Wykorzystanie chłodzenia pasywnego w układzie pompy ciepła z pionowym kolektorem gruntowym

Transkrypt

1 RABCZAK Sławomir 1 PROSZAK-MIĄSIK Danuta 2 NOWAK Krzysztof 3 Wykorzystanie chłodzenia pasywnego w układzie pompy ciepła z pionowym kolektorem gruntowym WSTĘP W systemach chłodzenia na potrzeby klimatyzacji stosunkowo duży udział kosztów w całości funkcjonowania systemu stanowią koszty związane z produkcją wody lodowej, której koszt ze względu na krótki sezon chłodniczy stanowią główny czynnik przy analizach finansowych. Zwiększanie świadomości użytkowników systemów klimatyzacyjnych odnośnie komfortu cieplnego szczególnie w okresie letnim wymusza stosowanie ochłodzenia powietrza i konieczność produkcji drogiej wody lodowej z wykorzystaniem sprężarkowych agregatów chłodniczych chłodzonych powietrzem. W wielu obiektach istnieją nowoczesne rozwiązania ogrzewania bazujące na układach z pompą ciepła z kolektorem poziomym i pionowym, co daje możliwości uruchomienia systemu, który umożliwia pozyskiwanie chłodu z gruntu, szczególnie przy kolektorach pionowych, z pominięciem istniejącej pompy ciepła w okresie letnim. W rozwiązaniu takim instalacja pompy ciepła, początkowo przewidziana tylko dla ogrzewania lub docelowo również dla potrzeb chłodzenia umożliwia wykorzystanie systemu, który bazował będzie na części instalacji związanej z dolnym źródłem ciepła, z tym że nie jako źródło ciepła lecz jako źródło chłodu. System ten często nazywany jest jako natural cooling lub jako system chłodzenia pasywnego. W układzie takim podczas produkcji wody lodowej uzyskuje się znaczne obniżenie kosztów wytwarzania z uwagi na brak poboru energii do napędu sprężarek chłodniczych, a jedynie wykorzystanie pomp obiegowych dolnego i górnego obiegu źródła ciepła. Minusem tego rozwiązania jest ograniczenie wynikające z sytuacji na ścisłe powiązania temperatury gruntu i temperatury wody lodowej na zasilaniu, co jest przyczyną ograniczenia jego stosowania dla okresu poza maksymalnymi pikami zapotrzebowania na chłód w sezonie chłodniczym, tj. najczęściej przy najwyższych temperaturach zewnętrznych. W czasie największych zysków ciepła temperatura wody uzyskiwania z chłodzenia pasywnego jest zbyt mała aby uzyskać prawidłowe różnice temperatur na wymiennikach ciepła oraz utrzymać przepływ na odpowiednim poziomie, stąd konieczność produkcji wody lodowej metodą aktywną wykorzystującą pompę ciepła z obiegiem rewersyjnym lub poprzez zastosowania tzw. modułów chłodzenia pasywnego i aktywnego, szczególnie w przypadku układów z grzewczą pompą ciepła. W artykule przedstawiono analizę możliwości zastosowania systemu pompy ciepła z kolektorami pionowymi dla produkcji wody lodowej do klimatyzacji budynku handlowego z wykorzystaniem chłodzenia pasywnego. 1. RODZAJE SYSTEMÓW DO PRODUKCJI WODY LODOWEJ O chłodzeniu aktywnym mówi się w sytuacji, kiedy urządzenie działa przy włączonych sprężarkach. Powstające ciepło odpadowe jest usuwane ze skraplaczy poza instalacje, np. do powietrza zewnętrznego lub do gruntu. W porze zimowej urządzenie pracuje jako pompa ciepła pobierające energię od danego źródła ciepła. Dzięki odwróceniu procesu, pompa ciepła staje się agregatem chłodniczym, w którym ciepło pobierane z budynku jest aktywnie przekazywane do dolnego źródła ciepła. Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, względnie zaopatrywanie dodatkowych odbiorników ciepła może odbywać się równolegle wraz z pozyskiwanie chłodu do instalacji. Jest to 1 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury im. Ignacego Łukasiewicza, al. Powstańców Warszawy 12, Rzeszów, , rabczak@prz.edu.pl 2 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury im. Ignacego Łukasiewicza, al. Powstańców Warszawy 12, Rzeszów, , dproszak@prz.edu.pl 3 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury im. Ignacego Łukasiewicza, al. Powstańców Warszawy 12, Rzeszów, , krzynow@prz.edu.pl 4101

2 najczęściej stosowany system produkcji chłodu w instalacjach klimatyzacyjnych, jednak ciepło oddawane jest częściej do powietrza zewnętrznego lub wykorzystywane do innych celów. Instalację z pompą ciepła pracującą na przemian w okresie letnim w trybie aktywnym, w okresie przejściowym w trybie pasywnym pobierając chłód bezpośrednio z dolnego źródła chłodu, a w okresie zimowym jako tradycyjna pompa ciepła do celów grzewczych przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1 Schemat układy pompy ciepła z modułem aktywnym i pasywnym. System pasywny posiada bardzo szereg zalet, z czego najważniejsza to możliwość produkcji chłodu w okresach poniżej piku zapotrzebowania na chłód szczególnie w instalacjach o wysokiej temperaturze wewnętrznej. Mogą być to instalacje obsługujące pomieszczenia przeznaczone dla ludzi, szczególnie o dużych zyskach ciepła, ale również instalacje typowo przemysłowe do przechowywania produktów, co pozwala wykorzystać instalację chłodniczą jako system free-coolingu w okresie zimowym i przejściowym. System pasywny wykorzystywany jest w pompach ciepła z kolektorami gruntowymi głównie pionowymi. Niemniej spotyka się systemu z kolektorami poziomymi, które na ogłó nie są najlepszym rozwiązaniem, ponieważ temperatury w płytkich warstwach pod powierzchnią ziemi są latem za wysokie dla sprawnego chłodzenia. Temperatura kolektora 1 sierpnia wynosi już ok. 15 C, bez doprowadzonego ciepła. Przez doprowadzenie ciepła odpadowego podniesie się jeszcze bardziej temperatura kolektora, który zacznie spełniać funkcję zasobnika energii. Należy się także obawiać naruszenia warunków życia flory i fauny na powierzchni takiego kolektora. Używanie kolektora gruntowego do wymaganego chłodzenia może doprowadzić do wyschnięcia gruntu wokół niego. Związane z tym kurczenie się ziemi prowadzi do utraty kontaktu pomiędzy gruntem i kolektorem oraz do pogorszenia się sprawności trybu grzania. Przy zastosowaniu sond geotermicznych jest wykorzystywany stały poziom temperaturowy (ok C) na głębszych warstw gruntu jako źródło zimna do procesów chłodzenia. Dzięki zamkniętemu obiegowi nie ma żadnych prawnych obowiązków związanych z gospodarką wodną. Możliwe do przeniesienia moce chłodnicze są na ogół nie wystarczające dla zapewnienia chłodu w okresie całego sezonu z uwagi na małą wydajność źródła (w porównaniu z zapotrzebowaniem na ciepła wielkości niezbędne do chłodzenia są dużo wyższe) oraz z uwagi na zbyt niskie parametry wody schłodzonej w odwiertach. Stąd chłodzenie pasywne może być sprawnym systemem jedynie w ograniczonym przedziale czasu, również z uwagi na stopniowe ogrzewanie sond geotermicznych i zmniejszenia maksymalnej mocy chłodzenia. W przeważającej części okresu, w którym istnieje możliwość pozyskania darmowej energii do chłodzenia z gruntu za pomocą istniejącej instalacji, która służy głównie do pozyskiwania ciepła z gruntu w okresie zimowym do celów grzewczych, instalacja ta nie jest w stanie wyprodukować wody o parametrach umożliwiających osuszanie powietrza w okresie przejściowym wody lodowej. Stąd 4102

3 też pochodzi idea tzw. chłodzenia cichego, która wzięła swoją nazwę od tego, iż nie możliwe jest wykroplenie pary wodnej z chłodzonego powietrza z uwagi na zbyt wysokie parametry wody chłodniczej. Korzystając z tej charakterystycznej cechy, system chłodzenia cichego wykorzystywany jest w systemach z ogrzewaniem płaszczyznowym, jako system schładzający. 2. ANALIZA MOŻLIWOŚCI STOSOWANIA CHŁODZENIA PASYWNEGO Analizie poddano duży budynek handlowy z istniejącym systemem klimatyzacji za pomocą klimakonwektorów oraz systemu VAV. Odzysk chłodu następuje w centrali VAV oraz na w układzie z klimakonwektorami. Budynek handlowy posiada także pompę ciepła z kolektorami pionowymi, do której należy dobrać moduł chłodzenia pasywnego i aktywnego. Dla potrzeb pompy ciepła założono również konieczność stosowania zasobnik chłodu działającego w okresach dobowych. Dla potrzeb analizy pod uwagę wzięto budynek handlowy typu galeria zlokalizowany w Rzeszowie o powierzchni całkowitej 3750 m 2. Dla takiego budynku wykonano bilans ciepła dla miesięcy letnich oraz dla okresu zimowego, tak aby możliwe było interpolowanie wyników w okresach przejściowych. Wyniki zestawiono w Tabeli 1. Tab. 1. Zestawienie zysków ciepła godzinowych dla wybranych okresów w roku. Okres obliczeniowy Zyski ciepła, Q C, kw kwiecień 22957,9 sierpień 22972,8 zima 15192,6 Na rysunku 2 przedstawiono dzienne wahania zysków ciepła stałych niezależnych od środowiska zewnętrznego pochodzącego od takich źródeł jak ludzie, oświetlenie oraz pozostałych. Jest to subiektywna ocena wielkości występowania tych zysków pokrywająca się w główniej mierze z okresem użytkowania tego typu budynków handlowych, w dużej mierze pochodzących od ludzi. Analogiczny rozkład obserwuje się dla okresu zimowego lecz zyski te osiągają mniejszą wartość z uwagi na straty ciepła spowodowane przenikaniem przez przegrody zewnętrzne. Na Rys. 2 przedstawiono dobowy harmonogram zysków ciepła zewnętrznych spowodowanych nasłonecznieniem obiektu w miesiącu kwietniu. Wielkość tych zysków ciepła jest znikomo mała w porównaniu do stałych zysków ciepła i sięga wartości maksymalnie ok. 1,5 %. Stąd o wielkości zapotrzebowania na chłód w zasadzie decydują wewnętrzne zyski ciepła poza okresami pomiędzy godzinami 12 a 16, kiedy to rejestruje się maksimum operatywności słońca na budynek. Dlatego też sumaryczne zapotrzebowanie chłodu dla całego budynku przedstawiono w postaci niezbędnego chłodu dla systemów klimatyzacyjnych utrzymujących mikroklimat w pomieszczeniu na żądanym poziomie. Wielkości te określone wg ogólnie przyjętych zasad przedstawiają się następująco: kwiecień Q ch = 5 582, 9 MW sierpień Q ch = 9 574, 9 MW Dla tak przyjętych założeń określono wielkość zasobnika chłodu dla systemu aktywnego, magazynującego chłód w okresie dobowym z uwagi na bardzo duże zróżnicowanie w zapotrzebowaniu na chłód. Akumulacja chłodu, odbywająca się w cyklu dobowym, może być realizowana jako pełna, częściowa lub z limitem wydajności. Podczas magazynowania pełnego chłód jest wytwarzany tylko w okresie poza godzinami szczytowymi (agregat chłodniczy pracuje w okresie obowiązywania taryfy nocnej). Podczas magazynowania częściowego, chłód w okresie jego największego zapotrzebowania dostarczany jest zarówno z zasobnika, jak i z agregatu chłodniczego. 4103

4 Rys. 2. Przykładowy rozkład zewnętrznych 1 wewnętrznych zysków ciepła dla miesiąca kwietnia. Magazynowanie z limitem wydajności łączy cechy obu powyższych systemów akumulacji, pozwalając racjonalnie wykorzystać taryfę nocną i obniżając wydajność w okresie obowiązywania taryfy dziennej na energię elektryczną. [4] Przyjmując akumulację częściową moc agregatu Q chill można wyznaczyć w oparciu o harmonogram godzinowego zapotrzebowania na chłód przez budynek wg zależności (1). Q Q chill i t i 0 (1) Wartości Q i reprezentują godzinowe zapotrzebowanie na chłód w kw, natomiast czas t i jest jednostką czasu, dla której określane jest Q i. Zakładając 24 godzinną pracę agregatu chłodniczego i przedział czasu t i = 1h moc agregatu chłodniczego Q chill ostatecznie przyjmuje wartość 15 MW. Objętość zasobnika chłodu zależy głównie od materiału magazynującego chłód oraz rodzaju systemu akumulacji. Najistotniejszy jest jednak sposób magazynowania energii. Energia chłodnicza może być magazynowania w postaci jawnej (SHS) bądź utajonej (LHS). Gęstość magazynowania energii DLHS nie jest stała, lecz zmienia się w zależności od zakładanej temperatury czynnika na wlocie i wylocie z zasobnika chłodu. DLHS uwzględnia zarówno ciepło utajone, jak również ilości ciepła jawnego powstającego z dochłodzenie czy przegrzania materiału akumulacyjnego. SL z st DLHS Q T T (2) Przyjęto system magazynowania SHS. Gęstość magazynowani energii dla wody lodowej o parametrach zasilania i powrotu odpowiednio 7/14 o C oraz wartościach, Q SL = 1,16 kw/km 3, Q DD = 0,53 kw/km 3 przyjmuje wartość DLHS 4200 kwh/m 3. Minimalna wielkość zasobnika w zależności od gęstości magazynowanej energii obliczana jest jako: Q dst V, m 3 (3) DLHS 4104

5 Ilość energii odprowadzanej z cyklu rozładowywania zasobnika Q dst określić można na podstawie histogramów, Rys.2 obrazujących godzinowe zapotrzebowanie na chłód w okresie doby. Jest to różnica sumarycznego zapotrzebowania na chłód w godzinach rozładowywania zasobnika pomniejszona o ilość chłodu wytwarzaną przez agregat chłodniczy w tym okresie. Dla tak przyjętego agregatu ilości chłodu konieczne do zmagazynowania określono na poziomie 123,5 MWh jest to ilość chłodu niezbędna w miesiącu sierpniu. Zatem niezbędna objętość czynna zasobnika wody lodowej wyniesie 30 m GRANICA CHŁODZENIA PASYWNEGO Obliczenie mocy chillera dokonano przy pomocy interpolacji harmonogramu zysków ciepła. Moc chillera to graniczna ilość chłodu, powyżej której zasobnik chłodu jest rozładowywany, a poniżej następuje jego ładowanie chłodem. Moc chillera dla miesiąca kwietnia wynosi Q chill kwiecień = kw, natomiast dla sierpnia Q chill sierpień = kw. W oparciu o dane wyniki, można powiązać moc chillera z temperaturą zewnętrzną T z. Dla kwietnia T z =19,5ºC, natomiast dla sierpnia T z =30ºC. Są to temperatury, pomiędzy którymi chłodzenie może występować tylko w systemie aktywnym, natomiast w pozostałym okresie w systemie pasywnym lub nie będzie występować konieczność chłodzenia okres przejściowy. Bazując na metodzie oszacowania zapotrzebowania na chłód na podstawie parametrów powietrza zewnętrzego oraz wewnętrzego określono wielkości chłodu całkowitego, pokrywającego zapotrzebowanie na chłód dla budynku w okresie całego roku, który wynosi ΣQ sez = 484,4 MWh, z tego ilość chłodu, którą można pozyskać pasywnie, tj. w chwilach kiedy temperatury są mniejsze od działania systemy aktywnego poniżej 26,2 o C, a jednak potrzeba chłodzenia budynku występuje z uwagi na duże wewnętrzne zyski ciepła wynosi Q sezpass =324,5 MWh. Dane te uzyskano na podstawie zależności (4) oraz posługując się danymi meteo dla stacji Rzeszów-Jasionka. gdzie: Q S CH- ilość odzyskanego chłodu w ciągu sezonu [kwh] V w - ilość powietrza wentylacyjnego [m 3 /h] ρ- gęstość powietrza [kg/m 3 ] h e - entalpia powietrza zewnętrznego [kj/kg] h i - entalpia powietrza wewnętrznego [kj/kg] z- częstość występowania entalpii powietrza zewnętrznego [h] η- sprawność wymiennika do odzysku chłodu chłodu [%] (4) Do obliczeń założono, że sprawność odzysku chłodu na wymienniku wynosi 50%, natomiast strumień powierza wentylacyjnego kształtuje się na poziomie m 3 /h. Wartości poszczególnych entalpi powietrza określone na podstawie danych dla stacji meteo Rzeszów Jasionka przedstawiono w Tab. 2. T cool jest to temperatura zinterpolowana z danych stacji meto Rzeszów-Jasionka po zaokrągleniu wartości entalpii powietrza zewnętrznego do liczb całkowitych. Umożliwia to określenie temperatury, dla której chłodzenie budynku nie jest wymagane. Wynika z tego, że przy temperaturze zewnętrznej na poziomie 18,1 o C, entalpia zewnętrzna zrównuję się z entalpią powietrza wewnątrz pomieszczenia i chłodzenie w takiej sytuacji jest niepotrzebne. Do obliczeń ilości chłodu możliwego do pozyskania w systemie pasywnym założono temperaturę wody lodowej na poziomie 7/14 C, temperaturę gruntu T g =8 C. Założono, że wodę lodową możemy schłodzić pasywnie do temperatury T wz, tj.: T wz = T g + T [ C] (5) 4105

6 Gdzie T różnica temperatur pomiędzy gruntem, a temperaturą zasilania wody chłodzącej przyjęta na poziomie 4 C. Tab. 2 Entalpie powietrza oraz częstotliwość ich występowania dla stacji meteo Rzeszów-Jasionka T cool [⁰C] h e [kj/kg] z [h] h i [kj/kg] (h e -h i )*z 28, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Na rysunku 3 przedstawiono wykres obrazujący możliwości działania systemu aktywnego i pasywnego w zależności od temperatury. Temperatury, przy których zapotrzebowanie na chłód znajduje się pod linią poziomą, są to temperatury przy których można stosować chłodzenie pasywne, tj. poniżej 26,2 o C. Przy pozostałych temperaturach można stosować jedynie chłodzenie aktywne, aby utrzymać zakładaną temperaturę w obiekcie. WNIOSKI Na podstawie obliczeń, można wywnioskować, iż należy schładzać budynek powyżej temperatury T cool równej 18,1ºC. Chłodzić pasywnie możemy do temperatury 26,2ºC, natomiast powyżej tej temperatury chłodzenie pasywne jest nieefektywne i budynek należy chłodzić aktywnie. Przy natural coolingu można zaoszczędzić ok. 70% energii elekrycznej niezbędnej do napędu sprężarki chłodniczej, a tylko 30% rocznego zapotrzebowania na chłód produkowane jest w systemie aktywnego wykorzystania układu chłodniczego. Z powyższego wynika, iż moduł pasywny i aktywny jest bardzo korzystny i pozwala znacznie zmniejszyć koszty eksploatacyjne. 4106

7 Kolejnym powodem, dla którego warto zainwestować w instalację z chłodzeniem pasywnym jest to, iż podczas produkcji chłodu, sprężarka jest pasywna, a więc można ją wykorzystać do równoległego przygotowania ciepłej wody użytkowej. W sezonie grzewczym natomiast pompa ciepła może służyć jako źródło ogrzewania dla budynku. Rys. 3. Granica stosowania chłodzenia aktywnego i pasywnego w zależności od temperatury zewnętrznej. Pompa ciepła z modułem pasywnym jest bardzo korzystnym rozwiązaniem nie tylko ze względu na możliwość zaoszczędzenia pieniędzy wydawanych na opłaty eksploatacyjne, ale także ze względów ekologicznych. Jest przyjazna dla środowiska naturalnego i tylko w nieznacznym stopniu bo przez 30% czasu trwania sezonu chłodniczego, korzysta z energii elektrycznej pozyskiwanej w Polsce przede wszystkim z węgla. Jednak przed zainwestowaniem w takie rozwiązanie, należy dokładnie rozważyć możliwość takiej inwestycji. Ze względu na typ wymiennika gruntowego, należy się upewnić czy możliwe jest dokonanie odwiertów w planowanym miejscu. Instalacja pompy ciepła z modułem chłodzenia pasywnego, jest kosztownym przedsięwzięciem inwestycyjnym i logistycznym, dlatego też aby była w pełni opłacalna, należy stosować ją do dużych budynków o wysokim obciążeniu cieplnym. Streszczenie Pompy ciepła już od kilkunastu lat są znane jako alternatywne źródło pozyskiwania energii cieplnej. Wykorzystywane są przede wszystkim do centralnego ogrzewania, oraz do produkcji ciepłej wody użytkowej. Obok kolektorów słonecznych, są najtańszym i najkorzystniejszym sposobem zaoszczędzenia energii. Nie każdy jednak wie, iż pompy ciepła można wykorzystać także do chłodzenia.[1,5-7] Ciepło nie może samorzutnie przepływać z ciała zimniejszego do cieplejszego. Płynie zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej(druga zasada termodynamiki). Pompa ciepła odciąga z chłodniejszego otoczenia ciepło, które może być wykorzystane do centralnego ogrzewania lub do instalacji ciepłej wody.[2,3] Dzięki tej wiedzy korzystając z zaworu trój- lub czterodrożnego możemy naprzemiennie korzystać z produkcji ciepła a także i chłodu. Jest wiele rodzajów chłodzenia pompami. Zależy to przede wszystkim od rodzaju pompy, a właściwie rodzaju dolnego źródła, które możemy wykorzystać w dwojaki sposób: jako powierzchnie odbierającą ciepło lub jako źródło chłodu do zużytkowania. Znając ogólną zasadę działania pompy, możemy wprowadzać nowatorskie technologie, które pozwalają w większym stopniu zredukować koszty eksploatacyjne urządzeń. Dzięki oszczędnemu korzystaniu z prądu możemy przyczynić się do ochrony środowiska. Słowa kluczowe: chłodzenie pasywne, pompa ciepła, źródło ciepła 4107

8 Passive cooling system in heat pump with vertical ground collector Abstract Heat pumps from more than ten years are known as an alternative source of thermal energy. They are primarily used for central heating and domestic hot water preparation. Next to the solar collectors thay are the cheapest and the easest way to save energy. But heat pump can also be used for cooling. [1,5-7] Heat can spontaneously flow from a colder to a hotter body. Flows from a body with a higher temperature to body with lower temperature is common known as the second law of thermodynamics. The heat pump pulled out of cooler ambient heat which may be used for central heating or for domestic hot water. [2,3] There are many types of cooling pumps. This depends mainly on the type of pump, and actually kind of heat source that can be used in two ways: as a heat receiving surfaces - or as a source of cooling for utilization. Knowing the general principle of operation of the pump, we can introduce innovative technologies that allow more devices to reduce operating costs. Thanks to the economical use of electricity, we can contribute to protecting the environment. Keywords: passive cooling, heat pump, heat source BIBLIOGRAFIA 1. Baruch G., Passive Low Energy Cooling of Buildings, Wiley, Hans-Jurgen U., Technika chłodnicza. Poradnik. IPPU Masta, Oszczak W., Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Rabczak S., Metody akumulacji chłodu w instalacjach klimatyzacyjnych, Forum Wentylacji, Warszawa, Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik. Ośrodek Informacji Technika Instalacyjna w Budownictwie, Warszawa Santamouris M., Asimakopoulos D., Passive Cooling of Buildings, Earthscan, Santamouris M., Advances in Passive Cooling, Earthscan,