OGRZEWNICTWO I CIEPŁOWNICTWO 2 -WYKŁADdr

Transkrypt

1 OGRZEWNICTWO I CIEPŁOWNICTWO 2 -WYKŁADdr inż. Natalia Fidorów-Kaprawy dr inż. Grzegorz Bartnicki WARUNKI ZALICZENIA Egzamin w sesji Po jednym pytaniu od każdego prowadzącego Warunkiem zaliczenia jest uzyskanie 2 ocen pozytywnych HARMONOGRAM WYKŁADU 1

2 ZAGADNIENIA (CZĘŚĆ 1) OGRZEWNICTWO I CIEPŁOWNICTWO 2 - WYKŁAD 1 Pompy ciepła w roli źródeł ciepła wytwarzających czynnik grzewczy o niskiej temperaturze. Klasyfikacja, budowa, charakterystyka elementów składowych, zasada działania, zasady doboru. 2 Parametry charakteryzujące odnawialne źródła ciepła będące dolnymi źródłami dla pomp ciepła. Specyfika projektowania instalacji dolnych źródeł ciepła. 3 Projektowanie instalacji pobierających ciepło ze źródeł odnawialnych na potrzeby instalacji wytwarzających czynnik grzewczy o niskiej temperaturze; aspekty prawne i eksploatacyjne. 4 Schematy hydrauliczne instalacji źródeł ciepła z pompami ciepła. Biwalentne źródła ciepła, współpraca między wytwornicami ciepła. Przygotowanie ciepłej wody użytkowej w źródle wytwarzającym czynnik grzewczy o niskiej temperaturze. Dobór zasobników. Zasady doboru podstawowych elementów układu hydraulicznego. 5 Chłodzenie budynków przy zastosowaniu pomp ciepła. Całoroczne analizy pracy niskoparametrowych instalacji grzewczych, współpraca z instalacjami centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Analiza pracy biwalentnych źródeł ciepła. 6 Przepisy dotyczące certyfikatu instalatora miktoinstalacji OZE. Wytyczne montażu pomp ciepła w zakresie projektowym. LITERATURA Pompy ciepła. Poradnik; Marian Rubik; Technika Instalacyjna w Budownictwie; 2006 Wytyczne projektowania wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła; Port PC; Kraków 2013 Oszczak Wojciech, Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2011 Podręcznik architekta, projektanta, instalatora: Pompy ciepła; Viessmann 2013 STIEBEL ELTRON, Wytyczne do projektowania i wykonania systemów z pompami ciepła, Wydanie 07/2010 Dimplex, Podręcznik planowania i instalacji, grzewcze pompy ciepła i pompy ciepła do ciepłej wody, Wydanie 01/2012 2

3 ŹRÓDŁA CIEPŁA WYTWARZAJĄCE CZYNNIK GRZEWCZY O NISKIEJ TEMPERATURZE. KLASYFIKACJA, ZASADA DZIAŁANIA, BUDOWA, CHARAKTERYSTYKI, DOBÓR dr inż. Natalia Fidorów-Kaprawy DEFINICJA POMP CIEPŁA odparowanie izobaryczne sprężanie izentropowe skraplanie izobaryczne dławienie izentalpowe Pompa ciepła jest maszyną cieplną wymuszającą przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze (dolne źródło) do obszaru o temperaturze wyższej (górne źródło). Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i może zachodzić tylko dzięki dostarczonej z zewnątrz energii elektrycznej (pompy ciepła sprężarkowe) lub energii cieplnej (pompy ciepła absorpcyjne). 3

4 PODZIAŁ POMP CIEPŁA Pompy ciepła Sprężarkowe Absorpcyjne Sprężarkowe pompy ciepła można podzielić ze względu na rodzaje dolnych i górnych źródeł: woda/woda powietrze/woda solanka/woda powietrze/powietrze itd. DOLNE ŹRÓDŁO Grunt => solanka Woda Powietrze Powietrze wentylacyjne Ciepło odpadowe Temperatura Dostępność Wilgotność Stałość parametrów / szybkość regeneracji Układy pośrednie Układy bezpośrednie RODZAJ ŹRODŁA pierwotny nośnik energii PARAMETRY ŹRODŁA TECHNOLOGIA ŹRODŁA 4

5 GÓRNE ŹRÓDŁO Instalacje ogrzewania: płaszczyznowe, grzejnikowe Ciepła woda użytkowa Powietrze wentylacyjne Inne systemy grzewcze Temperatura zasilania Równomierność odbioru ciepła Zmienność mocy odbieranej Odporność systemu na przerwy w zasilaniu RODZAJ INSTALACJI odbiornik energii PARAMETRY ŹRODŁA ZASADA DZIAŁANIA POMPY CIEPŁA 5

6 RODZAJE OBIEGÓW TEORETYCZNY OBIEG POMPY CIEPŁA (odwrócony obieg Carnota) (1-2) sprężanie izentropowe, (2-4) skraplanie izobaryczne, (4-5) dławienie izentalpowe, (5-1) odparowanie izobaryczne. RZECZYWISTY OBIEG POMPY CIEPŁA (obieg Lindego) (1-2) sprężanie politropowe, (2-4) oddawanie ciepła przy spadku ciśnienia, (4-5) dławienie z pobraniem ciepła i (5-1) pobór ciepła przy spadku ciśnienia. ELEMENTY SKŁADOWE POMP CIEPŁA SPRĘŻARKA zasysa parę czynnika roboczego i spręża ją do ciśnienia, przy którym temperatura nasycenia umożliwia użyteczne wykorzystanie ciepła W pompach ciepła stosuje się sprężarki wyporowe i przepływowe (turbosprężarki) Sprężarki wyporowe można podzielić na tłokowe i rotacyjne (łopatkowe, z tłokiem wirującym [Wankla], śrubowe i spiralne) 6

7 ELEMENTY SKŁADOWE POMP CIEPŁA 1) kanał ssania 2) mimośrodowy wirnik 3) ruchome łopatki 4) kanał tłoczenia 1) komora ssania sprężarki 2) komora robocza 3) obszar tłoczenia 4) tłok SPRĘŻARKI ROTACYJNE Wyeliminowanie układu korbowego Zwarta budowa Mniejszy hałas Sprężarka jednołopatkowa Brak zaworu ssawnego Zamiast zaworu tłocznego jest zawór zwrotny 7

8 SPRĘŻARKI SPIRALNE Procesy zasysania, sprężania i wytłaczania przebiegają jednocześnie (pulsacja ciśnienia i wibracje bardzo małe) Działają wyjątkowo cicho (pompy ciepła wyposażone w takie sprężarki można montować w ogrzewanych pomieszczeniach) Mają 60% mniej elementów ruchomych niż sprężarki tłokowe Małe wymiary (dzięki usunięciu układu do zmiany ruchu obrotowego na posuwisto-zwrotny) Duża odporność na uderzenia hydrauliczne Duża żywotność ( h) WŁAŚCIWOSCI SPRĘŻAREK STOSOWANYCH W POMPACH CIEPŁA Sprężarka tłokowa Sprężarka rotacyjna, śrubowa, spiralna Przepływowa Rodzaj sprężania wyporowe (statyczne) wyporowe Przepływ czynnika pulsacyjny ciągły ciągły Zużycie głównych elementów konstrukcyjnych Wrażliwość na zawilgocenie par czynnika Zmiana wydajności przy wahaniach ciśnienia otoczenia Zdolność do regulacji mocy grzejnej przy stałej prędkości obrotowej silnika dynamiczne znaczne niewielkie niewielkie duża brak mała stała stała duża regulacja skokowa (ograniczona) regulacja bezstopniowa (ciągła) regulacja bezstopniowa (ograniczona) 8

9 SPRĘŻARKI INWERTEROWE INWERTER przetwornik częstotliwości Sprężarki inwerterowe charakteryzują się możliwością płynnej zmiany wydajności pracy. Za pomocą zmiany częstotliwości prądu ( Hz AC) można regulować prędkość obrotową wirnika. 60 (1 ) = Gdzie: n prędkość wirnika sprężarki f częstotliwość sprężarki s poślizg silnika (inwerterowe DC s = 0,0; inwerterowe AC s = 0,2), p ilość par biegunów. Zalety sprężarek inwerterowych DC: precyzyjna regulacja temperatury wody na wyjściu (do 0,5 K), szybsze chłodzenie i grzanie (okresowe zwiększenie mocy), niższe koszty eksploatacji (dopasowanie mocy PC do potrzeb), niższy poziom głośności (o 5 10 db) niż przy sprężarce On/Off, dłuższy czas życia sprężarki (o 5 8 lat) niż przy sprężarce On/Off, niski prąd rozruchowy. ELEMENTY SKŁADOWE POMP CIEPŁA ZAWÓR ROZPRĘŻNY obniża ciśnienie ciekłego czynnika roboczego dopływającego do parownika i reguluje strumień masy czynnika W pompach ciepła stosuje się: Rurki kapilarne (rzadko) Termostatyczne zawory rozprężne Elektroniczne zawory rozprężne RURKA KAPILARNA najprostsze urządzenie rozprężające, zwykle miedziana o średnicy 0,4 do 2,0 mm i długości 1,5 5,0 m Stosowane w pompach ciepła małych mocy W rewersyjnych pompach ciepła stosuje się układ dwóch kapilar z obejściem z zaworem zwrotnym (straty ciśnienia w funkcji grzania powinny być większe) Rurka kapilarna wymaga zastosowania dodatkowego zbiornika ciekłego czynnika chłodniczego 9

10 TERMOSTATYCZNY ZAWÓR ROZPRĘŻNY TZR z wewnętrznym wyrównaniem ciśnienia. 1 membrana, 2 komora mieszka, 3 trzpień, 4 dysza, 5 iglica, 6 sprężyna, 7 element regulujący naciąg sprężyny, 8 czujnik temperatury, 9 komora wysokiego ciśnienia, 10 komora niskiego ciśnienia, 11 rurka kapilarna Zasada działania Czujnik termometryczny montowany jest za parowaczem. Na dolną stronę przepony działa ciśnienie przed parownikiem (wewnętrzne wyrównanie ciśnień). Sygnałem sterującym jest stopień przegrzania pary za parownikiem. Wymaga zastosowania elektromagnetycznego zaworu odcinającego, aby przy wyłączonej sprężarce nie doszło do wyrównania ciśnień. Wady Niedostateczne wykorzystanie części parowacza, w której zachodzi przegrzanie. Jego działanie nie może być zoptymalizowane w warunkach zmiennego obciążenia pompy ciepła. ELEKTRONICZNY ZAWÓR ROZPRĘŻNY Reguluje stopień przegrzania pary uniezależniając go od warunków obciążenia pompy ciepła. Zalety Utrzymuje stałą, niewielką różnicę temperatur przed i za parownikiem. Pozwala na optymalne wykorzystanie powierzchni wymiany ciepła parownika. Nawet przy małych obciążeniach cieplnych praca zaworu jest stabilna. Strumień masy czynnika niezależny od ciśnienia skraplania. Umożliwia zdalne sterowanie i kontrolę pracy pompy ciepła. 10

11 PAROWNIK służy do pozyskania ciepła ze źródła niskotemperaturowego Parownik pracuje prawidłowo gdy wewnątrz następuje wrzenie pęcherzykowe z możliwością niezakłóconego odpływu pary Bardzo istotna jest czystość wymiennika po obu stronach (niezaolejonego od wewnątrz i bez osadów i korozji na zewnątrz) KRYTERIA KLASYFIKACJI Rodzaj nośnika ciepła: gaz lub ciecz Rodzaj konstrukcji: rurowe, płaszczowo rurowe, płytowe lub spiralne PAROWNIKI Do powietrza stosuje się wymienniki rurowe ożebrowane, pozostałe typy wymienników stosuje się do cieczy Źródło: mgr inż. Rafał Andrzejczyk, Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Wpływ optymalnego zasilania parownika na współczynnik COP urządzenia chłodniczego ELEMENTY SKŁADOWE POMP CIEPŁA SKARPLACZ przekazuje ciepło nośnikowi ciepła (woda grzewcza) KRYTERIA KLASYFIKACJI Rodzaj nośnika ciepła: woda, powietrze Rozwiązanie konstrukcyjne: płaszczoworurowe, przeciwprądowe rura w rurze lub wiązkowe, wężownicowe spiralne lub płytowe Do ogrzania powietrza stosuje się wymienniki rurowe ożebrowane, do podgrzania cieczy obecnie najczęściej stosuje się wymienniki płytowe skręcano-lutowane 11

12 ELEMENTY SKŁADOWE POMP CIEPŁA Presostaty i termostaty Wyłącznik minimalny zabezpiecza przed zbyt niskim ciśnieniem spowodowanym ubytkiem czynnika lub zbyt małym przepływem czynnika roboczego w parowaczu Wyłącznik maksymalny zabezpiecza przed zbyt wysokim ciśnieniem w instalacji (za wysoka temperatura zasilania, zbyt mały przepływ po stronie odbioru) Termostaty zabezpieczają przed zbyt wysoką lub zbyt niską temperaturą, np. zapobiegają zamarznięciu nośnika w dolnym źródle ciepła ELEMENTY WYPOSAŻENIA I ARMATURA Urządzenia pomocnicze i zabezpieczające Filtry-odwilżacze odseparowują od czynnika roboczego zanieczyszczenia stałe, wodę i kwasy (zapobiegają korozji i ścieraniu elementów ruchomych) Wzierniki szklane służą do kontroli stanu czynnika chłodniczego (często posiadają barwne wskaźniki) Odolejacze freonów służą do usuwania oleju z pary czynnika chłodniczego Zawory bezpieczeństwa Zawory odcinające ręczne i elektromagnetyczne Zawory zwrotne Zbiorniki ciekłego czynnika niezbędne przy skraplaczach płytowych oraz chłodzonych powietrzem Urządzenia regulacyjne i sterownicze Urządzenia do tłumienia wibracji i hałasu Oleje estrowe w obecności nowej generacji czynników chłodniczych i wody ulegają hydrolizie na alkohole i kwasy Olej ze sprężarki może zanieczyścić wymienniki ciepła zmniejszając tym samym współczynnik przenikania ciepła ścianki wymiennika i jego wydajność 12

13 OLEJ SMARNY W SPRĘŻARCE Wewnątrz sprężarki olej styka się bezpośrednio z czynnikiem ziębniczym Olej zasysany jest do cylindra sprężarki Udział oleju w ziębniku szacuje się na około 10% Zadania oleju Zapewnienie smarowania Odprowadzenie ciepła tarcia Chłodzenie silnika sprężarki Wady tworzenia roztworu oleju i ziębnika Zmniejsza się lepkość oleju Zwiększa się przenikanie czynnika przez nieszczelności Powoduje konieczność obniżenia ciśnienia parowania Zalety tworzenia roztworu Ułatwia powrót oleju do sprężarki WYMAGANIA WOBEC OLEJU Czystość, dobra smarność, lepkość i płynność w wysokich i niskich temperaturach. Wysoka stabilność termiczna i chemiczna w całym zakresie parametrów pracy urządzenia (niskie temperatury krzepnięcia i mętnienia, wysokie temperatury zapłonu i rozkładu). Brak negatywnego oddziaływania na materiały konstrukcyjne urządzenia i czynniki chłodnicze. Dobra mieszalność z czynnikami chłodniczymi. Niska higroskopijność. Istnieją obszary temperatury, w których rozwarstwia się roztwór oleju i czynnika ziębniczego Nowe czynniki ziębnicze nie tworzą roztworów z olejami mineralnymi 13

14 ZAPOBIEGANIE PROBLEMOM Możliwe problemy: Jeśli podczas rozruchu sprężarki znajduje się w niej olej ze skroplonym czynnikiem, czynnik gwałtownie odparowuje, a olej się pieni Przy wysokich temperaturach olej może ulec rozkładowi tworząc substancje lotne, które zmniejszają smarność Olej w połączeniu z wodą zawartą w czynniku ziębniczym może tworzyć kwasy, powodujące korozję elementów układu chłodniczego Zapobieganie usterkom: Zastosowanie grzałek karteru sprężarki Właściwe prowadzenie rurociągów zapobiegające spływaniu oleju z czynnikiem do sprężarki w czasie postoju Dążenie do jak najmniejszego porywania oleju ze sprężarki W dużych instalacjach wymagany jest odolejacz na wyjściu ze sprężarki CZYNNIKI ZIĘBNICZE W POMPACH CIEPŁA Czynnik ziębniczy (roboczy) pośredniczy w przekazywaniu ciepła ze źródła o niskiej temperaturze do odbiornika o wysokiej temperaturze realizując obieg termodynamiczny PORZĄDANE CECHY: Stabilność chemiczna w zakresie temperatur i ciśnień roboczych oraz obojętność chemiczna dla wszystkich elementów urządzenia Niepalność, nietoksyczność i niewybuchowość Korzystny przebieg krzywych nasycenia i możliwie niskie ciśnienie skraplania Duża objętościowa wydajność grzania Brak negatywnego wpływu na środowisko Naturalne Syntetyczne Woda, powietrze, amoniak, dwutlenek węgla, węglowodory (propan, izobutan, cyklopropan, i.in.) Chlorofluorowęglowodory, wodorochlorofluorowęglowodory, wodorobromofluoroweglowodory, hydrofluorowęglowodory, węglowodory nasycone 14

15 ZASTOSOWANIE CZYNNIKÓW ZIĘBNICZYCH W pompach ciepła najczęściej stosowane są czynniki zeotropowe R134a, R407c i R410a CZYNNIKI ZEOTROPOWE, POŚLIZG TEMPERATUROWY Poślizg temperaturowy ( t g temperature glide) jest cechą charakterystyczną roztworów zeotropowych (dwu- lub więcej składnikowych) i jest różnicą między temperaturą pary nasyconej a temperaturą wrzenia. Oznacza to, że w przypadku tych czynników podczas izobarycznego wrzenia i skraplania zmienia się temperatura. R 410 A ,6 0,2 15

16 WPŁYW CZYNNIKÓW ZIĘBNICZYCH NA ŚRODOWISKO ODP (Ozon Depletion Potential) potencjał niszczenia ozonu odniesiony do właściwości czynnika R11 GWP (Global Warming Potential) potencjał globalnego ocieplenia odniesiony do dwutlenku węgla SYSTEMY ZABEZPIECZEŃ POMP CIEPŁA Zabezpieczenia wewnątrz pompy ciepła Presostaty, termostaty, zawory bezpieczeństwa Zabezpieczenie elektryczne Zabezpieczenie różnicowo-prądowe 100mA Wyłącznik nadprądowy - charakterystyka C lub np. zabezpieczenie prądowe C 25A Zabezpieczenia górnego źródła: c.o. (PN-B-02414:1999 Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wbiorczymi przeponowymi) c.w.u. (PN-76/B Zabezpieczenie urządzeń ciepłej wody użytkowej) Zabezpieczenie dolnego źródła Zgodnie z wytycznymi producentów pomp ciepła 16

17 COP = Q GRZ / Q EL Q EL = Q GRZ / COP Q CH = Q GRZ Q EL = Q GRZ ( 1 1 /COP) TRYBY PRACY POMP CIEPŁA Urządzenie grzewcze energia elektryczna Q EL DOLNE ŹRÓDŁO energia chłodnicza Q CH temperatura dolnego źródła T DZ P A R O W N I K sprężarka czynnik roboczy zawór rozprężny S K R A P L A C Z energia grzewcza Q GRZ temperatura górnego źródła T GZ GÓRNE ŹRÓDŁO T DZ < T GZ EER = Q CH / Q EL COP=Q GRZ / Q EL Q GRZ = Q CH + Q EL COP=(Q CH +Q EL )/Q E = 1+EER TRYBY PRACY POMP CIEPŁA Rewersyjna pompa ciepła energia elektryczna Q EL GÓRNE ŹRÓDŁO energia grzewcza Q GRZ temperatura górnego źródła T GZ S K R A P L A C Z sprężarka czynnik roboczy zawór rozprężny P A R O W N I K energia chłodnicza Q CH temperatura dolnego źródła T DZ DOLNE ŹRÓDŁO T GZ > T DZ 17

18 TRYBY PRACY POMP CIEPŁA Q GRZ = Q CH Chłodzenie pasywne WYMIENNIK CIEPŁA GÓRNE ŹRÓDŁO energia grzewcza Q GRZ temperatura górnego źródła T GZ S K R A P L A C Z sprężarka zawór rozprężny P A R O W N I K energia chłodnicza Q CH temperatura dolnego źródła T DZ DOLNE ŹRÓDŁO T GZ < T DZ COP EER = Q CH / Q EL COP=Q GRZ / Q EL Medium źródła / odbiornika B = Brine (ang. solanka) W = Water (ang. woda) A = Air (ang. powietrze) COP 4,0 (B0/W35) COP 3,0 (A2/W35) Q GRZ = Q CH + Q EL COP=(Q CH +Q EL )/Q EL = 1+EER EER 2,5 (A35/W8) EER 2,8 (A35/W18) COP 3,3 (B0/W50) COP 2,8 (A2/W50) COP = Q GRZ / Q EL Q EL = Q GRZ / COP Q CH = Q GRZ Q EL = Q GRZ ( 1 1 /COP) 18

19 POMPA CIEPŁA POWIETRZE-WODA DOBÓR Podstawowe cechy urządzenia moc pompy ciepła zależy od temp. zewnętrznej i temp. zasilania, COP pompy ciepła zależy od temp. zewnętrznej i temp. zasilania, niekoherentne źródło ciepła, możliwość redukcji mocy do potrzeb zależy od typu i liczby sprężarek, właściwy dobór punku biwalentnego determinuje efekty ekonomiczne, sprężarka nie lubi załączania i wyłączania = > musimy utrzymać odbiór ciepła przez minimalny cykl pracy, Dobór: Q PC Q BUD Q CWU Przerwy w dostawie prądu Straty przesyłowe DANE KATALOGOWE PCP 19

20 DOBÓR POMPY CIEPŁA MOC, kw WPL-Ist WPL-Iist Qpensjonatu Temperatura zewnętrzna WYZNACZENIE OBCIAŻENIA CIEPLNEGO DRUGIEJ WYTWORNICY CIEPŁA MOC, kw Współpraca PC powietrznej z systemem grzewczym (t Z =35 C) WPL-Ist WPL-Iist Qpensjonatu Temperatura zewnętrzna 20

21 WYZNACZENIE OBCIAŻENIA CIEPLNEGO DRUGIEJ WYTWORNICY CIEPŁA moc cieplna, kw Zapotrzebowanie budynku na ciepło i charakterystyka pompy ciepła Q bud pompa ciepła temperatura zewnętrzna, 0 C POMPA CIEPŁA SOLANKA - WODA Podstawowe cechy urządzenia: moc pompy ciepła zależy od temp. solanki i temp. zasilania, COP pompy ciepła zależy od temp. solanki i temp. zasilania, dopasowanie mocy do potrzeb zależy od typu i liczby sprężarek, sprężarka nie lubi załączania i wyłączania; musimy utrzymać odbiór ciepła przez minimalny cykl pracy, nie możemy zamrozić dolnego źródła, nie możemy wychłodzić dolnego źródła. Dobór: Q PC Q BUD Q CWU Przerwy w dostawie prądu max czas pracy 2000h/rok 21

22 DANE KATALOGOWE PCG DOBÓR POMPY CIEPŁA Współpraca PC gruntowej z systemem grzewczym (t z =35 C) MOC, kw WPF Qpensjonatu Temperatura zewnętrzna 22