2011-06-17

1

NISKOTEMPERATUROWE

ŹRÓDŁA

ENERGII ODNAWIALNEJ

POMPY CIEPŁA

Wykład dla III roku Wydziału Energetyki i Paliw AGH

Autor:
Tomasz MIROWSKI

1. Energia promieniowania słonecznego.
2. Prądy oceaniczne.
3. Odpadowe ciepło ścieków.
4. Wody gruntowe.
5. Odpadowe ciepło spalin, wyciągów

wentylacyjnych.

6. Ciepło chłodzenia silników,

generatorów i innych.

NISKOTEMPERATUROWE

ŹRÓDŁA

ENERGII ODNAWIALNEJ

2011-06-17

2

• mała gęstość.

Systemy wspomagające pracę niskotemperaturowych źródeł energii

CEL:

Eliminacja lub zminimalizowanie tych wad

Źródło: Lewandowski W.M. Proekologiczne odnawialne źródła energii

WADY ENERGII SŁONECZNEJ

• zmienna w czasie koncentracja,

• cykliczność,

SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE PRACĘ

NISKOTEMPERATUROWYCH

ŹRÓDEŁ ENERGII

- konwersja niskotemperaturowej energii słonecznej

i magazynowanie jej w formie energii cieplnej;

- konwersja energii słonecznej na inne, dające się wygodniej

magazynować, np. H

2

, zw. chemiczne, paliwa;

- konwersja z wykorzystaniem doświadczeń biotechnologii

i magazynowanie uzyskanych nowych form energii,

np. biopaliw;

- przetworzenie mechaniczne, elektryczne, magnetyczne

lub inne niskotemperaturowych źródeł energii na źródła

wysokotemperaturowe.

Źródło: Lewandowski W.M. Proekologiczne odnawialne źródła energii

2011-06-17

3

POMPY CIEPŁA

Urządzeniami pozyskującymi energię ze źródeł

niskotemperaturowych są tzw. pompy ciepła.

Pompa ciepła to urządzenie, które wykorzystuje szereg
zjawisk fizycznych w celu podniesienia energii cieplnej
z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej
temperaturze po doprowadzeniu energii napędowej.

Pompa działa analogicznie jak lodówka.

W pompie ciepła celem jest ogrzanie pomieszczenia, a więc wzrost

górnego źródła ciepła.

POMPY CIEPŁA

zasada działania

Różnica – celem pracy lodówki jest obniżenie temperatury

źródła dolnego, np. od 20

0

C do -4

0

C (cel uboczny - ogrzanie kuchni).

2011-06-17

4

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA

woda gruntowa

Gdy nie można wykorzystać wody gruntowej jako nośnika ciepła,

zawsze mamy do dyspozycji grunt.

Jeżeli woda gruntowa występuje na odpowiedniej głębokości

i ma właściwą jakość, to tak można osiągnąć najwyższy roczny

współczynnik efektywności (obowiązek uzyskania zezwolenia).

Stała temperatura +8°C do +12°C gwarantuje optymalny tryb

pracy grzewczej. Woda gruntowa pobierana jest ze studni

zasilającej i doprowadzana do pompy ciepła, a stamtąd

odprowadzana do oddalonej o ok. 15 m studni zrzutowej.

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA

energia cieplna z gruntu

W gruncie umieszcza tzw. kolektory ziemne, przez które zostaje

pobierane ciepło.

W zależności od medium przenoszącego ciepło w kolektorze gruntowym

rozróżnia się system solanka / woda oraz bezpośrednie parowanie / woda.

W gruncie zgromadzonych jest do 98% energii słonecznej.

W zimie grunt utrzymuje temperaturę na odpowiednim poziomie

dla ekonomicznie optymalnej eksploatacji.

W kolektorach tych cyrkuluje medium przenoszące ciepło, które to

dalej oddawane jest do pompy ciepła.

2011-06-17

5

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA

energia cieplna z gruntu

czynnik roboczy pompy ciepła R 407C cyrkuluje jako medium

przenoszące ciepło w kolektorze gruntowym. Nie potrzeba wtedy

pośredniego wymiennika ciepła oraz pomp obiegowych solanki.

Bezpośrednie parowanie czynnika

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA

energia cieplna z gruntu

Jako medium cyrkuluje solanka (mieszanina glikolu i wody), która

pobiera ciepło i odprowadza je do pompy ciepła.

Przy dostatecznie dużej powierzchni (ogród) są to kolektory

płaskie, które są najkorzystniejsze pod względem cenowym.

(powierzchnia ułożenia to ok. 1,2 do 1,5 powierzchni

ogrzewanej).

System solanka / woda

Przy mniejszej powierzchni są układane kolektory spiralne lub

sondy głębinowe.

2011-06-17

6

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA

powietrze

Taki system nadaje się jako wtórne doposażanie instalacji oraz w

systemach

pracujących

w

trybie

biwalentnym.

Dzięki

zintegrowanemu w pompie ciepła urządzeniu odszraniającemu

system może funkcjonować nawet poniżej -18°C.

W systemie tym można wykorzystać urządzenie kompaktowe

albo urządzenie typu Split (rodzielone): pompę ciepła ustawia

się w domu, a parownik na wolnym powietrzu.

System powietrze / powietrze

!!! przewymiarowane instalacje z pompami ciepła

powodują niewspółmiernie wysokie koszty instalacji

tych

urządzeń

oraz

pracuję

z

niskim

współczynnikiem sprawności.

Określenie zapotrzebowania na energię cieplną

Przyjmuje się następujące wartości

(zapotrzebowania ciepła W/m

2

):

• Stare budownictwo ze zgodną z duchem czasu

izolacją cieplną: 75W/m

2

• Nowe budownictwo z dobrą izolacją cieplną: 50W/m

2

• Domy energooszczędne: 30W/m

2

2011-06-17

7

Rodzaje źródła

Parametr

grunt

Słońce

(kolektor

słoneczny)

powietrze

zewnętrzne

woda

gruntowa

powierzchniowa

Temperatura,



C

8–12

20–80

4–15

*

8–12

5–15

Spadek temp.,

K

–

–

4–6

4–5

Jednostkowa

moc pobierana

ze źródła

15–30

W/m

2

30–460 W/m

2

1,4–2,2

W/m

3



h

–1

4500–5900 W/m

3



h

–1

Jednostkowy

wzgl. koszt

pozyskania

1 kW mocy

4–5

–

1

3–5

–

CHARAKTERYSTYKA ŹRÓDEŁ CIEPŁA NISKOTEMPERATUROWEGO

W POMPACH CIEPŁA

Współczynnik efektywności pompy ciepła

L

L

Q

N

Q

L

Q

d

g

g



















Stosunek energii cieplnej odbieranej na poziomie źródła górnego

do energii napędowej pompy ciepła.

Współczynnik ten wyraża się wzorem:

gdzie:

Q

g

– energia cieplna odebrana na poziomie źródła górnego (oddana do obiektu

ogrzewanego),

Q

g

– energia cieplna pobrana na poziomie źródła dolnego,

L – energia napędowa pompy ciepła,

– strumień energii cieplnej Q

g

,

N – moc napędowa.

g

Q

Przykłady: ε=5,6 dla t

d

= 10

0

C i t

g

=35

0

C

2011-06-17

8

Schemat pracy pompy sprężarkowej

Zasobnik WWK 300...SOL została specjalnie zaprojektowana do produkcji c.w.u., dolnym
źródłem dla pompy ciepła jest powietrze o temperaturze w zakresie od + 6 do + 35ºC i
wydajności około 500 m

3

/h Moc grzewcza pompy ciepła to koło 1,6 kW przy temperaturze

powietrza 15ºC (grzanie wody od temperatury +15ºC do około +55ºC). Pobór mocy elektrycznej
jest bardzo niski, na poziomie około 0,44 kW, co daje bardzo korzystny współczynnik
efektywności pompy ciepła 3,63 przy temperaturze powietrza podawanego na pompę ciepła
+15ºC i temperaturze wody w zasobniku + 45ºC. Pompa ciepła posiada zintegrowany zbiornik o
pojemności 284 litrów, oraz grzałkę elektryczną (1,6 kW) zabezpieczająca produkcje c.w.u. oraz
możliwość podniesienia temperatury do +65 ºC. Dodatkowym wyposażeniem pompy ciepła jest
wężownica o powierzchni około 1,3 m

2

, do której może zostać podłączone dodatkowe

urządzenie grzewcze lub np. kolektor słoneczny STE PL - SOL 25S o powierzchni 2,7 m

2

.

Zastosowanie pompy ciepła serii WWK 300...SOL daje możliwość uzyskania dodatkowych
korzyści eksploatacyjnych jak: wspomaganie wentylacji grawitacyjnej, uzyskanie efektu
chłodzenia, osuszanie wilgotnych pomieszczeń.

PRZYKŁAD

Zintegrowany

system

zasobnika c.w.u.

WWK300...SOL

i Kolektora

Słonecznego

SOL25

2011-06-17

9

2011-06-17

10

2011-06-17

11

2011-06-17

12

2011-06-17

13

2011-06-17

14

Woda podpowierzchniowa
Infiltrująca woda opadowa tworzy w gruncie dwie strefy, nienasyconą (aeracji) i nasyconą

(saturacji). W strefie aeracji może występować wolna woda ale grunt nie jest nią nasycony. W

górnej części strefy nienasyconej mamy warstwę gleby. Jej struktura jest kształtowana przez

system korzeniowy roślin. Woda z tej strefy jest wykorzystywana przez rośliny. Poniżej strefy

nienasyconej znajduje się strefa nasycona, gdzie woda wypełnia całkowicie przestrzenie

pomiędzy cząsteczkami gruntu. Wiercąc studnie ludzie docierają do tej właśnie strefy.

back

2011-06-17

15

http://WWW.srpnet.com/energy/pumpworks.aspx