METODYCZNE ASPEKTY DOBORU DOLNEGO ŹRÓDŁA POMPY CIEPŁA DO OGRZEWANIA TUNELU FOLIOWEGO

Transkrypt

1 InŜynieria Rolnicza 11/2006 Kazimierz Rutkowki, Sławomir Kurpaka, Hubert Latała Katedra InŜynierii Rolniczej i Informatyki Akademia Rolnicza w Krakowie METODYCZNE ASPEKTY DOBORU DOLNEGO ŹRÓDŁA POMPY CIEPŁA DO OGRZEWANIA TUNELU FOLIOWEGO Wtęp Strezczenie W pracy przeprowadzono teoretyczną analizę wydajności pionowego dolnego wymiennika pompy ciepła wykonanego z rur polietylenowych zailającego tunel foliowy. Dotoowano metodykę obliczeń do warunków obiektu badań. Do obliczeń wykorzytano wartości temperatury gruntu na zróŝnicowanych głębokościach. Słowa kluczowe: pompa ciepła, pionowy wymiennik gruntowy, wydajność ciepła Wyokie ceny nośników energetycznych oraz narzucane dyrektywy ekologiczne zmuzają do ięgania po nowe źródła energii. Najczęściej ą to źródła niekonwencjonalne do których dotęp wiąŝe ię z wyokimi koztami inwetycyjnymi. Wyokie nakłady częto odtrazają potencjalnych inwetorów. Łatwiejzy dotęp do funduzy pomocowych w otatnich latach zwiękzył zaintereowanie oób, których profil produkcji wymaga duŝej ilości energii w róŝnorakiej formie. Produkcja ogrodnicza pod ołonami naleŝy do tych działów gdzie udział ciepła w trukturze nakładów tanowi 46 do 75% [Kurpaka, Rutkowki 2002]. W obiektach pod ołonami w zaleŝności od kierunku produkcji moŝna zagopodarować róŝne rodzaje energii jak teŝ one ame mogą tanowić źródło energii. Albowiem ołony tych budowli to dokonała pułapka do zamiany energii promieniowania łonecznego na ciepło. NadwyŜka ciepła w ciągu lata moŝe tanowić między innymi uzupełnienie energii dolnego źródła przy wykorzytaniu pompy ciepła. Najczęściej jako podtawowe źródło do zailania pompy ciepła wykorzytywana jet energia pochodząca z głębzych wartw ziemi. Przy wyborze dolnego źródła ciepła naleŝy brać pod '#,

2 >Tm\`\Xem Ehg^bjf^\þ FÄTjb`\e >hectf^tþ ;huxeg?tgtät uwagę jego cechy jakościowe i ilościowe. Podtawowym warunkiem zaintalowania pompy ciepła ą ilościowe moŝliwości dolnego źródła ciepła, jego temperatura oraz zakre zmienności w czaie. Temperatura dolnego źródła oraz zmienność w czaie mają decydujący wpływ na wpółczynnik efektywności pracy pompy ciepła. Ogólnie moŝna twierdzić, Ŝe im wyŝza jet temperatura dolnego źródła ciepła tym wyŝza jet prawność energetyczna pompy. Niemniej waŝnym czynnikiem ą kozty inwetycyjne i ekploatacyjne planowanego przedięwzięcia. Od wyŝej wymienionych cech zaleŝy ekonomiczna zaadność podjętej decyzji Częto kojarzona gopodarka energetyczna mimo początkowo wyokich koztów inwetycyjnych pozwala na obniŝenie koztów ekploatacyjnych, co zczególnie widoczne jet w obiektach pod ołonami [Ladzińka 2005]. Jak podaje zereg autorów [Czekalki 2000; Skorek 2000; Kurki 1999] nakłady inwetycyjne na zakup pompy oraz wykonanie dolnego źródła ciepła ą kilkukrotnie wyŝze od tradycyjnych intalacji grzewczych zaś kozty wytwarzania energii pochodzącej ze źródeł przetwarzanych przez pompę ciepła ą zdecydowanie najniŝze. Stąd teŝ naleŝy dokonalić technologie produkcji pomp, uprawnić proce wykonywania dolnych źródeł oraz dąŝyć do optymalnego wykorzytania mocy grzewczej zaintalowanych pomp. Wielokierunkowa produkcja ogrodnicza pozwala na likwidację zczytów nadwyŝek energetycznych przy korzytaniu z niekonwencjonalnych źródeł energii. Najczęściej wykorzytywanym dolnym źródłem ciepła jet energia zawarta w gruncie bądź teŝ w zbiornikach wodnych. To rozwiązanie eliminuje zereg problemów ekploatacyjnych. Do wymienionych źródeł ciepła naleŝy zaliczyć: wody powierzchniowe, wody podziemne oraz grunt. Najpowzechniejzym jet wykorzytywanie gruntu, gdzie umiezcza ię poziome bądź teŝ pionowe wymienniki ciepła. NaleŜy mieć na uwadze, Ŝe toowanie pionowych wymienników ciepła eliminuje w znacznie więkzym topniu uzaleŝnienie od dynamiki zmian temperatury na powierzchni gruntu. Równocześnie umiezczanie wymienników na więkzych głębokościach zapewnia ze względu na więkzą wilgotność a niejednokrotnie wytępowanie wód gruntowych mniejze opory przy przekazywaniu ciepła z gruntu do wymiennika. Wśród pionowych wymienników najczęściej potykane ą: typu U, z przepływem przeciwbieŝnym, z przepływem koncentrycznym. Na podtawie licznych prac badawczych [Skorek 2000] moŝna twierdzić, Ŝe warunkiem poprawności działania pompy ciepła (wyoka prawność) jet prawidłowy dobór dolnego źródła ciepła. Przeprowadzenie takiej teoretycznej analizy dla pompy zailającej ytem grzewczy tunelu foliowego będzie głównym celem pracy '$#

3 @XgbWlVmaX TfcX^gl WbUbeh!!! Materiał i metodyka Przedmiotem analizy ą pionowe wymienniki ciepła wykonane z rur polietylenowych tanowiące dolne źródło pompy ciepła zailającej układ grzewczy tunelu foliowego będącego obiektem doświadczalnym na Wydziale AgroinŜynierii Akademii Rolniczej w Krakowie. Schemat rozmiezczenia odwiertów w których umiezczono wymienniki ciepła pokazano na ryunku 1. Ry. 1. Fig. 1. Rozmiezczenie wymienników pionowych w terenie Arrangement of vertical exchanger in the field Dolne źródło pompy ciepła przyjętego obiektu badań mogą tanowić: wymiennik gruntowy pionowy wymiennik gruntowy poziomy, zbiornik wody podgrzewanej przez kolektor łoneczny, zbiornik wody podgrzewany ciepłem pochodzącym z wentylacji tunelu. Przyjęta do badań pompa moŝe być zailana w róŝnorodnej kombinacji z zachowaniem warunków korzytnej wymiany ciepła, albowiem proce wymiany ciepła w wymiennikach gruntowych zaleŝy przede wzytkim od oporów cieplnych między cyrkulującą cieczą a otaczającym gruntem. Uwzględniając opór cieplny materiału rur Rp, opór gruntu R, trumień natęŝenia ciepła przypadający na jednotkę długości wymiennika q/l, oraz róŝnicę temperatur między gruntem o nienaruzonej trukturze T 0 a temperaturą T czynnika obiegowego na wyjściu z wymiennika wzajemne relacje między tymi wielkościami moŝna przedtawić natępującą zaleŝnością: '$$

4 >Tm\`\Xem Ehg^bjf^\þ FÄTjb`\e >hectf^tþ ;huxeg?tgtät T T 0 = R p + R q / L (1) Przy zatoowaniu wymiennika w kztałcie U naleŝy określić zredukowany jednotkowy opór cieplny materiału z którego wykonane jet dolne źródło ciepła. R pe = 1 2Πλ p ln D oe D ( D oe z D gdzie: D oe zatępcza średnica hydrauliczna [m], D z zewnętrzna średnica pojedynczej rury [m], D w średnica wewnętrzna rury [m], λ p wpółczynnik przewodzenia ciepła rury [W/mK]. w ) (2) Uwzględnioną we wzorze zatępczą średnicę hydrauliczna moŝna obliczyć z natępującej zaleŝności. gdzie: n ilość rur D = n (3) oe D z Jednotkowy opór cieplny gruntu dla pojedynczej rury moŝna obliczyć z natępującej zaleŝności: J( x ) R = (4) 2Πλ Wartość funkcji J(x) moŝna odczytać z tabeli [Boe 1995] jako funkcję x która wyraŝona jet wzorem: r x = (5) 2 α t gdzie: r odległość źródła ciepła w [m] dla pojedynczej rury D z, α wpółczynnik dyfuzji cieplnej gruntu [m 2 /h], t zakładany cza pracy wymiennika [h], W zaleŝności od poobu rozmiezczenia pionowych wymienników w terenie naleŝy w obliczeniach oporu cieplnego gruntu uwzględnić wzajemne oddziaływanie rur na iebie. '$%

5 @XgbWlVmaX TfcX^gl WbUbeh!!! W utawieniu trójkątnym pokazanym na ryunku 1 jednotkowy opór cieplny rur moŝna obliczyć według wzoru: J ( xr= Do) + J ( xr= l ) + J ( xr= K ) R1 = (6) 2πλ J ( xr= Do) + J ( xr= l ) + J ( xr= K ) R2 = (7) 2πλ J ( xr= Do) + 2J ( xr= l ) R3 = (8) 2πλ Parametry geometryczne; k i l zaznaczono na ryunku 1. Wartość średniego oporu: 1 R = ( R1 + R2 + R3) (9) 3 Określając długość wymiennika pionowego naleŝy wziąć pod uwagę dodatek uwzględniający przerywany (cykliczny) charakter pracy pompy mający wpływ na wartość oporów gruntu. Najczęściej cykliczność pracy pompy (f h ) przyjmuje ię jako tounek ilości godzin pracy pompy do czau pracy w załoŝonym okreie [Czekalki 2000]. Uwzględniając parametry cieplne gruntu, wpółczynnik efektywności pracy pompy (COP) oraz cykliczność moŝna określić długość dolnego wymiennika ciepła ze wzoru: COP 1 QB COP L = T T ( R + f R ) gdzie: Q B makymalne obciąŝenie cieplne kraplacza pompy w [W] 0 p h (10) Wyniki i dykuja Trzy pionowe wymienniki mają pokrywać część zapotrzebowania ciepła zailającego tunel foliowy o powierzchni 54 m 2. Część łukową ołony tunelu tanowi folia ogrodnicza, zaś ściany zczytowe wykonane ą z poliwęglanu dwuwartwowego o grubości 6mm. Zatępczy wpółczynnik przenikania ciepła dla całości ołony wynoi od 4,1 do 4,8 W/m 2 K. Zapotrzebowanie mocy dla objętego badaniami obiektu uzaleŝnione jet od wymagań termicznych utrzymywanych wewnątrz tunelu. Wtępnie załoŝono, Ŝe w zakreie prowadzonych badań wytarczająca jet moc na poziomie 9 kw. '$&

6 >Tm\`\Xem Ehg^bjf^\þ FÄTjb`\e >hectf^tþ ;huxeg?tgtät Będące przedmiotem badań pionowe wymienniki ciepła wykonano z rur polietylenowych o średnicy 40 mm. Średnica wewnętrzna rury wynoi 34 mm. Wpółczynnik przewodzenia cieplnego rur przyjęto na poziomie (λ p ) 0,4 W/mK, zaś opór cieplny gruntu liczono według załączonych wzorów oraz poługując ię dodatkowo tabelami zamiezczonymi w literaturze [Boe 1995]. Wpółczynnik COP podawany przez producenta wynoi średnio 3,5, zaś moc grzewcza przy temperaturze wlotowej czynnika równej - 4 o C. Śledząc amplitudę zmian gruntu [Rubik 1999]zauwaŜa ię, Ŝe na głębokości 20 m zmiany gruncie w ciągu roku ą bardzo niewielkie, rzędu 0,35 o C. Im płycej tym zmiany ą więkze i tak na głębokości 4,5 m róŝnice temperatur gruntu wynozą 3,5 o C. Do obliczeń porządzono uśredniony (zatępczy) wykre zmian temperatury gruntu w którym uwzględniono dynamikę zmian temperatury gruntu w zakreie głębokości poadowienia dolnych wymienników ciepła tj. 2,5 do 20,0 m. Przebieg zmian temperatury gruntu przedtawiono na ryunku 2. Analizując dynamikę zmian temperatury gruntu na pozczególnych głębokościach w ciągu roku zauwaŝa ię, Ŝe wraz z głębokością umiezczenia wymiennika natępuje przeunięcie w czaie oddziaływania temperatur otoczenia co korzytnie wpływa na bilan ogrzewania tunelu. temperatura gruntu [ o C ] głębokość pomiaru [m] t data 4 15 ty 1 lut 1 mar 1 kwi 1 maj 1 cze 1 lip 1 ie 1 wrz 1 paź 1 li 1 gru 15 gru Ry. 2. Fig. 2. Rozkład temperatur gruntu na róŝnych głębokościach w ciągu roku Soil temperature ditribution for different depth during the year '$'

7 @XgbWlVmaX TfcX^gl WbUbeh!!! Przyjmując do analizy wydajności cieplnej przedtawione wcześniej wyniki oraz dolną wartość temperatury gruntu przy załoŝonym arbitralnie wpółczynniku pracy pompy wynozącym f h =0,7 moŝemy ię podziewać, Ŝe z zaintalowanych trzech wymienników pionowych o łącznej długości rur 114mb zailających pompę ciepła uzykamy moc rzędu 5,7kW w mieiącach marzec, kwiecień do 6,3kW w mieiącu październiku. Przyjęta do analizy wyoka wartość wpółczynnika pracy pompy wynika z warunków geologicznych podłoŝa w którym umiezczono wymienniki ciepła. Piazczyty grunt o wyokim poziomie wód charakteryzuje ię wyokim wpółczynnikiem przewodzenia ciepła przez co czętotliwość pracy pompy moŝe być więkza. Na podtawie obliczeń moŝna twierdzić, Ŝe analizowane pionowe wymienniki ciepła powinny poiadać jednotkową wydajność cieplną na poziomie od 50 do 55W/mb. Wydajność ta uzaleŝniona jet od pory roku oraz warunków geologicznych. Jak wynika z przedtawionych wyników zaintalowane pionowe wymienniki ciepła ą w tanie pokryć 63 do 70% zczytowego załoŝonego zapotrzebowania ciepła ogrzewającego badany tunel ogrodniczy. Pozotałą ilość ciepła naleŝy dotarczyć z poziomych wymienników ciepła bądź teŝ z wody podgrzewanej kolektorem łonecznym. Wnioki 1. Dla załoŝonych pionowych wymienników ciepła o głębokości poadowienia 20,m średnia temperatura gruntu wynoi od 8,8 o C w mieiącach marzec, kwiecień do 10,2 o C w mieiącu październiku. 2. Jednotkowa wydajność cieplna pionowych wymienników ciepła umiezczonych w piazczytym, wilgotnym podłoŝu wynoi od 50. do 55 W/mb rury. Bibliografia Boe J.E., Parker J.D., McQuiton F.G Deign/data manual for cloed-loop Grodnu-coupled heat pump ytem, Oklahoma State Univerity. Czekalki D Pompy ciepła problemy opłacalności. Wieś Jutra nr 18. Gryglazewki L Dolne źródła energii pomp, dobór gruntowych wymienników ciepła, Technika Chłodnicza i Klimatyzacja nr 4. Kurki P Celowość toowania pomp grzejnych w elektrociepłowni gazowej, Gopodarka Paliwami i Energią nr 12. '$(

8 >Tm\`\Xem Ehg^bjf^\þ FÄTjb`\e >hectf^tþ ;huxeg?tgtät Kurpaka. S., Rutkowki K Metodyczne apekty określania zapotrzebowania ciepła w tunelu foliowym, InŜynieria Rolnicza 6(39), Kraków. Ladzińka B Zintegrowany ytem energetyczny dla modelowego obiektu zklarniowej produkcji pomidora w uprawie bezglebowej, Rozprawa doktorka IBMiER Warzawa. Rubik M Pompy ciepła, Ośrodek Informacji Technika intalacyjna w budownictwie, Warzawa. Skorek J., Kruppa R Analiza ekonomiczna zatoowania pompy ciepła w typowym budynku jednorodzinnym, Gopodarka Paliwami i Energią nr 4. Pracę wykonano w ramach realizacji projektu badawczego: 2 P06R METHODICAL ASPECTS OF SELECTING A HEAT PUMP SOURCE FOR HEATING A FOIL TUNNEL Summary The work include theoretical analyi of efficiency of the vertical lower heat pump exchanger made from polyethylene pipe upplying the foil tunnel. The calculation methodology wa adapted to the condition of the teted object. For calculation value of the oil temperature for different depth were ued. Key word: heat pump, vertical ground exchanger, calorific effect '$)