Pompy ciepła

Transkrypt

1 Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego prof. dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski Wykład 6: Pompy ciepła

2 Pompy ciepła / chłodziarki Obieg termodynamiczny lewobieżny Pompa ciepła odwracalnie chłodziarka - klimatyzatory TYPY POMP CIEPŁA : Powietrzne pompy ciepła. Gruntowe pompy ciepła Wodne pompy ciepła ( patent PL ) 2

3 Zalety i wady (zasobników) dolnego źródła ciepła wody, powietrza i gruntu Rys.3. Temperatury źródeł ciepła w ciągu roku zgodnie z VDI 2067 ( Ekonomiczna efektywność instalacji budowlanych wymagania energetyczne dotyczące budynków ogrzewanych i klimatyzowanych [7] 3

4 Pompy ciepła / chłodziarki Rys. 1 Obieg przegrzany z dochłodzeniem w układzie T-s 4

5 Powietrzne pompy ciepła 5

6 Powietrzne pompy ciepła 6

7 Powietrzne pompy ciepła 7

8 Powietrzne pompy ciepła 8

9 9

10 Gruntowe pompy ciepła 10

11 Gruntowe pompy ciepła 11

12 Wodna lodowa pompa ciepła - patent PL Rys.6.Schemat nowego rozwiązanie zasilania dolnego wymiennika ciepła wodnej pompy ciepła. 1 wymiennik ciepła nr 1 (dochładzacz), 2 wymiennik ciepła nr 2 (parowacz), 3 - układ przełączania pracy wymienników, 4 zbiornik z wodą, 5 zawór czterodrogowy, 6 sprężarka, 7 skraplacz omywany powietrzem, 12 8 filtr odwadniacz, 9 przepływomierz,

13 Ciepło z wody Źródło ciepła Temperatur [ o C] Wody gruntowe 4 10 Jeziora 0 10 Rzeki 0 10 Morza 3 8 ( 25 50m) Wody odpadowe (ścieki, wody chłodzące) Ciepło przejścia fazowego wody > kj/kg 13

14 Rysunek Średnia roczna emisja CO 2 w zależności od systemu ogrzewania i zapotrzebowania na ciepło 14

15 W celu określenia wymiernych korzyści związanych z zastosowaniem nowej wodnej pompy ciepła dla celu ogrzewania budynków, wyznaczono średnią roczną emisję dwutlenku węgla wynikająca z pracy takiego systemu dla domku jednorodzinnego. Obliczenia zostały przeprowadzone przy założeniu, że na 1kWh wyprodukowanej w Polsce energii elektrycznej emitowane jest to atmosfery 0,963 kg CO 2 []. Dodatkowo wyznaczono emisję dwutlenku węgla w wybranych systemach grzewczych, opartych na paliwach kopalnych (powszechnie stosowanych w naszym kraju) i następnie porównano je z emisją CO 2 w systemie wyposażonym w pompę ciepła, graficznie zostało przedstawione na rysunku 4. Dodatkowo przeanalizowano cztery warianty zapotrzebowania na ciepło w budynku o powierzchni użytkowej 120m 2. Wartości wielkość obciążenia cieplnego przyjęto na podstawie literatury [] i tak: - - zapotrzebowanie na ciepło na poziomie kwh/rok (odpowiada 160kWh/m 2 rok powszechny typ budownictwa w Polsce), - - zapotrzebowanie na ciepło na poziomie kwh/rok (odpowiada 125kWh/m 2 rok powszechny typ budownictwa w Europie), 15

16 - - zapotrzebowanie na ciepło na poziomie kwh/rok (odpowiada 75 kwh/m 2 rok domy energooszczędne), - zapotrzebowanie na ciepło na poziomie kwh/rok (odpowiada 15kWh/m 2 rok domy pasywne). Przykładowo, przy założeniu, że w tysiącu polskich domów jednorodzinnych (o powierzchni 120m 2 i rocznym zapotrzebowaniu na ciepło kwh/rok/dom) konwencjonalny system grzewczy oparty na kotle opalanym olejem zastąpiono nową wodną pompą ciepłą o stałym wskaźniku efektywności energetycznej COP =3.5, uzyskano by ograniczenie emisji CO 2 na poziomie 2085 ton w skali roku. W warunkach polski porównując emisję CO 2 przez pompę ciepła o wskaźniku efektywności energetycznej 3.5 z emisją systemu grzewczego opartego na gazie ziemnym okazuje się, że mniejsza wartość emisji jest w przypadku drugiego systemu. Jednak, gdy wartość wskaźnika efektywność energetycznej pompy ciepła będzie wynosić 4, widoczne są korzyści płynące z zastosowania PC w porównaniu do systemu grzewczego opartego na gazie. Przyjmując ponownie założenie, że tysiącu polskich domów jednorodzinnych (o powierzchni 120m 2 i rocznym zapotrzebowaniu na ciepło kwh/rok/dom) konwencjonalny system grzewczy oparty w tym przypadku na kotle opalanym gazem ziemnym zastąpiono nową wodną pompą ciepłą o stałym wskaźniku efektywności energetycznej COP =4, uzyskano by ograniczenie emisji CO 2 na poziomie 400 ton w skali roku. 16

17 Emisja dwutlenku węgla w przypadku pompy ciepła zależy przede wszystkim od efektywności wytwarzania energii elektrycznej oraz od efektywności energetycznej samego urządzenia. Stąd w kolejnych latach należy spodziewać się dalszych pozytywnych efektów związanych z wprowadzaniem i stawaniem pomp ciepła, przede wszystkim ze względu na poprawiającą się w naszym kraju efektywności wytwarzania energii elektrycznej oraz na coraz większy udział odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym. Według ocen technicznych możliwości produkcji energii odnawialnej w Polsce sięgają 1750 PJ [13], tj. 46% obecnego zużycia nośników energii pierwotnej. Obecnie wartość ta stanowi jedynie ok. 5%.. [1] Dane według Instytutu Energetyki Odnawialnej (EC BREC IEO); 1 PJ=1015 J 17

18 Możliwości nowego rozwiązanie wodnej pompy ciepła Rys przydomowy basen kąpielowy, oczko wodne lub staw, 2 wymienniki ciepła pracujące na przemian jako parowacz i dochładzacz, 3 zawór czterodrogowy, 4 zawór rewersyjny, 5 sprężarka, 6-wymiennik ciepła (skraplacz), 7-wentylator nawiewny (air handler), 8-warstwa lodu utworzona na zbiorniku wodny w okresie zimowym (dotyczy rys górnego) Nowe rozwiązania zasilania dolnego źródła ciepła wodnej pompy ciepła posiada możliwość pracy rewersyjnej. Latem chłodzi obiekt zrzucając ciepło do pobliskiego zbiornika wodnego np. basenu (nie ma konieczności zewnętrznego podgrzewania wody w basenie), zima natomiast pobiera ciepło przejścia fazowego wody i oddaje ja w obiekcie ogrzewając go. Wszystko to dzieje się przy bardzo wysokim COP 18

19 Zalety nowego rozwiązania wodnej pompy ciepła Możliwość pracy w okresie zimowym przy bardzo niskich temperaturach otoczenia (powietrza) co daje przewagę nad powietrznymi pompami ciepła Bardzo wysoki współczynnik efektywności grzewczej COP w porównaniu z innymi rozwiązaniami pomp ciepła Możliwość rewersyjnej pracy urządzenia, zimą ogrzewa, latem chłodzi Urządzenie można zainstalować w przydomowym stawie, jeziorze, również w basenie Ukazano instalację wodnej pompy ciepła wykorzystującą ciepła krzepnięcia wody do zasilania parowacza Omówiono różnicę temperatur w wymiennikach ciepła Zróżnicowanie ilości ciepła w zależności od rodzaju pompy ciepła Nietypowe zastosowania pomp ciepła (ścieki, itp.) 19

20 Przykład obliczeniowy pompy ciepła: parametry obiegu: Dt tzr ; t o ;t k ; Q g ; N t ; COP pc 20