POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Chłodnictwo Katedra Techniki Cieplnej Czy w warunkach polskich uzasadnione jest pod względem ekonomicznym stosowanie do ogrzewania pompy ciepła w systemie monowalentnym czy biwalentnym? Wykonali: Michalik Przemysław Kosiński Mariusz SMiUE Gdańsk 2008
Spis treści 1. Podstawowe pojęcia... 3 2. Wykorzystanie i kryteria decydujące o wyborze systemu ogrzewania z pompą ciepła... 5 3. Podsumowanie... 8 Literatura:... 9
1. Podstawowe pojęcia Pompa ciepła jest urządzeniem wymuszającym przepływ ciepła z obszaru o niŝszej temperaturze do obszaru o temperaturze wyŝszej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła spręŝarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych). Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w: gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamraŝarki) przetwórstwie spoŝywczym (chłodnie, zamraŝalnie, fabryki lodu) klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń) chłodnictwie ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza) W chłodziarkach i zamraŝarkach ciepło jest "wypompowywane" z przechowywanych produktów (co obniŝa ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamraŝarka. Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń "wypompowuje" ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia. Zasada działania spręŝarkowej pompy ciepła. Nazwa "pompa ciepła" jest uŝyta przez analogię do nazwy powszechnie znanej "pompy hydraulicznej" pompującej ciecz (najczęściej wodę) z niŝej połoŝonego zbiornika do zbiornika połoŝonego wyŝej. Zarówno "pompa hydrauliczna" jak i "pompa ciepła" potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyŝszej temperatury do niŝszej), przepływ tego ciepła moŝe być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby "zmusić" ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niŝszej do wyŝszej) naleŝy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji "pompa ciepła" i "silnik cieplny" mogą być jednym urządzeniem, podobnie jak jednym urządzeniem mogą być pompa
hydrauliczna i silnik hydrauliczny (np. turbina Kaplana) w elektrowni szczytowo-pompowej. SpręŜarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez roboczy czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, spręŝony dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), w którym czynnik odparowuje i trafia do spręŝarki, gdzie rośnie energia wewnętrzna czynnika (a więc i temperatura), a następnie w skraplaczu oddaje ciepło (górne źródło ciepła) skraplając się i przez zawór dławiący lub rurkę kapilarną, trafia z powrotem do parownika. Pompy ciepła wykorzystują ciepło niskotemperaturowe (o niskiej energii) (w praktyce 0 C - 60 C), trudne do innego praktycznego wykorzystania. Systemy z pompami ciepła 1. System monowalentny jest to system w którym jako źródło ciepła wykorzystuje się tylko jedno urządzenie, np. pompa ciepła, kocioł gazowy itp., bez dodatkowych urządzeń. 2. System biwalentnym jest systemem wykorzystujący dwa lub więcej źródeł ciepła do ogrzania tego samego obiektu. Źródła te są ze sobą sprzęŝone poprzez układy elektroniczne i mogą pracować jednocześnie lub pojedynczo w zaleŝności od zapotrzebowania na ciepło. Często spotykanym systemem biwalentnym jest połączenie pompy ciepła z grzałką elektryczną lub kotłem gazowym. Pompa ciepła pokrywa główne zapotrzebowanie na ciepło, w momencie kiedy zapotrzebowanie to przewyŝsza moŝliwości pompy dołącza się automatycznie drugie źródło ciepła.
2. Wykorzystanie i kryteria decydujące o wyborze systemu ogrzewania z pompą ciepła Pompy ciepła powoli zaczynają się pojawiać na polskim rynku i cieszą się coraz większa popularnością, 40% budujących rozwaŝa moŝliwość zastosowania pompy ciepła. Prognozy na przyszłość są obiecujące ze względu na modernizację ogrzewania w starych budynkach. W Europie instaluje się pompy ciepła w 30-50% nowych budynków. Większość inwestujących decyduje się na instalację pompy ciepła ze względu na: Wzrost cen baryłek ropy naftowej Rosnące ceny gazu ziemnego, węgla oraz innych paliw Względy ekologiczne Niskie koszty eksploatacyjne Kryteria i zalecenia jakie naleŝy zbadać przed instalacją pompy ciepła Dostępność dolnego źródła ciepła Odpowiednia izolacyjność budynku Niskotemperaturowy system ogrzewania zainstalowany wewnątrz budynku NaleŜy takŝe: Przeprowadzić rachunek ekonomiczny pozwalający na instalację optymalnego systemu grzewczego Uwzględnić czas eksploatowania danej instalacji Sumaryczny koszt eksploatacji systemu biwalentnego składa się z kosztów: - energii elektrycznej Bep - paliwa gazowego Bek - kapitałowych pompy ciepła Bkap-p - kapitałowych kotła Bkap-k Proporcjonalne koszty wytwarzania przyjęto 8% kocioł, 5% pompa ciepła, koszty utrzymania 2% kosztów inwestycyjnych,
Roczny koszt eksploatacyjny: Bsb= Bkap-p+ Bkap-k+ 1.05Bep+ 1.08Bek+ 0.02(Bp+Bk) Dla przykładu podajemy porównanie kosztów ogrzewania domku ok. 300m2, dla róŝnych źródeł ciepła w Polsce: Do określenia rocznych kosztów eksploatacyjnych dla systemu grzewczych naleŝy obliczyć całkowitą ilość ciepła Qc, zuŝytego w ciągu roku na potrzeby centralnego ogrzewania i ogrzania ciepłej wody uŝytkowej: Qc=365*Qewu+ Qcoi*T Qewu dzienne zapotrzebowanie energii na podgrzanie c.w.u. Qcoi obciąŝenie cieplne na ogrzewanie budynku w i-tym przedziale temperaturowym T czas trwania i-tego przedziału temperaturowego
Pompa ciepła w systemie biwalentnym, w najlepszym przypadku powinna zajmować 60% zapotrzebowania ciepła dla najzimniejszych dni w sezonie grzewczym, resztę zapotrzebowania zapewniać powinien np. kocioł gazowy, olejowy itp. Roczny koszt eksploatacji system rozdzielony pompa ciepła P-W z konwencjonalnym kotłem gazowym lub z kondensacyjnym kotłem gazowym dla róŝnych obciąŝeń minimalnych
3. Podsumowanie Optymalne z punktu ekonomicznego rozwiązanie powinno zmierzać do zastosowania układu biwalentnego, indywidualnie projektowanego dla kaŝdej inwestycji. W przypadku instalacji o małych nominalnych obciąŝeniach cieplnych rozwaŝyć naleŝy stosowanie układu z PC pow woda. W obiektach o duŝych wartościach nominalnych obciąŝeń cieplnych lepsze są pompy ciepła grunt woda pracujące cyklicznie w taryfie nocnej. W przypadku rozpatrywanych konfiguracji układów biwalentnych wraz ze wzrostem nominalnego obciąŝenia cieplnego minimum kosztów dla wybranego układu pracy przesuwa się w kierunku większego wykorzystania urządzeń o niŝszych kosztach wytwarzania energii czyli pomp ciepła
Literatura: Artykuł Analiza techniczna i optymalizacja ekonomiczna biwalentnego systemu pompa ciepła- kocioł gazowy, dr inŝ. J. śelasko, mgr inŝ. A. Łachut, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 10/2007 Artykuł Ocena techniczno-ekonomiczna stosowania pomp ciepła w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych część 1 i 2, mgr inŝ. J. Sieniuc, dr inŝ. Z. Bonca, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 9 i 10/2005 Artykuł wstępny Pompy ciepła w ogrzewaniu budynków mieszkalnych, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 9/2007 Artykuł Zastosowanie pompy ciepła w budownictwie jednorodzinnym, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 3/2002 Dom energooszczędny z pompą ciepła http://www.solarshop.pl/solarshop/gfx/s12.gif http://www.dom4you.republika.pl/wykres300.jpg http://www.ogrzewnictwo.pl/index.php?akt_cms=155&cms=325