Informacja o pracy dyplomowej 1. Nazwisko i imię: Adam Koniszewski adres mailowy: adam2309@interia.pl 2. Kierunek studiów: Mechanika i Budowa Maszyn 3. Rodzaj studiów: Dzienne magisterskie 4. Specjalność: Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne 5. Katedra dyplomująca: Katedra Techniki Cieplnej 6. Promotor pracy: dr inż. Zenon Bonca 7. Recenzent pracy: dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG 8. Termin obrony: 25.06.2009 rok 9. Ocena pracy dyplomowej: Celująca 10. Temat pracy dyplomowej: Analiza techniczno - ekonomiczna zastosowania w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych sprężarkowych pomp ciepła, w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne, na przykładzie wybranego obiektu
Spis treści: Wstęp... 4 1. Stan środowiska naturalnego... 5 2. Odnawialne źródła energii i ich podział... 8 3. Pompy ciepła... 10 3.1 Zasada działania pompy ciepła... 10 3.2 Wielkości charakterystyczne opisujące pompę ciepła... 14 4. Przegląd wraz z oceną techniczno - ekonomiczną istniejących rozwiązań systemów ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych z wykorzystaniem sprężarkowych pomp ciepła (SPC)... 17 4.1 Systemy pracy układu grzewczego... 18 4.1.1 Monowalentne układy pomp ciepła... 19 4.1.2 Biwalentne układy pomp ciepła... 24 4.2 Rodzaj dolnego źródła ciepła... 26 4.2.1 Charakterystyka dolnych źródeł ciepła niskotemperaturowego... 27 4.3 Charakterystyka kolektorów gruntowych... 32 4.4 Realizacja transportu ciepła na poziomie źródła górnego SPC... 34 4.4.1 Ogrzewanie grzejnikowe... 35 4.4.2 Ogrzewanie podłogowe (płaszczyznowe)... 35 4.4.3 Ogrzewanie powietrzne... 38 5. Przegląd konstrukcji wraz z oceną parametryczną dostępnych na rynku SPC, w którym dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne... 39 5.1 Sposób działania pompy ciepła... 39 5.2 Konstrukcja i parametry dostępnych na rynku powietrznych pomp ciepła... 40 5.3 Przykład doboru pompy ciepła dla domku jednorodzinnego o powierzchni 80 m 2... 42 5.3.1 Założenia ofertowe... 42 5.3.2 Koszt wykonania systemu grzewczego... 42 5.3.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus Logatherm WPL 6A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą... 43 6. Założenia ogólne... 45 6.1 Wybór budynku... 45 6.2 Plany budynku... 47 7. Ocena zysków i strat ciepła w przyjętym do analizy wolnostojącym budynku mieszkalnym (audyt energetyczny). Wyznaczenie wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania E. Klasa energetyczna budynku... 49 7.1 Dane dotyczące elementów konstrukcyjnych budynku... 49 7.2 Projektowa strata ciepła przez przenikanie dla pomieszczeń budynku... 51 7.3 Projektowa strata ciepła przez wentylację naturalną dla pomieszczeń budynku... 55 7.4 Dobór mocy grzewczej na cele ciepłej wody użytkowej... 57 7.5 Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku E... 58
7.6 Klasa energetyczna budynku... 61 7.7 Ocena wyników obliczeń cieplnych dla analizowanego budynku... 63 8. Wariantowy projekt koncepcyjny systemu ogrzewania dla wybranego budynku, oparty na SPC. Kompletacja elementów systemu z automatyką sterującą... 64 8.1 Rozwiązania koncepcyjne systemu ogrzewania opartego na SPC... 65 8.1.1 Rozwiązanie - Wariant 1... 65 8.1.2 Rozwiązanie - Wariant 2... 65 8.1.3 Rozwiązanie - Wariant 3... 65 8.1.4 Rozwiązanie - Wariant 4... 65 8.1.5 Rozwiązanie - Wariant 5... 65 8.2 Kryteria doboru systemu ogrzewania opartego na SPC... 68 8.3 Wybór rozwiązania koncepcyjnego systemu ogrzewania opartego na SPC... 68 8.4 Dobór optymalnej mocy grzewczej SPC na podstawie wykresu uporządkowanego... 69 8.4.1 Zapotrzebowanie na moc grzewczą analizowanego budynku na wykresie uporządkowanym... 66 8.4.2 Charakterystyki SPC typu powietrze - woda (P-W) poddane ocenie ekonomicznej opłacalności stosowania dla analizowanego obiektu... 71 8.4.3 Analiza ekonomiczna... 73 8.5 Kompletacja elementów systemu ogrzewania opartego na SPC... 84 8.5.1 Zasobnik ciepłej wody użytkowej... 85 8.5.2 Zasobnik buforowy... 85 8.5.3 Instalacja centralnego ogrzewania... 85 8.5.4 Pompa obiegowa instalacji ogrzewania podłogowego... 88 8.5.5 Naczynie wzbiorcze instalacji c.o... 89 8.5.6 Naczynie wzbiorcze instalacji c.w.u... 89 8.5.7 Zawór bezpieczeństwa instalacji co... 89 8.5.8 Zawór bezpieczeństwa instalacji c.w.u... 90 8.5.9 Pompa cyrkulacyjna c.w.u... 90 8.6 Projekt instalacji systemu ogrzewania opartego na SPC... 90 8.6.1 Praca systemu ogrzewania opartego na SPC... 92 8.6.2 Parametry systemu ogrzewania opartego na SPC... 93 8.7 Koszty systemu ogrzewania opartego na powietrznej pompie ciepła typu Buderus Logatherm WPL 8A dla analizowanego budynku o powierzchni użytkowej 140 m 2... 95 8.7.1 Założenia ogólne... 95 8.7.2 Koszt wykonania systemu grzewczego... 95 8.7.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus Logatherm WPL 8A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą... 96 9. Obliczenia cieplno - przepływowe o charakterze sprawdzającym dla wentylatorowej chłodnicy powietrza (parownika) SPC... 97 9.1 Obliczenia cieplne chłodnicy powietrza... 99 9.2 Obliczenia przepływowe chłodnicy powietrza... 105 10. Preferowane do współpracy z pompą ciepła systemy ogrzewania... 109 10.1 Wpływ temperatury górnego źródła na efektywność działania SPC... 109 10.2 Wpływ wyboru systemu ogrzewania na efektywność działania SPC... 112 10.3 Ogrzewanie podłogowe - kompletacja elementów systemu... 113 10.3.1 Konstrukcja ogrzewania podłogowego... 114 10.3.2 Rozkład temperatury na powierzchni podłogi... 115
11. Ocena techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania wolnostojącego budynku mieszkalnego oparta na metodzie LCC (Life Cycle Cost) dla zaproponowanego rozwiązania z SPC, w której dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne... 117 11.1 Koszty cyklu życia systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A dla analizowanego budynku... 117 11.2 Analiza techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A dla analizowanego budynku... 119 Podsumowanie... 130 Literatura... 134 Załączniki... 137 Wstęp Niniejsza praca dyplomowa poświęcona jest analizie techniczno ekonomicznej zastosowania w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych sprężarkowych pomp ciepła, w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne. Pompa ciepła jest urządzeniem chłodniczym, działającym w oparciu o lewobieżny obieg termodynamiczny. Celem pracy tego urządzenia jest dostarczenie energii grzewczej zarówno do ogrzewania, jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej poprzez instalację źródła górnego w wyniku transformacji ciepła uprzednio pobranego w źródle dolnym. Proces ten przebiega dzięki dostarczonej do urządzenia z zewnątrz energii napędowej. Pod względem energetycznym pracę tego urządzenia charakteryzuje współczynnik wydajności grzewczej COP. Jego wartość zależy od różnicy temperatur między źródłem dolnym i górnym. Analizowanym w pracy źródłem dolnym pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne. Jest to źródło ogólnie dostępne i nie wymaga dodatkowych nakładów inwestycyjnych na wykonanie. Aby pobierać z niego energię cieplną nie trzeba budować kosztownych kolektorów czy studni, jak to ma miejsce w przypadku, gdy ta energia pobierana jest z gruntu. Z badań ankietowych przeprowadzonych przez Wydawnictwo Budujemy Dom [16] wynika, że około 40% budujących rozważa możliwość zastosowania pompy ciepła we własnym domu. Jednak tylko w jednym na kilkanaście przypadków rozważania te kończą się decyzją na tak. W Europie (np. Niemcy, Szwecja, Finlandia, Austria, Szwajcaria, Francja) już 30 50% nowych domów wyposaża się w pompy ciepła, przy czym w ostatnich latach obserwuje się gwałtowny wzrost sprzedaży tych urządzeń. W Polsce zainteresowanie tą technologią jest coraz większe, ale pod względem liczby domów nowo budowanych
i wyposażonych w pompę ciepła, wciąż pozostajemy w ogonie Europy. Podstawowym kryterium wyboru konkretnego systemu ogrzewania jest rachunek ekonomiczny. W przedstawionej pracy wykorzystano metodę LCC (Life Cycle Cost). Metoda ta pozwala oszacować całkowite koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu w przyjętym cyklu jego życia. Opiera się ona na porównaniu nakładów inwestycyjnych na proponowane rozwiązanie systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej dla budynku mieszkalnego oraz kosztów eksploatacyjnych wzrastających wraz z upływem okresu użytkowania systemu. Podsumowanie Lokalizacja analizowanego budynku w miejscowości Miastko, to dogodna strefa klimatyczna (I) ze względu na zewnętrzną temperaturę obliczeniową, co sprzyja SPC przy wykorzystaniu w niej do celów grzewczych, jako dolnego źródła ciepła, powietrza atmosferycznego; analizowany budynek o wskaźniku WZE h =0,9 należy do klasy jakości energetycznej B2. Jest to czwarta pozycja z dziewięciu możliwych wariantów tych klas, co zapewnia stosunkowo niskie zużycie energii obiektu w ciągu roku. Aby klasa jakości energetycznej budynku była korzystniejsza, należałoby m.in. zastosować w nim wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, co umiejscowiłoby analizowany budynek w klasie A; wentylacja w największym stopniu przyczynia się do strat energii cieplnej w skali roku. W analizowanym obiekcie sięgają one aż 43% strat energii cieplnej całego budynku; analizowany budynek spełnia kryteria domku energooszczędnego ( E 30,6 E ref 33,3 kwh/m 3 rok). Dla tego typu budynków montaż SPC jest uzasadniony ekonomicznie. Zainstalowanie tego urządzenia w budynku nie energooszczędnym z uwagi na zwiększoną stratę ciepła przez przenikanie powodowałoby, że SPC pracowałaby o wiele dłużej niż w budynku energooszczędnym. A to skutkowałoby zwiększonym zużyciem energii elektrycznej do napędu sprężarki pompy ciepła. Wydłużony czas pracy wiąże się z większymi kosztami eksploatacyjnymi, mimo że sprawność SPC jest wysoka;
Zapotrzebowanie na moc grzewczą dla analizowanego budynku jest zmienne i zależy ono od temperatury zewnętrznej. W związku z tym nie opłaca się dobierać SPC na 100% zapotrzebowania na moc grzewczą budynku, co jest uzasadnione ekonomicznie, ponieważ przez znaczną część czasu pracy jest ona przewymiarowana; Parametry techniczne pompy ciepła Logatherm WPL 8A typu P-W dla analizowanego budynku ulegają znacznej zmianie wraz ze spadkiem bądź wzrostem temperatury dolnego źródła ciepła (powietrza atmosferycznego). Na to nie mamy wpływu jako użytkownicy, bowiem takie warunki dyktuje natura; Parametry techniczne pompy ciepła Logatherm WPL 8A typu P-W dla analizowanego budynku zmieniają się także przy wyborze źródła górnego, a na to jako użytkownicy mamy już wpływ. Im temperatura tego źródła jest wyższa, tym mniejsza jest jej wydajność grzewcza, natomiast rośnie moc napędowa sprężarki. W konsekwencji tego obniża się współczynnik wydajności grzewczej COP urządzenia. Dzieje się tak dlatego, ponieważ zmianie tej temperatury towarzyszy wzrost, bądź spadek ciśnienia skraplania odpowiadający wymaganej temperaturze zasilania instalacji źródła górnego; Wpływ wyboru systemu ogrzewania na efektywność działania wybranej do analizy pompy ciepła Logatherm WPL 8A jest decydujący, ponieważ systemy ogrzewania: grzejnikowy, płaszczyznowy czy powietrzny posiadają różne temperatury pracy. Jak stwierdzono powyżej, ta temperatura ma decydujący wpływ na wartość współczynnika efektywności grzewczej COP analizowanej pompy ciepła, a co za tym idzie i koszty eksploatacyjne. Wzrost temperatury źródła górnego o 10 K skutkuje zmniejszeniem współczynnika wydajności grzewczej COP o około 20%, a zatem prowadzi to zwiększenia kosztów eksploatacyjnych analizowanego budynku na takim samym poziomie; Przy ogrzewaniu podłogowym, sposób ułożenia rur grzewczych ma znaczny wpływ na rozkład temperatury powierzchni podłogi, a przez to na jej wydajność w różnych częściach pomieszczenia. W przypadku ułożenia rur w układzie ślimak oraz podwójny meander, osiąga się równomierny rozkład temperatury, ponieważ średnia temperatura wody dla każdych dwóch sąsiadujących przewodów jest w przybliżeniu identyczna. W układzie meander temperatura powierzchni podłogi obniża się liniowo w kierunku od zasilania do powrotu;
Wraz z powstawaniem warstwy szronu na powierzchni chłodnicy powietrza analizowanej pompy ciepła Logatherm WPL 8A, maleje jej przekrój wolnego przelotu powodując w nim wzrost prędkości powietrza, a co za tym idzie zwiększenie oporów przepływu. Gwałtowny wzrost tych oporów następuje po przekroczeniu warstwy szronu o grubości 0,6 mm. W związku z tym zainstalowany jest odpowiedni wentylator chłodnicy powietrza, który przy wzroście tych oporów utrzyma wymagany strumień objętościowy powietrza dla zapewnienia zadanych parametrów pracy urządzenia; System ogrzewania oparty na pompie ciepła Logatherm WPL 8A dla analizowanego budynku pracuje w układzie biwalentnym monoenergetycznym i pokrywa całkowite jego zapotrzebowanie na moc grzewczą. Jej średni współczynnik wydajności grzewczej COP wynosi 3, co dla analizowanego budynku o zapotrzebowaniu na energię grzewczą wynoszącym 19 710 kwh przy cenie energii elektrycznej w taryfie G12 (41 gr.) daje roczne koszty eksploatacyjne w wysokości 3091 zł; W okresie 20 lat użytkowania systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A, koszty eksploatacyjne tego systemu dla analizowanego budynku stanowią aż 59% całkowitych kosztów LCC. W tym 57%, to koszty związane ze zużyciem energii elektrycznej przez pompę ciepła. Zatem koszty eksploatacyjne tego urządzenia w dużej mierze zależą od cen energii elektrycznej. W kosztach inwestycyjnych największy udział ma pompa ciepła wraz z jej modułem wewnętrznym AWC, bowiem stanowi ona 31% całkowitych kosztów LCC; Z punktu widzenia dostępności dolnego źródła pompy ciepła wydawałoby się, że wybór systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A, gdzie jego dolnym źródłem ciepła jest powietrze atmosferyczne, pod względem kosztów cyklu życia LCC dla analizowanego budynku będzie korzystne. Po przeprowadzeniu tej analizy okazuje się, że tak nie jest. Mimo dostępności tego źródła oraz prostocie pozyskiwania z niego ciepła, jest to system nieopłacalny w porównaniu do sytemu opartego na pompie ciepła Logatherm WPS 7K, w której dolnym źródłem jest grunt. Generuje on w porównaniu do niego straty w wysokości około 15 000 zł w okresie 20 lat użytkowania; Zaproponowany w pracy system ogrzewania jest ekonomicznie uzasadniony w porównaniu do systemu ogrzewania opartego na kotle zasilanym olejem opałowym lub gazem płynnym, bowiem w porównaniu do nich w okresie 20 lat życia urządzenia generuje zyski. W porównaniu do kotła zasilanego olejem opałowym, zyski te wynoszą 38 700 zł, a czas zwrotu poniesionych kosztów
inwestycyjnych na rzecz pompy ciepła Logatherm WPL 8A wynosi 7,5 lat. W porównaniu do kotła zasilanego gazem płynnym zapewnia zyski w wysokości 60 500 zł, a czas zwrotu poniesionych kosztów inwestycyjnych na rzecz pompy ciepła wynosi 5,7 lat; Warto zauważyć, że dla oceny rentowności przedsięwzięcia, niezmiernie ważna jest realna stopa procentowa, gdyż to właśnie ona ma bezpośrednie przełożenie na koszty cyklu życia (LCC) urządzeń. Gdy przyjmuje ona wartości dodatnie, wówczas koszty LCC maleją z każdym rokiem użytkowania urządzenia. Dzieje się tak dlatego, ponieważ przy takiej stopie procentowej umacnia się wartość pieniądza. W przypadku, gdy realna stopa procentowa przyjmie wartości ujemne, wtedy koszty LCC rosną z każdym rokiem użytkowania urządzenia. Dzieje się tak dlatego, ponieważ przy takiej stopie procentowej spada wartość pieniądza.