Pompy ciepła

Pompy ciepła

i kolektory słoneczne

Bogusław Białko

Odległość pojedynczych przewodów kolektora powinna zostać tak dobrana, aby nie dopuścić do wspólnego wzrostu pierścieni lodu.

W zależności od jakości gleby ta odległość powinna wynosić pomiędzy 0,5 a 1m.

Odległość chłodnych części instalacji (przewody kolektora, przewód zbiorczy, rozdzielacze) musi w podłożu w stosunku do przewodu zasilającego (woda, ścieki, rzeka itd.) wynosić min. 0,7m.

Grunt-zamarzanie

Wydajność gruntu

Rodzaj gruntu Wydajność poboru gruntu jako średnia

całoroczna, W/m²

Sucha gleba piaszczysta 10-15

Wilgotna gleba piaszczysta 15-20

Sucha gleba gliniasta 20-25

Wilgotna gleba gliniasta 25-30

Gleba przewodząca wody gruntowe 30-35

Ułożenie kolektora gruntowego

Podłoże Moc pobrana Odległość ułożenia

Głębokość ułożenia

Moc pobrana z 1 m rury

Minimalna odległość przewodów Gleba sucha

niespójna 10 W/m² 1 m 1,2 ÷ 1,5 m 8 W/m ≥0,7 m

Gleba spójna,

wilgotna 20 ÷ 30 W/m² 0,8 m 1,2 ÷ 1,5 m 12 ÷ 18 W/m ≥0,7 m Gleba

przewodząca

wodę 40 W/m² 0,5 m 1,2 ÷ 1,5 m 20 W/m ≥0,7 m

• Głębokość rozprowadzenia przewodów rurowych: 1.2 ÷ 1.6 m (20 cm poniżej strefy zamarzania)

• Odstęp od fundamentów budynku: 1.5 m

• Odstęp od rur doprowadzających wodę oraz kanalizacji ściekowej i deszczówki: 1.5 m

• Odstęp od zewnętrznego skraju korony drzewa: 0.5 m

• Odstęp od fundamentów ogrodzenia itp.: 1 m

Ułożenie kolektora gruntowego

Ułożenie kolektora gruntowego

Przez oblodzenie ułożonych w ziemi wężownic wykorzystane zostanie ukryte ciepło wody. W związku z tym oblodzenie węży jest pożądane.

Należy natomiast konieczne unikać wspólnego wzrostu pojedynczych pierścieni lodu, aby zagwarantować regenerację gleby na wiosnę.

Oblodzenie

• niedowymiarowanie wymiennika gruntowego, co prowadzi do zbyt dużego obciążenia gruntu i

braku możliwości regeneracji dolnego źródła ciepła;

• zbyt małe odstępy pomiędzy sekcjami

wymienników gruntowych poziomych lub zbyt małe odległości pomiędzy sekcjami wymienników pionowych;

• zbyt głębokie lub zbyt płytkie usytuowanie wymiennika poziomego;

• zbyt niska temperatura solanki kierowanej na wymiennik gruntowy;

• zbyt mała średnica rur oraz zbyt długie sekcje wymiennika i niezrównoważenie hydrauliczne instalacji.

Błędy

• usytuowanie wymiennika gruntowego

poziomego w dwóch lub więcej rzędach jeden nad drugim;

Występowanie którejś z wymienionych przyczyn lub kilku z nich jednocześnie powoduje przedwczesne wyeksploatowanie gruntu, w którym zakumulowana

jest energia pochodząca z promieniowania słonecznego oraz wód opadowych.

Regeneracja takiego źródła może nastąpić w czasie od kilku tygodni do kilku lat!

Błędy

• Głębokość instalacji wymiennika 0,5 m poniżej

granicy przemarzania gruntu. Nie głębiej jednak niż 1,7 m.

• Rozstaw rur nie mniej niż 1 m.

• Długość dla pojedynczej sekcji do 100 m.

• Na zasilaniu lub powrocie z poszczególnych sekcji konieczne zawory równoważące - po przeciwnej stronie odcinające.

• Nie stosować pojedynczej sekcji wymiennika.

• Przyjmować najniższy z możliwych opór gruntu do zależności określającej konieczną długość

wymiennika.

Prawidłowa konstrukcja wymiennika

gruntowego -poziomego

• Zakładać pracę pompy ciepła najwyżej 20 h/dobę.

• Przyjmować temperaturę solanki na wylocie z pompy ciepła -3°C a na powrocie 0°C.

• Zakładać temperaturę gruntu nie wyższą niż +9°C.

• Przewymiarować rezultat obliczeń wynikający z zależności o 20% zakładając krótki okres ciepły i długi grzewczy.

• Nie planować wymienników pod budynkami.

Prawidłowa konstrukcja wymiennika

gruntowego -poziomego

• Głębokość instalacji wymiennika do 100 m.

• Rozstaw odwiertów nie mniej niż 4 m jeden od drugiego w każdym kierunku.

• Na zasilaniu lub powrocie z poszczególnych sekcji konieczne zawory równoważące - po przeciwnej stronie odcinające.

• Nie stosować pojedynczej sekcji wymiennika.

• Przyjmować najniższe z możliwych opory gruntu do zależności określającej konieczną długość

wymiennika.

• Zakładać pracę pompy ciepła najwyżej 20 h/dobę.

Prawidłowa konstrukcja wymiennika

gruntowego -pionowego

• Przyjmować temperaturę solanki na wylocie z pompy ciepła -3°C a na powrocie 0°C.

• Zakładać temperaturę gruntu nie wyższą niż +9°C.

• Przewymiarować rezultat obliczeń wynikający z zależności o 20% zakładając krótki okres ciepły i długi grzewczy.

• Preferować konstrukcję z przepływem koncentrycznym ze względu na jej większą powierzchnię wymiany ciepła i mniejszego narażenia na rozszczelnienie.

• Nie planować wymienników pod budynkami.

Prawidłowa konstrukcja wymiennika

gruntowego -pionowego

Zalety:

• Dostępność

• Niski koszt budowy ujęcia

• Wykorzystywane nawet przy -15^oC Wady:

• Mała koherentność

• Małe współczynniki przejmowania ciepła α

• Duże powierzchnie

• Niskie temperatury, niskie efektywności

• Głośność wentylatorów

• Szron

• Wahania temperatury

Źródła ciepła – powietrze atmosferyczne

• Zaszranianie powierzchni wymiennika przy spadku temperatury jego powierzchni

poniżej 0°C

• Dopuszczalny spadek temperatury powietrza na wymienniku wynosi 4-6°C

• Gęstość strumienia ciepła 1,4-2,2 W/m³h

• Tam wszędzie, gdzie jest to możliwe,

korzystać z powietrza już używanego, np. z pomieszczeń (nie świeżego)

Źródła ciepła – powietrze atmosferyczne

Powietrze atmosferyczne

Powietrze atmosferyczne

Dodatkowe wspomaganie słoneczne nagrzewu powietrza

Powietrze atmosferyczne

18

Eksploatacja powietrza atmosferycznego podczas przemiany chłodzenia o 7K w klasycznych

rozwiązaniach określonych normą PN EN 14511, przy strumieniu masowym powietrza 1kg/s,

wymaga mocy:

Powietrze atmosferyczne

0 1kg/s 9,5kJ/kg 9,5kW Q = ⋅ ∆ =m h ⋅ =

Aby uzyskać ten efekt konieczna jest uzyskanie temperatury ścianki wymiennika -8°C oraz

zaangażowanie wentylatora o wydatku objętościowym ok. 2850m³/h.

Konieczne jest również rozwiązanie procesu odszraniania parownika ze względu na fakt, że realizowana jest przemiana procesu chłodzenia powietrza z wyszranianiem wilgoci.

Powstająca szadź blokuje przepływ powietrza przetłaczanego przez wentylator parownika.

Nakładu energetycznego na proces odszraniania nie uwzględnia współczynnik efektywności

obliczony na podstawie analizy wykresu lgp-h.

Aby uzyskać realną wartość współczynnika

efektywności należy uwzględnić zarówno napęd wentylatora jak i energię konieczną do

odszraniania parownika.

Powietrze atmosferyczne

PCrzeczywisty k

elspr elwent elodszr

Q

P P P

ε =

+ +

Resublimacja polega na bezpośrednim przejściu substancji z gazowego stanu skupienia w stały.

Zjawisko to występuje, gdy temperatura punktu rosy dla wody zawartej w powietrzu przypada poniżej punktu zamarzania czyli poniżej 0°C. Jeśli przy temperaturze poniżej 0°C nasycone parą wodną powietrze styka się z przedmiotami ochłodzonymi para wodna przechodzi

bezpośrednio ze stanu gazowego w drobne kryształki lodu.

Ciepło utajone przemiany fazowej resublimacji oraz sublimacji dla wody wynosi 2833 kJ/kg

(ciepło przemiany parowania i skraplania równe jest 2500 kJ/kg, a ciepło zamarzania 333 kJ/kg).

Powietrze atmosferyczne

Szron – osad, tworzący drobne lodowe kryształki w postaci igieł powstające na dowolnym podłożu hydrofilowym.

Szadź – osad lodu powstający przy zamarzaniu małych, przechłodzonych kropelek wody (mgły lub chmury) w momencie zetknięcia kropelki z

powierzchnią przedmiotu lub już narosłej szadzi.

Jeżeli w powietrzu są przechłodzone krople wody, mogą powstawać formy pośrednie między szronem a szadzią.

Różnica pomiędzy szronem a szadzią polega na tym, że szron składa się z igiełek lodu, które mogą tworzyć formy rozgałęzione, ale nie tworzą zwartej bryły.

Formy resublimacji pary wodnej

W zakresie temperatur w okresie zimowym

charakterystycznym dla klimatu umiarkowanego t_ot= -30°C÷ +10°C powietrze zawiera wystarczająco dużo wilgoci, której ciepło przemiany fazowej

resublimacji można eksploatować.

Źródło ciepła w postaci resublimującej pary z powietrza jest w pełni odnawialne i

nieograniczone.

Strumień ciepła możliwy do uzyskania z przemiany fazowej resublimacji jest skoncentrowany –

możliwe jest jego pozyskanie z małej powierzchni wymiennika.

Nie ma potrzeby wymuszać konwekcji w celu intensyfikacji przemiany.

Energia zawarta w powietrzu

Eksploatacja powietrza atmosferycznego podczas przemiany resublimacji wilgoci z powietrza w

rozwiązaniach określonych normą PN EN 14511, przy strumieniu masowym powietrza 1kg/s i zawartość wilgoci w powietrzu 3,7 g/kg wymaga mocy:

Powietrze atmosferyczne

0 _{w R} 0,0037 kg/s 2833 kJ/kg 10,66kW Q = m c ⋅ = ⋅ =

Zatem:

1. Strumień ciepła jest o około 12% większy;

2. Aby uzyskać efekt resublimacji wystarczająca jest temperatura ścianki wymiennika -1°C (czyli temperatura odparowania czynnika chłodniczego może być wyższa o 7 K);

3. Aby pozyskać strumień ciepła porównywalny z procesem resublimacji konieczne jest

dodatkowo zastosowanie wentylatora.

4. Nie ma potrzeby wykorzystania energii zewnętrznej do procesu odszraniania

Powietrze atmosferyczne

1. Współczynnik efektywności pompy ciepła eksploatującej ciepło

resublimacji pary wodnej w warunkach określonych normą jest o 17%

wyższy.

2. Mniejsza o 20% objętość pary ziębnika na ssaniu daje możliwość

zastosowania sprężarki o mniejszej wydajności objętościowej i uzyskaniu podobnej mocy grzewczej.

Energia zawarta w powietrzu

Podstawowe parametry obiegu PC typu powietrze/

woda

wykorzystująca PC ciepło

resublimacji

Właściwe ciepło skraplania 394 kJ/kg 305 kJ/kg

Jednostkowa moc napędu sprężarki 100 kJ/kg 83 kJ/kg

COP 3,94 4,63

Parowacze pomp ciepła pracujące z wykorzystaniem wilgoci z powietrza zewnętrznego jako dolne źródło ciepła

Energia zawarta w powietrzu

Do ilustrowania procesów zachodzących w instalacjach pomp ciepła i instalacji chłodniczych, jak również dokonywania wszelkich obliczeń konieczne jest

zapoznanie się z konstrukcją wykresu fazowego lgp-h. Został on stworzony przez Richarda Molliera (1863 – 1935) pod koniec XIX wieku.

Wykres lgp-h (Molliera)

Na jego podstawie można określić stan skupienia,

temperaturę,

ciśnienie i objętość właściwą ziębnika w każdym punkcie

instalacji chłodniczej.

Zawsze jest

konstruowany dla każdej substancji indywidualnie

Linia nasycenia – linia na której leży punk krytyczny Kr. Jest podzielona na dwie części. Na lewo od punktu Kr znajduje się część linii, która charakteryzuje

oddzielenie obszaru cieczy znajdującego się na lewo od linii nasycenia od obszaru dwufazowego (współistnienia pary i cieczy). Prawa część tej linii

charakteryzuje oddzielenie obszaru dwufazowego od obszaru pary przegrzanej znajdującego się na prawo od linii nasycenia

Wykres lgp-h (Molliera)

Obszar ograniczony linią nasycenia oznacza, że w tej części wykresu znajduje się zarówno para jak i ciecz. Im bardziej na prawo w tym więcej pary znajduje się w mieszaninie parowo-cieczowej. Obszar ten został umownie podzielony na

części, których linie rozgraniczające mają swój początek w punkcie krytycznym Kr i oznaczają stopień suchości pary x.

Wykres lgp-h (Molliera)

Linie stałej objętości właściwej oznaczone na wykresie jako v = const i oznaczają objętość w m³/kg, jaką zajmuje para ziębnika dla odpowiedniego ciśnienia,

temperatury i stanu skupienia i w zależności od położenia punktu charakterystycznego na wykresie lgp-h.

Wykres lgp-h (Molliera)

Linie stałej entropii (s=const) wykorzystywane są do tego aby określić przebieg procesu sprężania i określenia najwyższej możliwej do wystąpienia temperatury w obiegu ziębienia.

Wykres lgp-h (Molliera)

Na rysunku przedstawiono linie stałej entalpii (h= const) i linie stałego ciśnienia (p=const) w których jednostkach wykonano wykres.

Wykres lgp-h (Molliera)

Linie stałej temperatury (T = const) dla ziębnika jednorodnego. W obszarze cieczy (po lewej stronie linii nasycenia) przebieg tych linii jest pionowy do

przecięcia z linią nasycenia. W obszarze pary mokrej czyli współistnienia pary i cieczy przebieg izoterm jest równoległy do linii stałego ciśnienia (izobar). Po prawej stronie linii nasycenia linie izotermy zakrzywiają się i łukiem podążają w dół wykresu.

Wykres lgp-h (Molliera)

Wykres lgp-h (Molliera)

• Moc chłodnicza - q₀– energia w postaci ciepła odebrana od chłodzonego otoczenia

• Ziębnik – substancja, za pomocą której jest realizowany efekt chłodniczy

• Moc napędowa - l_ob– moc w postaci energii elektrycznej lub jakiejkolwiek innej

doprowadzonej do sprężarki aby otrzymać efekt chłodniczy w postaci Q₀

• Obciążenie cieplne skraplacza - q_skr– energia w postaci ciepła oddawana w skraplaczu urządzenia.

• Skraplacz – urządzenie służące do skroplenia ziębnika i oddania energii

przemiany skraplania par ziębnika w postaci ciepła

Pojęcia podstawowe

• Ciśnienie skraplania - p_k – ciśnienie, przy którym następuje skraplanie ziębnika w skraplaczu i oddanie energii w postaci ciepła q_skr do otoczenia

• Temperatura skraplania - t_k – temperatura przy której następuje skroplenie czyli

kondensacja ziębnika. Temperatura

skraplania w obszarze dwufazowym jest ściśle związana z ciśnieniem skraplania.

• Element rozprężny - element w instalacji chłodniczej mający za zadanie zdławić

ziębnik od ciśnienia p_k do ciśnienia p₀, przy którym ma nastąpić odebranie ciepła q₀ od chłodzonego otoczenia

Pojęcia podstawowe

• Parowacz - urządzenie służące do

odparowania ciekłego ziębnika i pobrania energii przemiany fazowej w postaci ciepła q₀ od otoczenia

• Ciśnienie odparowania - p₀ – ciśnienie, przy którym następuje odparowanie ziębnika i odebranie ciepła w postaci mocy

chłodniczej Q₀ od otoczenia

• Temperatura odparowania t₀ –

temperatura, przy której następuje odparowanie ziębnika. Temperatura

odparowania w obszarze dwufazowym jest ściśle związana z ciśnieniem odparowania.

Pojęcia podstawowe