Katarzyna BATKIEWICZ

AGH Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu,
Al. Mickiewicza 30, 30 – 059 Kraków
[e-mail]


Wojciech LUBOŃ

AGH Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska KSE
Al. Mickiewicza 30, 30 – 059 Kraków
[e-mail]

MODERNIZACJA INSTALACJI CENTRALNEGO OGRZEWANIA

I CIEPŁEJ WODY UśYTKOWEJ DLA WYBRANYCH BUDYNKÓW

MIASTECZKA STUDENCKIEGO AGH PRZY POMOCY

SKOJARZONEGO UKŁADU POMP CIEPŁA I KOLEKTORÓW

SŁONECZNYCH

THE MODERNIZATION OF CENTRAL HEATING AND HOT WATER

FOR SELECTED DORMITORIES AGH STUDENTS TOWN

ASSOCIATED WITH THE HEAT PUMPS AND SOLAR PANELS

SYSTEM

Abstrakt

Odnawialne źródła energii są tematyką już dobrze znaną i coraz bardziej popularną. Ich

stosowanie w dużym stopniu przyczynia się do ograniczenia emisji substancji szkodliwych do

atmosfery, jak również ogranicza ilość energii pozyskiwanej z konwencjonalnych źródeł,

niezbędnej do ogrzewania zarówno ciepłej wody użytkowej jak i do centralnego ogrzewania.

W artykule zaproponowano wykorzystanie skojarzonego systemu pomp ciepła i kolektorów

słonecznych do modernizacji systemu ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania dla

wybranych domów studenckich w Miasteczku Studenckim AGH w Krakowie. Niekorzystne

usytuowanie branych pod uwagę budynków daje możliwość ułożenia pola kolektorowego

jedynie na płaskich powierzchniach dachów, a bliska odległość niezabudowanego terenu daje

możliwość zainstalowania kolektorów pionowych dla dolnego źródła pomp ciepła.

Jednocześnie znajdujący się w pobliżu basen daje duże możliwości zrzutu nadmiaru ciepłej

wody w okresie przerwy wakacyjnej, gdy domy studenckie nie będą w całości zamieszkałe,

a pompy ciepła zostaną wykorzystane do klimatyzowania pomieszczeń przyczyniając się tym

samym do regeneracji dolnego źródła. Przedstawiony został również efekt ekologiczny

całego przedsięwzięcia, oraz ilość oszczędzonego paliwa konwencjonalnego niezbędnego do

zaopatrzenia budynków w ciepłą wodę użytkową i centralne ogrzewanie. Zaproponowana

modernizacja może służyć również celom dydaktycznym w zakresie odnawialnych źródeł

energii – tematyki realizowanej przez AGH.

Słowa kluczowe: pompa ciepła, kolektor słoneczny, energia odnawialna, ciepła woda

użytkowa, centralne ogrzewanie

1.

Wprowadzenie

Ciągły wzrost zainteresowaniem Odnawialnymi Źródłami Energii przyczynia się do

zmniejszania emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Akademia Górniczo – Hutnicza

jako uczelnia jedna z niewielu kształci młodzież w tym zakresie. Jednakże brak

przykładowych instalacji na terenie akademii sprawia, że kształcenie to opiera się głównie na

teorii. W posiadaniu Uczelni znajdują się Domy Studenckie, gdzie mieszkają studenci. Są to

budynki wybudowane w ubiegłym wieku, w starej technologii budownictwa, co jest

przyczyną stosunkowo dużych strat energii. Obecnie budynki miasteczka zaopatrywane są

w energię do ogrzewania budynków jak również podgrzewania ciepłej wody użytkowej

z węzła miejskiego. Alternatywą dla takiego rozwiązania są Odnawialne Źródła Energii.

Poniżej zaprezentowano wykorzystanie kolektorów słonecznych do podgrzewania ciepłej

wody użytkowej (c.w.u.) oraz pompy ciepła jako źródło szczytowe dla c.w.u. jak również

jako źródło ciepła dla centralnego ogrzewania (c.o.). Wszelkie obliczenia wykonane zostały

dla Domu Studenckiego DS-18. Budynek ten stanowi hotel dla pracowników AGH jak

również doktorantów AGH. Jest on zatem w okresie letnim zamieszkały co daje duże

możliwości wykorzystania kolektorów słonecznych. Płaski dach budynku pozwala na

korzystne usytuowanie pola kolektorowego pod dogodnym kątem względem słońca.

W pobliżu budynku znajduje się niezabudowany teren zielony, gdzie możliwe będzie

umiejscowienie pionowych sond jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła.

2.

Założenia:

•

temperatura zasilania 50 [°C]

•

temperatura wody użytkowej T

BW

= 50°C

•

temperatura wody sieciowej 10°C

•

żądany uzysk mocy- 270 [kW] (c.o. = 190 [kW]; c.w.u. = 80 [kW])

•

średniodzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę w okresie letnim: V

BW

= 800 [l]

Do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową wykorzystany zostanie układ

biwalentny równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. Oznacza to, że gdy moc

grzejna kolektorów słonecznych będzie niewystarczająca do pokrycia obciążenia cieplnego

instalacji, uruchamiane będzie dodatkowe źródło ciepła, jakim będą pompy ciepła. A więc

pokryje ono różnicę ciepła występującą pomiędzy obciążeniem cieplnym a mocą kolektorów.

Natomiast źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła, a zasilanie

instalacji odbywać się będzie ze zbiorników buforowych (Rys. 2.1).

Rys. 2.1 Schemat instalacji skojarzonego systemu pomp ciepła i kolektorów słonecznych

3.

Obliczenia

Obliczenia zostały wykonane dla pomp ciepła VATRA 80B2, typu solanka-woda

B0/W35 pracujących na czynniku R407C, oraz dla kolektorów słonecznych JuraSol 2.51 W,

płaskich, poziomych firmy ECOJURA.

Aby uzyskać żądaną moc, przewiduje się działanie czterech wymienionych wyżej

pomp ciepła, uruchamianych kolejno w miarę zapotrzebowania na ciepło, oraz kolektorów

słonecznych podzielonych na cztery piony. Wszystkie obliczenia dotyczące kolektorów

słonecznych przeprowadzone są dla jednego z pionów, które są identyczne.

3.1.

Kolektory słoneczne

Parametry:

•

Powierzchnia absorbera

A

A

= 2,31[ m

2

];

•

Optyczny współczynnik sprawności kolektora

η

0

=0,825;

•

Współczynniki strat cieplnych:

k

1

=3,583, k

2

=0,0102.

Warunki pracy:

•

kąt pochylenia

β

= 45

0

•

orientacja dachu:

γ

= 0

0

W

•

długość rur między kolektorem, a zasobnikiem:

L

R

= 15 [m]

•

czas pracy obiegu cyrkulacyjnego:

t = 12[h]

•

współczynnik pokrycia solarnego:

SF = 0,5

•

długość przewodów systemu cyrkulacyjnego:

L

Z

= 250 [m]

Obliczenie rocznego solarnego zysku energetycznego

Q

sol

= SF * ( Q

BW

+ Q

VZ

+ Q

VS

)*(365/1000) [kWh/rok]

Q

BW

– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do podgrzania c.w.u.

Q

BW

= V

BW

* c * (T

BW

– T

KW

) [Wh/dobę]

c – ciepło właściwe c=1,16 [Wh/(l*K)]

Q

BW

= 800 * 1,16 * 40= 37,12 [kWh/dobę]

Q

VZ

= k *

∆

T * t * L

Z

[Wh/dobę]

Q

VZ

– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do pokrycia strat ciepła w obiegu

cyrkulacyjnym.

k – wartość z izolacją wg Normy k=0,23 [W/m*K]

∆

T – różnica temp. pomiędzy wodą użytkową, a otoczeniem20

0

C;

∆

T=30K

Q

VZ

= 0,23 * 30 * 12 * 250= 20,7 [kWh/dobę]

Q

VS

= kA *

∆

T * 24h

Q

VS

– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do pokrycia strat ciepła w zasobniku

kA – współczynnik strat ciepła zasobnika solarnego (Wyliczenia dla zasobnika

pojemności 800 [l]. Dla takiego zasobnika k(A)= 2,7[W/K] )

Q

VS

= 2,7 * 30 * 24= 1,94 [kWh/dobę]

Roczny solarny zysk energetyczny:

O

sol

= 0,5 * (37,12 + 20,7+1,94) * (365/1000)= 10906,2 [kWh/rok]

Obliczenie wielkości pola kolektorowego

Wymagana wielkość całkowitej powierzchni kolektora absorbera, może zostać

wyliczona ze wzoru:

Anl

k

sol

E

Q

A

η

⋅

=

;

E

k

– roczny odbiór prom. słonecznego obliczany za pomocą współczynnika korekcji f

β

,

γ

η

Anl

– współczynnik sprawności instalacji solarnej przy solarnym stopniu pokrycia SF

E

k

= E * f

β

,

γ

E – roczna ilość promieniowania słonecznego na powierzchnię horyzontalną,

E=1000[kWh/m

2

]

f

β

,

γ

= 1,14

E

k

= 1000 * 1,14= 1140 [kWh/m

2

]

W celu wyliczenia

η

Anl

wybieram kolektor słoneczny, który chcę zainstalować

w liczonej instalacji, i którego parametry będę używał do liczenia

η

0,05

, a potem

η

Anl,

:

JuraSol 2.51 W, jest to kolektor płaski, poziomy:

η

0,05

– wymierny współczynnik sprawności kolektora solarnego przy średnich

warunkach pracy

η

0,05

=

η

0

– 0,05 * k

1

– 2 * k

2

η

0,05

= 0,825 – 0,05 * 3,583 – 2 * 0,0102

η

0,05

= 0,625

Na podstawie współczynnika

η

0,05

i solarnego stopnia pokrycia SF z wykresu można

odczytać wartość

η

Anl

:

η

Anl

= 0,415

Wymagana powierzchnia pola kolektorowego:

]

[

05

,

23

415

,

0

1140

10906,2

2

m

A

=

⋅

=

Obliczenie liczby wymaganych kolektorów:

n – liczba wymaganych kolektorów

n = A / A

A

n = 23,05/2,31

n = 10

Kolektory te połączone będą w sposób równoległy.

Należy również zaznaczyć, że kolektory te będą pokrywać zapotrzebowanie na ciepłą

wodę użytkową tylko w okresie letnim, gdy średniodzienne zapotrzebowanie na c.w.u.

wynosi 800 [l] dla jednego z pionów. W okresie zimowym średniodzienne zapotrzebowanie

zwiększa się do wartości ponad 3500 [l]. Wtedy niedobór energii niezbędnej do podgrzania

będą dostarczać pompy ciepła.

3.2.

Pompy ciepła

Parametry:

•

Wydajność chłodnicza

P

C

= 59,5 [kW];

•

Pobór mocy elektrycznej

P

E

= 19,08 [kW];

•

Wydajność grzewcza

P

H

= 76,2 [kW].

Warunki pracy:

•

Ochłodzenie roztworu glikolu w parowniku

4K;

•

Stężenie wodnego roztworu glikolu propylenowego

33%;

Dolne źródło ciepła

W projekcie pomp ciepła dolnym źródłem ciepła będą kolektory pionowe, w prawdzie

wymagające większych nakładów finansowych, ale ze względu na ich wielorakie zalety

w porównaniu z pozostałymi wykorzystywanymi dolnymi źródłami ciepła. Są nimi:

•

stała temperatura już od głębokości 15-18 [m] ppt (Rys. 3.1),

•

duża pojemność cieplna (brak zakłóceń równowagi energetycznej),

•

niskie koszty eksploatacyjne,

•

możliwość dwojakiego wykorzystania wymiennika gruntowego: jako parowacza

w zimie i skraplacza w lecie.

Rys. 3.1 Wykres temperatury w niezaburzonym gruncie w zależności od głębokości i pory roku

Szacunkową długość kolektora pionowego jako dolnego źródła ciepła obliczamy ze

wzoru:

]

[m

q

P

L

E

C

δ

⋅

=

gdzie:

P

C

– wydajność ziębnicza pompy ciepła [W];

q

E

– współczynnik zależny od rodzaju gruntu [W/m];

δ – współczynnik zależny od średnicy rury.

W zakładanych warunkach, dla rur produkcji Elplast-Jastrzębie PE80 SDR-17 PN10

Ф50x3,7mm:

q

E

= 50 [W/m]

δ = 1,05

L = 1249,5 [m]

Zakładamy głębokość pionowych wymienników równą 100[m], zatem ich ilość przy

czterech pompach ciepła musi wynieść 50. Ponieważ odwierty należy lokalizować

w odległości 4-5 [m] od siebie, powierzchnia jaką będą zajmować to ok. 1000[m

2

] – jaką

dysponujemy dzięki niezabudowanej części ogrodu w bezpośrednim sąsiedztwie domu

studenckiego. Odcinki łączące poszczególne odwierty należy umieszczać 1,4-1,5 [m] pod

powierzchnią gruntu.

Pompy górnego i dolnego źródła ciepła

Dla założonych warunków pracy pompy ciepła wymagana wydajność pompy dolnego

źródła ciepła (podana przez producenta) wynosi 13,4 [m

3

/h] a opory hydrauliczne

wymiennika w tej pompie ciepła wynoszą 55 [kPa]. Łączny opór hydrauliczny, który musi

pokonać pompa obiegowa jest sumą oporów rurociągów wymiennika umieszczonych

w gruncie, oporów odcinków doprowadzających (od pompy ciepła do rozdzielaczy) oraz

oporów wymiennika w pompie ciepła. Pompą spełniającą te wymagania może być pompa

Grundfos UPS seria 200 65-180, której pobór mocy elektrycznej wynosi 1,55 [kW].

Dobierając pompę obiegową górnego źródła ciepła należy wziąć pod uwagę

następujące parametry: wydajność, opory hydrauliczne wymiennika w pompie ciepła i opory

hydrauliczne rurociągów. Wymagana wydajność takiej pompy podana przez producenta

powinna wynosić 8,3 [m

3

/h] a opór hydrauliczny wymiennika wynosi 42 [kPa]. Taką pompą

może być pompa Grundfos UPS seria 200 40-120, której pobór mocy elektrycznej wynosi

0,47 [kW].

4.

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej i centralne ogrzewanie

4.1.

Obliczenie wymaganej pojemności zasobnika c.w.u. dla kolektorów słonecznych

Pojemność zasobnika c.w.u. obliczamy ze wzoru:

V

S

≥

75

2

m

l

* A

k

gdzie:

A

k

- zainstalowana powierzchnia kolektorów[m

2

],

V

S

= 1728,75[l]

Wybrano zatem 2 zasobniki po 1000 [l] każdy. Wybrane zasobniki są firmy Herz, model

SP1MO01- 990 i SP1BI01-990(z podwójną wężownicą)

Solarny wymiennik ciepła

Do obliczenia powierzchni wymiany ciepła A

WT

należy wziąć pod uwagę powierzchnię

zamontowanych kolektorów. Na każdy [m

2

] powierzchni kolektora przypada 0,2 – 0,3 [m

2

]

powierzchni wymiennika ciepła.

A

WT

=25,3* 0,25 [m

2

]

A

WT

= 6,325 [ m

2

]

Wybrane wyżej zasobniki spełniają ten warunek.

4.2.

Centralne ogrzewanie i podgrzewanie c.w.u.

Źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła a zasilanie

instalacji odbywać się będzie ze zbiorników buforowych. Pojemność zasobnika buforowego

z ociepleniem do każdej pompy ciepła będzie wynosiła 800 [dm

3

]. Natomiast do pokrycia

zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową wykorzystany zostanie układ biwalentny

równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. W tym celu zostaną użyte cztery (po

jednym dla każdej pompy ciepła) pojemniki biwalentne z wężownicą o pojemności 1000

[dm

3

] - model SP1BI01-990 firmy Herz, które będą łączyć instalację solarną z pompami

ciepła. Oprócz nich każdy pion instalacji solarnej będzie miał jeden dodatkowy zasobnik

wody firmy Herz, model SP1MO01- 990, które będą stanowić magazyny ciepłej wody

w okresie letnim, kiedy to kolektory słoneczne mają największą wydajność.

5.

Efekt ekologiczny

Dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych oraz pomp ciepła jako odnawialnych

i jednocześnie czystych źródeł energii osiągnięto znaczący efekt ekologiczny. Obecnie

zamówiona ilość mocy niezbędnej do zaopatrzenia budynku w ciepło wynosi 268 [kW].

Zastosowanie powyższych rozwiązań ograniczy zużycie energii do wartości 84,4 [kW].

Stanowi to zaledwie 32% mocy zamówionej. Gdyby pompa ciepła zasilana była energią

wytworzoną z OZE, emisja unikniona wynosiłaby 100%. W obecnej chwili zasilana będzie

energią wytworzoną w sposób konwencjonalny. Zakładając sprawność elektrowni na

poziomie 30% - 40%, emisja unikniona stanowić będzie ok. 20%.

6.

Podsumowanie

Zastąpienie konwencjonalnego centralnego ogrzewania jak i zaopatrzenia w ciepłą wodę

użytkową urządzeniami opartymi na odnawialnych źródłach energii niesie ze sobą wiele

korzyści. Jedną z najważniejszych, oprócz efektu ekologicznego oraz oszczędności energii,

jest umożliwienie studentom zdobycia praktycznej wiedzy w zakresie wykorzystania

odnawialnych źródeł energii. Ponadto instalacja ta mogłaby by stanowić wzorzec

wykorzystania odnawialnych źródeł energii na dużą skalę.

Literatura:

1.

Lewandowski W. 2001 – Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT Warszawa

2.

Pompy ciepła, Instytut Ochrony Środowiska przy Izbie Rzemiosła Munster, Bielawa –

Konin 2002;

3.

Termiczne instalacje solarne, Bielawa 2001;

4.

VATRA 2006 – Wytyczne projektowe dla pomp ciepła, Kraków;

5.

VIESSMANN 2007 – Wytyczne projektowe VITOCAL 200-G/222-G/242-G

5824 298-5 PL;

6.

Zalewski W. – Pompy ciepła;

7.

Zawadzki M.,2003: „Kolektory słoneczne, pompy ciepła- na tak!”,

Wyd.

Polska

Ekologia Sp. z o. o.,2003