Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła

Prezentacja na temat: "Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła"— Zapis prezentacji:

1 Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła SPRĘŻARKA M SILNIK NAPĘDOWY Ps SKRAPLACZ ZAWÓR ROZPRĘŻNY PAROWNIK ODBIORNIK ŹRÓDŁO ENERGII Pg Po To Tg

2 OBIEG TERMODYNAMICZNY POMPY CIEPŁA
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA OBIEG TERMODYNAMICZNY POMPY CIEPŁA OBIEG TEORETYCZNY SPRĘŻARKOWEJ POMPY CIEPŁA Z PRZEGRZEWACZEM PARY W UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH T-s; logp-h (1-2) sprężanie izentropowe pary czynnika roboczego; (2-4’) skraplanie izobaryczne połączone z dochłodzeniem cieczy w punktach (4’-4); (4-5) izentalpowe dławienie ciekłego czynnika (5-6) odparowanie izobaryczne wraz z przegrzaniem pary (6-1) -rzeczywisty współczynnik efektywności grzewczej pompy ciepła dr- stopień doskonałości rzeczywistego obiegu pompy ciepła (dr=0,5-0,6)

3 Współczynnik wydajności sprężarkowej pompy ciepła
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Współczynnik wydajności sprężarkowej pompy ciepła COP = Pg / Ps gdzie: Pg – moc grzewcza pompy ciepła, Ps – moc pobierana z sieci przez silnik napędowy oraz osprzęt COP = h*Tg / (Tg-To) gdzie: h - sprawność obiegu rzeczywistego w porównaniu z teoretycznym (można przyjmować wartość ok. 0,5) Tg - temperatura skraplania czynnika ( musi być wyższa od wymaganej temperatury podgrzania odbiornika o ok. 5 K ) To - temperatura parowania czynnika To, ( musi być niższa od temperatury źródła )

4 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Współczynnik wydajności sprężarkowej pompy ciepła

5 Budowa sprężarkowej pompy ciepła
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Budowa sprężarkowej pompy ciepła

6 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA

7 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Niskotemperaturowe źródła ciepła   W środowisku naturalnym występują powszechnie źródła ciepła o temperaturze zbyt niskiej do bezpośredniego wykorzystania, posiadające jednocześnie olbrzymi potencjał energetyczny (pojemność cieplną). Należą do nich: wody powierzchniowe, wody gruntowe, powietrze atmosferyczne, grunt. Niskotemperaturowe źródła energii dla pomp ciepła powinny cechować się: -         dużą pojemność cieplną, -         łatwym dostępem i niskim kosztem wykonania instalacji, -         stałą i stosunkowo wysoką temperaturą w ciągu roku, -         małą aktywnością chemiczną. Przykładowo wody powierzchniowe charakteryzują się ograniczonym dostępem i mają zmienne temperatury w zależności od pory roku. W okresie największych potrzeb grzewczych temperatura wód powierzchniowych jest najniższa i wówczas współczynnik wydajności grzewczej pompy ciepła jest stosunkowo niewielki. Powietrze atmosferyczne jest z kolei źródłem ogólnodostępnym, ale jego temperatura drastycznie spada w okresie największego obciążenia systemu grzewczego. Pompy ciepła najczęściej czerpią energię zakumulowaną w gruncie. Jest to źródło energii cieplnej ogólnodostępne o względnie stabilnej temperaturze w ciągu całego roku. Na głębokości 20 metrów, niezależnie od pory roku, temperatura wynosi +10oC. W płytszych warstwach obserwuje się oscylacje sezonowe: na głębokości 4 metry od +12oC w październiku do +6,5oC w kwietniu, a na głębokości 2 metry przeciętnie od +15oC we wrześniu do +3,5oC w lutym.

8 Właściwości cieplne gruntu
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Właściwości cieplne gruntu Gęstość strumienia ciepła przejmowanego z gruntu zależy od jego rodzaju i wilgotności Rodzaj gruntu Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m.K) Żwir 0,70 Piasek suchy 0,58 Piasek o wilgotności 20% 1,33 Piasek nasycony wodą 1,88 Piasek morski o wilgotności 20% 1,76 Piasek morski nasycony 2,44 Grunt gliniasty mokry 2,33 Grunt żwirowo-piaszczysty (wilgotny) 1,75 Grunt roślinny pod budynkiem 1,16 Grunt średniowilgotny 1,4

9 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Pozyskiwanie energii cieplnej z gruntu wymiennik poziomy: z rur tworzywowych o średnicy 40  50 mm układanych na głębokości 1,2  2 m z zachowaniem odległości pomiędzy rurociągami 0,8  1 m. Odbiór ciepła z gruntu w warunkach letnich i jesiennych 15  20 W, a w warunkach zimowych 8  12 W mocy cieplnej w przeliczeniu na 1 mb rurociągu (w domu o powierzchni 200 m2 dla pompy ciepła o nominalnej mocy grzewczej 12 kW pod wymiennik gruntowy poziomy należy zarezerwować działkę o orientacyjnej powierzchni 400 ÷ 600 m2). wymiennik pionowy: o głębokości odwiertów do 100 m (do 30 m bez formalności), zapewniają zimą większą wydajność jednostkową (30  90 W) W ze względu na wyższe temperatury gruntu (przykładowa temperatura czynnika w wymienniku podłączonym do pompy ciepła może spadać w miesiącach zimowych do 7÷8oC, dochodząc do 13÷14oC w miesiącach letnich). Zasadniczą wadą rurociągowych wymienników gruntowych jest wysoki koszt ich wykonania – orientacyjnie jest on porównywalny z kosztem zakupu samej pompy ciepła.

10 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
- układ dwóch studni ch w układzie dwóch studni. Wody gruntowe mają względnie stałą temperaturę w ciągu całego roku (od 8 do 12°C), dlatego stanowią bardzo dobre źródło energii dla pomp ciepła. Przed zainstalowaniem takiego systemu należy jednak uzyskać pewność, że dane ujęcie zapewni dostęp do potrzebnej ilości wody, a szczególnie, że bez przeszkód uda się zatłaczanie schłodzonego czynnika do drugiej studni - zrzutowej. Sprawność działania takiego układu powinna być gwarantowana przez najmniej kilka lat i dotyczyć także energochłonności zatłaczania czynnika, bowiem trwałość studni chłonnej i zrzutowej mogą się różnić. Uzyskanie takiej gwarancji może jednak znacznie podrażać inwestycję, ze względu na wiercenia rozpoznawcze i procedury prób pompowania i zatłaczania. Istotną wadą układu dwóch studni jest przyspieszone zużycie samego parownika pod wpływem bezpośredniego kontaktu z wodą. Należy też pamiętać, że na czerpanie wody ze studni o głębokości większej niż 30 m potrzebne jest pozwolenie wodno prawne wodociąg wiejski, wymaganie wydajności: 0,15 – 0,2 m3/h na kW mocy grzewczej. - najprostszym i najtańszym, ale zarazem najbardziej ryzykownym rozwiązaniem pozyskiwania ciepła z gruntu jest układ z jedną studnią oraz zrzutem do wód powierzchniowych. Pobór wody ze studni dochodzący w okresie zimowym nawet do 1000 m3 na miesiąc może doprowadzić do obniżenia poziomu wód gruntowych.

11 Układy połączeń wymienników gruntowych
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Układy połączeń wymienników gruntowych wg a) wymiennik gruntowy pionowy b) wymiennik gruntowy poziomy c) układ dwóch studni d) wodociąg

12 Montaż wymiennika gruntowego pionowego
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Montaż wymiennika gruntowego pionowego wg

13 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Montaż wymiennika gruntowego poziomego wg Orientacyjne koszt budowy wymiennika gruntowego pionowy: PLN/mb odwiertu poziomy: 30 – 40 PLN/mb

14 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Data Średnia temperatura źródła, oC Energia pobrana z sieci, kWh Energia oddana przez skraplacz, MJ Energia pobrana przez parownik, MJ Współczynnik. wydajności chłodniczej grzewczej 24.10 4,8 9,63 93,8 58,9 1,70 2,71 12.10 6,7 27,70 253,4 183,8 1,84 2,54 28.04 7,3 14,91 155,2 109,7 2,04 2,89 21.10 7,7 24,60 252,4 149,8 1,69 2,85 22.10 8,2 19,61 196,9 138,9 1,96 2,79 26.04 8,4 27,68 266,3 191,9 1,92 2,67 11.10 12,6 24,79 263,8 201,3 2,25 2,96 26.10 14,6 17,60 187,8 138,6 2,18 13.10 14,9 14,51 162,3 119,2 2,28 3,11 27.10 16,2 12,01 128,0 92,9 2,15 14.10 20,7 10,05 119,8 87,8 2,42 3,31 25.10 22,0 16,24 192,0 143,2 2,45 3,28

15 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Typ pompy ciepła Nominalna moc grzewcza (0/50oC), kW Cena w zł, brutto Fighter 1120 5,0 22570 ECO 19 18,0 22200 SO-060 15250 Fighter 1320 23 46400 TM 60 6,0 30920 B26S/1A1 26 37100 B7S/1A1 7,0 19400 SO-290 27 45100 SI 9TE 9,2 25500 B32T/1A1 32 40140 VITOCAL 200 G 9,7 29600 W24G3 38,7 48600 B12S 12,5 23300 SO-430T 39 66700 VW 141/2 13,8 32200 40 52400 B15S/1A1 15,0 25400 B51S/2A1 51 50000 28700 B56T/2A2 56,3 56400 W8GOE 16,9 28100 SO-650 61,2 78800 TE 17,0 37600 SO-900 94,4 96900

16 Przykład I: Dom jednorodzinny
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Przykład I: Dom jednorodzinny Funkcją układu jest centralne ogrzewanie oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej w domu jednorodzinnym o powierzchni 250 m2. Źródłem ciepła jest pompa ciepła firmy Hibernatus wykorzystująca kolektor gruntowy poziomy. Data realizacji: Sierpień 2002 r. Moc grzewcza pompy ciepła: 11 kW Koszt inwestycji: 55 tys. zł brutto (cena zawiera: dolne źródło ciepła, węzeł CO i CWU, montaż kompletnej instalacji C.O. na grzejnikach niskotemperaturowych).

17 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
wg M. Rubik

18 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
Emisje gazowe w różnych instalacjach ogrzewania domu jednorodzinnego (200 m2) w horyzoncie 10 lat, wg [Soliński 2002] Rodzaj instalacji Zużycie energii zawartej w paliwie, GJ Całkowita emisja, kg CO2 SO2 Pyły Z pompą ciepła (COP=4,0) 666,9 63 088 45 48 Z kotłem węglowym 1600,5 545 2724 Z kotłem olejowym 889,2 68 797 145 Z kotłem gazowym 49 884 Elektryczna oporowa 2667 181 193

19 Liczba i moc grzewcza pomp ciepła w roku 2004,
Tabela 10. Liczba i moc grzewcza pomp ciepła w latach 2003, 2004, wg [Geothermal barometer,EurObserv’ER XII/2005] SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Liczba i moc grzewcza pomp ciepła w roku 2004, wg [Geothermal barometer,EurObserv’ER XII/2005] Kraj Liczba urządzeń tys. szt. Moc cieplna MW Szwecja 185,5 1700 Niemcy 48,6 633 Austria 30,6 612 Francja 50 550 Finlandia 30 300 Włochy 6 120 Polska 8 104 Dania 6,7 80 Belgia 5 60 Czechy 2,7 47 Razem UE 380 4530 Szwajcaria 33 660 Stany Zjednoczone 900 7200

20 SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA
8 tysięcy sztuk W 2009 roku szacunkowo pomp ciepła o mocy łącznej 120 MW

21 Kredyty udzielone przez Bank Ochrony Środowiska do końca 2004/2008
SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA Kredyty udzielone przez Bank Ochrony Środowiska do końca 2004/2008 543 33113 536 62238 953 25102 71 30545 41 567945 11 9016 5 7023 2 7005 1 18 2163 742005 wg A. Strycharz BOŚ