Ź ródła ciepła i energii elektrycznej Ogrzewanie budynku pompą ciepła współpracującą z wodnym akumulatorem ciepła Heating of a house with a heat pump cooperative with a water heat accumulator Katarzyna Stanisz Wprowadzenie W pracy przedstawiono wyniki analizy energetycznej i ekonomicznej układu ogrzewania budynku jednorodzinnego. Układ ogrzewania zrealizowany był w oparciu o współpracę pompy ciepła z izolowanym termicznie od otoczenia wodnym akumulatorem ciepła. Akumulator ciepła gromadził ciepło w okresie letnim. Ciepło pochodziło od absorberów słonecznych. Przez część sezonu grzewczego budynek był zaopatrywany w ciepło poprzez wymianę ciepła pomiędzy akumulatorem a budynkiem bez udziału pompy ciepła. W drugiej części sezonu grzewczego, gdy temperatura wody w akumulatorze się obniżyła, do procesu ogrzewania włączona została pompa ciepła. The results of energy and economical analysis of a single family house heating system have been presented in the present thesis,. The heating system was realized on the basis of cooperation of the heat pump and the water heat accumulator which was thermally insulated from the surroundings. The accumulator collected the heat in the summer time. The heat originated from the solar absorber. For the first part of heating season, the building was supplied with heat by the heat exchange between the accumulator and the building not requiring the participation of the heat pump. For the remaining part of the heating season, when the water temperature in the accumulator lowered, the heating pump was introduced into the heating process. Współczynnik wydajności pompy ciepła jest silnie uzależniony od temperatury dolnego źródła ciepła. W instalacjach z pompami ciepła, dolnym źródłem jest zazwyczaj powietrze, grunt, woda gruntowa, ścieki, otwarte zbiorniki wodne. Z nadejściem sezonu grzewczego temperatura tych źródeł dość szybko obniża się na skutek wymiany ciepła z otoczeniem, bądź to na skutek poboru ciepła przez pompę ciepła. W prezentowanej pracy przedstawiono wyniki analizy energetycznej i ekonomicznej współpracy w celach ogrzewania (z pominięciem c.w.) pompy ciepła z wodnym akumulatorem ciepła izolowanym termicznie od otoczenia, który stanowił dolne źródło ciepła. Takie rozwiązanie umożliwia utrzymanie przez znacznie dłuższy czas wysokiej temperatury dolnego źródła ciepła i co za tym idzie znacznie wyższego współczynnika efektywności pracy pompy ciepła. Zapotrzebowanie budynku na ciepło dla celów ogrzewania Jako model klimatu otaczającego rozważany budynek, dla którego przeprowadzono obliczenia zapotrzebowania na ciepło do jego ogrzania wykorzystano dane pomiarowe temperatury zewnętrznej przedstawione w pracy [1]. Czas trwania sezonu grzewczego przyjęto 202 dni, od 7 października (279 dzień roku) do 24 kwietnia (115 dzień następnego roku). Obiektem ogrzewanym, dla którego przeprowadzono obliczenia, był budynek mieszkalny o powierzchni 140 m 2. Obliczeń zapotrzebowania na ciepło dokonano zgodnie z [6]. Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło wyniosło 23 GJ, czyli 6440 kwh/a, co klasyfikuje budynek jako niskoenergetyczny. Założono, że budynek będzie ogrzewany ciepłem z energii promieniowania słonecznego. W tym celu wykorzystano dane pomiarowe promieniowania słońca przedstawione w pracy [1]. Określenie wielkości magazynu ciepła W ciągu roku ilość dostępnego ciepła ze słońca nie jest zsynchronizowana z zapotrzebowaniem na ciepło dla celów ogrzewania, dlatego potrzebna jest sezonowa akumulacja ciepła, w celu wykorzystania zakumulowanego ciepła zimą. Do najbardziej rozpowszechnionych mediów wykorzystywanych do przechowywania energii solarnej jest woda. Wynika to przede wszystkim z faktu, że ze wszystkich czynników ma ona największą pojemność cieplną. Dodatkowymi korzyściami pochomgr Katarzyna Stanisz Instytut Politechniczny Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Krośnie 34 4/2012 www.informacjainstal.com.pl
dzącymi z jej wykorzystania, jest niska jej cena, dostępność i nietoksyczność. Wadą wody jest ograniczenie temperatury akumulacji, która musi być niższa od temperatury wrzenia. Z tych też powodów w pracy przyjęto, że akumulatorem ciepła będzie zbiornik wodny, którego maksymalna temperatura wody przed rozpoczęciem sezonu grzewczego nie może przekroczyć 85 o C [2]. Na podstawie obliczonego zapotrzebowania na ciepło dla celów ogrzewania (q bp ) [6], oraz ciepła traconego na przewodach i w akumulatorze (q str ), określono parametry konstrukcyjne możliwych do zastosowania wodnych akumulatorów ciepła [2]. Dane techniczne tych akumulatorów zestawiono w tabeli 1. Akumulatory różnią się objętością wody (pojemnością cieplną) i współczynnikami przenikania ciepła przez ich ściany, ale każdy z nich zapewnia ilość ciepła potrzebną do ogrzania budynku określoną w dalszej części artykułu. Znając parametry konstrukcyjne i techniczne wodnych akumulatorów ciepła, ilość możliwego do zgromadzenia w tym akumulatorze ciepła (q ak ), sumaryczną wartość energii promieniowania słonecznego (q ps ) [1], sprawność kolektorów (h) (na podstawie [3] przyjęto, że dla kolektora płaskiego wynosi 45%, natomiast dla kolektora próżniowego 60%), oraz w oparciu o równanie bilansu: Źródła ciepła i energii elektrycznej P w q ps h = q str + q bp = q ak [kwh] można określić wymaganą powierzchnię kolektorów słonecznych (P w ) (tabela 1). Wyznaczając całkowitą powierzchnię absorbera, należy uwzględnić straty ciepła w przewodach pomiędzy kolektorami, a akumulatorem ciepła. Orientacyjnie na każde kolejne 10 metrów długości tych przewodów powierzchnię kolektorów zwiększa się o 8-10% [4]. Istnieje jednak możliwość zastosowania znacznie lepszej izolacji cieplnej dla przewodów. Dla rozważanego obiektu wybrano kolektory próżniowe oraz przyjęto wodny akumulator ciepła o objętości 110 m 3 i współczynniku przenikania ciepła przez ścianki akumulatora U wynoszącym 0,1 W/ m 2 K (tabela 1). Akumulator o takich parametrach, współpracujący z tak dobranymi absorberami może zgromadzić około 11 450 kwh (41,2 GJ) ciepła w wodzie o temperaturze początkowej, to znaczy przed rozpoczęciem akumulacji, wynoszącej 5 o C (woda została schłodzona do tej temperatury na skutek poboru ciepła przez pompę ciepła). Przebieg procesu podnoszenia się temperatury wody (w okresie letnim) w wodnym akumulatorze ciepła przedstawia rysunek 1. Ciepło pochodziło od absorberów słonecznych. Ilość zakumulowanego ciepła jest większa od rocznego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Jest to konieczne ze względu na straty do otoczenia, które w tym przypadku wynoszą około 4 300 kwh (15,5 GJ) ( tabela 2 ). Badania przeprowadzone w AGH wykazały, że podgrzanie wody w zasobnikach przy pomocy energii promieniowania słońca doprowadza wodę do temperatury wrzenia [2]. Autorzy zwracają uwagę, aby temperatura w zbiorniku nie została przekroczona, gdyż może to przerwać obieg na skutek wyparowania wody. Badania przeprowadzone były na zbiornikach o pojemności 80 dm 3. Równanie bilansu uwzględniające energię promieniowania słońca scałkowaną w przedziale czasu, w którym ciepło jest gromadzone, sprawności konwersji energii promieniowania na ciepło i ciepła potrzebnego do podgrzania wody do temperatury 85 o C wskazuje, że jest to osiągalne również dla zbiorników o objętości znacznie większej niż 80 dm 3, w tym również takiej, jaką przyjęto do analizy. Należy zatem zaznaczyć, że zaprezentowana analiza została poprzedzona wymienionymi założeniami bilansowymi, które wymagają weryfikacji eksperymentalnej. Efektywność systemu wynosi około 60%. Sezonowe zmiany parametrów pracy układu ogrzewania budynku Na podstawie przebiegu bieżącego zapotrzebowania na ciepło ogrzewanego obiektu, czyli przebiegu poboru ciepła z akumulatora oraz strat ciepła, określono przebieg obniżenia się temperatury w akumulatorze (rysunek 2). Na zwrócenie uwagi zasługuje fakt, że zgromadzona w akumulatorze ilość ciepła pozwala w ciągu około połowy sezonu grzewczego ogrzewać obiekt ciepłem zawartym w akumulatorze bez udziału pompy ciepła, to znaczy w oparciu o wymianę ciepła wymu- Rys.1. Przebieg procesu podnoszenia się temperatury wody w akumulatorze ciepła (dolnym źródle ciepła pompy ciepła) Rys.2. Przebieg procesu obniżania się temperatury w akumulatorze wodnym (dolnym źródle ciepła pompy ciepła) Tab.1. Zależność pomiędzy objętością akumulatorów ciepła o różnych parametrach technicznych, a typem i liczbą absorberów Objętość wody w akumulatorze [m 3 ] 80 110 130 Współczynnik przenikania ciepła U przez ściany akumulatora powinien być nie większy od: [W/m 2 *K] 0,05 0,1 0,2 Możliwe do zgromadzenia ciepło q ak [kwh] 8 300 11 450 13 550 Straty ciepła q str [ kwh ] 1 860 5 010 7 110 Powierzchnia kolektorów [m 2 ] P w płaski 20 30 36 próżniowy 13 20 24 Tab. 2. Przybliżony bilans zbiornika akumulacyjnego w kształcie sześcianu o boku 4,8 m A [m 2 ] U [W/ m 2 *K] t [K] F [W] Dno 23 0,1 50 115 Boki 23*4 0,1 50 460 Góra 23 0,1 50 115 Przewody 40 0,1 50 200 Razem 890 Roczne straty ciepła 15,5 GJ www.informacjainstal.com.pl 4/2012 35
Ź szoną jedynie pompą obiegową. Około połowy sezonu grzewczego nastąpi zmiana techniki ogrzewania obiektu. Temperatura wody w akumulatorze obniży się do takiej wartości, że nie da się ogrzewać obiektu na drodze wymiany ciepła pomiędzy akumulatorem ciepła, a ogrzewanym obiektem. W tym momencie do procesu ogrzewania obiektu włączona zostaje pompa ciepła dla której akumulator będzie dolnym źródłem ciepła. W oparciu o ilość ciepła pobieraną z akumulatora ciepła możemy określić przebieg obniżania się temperatury w akumulatorze, a następnie ze wzoru (2) określić przebieg współczynnika wydajności pompy ciepła COP [5]. gdzie: T g temperatura górnego źródła ciepła, temperatura dolnego źródła ciepła. T d Przebieg wartości tego współczynnika dla całego okresu pracy pompy ciepła pokazano na rysunku 3. Średnia wartość tego współczynnika dla całego okresu pracy pompy ciepła wynosiła 6,67. Oddzielnym problemem jest osiągnięcie tak wysokiego współczynnika w standardowym wykonaniu pompy ciepła. Mając przebieg zapotrzebowania na ciepło ogrzewanego obiektu oraz przebieg współczynnika wydajności pompy ciepła możemy określić przebieg zapotrzebowania na energię elektryczną w kolejnych dniach sezonu grzewczego [5]. Przebieg ten pokazany został na rysunku 4. Pokazane na rysunkach 3 i 4 przebiegi rozpoczynają się około połowy sezonu grzewczego, to znaczy w momencie gdy do procesu ogrzewania włączona została pompa ciepła. W ciągu całego sezonu grzewczego pompa obiegowa wykorzysta: 210 dni 24 godz. 0,2 kw = 1008 kwh energii elektrycznej. Pompa ciepła pracująca w ciągu połowy sezonu grzewczego wykorzysta: Całkowity koszt ogrzewania budynku przy wykorzystaniu kolektorów słonecznych współpracujących z pompą ciepła, wyniesie: 1 kwh ciepła wykorzystanego do ogrzewania obiektu kosztuje: Tab. 3. Całkowite zapotrzebowanie na nośniki energii dla bazowego budynku oraz przybliżony jego koszt Technologia Sprawność kotła grzewczego [%] Wartość opałowa Zapotrzebowanie [na rok] Koszt ciepła [zł] Węgiel 70 6,97 kwh/kg 1,4 t 700 Gaz 80 9,97 kwh/m 3 808 m 3 1 212 Drewno 70 1900 kwh/mb 5 mb 800 Olej opałowy 90 10,5 kwh/l 682 litrów 1 910 Energia elektryczna - - 6 440 kwh 2 898 Energia elektryczna dla pompy ciepła - - 1 974 kwh 889 Ekonomiczna analiza porównawcza technologii energetycznych opartych o odnawialne źródła energii z technologiami tradycyjnymi Ważnym uzupełnieniem do scharakteryzowania koncepcji budynku zaopatrywanego w ciepło z odnawialnych źródeł energii jest analiza porów- 36 4/2012 www.informacjainstal.com.pl
nawcza technologii opartych o odnawialne źródła energii z technologiami konwencjonalnymi opartymi na spalaniu. W przeprowadzonej analizie porównawczej uwzględniono sześć sposobów zaopatrzenia budynku w ciepło. Uwzględniono następujące źródła ciepła: węgiel, gaz ziemny, drewno, olej opałowy, energia elektryczna. Ceny nośników energii przyjęto następujące: energia elektryczna 0,4 zł/kwh, gaz ziemny 1,5 zł/m 3 Rys.3. Przebieg współczynnika wydajności pompy ciepła (COP) w okresie ogrzewania obiektu z wykorzystaniem pompy ciepła (druga połowa sezonu grzewczego) Rys.4. Przebieg zapotrzebowania na energię elektryczną do zasilania pompy ciepła *energia elektryczna niezbędna do zasilania pompy ciepła, współpracującej z wodnym akumulatorem ciepła ogrzewanym za pomocą kolektorów słonecznych. Rys. 5. Porównanie kosztu 1 kwh ciepła uzyskanego za pomocą różnych technologii (uwzględniono jedynie koszty eksploatacyjne) węgiel kamienny 500 zł/ tonę, drewno 160 zł/mb, olej opałowy 2,8 zł/litr. W celu wyliczenia ceny 1 kwh ciepła pochodzącego ze źródeł konwencjonalnych, zazwyczaj bierze się pod uwagę wyłącznie cenę nośnika energii, czyli bieżące koszty ogrzewania. Nie uwzględnia się kosztów inwestycyjnych poniesionych na zakup i instalację urządzeń grzewczych. Koszty 1 kwh ciepła pochodzącego ze źródeł konwencjonalnych, umieszczone są na rysunku 5. W przypadku, gdy uwzględni się jednak koszt inwestycyjny to koszt 1 kwh ciepła wzrośnie, co widać na rysunku 6. W obliczeniach uwzględniono koszt zakupu urządzenia grzewczego rozłożonego na 20 lat. Otrzymane wyniki prostego czasu zwrotu nakładów SPBT pozwalają wnioskować, że obecnie, z ekonomicznego punktu widzenia, inwestowanie w kolektory słoneczne wraz z magazynem ciepła jest opłacalne, ale inwestycja zwraca się dopiero pod koniec okresu żywotności obiektu. Należy jednak zwrócić uwagę, że przy inwestowaniu w energetykę ekologiczną, można liczyć na pozyskanie środków z Unii Europejskiej lub niektórych instytucji krajowych. Może to zmniejszyć koszt inwestycji, a to z kolei spowoduje skrócenie czasu, po którym nastąpi zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych. Źródła ciepła i energii elektrycznej Rys. 6. Porównanie kosztu 1 kwh ciepła uzyskanego za pomocą różnych technologii ( uwzględniono koszty eksploatacyjne i inwestycyjne) Rys. 7. Okres zwrotu kapitału zainwestowanego w kolektory słoneczne wraz z akumulatorem ciepła dla dwóch trendów wzrostu cen energii elektrycznej Podsumowanie i wnioski Wykorzystanie do ogrzewania budynku pompy ciepła, współpracującej z izolowanym termicznie odpowiednio dobranym wodnym akumulatorem ciepła, pozwala zapewnić całkowitą ilość ciepła potrzebną do ogrzania budynku niskoenergetycznego w całym sezonie grzewczym. Zaproponowany sposób całkowicie eliminuje z procesu ogrzewania budynku proces spalania. Nie eliminuje jednak spalania całkowicie, ponieważ energia elektryczna jest wytwarzana w większości w elektrowniach cieplnych. Przy zaproponowanym rozwiązaniu w pierwszej połowie sezonu grzewczego obiekt był ogrzewany poprzez wymianę ciepła pomiędzy ogrzewanym obiektem, a akumulatorem ciepła bez udziału pompy ciepła. Zasilania energią elektryczną wymagała tylko pompa obiegowa, transportująca ciepło z akumulatora do obiektu za pośrednictwem www.informacjainstal.com.pl 4/2012 37
Ź cieczy, przepływającej przez wymienniki w akumulatorze i w budynku. Zaproponowane rozwiązanie pozwoliło osiągnąć bardzo wysoką wartość średnią współczynnika wydajności pompy ciepła (COP) wynoszącą 6,67. Literatura [1] Gumuła S, Stanisz K.: Warianty rozwiązań technicznych zapotrzebowania na energię elektryczną budynku niezależnego energetycznie. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, s. Konferencje, z. 26, Warszawa 2009. [2] Kaiser H. Wykorzystanie energii słonecznej. Wydawnictwo AGH. Kraków 1995. [3] Magiera J, Głuszek A. Możliwości konwersji energii słonecznej do energii cieplnej w warunkach polskich. (www.klaster.agh.edu.pl/download.php?plik=magiera.pdf) [4] Wesołowski M.: Vademecum dla przedsiębiorców. Cieczowe systemy słoneczne (http://wmzdz.pl/fileadmin/user_upload/wmzdz/publikacje/01_ Wyd_A_WEB.pdf) [5] Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, Pompy ciepła Na Tak Wydawnictwo Zawadzki 2003 [6] PN EN 13789 Metodologia obliczeń charakterystyki energetycznej budynku 38 4/2012 www.informacjainstal.com.pl