Odnawialne źródła energii dla budynków

Transkrypt

1 WYDZIAŁ INśYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 5 ZASTOSOWANIE GRUNTOWYCH POMP CIEPŁA W BUDOWNICTWIE Opracowano na podstawie : dr inŝ. Marian Rubik, Energetyczne i ekologiczne korzyści stosowania gruntowych pomp ciepła

2 Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Schemat ideowy instalacji: 1- agregat spręŝarkowy, 2- parowacz, 3- zawór rozpręŝny, 4- skraplacz, page 2

3 Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Zmiany fazy czynnika roboczego w instalacji pompy ciepła page 3

4 Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Wykresy obiegu teoretycznego w układach współrzędnych: ciśnienie entalpia właściwa p- h oraz temperatura entropia właściwa T- s page 4

5 Bilans energetyczny Energetyczny bilans pompy ciepła ma postać Q = Qo + L Teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej COP t = COP L określa wzór: COP t = COP L = Q0 + L = 1+ L Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej COP r q l = Q L = Q L 0 gdzie: COP r = [1 + η i (COP t 1)] η m x η s COP t współczynnik wydajności grzejnej obiegu Lindego η i ; η m odpowiednio: indykowana i mechaniczna sprawność spręŝarki, η s sprawność silnika elektrycznego. page 5

6 Współczynnik wydajności grzejnej Orientacyjną wartość współczynnika wydajności grzejnej spręŝarkowych pomp ciepła moŝna równieŝ wyznaczyć ze wzoru: COP r = η d COP C gdzie: η d stopień doskonałości rzeczywistego obiegu pompy ciepła: η d = 0,5 0,6, COP C - współczynnik wydajności grzejnej obiegu Carnota, przy czym gdzie: T g T g - temperatura źródła górnego, K, T 0 - temperatura źródła dolnego, K Sezonowy wskaźnik efektywności (SPF) SPF= Q/E COPC = T Q ilość ciepła uzyskanego za pomocą pompy w sezonie E zuŝycie energii elektrycznej w sezonie g T 0 page 6

7 Czynniki robocze spręŝarkowych pomp ciepła Kolejne cyfry symbolu Rxyz oznaczają: x jest liczbą atomów węgla w cząsteczce zmniejszoną o jeden. Jeśli x równy jest zero wartość ta jest pomijana w oznaczeniu czynnika. Dla mieszanin zeotropowych x jest równy cztery, a dla mieszanin azeotropowych pięć. Dla poszczególnych związków organicznych wartość x jest równa sześć, dla związków nieorganicznych siedem. y - jeŝeli x zawiera się pomiędzy zero i trzy to y oznacza liczbę atomów wodoru w cząsteczce powiększoną o jeden. Gdy x równy jest cztery lub pięć yz jest liczbą zmienną oznaczającą skład mieszaniny. Dla x równego sześć y przyjmuje wartość zero dla węglowodorów, jeden dla związków z tlenem, dwa dla związków z siarką i trzy dla związków azotu. Dla x równego siedem yz jest masą cząsteczkową czynnika. z jeŝeli x zawiera się pomiędzy zero i trzy to z oznacza liczbę atomów fluoru w cząsteczce. page 7

8 Czynniki robocze spręŝarkowych pomp ciepła Przydatność czynników roboczych do pracy w obiegu pompy ciepła ocenia się przyjmując następujące kryteria: wartość współczynnika wydajności grzejnej (COP), wartość i zakresy ciśnienia nasycenia, objętościowa wydajność grzejna, wpływ na środowisko (ekologia), przy czym miarą szkodliwości oddziaływania czynników na środowisko są następujące wskaźniki: Ozon Depletion Potential (ODP) charakteryzujący wpływ danej substancji na intensywność rozkładu ozonu stratosferycznego w odniesieniu do R11, Global Warming Potential (GWP) charakteryzujący zdolność substancji do tworzenia efektu cieplarnianego w odniesieniu do R744, Total Equivalent Warming Impact (TEWI); całkowity równowaŝnik efektu cieplarnianego uwzględniający bezpośredni wpływ czynnika roboczego na globalne ocieplenie w wyniku jego przecieków podczas eksploatacji oraz pośredni wpływ w wyniku emisji CO2 wytwarzanego w procesie wytwarzania energii elektrycznej zuŝywanej do napędu pompy ciepła. page 8

9 Źródła ciepła niskotemperaturowego Źródło dostarczające ciepło niskotemperaturowe potrzebne do odparowania czynnika roboczego w parowaczu pompy ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami: duŝą pojemnością cieplną, moŝliwie wysoką i stałą temperaturą, brakiem zanieczyszczeń powodujących korozję elementów instalacji lub powstawanie osadów, łatwą dostępnością i niskimi kosztami instalacji słuŝącej do pozyskiwania i transportu ciepła. page 9

10 Źródła ciepła niskotemperaturowego dolne źródła page 10

11 Systemy spręŝarkowych pomp ciepła woda woda (W W) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 11

12 Systemy spręŝarkowych pomp ciepła woda powietrze (W A) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 12

13 Systemy spręŝarkowych pomp ciepła powietrze woda (A W) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 13

14 Systemy spręŝarkowych pomp ciepła powietrze powietrze (A A) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 14

15 Grunt jako dolne źródło ciepła Zmiany temperatury gruntu w ciągu roku Temperatura gruntu [C] I -4,00-2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 Głębokość [m] II III IV V VI VII VIII IX X XI XII page 15

16 Rozkład temperatury w gruncie z poborem i bez poboru ciepła Rozkład temperatury w gruncie na głębokości 1,5 m page 16

17 Typy wymienników gruntowych Pionowy (WPION) Skalisty grunt Duży koszt wykonania Wykorzystuje mniejszą powierzchnię Wysoka sprawność Poziomy (WPOZ) Wymagana większa powierzchnia Tańsze wykonanie Mniejsze budynki Zmiany temperatury Studnia głębinowa (SG) Ssanie+Zatłaczanie Najmniej kosztowny Regulacje prawne Zanieczyszcza się A także wymienniki ciepła w wodach powierzchniowych oraz studnie kolumnowe page 17

18 Wymienniki poziome Źródło: Homepage BWPGermany Rozmieszczenie wymiennika ciepła, Budynek komercyjny page 18

19 Wymienniki poziome page 19

20 Wymienniki poziome Rodzaj gruntu Jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu, Jednostkowe pole wymiennika gruntowego (w odniesieniu do 1 kw mocy grzejnej pompy), a g, m 2 /kw q E,W/m 2 SPF=3,0 SPF=3,5 Suchy grunt piaszczysty Wilgotny grunt piaszczysty Suchy grunt gliniasty Suchy grunt gliniasty Nasycony wodą piasek / Ŝwir page 20

21 Układy pionowych sond gruntowych page 21

22 Sondy pionowe page 22

23 Wymienniki pionowe page 23

24 Układ trzech sond pionowych w układzie rozdzielaczowym page 24

25 Schemat hydrauliczny trzech sond połączonych równolegle page 25

26 Wykonanie pionowej sondy gruntowej page 26

27 Proces wykonywania spiralnego, pionowego gruntowego wymiennika ciepła page 27

28 Rurka cieplna z CO2 jako pionowa sonda gruntowa page 28

29 Termal Response Test Thermal Response Test jest to uznana międzynarodowa metoda do określenia geotermicznych parametrów podłoŝa. W metodzie tej sonda geotermiczna naładowana zostaje określoną ilością ciepła, która krąŝy w systemie i określa warunki termiczne (temperaturę) podłoŝa. W ten sposób otrzymane parametry gruntowe stanowią waŝne dane wyjściowe w planowaniu duŝych pól sond Warunki -Wbudowana i wypełniona sonda -72- godzinny test -Stały dopływ prądu 16A -Woda do napełnienia systemu smarttrt -Zintegrowane przetwarzanie danych -Małowymiarowa aparatura -Kompletna izolacja page 29

30 TRT - wyniki page 30

31 page 31

32 page 32

33 Wykonywanie odwiertów page 33

34 Technologie wiercenia Wiercenie obrotowe Wiercenie obrotowe odwrócone page 34

35 Technologie wiercenia page 35

36 Wartości wielkości do wymiarowania pionowych sond gruntowych page 36

37 Podziemne magazynowanie ciepła page 37

38 Pompy ciepła w istniejących budynkach wyniki pomiarów Określenie efektywności nowych pomp ciepła w budynkach mieszkalnych Identyfikacja moŝliwości optymalizacji instalacji wewnętrznych oraz procedur regulacji Pomiary w 80 istniejących budynkach mieszkalnych page 38

39 Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) gruntowe pompy ciepła w budynkach istniejących page 39

40 Pompy ciepła w nowych budynkach wyniki pomiarów Określenie efektywności nowych pomp ciepła w budynkach mieszkalnych Identyfikacja moŝliwości optymalizacji instalacji wewnętrznych oraz procedur regulacji Pomiary w 110 nowych budynkach mieszkalnych page 40

41 Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) gruntowe pompy ciepła w nowych budynkach page 41

42 Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) pomp ciepła powietrze/woda page 42

43 Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) page 43

44 Temperatura solanki na wejściu pompy oraz temperatura wody zasilającej instalacje page 44

45 Rynek pomp ciepła w Szwecji page 45

46 Rynek pomp ciepła w Szwecji [SVEP 2008] page 46

47 Rynek pomp ciepła w Szwecji page 47

48 COP nowych pomp w Szwecji page 48

49 page 49

50 Oszczędność energii pierwotnej page 50

51 Czas wykorzystania page 51

52 Rynek pomp ciepła w Niemczech [IZW 2008] page 52

53 Rynek źródeł ciepła w Szwajcarii [Rognon 2008] Sztuk Rok page 53

54 Rynek pomp ciepła w Szwajcarii [Rognon 2008] page 54

55 Rynek gruntowych pomp ciepła w Wielkiej Brytanii (dane szacunkowe wg Ellisa, 2006) page 55

56 Rynek pomp ciepła we Francji [AFPAC] page 56

57 Liczba pomp ciepła instalowanych w Republice Czeskiej Rok 2005 ROK 2006 page 57

58 ZaleŜność między liczbą sprzedanych pomp ciepła a ceną oleju opałowego w Szwajcarii w latach page 58

59 Budynek biurowy w Zurichu źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 59

60 System grzewczy/chłodniczy Pompa ciepła wykorzystująca sondy gruntowe (220m głębokości) i odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 60

61 Ograniczenia architektoniczne ograniczona wysokość pomieszczeń wymaga zastosowania kompaktowych rozwiązań dla instalacji grzewczych i chłodniczych źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 61

62 Instalacja wentylacyjna nawiew świeŝego powietrza przez nawiewniki fasadowe, odzysk ciepła z powietrza usuwanego źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 62

63 Moduł pomieszczenia źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 63

64 Fasada dostęp światła dziennego, ograniczenie zysków ciepła w lecie i strat ciepła w zimie: powierzchnia okien 50%, współczynnik U okna 1,1 W/m2K zewnętrzne elementy zacieniające o współczynniku zacienienia g = 0,12 źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 64

65 Panele fotowoltaiczne 150 m 2 ogniw fotowoltaicznych, 24kWpe, około kWh/a >20% zapotrzebowania na elektryczność źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 65

66 Transport 230 pracowników 24 miejsca parkingowe, pracownicy których czas dojazdu < 80min. korzystają z transportu publicznego, 10 samochodów Smart gotowych do uŝytku, ograniczone zuŝycie paliw kopalnych na transport o 50 ton źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 66

67 Współczynnik efektywności COP źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 67

68 ZuŜycie energii elektrycznej źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 68

69 Koszty eksploatacji źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 69

70 RETScreen Moduł Gruntowych Pomp Ciepła Analiza produkcji energii w kaŝdym miejscu na świecie, kosztów w okresie Ŝywotności i redukcji emisji gazów cieplarnianych Wymiennik poziomy i pionowy Wymiennik w wodach gruntowych Mieszkalnictwo, budynki komercyjne, przemysłowe i uŝyteczności publicznej Obecnie model nie ma zastosowania dla: Pomp ciepła dla wód powierzchniowych Długoterminowej nierównowagi termicznej gruntu Jednoczesnego ogrzewania i chłodzenia (tylko obciąŝenie jednolite) Przygotowania ciepłej wody uŝytkowej page 70

71 RETScreen GPC Obliczenia energetyczne Dane wejściowe użytkownika Dane użytkownika o budynku Wyznaczenie zapotrzebowania w zależności od temperatury, Dane pogodowe użytkownika Wygenerowanie przedziałów temperatur i obliczenie temperatury gruntu Oszacowanie wydajności pompy ciepła Wyznaczenie rozmiaru wymiennika lub wymaganego strumienia wody gruntowej Obliczenie zapotrzebowania budynku dla każdego przedziału temp. Wyznaczenie rzeczywistej wydajności i mocy pompy ciepła dla każdego przedziału Sprawdź e-podręcznik Ocena projektów Czystej Energii: RETScreen Projektowanie i Przykłady Rozdział: Gruntowe Pompy Ciepła Obliczenie uzupełniającego zapotrzebowania na ciepło i chłód oraz rocznej energii użytecznej systemu GPC page 71

72 Przykłady weryfikacji modelu RETScreen GPC Porównanie zuŝycia energii w syntetycznych przedziałach z wartościami zmierzonymi Porównanie obliczeń długości wymiennika z obliczeniami w 6 innych programach specjalistycznych ZuŜycie energii cieplnej kwh RóŜnica % Toronto RETScreen Zmierzone ,4 Montreal Charlottetown Winnipeg Vancouver RETScreen RETScreen RETScreen RETScreen Zmierzone Zmierzone Zmierzone Zmierzone ,8 0,6 1,0-3,0 Dobór dla 1 roku Dobór dla 10 lat * Program Bud. mieszkalny1 Louisiana Bud. mieszkalny2 Wisconsin Bud. komercyjny Nebraska Bud. mieszkalny1 Louisiana Bud. mieszkalny2 Wisconsin Bud. komercyjny Nebraska Średnia dla innych programów RETScreen Wykreślnie 257-4% 135 9% % % 135 5% % RETScreen Energia uŝyteczna % 127 2% 132-6% % 127-2% % Wartość rzeczywista % % 141 0% % % 141-5% * Wartości doboru dla 1roku słuŝą do porównania {wewnętrznego} programu RETScreen page 72

73 Wnioski Systemy GPC słuŝą do ogrzewania, chłodzenia i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej Zmiany temperatury gruntu wraz z jego wilgotnością prowadzą do zwiększenia sprawności systemów pomp ciepła Koszty inwestycyjne pomp ciepła są wyŝsze, ale koszty EiK niŝsze RETScreen wyznacza: Wykres uporządkowany temperatury zewnętrznej Zapotrzebowanie dla budynku w funkcji temperatury zewnętrznej Roczne korzyści energetyczne dla ogrzewania i chłodzenia RETScreen jest narzędziem, które potrafi osiągnąć dokładność porównywalną z modelami symulacji godzinowej RETScreen znacznie obniŝa koszty opracowania wstępnego studium wykonalności page 73