docogrzew_02 (--kB)
download 
Reklamacja Transkrypt
ogrzew_02 (--kB)
OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 7 2.Źródła ciepła 2.1. Niekonwencjonalne źródła ciepła: 2.1.1. Energia wiatru 2.1.2. Energia morza 2.1.3. Energia geotermiczna 2.1.4. Pompy ciepła Pompa ciepła to cieplna maszyna robocza, która dzięki dostarczonej do obiegu pracy przekazuje ciepło z dolnego źródła ciepła o temperaturze niŜszej do górnego o temperaturze wyŜszej WyróŜnić moŜna następujące systemy pracy pomp ciepła (dolne źródło ciepła – nośnik ciepła) : • Powietrze-powietrze • Powietrze-woda • Woda-powietrze • Woda-woda • Ziemia-woda Minimalna praca jaką naleŜy dostarczyć w celu przekazania pewnej ilości ciepła Qg do źródła górnego Z warunku wzrostu entropii wynika: ∆S = − Q Qg + T Tg (2.1) gdzie: Q, Qg - odpowiednio ciepło odprowadzone z dolnego źródła ciepła oraz ciepło doprowadzone do górnego źródła ciepła T , Tg - odpowiednio temperatura dolnego i górnego źródła ciepła Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA OGRZEWNICTWO 8 dla pompy ciepła obowiązuje zaleŜność: Q + Lob = Qg (2.2) stąd: ∆S = − Qg T + Lob Qg + ≥0 T Tg (2.3) minimalna pracę uzyskuje się gdy ∆S = 0 : Lob, min = Qg Tg − T Tg (2.4) Miarą energetycznej sprawności obiegu pompy ciepła jest tzw. współczynnik wydajności cieplnej: ε= Qg Lob = Lob + Q Q =1+ = Lob Lob (2.5) Maksymalną sprawność termiczną osiąga pompa pracująca wg obiegu Carnota ∆S = 0 : ε= Tg Tg − T Przy wymaganej temperaturze górnego źródła ciepła sprawność pompy ciepła jest tym wyŜsza im wyŜsza jest temperatura źródła dolnego (2.6) OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA Rys.2.1.Schemat ideowy oraz obieg spręŜarkowej pompy ciepła pracującej pomiędzy źródłami o temperaturach Tg oraz Td ; S – spręŜarka, Z – zawór dławiący, Qd – strumień ciepła doprowadzony do parowania , - Qg – strumień ciepła wyprowadzonego w skrapalczu 9 OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 10 Rys.2.2.Schemat ideowy oraz obieg absorbcyjnej pompy ciepła pracującej pomiędzy źródłami o temperaturach Tg oraz Td , S- skraplacz, W- warnik, A – absorber, Z1 i Z2 wymiennik ciepła , Pr – pompa roztworu OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 11 Zastosowanie pomp ciepła w ogrzewnictwie: • Pompy ciepła są najczęściej instalowane w układzie wspólnie z kotłem olejowym lub gazowym • Pompa ciepła pokrywa zapotrzebowanie na ciepło, gdy temperatura zewnętrzna jest dodatnia. PoniŜej tej temperatury włącza się kocioł gazowy lub olejowy. • Pompa ciepła jest dobierana w taki sposób, by pokryć 6070% zapotrzebowania na ciepło, co odpowiada pokryciu 70-90% rocznego zapotrzebowania na ciepło w krajach Europy Środkowej. • Współczynnik wydajności wynosi 3-3.5 • Koszty inwestycyjne pomp ciepła są o 30-40% wyŜsze niŜ koszty inwestycyjne kotłów olejowych lub gazowych • Koszty eksploatacji pompy ciepła sięgają 30% kosztów eksploatacji konwencjonalnych źródeł ciepła • Zwrot kosztów inwestycyjnych uzyskuje się po 4-6 latach • Stosowanie pomp ciepła jest szczególnie uzasadnione w przypadku dostępności dolnego źródła ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze takich jak zbiorniki wodne, ścieki, ciepło odpadowe z procesów technologicznych – obniŜone koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne • Pompy ciepła stosuje się równieŜ wszędzie tam gdzie mogą wystąpić problemy z dostawą paliwa ( rejony wysokogórskie) oraz tam gdzie ze względu na ochronę atmosfery nie moŜna stosować konwencjonalnych źródeł ciepła OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 12 2.1.5.Wykorzystanie energii słonecznej NatęŜenie promieniowania słonecznego Stała słoneczna ( natęŜenie promieniowania słonecznego w zewnętrznej warstwie atmosfery) 1.39 kW/m2 maksymalne natęŜenie promieniowania na powierzchni Ziemi 1.0 kW/m2 Średnia wartość natęŜenia promieniowania słonecznego dla terenu Polski 100 W/m2 Tab.2.1. Zasoby helioenergetyczne Polski III Miesiące VI IX Półrocze Lato XII IV-IX X-III VI-VII Całkowita liczba godzin 720 744 4392 4375 2208 Liczba godzin dziennych 380 243 2737 1745 1455 Usłonecznienie maksymalne [h] 221 90 1380 482 827 Usłonecznienie średnie [h] 143 29 1199 380 685 Usłonecznienie minimalne [h] 75 2 957 231 463 2 Napromieniowanie maksymalne [MJ/m ] 363 68 3129 843 1773 2 Napromieniowanie średnie [MJ/m ] 300 44 2770 710 1583 2 Napromieniowanie minimalne [MJ/m ] 230 27 2502 562 1328 Rok I-XII 744 720 8767 368 499 169 283 108 231 34 175 333 657 249 560 167 447 4482 1819 1579 1288 3942 3480 3163 OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 13 Zalety i wady konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego Zalety: • praktyczna niewyczerpalność • dostępność na większości obszarów kuli ziemskiej • zerowe koszty dostarczania energii • nienaruszanie stałości bilansu energetycznego Ziemi • nieskaŜanie środowiska naturalnego • rozproszenie – brak problemów przesyłania energii Wady: • okresowość dostarczania energii w czasie • niepewność ze względu na warunki atmosferyczne • stosunkowo małe natęŜenie promieniowania słonecznego i wynikająca stąd konieczność stosowania urządzeń o duŜej powierzchni • wysokie koszty inwestycyjne Sposoby wykorzystania konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego Pasywne metody wykorzystania energii promieniowania słonecznego (bez dostarczania dodatkowej energii do transportu czynnika roboczego): • budynek pozwalający wykorzystać energię promieniowania słonecznego do celów grzewczych powinien: w dni słoneczne ułatwiać napływ promieniowania słonecznego do elementów kolektorowych w dni pochmurne i nocą uniemoŜliwiać ucieczkę pozyskanego ciepła z powrotem do otoczenia OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 14 • część zewnętrznej obudowy powinna być przystosowana do funkcji kolektora słonecznego; południowa elewacja nie powinna być zacieniona • przegrody budowlane powinny pełnić rolę zasobnika pozyskanego ciepła • wzajemne usytuowanie pomieszczeń powinno umoŜliwiać swobodny przepływ pozyskanego ciepła z południowej do północnej strefy budynku • konwencjonalne urządzenia grzewcze powinny być wyposaŜone w moŜliwość regulacji strefowej osobno dla części południowej oraz północnej Miarą efektywności energetycznej pasywnego ogrzewania słonecznego jest tzw. wskaźnik uŜytecznych zysków ciepła od napromieniowania słonecznego: Q − Qg ϕ= z (2.8) Qz Tab.2.2.Wskaźnik uŜytecznych zysków ciepła budynków zlokalizowanych w podobnych szerokościach geograficznych do warunków polskich Miejscowość Edmonton Hamburg Kopenhaga Lyngby Odeillo Vancouver Winnipeg Szerokość geograficzna północna 53.5° 53.2 55.7 55.8 42.5 49.1 49.8 Wskaźnik uŜytecznych zysków ciepła 0.25 0.28 0.53 0.44 0.65 0.53 0.23 OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 15 Aktywne metody wykorzystania energii promieniowania słonecznego Płaskie kolektory słoneczne • • • • Podstawowe elementy kolektorów płaskich: absorber, na którego powierzchni pochłaniane jest promieniowanie słoneczne; pokrycie przezroczyste chroniący absorber przed stratami cieplnymi do atmosfery izolacja cieplna chroniąca od spodu i z boków absorber przed stratami ciepła obudowa zewnętrzna kolektora Rys.2.3.Przekrój poprzeczny cieczowego typowego kolektora OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 16 Sprawność kolektorów słonecznych η= moc cieplna = natęatęŜe promieniowania slonecznego Q& p α τ Q& s − Q& str = & Qs Q& s (2.9) gdzie: τ - przepuszczalność promieniowania przez szyby szklane ≈ 0.90 α - wskaźnik absorbcji otuliny kolektora ≈ 0.95 Q& str = Q&1 + Q& 2 + Q& 3 - straty Q&1 -promieniowanie wtórne ciepła prze szyby do otoczenia Q& 2 - oddawanie ciepła droga konwekcji Q& 3 - straty ciepła w rurociągach W przybliŜeniu sprawność kolektora przedstawić moŜna równieŜ w następującej postaci: η = ατ − kc ∆t Q& s gdzie: kc - współczynnik wnikania ciepła (2.10) OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 17 1,0 0,9 0,8 0,7 300 W /m 2 500 W /m 2 700 W /m 2 Sprawnosc 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Róznica tem peratury absorbera i otoczenia Rys.2.4.Przykładowa charakterystyka kolektora słonecznego 1,0 0,9 0,8 0,7 sprawnosc 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,00 0,04 0,08 0,12 tem peratura zredukowana Rys.2.5. Charakterystyka kolektora w funkcji zredukowanej róŜnicy temperatur [°C m2/W] OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 18 Inne rodzaje kolektorów słonecznych: • Kolektory skupiające – zwierciadlane, soczewkowe • Kolektory płaskie z barwionym medium absorbującym • Kolektory z półprzezroczystym złoŜem pochłaniającym • Kolektory próŜniowe 2.2. Konwencjonalne źródła ciepła 2.2.1. Kotły węglowe 2.2.2. Kotły olejowe 2.2.3. Kotły gazowe Rodzaje kotłów • Kotły stalowe ze spawanym wymiennikiem ciepła Rys.2.3.Schemat kotła płomieniówkowego prod. Bielskiego Przedsiębiorstwa Instalacji Sanitarnych w Bielsku Białej – BPIS: 1- blok wodny , 2 - termoregulator, 3 - kolektor z palnikami , 4 – zawór regulacyjny membranowy, 5 – zawór zabezpieczający elektromagnetyczny, 6 – bezpiecznik zaniku ciągu, 7 – przerywacz ciągu, 8 - obudowa zewnętrzna, 9 – termometr, 10 – pokrywa zewnętrzna, 11płomieniówka, 12 – zawirowywacz, 13 – filtr, 14 – zawór spustowy OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 19 opłomki dopływ powietrza Rys.2.4.Kocioł opłomkowy typu Jubam-gaz:1elektroniczny regulator pracy kotła, 2 – zasilanie elektryczne układu sterowania, 3 – zawór elektromagnetyczny membranowy, 4 – filtr gazu, 5 – ogranicznik ciśnienia gazu, 6 – zawór zabezpieczający elektromagnetyczny, 7 transformator zapłonowy, 8 – drzwiczki otworu wziernikowego z palnikiem zapłonowym, 9 – izolacja termiczna, 10- walczak zewnętrzny, 11 walczak wewnętrzny, 12 – rura opłomkowa, 13 – komora spalania, 14 – palnik inŜektorowy, 15 – osłona komory palnikowej OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 20 • Kotły Ŝeliwne Rys.2.5.Elementy konstrukcyjne kotła Eurotemp-Kalme: 1przyłącze odprowadzenia spalin, 2-pulpit sterowniczy górny, 3-wycięcie w pulpicie sterowniczym dla wmontowania regulatora ogrzewania, 4-pulpit sterowniczy dolny dla specjalisty, 5-przyłcze elektryczne, 6-otwór dla wprowadzenia czujników maksymalnej temperatury wody, termometru i czujników regulatora temperatury w kotle, 7przyłącze gazowe, 8-przewód łączący z masą, 9-gazowa armatura regulacyjna z automatem palnikowym,10-elektroda zapłonowa, 11-kolektor gazowy z dyszami, 12-lektroda jonizacyjna kontroli płomienia, 13-płyta palnika, 14-rura łącząca zespół gazowy z kolektorem, 15-rura palnikowa, 16komora spalania, 17-wymiennik ciepła, 18-kurek napełniania i spustu, 19-przyłązce powrotu wody z instalacji, 20-przyłącze zasilania wodą , 21- wskaźnik temperatury, 22-wyłązcnik główny, 23- regulator temperatury wody w kotle, 24-przycisk odblokowania ogranicznika maksymalnej temperatury wody, 25bezpiecznik OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 21 • Kotły kondensacyjne • Rys.2.6.Bilanse energii kotłów niskotemperaturowego i kondensacyjnego przy temperaturze wody zasilającej i powrotnej 40/30 °C Rys.2.7. Schemat funkcjonalny kondensacyjnego kotła nefitturbo firmy Schafer Heiztechnik GmbH: 1powietrze do spalania, 2 - paliwo, 3 – wylot spalin, 4 – odpływ kondensatu, 5 – przyłącze wody zasilającej, 6 – przyłącze wody powrotnej, 7 – rurka wymiennika ciepła, 8 - palnik OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 22 Uwagi praktyczne: Kotły kondensacyjne ze względu na niską temperaturę spalin nie mogą pracować przy ciągu naturalnym; jeśli kocioł wyposaŜony jest w palnik bez nadmuchu (inŜektorowy), niezbędna jest instalacja wentylatora ciągu Instalacja kotłów kondensacyjnych o większych mocach ( pow. 25 kW) wymaga zezwolenia na odprowadzenie kondensatu do kanalizacji Kotły kondensacyjne są droŜsze od kotłów konwencjonalnych, lecz ze względu odprowadzane suche i chłodne spaliny, nie wymagają montaŜu wkładów kominowych ze stali nierdzewnej, co kompensuje w pewnym stopniu wyŜsze koszty inwestycyjne 2.2.4. Kotły elektryczne Rys.2.8.Ogrzewanie elektryczne z wodą jako czynnikiem akumulacyjnym OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 23 Rys.2.9.Elektryczne centralne ogrzewanie akumulacyjne z pośrednim ogrzewaniem wody OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 24 Dobór wielkości i rodzaju kotłów Wykres uporządkowany Wykres uporządkowany f (∆t ) pokazuje prze jak długi czas ∆t ′ wielkość f przewyŜszała poziom P′ Rys.2.10. Konstrukcja wykresu uporządkowanego Rys.2.11.Wykres uporządkowany występowania temperatur zewnętrznych w sezonie grzewczym 6500 godz. ( badania firmy Viessman) OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 25 Rys.2.12. Roczny uporządkowany wykres obciąŜeń Rys.2.13.Koszt jednostkowy wytwarzania jednostki ciepła w zaleŜności od stopnia wykorzystania OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 26 Rys.2.14.Przebieg stopnia wykorzystania przy częściowych obciąŜeniach kotła: A- specjalny kocioł typ EurotempII – firmy Stiebel Eltron - Hydrotherm, B – kocioł z modulowaną mocą cieplna palnika oraz regulowanym, strumieniem powietrza wtórnego, C – kocioł z modulowaną mocą cieplną i bez regulacji strumienia powietrza wtórnego, D – Kocioł bez modulacji mocy cieplnej palnika (sprawność nominalna 84%), E- kocioł przewymiarowany OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 27 Rys.2.15.Porównanie bilansu cieplnego kotła przewymiarowanego oraz kotła dobranego zgodnie z wymaganiami norm Bilans cieplny kotła W = Qn + ∑ Qstr gdzie: W - wartość opałowa paliwa, kJ / m 2 Q - uŜyteczna część przekazana wodzie, kJ / m 2 Qstr - suma strat ciepła, kJ / m 2 stąd, sprawność cieplna kotła: Q ηk = 1 − ∑ str W (2.11) (2.12) OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 28 Straty ciepła występujące w kotle: • Strata wylotowa wyraźna – ilość ciepła unoszonego przez strumień spalin o temperaturze wyŜszej od temperatury otoczenia • Strata niezupełnego spalania – związana z obecnością w spalinach pewnych ilości produktów niezupełnego spalania, głównie tlenku węgla, nazywana równieŜ stratą wylotową utajoną • Przekazywanie pewnych ilości ciepła do otoczenia: przez niedoskonale izolowana obudowę zewnętrzną kotła, w tym w znacznej mierze przez promieniowanie płyty podpalnikowej w kierunku podłogi odbieranego i unoszonego przez strumień powietrza przepływającego przez kanały spalinowe w okresach przerw w pracy palnika Strata wylotowa ′ c p (t s − to ) Qsw = n′sw sw (2.13) gdzie: ′ - objętość spalin wilgotnych na jednostkę objętości paliwa n′sw c p - średnie ciepło właściwe spalin wilgotnych w przedziale temperatur t s , to t s - temperatura spalin wylotowych za wymiennikiem ciepła to - temperatura otoczenia sw Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA OGRZEWNICTWO 29 w praktyce stosować moŜna zaleŜność: t t ′ c p sw s t s − c p sw o to Qsw = n′sw 0 0 (2.14) stratę wylotową odnieść moŜna równieŜ do wartości opałowej paliwa: Qsw 100% W Qsw = % (2.15) Stratę wylotową określić moŜna równieŜ w sposób uproszczony, wykorzystując zaleŜność: ′ = n′ss′ + n′H′ n′sw 2 0 = nC′ + n′H′ [CO2 ] + [CO ] 2 O (2.16) Podstawiając zaleŜności (2.16) oraz (2.14) do (2.15) uzyskuje się: Qsw % n′H′ O nC′ c p = + W ([CO2 + [CO ]]) W ts 2 sw 0 ts − c p t0 ⋅ 100% 0 (2.17) t0 sw przyjmując następujące oznaczenia: n′H′ O nC′ a= , b= W W oraz oznaczając róŜnicę temperatury spalin i otoczenia przez: ∆t = t s − t0 2 Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA OGRZEWNICTWO 30 ZaleŜność (2.14) zapisać moŜna w postaci: Qsw = 100 a c p % ts t0 sw b 1 ⋅ ∆t + % [CO2 ] + [CO ] a (2.18) lub biorąc pod uwagę, Ŝe: [CO ] << [CO2 ] (zgodnie z warunkiem określonym normą [CO ] ≤ 0.1% ) zaleŜność (2.18) zapisuje się: Qsw = 100 a c p % ts sw t0 1 b ⋅ ∆t + % [CO2 ] a (2.19) lub Qsw = 104 a c p % ts sw t0 1 b % ⋅ ∆t + [CO2 ]% 100 a (2.20) gdzie: [CO2 ]% - procentowa zawartość dwutlenku węgla w suchych spalinach Przyjmując oznaczenia: n′ 10 C c p sw W 4 ts t0 =A oraz 10 2 n′H′ 2 O W c p sw ts t0 =B Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA OGRZEWNICTWO 31 gdzie ciepło właściwe spalin określić moŜna na podstawie uproszczonej zaleŜności: cp ts t0 sw = cp ts sw 0 ts − c p ts sw t s − t0 t 0 0 (2.21) Stratę wylotową moŜna ostatecznie przedstawić w postaci następującej uproszczonej zaleŜności: Qsw % A = ∆t + B % [CO2 ]% (2.22) Tab.2.1. Wartości współczynników równania (2.19) Rodzaj gazu Gazy ziemne – wszystkie podgrupy GZ-25÷GZ-50 Gaz sztuczny – podgrupa GS-25 Gaz sztuczny – podgrupa GS-30 Wartości współczynników A B 0.386 0.0077 0.372 0.0080 0.305 0.0087 W warunkach spalania zupełnego ze stochiometrycznym stosunkiem nadmiaru powietrza ′′ 2 + n′N 2 n′ss′ = nCO [CO2 ]max = ′′ 2 nCO ′′ 2 + n′N′ 2 nCO = nC′ nC′ + n′N 2 + 79 nOmin 21 OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 32 Rys.2.16. Wykres zaleŜności straty wylotowej od zawartości dwutlenku węgla i róŜnicy temperatur spalin i otoczenia dla gazów ziemnych Rys.2.17. Wykres zaleŜności straty wylotowej od zawartości dwutlenku węgla i róŜnicy temperatur spalin i otoczenia dla gazu sztucznego podgrupy GS-25 OGRZEWNICTWO Rozdział 2 – ŹRÓDŁA CIEPŁA 33 Rys.2.18. Wykres zaleŜności straty wylotowej od zawartości dwutlenku węgla i róŜnicy temperatur spalin i otoczenia dla gazu sztucznego podgrupy GS-30
