Informacja o pracy dyplomowej 1. Nazwisko i Imię: Duda Dawid adres e-mail: Duda.Dawid1@wp.pl 2. Kierunek studiów: Mechanika I Budowa Maszyn 3. Rodzaj studiów: inżynierskie 4. Specjalnośd: Systemy, Maszyny i Urządzenia Energetyczne 5. Katedra dyplomująca: Katedra Techniki Cieplnej 6. Promotor pracy: dr inż. Waldemar Targaoski 7. Recenzent pracy: dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG 8. Termin obrony: 18.03.2010 r. 9. Ocena pracy dyplomowej: 10. Temat pracy dyplomowej: Projekt koncepcyjny systemu ogrzewania wolnostojącego budynku mieszkalnego z wykorzystaniem sprężarkowej pompy ciepła, z odzyskiem ciepła z wentylacji mechanicznej.
Spis treści Wstęp 3 1. Pompa ciepła zasada działania i dolne źródła ciepła 5 1.1. Zasada działania pompy ciepła 5 1.2. Dolne źródła ciepła 8 1.2.1. Woda 9 1.2.2. Grunt 10 1.2.3. Powietrze atmosferyczne 11 2. Techniczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania pompy ciepła w układzie ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych 13 2.1. Ogrzewanie obiektu 13 2.2. Przygotowanie ciepłej wody użytkowej obiektu 14 2.3. Całkowite koszty ogrzewania C c obiektu 15 2.3.1. Koszty paliwa 15 2.3.2. Koszty wytwarzania ciepła C w 16 2.3.3. Koszty związane z amortyzacją urządzenia (kapitałowe) C k 16 2.4. Porównanie systemów. 16 3. Odzysk ciepła w układzie wentylacji 20 3.1. Metody odzysku ciepła w układzie wentylacji. 21 3.1.1. Recyrkulacja powietrza 21 3.1.2. Regeneracyjny obrotowy wymiennik ciepła 22 3.1.3. Krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła 23 3.1.4. Przeciwprądowy wymiennik ciepła 23 3.1.5. Spiralny wymiennik ciepła 24 4. Obiekt ogrzewany i układ jego wentylacji 25 5. Określenie zapotrzebowania na ciepło 31 5.1. Straty ciepła przez przenikanie 31 5.2. Straty ciepła na wentylację 34 5.3. Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania ciepłej wody użytkowej 35 5.4. Projektowe obciążenie cieplne budynku 36 6. Projekt koncepcyjny układu ogrzewania 37
7. Dobór elementów instalacji 39 7.1. Pompa ciepła 39 7.2. Dolne źródło ciepła 40 7.3. Górne źródło ciepła 43 8. Ocena techniczno ekonomiczna zaproponowanego układu 47 Podsumowanie 51 Bibliografia 53 Wstęp Niniejsza praca inżynierska stanowi projekt systemu ogrzewania wolnostojącego budynku mieszkalnego z wykorzystaniem sprężarkowej pompy ciepła z poziomym kolektorem gruntowym w dolnym źródle ciepła oraz z rozprowadzeniem ciepła w obiekcie za pomocą układu ogrzewania podłogowego. Oprócz ogrzewania pomieszczeń system dostarcza energię do ogrzania ciepłej wody użytkowej. Praca składa się z ośmiu rozdziałów, z których pierwsze dwa omawiają rozwiązania układów ogrzewania mające zastosowanie w wolnostojących budynkach jednorodzinnych. W rozdziale pierwszym omówiona została zasada działania pompy ciepła oraz rodzaje dolnych źródeł ciepła wykorzystywanych w obiektach o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło. Wady i zalety stosowania pomp ciepła dla podobnych budynków opisano w rozdziale drugim. W tym miejscu porównano również wybrane systemy grzewcze z kotłownią olejową, gazową oraz ogrzewaniem elektrycznym. W rozdziale trzecim omówiono sposoby realizacji odzysku ciepła w układzie wentylacji mechanicznej. Wentylacja taka zapewnia dostateczną ilość świeżego powietrza niezależnie od pory roku i warunków atmosferycznych, a zainstalowanie urządzenia do odzysku ciepła zmniejsza zapotrzebowanie budynku na ciepło. W rozdziale czwartym opisano obiekt i zaprojektowano układ jego wentylacji, natomiast w piątym określono zapotrzebowanie cieplne budynku przy projektowej temperaturze zewnętrznej dla pierwszej strefy klimatycznej w Polsce. Rozdział szósty poświęcony jest koncepcji układu ogrzewania, do którego w rozdziale siódmym dobrane zostały poszczególne elementy instalacji.
Natomiast w rozdziale ósmym dokonano oceny techniczno ekonomicznej zaproponowanego układu w porównaniu z instalacją grzewczą opartą na kotle olejowym. W przedstawionej pracy zwrócono uwagę na aspekt techniczno ekonomiczny wykorzystania sprężarkowej pompy ciepła w celu ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych. Należy jednak zwrócić uwagę, że oprócz korzyści ekonomicznych wynikających ze stosowania takich instalacji, jest to stosunkowo mało uciążliwy dla środowiska naturalnego sposób na pozyskiwanie ciepła. W XXI wieku ma to niebagatelne znaczenie, a tendencje w rozwiązywaniu układów ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej w Europie i Polsce wskazują na zdecydowany rozwój tego typu proekologicznych trendów. Podsumowanie Zastosowanie instalacji grzewczej opartej na pompie ciepła dla analizowanego obiektu ma niewątpliwie wiele zalet, a kierunek rozwoju techniki grzewczej w Polsce i Europie wskazuje, że można spodziewać się znacznego wzrostu popularności tego typu instalacji w budownictwie mieszkalnym i nie tylko. Zasadniczymi zaletami są niski koszt eksploatacji, brak konieczności uzupełniania paliwa oraz brak emisji zanieczyszczeń w miejscu zainstalowania pompy ciepła. Najpoważniejszą wadą tego systemu jest koszt inwestycyjny, na który składa się wykonanie dolnego i górnego źródła ciepła oraz wykonanie kotłowni, której najkosztowniejszym elementem jest pompa ciepła. Ze względu na obniżenie kosztów inwestycyjnych w niniejszej pracy zaprojektowano spiralny gruntowy wymiennik ciepła. Uwarunkowania topograficzne dla wybranego obiektu umożliwiły takie rozwiązanie, nie zawsze jednak jest ono możliwe do zrealizowania. Należy wtedy rozważyć, jaki rodzaj dolnego źródła ciepła zastosować w konkretnym przypadku. Pionowy wymiennik gruntowy jest nieco droższy w realizacji, ale użytkownik nie jest ograniczony m. in. wielkością działki. Gruntowe wymienniki ciepła są często stosowane ze względu na stosunkowo dobre własności przewodzenia ciepła gruntu oraz niewielkie wahania temperatury w skali roku. Rozważany obiekt położony jest na terenie, gdzie jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu q e = 20 W, co jest dobrym uwarunkowaniem dla wymienników poziomych. m 2
Aby pompa ciepła działała ekonomicznie, różnica temperatury skraplania i parowania w lewobieżnym układzie termodynamicznym powinna być jak najmniejsza. Użytkownik ma niewielki wpływ na temperaturę dolnego źródła ciepła, ale zastosowanie odpowiedniego systemu rozprowadzenia ciepła w budynku pozwala obniżyć temperaturę źródła górnego. Spośród niskotemperaturowych górnych źródeł ciepła najlepszy rozkład temperatury dla osób przebywających w pomieszczeniach ma ogrzewanie podłogowe. Jego popularność jest również uwarunkowana łatwiejszym, szybszym montażem, co przyczynia się do niższych kosztów instalacji. W rozważanym obiekcie temperatura zasilania pętli ogrzewania podłogowego wynosi T zas = 35, a temperatura powrotu T pow = 25. Dzięki ułożeniu rur ogrzewania podłogowego w układzie ślimakowym, średnia temperatura dwóch sąsiednich rur jest jednakowa, co pozwala osiągnąć równomierny rozkład temperatury podłogi. Zapotrzebowanie na moc grzewczą dla analizowanego budynku zależy od temperatury zewnętrznej, a maksymalną projektową wartość osiąga jedynie podczas kilku dni sezonu grzewczego. Z tego względu opłacalny jest dobór pompy ciepła na mniej niż 100% zapotrzebowania cieplnego budynku. Dodatkowym źródłem ciepła jest grzałka elektryczna, dzięki czemu szczytowe źródło ciepła stanowi niewielki koszt inwestycyjny. Wybrana pompa ciepła firmy Stiebel Eltron o symbolu WPF 5 E pokrywa 93% zapotrzebowania cieplnego rozważanego obiektu. Jej wydajność cieplna w warunkach obliczeniowych kształtuje się na poziomie 5,8 kw, podczas gdy wyliczone zapotrzebowanie budynku na moc cieplną wynosi 6,2 kw. Tą stosunkowo niską wartość uzyskano dzięki wykorzystaniu układu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. W porównaniu z innymi systemami ogrzewania w przyjętym 20-letnim okresie eksploatacji pompa ciepła jest najbardziej ekonomiczna i w przypadku analizowanego obiektu generuje oszczędność 50800 PLN w stosunku do instalacji opartej na kotle olejowym. Oznacza to okres zwrotu instalacji w siódmym sezonie grzewczym.