowa do nagrody Nobla w 1949 roku. Rys. 27. Historia zjawiska magnetotermiczne, gdzie po odkryciu efektu magnetokalorycznego 1881,
Weiss dopracował teoretycznie podstawy w 1907 r. zaś w 1926 r. wraz z Forrerem udowodnił zjawisko
magnetotermiczne eksperymentalnie 12[10]
Stosując magnetokaloryczne materiały (w fazie stałej lub ciekłej) można zmodyfikować
rurę cieplną (heat pipe) w układ magnetycznej pompy ciepła rysunek poniżej.
Rys. 28. Magnetyczna pompa ciepła [10]
165
Poszczególne fazy działania sprężarkowej pompy ciepła
I - proces magnesowania - sprężanie
II - proces oddawania ciepła - ogrzewania
III - proces rozmagensowywania - rozprężanie
IV - proces chłodzenie
Poszczególne fazy działania magnetycznej pompy ciepła
Rys. 29. Magnetyczna pompa ciepła -zasada działania poszczególne fazy [12]
Przykład zastosowania magnetycznej pomp ciepła. Rozwiązanie techniczne magnetokalorycznej pompy do skraplania gazów.
166
Rys. 30. Magnetyczna pompa ciepła -zasada działania poszczególne fazy [10]
18.Hydrosoniczne pompa ciepła – wirowy generator ciepła - CHP (ang.Cavitation
Heat Pump)
Hydrosoniczna pompa ciepła (wirowy generator ciepła) - wirowe hydrauliczne generatory ciepła bazujące na przepływowych zjawiskach hydraulicznych (zjawisko kawitacji), został
w Rosji uznane za źródła ciepła na miarę XXI wieku. Generatory soniczne krajach byłego
ZSRR coraz powszechniej są stosowane dla ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody
użytkowej lub w procesach produkcyjnych. Maszyny te dokonują przekształcenia energii cieczy poruszającej się ruchem wirowym w energię cieplną. Nośnikiem ciepła jest woda lub inna
ciecz o odpowiednich własnościach (na obszarach arktycznych ciecz niezamarzająca).
Rys. 31. Opis zjawiska kawitacji [13]
167
Czynnik roboczy w postaci wody przepływająca przez z dużą prędkością natrafiając
na nagłe przewężenie przekroju, za którą następuje nagły spadek ciśnienia (czyli obniża się
także temperatura wrzenia cieczy), co powoduje powstawanie pęcherzyków pary, które powiększają się dotąd, aż znajdą się w strefie zwiększonego ciśnienia w pobliżu ścianek rury
gdzie następuje nagłe ich znikanie; podobne zjawiska powstają przy przepływie wody z dużą
prędkością przez kolanka, trójniki, dyfuzory. Czas implozji takiego bąbla pary to tysięczne
części sekundy, co powoduje, że w punkcie jego zniknięcia następuje wzrost ciśnienia nawet
do 100÷1000 MPa.
Rys. 32. Konstrukcja wirnika i efekt tworzenia sie zjawiska kawitacji - układ podczas pracy[13]
Rys. 33. Wirnik hydrosonicznej pompy ciepła [13]
168
Rys. 34. Hydrosoniczna pompa ciepła wraz z jednostką napędową i króćcami przyłączeniowymi [13]
Rys. 35. Schemat układu hydrsonicznej pompy ciepła [13]
Rys. 35. Jednostka kawitacyjnej (hydrosonicznej) pompy ciepła TKT PERUN zamontowana w węźle
grzewczym w budynku [14]
169
Urządzenia TKT PERUN ® wykorzystuje na początku procesu produkcji ciepła niepożądane zjawisko kawitacji. Efekty uboczne towarzyszące zjawisku kawitacji są wyeliminowane przez odpowiednią konstrukcję pompy, z tym, zaś samo zjawisko kawitacji przez
implozję mikro pęcherzyków wody uwalniania duże ilości energii cieplnej, która może być
przekazywana dalej do układu górnego źródła.
Dzięki systemowi PERUN TKT można zaoszczędzić około 80% kosztów operacyjnych
na ogrzewania.
Rys. 35. Zestawienie parametrów technicznych hydrosonicznych pomp ciepła Perun TKT [14]
170
19. Laserowa pompy ciepła - LHP (ang.Laser heat pump)
Przykładowy schemat układu laserowej pompy ciepła, gdzie nanosekundy skok temperatury jest indukowana przez oświetlania badanej próbki z laserowej pompy ciepła.
Rys. 36. Schemat układu do generowania impulsów przy wykorzystaniu lasera YAG (neodymu granat
itrowo-glinowy) [19]
Unikatowa technologii laserowych pomp ciepła ogranicza się do mikro skali w warunkach laboratoryjno-doświadczalnych celem wzbudzenia procesów biologiczno-chemicznych.
20. Pompa ciepła Vuilleumiera - VHP (ang. Vuilleumier heat pump )
Paliwo pierwotne w postaci gaz ziemnego może być wykorzystywane również przez
pompę ciepła Vuilleumiera. Układ pompy ciepła działa na zasadzie napędzanego termicznie
regeneratywnego gazowego cyklu termodynamicznego, na podobieństwo cyklu Stirlinga.
Jako czynnik roboczy stosuje się neutralny dla środowiska naturalnego gaz szlachetny hel.
Proces Vuilleumiera oparty jest na patencie, udzielonym w 1918 r. w Ameryce Rudolfowi
Vuilleumierowi.
171
Rys. 37. Schemat patentu 1918 roku Rudolfa Vuilleumiera [18]
Osobliwość tego procesu polega na możliwości użycia dwóch źródeł ciepła o różnym
poziomie temperaturowym. Do „napędzania” procesu służy palnik gazowy, a drugim źródłem ciepła może być np. ciepło powietrza zewnętrznego. Nawet przy temperaturach zewnętrznych -20°C można osiągać temperatury zasilania ogrzewania do 75°C. Dzięki temu,
pompy ciepła Vuilleumiera można stosować do modernizacji budynków istniejących. Instalacje eksperymentalne wykazały sprawności znormalizowane (analogiczne do sprawności
znormalizowanych kotłów grzewczych) do 162%, zależnie od parametrów pracy systemu.
Systemy, znajdujące się obecnie w fazie prac badawczo-rozwojowych dowodzą możliwości
uzyskania oszczędności energii pierwotnej o nawet 44% w porównaniu z gazowymi kotłami kondensacyjnymi. Zasadniczo można zrealizować pompy ciepła Vuilleumiera w zakresie
mocy od 15 do ok. 45 kW mocy cieplnej. Budowano już prototypy do badań laboratoryjnych
o mocy do 33 kW. Po osiągnięciu akceptowalnych ekonomicznych warunków ramowych
możliwe będzie ich doprowadzenie do dojrzałości seryjnej w ciągu kilku lat. Pod względem
energetycznym pompy ciepła Vuilleumier są w zestawieniu z absorpcyjnymi i sprężarkowymi pompami ciepła najkorzystniejszą alternatywą [20].
172
Rys. 38. Zasada działania pompa ciepła Vuilleumiera [18]
Obieg temperaturowy w układzie pompy ciepła Vuilleumier
Rys. 39. Schemat działania pompy ciepła Vuilleumier w technologii firmy ThermoLift, które mogą być
uznane za silnika ciepła bezpośrednio sprzężony z pompą ciepła [15]
173
Rys. 40. Ewolucja pompy ciepła Vuilleumier od pierwszego patentu do urządzenia firmy ThermoLift [15]
Proces ogrzewanie budynków - produkcja energii cieplnej
Rys. 41. Możliwości ogrzewania budynków przy pomocy pompy ciepła Vuilleumier. Układ osiąga
poziom wydajności COP = 1.65 [15]
174
Proces chłodzenie budynków - produkcja chłodu
Rys. 42. Możliwości chłodzenia budynków przy pomocy pompy ciepła Vuilleumier. Układ osiąga poziom wydajności COP = 1.20 [15]
21.Termoakustyczna pompa ciepła - TAHP (ang. thermoacoustic heat pump)
Obecne prace na rozwojem technologii termoakustycznych pomp ciepła są prowadzone
na poziomie eksperymentalnym o mocy około 5 kW wytwarzanego ciepła. System posiada silnik wielostopniowy napędzany ciepłem odpadowym i jest połączony z pompą ciepła
z podwójnym rezonatorem Helmholtza. Czynnik roboczy jest azotem, a system może być
pod ciśnieniem aż do 18 barów. Amplituda ciśnienia w instalacji zależy od warunków ładowania i może wynosić od 4-7% średniego ciśnienia. Pierwszy prototyp zostało zrealizowane
w taki sposób, że efektywność była zbyt niska w stosunku d poniesionych kosztów. Na pewno jest to technologia przyszłości. Obecnie trwają prace nad układem około 1 MW. Poniższy
wizualizacja takiego systemu.
Rys. 43. Wizualizacja układu o mocy 1 MW zasilanego ciepłem odpadowym [16]
Poniższa fotografia przedstawia instalację testową THP silnikiem napędzanym przez
palnikiem gazowym. System ten cechuje się wysokimi stratami ciepła na skutek wysokiej
175
temperatury roboczej. Jednakże, jest jednym z kilku systemów na świecie, który działa na
mocy cieplnej wytwarzanej za pomocą palnika.
Rys. 44. Stanowisko testowe z instalacją z pompą ciepła termoakustycznej z wykorzystaniem ciepła
odpadowego [16]
Technologia termoakustycznych pomp ciepła kreuje duża różnorodność możliwych
zastosowań zarówno silników jak i pompy ciepła oraz ich kombinacji. Biorąc pod uwagę
większość systemów energetycznych służących do wytwarzania ciepła, zimna lub produkcji
energii elektrycznej w takich systemach mogą być z powodzeniem wykorzystywane termoakustyczne pompy ciepła.
Rys. 45. Schemat układu termoakustycznej pompy ciepła zasilanej z ciepła odpadowego.[16]
T
ermoakustyczna pompy ciepła (TAHP) jest w stanie osiągnąć wysokie temperatury, które nie są możliwe z konwencjonalnych układach pomp ciepła. Fala akustyczna jest
w stanie stworzyć różnicę temperatur w celu wygenerowania energii.
176
W holenderskim Centrum Badań Energii zbudowano termoakustyczną pompę ciepła.
Obecne badania mają się przyczynić do zwiększenia efektywności energetycznej w holenderskim przemyśle przy wykorzystaniu technologii termoakustycznej.
Rys. 46. Prototyp pompy ciepła zwalnianego w ECN [17]
22. Termoelastyczna pompa ciepła - TEHP (ang. thermoelastic heat pump)
T
ermoelastyczne pompy ciepła są w takcie badań laboratoryjnych, ich budowa opiera
się stopy z pamięcią kształtu Ni-Ti jest to materiał półprzewodnikowy, który ulega odkształcaniu a następnie wraca do stanu pierwotnego. Termoelastyczny układy chłodzenia wykazały
potencjał w oparciu o udział ciepła utajonego w materiale roboczym.
Po pięciu latach badań laboratoryjnych uzyskano bardzo obiecujące wyniki mogące
wskazywać komercjalizację produktu i wprowadzenie go na rynek komercyjny. W przyszłości tego typu rozwiązania mogą posłużyć do technologii chłodzenia i ogrzewania biur i domów bez użycia skomplikowanych układów opartych o czynniki robocze.
Rys. 47. Pierwsze na świecie prototypowe stanowisko do badania termoelastycznego układu chłodzenia i grzania Ni-Ti (Stop Ni-Ti ulega termosprężystej przemianie martenzytycznej i wykazuje jednokierunkowy efekt pamięci kształtu, dwukierunkowy efekt pamięci kształtu oraz pseudosprężystość) [20]
177
Rys. 48. Demonstracyjny układ termoelastycznego układu chłodzenia i grzania [20]
Termoelastyczny pompy ciepła są obiecującym rozwiązaniem technicznym ze względu
na dużą wartość ciepła utajonego w materiałach roboczych i w stosunku do innych technologii półprzewodnikowych. W najbliższym czasie będą prowadzone badania nad rozwojem
tej technologii.
23. Molekularna pompa ciepła - MHP (ang. Molecular heat pump)
asada działania molekularnej pompy ciepła opiera się o działanie zmian gradient temZ
peratury na poziomie molekularnym. Cały system składa się z elementu łączącego dwa zbiorniki cząsteczek o różnych temperaturach, które charakteryzują się różnymi właściwościami
widmowymi. Działanie efektu pompy ciepła ,,pompowania” opiera się efekt wykorzystania
siły zewnętrznej, która okresowo moduluje poziom energii cząsteczek. Modulacja ta wpływa
na okresowe wahania wewnętrznej energii (temperatury) w cząsteczce i jej energii sprężania
w każdym ze zbiorników, wyniku przepływu energii cieplnej w żądanym kierunku. Przekazywanie ciepła jest badane w różnych formach i zakresach modulacji fali energetycznej na
poziomie molekularnym, dzięki czemu jest możliwa również optymalizacja funkcjonowania
układu pod kątem energetycznym. [21].
178
Rys. 49. Schemat działania molekularnej pompy ciepła . Schematyczny obraz cyklu pompowania (a)
Przy małych częstotliwościach TLS jest silnie połączony w lewo (na zimno) zbiornika. Tak więc, gdy
TTLS <Tc ciepło jest przekazywane z lewej kąpieli do TLS. (b) Przy wysokich częstotliwościach TLS
połączone tylko w prawo (na gorąco) zbiornika, przez co jego wewnętrzna energia jest przekazywana
do prawej kąpieli podczas TTLS> th. [21]
Zastosowanie technologii molekularnej pompy ciepła na poziomie badania struktur cząsteczkowych i molekularnych celem pobudzenia dwóch ośrodków o różnych temperaturach
przez wzbudzenie energia zewnętrzną . Technologia stosowana na poziomie badań laboratoryjnych.
Literatura
[1] Kazimierz Brodowicz Tomasz Dyakowski Pompy Ciepła - PWN 1990 [2] http://kkitch.zut.edu.pl/fileadmin/foto/zd/
[3] materiały firmy ROBUR / GAZUNO [4] materiały firmy AISIN TOYOTA
[5] materiały firmy PANASONIC [6] http://kogeneracja.tedom.com/zasady-oszczedzania.html
[7] http://www.marcogaz.org/downloads/ [8] Marian Rubik Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej - MULTICO 2011
[9] http://www.instsani.pl/ozepompy.htm
[10] http://slideplayer.pl/slide/59602/
[11] http://home.agh.edu.pl/~tml/archives/3
[12] https://creator-space.basf.com/content/basf/creatorspace/en/blog/2015/02/magnetocaloric_refri.html
[13] http://w=ww.pompa-kawitacyjna.ekologika.com.pl/
[14] http://www.top-topeni.eu/en/what-is-cavitation
[15] http://www.tm-lift.com/background/
[16] https://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/eei/Onderzoeksclusters/Restwarmtebenutting/b-07-007.pdf
[17] https://www.ecn.nl/news/item/ecn-testing-thermoacoustic-heat-pump-for-dutch-industry/
[18] http://www.instsani.pl/ozepompy.htm
179
[19] Gertz I. Likhtenshtein ,,New Trends in Enzyme Catalysis and Biomimetic Chemical Reactions”
[20] IEA HEAT PUMP CENTRE NEWSLETTER VOL. 33 NO. 4/2015
[21] http://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.73.026109
180
V. PRZEGLĄD CZYNNIKÓW CHŁODNICZYCH
DO POMP CIEPŁA
1. Czynniki chłodnicze do pomp ciepła
Protokół Montrealski zdecydowanie stawia kwestię eliminacji z zastosowań gospodarczych substancji grupy CFC oraz HCFC. Wprowadzone restrykcje nie dotyczą bezpośrednio urządzeń już wyprodukowanych i użytkowanych, gdyż w tym przypadku trudno
byłoby osiągnąć zamierzony efekt, stąd ich ostrze skierowane jest na nowe wyroby. Konieczność rezygnacji z tych związków, między innymi w technice chłodniczej, postawiła przed kilku laty na pierwszym planie problem poszukiwania ich zamienników. Nowe
czynniki chłodnicze oprócz spełnienia podstawowych kryteriów chemicznych, fizycznych
i termodynamicznych, takich jakie stosowano przy doborze starych czynników, muszą
oczywiście spełniać kryteria bezpieczeństwa dla środowiska naturalnego. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele substancji oferowanych chłodnictwu, głównie mieszanin, jednak
żadna z nich nie spełnia wszystkich wymagań, a zatem wybór czynnika chłodniczego jest
w dalszym ciągu wynikiem kompromisu pomiędzy jego zaletami i wadami. Zastosowanie
zastępczego czynnika, wymaga uwzględnienia szeregu zastrzeżeń wynikających z szeroko pojętych jego własności oraz wykonania wielu przeliczeń, dla których niezbędna jest
znajomość własności fizycznych, chemicznych, fizjologicznych i ekonomicznych takiego
płynu roboczego. Wskaźniki ekologiczne ODP i GWP dla dotychczas stosowanych oraz
aktualnie wprowadzanych substancji jednorodnych grupy CFC, HCFC oraz HFC podano
poniżej.
R 22 (HCFC 22)
Czynnik R22 wykorzystywany jest w zakresie średnich ciśnień i niskich temperatur. Jest on stosowany w dużych, średnich i małych instalacjach chłodniczych (lądowych
i okrętowych) Powszechnie stosuje się go w klimatyzacji, transporcie, przemyśle chemicznym
i farmaceutycznym oraz spożywczym. Znalazł równieŜ zastosowanie w lodówkach i zamrażarkach domowych oraz w ladach chłodniczych.
R 23 (HCFC 23)
Czynnik R 23 jest zamiennikiem R 13, stosowany w urządzeniach wytwarzających
bardzo niską temperaturę w zakresie od -60 C do -100 C. Znalazł on zastosowanie do celów medycznych, w komorach badawczych, w kriomatach i kriostatach, w urządzeniach
wysokiej próżni, w przemysłowych urządzeniach chłodniczych oraz w urządzeniach chłodniczych dla techniki procesów przetwórczych. R 23 jest stosowany wyłącznie w systemach
kaskadowych, w temperaturach parowania stopnia niskiego do -100C i temperaturach skraplania od –100C do -400C.
R 134a (HFC 134a)
R134a jest zamiennikiem czynnika R12. Przewidziany jest on do pracy w małych, domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych średniotemperaturowych oraz
w urządzeniach klimatyzacyjnych. Płyn ten jest szczególnie rekomendowany do stosowania
w chłodziarkach jednokomorowych - przede wszystkim w urządzeniach nowych, gdyż R
134a nie stanowi zamiennika typu „drop in” dla wycofywanego R12. R 134a staje się
181
ponadto płynem roboczym powszechnie wykorzystywanym w klimatyzatorach samochodowych. Możliwe jest także używanie czynnika R134a do tworzenia aerozoli i do spieniania
materiałów izolacji cieplnych.
R 401A (SUVA MP 39)
R 401A jest mieszaniną zeotropową (wykazującą poślizg temperatury) o następującym
składzie: R22/R152a/R124(53/13/34). Przewidziany jest do zastępowania czynnika R 12
w istniejących urządzeniach średniotemperaturowych (o temperaturze parowania powyżej
-230C), również w chłodziarkach domowych.
R 402A (HP 80) i R 402B (HP 81)
jak i nowo projektowanych urządzeń chłodniczych. Są zalecane do zastosowań w supermarketach, w urządzeniach R402A i R402B są zamiennikami dla R22 i R502 przeznaczonymi do napełniania zarówno istniejących do przechowywania Żywności, w magazynach,
dla celów chłodnictwa transportowego oraz w systemach kaskadowych do bardzo niskich
temperatur. Ze względu na własności termodynamiczne R 402B jest odpowiedniejszy dla
systemów o średnich temperaturach parowania( np. urządzenia do lodów), natomiast R402A
może być wykorzystany jako czynnik chłodniczy w układach niskotemperaturowych (np.
transport, obsługa żywności).
R 404A
R 404A jest czynnikiem proponowanym jako substytut R22, stąd też zakres jego stosowania jest zbliżony do tego czynnika. Nadaje się on przede wszystkim do:
- przemysłowych urządzeń chłodniczych okrętowych i lądowych (mroźni i chłodni),
- urządzeń chłodniczych stosowanych w domach towarowych,
- urządzeń wykorzystywanych w transporcie chłodniczym.
R 407C
Jest czynnikiem o zbliżonych własnościach termodynamicznych do R 22, dlatego proponowany jest jako zamiennik tego czynnika zarówno w już istniejących, jak i nowo projektowanych instalacjach chłodniczych. Jest on mieszaniną charakteryzującą się dość znacznym
poślizgiem temperaturowym, dlatego wyklucza się jej stosowanie w instalacjach wyposażonych w parowniki zalane. Czynnik ten może być stosowany między innymi w:
- urządzeniach klimatyzacyjnych domowych i handlowych,
- układach chłodniczych pośrednich domów handlowych,
- instalacjach chłodniczych okrętowych,
- lodówkach i zamrażarkach domowych.
R 407C jest bezbarwną mieszaniną zeotropową czynników R 32 - 23%wag., R125 25% wag., oraz R 134a - 52 % wag.
R 408A
R 408A został opracowany w celu zastąpienia wycofanego czynnika R 502. Zbliżone
własności termodynamiczne i cieplno-fizyczne pozwalają na bezpośrednią wymianę R 502
na R 408A w istniejącej instalacji chłodniczej bez konieczności przeprowadzenia kosztownej
modyfikacji układu. Z powadzeniem może on zastąpić czynnik R 502 zarówno w klimatyzacji, przemyśle chłodniczym, transporcie, jak i w lodówkach oraz zamrażarkach domowych.
182
Czynnik R 408A jest prawie azeotropowa mieszaniną, składającą się w 47% wag. R22, 46%
wag. R 143a oraz 7% wag. R 125.
R 409A
R 409A jest zamiennikiem typu „drop in” dla czynnika R 12, przeznaczonym do
napełniania istniejących urządzeń chłodniczych bez konieczności modyfikacji instalacji
i wymiany w niej oleju. Jest zalecany wszędzie tam, gdzie wymiana oleju jest znacznie
utrudniona (sprężarki hermetyczne ), a przez to zastąpienie R12 przez R 134a okazuje
się zbyt drogie i kłopotliwe. R 409A jest dopuszczony do użytkowania - jako czynnik
przejściowy
- do roku 2030, a w krajach Unii Europejskiej - do 2015. Przy wymianie czynnika R 12
na R 409A należy przewidzieć 0 10-20% mniejsze napełnienie instalacji tym zamiennikiem,
może ponadto wystąpić konieczność wymiany odwadniacza ( na podobny , jak dla R134a)
i regulacji zaworów rozprężnych, zaworów stałego ciśnienia oraz presostatów wysokiego
ciśnienia. Wskazane jest także niewielkie zwiększenie dochłodzenia cieczy, podwyższające
efektywność działania urządzenia. Jest mieszaniną zeotropową ( wykazującą poślizg temperatury) o następującym składzie: R 22/ R 124 / R 142b (60 / 25 / 15)
R 410A i R 410B
Czynnik R 410 jest długoterminowym, bezchlorowym zamiennikiem R 22 w klimatyzatorach, domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych, pompach ciepła, a także w nowo projektowanych układach chłodniczych w przemyśle i supermarketach. Może
również służyć jako substytut R22 w systemie „retrofit” w istniejących już urządzeniach.
Ze względu na większe ciśnienia w przypadku stosowania R410, przed każdą taką operacją zaleca się zasięgnięcie opinii producenta sprężarek oraz poszczególnych podzespołów
instalacji chłodniczej. Czynnik ten znajduje również zastosowanie w układach niskotemperaturowych zastępując w nich R 13B1. Jest mieszaniną dwuskładnikową, składającą się
z substancji jednorodnych R 32 i R 125. Badania równowagi faz tej mieszaniny w temperaturze -500C dowiodły, że w zakresie temperatur od -700C do +600C odstęp między
krzywą wrzenia i skraplania sięga kilku tysięcznych bara. Jest to niewątpliwie zaletą tego
czynnika, gdyż można dzięki temu ilość R 32 w mieszaninie zredukować do poziomu, przy
którym zanika niebezpieczeństwo jej zapłonu. Poślizg temperaturowy R 410A jest mniejszy od 0,20C, dzięki czemu rozkład tego czynnika w urządzeniu na poszczególne frakcje
jest minimalny. Obecnie dla mieszaniny R32/R125 proponowane są następujące proporcje:
50/50% wagowych lub 45/55% wagowych. W związku z tym mieszaniny te oznaczane są
jako R 410A lub R 410B. Ponieważ R 32 i R125 nie zawierają chloru, mieszaniny R 410A
iR 410B charakteryzują się wskaźnikiem ODP = O.
R 507
Czynnik R 507 proponowany jest jako substytut wycofanego z produkcji R 502. Zakres użytkowych temperatur parowania waha się od -450C do 00C. Oprócz zastosowania
w nowych instalacjach chłodniczych nadaje się on do urządzeń już pracujących z czynnikiem
R 502, przy czym konieczne jest całkowite wypłukanie układu z oleju mineralnego i napełnienie sprężarki olejem syntetycznym. Niekiedy zachodzi także potrzeba wymiany zaworu
rozprężnego, odwadniacza i uszczelnień. Może być stosowany w komorach chłodniczych,
183
urządzeniach klimatyzacyjnych, ladach sklepowych, automatach do produkcji lodu oraz
w transporcie chłodniczym. Jest azeotropową mieszaniną substancji R 143a (50%wag.) oraz
R 125 (50% wag.). Mieszanina ta charakteryzuje się nałożeniem krzywych cieczy i pary
nasyconej w zakresie stężeń R 143a i R 125 wahających się od 40 do 60%. Oznacza to, że
niewielkie kilkuprocentowe odchylenie składu proporcji jej komponentów nie powoduje pogorszenia jego własności termodynamicznych mieszaniny.
R 600a Izobutan
Należy do substancji, które najwcześniej zostały zastosowane jako czynniki chłodnicze,
szczególnie w urządzeniach pracujących w zakładach produkujących lub przetwarzających
węglowodory, a także w obiektach, gdzie płyn ten używany był jako paliwo. Z uwagi na
palność R 600a został w późniejszym okresie wyparty z zastosowań chłodniczych przez freony. Jednak wobec faktu wycofywania większości z nich użycia, izobutan - będąc substancją
naturalną - znów jest postrzegany jako atrakcyjny płyn roboczy. Izobutan wydaje się być
odpowiednim czynnikiem roboczym dla urządzeń chłodniczych wysoko i średniotemperaturowych, pracujących dotychczas z R 12 (głównie chłodziarki domowe, małe klimatyzatory
i pompy ciepła). Własności termodynamiczne R 600a odbiegają jednak znacznie od własności R 12, wobec czego izobutan znajduje zastosowanie w urządzeniach specjalnie dla niego
konstruowanych lub jako składnik mieszanin - najczęściej w połączeniu z propanem. Jest
izomerem butanu, jest bezbarwny i bezwonny.
Antifrogen
Przemysł chemiczny oferuje nowe płyny syntetyczne, przeznaczone na chłodziwa.
Charakteryzują się one jednak jeszcze zbyt małą wartością ciepła właściwego. Jednym
z takich płynów jest lansowana przez firmę Hoechst Chemikalien substancja o nazwie
Antifrogen N. Płyn ten jest jasno żółtą zabarwioną, przezroczystą cieczą, wykorzystywaną
także jako nośnik ciepła w kolektorach słonecznych i pompach ciepła. W Antifrogenie N
jako środek obniżający punkt wrzenia stosowany jest etylenoglikol, który dzięki wysokiej
temperaturze wrzenia (1980C) minimalizuje straty spowodowane parowaniem. Odporność
omawianego płynu na zamarzanie jest uzależniona od proporcji mieszaniny Antifrogenu N
z wodą. Płyn ten zawiera odpowiednie inhibitory antykorozyjne, które zabezpieczają nie
tylko przed zjawiskiem korozji, lecz również przed osadzaniem się kamienia kotłowego.
Jedną z jego niewątpliwych wad jest szkodliwość dla zdrowia ludzkiego. W celu rozpowszechnienia tej rodziny cieczy chłodzących wspomniana firma wyprodukowała na bazie
nieszkodliwego toksycznie 1,2 -propylenoglikolu - Antifrogen L. O nietoksyczności tego
związku świadczy fakt, że został on przez FDA ( Food and Drug Administartion) dopuszczony do stosowania w przechowalnictwie i środków spożywczych
Glikole - ciecze niezamarząjace
Glikole - bezbarwne, słodkie ciecze o dużej lepkości, są dwuwodorotlenowymi alkoholami. Charakteryzują się temperaturami krzepnięcia poniżej -500C. Stosowane są dwa podstawowe rodzaje glikoli:
- nietoksyczny glikol propylenowy, charakteryzuje się gwałtownym wzrostem współczynnika tarcia w temp. poniżej 00C. W temperaturze -100C 30% roztwór wodny
glikolu propylenowego wykazuje opory przepływu o 100% większe w stosunku do
wody.
184
-
toksyczny glikol etylenowy, charakteryzuje się lepszymi niż glikol propylenowy
własnościami w niskich temperaturach. Glikol etylenowy jest zasadniczo stosowany tam, gdzie ewentualne wycieki nie będą związane z niebezpieczeństwem dla ludzi, zwierząt lub możliwością skażenia żywności oraz gdzie temperatura nie spada
poniżej -250C.
Zarówno glikol propylenowy, jak i etylenowy mają cząsteczki o mniejszych rozmiarach
niż woda. W związku z tym wszelkie uszczelnienia i połączenia gwintowane muszą być wykonane z większą dokładnością, niż w przypadku systemów wodnych. Zastosowanie glikoli
- w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, tworzyw sztucznych, kosmetycznym, papierowym, do produkcji środków pomocniczych oraz w chłodnictwie jako składnik płynów
niskozamarzających.
Rys. 1. Podział czynników chłodniczych [3]
185
Rys. 2. Przegląd czynników alternatywnych czynników chłodniczych [1]
Rys. 3. Metodyka obliczeń wskaźnika TEWI (ang. Total Equivalent Warming Impact) [1]
186
Rys. 4. Przykład obliczeniowy urządzenia z czynnikiem R134a i porównanie wartości wskaźnika
TEWI w zależności od napełnienia instalacji i zużycia energii napędowej [1]
Rys. 5P. Porównanie wydajności chłodniczej Q0 i współczynnika wydajności chłodniczej COP dla
czynników R134a i R12 pracujących w układzie ze sprężarką półhermetyczną w zależności od temperatury parowania i temperatury skraplania tc [1]
Rys. 6L. Porównanie wydajności chłodniczej Q0 i współczynnika wydajności chłodniczej COP dla
czynników R134a i R22 pracujących w układzie ze sprężarką półhermetyczną w zależności od temperatury parowania i temperatury skraplania tc [1]
187
Rys. 7L. Obieg chłodniczy mieszaniny zerotropowej [1]
Rys. 8P. Porównanie ciśnienia nasycenia R404A i R502 w zależności od temperatury [1]
Rys. 9P. Wpływ różnic w składzie mieszaniny R22/R218/R290 na temperaturę tłoczenia [1]
wybranych mieszanin pracujących w układzie ze sprężarką półhermetyczną [1]
188
Rys. 12L. Różnica temperatury tłoczenia R404A i temperatury tłoczenia R502 w sprężarce półhermetycznej w zależności od temperatury parowania i temperatury skraplania tc [1]
Rys. 14L. Różnica temperatury tłoczenia R407A, R407F/R404A w sprężarce półhermetycznej w zależności od temperatury parowania i temperatury parowania [1]
189
czynników R407C i R22 w instalacji z półhermetycznym agregatem sprężarkowym w zależności od
temperatury parowania i temperatury skraplania tc [1]
Rys. 16L. Porównanie parametrów nasycenia czynników R407C i R22 [1]
czynników R410C i R22 w instalacji z półhermetycznym agregatem sprężarkowym w zależności od
temperatury parowania i temperatury skraplania tc [1]
Rys. 18L. Porównanie parametrów nasycenia czynników R410A i R22 [1]
190
Rys. 19l. Porównanie parametrów nasycenia czynników R744; R404A; R22 [1]
Rys. 20p. Interpretacja nadkrytycznego i podkrytycznego obiegu R744 na wykresie ciśnienia - entalpia
jednostkowa [1]
Przejściowe - serwisowe czynniki chłodnicze
Rys. 21. Zakres stosowania czynników jednorodnych i mieszanin serwisowych z grupy HCFC [1]
191
Czynniki chłodnicze HFC i HFO
Rys. 22. Zakres zastosowania czynników jednorodnych i mieszaniny z grupy HFC (ODP=0) [1]
Bezfluorowe czynniki chłodnicze
Rys. 23. Zakres stosowalności bezfluorowych czynników chłodniczych [1]
192
Rys. 24. Porównanie wpływu środowiskowego wybranych czynników chłodniczych [3]
Rys. 25. Wpływu wybranych czynników chłodniczych ze względu na zużycie energii na zasilanie,
wpływu na środowisko TEWI oraz kosztów inwestycyjnych [2]
193
2. Literatura
[1] http://www.hvacr.pl/czynniki-chlodnicze-raport-bitzer-2013 - 2016.04.28
[2] http://www.emersonclimate.com/europe/pl-eu/resources/environment/refrigerants/pages/refrigerant_solutions_for_refrigeration_applications.aspx - 2016.04.28
[3] http://www.e-instalacje.pl/a/klimatyzacja-czynniki-chlodnicze-5279.html - 2016.04.28
194

inżynieria instalacji pomp ciepła

Transkrypt

Podobne dokumenty