Ogrzewanie lodem efektywne i atrakcyjne cenowo źródło ciepła dla pomp ciepła

Transkrypt

1 TopTechnik Ogrzewanie lodem efektywne i atrakcyjne cenowo źródło ciepła dla pomp ciepła Zasobnik energii pierwotnej, jako alternatywa wobec sond lub kolektorów gruntowych Pompy ciepła zdobyły stałe miejsce wśród instalowanych corocznie wytwornic ciepła grzewczego. Ich zaletą, obok wysokiej efektywności energetycznej całego systemu grzewczego, jest również możliwość wykorzystywania dostępnego w sposób nieciągły, ekologicznego prądu z energii wiatru i słońca. Często są to nadwyżki energii, występujące w sieci energetycznej. Należy więc oczekiwać, że udział pomp ciepła będzie nadal wzrastał. Pompy ciepła wykorzystują ciepło gruntu i powietrza o niskim poziomie temperaturowym i w procesie termodynamicznym przepompowują je na poziom temperaturowy, odpowiedni do celów grzewczych. Jako dolne źródła ciepła wykorzystuje się tradycyjnie powietrze atmosferyczne, wodę gruntową i grunt. Nowa koncepcja zasobnika lodowego korzysta obok tych źródeł ciepła również bezpośrednio z energii solarnej.

2 TopTechnika Ogrzewanie lodem Zasobnik energii pierwotnej o pojemności 10 m 3. Woda służy jeko czynnik akumulujący i w razie potrzeby ulega kontrolowanemu zamrożeniu. Niskokosztowe ujęcie ciepła Grunt i woda gruntowa są dobrymi akumulatorami ciepła. Ich temperatury są przez cały rok względnie niezmienne, co gwarantuje wysoki roczny współczynnik efektywności. Do ujęcia ciepła z tego źródła stosuje się ułożone poziomo w gruncie kolektory lub też umieszczane w pionowych odwiertach sondy gruntowe, albo też wiercone studnie do ujęcia wody gruntowej. Związane z tym roboty ziemne wymagają wysokich nakładów inwestycyjnych, zależnie od rodzaju gruntu, a ponadto wymagają uzyskania stosownych pozwoleń. Powietrze atmosferyczne, jako źródło ciepła można natomiast wykorzystać łatwo i tanio. Jest ono zasysane przez moduł zewnętrzny pompy ciepła i po pobraniu ciepła w parowniku oddawane z powrotem do atmosfery. Zbędne są tu kosztowne roboty ziemne. Występuje tu jednakże niezgodność podaży i popytu na ciepło. Przy niższych temperaturach zewnętrznych zapotrzebowanie na ciepło grzewcze rośnie i trzeba je pokrywać albo przez zastosowanie sprężarki z modulacją mocy, albo też dodatkowej wytwornicy ciepła (elektryczny wkład grzejny w zasobniku buforowym wody grzewczej lub klasyczny kocioł grzewczy). Alternatywy dla konwencjonalnych rodzajów ujęć ciepła Od chwili zastosowania pomp ciepła do ogrzewania budynków ich producenci i instytutybadawcze poszukują wciąż nowych sposobów optymalizacji ujęć ciepła, redukcji kosztów inwestycyjnych i podwyższenia efektywności instalacji pomp ciepła. Należą do nich próby bezpośredniego wykorzystywania energii słonecznej przez pompy ciepła. Tak więc już w końcu lat siedemdziesiątych zastosowano pompy ciepła solanka / woda w kombinacji z nieprzykrytymi kolektorami słonecznymi, dostarczającymi potrzebnej energii cieplnej. Rozwiązania takie były jednak mało efektywne i nie przyjęły się. Ponadto w naszej strefie klimatycznej w miesiącach zimowych i okresach przejściowych podaż energii słonecznej jest niewystarczająca. Jeśli rozpatruje się instalacje ujęcia ciepła z gruntu i instalacje solarne, to nasuwa się myśl stworzenia kombinacji obu tych systemów. Istnieją tu już na rynku różne rozwiązania, nie umożliwiające jednak kontrolowanego akumulowania pozyskanej energii słonecznej. Próby akumulowania w gruncie, poprzez sondy lub kolektory gruntowe ciepła słonecznego ze słonecznych miesięcy letnich do jego późniejszego wykorzystania zależne są silnie od występujących warunków geologicznych. Jeśli sondy gruntowe przetną warstwy wodonośne, to woda gruntowa będzie bezużytecznie odbierała doprowadzane ciepło. Przy tym rozwiązaniu niemożliwe jest także zrezygnowanie z kosztownych robót ziemnych.

3 2/3 Alternatywą wobec odwiertów sond lub studni są absorbery masywne i tak zwane płoty energetyczne. Absorbery masywne to bloki betonu, w których umieszczone są sekcji wężownic solanki. Masa bloków betonowych zapewnia im określoną zdolność akumulacyjną. Płoty energetyczne to po prostu sekcje wężownic, bez osłony, wkopane w grunt na mniej więcej jedną trzecią ich powierzchni, podczas gdy dwie trzecie pozostają nad powierzchnią gruntu. Część nadziemna działa jako absorber ciepła z powietrza i promieniowania słonecznego, część podziemna pobiera ciepło z gruntu. Aby uzyskać taki system, działający efektywnie w zimie, kiedy brak godnego uwagi uzysku solarnego, należałoby zapewnić wystarczająco dużą powierzchnię wymiany ciepła w gruncie. Płot energetyczny nie pozwala jednak na to, ze względu na ograniczoną wielkość zakopanej w gruncie powierzchni. Części składowe zasobnika lodowego System zasobnika lodowego składa się w zasadzie z następujących części: Zbiornik zasobnika lodowego Wężownice do poboru ciepła i regeneracji zasobnika Powietrzny absorber solarny Pompa ciepła solanka/woda Sterownik źródeł ciepła W przypadku standardowego systemu o mocy grzewczej 20 KW, zbiornik zasobnika lodowego składa się z jednego lub dwóch cylindrów betonowych (średnica 2,5 m, wysokość 3,56 m), mogących pomieścić po 10 m 3 wody. Zakopuje się je w gruncie i napełnia wodą wodociągową. Nie wolno stosować wody powierzchniowej lub deszczówki, gdy wtedy nie można wykluczyć pojawienia się alg lub mułu. Algi powodują pogorszenie wymiany ciepła na wężownicach. Wężownica pobierająca ciepło w zasobniku lodowym Kosze gruntowe są też alternatywą wobec kolektorów gruntowych. Są to kosze z prętów w kształcie cylindra lub stożka ściętego, oplecione rurami wymiennikowymi i zakopane w gruncie na głębokość do czterech metrów. Ich konstrukcja, zależnie zresztą od rodzaju gruntu zapewnia jedynie nieco większą moc poboru ciepła, niż kolektorów gruntowych. Zasobnik lodowy wykorzystuje kilka pierwotnych źródeł ciepła Dokładnie rzecz biorąc, należałoby w przypadku systemu zasobnika lodowego mówić o systemie pompy ciepła z zasobnikiem energii pierwotnej, wykorzystującym różne źródła. Ich wykorzystywanie reguluje sterownik zarządzania źródłami pierwotnymi. W zbiorniku ułożono spiralnie, na różnych poziomach, wężownice wymiennika ciepła, wykonane z rur z tworzywa sztucznego, pobierające ciepło z wody i udostępniające je pompie ciepła, jako dolne źródło ciepła. Przy ściankach zbiornika ułożone są wężownice regenerującego wymiennika ciepła. Przez te wężownice doprowadzana jest do zasobnika energia, pozyskiwana z powietrznego kolektora solarnego. Schemat budowy instalacji pompy ciepła z zasobnikiem lodowym 1 4 Tymi źródłami są tu powietrze atmosferyczne, promieniowanie słoneczne i ciepło gruntu. Zasobnik energii pierwotnej gromadzi te energie na niskim poziomie temperaturowym i udostępnia je jako dolne źródło ciepła pompie ciepła. Do zwiększenia pojemności zasobnika wykorzystuje się również energię, akumulowaną i uwalnianą przy zmianie stanu skupienia czynnika akumulacyjnego wody Promieniowanie słoneczne 2 Ciepło z powietrza 3 Ciepło z gruntu 4 Powietrzny absorber solarny 5 Pompa ciepła Vitocal 6 Zasobnik lodowy

4 TopTechnika Ogrzewanie lodem Temperatura ( C) Zmiana stanu skupienia wody i oddawana wzgl. pobierana przy tym ilość energii A B 1 93 Wh/kg C 116 Wh/kg 1 Temperatura zamarzania 2 3 Temperatura wrzenia Temperatura pary nasyconej 2 A B C Lód D 627 Wh/kg Woda + lód Woda D E Woda + para Para 3 E Sposób działania systemu zasobnika lodowego Głównym elementem systemu jest zbiornik zasobnika lodowego. Służy on jako akumulator źródła pierwotnego i jest wypełniony czynnikiem akumulującym po prostu wodą. Pojemność energetyczna wody jest ograniczona i wynosi 1,163 Wh/(kg K). Jeśli więc jeden litr wody schłodzi się o jeden stopień Kelvina, to uzyskamy 1,163 Wh energii. Pompa ciepła stopniowo pobiera tę energię z zasobnika, aż woda schłodzi się do 0 C. Proces zamarzania, występujący przy dalszym schładzaniu jest korzystny, gdyż zmiana stanu skupienia wody uwalnia dalszą ilość energii. Podczas tej przemiany temperatura pozostaje stale na 0 C, ale uwalnia się dalsze 93 Wh /(kg K) energii krystalizacji, którą pompa ciepła może wykorzystać (ilustracja z lewej). Odpowiada to energii, uwalniającej się przy schładzaniu wody z 80 C do 0 C. Prosty montaż powietrznego kolektora solarnego Powietrzne absorbery solarne pobierają z otoczenia zarówno energię bezpośredniego promieniowania słonecznego, jak i energię z powietrza. Powietrzne absorbery solarne są kolektorami słonecznymi bez przykrycia, z rurami z tworzywa sztucznego i można je łatwo zainstalować na dachu płaskim, spadzistym lub elewacji. Sterownik zarządzający źródłami ciepła decyduje, czy przy istniejących temperaturach pompa ciepła ma pobierać energię z absorbera solarnego, czy też zasobnika lodowego. W systemie można stosować pompy ciepła solanka / woda Vitocal 300-G, 333/343-G, wzgl. typoszeregu 350. Wyposażone są one bowiem w niezbędny w przypadku zasobnika lodowego system RCD z regulowanym elektronicznie zaworem rozprężającym. Lód tworzy się najpierw na wężownicy poboru ciepła i rozrasta się od wewnątrz, na zewnątrz (ilustracja z prawej u dołu). Oblodzenie rur wężownicy z tworzywa sztucznego stwarza dodatkowy opór przepływu ciepła z czynnika akumulacyjnego do obiegu solanki w pompie ciepła (ilustracja z prawej u góry). Sposób rozmieszczenia rur wężownicy w zasobniku powoduje, że ich oblodzenie zwiększa powierzchnię wymiany ciepła z wodą w zasobniku. Takie zwiększenie powierzchni przez oblodzenie i równoczesne zwiększenie oporu przepływu ciepła są mniej więcej wzajemnie proporcjonalne. Większa powierzchnia lodu przejmuje więcej ciepła, lecz gorzej przewodzi je do obiegu solanki, wskutek czego strumień ciepła pozostaje prawie niezmienny. Energia pozyskiwana przez powietrzny absorber solarny doprowadzana jest przez wężownicę regeneracyjną do czynnika roboczego w zasobniku, ogrzewając wodę wzgl. roztapiając znowu lód. Oprócz ciepła z powietrznego absorbera solarnego zasobnik pobiera także ciepło z gruntu. Nawet przy całkowicie zamarzniętej zawartości zasobnika dopływa do niego nieustannie ciepło z gruntu i służy jako źródło energii. Wielkość tego uzysku energii zależna jest od rodzaju gruntu.

5 4/5 Oblodzenie wężownic w zasobniku lodowym Latem natomiast ciepło jest oddawane do gruntu przez ściany zasobnika. Postaje w ten sposób efekt samoregulacji, zapobiegający przegrzewaniu się zasobnika w lecie. Ukierunkowane zamarzanie i tajanie w zasobniku lodowym Chłodzenie przez system zasobnika lodowego Sensowną możliwością dalszej optymalizacji systemu źródła pierwotnego jest wykorzystywanie zasobnika lodowego do naturalnego chłodzenia pomieszczeń w lecie. W tym celu należy pod koniec sezonu grzewczego doprowadzić do pełnego zamarznięcia zasobnika, przerywając jego regenerację. Powstały lód będzie naturalnym źródłem chłodu na lato. Ciepło z systemu grzewczego jest teraz odprowadzane poprzez wężownicę pobierającą do zasobnika, powodując stopniowe tajanie lodu a następnie podgrzewanie wody. Przy zapotrzebowaniu na większą moc chłodniczą można włączyć pompę ciepła w trybie chłodzenia aktywnego. Ciepło odbierane przez pompę ciepła z pomieszczeń w trybie chłodzenia aktywnego zostaje zakumulowane w zasobniku i będzie do dyspozycji na początku sezonu grzewczego jako bezpośrednie ciepło grzewcze. zamarzanie tajanie

6 TopTechnika Ogrzewanie lodem Powietrzny absorber solarny do współpracy z instalacjami z pompą ciepła i zasobnikiem lodowym Dokładnie dopasowane składniki systemu Powietrzne absorbery solarne, pobierające ciepło z powietrza i promieniowania słonecznego, zaprojektowane są specjalnie do współpracy z zasobnikiem lodowym i pompą ciepła. Duże przekroje rurek absorbera pozwalają na bezpośredni przepływ solanki z obiegu pompy ciepła, z zachowaniem minimalnego natężenia przepływu przy niskich spadkach ciśnienia. Absorber wykonany jest z odpornego na promieniowanie nadfioletowe tworzywa sztucznego w postaci absorberów harfowych, rozmieszczonych dla zwiększenia powierzchni czynnej w dwóch warstwach (ilustracja u góry). Powietrzny absorber solarny pomyślany jest głównie do pobierania ciepła z powietrza, gdyż jest ono do dyspozycji tak w dzień, jak i w nocy. Promieniowanie słoneczne jest tylko mile widzianym dodatkowym źródłem energii, podnoszącym efektywność absorbera. Powietrzne absorbery solarne bez przykrycia nadają się do stosowania w instalacjach pomp ciepła zwłaszcza dlatego, że obok atrakcyjnej ceny działają również bezproblemowo przy stosunkowo niskich temperaturach obiegu solanki. W kolektorach z przykryciem istniałoby wtedy możliwość osadzania się wilgoci na szybie, co przeszkadzałoby w pobieraniu ciepła. Dlatego konwencjonalne kolektory słoneczne nadają się do stosowania w instalacjach z zasobnikami lodowymi jedynie warunkowo.

7 6/7 Także pompa ciepła jest dokładnie dobranym składnikiem systemu z zasobnikiem lodowym i powietrznymi absorberami solarnymi. Ponieważ temperatury w obiegu pierwotnym pompy ciepła mogą w sezonie grzewczym wahać się od +25 do 7 C, obieg chłodniczy pompy ciepła musi być zoptymalizowany do takich parametrów zasobnika lodowego. Do takich zastosowań nadają się pompy ciepła solanka / woda firmy Viessmann, jak seria Vitocal 300-G z systemem RCD (Refrigerant- -Cycle-Diagnostic-System) i sterowanym elektronicznie zaworem rozprężającym. Pompa ciepła solanka/woda Vitocal 350-G: system RCD i elektroniczny zawór rozprężający gwarantują w każdym stanie roboczym zawsze najwyższą efektywność (COP = 4,6 przy B0/W35 C według EN 14511) Dokładna regulacja elektronicznymi zaworami rozprężającymi W porównaniu ze stosowanymi zwykle termostatycznymi zaworami rozprężającymi, elektroniczne zawory rozprężające umożliwiają znacznie dokładniejszą regulację. Zawory te, napędzane silnikiem krokowym, pozwalają na proporcjonalną regulację strumienia masowego czynnika chłodniczego w szerokim zakresie regulacji, od 10 do 100 procent i cechują się bardzo krótkimi czasami otwierania i zamykania. Wynikająca stąd bardzo precyzyjna charakterystyka regulacji pozwala na utrzymywanie stałej temperatury na wylocie parownika i stałego stopnia przegrzania czynnika chłodniczego, niezależnie od aktualnego stanu roboczego pompy ciepła. W ten sposób sprężarka może w każdym stanie roboczym pracować zawsze z najwyższą sprawnością, uzyskując wysokie współczynniki efektywności. Elektroniczne zawory rozprężające są zasadniczo tylko członami wykonawczymi, wymagającymi współdziałania z czujnikami i regulatorem. Viessmann opracował w tym celu system diagnostyczny obiegu chłodniczego RCD, kontrolujący stale ciśnienia i temperatury w istotnych punktach obiegu czynnika chłodniczego. System zapamiętuje wszystkie ważne parametry i może je udostępniać w celach diagnostycznych. Bilansuje także pobór energii z sieci elektrycznej z ciepłem oddanym systemowi grzewczemu. System RCD, współpracując z elektronicznym zaworem rozprężającym gwarantuje przez stałe monitorowanie wszystkich ważnych parametrów utrzymanie optymalnej charakterystyki regulacji i tym samym wysoką efektywność i niski koszt eksploatacji pomp ciepła, wyposażonych w ten system. Wskazówki projektowe Dla mocy grzewczych do 20 kw dostępne są gotowe pakiety systemowe Wymiarowanie rurociągów w obiegu pierwotnym: strumień objętościowy przepływu dobrać dla różnicy temperatur od 3 do maks. 5 K der Stosować płyn niezamarzający do 15 C na bazie glikolu z odpowiednimi inhibitorami korozji (przy doborze pompy uwzględnić lepkość czynnika tłoczonego) Wymiary wykopu: średnica co najmniej 3 m, głębokość, przy pokrywie przystosowanej do chodzenia 3,64 m (górna powierzchnia podsypki piaskowej) Rurę przelewową zbiornika zasobnika przyłączyć do systemu odwadniającego (kanalizacja lub studzienka chłonna) Wskazówki montażowe Rurociągi, armaturę i kształtki rurociągów obiegu pierwotnego należy w obrębie budynku zaizolować paroszczelnie (solanka może mieć temperatury poniżej temperatury zamarzania) Przyłączenie przewodów do wężownic wymienników ciepła wykonać beznaprężeniowo Przy uruchamianiu kolejno napełniać i odpowietrzać poszczególne poziomy wężownic.

8 Viessmann Deutschland GmbH Allendorf (Eder) Telefon Telefax Twój fachowy Doradca: D 09/2012 Treść chroniony prawem autorskim. Kopiowanie i inne wykorzystywanie tylko za uprzednią zgodą. Zmiany zastrzeżone