Informacja o pracy dyplomowej

1. Nazwisko i imię:

Adam Koniszewski

adres mailowy: [e-mail]

2. Kierunek studiów:

Mechanika i Budowa Maszyn

3. Rodzaj studiów:

Dzienne magisterskie

4. Specjalność:

Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne

5. Katedra dyplomująca:

Katedra Techniki Cieplnej

6. Promotor pracy:

dr inż. Zenon Bonca

7. Recenzent pracy:

dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG

8. Termin obrony:

25.06.2009 rok

9. Ocena pracy dyplomowej: Celująca

10. Temat pracy dyplomowej:

Analiza techniczno - ekonomiczna zastosowania w systemach ogrzewania

wolnostojących budynków mieszkalnych sprężarkowych pomp ciepła,

w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne, na przykładzie

wybranego obiektu

Spis treści:

Wstęp ..................................................................................................................................... 4

1. Stan środowiska naturalnego .......................................................................................... 5

2. Odnawialne źródła energii i ich podział ......................................................................... 8

3. Pompy ciepła .................................................................................................................... 10

3.1 Zasada działania pompy ciepła............................................................................................................... 10

3.2 Wielkości charakterystyczne opisujące pompę ciepła ............................................................................ 14

4.

Przegląd wraz z oceną techniczno - ekonomiczną istniejących rozwiązań systemów
ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych z wykorzystaniem
sprężarkowych pomp ciepła (SPC) ................................................................................ 17

4.1 Systemy pracy układu grzewczego ........................................................................................................ 18

4.1.1 Monowalentne układy pomp ciepła .............................................................................................. 19

4.1.2 Biwalentne układy pomp ciepła .................................................................................................... 24

4.2 Rodzaj dolnego źródła ciepła ................................................................................................................. 26

4.2.1 Charakterystyka dolnych źródeł ciepła niskotemperaturowego ................................................... 27

4.3 Charakterystyka kolektorów gruntowych ............................................................................................... 32

4.4 Realizacja transportu ciepła na poziomie źródła górnego SPC .............................................................. 34

4.4.1 Ogrzewanie grzejnikowe .............................................................................................................. 35
4.4.2 Ogrzewanie podłogowe (płaszczyznowe) ..................................................................................... 35
4.4.3 Ogrzewanie powietrzne ................................................................................................................ 38

5.

Przegląd konstrukcji wraz z oceną parametryczną dostępnych na rynku SPC,

w którym dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne .......................................... 39

5.1 Sposób działania pompy ciepła .............................................................................................................. 39

5.2 Konstrukcja i parametry dostępnych na rynku powietrznych pomp ciepła ............................................ 40

5.3 Przykład doboru pompy ciepła dla domku jednorodzinnego o powierzchni 80 m

2

............................... 42

5.3.1 Założenia ofertowe ....................................................................................................................... 42
5.3.2 Koszt wykonania systemu grzewczego ........................................................................................ 42
5.3.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus

Logatherm WPL 6A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą ................................... 43

6. Założenia ogólne ............................................................................................................... 45

6.1 Wybór budynku ..................................................................................................................................... 45

6.2 Plany budynku ....................................................................................................................................... 47

7. Ocena zysków i strat ciepła w przyjętym do analizy wolnostojącym budynku

mieszkalnym (audyt energetyczny). Wyznaczenie wskaźnika sezonowego
zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania E. Klasa energetyczna budynku ............. 49

7.1 Dane dotyczące elementów konstrukcyjnych budynku ......................................................................... 49

7.2 Projektowa strata ciepła przez przenikanie dla pomieszczeń budynku .................................................. 51

7.3 Projektowa strata ciepła przez wentylację naturalną dla pomieszczeń budynku ................................... 55

7.4 Dobór mocy grzewczej na cele ciepłej wody użytkowej ....................................................................... 57

7.5 Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku E ..................................... 58

7.6 Klasa energetyczna budynku ................................................................................................................. 61

7.7 Ocena wyników obliczeń cieplnych dla analizowanego budynku ......................................................... 63

8.

Wariantowy projekt koncepcyjny systemu ogrzewania dla wybranego budynku,
oparty na SPC. Kompletacja elementów systemu z automatyką sterującą ............... 64

8.1 Rozwiązania koncepcyjne systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................... 65

8.1.1 Rozwiązanie - Wariant 1 ............................................................................................................... 65
8.1.2 Rozwiązanie - Wariant 2 ............................................................................................................... 65
8.1.3 Rozwiązanie - Wariant 3 ............................................................................................................... 65
8.1.4 Rozwiązanie - Wariant 4 ............................................................................................................... 65
8.1.5 Rozwiązanie - Wariant 5 ............................................................................................................... 65

8.2 Kryteria doboru systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................................... 68

8.3 Wybór rozwiązania koncepcyjnego systemu ogrzewania opartego na SPC ........................................... 68

8.4 Dobór optymalnej mocy grzewczej SPC na podstawie wykresu uporządkowanego .............................. 69

8.4.1 Zapotrzebowanie na moc grzewczą analizowanego budynku na wykresie uporządkowanym ..... 66
8.4.2 Charakterystyki SPC typu powietrze - woda (P-W) poddane ocenie ekonomicznej opłacalności

stosowania dla analizowanego obiektu ......................................................................................... 71

8.4.3 Analiza ekonomiczna .................................................................................................................... 73

8.5 Kompletacja elementów systemu ogrzewania opartego na SPC ............................................................ 84

8.5.1 Zasobnik ciepłej wody użytkowej................................................................................................. 85
8.5.2 Zasobnik buforowy ....................................................................................................................... 85
8.5.3 Instalacja centralnego ogrzewania ................................................................................................ 85
8.5.4 Pompa obiegowa instalacji ogrzewania podłogowego .................................................................. 88
8.5.5 Naczynie wzbiorcze instalacji c.o ................................................................................................. 89
8.5.6 Naczynie wzbiorcze instalacji c.w.u ............................................................................................. 89
8.5.7 Zawór bezpieczeństwa instalacji co .............................................................................................. 89
8.5.8 Zawór bezpieczeństwa instalacji c.w.u ......................................................................................... 90
8.5.9 Pompa cyrkulacyjna c.w.u ............................................................................................................ 90

8.6

Projekt instalacji systemu ogrzewania opartego na SPC ........................................................................ 90

8.6.1 Praca systemu ogrzewania opartego na SPC ................................................................................ 92
8.6.2 Parametry systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................................... 93

8.7

Koszty systemu ogrzewania opartego na powietrznej pompie ciepła typu Buderus Logatherm WPL 8A

dla analizowanego budynku o powierzchni użytkowej 140 m

2

............................................................. 95

8.7.1 Założenia ogólne ........................................................................................................................... 95
8.7.2 Koszt wykonania systemu grzewczego ......................................................................................... 95
8.7.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus

Logatherm WPL 8A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą ................................... 96

9.

Obliczenia cieplno - przepływowe o charakterze sprawdzającym dla
wentylatorowej chłodnicy powietrza (parownika) SPC .............................................. 97

9.1 Obliczenia cieplne chłodnicy powietrza................................................................................................. 99

9.2 Obliczenia przepływowe chłodnicy powietrza ..................................................................................... 105

10.

Preferowane do współpracy z pompą ciepła systemy ogrzewania .......................... 109

10.1 Wpływ temperatury górnego źródła na efektywność działania SPC .................................................. 109

10.2 Wpływ wyboru systemu ogrzewania na efektywność działania SPC ................................................ 112

10.3 Ogrzewanie podłogowe - kompletacja elementów systemu ............................................................... 113

10.3.1 Konstrukcja ogrzewania podłogowego ..................................................................................... 114
10.3.2 Rozkład temperatury na powierzchni podłogi .......................................................................... 115

11.

Ocena techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania wolnostojącego budynku

mieszkalnego oparta na metodzie LCC (Life Cycle Cost) dla zaproponowanego
rozwiązania z SPC, w której dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne ......... 117

11.1 Koszty cyklu życia systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A dla

analizowanego budynku .................................................................................................................... 117

11.2 Analiza techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL

8A dla analizowanego budynku ........................................................................................................ 119

Podsumowanie ................................................................................................................... 130

Literatura ........................................................................................................................... 134

Załączniki ........................................................................................................................... 137

Wstęp

Niniejsza praca dyplomowa poświęcona jest analizie techniczno – ekonomicznej

zastosowania

w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych

sprężarkowych pomp ciepła, w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne.

Pompa ciepła jest urządzeniem chłodniczym, działającym w oparciu o lewobieżny

obieg termodynamiczny. Celem pracy tego urządzenia jest dostarczenie energii grzewczej

zarówno do ogrzewania, jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej poprzez instalację

źródła górnego w wyniku transformacji ciepła uprzednio pobranego w źródle dolnym. Proces

ten przebiega dzięki dostarczonej do urządzenia z zewnątrz energii napędowej. Pod względem

energetycznym pracę tego urządzenia charakteryzuje współczynnik wydajności grzewczej

COP. Jego wartość zależy od różnicy temperatur między źródłem dolnym i górnym.

Analizowanym w pracy źródłem dolnym pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne. Jest to

źródło ogólnie dostępne i nie wymaga dodatkowych nakładów inwestycyjnych na wykonanie.

Aby pobierać z niego energię cieplną nie trzeba budować kosztownych kolektorów czy

studni, jak to ma miejsce w przypadku, gdy ta energia pobierana jest z gruntu.

Z badań ankietowych przeprowadzonych przez Wydawnictwo Budujemy Dom [16]

wynika, że około 40% budujących rozważa możliwość zastosowania pompy ciepła

we własnym domu. Jednak tylko w jednym na kilkanaście przypadków rozważania te kończą

się decyzją „na tak”. W Europie (np. Niemcy, Szwecja, Finlandia, Austria, Szwajcaria,

Francja) już 30 – 50% nowych domów wyposaża się w pompy ciepła, przy czym w ostatnich

latach obserwuje się gwałtowny wzrost sprzedaży tych urządzeń. W Polsce zainteresowanie

tą technologią jest coraz większe, ale pod względem liczby domów nowo budowanych

i wyposażonych w pompę ciepła, wciąż pozostajemy w ogonie Europy. Podstawowym

kryterium wyboru konkretnego systemu ogrzewania jest rachunek ekonomiczny.

W przedstawionej pracy wykorzystano metodę LCC (Life Cycle Cost). Metoda ta pozwala

oszacować całkowite koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu w przyjętym cyklu jego

życia. Opiera się ona na porównaniu nakładów inwestycyjnych na proponowane rozwiązanie

systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej dla budynku mieszkalnego oraz

kosztów eksploatacyjnych wzrastających wraz z upływem okresu użytkowania systemu.

Podsumowanie

 Lokalizacja analizowanego budynku w miejscowości Miastko, to dogodna strefa

klimatyczna (I) ze względu na zewnętrzną temperaturę obliczeniową, co sprzyja SPC

przy wykorzystaniu w niej do celów grzewczych, jako dolnego źródła ciepła, powietrza

atmosferycznego;

 analizowany budynek o wskaźniku

h

WZE

=0,9 należy do klasy jakości energetycznej B2.

Jest to czwarta pozycja z dziewięciu możliwych wariantów tych klas, co zapewnia

stosunkowo niskie zużycie energii obiektu w ciągu roku. Aby klasa jakości energetycznej

budynku była korzystniejsza, należałoby m.in. zastosować w nim wentylację

mechaniczną z odzyskiem ciepła, co umiejscowiłoby analizowany budynek w klasie A;

 wentylacja w największym stopniu przyczynia się do strat energii cieplnej w skali roku.

W analizowanym obiekcie sięgają one aż 43% strat energii cieplnej całego budynku;

 analizowany

budynek

spełnia

kryteria

domku

energooszczędnego

(

30, 6

33,3

ref

E

E







kWh/m

3

rok). Dla tego typu budynków montaż SPC jest

uzasadniony ekonomicznie. Zainstalowanie tego urządzenia w budynku nie

energooszczędnym z uwagi na zwiększoną stratę ciepła przez przenikanie

powodowałoby, że SPC pracowałaby o wiele dłużej niż w budynku energooszczędnym.

A to skutkowałoby zwiększonym zużyciem energii elektrycznej do napędu sprężarki

pompy ciepła. Wydłużony czas pracy wiąże się z większymi kosztami eksploatacyjnymi,

mimo że „sprawność” SPC jest wysoka;

 Zapotrzebowanie na moc grzewczą dla analizowanego budynku jest zmienne i zależy ono

od temperatury zewnętrznej. W związku z tym nie opłaca się dobierać SPC na 100%

zapotrzebowania na moc grzewczą budynku, co jest uzasadnione ekonomicznie,

ponieważ przez znaczną część czasu pracy jest ona przewymiarowana;

 Parametry techniczne pompy ciepła Logatherm WPL 8A typu P-W dla analizowanego

budynku ulegają znacznej zmianie wraz ze spadkiem bądź wzrostem temperatury

dolnego źródła ciepła (powietrza atmosferycznego). Na to nie mamy wpływu jako

użytkownicy, bowiem takie warunki dyktuje natura;

 Parametry techniczne pompy ciepła Logatherm WPL 8A typu P-W dla analizowanego

budynku zmieniają się także przy wyborze źródła górnego, a na to jako użytkownicy

mamy już wpływ. Im temperatura tego źródła jest wyższa, tym mniejsza jest jej

wydajność grzewcza, natomiast rośnie moc napędowa sprężarki. W konsekwencji tego

obniża się współczynnik wydajności grzewczej COP urządzenia. Dzieje się tak dlatego,

ponieważ zmianie tej temperatury towarzyszy wzrost, bądź spadek ciśnienia skraplania

odpowiadający wymaganej temperaturze zasilania instalacji źródła górnego;

 Wpływ wyboru systemu ogrzewania na efektywność działania wybranej do analizy

pompy ciepła Logatherm WPL 8A jest decydujący, ponieważ systemy ogrzewania:

grzejnikowy, płaszczyznowy czy powietrzny posiadają różne temperatury pracy. Jak

stwierdzono powyżej, ta temperatura ma decydujący wpływ na wartość współczynnika

efektywności grzewczej COP analizowanej pompy ciepła, a co za tym idzie i koszty

eksploatacyjne. Wzrost temperatury źródła górnego o 10 K skutkuje zmniejszeniem

współczynnika wydajności grzewczej COP o około 20%, a zatem prowadzi to

zwiększenia kosztów eksploatacyjnych analizowanego budynku na takim samym

poziomie;

 Przy ogrzewaniu podłogowym, sposób ułożenia rur grzewczych ma znaczny wpływ na

rozkład temperatury powierzchni podłogi, a przez to na jej wydajność w różnych

częściach pomieszczenia. W przypadku ułożenia rur w układzie ślimak oraz podwójny

meander, osiąga się równomierny rozkład temperatury, ponieważ średnia temperatura

wody dla każdych dwóch sąsiadujących przewodów jest w przybliżeniu identyczna. W

układzie meander temperatura powierzchni podłogi obniża się liniowo w kierunku od

zasilania do powrotu;

 Wraz z powstawaniem warstwy szronu na powierzchni chłodnicy powietrza analizowanej

pompy ciepła Logatherm WPL 8A, maleje jej przekrój wolnego przelotu powodując w

nim wzrost prędkości powietrza, a co za tym idzie zwiększenie oporów przepływu.

Gwałtowny wzrost tych oporów następuje po przekroczeniu warstwy szronu o grubości

0,6 mm. W związku z tym zainstalowany jest odpowiedni wentylator chłodnicy

powietrza, który przy wzroście tych oporów utrzyma wymagany strumień objętościowy

powietrza dla zapewnienia zadanych parametrów pracy urządzenia;

 System ogrzewania oparty na pompie ciepła Logatherm WPL 8A dla analizowanego

budynku pracuje w układzie biwalentnym monoenergetycznym i pokrywa całkowite jego

zapotrzebowanie na moc grzewczą. Jej średni współczynnik wydajności grzewczej COP

wynosi 3, co dla analizowanego budynku o zapotrzebowaniu na energię grzewczą

wynoszącym 19 710 kWh przy cenie energii elektrycznej w taryfie G12 (41 gr.) daje

roczne koszty eksploatacyjne w wysokości 3091 zł;

 W okresie 20 lat użytkowania systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm

WPL 8A, koszty eksploatacyjne tego systemu dla analizowanego budynku stanowią aż

59% całkowitych kosztów LCC. W tym 57%, to koszty związane ze zużyciem energii

elektrycznej przez pompę ciepła. Zatem koszty eksploatacyjne tego urządzenia w dużej

mierze zależą od cen energii elektrycznej. W kosztach inwestycyjnych największy udział

ma pompa ciepła wraz z jej modułem wewnętrznym AWC, bowiem stanowi ona 31%

całkowitych kosztów LCC;

 Z punktu widzenia dostępności dolnego źródła pompy ciepła wydawałoby się, że wybór

systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A, gdzie jego dolnym

źródłem ciepła jest powietrze atmosferyczne, pod względem kosztów cyklu życia LCC

dla analizowanego budynku będzie korzystne. Po przeprowadzeniu tej analizy okazuje

się, że tak nie jest. Mimo dostępności tego źródła oraz prostocie pozyskiwania z niego

ciepła, jest to system nieopłacalny w porównaniu do sytemu opartego na pompie ciepła

Logatherm WPS 7K, w której dolnym źródłem jest grunt. Generuje on w porównaniu do

niego straty w wysokości około 15 000 zł w okresie 20 lat użytkowania;

 Zaproponowany w pracy system ogrzewania jest ekonomicznie uzasadniony w porównaniu do

systemu ogrzewania opartego na kotle zasilanym olejem opałowym lub gazem płynnym, bowiem

w porównaniu do nich w okresie 20 lat życia urządzenia generuje zyski. W porównaniu do kotła

zasilanego olejem opałowym, zyski te wynoszą 38 700 zł, a czas zwrotu poniesionych kosztów

inwestycyjnych na rzecz pompy ciepła Logatherm WPL 8A wynosi 7,5 lat. W porównaniu do

kotła zasilanego gazem płynnym zapewnia zyski w wysokości 60 500 zł, a czas zwrotu

poniesionych kosztów inwestycyjnych na rzecz pompy ciepła wynosi 5,7 lat;

 Warto zauważyć, że dla oceny rentowności przedsięwzięcia, niezmiernie ważna jest realna stopa

procentowa, gdyż to właśnie ona ma bezpośrednie przełożenie na koszty cyklu życia (LCC)

urządzeń. Gdy przyjmuje ona wartości dodatnie, wówczas koszty LCC

maleją z każdym rokiem

użytkowania urządzenia. Dzieje się tak dlatego, ponieważ przy takiej stopie procentowej umacnia

się wartość pieniądza. W przypadku, gdy realna stopa procentowa przyjmie wartości ujemne,

wtedy koszty LCC

rosną z każdym rokiem użytkowania urządzenia. Dzieje się tak dlatego,

ponieważ przy takiej stopie procentowej spada wartość pieniądza.