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.
2011-06-17
15
http://WWW.srpnet.com/energy/pumpworks.aspx