Zespół Szkół nr 2

w Ostrzeszowie

Technikum Elektryczne

Praca Dyplomowa

Temat: Pompy Ciepła.

Prace wykonał :

Łukasz Sznayder

Pod kierunkiem:

mgr inż . Wojciecha Staszewskiego

Ostrzeszów 2005 r.

Spis treści

1.Wiadomosci wstępne.

2.Typy pomp ciepła.

3.Budowa.

4.Co to jest pompa ciepła.

5.Zasada działania.

6.Dolne i górne źródła ciepła.

7.Roczne koszty ogrzewania domu o pow.200 m2.

7.1 Roczne koszty ogrzewania obiektu

Przemysłowego(magazynowego).pow.2500 m2

7.2 Roczne koszty ogrzewania obiektu

Przemysłowego(magazynowego).pow.5000 m2

1.Wiadomosci wstępne.

Zasada działania pompy ciepła jest analogiczna do urządzenia chłodniczego lub klimatyzatora, z tą różnicą, że wykorzystanie energii jest odwrotne. Istnieją też systemy działające w zimie jako pompy ciepła, a w lecie jako klimatyzatory. Najwięcej takich rozwiązań można spotkać w Stanach Zjednoczonych, Norwegii, Szwecji, byłym RFN, Francji i Włoszech.
Szczyt rozwoju urządzeń miał miejsce w latach 80. Wtedy blisko 30% nowych domów jednorodzinnych w USA wyposażano w takie właśnie układy. Pompy ciepła kompleksowo ogrzewające budynki i wodę użytkową, rzędu kilkunastu kW zdobywają ostatnio coraz więcej zwolenników również w naszym kraju. Najbardziej popularne układy sprężarkowe składają się z czterech podstawowych części: sprężarki, zaworu rozprężnego i dwóch wymienników, z których jeden pełni rolę skraplacza, a drugi parownika. Parownik pobiera ciepło z otoczenia poprzez odparowujący w nim czynnik krążący w układzie. Dalej sprężarka zasysa odparowaną ciecz i podnosi ciśnienie czynnika, co powoduje wzrost jego temperatury. Wytworzona para trafia do skraplacza, gdzie w wyniku różnicy temperatur następuje skraplanie i emisja ciepła wykorzystywanego do celów grzewczych. Na przewodzie pomiędzy skraplaczem a parownikiem znajduje się zawór rozprężny, którego zadanie polega na przepuszczaniu odpowiedniej ilości cieczy do niskociśnieniowej części układu czyli parownika. Do zasilania powszechnych sprężarkowych pomp ciepła stosuje się energię elektryczną. Najtańsze zestawy z pompą dostępne na naszym rynku to klimatyzatory pokojowe o mocy efektywnej rzędu kilku kW z wbudowanym przełącznikiem obiegu na pracę jako pompa ciepła. Te najczęściej wykorzystują energię dolnego źródła z powietrza, a to sprawia że użytkowanie ich w naszym klimacie jest ograniczone, ponieważ podczas spadku temperatur zewnętrznych poniżej -5 st. C wydajność układu znacznie spada i staje się nieekonomiczna. W polskim klimacie najbardziej uzasadnionym źródłem odnawialnym do napędu

pomp ciepła jest energia skumulowana w gruncie, wodach powierzchniowych lub wodach gruntowych.
W przypadku kolektora gruntowego jego powierzchnia uzależniona jest od sposobu montażu. Wymienniki układane poziomo na głębokościach od 1,2 do 2 metrów wymagają znacznej powierzchni działki.Pobór energii cieplnej dla kolektorów płaskich w zimie waha się w granicach 20-50 W z 1 m kw. obszaru w zależności od struktury gleby i parametrów lokalnych terenu. Istnieje możliwość zastosowania kolektorów pionowych, lecz te z kolei wymagają nawiercenia otworów o głębokościach 20-150 metrów, a to oznacza większe nakłady finansowe. Cena zestawu pompy ciepła, czerpiącego energię z gruntu

za pośrednictwem wymienników poziomych - wraz z montażem - dla małego domku u jednego z krajowych dystrybutorów wynosi około 50 tysięcy złotych. Za taką kwotę otrzymujemy układ rzędu kilkunastu kW. Zwrot kosztów następuje po 5-15 latach w zależności od zakupionego modelu i warunków pracy. Posiadając w okolicy domu rzekę, staw lub jezioro możemy rozważyć ich wykorzystanie jako dolne źródło ciepła do napędu pompy. Tutaj inwestycja jest niższa, lecz pojawia się problem oblodzenia i dużych wahań temperatury. Bardziej stabilnym źródłem jest studnia gruntowa lub głębinowa. Wymiana wody w takim systemie może odbywać się w jednym odwiercie, ale na różnych poziomach (pobór niżej, zrzut wyżej). Innym źródłem dla pomp ciepła mogą być wody geotermalne. Rozwiązanie wymaga zazwyczaj głębszych otworów wiertniczych, co czyni inwestycję opłacalną w przypadku większych systemów ciepłowniczych.
Idea pomp opartych na energii wód termalnych w Polsce ma szanse rozwoju, ze względu na korzystne uwarunkowania geologiczne i dużą ilość nie użytkowanych obecnie poszukiwawczych otworów wiertniczych, których rekonstrukcja często obniża koszty ewentualnych inwestycji. Ciekawy pionierski projekt wykorzystujący sprężarkowe pompy ciepła czerpiące energię z niskotemperaturowych wód geotermalnych został uruchomiony jesienią zeszłego roku w podkrakowskich Słomnikach.
Mniej popularnym rodzajem pomp ciepła w naszym kraju są dwuobiegowe urządzenia absorpcyjne, gdzie oprócz obiegu właściwego, dochodzi jeszcze układ sprężarki termicznej. W absorpcyjnej pompie ciepła niskociśnieniowa para podczas wyjścia z parownika wchłaniana jest przez absorber, czemu towarzyszy proces wytwarzania ciepła. Roztwór sprężany jest do wysokiego ciśnienia, a następnie przesyłany do warnika gdzie zostaje podgrzewany do wysokiej temperatury. Dalej pary przechodzą do skraplacza, gdzie po raz kolejny oddawane jest ciepło. Następuje skroplenie czynnika roboczego i roztwór wraca do absorbera przez zawór rozprężny. Aby układ mógł pracować niezbędne jest dostarczenie energii cieplnej do podgrzania warnika oraz wymuszenie obiegu mediów za pomocą pompy mechanicznej. Najpopularniejszym zasadniczym paliwem do napędu tego typu systemów jest gaz ziemny. Mimo że wspomniane układy absorpcyjne są bardziej niezawodne od klasycznych pomp sprężarkowych stosuje się je w Polsce rzadziej i występują one raczej w jednostkach o większych mocach. Spowodowane jest to w znacznej mierze bardziej złożoną budową konstrukcyjną oraz brakiem specjalistycznych ekip serwisowych. W przypadku sprężarkowych pomp ciepła ich atutem jest fakt, że obsługa urządzenia nie sprawia problemu wykwalifikowanym chłodnikom. Większy system grzewczy, gdzie zasadnicze źródło energii stanowią absorpcyjne pompy ciepła to układ w Pyrzycach, o mocy 21,2 MW. Kolejnym przykładem może być 2,5-megawatowa pompa ciepła, zlokalizowana w Mszczonowie, a zasilająca układ ciepłowniczy w mieście. Oba układy czerpią energię z wód geotermalnych. Systemy podczas

niskich temperatur zewnętrznych wspomagane są poprzez szczytowe kotły gazowe.
Omawiając pompy ciepła warto wspomnieć pracach badawczo-rozwojowych prowadzonych w ostatnich latach między innymi przez ministerstwo energetyki USA. Badania skierowane są na technologie oparte na wymianie ciepła warnik - absorber, zwanych w skrócie GAX (generator-absorber heat exchange). Te urządzenia uważa się za jedne z najbardziej przyszłościowych. Charakteryzują się one prostą obsługą eksploatacyjną oraz większą sprawnością energetyczną od wcześniejszych konstrukcji nawet o 40%. W prototypowej pompie ciepła typu GAX wykonanej pod koniec lat 90., energię cieplną, zasilającą urządzenie dostarcza płomień palnika

gazowego ogrzewający warnik z czynnikiem chłodniczym i absorbentem. Czynnik chłodniczy stanowi amoniak, a absorbentem jest woda. W warniku następuje odparowanie amoniaku w temperaturze wrzenia, powodując równocześnie wzrost ciśnienia w zbiorniku. Dalej pary amoniaku kondensują się w skraplaczu oddając ciepło do wymiennika wewnętrznego obiegu. Skroplony amoniak przemieszcza się następnie do parownika niskociśnieniowego, gdzie pobiera ciepło z otoczenia i przechodzi w parę o niskim ciśnieniu i temperaturze przekazywaną dalej do absorbera. W tym samym czasie, po odparowaniu amoniaku z warnika, absorbent czyli woda przemieszcza się do absorbera, gdzie łączy się później z parami czynnika powodując reakcję egzotermiczną. Wytworzone ciepło wykorzystywane jest do celów grzewczych poprzez kolejny wymiennik. Ochłodzoną mieszaninę o niskim ciśnieniu przepompowuje się - za pomocą pompy mechanicznej - z powrotem do warnika, zamykając tym samym cykl obiegu. Dla zwiększenia wydajności grzewczej układu wymiennik cieplny zamontowany jest również w górnej części warnika.

3. Budowa pompy ciepła.

Obieg pompy ciepła tworzą elementy:
1. Parownik - wymiennik ciepła, w którym następuje odbiór ciepła ze źródła niskotemperaturowego (dolne źródło).
2. Skraplacz - wymiennik ciepła, w którym następuje przekazanie energii wysokotemperaturowej do odbiorów ciepła (górne źródło).
3. Dolne źródło ciepła (np. grunt).
4. Sprężarka czynnika chłodniczego.
5. Zawór dławiący.
6. Górne źródło ciepła (system grzejnikowy).

2.Typy POMP CIEPŁA.

2.1 PC typu powietrze / woda - urządzenie pobiera ciepło do odparowania z zewnętrznego powietrza o temp. do - 7 st. C , natomiast oddaje ciepło przez wymiennik do wodnego układu grzewczego budynku. Przy tego typu PC wymagane jest dodatkowe źródło ciepła ( np. kominek grzałka elektryczna) które dogrzeje dom , gdy temp. na zewnątrz spadnie poniżej - 7 st. C.

2.2 PC typu solanka / woda - urządzenie pobiera ciepło z ziemi za pośrednictwem zamkniętej pętli glikolowej (pętla horyzontalna, spiralna, lub głębinowa). Oddawanie ciepła identyczne jak w 1. przypadku.

2.3 PC typu woda / woda - system, który osiąga wysokie współczynniki efektywności, ponieważ temperatura wód gruntowych jest stała w ciągu roku i waha się w granicach 8 - 10 st. C. Wykonanie dolnego źródła pompy jest stosunkowo tanie polega na wykonaniu dwóch studni. Jednak aby oprzeć działanie pompy ciepła na wodzie gruntowej, należy przeprowadzić badanie składu jakościowego, oraz wydajność danego źródła.
Oddawanie ciepła do systemu grzewczego jak w przypadku 1 i 2.

2.4 PC typu bezpośrednie parowanie / woda - to system, w którym odbiór ciepła z ziemi odbywa się za pośrednictwem kolektora wykonanego z rury miedzianej w powłoce z polietylenu. W kolektorze tym przepływa czynnik chłodniczy, który bezpośrednio w gruncie odparowuję. System ten ma wyższą sprawność od systemu solanka / woda .Oddawanie ciepła jak w punkcie 1. i 2.

2.5 PC typu bezpośrednie parowanie / bezpośrednie skraplanie - system najbardziej ekonomiczny w eksploatacji. Ponieważ tak w dolnym, jak i górnym źródle wyeliminowano wymienniki ciepła, oraz pompy obiegowe, pompa ciepła tego typu zużywa energię elektryczną tylko do napędu kompresora, a straty ciepła na wymiennikach nie występują. Odbiór ciepła z gruntu następuje poprzez miedziany kolektor oraz dostarczanie ciepła do obiektu odbywa się za pośrednictwem układu podłogowego, wykonanego z rury miedzianej.

Wszystkie typy pomp ciepła są urządzeniami bardzo ekologicznymi, nie powodują żadnego zanieczyszczenia środowiska. Są urządzeniami bezobsługowymi. Wszystkie mogą współpracować z innymi urządzeniami grzewczymi np. kolektorami słonecznymi, kominkami.

4.Co to jest pompa ciepła ?

Pompa ciepła jest urządzeniem, które wykorzystuje rozmaite zjawiska fizyczne, po to, aby przenieść ciepło z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze. Samoczynny przepływ ciepła od ciała zimniejszego do cieplejszego nie jest możliwy, dlatego pompie ciepła trzeba dostarczyć energii napędowej.

 

5.Zasada działania pomp ciepła.

Pompy ciepła działają tak jak lodówki, lecz w przeciwieństwie do nich wykorzystuje się tu nie zimną, lecz gorącą stronę obiegu termodynamicznego.
W bardzo dużym uproszczeniu, składa się z czterech podstawowych elementów tworzących obieg termodynamiczny - parownika, sprężarki, skraplacza, zaworu rozprężnego, a także krążącego w tym obiegu czynnika roboczego, czyli gazu posiadającego zdolności wrzenia w niskich temperaturach. W parowniku, czynnik roboczy ulega procesowi odparowania - pod wpływem ogrzania przez dolne źródło (proces odbioru energii cieplnej z gruntu, wody lub powietrza). Następnie w sprężarce następuje proces sprężania par czynnika roboczego. Za sprężarką czynnik roboczy, posiadający wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, ulega procesowi skraplania w skraplaczu (gdzie następuje proces oddawania ciepła do górnego źródła - systemu ogrzewania obiektu). Ostatnim procesem, jakiemu podlega czynnik roboczy w obiegu termodynamicznym, jest proces rozprężania w zaworze rozprężnym, dozującym czynnik roboczy do parownika, gdzie cykl przedstawiony powyżej powtarza się.
Pompy ciepła to urządzenia odbierające energię cieplną z dolnego źródła o niskiej temperaturze jakim jest gruntu, woda lub powietrze, przetwarzające, a następnie przekazujące ją do górnego źródła o wysokiej temperaturze, które służy do ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

6.Dolne źródło ciepła.

• Kolektor gruntowy poziomy

Są to najczęściej rury polietylenowe wewnątrz których znajduje się płyn o bardzo niskiej temperaturze zamarzania (woda z dodatkiem na przykład glikolu). Kolektor ten powinien być położony w gruncie na głębokości poniżej strefy przemarzania (czyli na głębokości około 1,5 metra).

• Kolektor gruntowy pionowy

Alternatywą dla kolektorów poziomych są kolektory pionowe. W zależności od sposobu wykonania możemy je podzielić na:

• O przepływie przeciwbieżnym

• O przepływie koncentrycznym

• Typu U

Najczęściej stosowane i najbardziej popularne są kolektory typu U. Rury umieszcza się na głębokości od 15 do 100 metrów.

• Studnie głębinowe

Studnie głębinowe pozwalają na pozyskanie energii z wód głębinowych. W odróżnieniu od kolektorów pionowych i poziomych (układ w tych systemach jest zamknięty) układ ten jest układem otwartym. W przypadku wyżej wymienionych systemów istotna jest głębokość na jakiej znajdują się rury, z uwagi na temperaturę dolnego źródła (jakim jest grunt). W głębszych warstwach od 20 metrów energia jest akumulowana z wnętrza ziemi oraz od promieniowania słonecznego. Na głębokości około 10 m temperatura jest stała i dla średniej strefy klimatycznej wynosi około 10 stopni Celsjusza. Na głębokości około od 1,5 do 2 metrów temperatura zmienia się sinusoidalnie od 6 do 15 stopni.

Temperatura dolnego źródła jest istotna ze względów ekonomicznych. Im mniejsza jest różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem ciepła tym bardziej efektywne i tańsze jest ogrzewanie pomieszczenia docelowego.

Górne źródło ciepła

Górne źródło ciepła to najczęściej ciepła woda wykorzystywana w instalacjach centralnego ogrzewania i służąca do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

7.Roczne koszty ogrzewania domu o pow.200 m2,za pomocą Gazu płynnego,Energii elektrycznej 1 i 2 taryfy,Oleju opałowego,Gazu ziemnnego,Węgla kamiennego,Pompy ciepła.

7.1 Roczne koszty ogrzewania obiektu przemysłowego (magazynowego) lub obiektu użyteczności publicznej o pow. 2500 m2 za pomocą Gazu płynnego,Energii elektrycznej 1 i 2 taryfy,Oleju opałowego,Gazu ziemnnego,Węgla kamiennego,Pompy ciepła.

Roczne koszty ogrzewania obiektu przemysłowego (magazynowego) lub obiektu użyteczności publicznej o pow. 5000 m2, za pomocą Gazu płynnego,Energii elektrycznej 1 i 2 taryfy,Oleju opałowego,Gazu ziemnnego,Węgla kamiennego,Pompy ciepła.

17

---