SPIS TREŚĆI

1. Wstęp str.3

2. Co to jest układ hybrydowy str.3

3. Układy hybrydowe z pompami ciepła

1. Zasada działania pompy ciepła str.3

2. Typy pomp ciepła i sposoby współpracy z kotłami grzewczymi str.5

3. Kotły wykorzystywane w układach str.7

4. Przykłady instalacji str.8

4. Układy hybrydowe z kolektorami słonecznymi:
1) Sposoby pracy układów str.13
2) Przykłady instalacji str.17

5. Kierunki rozwoju:
1)Układy kaskadowe str.18
2) Poligeneracja str.19

6.Podsumowanie str.19

7.Bibliografia str.19

1.Wstęp

Produkcja ciepła w sposób konwencjonalny niesie ze sobą wiele problemów. Wzrastają ceny paliw kopalnych ze względu na ich kurczące się zasoby, coraz większą uwagę przywiązuje się do ochrony środowiska. Coraz bardziej popularne staje się korzystanie z niekonwencjonalnych, odnawialnych źródeł energii. Jednakowoż takie rozwiązania stwarzają również wiele niedogodności. Przede wszystkich charakteryzują się nieciągłością w produkcji energii, która jest spowodowana zależnością od warunków atmosferycznych. Energia wytworzona w sposób niekonwencjonalny często nie zaspokaja całego zapotrzebowania. Problemem jest również akumulacja nadwyżek energii. Stymuluje to poszukiwanie optymalnych rozwiązań, które będzie czerpało jak najwięcej z zalet obu sposobów pozyskiwania energii. Takimi są układy hybrydowe, inaczej skojarzone. W niniejszej pracy dokonam przeglądu rozwiązań technicznych hybrydowych układów grzewczych współpracujących z odnawialnymi źródłami energii oraz nakreślę kierunki rozwoju takich systemów.

2.Co to jest układ hybrydowy?

Układ hybrydowy to system będący kombinacją kilku technologii uzyskiwania ciepła lub energii elektrycznej. W jego skład wchodzą urządzenia korzystające z różnych źródeł energii. Zasada polega na współdziałaniu wszystkich tych różnych urządzeń w jednym systemie i ich wspólnym sterowaniu. Przedmiotem niniejszej pracy są grzewcze układy hybrydowe małej mocy współpracujące z odnawialnymi źródłami energii. Zatem w omawianym przykładach jedno z urządzeń będzie pozyskiwało energię cieplna w sposób konwencjonalny, a drugie w sposób niekonwencjonalny. Istotą układów skojarzonych jest wykorzystywanie w pierwszej kolejności źródła tańszego, w tym wypadku alternatywnego, a dopiero przy niezaspokojeniu zapotrzebowania na energię drugiego źródła.
W mojej pracy opiszę przykłady instalacji grzewczych kocioł – pompa oraz kocioł –kolektor słoneczny.

3.Układy hybrydowe z pompami ciepła

1.Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, którego zasada działania opiera się na wymuszonym przepływie ciepła z obszaru o niższej temperaturze, czyli dolnego źródła do obszaru o wyższej temperaturze, czyli górnego źródła. Proces ten przebiega niezgodnie z naturalnym kierunkiem przepływu ciepła, dlatego może odbywać się tylko przy dostarczeniu z zewnątrz energii mechanicznej. Dolne źródło ciepła to zasób energii jaki wykorzystuje w swojej pracy pompa ciepła.
Poniżej został przedstawiony schemat omawiający sposób działania pompy ciepła:

1. Niezamarzający płyn, czyli glikol znajdujący się w kolektorze odbiera energię od dolnego źródła i poprzez pompę obiegową kierowany jest ma parownik w pompie ciepła. Temperatura płynu wynosi około 0°C.

2. W parowniku czynnik roboczy znajduje się w stanie ciekłym i utrzymuje temperaturę ok. -10°C. Następuje wymiana ciepła spowodowana różnica temperatur pomiędzy glikolem płynącym w wężownicy a czynnikiem roboczym w parowniku. Powoduje ona utworzenie pary o temperaturze ok. 0°C, która zostaje wprowadzona do sprężarki.

3. Sprężarka powoduje wzrost temperatury pary czynnika roboczego do ok. 100°C poprzez podniesienie jej ciśnienia. Do sprężarki należy dostarczyć energię za pomocą silnika. Para zostaje wtłoczona do skraplacza.

4. W skraplaczu para zostaje skroplona, a ciepło kondensacji przekazywane jest do instalacji centralnego ogrzewania oraz instalacji c.w.u. Czynnik roboczy w postaci ciekłej kierowany jest do zaworu rozprężnego.

5. W zaworze rozprężnym czynnik roboczy rozpręża się – obniża się jego ciśnienie, a temperatura spada do poziomu ok. -10°C. Czynnik powraca do skraplacza.

6. Schłodzony glikol zostaje odprowadzony do kolektora.

Rys.1 Zasada działania pompy ciepła

Bilans energii dla pompy ciepła opisuje równanie:

(1 )

Najważniejszym parametrem charakteryzującym wydajność pompy ciepła jest tzw. Współczynnik efektywność, czyli COP (ang. Coefficient of Performance). Określa on stosunek ilości ciepła uzyskanego do ilości energii elektrycznej zużytej w celu pozyskania ciepła ze źródła. COP zależy od różnicy temperatury źródła dolnego i górnego – im jest ona mniejsza, tym współczynnik efektywności rośnie. Wzór na COP ma postać:

(2)

Po uwzględnieniu równania bilansu energii (1) otrzymujemy:

(3)

Jak widać z powyższego współczynnik wydajności pompy ciepła jest zawsze większy od 1.

2.Typy pomp ciepła i sposoby współpracy z kotłami grzewczym

Pompy ciepła i kotły grzewcze w układzie hybrydowym pracują jako źródła dwufunkcyjne, ponieważ służą do ogrzewania pomieszczeń i do ogrzewania wody użytkowej. Pompy ciepła pracują u podstawy obciążenia natomiast kotły włączają się do pracy w obciążeniu szczytowym oraz z przypadku zapotrzebowania na ciepło o temperaturze wyższej od tej, która jest uzyskiwana z pomp ciepła.

Układy skojarzone pompa ciepła z kotłami grzewczymi mogą pracować w dwóch trybach różniących się istotą współpracy obu podsystemów. W obu przypadkach źródło niekonwencjonalne jest podstawowym źródłem ciepła. Ponieważ źródło niekonwencjonalne ma ograniczone możliwości dostarczania ciepła układ konwencjonalny jest dodatkowym, wspomagającym źródłem ciepła. Dwa typy układów różnią się sposobem w jakim układ konwencjonalny wspomaga układ alternatywny. W pierwszym trybie zwanym ,, biwalentno – równoległym” układ konwencjonalny wspomaga w razie potrzeby układ niekonwencjonalny, w drugim trybie ,,biwalento – alternatywnym” układ konwencjonalny może w całości zastępować układ niekonwencjonalny.
Oba system posiadają ta sama charakterystykę zwana punktem biwalentmy. Jest to punkt krytyczny - temperatura zewnętrzna (temperatura oziębijaca ogrzewany obiekt ), w którym praca jedynie układu niekonwencjonalnego staje się niewystarczająca.
W układzie biwalento - równoległym system konwencjonalny pracuje tylko jako równoległe i uzupełniające źródło energii wytwarzanej przez system niekonwecjonlany. System niekonwencjonalny pracuje cały czas, natomiast system konwencjonalny dołącza się gdy tamten staje się niewydolny do wytworzenia wystarczającej ilości energii (po przekroczeniu punktu biwalentnego. Zazwyczaj pompy ciepła (układ niekonwencjonalny) w takich instalacjach pokrywają maksymalne zapotrzebowanie na ciepło w przedziale od 50 do 70%. Sumaryczny czas pracy pompy podczas sezonu grzewczego wynosi wówczas od 75 do 92%, co widać na wykresie A na rysunku nr 2.
W układzie biwalento - alternatywnym dla temperatury zewnętrznych zbyt niskich (po przekroczeniu punku biwalentengo) system niekonwencjonalny wyłącza się i całe ciepło zostaje dostarczana przez włączony system konwencjonalny. Sumaryczny czas pracy pompy w czasie sezonu grzewczego wynosi od 80 do 90% co widać na wykresie B na rysunku nr 2.

Rys.2 Eksploatacja biwalentno -równoległa (A) oraz biwalnetno - alternatywna (B).
Źrodło:,,Materiłay do projektowania kotłowni i nowoczesnych systemów grzewczych”

Pompy ciepła rozróżniamy ze względu na dolne źródła ciepła, którymi mogą być: grunt, woda gruntowa oraz powietrze. Są trzy rodzaje pomp ciepła: pompa typu solanka-woda, pompa powietrze-woda, pompa typu woda-woda.

Pompa typy solanka-woda

Węzeł grzewczy oparty o gruntową pompę ciepła pobiera ciepło, które zakumulowane jest pod ziemią. Istnieją dwa rodzaje instalacji, które pobierają ciepło z ziemi: poprzez sondy pionowe inaczej głębinowe i kolektory poziome czyli powierzchniowe. W obu przypadkach czynnikiem roboczym w rurach jest mieszanka glikolu z wodą, którą potocznie nazywa się solanką. Utrzymuje ona pod ziemią stałą temperaturę od -2⁰C do +5⁰C. Pierwsze rozwiązanie zajmuje mniej powierzchni poziomej, jednak wymaga odwiertów na głębokość od 80m-150m oraz głębszych w przypadku obiektów przemysłowych. W tym wypadku mamy gwarancję stabilności ciepła. Kolektory poziome to kilkaset metrów rury PE o średnicy około 2,50 cm, ułożonej płasko lub spiralnie na głębokości ok 1,5m-2m pod powierzchnią ziemi (czyli poniżej granicy zamarzania ziemi). Powierzchnia kolektora powinna zajmować kilkakrotnie większą przestrzeń niż zajmuje powierzchnia domu.
Dużą zaletą zastosowania pomp typy solanka-woda jest fakt, że nawet w polskim klimacie temperatura gruntu jest stała niezależnie od pory roku i na głębokości około 15m wynosi mniej więcej 10⁰C. Im wyżej powierzchni, tym chłodniej; jednak nie na tyle, żeby nie można było tam zainstalować instalacji źródła dolnego. Ilość ciepła możliwa do pozyskania zależy od struktury gleby. Najlepsze są takie o dużej wilgotności, a tym samym wadze, ponieważ oddają więcej ciepła. Kolejny plus to bezobsługowość urządzenia oraz brak potrzeby wydzielania oddzielnej kotłowni. Instalacja może stanąć w spiżarni lub piwnicy. Niestety bardzo duże są koszty inwestycyjne. Koszt takiej instalacji dla domu o standardowej powierzchni około 200 m² wynieść może nawet 80 tys. Zł. W przypadku przygotowania pod instalację sondy pionowej kwota za metr odwiertu wynosi około 100 zł netto. Na gruncie po ułożeniu kolektora nie można sadzić drzew, ponieważ istnieje ryzyko rozsadzenia instalacji przez korzenie.

Pompa typu woda-woda

Dolnym źródłem ciepła są wody powierzchniowe lub gruntowe. Woda gruntowa nie może się znajdować poniżej 20 m pod powierzchnia ziemi i nie może być stojąca. Najczęściej ciepło z wody jest uzyskiwane przy pomocy systemu studni, których ilość zależy od potrzeb. Jedna ze studni jest czerpna, a druga zrzutna. Pompa pobiera ciepło niskotemperaturowe ze zbiornika czerpnego, spręża je, a następnie rozprowadza je w systemie grzewczym. Ochłodzona woda trafia do studni zrzutnej.
Zastosowanie takiego rodzaju pompy ciepła pozwala pokryć zapotrzebowanie na energie cieplną w najzimniejsze dni, dodatkowe urządzenia grzewcze nie są potrzebne. Temperatura wody znajdującej się pod ziemią utrzymuje się na poziomie 8-10 °C, co sprawia że wodna pompa ciepła to bardzo wydajny nośnik energii cieplnej. Niestety przygotowanie inwestycji, czyli odwierty oraz pozwolenia administracyjne wymagają dużych kosztów.

Pompy ciepła typu powietrze-woda

W tych urządzeniach powietrze atmosferyczne stanowi dolne źródło ciepła. Jest ono przetłaczane przez wymiennik ciepła z pomocą wentylatora.
Pompy tego typu są najtańsze oraz najłatwiejsze w montażu, ich instalacja nie wymaga dużej ingerenci w budynek. Mogą one być umieszczone na zewnątrz lub wewnątrz budynku Dużym minusem jest fakt, że większość pomp tego typu pokrywa w całości zapotrzebowanie na ciepło jedynie do -15/20°C. W polskich warunkach klimatycznych układ z pompa tego typy wymaga przyłączenia do dodatkowego źródła ciepła z zastosowaniem eksploatacji biwalentno - alternatywnej. Poniżej tej temperatury pompa musi działać wespół z dodatkową grzałką elektryczną czy nawet zewnętrznym kotłem grzewczym, ponieważ spada jej wydajność. Wydajność grzewcza pompy spada wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej, co prowadzi do wzrostu przyłączeniowej mocy elektrycznej. Kiedy temperatura obniży się jeszcze bardziej to urządzenia wspomagające całkowicie zastępują pracę pompy, która automatycznie się wyłącza. Ponadto powinna być eksploatowana przy możliwie najniższej temperaturze skraplacza względem czynnika grzewczego.

3.Kotły wykorzystywanych w układach

W układach grzewczych skojarzonych z pompą ciepła można zastosować kocioł wiszący lub stojący. Główna i jedna z najważniejszych różnic między kotłami wiszącymi a stojącymi to zład wodny, czyli ilość wody instalacyjnej, jaka znajduje się w wymienniku kotła. W przypadku kotła wiszącego mamy ok. 4–5 l, a w kotle stojącym, o podobnej mocy, ok. 50 l. Układy o małym zładzie, a więc z kotłami wiszącymi, szybko się rozgrzewają i szybko stygną.
W kotłach stojących liczba startów palnika jest mniejsza, a praca z ustabilizowanymi parametrami spalania dłuższa. Każdy zapłon to przedmuch komory spalania, a więc ich większa liczba prowadzi do większej straty kominowej oraz krótszej żywotności elektrod zapłonowych.
Kotły wiszące maja ograniczoną wartość maksymalnego natężenia przepływu wody grzewczej. Mogą występować problemy przy dużych długościach rurociągów, wiążącymi się ze sporymi oporami. Kocioł stojący dzięki dużej pojemności własnej nie ma takiego ograniczenia, jednak zajmuje on dużo miejsca. W kotłach wiszących montowany jest zawór 3-drogowy, który przełącza pracę na centralne ogrzewanie lub ciepłą wodę użytkową..

Podsumowując zarówno kotły stojące jak i wiszące mają swoje wady i zalety. Urządzenia pierwszego typu ze względu na mniejszą liczbę palników, prowadzącą do mniejszej straty kominowej cechują się bardziej ekonomiczna pracą niż urządzenia drugiego typu. W przypadku kotłów wiszących ze względu na ograniczenie wartości natężenia przepływu wody grzewczej może zaistnieć potrzeba dodatkowej pompy i sprzęgła hydraulicznego, aby pokonać opory hydrauliczne instalacji. Wiąże się to z dodatkowymi kosztami. Natomiast duży zwład kotła stojącego sprawia, że sam zachowuje się jak sprzęgło hydrauliczne. Dodatkowo bardzo duża powierzchnia wymiennika ciepła i skierowanie spalin do dołu sprawia, że mogą się one wychłodzić.
Wydawać by się mogło, że kotły stojące mają przewagę nad kotłami wiszącymi, jednakże kolejną bardzo ważną kwestią jest ilość wody użytkowej do ogrzanie. Kocioł stojący ma jej w zbiorniku kilkadziesiąt litrów, podczas gdy wiszący tylko kilka. Przekłada się to na czas pracy kotła, stojący potrzebuje go więcej, aby podgrzać wodę.
W niniejszej pracy nie podejmuję kwestii wyboru paliwa do kotła grzewczego, gdyż nie ma to wpływy na działanie układu hybrydowego.

4.Przykłady instalacji

Układy grzewcze z pompami ciepła różnią się w ogólnym zarysie od tradycyjnych układów obecnością zbiornika buforowego wody grzewczej. Zbiornik buforowy jest akumulatorem, który gromadzi nadwyżki energii cieplnej. Jest on niezbędny, ponieważ pompa ciepła to tylko pośrednik w pozyskiwaniu energii, a nie jej źródło. Pompuje ona energię zawsze w tej samej ilości, podczas gdy jej przekazywanie do pomieszczenia może ulec zmianom. Włączenie zbiornika buforowego w obwód umożliwia przechwycenie energii i wykorzystanie jej w czasie późniejszym. Spełnia on również role sprzęgła hydraulicznego. Zapewnia wymagany minimalne natężenie przepływ wody grzewczej przez pompę ciepła, niezależnie od przepływu wody w instalacji grzewczej. Dzięki temu, w okresie małego zapotrzebowania na ciepło budynku, eliminuje to częste załączanie i wyłącznie pompy ciepła zwiększając tym samym jej trwałość i wydłużając żywotność.

Eksploatacja biwalentno - równoległa ze stojącym kotłem grzecznym

Zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania pomieszczeń zgłaszane jest w pierwszej kolejności przez zbiornik buforowy. Posiada on górny (1) i dolny (2) czujnik temperatury. Jeżeli wartość temperatury zmierzona na górnym czujniku jest niższa od wartości temperatury wymaganej nastawionej na regulatorze pompy ciepła ,wtedy uruchamiają się pompa ciepła, pompa obiegu pierwotnego i pompa rozdzielaczowa (8). Załączenie urządzenia pomocniczego, w tym wypadku kotła grzewczego, następuje wtedy, gdy temperatura zmierzona na górnym czujniku nie osiągnie w przeciągu nastawionego na regulatorze pompy ciepła czasu wartości wymaganej. Stycznik aktywuje pomocniczy regulator kotla, a po osiągnięciu wymaganej temperatury na dolnym czujniku temperatury (2) wody w zbiorniku buforowym wody grzewczej zablokowuje go. Eksploatacja biwalentno - równoległa, jak już wspomniano wcześniej, jest ograniczona do maksymalnej temperatury na zasilaniu wynoszącej 55°C.

Rys.3 Przykład zastosowania: instalacja biwalentno – równoległa stojącego Kotla grzewczego z pompa ciepła

W przypadku gdy występuje jednoczesne zapotrzebowanie na ogrzewanie obiegu grzewczego i podgrzew wody użytkowej priorytetowo realizowany jest drugi proces. Zgłoszenia zapotrzebowania następuje przez czujnik temperaturowy (3) wody w pojemnościowym podgrzewaczu wody. Zostaje uruchomiona pompa rozdzielaczowi (8). Jeżeli wartość rzeczywista na czujniku temperatury wody w podgrzewaczu (3) będzie wyższa niż nastawiona na regulatorze wartość wymagana wtedy regulator przełącza pompę na tryb grzewczy.
Podgrzew wody użytkowej przez kocioł następuje po sygnale z regulatora pompy ciepła.

Eksploatacja biwalentno-alternatywna ze stojącym kotłem grzewczym

Uruchomienie pompy ciepła i pompy rozdzielaczowej odbywa się podobnie jak w przypadku układu z eksploatacją biwalntno - równoległą. Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest realizowane w pierwszej kolejności przez zbiornik buforowy wody grzewczej. Jeżeli zmierzona na czujniku temperatury zewnętrznej regulatora pompy ciepła spada poniżej nastawionej temperatury punktu biwalentnego, wówczas następuje koniecznośc załączenia kotła Pompa ciepła zostaje zablokowana. Całe zapotrzebowanie na ciepło przy temperaturze zewnętrznej poniżej punktu biwalentnego pokrywane jest przez kocioł. Jeżeli jej wartość przekroczy ten próg wówczas kocioł grzewczy jest blokowany, a pompa ciepła uruchamiana.

Rys.4 Przykład zastosowania: instalacja biwalentno – alternatywna stojącego kotła grzewczego z pompą ciepła

Przebieg procesu podgrzewu cieplej wody użytkowej przebiega tak samo jak w przypadku instalacji biwalentno - równoległej.

Eksploatacja biwalentno-równoległa z kotłem wiszącym

W przeciwieństwie do układów z kotłami stojącymi obiegi grzewcze są zaopatrywane w ciepło przez pompę ciepła a nie zbiornik buforowy wody grzewczej. Regulator zainstalowany w pompie ciepła reguluje temperaturę wody na zasilaniu i tym samym obiegi grzewcze. Pompa rozdzielaczowi (7) tłoczy wodę grzewczą do pojemnościowego podgrzewacza wody lub zbiornika buforowego wody grzewczej. Pompy obiegowe (8) i (9) dostarczają medium grzewcze do obiegu grzewczego. Strumień przepływu w obiegach grzewczych jest regulowany przez otwieranie i zamykanie zaworów termostatycznych grzejników i/lub przez zewnętrzny regulator obiegu grzewczego.

Rys.5 Przykład zastosowania: instalacja biwalentno – równoległa wiszącego kotła grzewczego z pompa ciepła

Podobnie jak w przypadku poprzednich instalacji podgrzew wody użytkowej przez pompę następuje z priorytetem w stosunku do ogrzewania. Czujnik temperatury wody (3) w podgrzewaczu zgłasza zapotrzebowanie na ogrzewanie c.w.u. Po przekroczeniu przez wodę w podgrzewaczy (3) temperatury wymaganej zasilanie przełączone zostaje na obieg grzewczy. Podgrzew wody użytkowej przez kocioł wiszący następuje po aktywacji czujnika temperatury wody w podgrzewaczu (4) przez regulator pompy za pośrednictwem stycznika.

Eksploatcja biwalentno-alternatywna z kotłem wiszącym

Jeżeli wartość temperatury rzeczywistej zmierzona na górnym czujniku temperatury wody (1) w zbiorniku buforowym wody grzewczej lub na czujniku temperatury (3) w pojemnościowym podgrzewaczu wody jest niższa od wartości temperatury wymaganej nastawionej na regulatorze, wówczas uruchamia się pompa rozdzielaczowi (8). Pompa ciepła zaopatruje obieg grzewczy w ciepło, a zainstalowany w niej regulator reguluje temperaturę wody na zasilaniu woda grzewczą i tym samym obieg grzewczy. Pompa rozdzielaczowa (8) tłoczy wodę grzewczą do pojemnościowego podgrzewacza wody lub do zbiornika buforowego wody grzewczej.
Pompy na obiegach grzewczych (9) i (10) tłoczą wymagana ilość wody do obiegów grzewczych.

Rys.6 Przykład zastosowania: instalacja biwalentno – alternatywna wiszącego kotła grzewczego z pompą ciepła

3.Układy hybrydowe z kolektorami słonecznymi

Kolejnym rozwiązaniem w układach hybrydowych jest współpraca z instalacjami kolektorów słonecznych. Stosuje się je najczęściej przy podgrzewaniu ciepłej wody użytkowej oraz basenowej oraz rzadziej przy wspomaganiu centralnego ogrzewania. Instalacja grzewcza w takim układzie powinna mieć niskotemperaturowy charakter pracy, aby jak najczęściej można było wspomagać jej pracę, nawet przy stosunkowo niskiej temperaturze uzyskiwanej z instalacji solarnej. Ogrzewanie podłogowe lub ścienne cechuje się niskotemperaturowym charakterem pracy. .

1. Sposoby współpracy

Można wyróżnić dwie zasady współpracy kotłowni z instalacja kolektorów słonecznych: bez komunikacji z automatyka kotłowni oraz z komunikacją z automatyka kotłowni. W przypadku kotłowni małej mocy współpracującej z małymi instalacjami kolektorów słonecznych komunikacja pomiędzy układami automatyki obu instalacji nie jest konieczna. Układy pracujące na potrzeby wody użytkowej w budynkach 1-,2-rodzinnych wyposażone są zazwyczaj w pogrzewacze biwalentne , w których znajdują się dwie wężownice grzewcze.

Poniżej przedstawiony jest schemat instalacji z kolektorem słonecznym bez komunikacji pomiędzy układami automatyki. Automatyka instalacji kolektorów słonecznych uruchamia pompę obiegową wtedy, gdy temperatura czynnika grzewczego w kolektorach słonecznych przewyższa o zadaną różnicę temperaturę wody użytkowej w dolnej części podgrzewacza. Dla zachowania korzystnych warunków do oddawania ciepła przez instalację kolektorów słonecznych dolna strefa podgrzewacza pozostaje nieogrzewana przez kocioł. Zapotrzebowanie na ciepła wodę użytkową jest zróżnicowane podczas doby. W ciągu dnia kolektory słoneczne maja najlepsze warunki do dostarczenia energii, natomiast załączenie gotowości kotła do pracy na podgrzew wody użytkowej powinno nastąpić w okresie największego na nią zapotrzebowania, czyli popołudniu lub wieczorem. Kozioł podgrzeje wodę do wymaganej temperatury jeśli jej wartość w górnej strefie podgrzewacza okaże się niższa od wymaganej wartości ustawionej na regulatorze kotła.

Rys.7 Schemat kotłowni współpracującej z mała instalacją koelektorów słonecznych bez komunikacji automatyki oby systemów

Natomiast na kolejnym schemacie przedstawiony jest dwusystemowy podgrzew c.w.u. i ogrzewania pomieszczeń przy pomocy zbiornika buforowego wody grzewczej. Kolektor i kocioł grzewczy pracują równolegle. Praca instalacji jest kontrolowana przez regulator Vitosolic 200, który ze względu na przejrzystość rysunku nie został uwzględniony. Jeżeli różnica temperatur między czujnikiem temperatury zbiornika buforowego S5 a czujnikiem temperatury wody na powrocie obiegu grzewczego S6 jest mniejsza niż ustawiona na regulatorze to przez zbiornik nie będzie płynął czynnik roboczy, ponieważ nie ma nadwyżki energii. Kocioł dostarcza ciepło do obiegu grzewczego zgodnie z parametrami nastawionymi na regulatorze obiegu kotła.

Rys.8 Dwusystemowy podgrzew c.w.u. i ogrzewania pomieszczeń przy pomocy zbiornika buforowego wody grzewczej

Pompa obiegowa R4 włącza się do układu w celu podgrzania wody w zbiorniku buforowym jeżeli woda w podgrzewaczu pojemnościowym osiągnie temperaturę maksymalną. Układ ograniczenia temperatury lub zabezpieczający ogranicznik temperatury wyłączają pompę obiegowa R4, gdy osiągnięta zostanie maksymalna temperatura zbiornika buforowego.
Czas pracy pompy R4 przerywany jest co około 15 minut na okres około 2 minut w celu sprawdzenia, czy temperatura cieczy w kolektorze jest wystarczająco wysoka, aby przełączyć układ na ogrzewanie pojemnościowego podgrzewacza wody.
Jeżeli chodzi o podgrzew c.w.u. to w pojemnościowy podgrzewaczu wody znajduje się wężownica, ,podzielona ” na 2 strefy. Górną ogrzewa kocioł grzewczy. Czujnik mierzy temperaturę w górnej strefie i w przpadku spadku jej wartości poniżej nastawionej na regulatorze, włączana jest pompa ładująca oraz kocioł.
Dolna część wężownicy podgrzewacza podgrzewana jest przez układ solarny. Jeżeli różnica temperatur między wartością mierzona przez czujnik temperatury cieczy w kolektorze S1 oraz czujnik temperatury wody w podgrzewaczu S2 jest większa od nastawionej różnicy, następuje włączenie pompy obiegowej instalacji solarnej R1 i zaczyna się podgrzew c.w.u.

Jak widać w układach skojarzonych z kolektorami słonecznymi musi być zainstalowany oddzielnie podgrzewacz ciepłej wody użytkowej i oddzielnie zbiornik buforowy dla wspomagania instalacji c.o. Jednakże wymaga to przeznaczenia pod zabudowę znacznej powierzchni użytkowej domu oraz zwiększa koszty instalacji. Rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie podgrzewaczy uniwersalnych, które integrują funkcję podgrzewania wody użytkowej oraz wspomagania ogrzewania. Poniżej widać schemat układów z podgrzewaczem uniwersalnym.

Rys.9 Schemat instalacji solarnej przeznaczonej do podgrzewania wody uzytkowej i wspomagania ogrzewania budynku

Zasadę ich działania przedstawię na przykładzie podgrzewacza uniwersalnego Hemalex INTEGRA. Podzielony jest on na 3 wyraźne strefy temperaturowe. Górna to rezerwa ciepła dla zapewnienia komfortu cieplej wody użytkowej. Środkowa przeznaczona jest do wpięcia podstawowego źródła ciepła – zazwyczaj kotła grzewczego oraz instalacji grzewczej budynku. Dolna strefa jako najchłodniejsza ma zapewniać skuteczny odbiór ciepła z instalacji solarnej poprzez oddzielną wężownicę grzejna. Dodatkowo można do niej wpiąć kominek lub kocioł. Dwie przegrody oddzielające strefy podgrzewacza ograniczają intensywne mieszanie się wody. Duża ilość króćców przyłączeniowych i podział na 3 strefy temperaturowe umożliwia elastyczną współpracę wielu źródeł ciepła.

Rys.10 Przekrój podgrzewacza uniwersalnego Hewalex INTEGRA oraz sposób funkcjonowania stref temperaturowych

5.Kierunki rozwoju

1.Układy kaskadowe

Układy kaskadowe cieszą się coraz większa popularnością. Połączenie kilku pomp ciepła pozwala zwiększyć moc układu. Obecne instalacje kaskadowe osiągają moc około pól megawat, podczas gdy największe pojedyncze pompy ciepła mają moc kilkudziesięciu kilowatów. Ograniczeniem budowy większych pomp jest tzw. efekt skali. Oznacza to, że wraz ze wzrostem wielkości urządzenia piętrzą się problemy konstrukcyjne i projektowe.,

W układzie z pompą ciepła sprężarka pobiera około 1 /4 energii elektrycznej w porównaniu do wydajności grzewczej pompy. Pompa o mocy 80 kW pobiera w takim wypadku ok. 20 kW mocy elektrycznej. Częste uruchamianie urządzenia o takiej mocy, mimo stosowanych ograniczników prądu rozruchowego, może powodować niepożądane zakłócenia dla innych, np. elektronicznych, odbiorników prądu elektrycznego.

Kolejnym minusem jest głośna praca dużych pomp Najlepiej stosować kaskady złożone z pomp o mniejszych mocach.

2. Poligeneracja

Kompleksowe zaopatrywanie domu w energię cieplna i elektryczną z wykorzystaniem zarówno konwencjonalnych jak i niekonwencjonalnych źródeł energii zwiększa komfort i pozwala zmniejszyć koszty. Coraz bardziej rozwijane są układy poligeneracyjne.

Poligeneracja to wykorzystywanie kilku źródeł energii w celu wytworzenia kilku produktów. Taki układ z reguły składa się z układów kogeneracyjnie sprężonych z obiegami chłodniczymi (tri generacja) i urządzenia a wykorzystującego alternatywne źródło energii. Obiegi poligeneracyjne mają na celu podtrzymanie wysokotemperaturowego i niskotemperaturowego ciepła procesowego oraz prądu elektrycznego. Przykładowe podstawowe układy ko generacyjne małych mocy to, np.:
-elektrociepłownie z turbinami i mikroturbinami gazowymi
-elektrociepownie gazowo-parowe
-elektrociepłownie z silnikami spalinowymi.
Przyłączenie do nich urządzeń korzystających z odnawialnych źródeł energii stwarza z nich układy hybrydowe.

W przedstawionym poniżej układzie urządzeniem podstawowym jest kocioł, z którym współpracują kolektory słoneczne i pompa ciepła. Obieg solarny i obieg pompy ciepła pracuje w układzie z jednym czynnikiem roboczym. W kolektorze zachodzi bezpośrednie odparowanie czynnika chłodniczego. Pompa ciepła wspomaga układ grzewczy. (a w momencie zapotrzebowania na zimno jest załączany poprzez sprzęglo). Układ kolektorów załączany jest wtedy, gdy układ chłodniczy nie jest potrzebny. Systemy hybrydowe tego typu mogą być sprzęgnięte bądź rozprzęgnięte.

Rys.11 Układ poligeneracyjny

6.Podsumowanie

Hybrydowe układy grzewcze współpracujące z odnawialnymi źródłami energii pozwalają na pozwalają na korzystanie z zalet zasobów alternatywnych. Jednocześnie zapewniają ciągłość w dostawie energii cieplnej poprzez zabezpieczenia w postaci urządzeń konwertujących energię w sposób tradycyjny.
Przedstawione zostały przykłady instalacji z pompami ciepła oraz kolektorami słonecznymi. Ze względu na polski klimat i duże zmiany nasłonecznienia w ciągu roku bardziej niezawodnymi urządzeniami wydaja się być pompy ciepła. W ich obrębie Najbardziej niezawodne są pompy typu solanka-woda, dla których dolne źródło ciepła stanowi energia zmagazynowana pod ziemią.
Układy skojarzone to moim zdaniem bardzo ciekawa alternatywa dla tradycyjnego ogrzewania. Pozwalają zmniejszyć koszty, a także wpływ na środowisko naturalne. Mają pozytywny wpływ na społeczeństwo, które korzystając z takich instalacji staje się bardziej świadome wlanego wpływu na naturę.

7.Bibliografia
a)książki

1. Mirowski, A., Lange, G., Jelen I., (2004). Materiały do projektowania kotłowni i nowoczesnych systemów grzewczych, Działa Wsparcia Technicznego

2. Recknagel H.,Sprenger E., Schramek E.R., (2008). Kompendium wiedzy. Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo; OmniScala; wydanie: trzecie

3. Oszczak W., (2005). Jak taniej ogrzać dom, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności

b) strony internetowe

1. http://actaenergetica.org/pl

2. http://www.pompyciepla.com

3. http://www.instalacjebudowlane.pl

4. http://www.instalator.pl/index.php
   
   
   

7