WYDZIAŁ INśYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 5 ZASTOSOWANIE GRUNTOWYCH POMP CIEPŁA W BUDOWNICTWIE Opracowano na podstawie : dr inŝ. Marian Rubik, Energetyczne i ekologiczne korzyści stosowania gruntowych pomp ciepła
Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Schemat ideowy instalacji: 1- agregat spręŝarkowy, 2- parowacz, 3- zawór rozpręŝny, 4- skraplacz, page 2
Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Zmiany fazy czynnika roboczego w instalacji pompy ciepła page 3
Zasada działania spręŝarkowych pomp ciepła Wykresy obiegu teoretycznego w układach współrzędnych: ciśnienie entalpia właściwa p- h oraz temperatura entropia właściwa T- s page 4
Bilans energetyczny Energetyczny bilans pompy ciepła ma postać Q = Qo + L Teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej COP t = COP L określa wzór: COP t = COP L = Q0 + L = 1+ L Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej COP r q l = Q L = Q L 0 gdzie: COP r = [1 + η i (COP t 1)] η m x η s COP t współczynnik wydajności grzejnej obiegu Lindego η i ; η m odpowiednio: indykowana i mechaniczna sprawność spręŝarki, η s sprawność silnika elektrycznego. page 5
Współczynnik wydajności grzejnej Orientacyjną wartość współczynnika wydajności grzejnej spręŝarkowych pomp ciepła moŝna równieŝ wyznaczyć ze wzoru: COP r = η d COP C gdzie: η d stopień doskonałości rzeczywistego obiegu pompy ciepła: η d = 0,5 0,6, COP C - współczynnik wydajności grzejnej obiegu Carnota, przy czym gdzie: T g T g - temperatura źródła górnego, K, T 0 - temperatura źródła dolnego, K Sezonowy wskaźnik efektywności (SPF) SPF= Q/E COPC = T Q ilość ciepła uzyskanego za pomocą pompy w sezonie E zuŝycie energii elektrycznej w sezonie g T 0 page 6
Czynniki robocze spręŝarkowych pomp ciepła Kolejne cyfry symbolu Rxyz oznaczają: x jest liczbą atomów węgla w cząsteczce zmniejszoną o jeden. Jeśli x równy jest zero wartość ta jest pomijana w oznaczeniu czynnika. Dla mieszanin zeotropowych x jest równy cztery, a dla mieszanin azeotropowych pięć. Dla poszczególnych związków organicznych wartość x jest równa sześć, dla związków nieorganicznych siedem. y - jeŝeli x zawiera się pomiędzy zero i trzy to y oznacza liczbę atomów wodoru w cząsteczce powiększoną o jeden. Gdy x równy jest cztery lub pięć yz jest liczbą zmienną oznaczającą skład mieszaniny. Dla x równego sześć y przyjmuje wartość zero dla węglowodorów, jeden dla związków z tlenem, dwa dla związków z siarką i trzy dla związków azotu. Dla x równego siedem yz jest masą cząsteczkową czynnika. z jeŝeli x zawiera się pomiędzy zero i trzy to z oznacza liczbę atomów fluoru w cząsteczce. page 7
Czynniki robocze spręŝarkowych pomp ciepła Przydatność czynników roboczych do pracy w obiegu pompy ciepła ocenia się przyjmując następujące kryteria: wartość współczynnika wydajności grzejnej (COP), wartość i zakresy ciśnienia nasycenia, objętościowa wydajność grzejna, wpływ na środowisko (ekologia), przy czym miarą szkodliwości oddziaływania czynników na środowisko są następujące wskaźniki: Ozon Depletion Potential (ODP) charakteryzujący wpływ danej substancji na intensywność rozkładu ozonu stratosferycznego w odniesieniu do R11, Global Warming Potential (GWP) charakteryzujący zdolność substancji do tworzenia efektu cieplarnianego w odniesieniu do R744, Total Equivalent Warming Impact (TEWI); całkowity równowaŝnik efektu cieplarnianego uwzględniający bezpośredni wpływ czynnika roboczego na globalne ocieplenie w wyniku jego przecieków podczas eksploatacji oraz pośredni wpływ w wyniku emisji CO2 wytwarzanego w procesie wytwarzania energii elektrycznej zuŝywanej do napędu pompy ciepła. page 8
Źródła ciepła niskotemperaturowego Źródło dostarczające ciepło niskotemperaturowe potrzebne do odparowania czynnika roboczego w parowaczu pompy ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami: duŝą pojemnością cieplną, moŝliwie wysoką i stałą temperaturą, brakiem zanieczyszczeń powodujących korozję elementów instalacji lub powstawanie osadów, łatwą dostępnością i niskimi kosztami instalacji słuŝącej do pozyskiwania i transportu ciepła. page 9
Źródła ciepła niskotemperaturowego dolne źródła page 10
Systemy spręŝarkowych pomp ciepła woda woda (W W) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 11
Systemy spręŝarkowych pomp ciepła woda powietrze (W A) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 12
Systemy spręŝarkowych pomp ciepła powietrze woda (A W) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 13
Systemy spręŝarkowych pomp ciepła powietrze powietrze (A A) 1 - spręŝarka, 2 - skraplacz, 3 - zawór rozpręŝny, 4 - parowacz page 14
Grunt jako dolne źródło ciepła Zmiany temperatury gruntu w ciągu roku Temperatura gruntu [C] I -4,00-2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 Głębokość [m] II III IV V VI VII VIII IX X XI XII page 15
Rozkład temperatury w gruncie z poborem i bez poboru ciepła Rozkład temperatury w gruncie na głębokości 1,5 m page 16
Typy wymienników gruntowych Pionowy (WPION) Skalisty grunt Duży koszt wykonania Wykorzystuje mniejszą powierzchnię Wysoka sprawność Poziomy (WPOZ) Wymagana większa powierzchnia Tańsze wykonanie Mniejsze budynki Zmiany temperatury Studnia głębinowa (SG) Ssanie+Zatłaczanie Najmniej kosztowny Regulacje prawne Zanieczyszcza się A także wymienniki ciepła w wodach powierzchniowych oraz studnie kolumnowe page 17
Wymienniki poziome Źródło: Homepage BWPGermany Rozmieszczenie wymiennika ciepła, Budynek komercyjny page 18
Wymienniki poziome page 19
Wymienniki poziome Rodzaj gruntu Jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu, Jednostkowe pole wymiennika gruntowego (w odniesieniu do 1 kw mocy grzejnej pompy), a g, m 2 /kw q E,W/m 2 SPF=3,0 SPF=3,5 Suchy grunt piaszczysty 10 15 44 67 48 71 Wilgotny grunt piaszczysty 15 20 33 44 36 48 Suchy grunt gliniasty 20 25 27 33 29 36 Suchy grunt gliniasty 25 30 22 27 24 29 Nasycony wodą piasek / Ŝwir 30 40 17 22 18 24 page 20
Układy pionowych sond gruntowych page 21
Sondy pionowe page 22
Wymienniki pionowe page 23
Układ trzech sond pionowych w układzie rozdzielaczowym page 24
Schemat hydrauliczny trzech sond połączonych równolegle page 25
Wykonanie pionowej sondy gruntowej page 26
Proces wykonywania spiralnego, pionowego gruntowego wymiennika ciepła page 27
Rurka cieplna z CO2 jako pionowa sonda gruntowa page 28
Termal Response Test Thermal Response Test jest to uznana międzynarodowa metoda do określenia geotermicznych parametrów podłoŝa. W metodzie tej sonda geotermiczna naładowana zostaje określoną ilością ciepła, która krąŝy w systemie i określa warunki termiczne (temperaturę) podłoŝa. W ten sposób otrzymane parametry gruntowe stanowią waŝne dane wyjściowe w planowaniu duŝych pól sond Warunki -Wbudowana i wypełniona sonda -72- godzinny test -Stały dopływ prądu 16A -Woda do napełnienia systemu smarttrt -Zintegrowane przetwarzanie danych -Małowymiarowa aparatura -Kompletna izolacja page 29
TRT - wyniki page 30
page 31
page 32
Wykonywanie odwiertów page 33
Technologie wiercenia Wiercenie obrotowe Wiercenie obrotowe odwrócone page 34
Technologie wiercenia page 35
Wartości wielkości do wymiarowania pionowych sond gruntowych page 36
Podziemne magazynowanie ciepła page 37
Pompy ciepła w istniejących budynkach wyniki pomiarów Określenie efektywności nowych pomp ciepła w budynkach mieszkalnych Identyfikacja moŝliwości optymalizacji instalacji wewnętrznych oraz procedur regulacji Pomiary w 80 istniejących budynkach mieszkalnych page 38
Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) gruntowe pompy ciepła w budynkach istniejących page 39
Pompy ciepła w nowych budynkach wyniki pomiarów Określenie efektywności nowych pomp ciepła w budynkach mieszkalnych Identyfikacja moŝliwości optymalizacji instalacji wewnętrznych oraz procedur regulacji Pomiary w 110 nowych budynkach mieszkalnych page 40
Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) gruntowe pompy ciepła w nowych budynkach page 41
Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) pomp ciepła powietrze/woda page 42
Średni sezonowy współczynnik wydajności (SPF) page 43
Temperatura solanki na wejściu pompy oraz temperatura wody zasilającej instalacje page 44
Rynek pomp ciepła w Szwecji page 45
Rynek pomp ciepła w Szwecji [SVEP 2008] page 46
Rynek pomp ciepła w Szwecji page 47
COP nowych pomp w Szwecji page 48
page 49
Oszczędność energii pierwotnej page 50
Czas wykorzystania page 51
Rynek pomp ciepła w Niemczech [IZW 2008] page 52
Rynek źródeł ciepła w Szwajcarii [Rognon 2008] Sztuk Rok page 53
Rynek pomp ciepła w Szwajcarii [Rognon 2008] page 54
Rynek gruntowych pomp ciepła w Wielkiej Brytanii (dane szacunkowe wg Ellisa, 2006) page 55
Rynek pomp ciepła we Francji [AFPAC] page 56
Liczba pomp ciepła instalowanych w Republice Czeskiej Rok 2005 ROK 2006 page 57
ZaleŜność między liczbą sprzedanych pomp ciepła a ceną oleju opałowego w Szwajcarii w latach 1986 1999 page 58
Budynek biurowy w Zurichu źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 59
System grzewczy/chłodniczy Pompa ciepła wykorzystująca sondy gruntowe (220m głębokości) i odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 60
Ograniczenia architektoniczne ograniczona wysokość pomieszczeń wymaga zastosowania kompaktowych rozwiązań dla instalacji grzewczych i chłodniczych źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 61
Instalacja wentylacyjna nawiew świeŝego powietrza przez nawiewniki fasadowe, odzysk ciepła z powietrza usuwanego źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 62
Moduł pomieszczenia źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 63
Fasada dostęp światła dziennego, ograniczenie zysków ciepła w lecie i strat ciepła w zimie: powierzchnia okien 50%, współczynnik U okna 1,1 W/m2K zewnętrzne elementy zacieniające o współczynniku zacienienia g = 0,12 źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 64
Panele fotowoltaiczne 150 m 2 ogniw fotowoltaicznych, 24kWpe, około 20 000kWh/a >20% zapotrzebowania na elektryczność źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 65
Transport 230 pracowników 24 miejsca parkingowe, pracownicy których czas dojazdu < 80min. korzystają z transportu publicznego, 10 samochodów Smart gotowych do uŝytku, ograniczone zuŝycie paliw kopalnych na transport o 50 ton źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 66
Współczynnik efektywności COP źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 67
ZuŜycie energii elektrycznej źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 68
Koszty eksploatacji źródło: AMSTEIN + WALTHERT AG page 69
RETScreen Moduł Gruntowych Pomp Ciepła Analiza produkcji energii w kaŝdym miejscu na świecie, kosztów w okresie Ŝywotności i redukcji emisji gazów cieplarnianych Wymiennik poziomy i pionowy Wymiennik w wodach gruntowych Mieszkalnictwo, budynki komercyjne, przemysłowe i uŝyteczności publicznej Obecnie model nie ma zastosowania dla: Pomp ciepła dla wód powierzchniowych Długoterminowej nierównowagi termicznej gruntu Jednoczesnego ogrzewania i chłodzenia (tylko obciąŝenie jednolite) Przygotowania ciepłej wody uŝytkowej page 70
RETScreen GPC Obliczenia energetyczne Dane wejściowe użytkownika Dane użytkownika o budynku Wyznaczenie zapotrzebowania w zależności od temperatury, Dane pogodowe użytkownika Wygenerowanie przedziałów temperatur i obliczenie temperatury gruntu Oszacowanie wydajności pompy ciepła Wyznaczenie rozmiaru wymiennika lub wymaganego strumienia wody gruntowej Obliczenie zapotrzebowania budynku dla każdego przedziału temp. Wyznaczenie rzeczywistej wydajności i mocy pompy ciepła dla każdego przedziału Sprawdź e-podręcznik Ocena projektów Czystej Energii: RETScreen Projektowanie i Przykłady Rozdział: Gruntowe Pompy Ciepła Obliczenie uzupełniającego zapotrzebowania na ciepło i chłód oraz rocznej energii użytecznej systemu GPC page 71
Przykłady weryfikacji modelu RETScreen GPC Porównanie zuŝycia energii w syntetycznych przedziałach z wartościami zmierzonymi Porównanie obliczeń długości wymiennika z obliczeniami w 6 innych programach specjalistycznych ZuŜycie energii cieplnej kwh RóŜnica % Toronto RETScreen 37 202 Zmierzone 36 686 1,4 Montreal Charlottetown Winnipeg Vancouver RETScreen RETScreen RETScreen RETScreen 36 138 37 158 33 243 37 888 Zmierzone Zmierzone Zmierzone Zmierzone 35 490 36 922 32 926 39 016 1,8 0,6 1,0-3,0 Dobór dla 1 roku Dobór dla 10 lat * Program Bud. mieszkalny1 Louisiana Bud. mieszkalny2 Wisconsin Bud. komercyjny Nebraska Bud. mieszkalny1 Louisiana Bud. mieszkalny2 Wisconsin Bud. komercyjny Nebraska Średnia dla innych programów 266 124 141 293 129 148 RETScreen Wykreślnie 257-4% 135 9% 121-14% 257-12% 135 5% 121-18% RETScreen Energia uŝyteczna 236-11% 127 2% 132-6% 236-19% 127-2% 132-12% Wartość rzeczywista 344 29% 160 29% 141 0% 344 17% 160 24% 141-5% * Wartości doboru dla 1roku słuŝą do porównania {wewnętrznego} programu RETScreen page 72
Wnioski Systemy GPC słuŝą do ogrzewania, chłodzenia i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej Zmiany temperatury gruntu wraz z jego wilgotnością prowadzą do zwiększenia sprawności systemów pomp ciepła Koszty inwestycyjne pomp ciepła są wyŝsze, ale koszty EiK niŝsze RETScreen wyznacza: Wykres uporządkowany temperatury zewnętrznej Zapotrzebowanie dla budynku w funkcji temperatury zewnętrznej Roczne korzyści energetyczne dla ogrzewania i chłodzenia RETScreen jest narzędziem, które potrafi osiągnąć dokładność porównywalną z modelami symulacji godzinowej RETScreen znacznie obniŝa koszty opracowania wstępnego studium wykonalności page 73