PROJEKT WSTĘPNY skojarzonego układu CWU/CO pompa ciepła-system solarny dla domu jednorodzinnego w Jarosławiu

PROJEKT WSTĘPNY skojarzonego układu CWU/CO pompa ciepła-system solarny dla domu jednorodzinnego w Jarosławiu

Charakterystyka ogólna Przedmiotem projektu jest system CWU i CO zasilany skojarzonym układem pompy ciepła i systemu solarnego, ze wspomaganiem kotłem gazowym. System będzie przystosowany do pracy w domu jednorodzinnym, o zapotrzebowaniu ciepła 121,5 kwh/(m 2 rok) i maksymalnym zapotrzebowaniu mocy cieplnej 12,6 kw, zamieszkałym przez cztery osoby. Do przygotowania CWU potrzeba w chwili obecnej 13,8 GJ/rok ciepła, co odpowiada średniej mocy 0,438 kw dla pracy ciągłej. System CO będzie zasilany zamiennie z gruntowej pompy ciepła i kotła gazowego (pompa ciepła jest głównym źródłem ciepła, kocioł gazowy załącza się, gdy nie jest możliwe utrzymanie zaprogramowanej temperatury w pomieszczeniach w przypadku niskich temperatur zewnętrznych - na skutek dużego zapotrzebowania mocy cieplnej). System CO będzie systemem niskotemperaturowym, zamkniętym, zasobnikowym z zasobnikiem w postaci bufora CO. System CWU będzie systemem centralnym zasobnikowym. CWU będzie przygotowywana w zasobniku wyposażonym w dwa wężownicowe wymienniki ciepła jeden połączony z systemem solarnym, drugi z pompą ciepła/kotłem gazowym. Instalacja będzie wykonana z miedzi, kolektory płaskie, pompa ciepła glikol/woda z gruntowym wymiennikiem poziomym, kocioł gazowy (istniejący) o mocy 16 KW. Pompa ciepła, bufor i zasobnik CWU będą umieszczone w pomieszczeniu kotłowni, zaś kolektory na dachu budynku. Opis działania Schemat systemu CWU i CO zasilanego skojarzonym układem pompy ciepła i systemu solarnego, ze wspomaganiem kotłem gazowym jest przedstawiony na schemacie 1.

KS ST-SS ZAS -CWU zimna woda PP ST-PC K GAZ DZ-PC ST-K GAZ OGRZEW. NISKOT. BUFOR-CO

Kolektor słoneczny (KS) podgrzewa w okresie operacji słonecznej glikol propylenowy, który przy pomocy wymiennika wężownicowego umieszczonego w zasobniku CWU (ZAS-CWU) oddaje ciepło do zgromadzonej tam wody. Podgrzana woda jest gromadzoną w zasobniku CWU. Częściowo schłodzony w wężownicy glikol propylenowy oddaje dodatkowo ciepło w płytowym wymienniku ciepła do czynnika zasilającego parownik pompy ciepła. W przypadku, gdy uzyski słoneczne są na niskim poziomie układ systemu solarnego zostaje odłączony (sterownik układu solarnego (ST-SS) wyłącza pompę w obiegu glikolu propylenowego oraz zamyka przepływ czynnika zasilającego parownik pompy ciepła przez wymiennik płytowy, kierując go bezpośrednio do parownika z dolnego źródła pompy ciepła przy pomocy zaworu trójdrogowego). Sterownik jest wysterowany przy pomocy czujnika temperatury w kolektorze i zasobniku. Glikol propylenowy przepływając przez gruntowy wymiennik ciepła odbiera ciepło z gruntu i jest transportowany przy udziale pompy obiegowej do parownika pompy ciepła (PC). Pompa ciepła jest głównym źródłem ciepła dla systemu CO oraz w okresach braku energii solarnej źródłem ogrzewania CWU (dla okresów z odpowiednimi uzyskami solarnymi jest źródłem wspomagającym system CWU poprzez dogrzewanie wody w górnej części zasobnika na drodze wymiany ciepła w wężownicy umieszczonej w zasobniku CWU). Woda podgrzana w pompie ciepła jest kierowana do wężownicy w zasobniku CWU oraz bufora CO (zasobnika) przy pomocy pompy obiegowej. W przypadku braku możliwości zapewnienia odpowiedniej mocy cieplnej (w okresie ekstremalnie niskich temperatur) sterownik pompy ciepła (ST-PC) przełącza zawór trójdrogowy w pozycję załączającą kocioł gazowy (K GAZ). Sterownik ten jest połączony ze sterownikiem kotła, którego zadaniem jest m.in. odcinanie obiegu CO poprzez zamkniecie zaworu na wlocie do zasobnika CO i wyłączenie pompy obiegowej w układzie CO (np. w lecie). Sterownik kotła jest wysterowany przy pomocy czujników temperatury w pomieszczeniach, z których sygnał jest także przekazywany do sterownika pompy ciepła oraz czujnikiem temperatury zewnętrznej (wyłączenie pompy dla niskich temperatur), który może sterować tymi samymi procesami poprzez sterownik kotła. Dobór urządzeń do systemu W obliczeniach dla systemu solarnego posługuję się zaleceniami firmy Aparel i Viessman. W pierwszym przypadku przy średnim dziennym rozbiorze CWU (60-80 l/osobę/dzień) liczba kolektorów płaskich (o powierzchni 2,33 m 2 ) przypadająca na 1 osobę powinna wynosić 0,6, co daje dla rodziny 4 osobowej 3 kolektory. Objętość zasobnika powinna

wynosić 240-320 l. Zgodnie z zaleceniami Viessmana maksymalny dzienny uzysk ciepła z 1 m 2 kolektora płaskiego wynosi 3,5 kwh/m 2, co odpowiada ilości ciepła niezbędnego do podgrzania 60 litrów wody od temperatury 10 do 60ºC. Minimalna powierzchnia kolektora płaskiego wymagana do przygotowania CWU (70 l/os wody dziennie) wynosi 70*4/60 = 4,67 m 2, co odpowiada 3 kolektorom płaskim (łączna powierzchnia około 6 m 2 ). Dla powierzchni kolektorów 6 m 2, w celu uniknięcia przegrzania, wymagany jest zasobnik o objętości 6*60 = 360 m 2. Ostatecznie ustalam liczbę kolektorów płaskich równą 3 i objętość zasobnika CWU na około 360 l. Doboru wymaga także orurowanie, pompa obiegowa, zawór bezpieczeństwa oraz naczynie wzbiorcze. Zgodnie z zaleceniami firmy Aparel średnica zewnętrzna rury miedzianej zależy od liczby kolektorów i tak dla 1-6 sztuk powinna ona wynosić 18 mm. W przypadku pompy obiegowej systemu solarnego powinny być zapewnione następujące parametry: Pompa obiegowa powinna móc pracować w trybie ciągłym w zakresie temperatur glikolu 20 C 120 C, oraz chwilowo w zakresie temperatur płynu do 150 C; Prędkość przepływu czynnika grzewczego powinna zawierać się w przedziale 0,3-0,5 m/s, a strumień przepływu od 60-120 dm /h (1 2 dm /min/kolektor); Obieg solarny powinien być tak zabezpieczony naczyniem wzbiorczym, aby przy maksymalnej temperaturze obiegu kolektorowego czynnik grzewczy nie był wyrzucony przez zawór bezpieczeństwa, który dla układów solarnych powinien zadziałać przy ciśnieniu 6 bar. Ma to miejsce, gdy pojemność naczynia wzbiorczego jest w przybliżeniu równa pojemności obiegu pierwotnego tj. sumie pojemności kolektorów, rurociągu i wymiennika ciepła zostanie ona obliczona później. W projekcie zakładam, że pompa ciepła powinna zapewnić około 95% zapotrzebowania obliczeniowej mocy cieplnej tj. 0,95*12,6 kw = 11,97 kw powiększonej o moc potrzebną dla przygotowywania CWU (0,438 kw), czyli mieć moc około 12,5 kw. Dla zapewnienia takiej mocy potrzeba około 12*50 m 2 = 6 ar działki Ze względu na zastosowanie pompy ciepła układ grzewczy będzie składał się z grzejników niskotemperaturowych. Ponadto wysokość podnoszenia każdej pompy musi być co najmniej równa różnicy wysokości geometrycznych między najniżej i najwyżej położonymi punktami obiegu powiększona o straty w obiegu.

Wybór urządzeń Do montażu wybieram kolektory SIRIUS PLUS SWS-2304 firmy NIBE-BIAWAR, o specyfikacji poniżej. Wymiennik CWU pełniący rolę zasobnika dobieram na pojemność 400 l typ W-E400.82, o specyfikacji podanej w tabeli, z oznaczeniami jak na rysunku.

Jako sterownik wybieram sterownik kolektora słonecznego Solaris 922. Regulator Solaris 922 jest zaawansowanym regulatorem do sterowania pracą układu solarnego. Podstawowe cechy tego regulatora są następujące: - możliwość sterowania pompą obiegową w sposób płynny - regulator steruje płynnie pompą, co pozwala na ekonomiczne wykorzystanie energii solarnej (energia może być odzyskiwana z kolektora słonecznego nawet przy niesprzyjających warunkach pogodowych). - regulator jest wyposażony w algorytmy chroniące kolektor i zasobnik, co daje możliwość zabezpieczenia układu przed przegrzaniem kolektora (a co za tym idzie zatrzymania ładowania zasobnika) lub przegrzaniem zasobnika. - zastosowanie specjalizowanego wyświetlacza w znaczny sposób ułatwia obsługę regulatora. Pozwala w prosty sposób ustalić, który schemat pracy jest realizowany oraz jakie są parametry układu. - dzięki dodatkowym wyjściom regulator może sterować rozbudowanymi układami, przy czym schemat pracy realizowany przez regulator jest wybierany przez użytkownika.

Jako pompę ciepła wybieram HT E PLUS 14 serii Greenline norweskiej firmy ITV. Dane techniczne tej pompy zebrane są w tabeli. Moc cieplna tej pompy przy parametrach 0/50C wynosi 13,9 kw przy mocy zasilania 4,2 kw. Maksymalna temperatura górnego źródła zapewnia otrzymanie CWU o temperaturze do 60 C. W celu zapewnienia odpowiedniego przepływu wody przez pompę ciepła oraz instalację grzewczą należy zastosować zbiornik buforowy pełniący rolę sprzęgła hydraulicznego i akumulatora ciepła. Zbiornik buforowy pełni kilka zadań:

- rozdziela przepływy objętościowe obiegu pompy ciepła gdzie wymagane jest utrzymanie różnicy temperatur na poziomie 5-7 C i obiegu grzewczego gdzie różnica temperatur może wahać się nawet o 15 C - pozwala na gromadzenie energii w okresach gdy energia elektryczna jest tańsza (taryfa nocna) - eliminuje częste włączanie i wyłączanie się pompy ciepła w okresach niskiego zapotrzebowania w energię cieplną zwiększając trwałość wszystkich jej elementów - zabezpiecza pompę ciepła przed nadmierną temperaturą powrotu wody Zgodnie z danymi firmy SOLIS dobór zbiorników buforowych liczony jest na poziomie 20-30 l na 1kW mocy grzewczej pompy ciepła. Stąd zbiornik w omawianym przypadku powinien mieć pojemność 280-420 l. Wybieram zbiornik buforowy o pojemności 300 l, nieemaliowany, typ SG(B), ocieplony pianką poliuretanową produkcji firmy Galmet o wysokości 1370 mm i średnicy 700 mm. Wybieram wymiennik płytowy IC8THx20 o mocy 4 kw firmy Ferro wymiary wymiennika 311/111/40 mm. Lokalizacja urządzeń Pompa ciepła, bufor, zasobnik CWU, kocioł gazowy, pompy obiegowe oraz sterowniki będą umieszczone w pomieszczeniu kotłowni jak na schemacie, zaś kolektory na dachu budynku. Połączenie kolektora z zasobnikiem będzie zrealizowane rurami miedzianymi w wolnym przewodzie wentylacyjnym. Wysokość pomieszczenia kotłowni wynosi 2,2 m, zaś wysokości poszczególnych urządzeń wynoszą zasobnik CWU 1,633m; pompa ciepła -1,520 m, bufor CO 1,370 m. Wymiary poziome poszczególnych urządzeń są następujące: Zasobnik CWU - 0,725 m; pompa ciepła 0,6x0,6 m; bufor CO -0,7 m, wymiennik płytowy 0,311x0,04m. Materiały Dla realizacji systemu solarnego potrzeba rury miedzianej miękkiej 18mmx1m o sumarycznej długości 2x7m (odcinek w wentylacji) + 2x2 m (odcinek na dachu) + 2x1,5 m (odcinek zasobnik-wymiennik płytowy) = 21 m oraz około 12 kolanek miedzianych. Do realizacji podłączenia bufora CO z pompy ciepła potrzeba 2x2 m rury miedzianej miękkiej

28mmx1m, do podłączenia płytowego wymiennika ciepła 2x3 m rury miedzianej miękkiej 28mmx1m, do podłączenia zasobnika CWU 2x3 m rury miedzianej miękkiej 28mmx1m łącznie 16 m. Potrzeba także około 20 kolanek Dla podłączenia kotła gazowego do zasobnika CWU i bufora potrzeba 5 m rury miedzianej miękkiej 28mmx1m oraz około 6 kolanek. Potrzeba także dwa zawory trójdrogowe sterowane elektronicznie przyłącza 28mm, około 17 zaworów przelotowych w tym sterowane elektronicznie (jak na schemacie), około 5 trójników 28mm. Obliczenia hydrauliczne 1. Obliczenia pompy solarnej Wysokość podnoszenia pompy jest sumą różnicy geometrycznych wysokości górnego punktu przyłączeniowego kolektora i najniższego punktu obiegu solarnego (wynosi 7,5m)

oraz strat liniowych i lokalnych. Wysokość start na długości obliczamy ze wzoru Darcy-Weisbacha, przy założeniu przepływu laminarnego 2 l v 32µ h dl = λ = 2 d lv 2g gd gdzie µ -współczynnik lepkości roztworu solarnego glikolu propylenowego, zależna istotnie od temperatury maleje z jej wzrostem (przyjmuję wartość 5 mm 2 /s dla płynu R1 firmy Roth dla niekorzystnych warunków tj. w średniej temp. instalacji 0C) l - całkowita długość przewodów solarnych (l=21 m) g =9,81 m/s 2 przyspieszenie ziemskie d- średnica wewnętrzna rurociągu (d=0,016m) ν - prędkość płynu solarnego w układzie (średnio 0,4 m/s) Wynik obliczeń h dl = 0,86 m Straty lokalne występują na kolankach, zaworach, w wymienniku wężownicowym, wymienniku płytowym oraz w kolektorze. Wysokość tych strat wynosi 2 v h m = ξ 2g gdzie ξ- współczynnik strat miejscowych dla kolanka R/d =1 ξ=0,29; dla zaworu przelotowego ξ=0,6 2 2 2 h v 0,4 0,4 = ξ = 12*0,29 + 3*0,6 = 0, m m 2g 2* 9,81 2* 9,81 04 Strata na kolektorze jest podana przez producenta jako p k = 1,6 mbar = 0,0016 bar = 1,6*10 3 Pa, co odpowiada wysokości strat p k /(ρg) = 1,6*10 3 /(1034*9,81) = 0,157 m Strata ciśnienia na wymienniku wężownicowym p k = 0,11 bar = 1,1*10 4 Pa, co odpowiada wysokości strat p k /(ρg) = 1,1*10 4 /(1034*9,81) = 1,08 m. Strata na wymienniku płytowym p k = 0,06 bar = 0,6*10 3 Pa = 0,6 kpa, co odpowiada wysokości strat p k /(ρg) = 0,59 m. Łączna wysokość strat lokalnych wynosi 3*0,157 + 1,08 + 0,59 = 2,14 m. Wysokość podnoszenia pompy solarnej wynosi 2,14 m, co odpowiada ciśnieniu pompowania p k = ρgh = 0,22 bar Wybieram pompę Grundfos UPS 25-40 o parametrach :

Moc - 25/35/45 W (3 biegowa ręczna regulacja prędkości) Zasilanie - 230 V Max. ciśnienie robocze - 10 bar Długość montażowa - 180 mm Wielkość przyłącza rurowego - 1" Temperatura cieczy- od 2C do 140C Wysokość podnoszenia słupa wody - 4 metry Waga 2,3 kg 2. Dobór naczynia wzbiorczego Objętość układu = objętość rur miedzianych + pojemność kolektorów + wężownicy + wymiennika płytowego = 3,14*(0,016/2) 2 *21 [m 3 ]+ 3*1,07 [l]+ 3,83 [l] + 1,24 [l]= 12,5 litra. Naczynie wzbiorcze powinno mieć więc około 15 litrów. 2. Pompa układu CO przed buforem Wysokość geometryczna wynosi 1,1 m (różnica miedzy wlotem do bufora a najniżej położonym punktem układu). Straty liczymy analogicznie jak poprzednio (lokalne i na długości). Łącznie wysokość podnoszenia pompy H = 1,52 m