background image

2011-06-17 

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 

background image

2011-06-17 

 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 

background image

2011-06-17 

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). 

background image

2011-06-17 

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.  

background image

2011-06-17 

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.  

background image

2011-06-17 

DOLNE ŹRÓDŁO CIEPŁA 

 powietrze 

Taki system nadaje się jako wtórne doposażanie instalacji oraz w 

systemach 

pracujących 

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 

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

background image

2011-06-17 

  

 

 

Rodzaje źródła 

Parametr 

grunt 

Słońce 

(kolektor 

słoneczny) 

powietrze 

zewnętrzne 

woda 

 

gruntowa 

 

powierzchniowa 

Temperatura, 

8–12 

20–80 

4–15

*

 

 

8–12 

5–15 

Spadek temp., 

– 

– 

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 

– 

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

background image

2011-06-17 

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  

background image

2011-06-17 

background image

2011-06-17 

10 

background image

2011-06-17 

11 

background image

2011-06-17 

12 

background image

2011-06-17 

13 

background image

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 

background image

2011-06-17 

15 

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