OBLICZENIA HYDRAULICZNE, CHŁODZENIE POMPĄ CIEPŁA, COP, SCOP, SPF I ANALIZA PRACY. dr inż. Natalia Fidorów-Kaprawy Wymienniki poziome 1
Sondy pionowe PRZEPŁYWY W ŹRÓDLE CIEPŁA 1 Przepływ nominalny przez pompę ciepła po stronie solanki (z danych technicznych) 2 Przepływ nominalny przez pompę ciepła (z danych technicznych) t = 5 K (max. 7 K) 3 Przepływ nominalny przez pompę ciepła (z danych technicznych) 4 Przepływ wynikający z obliczeń t = 10 K 1 2 4 3 2
OBLICZENIA HYDRAULICZNE, RÓWNOWARZENIE PRZEPŁYWÓW W ŹRÓDLE Obliczenia podobne jak w przypadku innych instalacji grzewczych. Pompy obiegowe (7 i 8) dobieramy na straty ciśnienia od najbardziej niekorzystnie położnego odbiornika do bufora. Jeżeli nie zastosujemy bufora, uwzględniamy straty do pompy ciepła włącznie. Przy doborze pompy obiegowej źródła (4) bierzemy pod uwagę obieg o większych stratach ciśnienia (tu ), a na drugim obiegu dobieramy ręczny zawór równoważący. DOBÓR ZAWORU NADMIAROWO-UPUSTOWEGO Zawór upustowo-różnicowy jest stosowany w systemach zmiennoprzepływowych (np. instalacje z zaworami termostatycznymi lub zaworami dwudrogowymi wyposażonymi w siłowniki). Zapewnia przepływ cyrkulacyjny proporcjonalny do liczby zamkniętych zaworów, jednocześnie ograniczając maksymalne ciśnienie różnicowe w obiegu. 3
DOBÓR ZAWORU NADMIAROWO-UPUSTOWEGO Dobór pompy obiegowej Parametry pracy: Wysokość podnoszenia H = 25,1 kpa Strumień: Q = 2 m 3 /h (~ 2000 l/h) Sposób pracy: Ze stałą prędkością obrotową!!! Minimalny przepływ przez skraplacz Odczytany z karty katalogowej pompy ciepła: 1500 l/h DOBÓR ZAWORU NADMIAROWO-UPUSTOWEGO BPV firmy IMI TA DN 25 nastawa 25* Początek otwarcia: 25 kpa Wysokość podnoszenia pompy przy wydajności 1,5 m 3 /h 29 kpa Przepustowość ZNU: 600 l/h (za mało!!!) Hydrolux firmy IMI TA DN 20 nastawa 250 mbar Początek otwarcia: 25 kpa Wysokość podnoszenia pompy przy wydajności 1,5 m 3 /h 29 kpa Przepustowość ZNU: 2000 l/h 4
CHŁODZENIE AKTYWNE Chłodzenie aktywne polega na odwróceniu obiegu pompy ciepła (za pomocą zaworu 4-drogowego zamienia się funkcjami skraplacz i parownik) W powietrznych pompach ciepła w taki sam sposób może następować odszranianie parownika Schemat działania odwracalnej pompy ciepła w trybie: ogrzewania (a), chłodzenia (b) PASYWNE CHODZENIE POMPĄ GRUNTOWĄ Podczas chłodzenia pasywnego nie używa się sprężarki Czynnik krążący w instalacji ogrzewania podłogowego jest schładzany w wymienniku zasilanym z drugiej strony glikolem z wymiennika gruntowego System zużywa jedynie niewielka ilość energii elektrycznej do napędu pomp obiegowych Jego moc jest ograniczona Schemat działania instalacji chłodzenia pasywnego z zastosowaniem ogrzewania podłogowego 5
PASYWNE CHODZENIE POMPĄ GRUNTOWĄ Chłodzenie pasywne zasilane gruntową pompą ciepła może być realizowane za pomocą instalacji podłogowej służącej do ogrzewania w zimie lub za pomocą innej instalacji (sufity chłodzące, klimakonwektory) Temperatura czynnika zasilającego chłodzenie powierzchniowe jest ograniczona, ponieważ nie można na powierzchni podłogi lub sufitu dopuścić do kondensacji pary wodnej z powietrza OGRZEWANIE Z GWC 6
CHŁODZENIE Z GWC OKREŚLANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW EFEKTYWNOŚCI POMP CIEPŁA Medium źródła / odbiornika B = Brine (ang. solanka) W = Water (ang. woda) A = Air (ang. powietrze) COP 4,0 (B0/W35) COP 3,0 (A2/W35) COP 3,3 (B0/W50) COP 2,8 (A2/W50) EER = Q CH / Q EL COP=Q GRZ / Q EL Q GRZ = Q CH + Q EL COP=(Q CH +Q EL )/Q EL = 1+EER EER 2,5 (A35/W8) EER 2,8 (A35/W18) COP = Q GRZ / Q EL Q EL = Q GRZ / COP Q CH = Q GRZ Q EL = Q GRZ ( 1 1 /COP) 7
COP, SCOP i SPF POMPY CIEPŁA COP chwilowy współczynnik efektywności pompy ciepła określający efektywność w ustalonych warunkach pracy urządzenia SPF (Seasonal Performance Factor) sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance) sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła Określa wydajność pompy ciepła w ciągu całorocznej pracy Zależy od wielu czynników: Temperatury (zmienności temperatur) dolnego źródła Warunków klimatycznych w miejscu zainstalowania pompy ciepła Temperatury zasilania górnego źródła Trybu pracy ogrzewania (stała temperatura krzywa grzewcza) Udziału ciepłej wody użytkowej w ogólnym zapotrzebowaniu na ciepło METODY SZACOWANIA WARTOŚCI SEZONOWEGO WSPÓŁCZYNNIKA EFEKTYWNOŚCI DLA POMP CIEPŁA Norma PN-EN 15316-4-2:2008 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło i oceny sprawności instalacji. Część 4-2. Źródła ciepła do ogrzewania miejscowego, instalacje z pompami ciepła. Norma EN 14825 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia - Badanie i ocena w warunkach niepełnego obciążenia oraz obliczanie wydajności sezonowej Niemiecka metoda w oparciu o wytyczne VDI 4650 stosowana również w Austrii Austriacka metoda OIB RL 6. Szwajcarska metoda WPesti adoptowana również w Austrii pod nazwą JAZCALC (na stronach internetowych dostępny jest dla każdego, bezpłatny arkusz kalkulacyjny do obliczeń SPF). Komputerowe programy symulacyjne (np. niemiecki WP-OPT, szwajcarski EWS, programy komputerowe producentów pomp ciepła). 8
PORÓWNANIE METOD OBLIENIOWYCH SCOP STANDARDOWE WARUNKI BADANIA POMP CIEPŁA Norma europejska: PN-EN 14511-2:2012 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia - Część 2: Warunki badań 9
WARUNKI BADANIA POMP CIEPŁA WODA-WODA W TRYBIE OGRZEWANIA WARUNKI BADANIA POMP CIEPŁA POWIETRZE-WODA W TRYBIE OGRZEWANIA 10
RÓŻNICE MIĘDZY WSPÓŁCZYNNIKAMI COP OKREŚLANYMI WG RÓŻNYCH NORM Wcześniej współczynniki COP określane były wg normy EN 255, obecnie powinny być określane na podstawie normy EN 14511 Wartości wyznaczone z tych dwóch norm mogą się znacznie różnić Norma EN 14511 zakłada mniejszą różnice temperatur na instalacji grzewczej Do określenia współczynnika COP w normie EN 14511 wlicza się energię elektryczną pobrana przez urządzenia pomocnicze (pompy, wentylatory, sterowniki) Przykładowe wartości COP wyznaczone różnymi metodami Punkt pracy COP wg EN-14511 T = 5 K COP wg EN-255 T = 10 K Różnica w COP Pompa ciepła powietrze/woda A2/W35 3,3 3,5 7,0 % Pompa ciepła solanka/woda B0/W35 4,3 4,6 6,4 % WPŁYW SYSTEMU NA EFEKTYWNOŚĆ PCG Obciążenie cieplne budynku Moc pompy ciepła Zużycie Energia grzewcza Parametry c.o. SCOP c.o. Czas pracy c.o. 18,7 18,53 (B5/W40) 6000 35 000 60 40/30 3 5,57 252 1810 18,7 18,53 (B5/W40) 6000 35 000 60 50/40 3 5,08 (-8%) 18,7 18,53 (B5/W40) 6000 35 000 60 38/32 3 5,66 (+1,6%) 22,4 18,53 (B5/W40) 6000 42 000 60 38/32 3 5,66 (+1,6%) 252 2158 11
WPŁYW SYSTEMU NA EFEKTYWNOŚĆ PCP Obciążenie cieplne budynku 5,4 (T PB = -10 C) Moc pompy ciepła 7,0 (A0/W35) Zużycie 3567 Energia grzewcza Parametry c.o. 14 000 55 o C 38/32 SCOP c.o. 2,49 3,57 5,4 (T PB = -10 C) 5,4 (T PB = -10 C) 8,1 (T PB = -5 C) 7,0 (A0/W35) 7,0 (A0/W35) 7,0 (A0/W35) 3567 3567 3567 14 000 55 o C 40/30 14 000 55 o C 50/40 22 000 55 o C 38/32 2,49 3,52 (-1,4%) 2,49 3,25 (-8%) 2,49 3,46 (-3%) PRACA POMPY CIEPŁA POWIETRZE/WODA W CIĄGU ROKU KALENDARZOWEGO miesiąc t e śr Q bilans l d Q cwu φ śr Q śr tz (c.o.) COP co tz (cwu) COP cwu E el co E el cwu - 0 C - - kw 0 C - 0 C - styczeń -1,4 2492 31 303 0,59 5,77 35,0 3,1 55,0 1,7 804 178 luty -1,2 2048 28 274 0,59 5,71 35,0 3,2 55,0 1,8 640 152 marzec 1,7 1459 31 303 0,51 4,93 35,0 3,4 55,0 2,0 429 152 kwiecień 5,0 545 30 293 0,42 4,04 35,0 4,2 55,0 2,3 130 128 maj 10,8 71 31 303 0,26 2,48 35,0 4,9 55,0 2,9 15 105 czerwiec 15,0 1 30 293 55,0 3,2 92 lipiec 16,4 6 31 303 55,0 3,3 92 sierpień 16,2 0 31 303 55,0 3,3 92 wrzesień 13,0 79 30 293 0,19 1,89 35,0 5,3 55,0 3,0 15 98 październik 8,7 653 31 303 0,31 3,04 35,0 4,7 55,0 2,8 139 108 listopad 4,1 1606 30 293 0,44 4,28 35,0 4,0 55,0 2,2 402 133 grudzień 0,5 2653 31 303 0,54 5,25 35,0 3,3 55,0 1,9 804 159 SUMA 11613 SUMA 3568 SUMA 3377 1488 SCOP 3,4 2,4 SCOP śr 3,1 12
WSPOMAGANIE POWIETRZNEJ POMPY CIEPŁA GRZAŁKĄ ELEKTRYCZNĄ t e L g ϕ Q bud Q 35 pc Q bud E co gel Q 55 pc Q śr cwu Q wym cwu Q cwu E cwu gel 0 C h - kw kw kw kw kw -16 6 1,00 9,7 0,0 58 58 0,0 0,4 3,3 2,4 2,4-14 5 0,94 9,2 6,5 46 13 5,8 0,4 3,3 2,0-12 21 0,89 8,6 7,2 181 30 6,2 0,4 3,3 8,6-10 40 0,83 8,1 7,9 323 7 6,7 0,4 3,3 16,3-8 62 0,78 7,5 8,6 468 6,8 0,4 3,3 25,3-6 69 0,72 7,0 8,8 483 7,2 0,4 3,3 28,1-4 173 0,67 6,5 8,6 1119 7,1 0,4 3,3 70,5-2 432 0,61 5,9 8,2 2561 6,9 0,4 3,3 176,0 0 845 0,56 5,4 8,0 4554 6,8 0,4 3,3 344,2 2 776 0,50 4,9 7,8 3764 6,7 0,4 3,3 316,1 4 790 0,44 4,3 9,0 3406 7,7 0,4 3,3 321,8 6 796 0,39 3,8 10,1 3003 8,3 0,4 3,3 324,3 8 725 0,33 3,2 11,0 2344 9,5 0,4 3,3 295,3 10 755 0,28 2,7 11,2 2034 10,0 0,4 3,3 307,6 >10 3265 0,22 2,2 >11,2 7038 >10 Udział: 0,35% Udział: 0,11% TEMPERATURA ZASILANIA A ZUŻYCIE ENERGII miesiąc t e śr, o C Q co, l d φ śr Q śr co,kw t z(c.o.)1 COP co1 t z(c.o.)2 COP co2 E el co1 E el co2 styczeń -0,4 2218 31 0,54 5,37 35 3,2 55 1,8 693 1232 luty -0,7 1902 28 0,54 5,45 35 3,2 55 1,8 594 1057 marzec 2,8 1301 31 0,45 4,53 35 3,6 55 2,0 361 651 kwiecień 7,3 509 30 0,33 3,34 35 4,5 55 2,6 113 196 maj 12,7 70 31 0,19 1,92 35 5,3 55 3,1 13 22 czerwiec 17,3 30 lipiec 16 31 sierpień 17,8 31 wrzesień 13,4 79 30 0,17 1,74 35 5,3 55 3,1 15 26 październik 8,9 588 31 0,29 2,92 35 4,8 55 2,8 122 210 listopad 3,8 1455 30 0,43 4,26 35 3,8 55 2,2 383 661 grudzień -1,1 2345 31 0,56 5,55 35 3,1 55 1,8 756 1303 SUMA 10467 3052 5357 Przy zmianie temperatury zasilania z 35 C na 55 C średnioroczne COP spada z 3,43 na 1,95. Zużycie energii elektrycznej wzrasta o 75 % 13