Pompa Ciepła i jej zastosowanie do ogrzewaniu budynków.

Pompa Ciepła i jej zastosowanie do ogrzewaniu budynków.

Jak działa pompa ciepła.

Pompa ciepła jest maszyną cieplną wymuszającą przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych). W układach sprężarkowych do zasilania zazwyczaj wykorzystywany jest prąd.

Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:

·         gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki),

·         przetwórstwie spożywczym (chłodnie, zamrażalnie, fabryki lodu),

·         klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń),

·         chłodnictwie,

·         ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza).

·         podgrzewaniu wody użytkowej

źródło: www.google.com

W chłodziarkach i zamrażarkach ciepło jest "wypompowywane" z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturę) a oddawane do pomieszczenia, w którym stoi lodówka lub zamrażarka.

Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń "wypompowuje" ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu, wody lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia.

Obliczając bilans energetyczny dla budynku, czyli licząc sumę wszystkich strat ciepła przez przegrody typu: ściany zewnętrzne, okna, drzwi, dach, piwnicę oraz wentylację uzyskujemy ile mocy cieplnej Q (wyrażanej w kW) musimy dostarczyć do budynku celem uzyskania żądanej temperatury w pomieszczeniach. Bez względu na źródło ciepła czy to będzie kocioł gazowy lub olejowy, czy podgrzewacz elektryczny lub pompa ciepła, musimy do budynku dostarczyć tyle samo ciepła Q wynikającego z obliczeń.

Najbardziej efektywne i ekonomiczne jest wykorzystanie pompy ciepła, gdy różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem a systemem ogrzewania jest jak najmniejsza. Wskaźnikiem sprawności pomp ciepła jest współczynnik efektywności COP. Zazwyczaj wskaźnik COP jest w zakresie 3-6. Oznacza to, że na 1 kW energii elektrycznej (Q_e) wykorzystanej do napędu uzyskujemy 3-6 kW energii cieplnej (Q)wykorzystanej do ogrzania budynku.

COP = Q/Q_e

 

Ogólna zasada działania systemu ogrzewania z pompą ciepła

źródło: www.google.com

Górne źródło.

W pomieszczeniach budynku musimy zapewnić odpowiednie temperatury powietrza w zależności od typu pomieszczenia od 18^OC w sypialni do 24^OC dla łazienki.

W tym celu możemy wykorzystać:

1.      ogrzewanie płaszczyznowe – podłogowe, ścienne, sufitowe

2.      grzejniki

3.      mieszane – płaszczyznowe + grzejniki

Obliczeniową moc cieplną Q możemy uzyskać zmieniając dwa parametry – powierzchnie grzewczą lub temperaturę medium grzewczego. Im niższa temperatura medium tym powierzchnia grzewcza powinna być większa i na odwrót wyższa temperatura mniejsza powierzchnia. Najlepszy efekt ekonomiczny pracy pomp ciepła osiągniemy przy niskiej temperaturze medium (wody grzewczej) tzn. w zakresie temperatur 28-35^OC. Dlatego w nowobudowanych budynkach najlepiej zastosować ogrzewanie płaszczyznowe. Grzejniki możemy wykorzystać pod warunkiem zwiększenia ich powierzchni grzejnej w stosunku do grzejników dobieranych na parametry pracy jak dla kotłów ( temp. medium 50-65^OC) lub przy zastosowaniu wspomagania wentylatorami elektrycznymi.

Dolne źródło.

Dolnym źródłem dla pomp ciepła wykorzystywanych do ogrzewania budynków może być:

1.      grunt – kolektory poziome, spiralne i pionowe

2.      powietrze zewnętrzne

3.      woda powierzchniowa – rzeki, jeziora, ścieki

4.      woda gruntowa – studnie

Zazwyczaj przyjmuje się, że parametry dolnego źródła dla poszczególnych typów mają temperatury : grunt – od 2 do 8 ^OC, woda gruntowa – od 7do 12 ^OC, powietrze od 40^OCdo -20^OC.

Przykłady układów z wykorzystaniem wody gruntowej i gruntu jako dolne źródło

źródło: www.google.com

Wykorzystanie gruntu i wody wiąże się z dużymi kosztami inwestycyjnymi, wykonania kolektorów poziomych, pionowych lub odwiertów studni. Darmowym inwestycyjnie dolnym źródłem jest powietrze. Jest ono pobierane bezpośrednio z otoczenia, a ciepło odebrane w parowniku jest przekazywane do medium roboczego (wody płynącej przez np. ogrzewanie płaszczyznowe). Jednak powietrze ma  swoje ograniczenia. Produkowane obecnie pompy ciepła typu powietrze-woda pracują efektywnie do temp. powietrza zewnętrznego do około -15^O C, poniżej tej temperatury wspomagają się pracą grzałek elektrycznych. Okres pracy z maksymalnym wykorzystaniem grzałek elektrycznych to do 10% sezonu grzewczego.

Zdjęcie pompy powietrze-woda oferowanej przez firmę NET http://www.newecotechnologies.pl/

Pompy ciepła tak zwane „gruntowe” czyli w układzie solanka-woda, pracują efektywnie w każdym zakresie temperatury zewnętrznej, ponieważ są od niej nie zależne. Jednak i one mogą zacząć nieefektywnie pracować gdy zostanie popełniony błąd obliczeniowy co do mocy dolnego źródła lub na przykład gdy wyschnie studnia. Źle obliczona moc dolnego źródła może doprowadzić do tego, że pompa ciepła nie dostarczy wymaganej mocy cieplnej Q do budynku.

rodzaj źródła	grunt	słońce	powietrze zewnętrzne	woda
				gruntowa	powierzchniowa
temperatura OC	8-12	20-80	4-15	8-12	5-15
jednostkowa moc pobierana ze źródła	15-30 W/m2	30-480 W/m2	1,4-2,2 W/m3 *h -1	4500-5900 W/m3*h-1

Ogólna charakterystyka mocy dolnego źródła ciepła

źródło: Praca Dyplomowa Magisterska Mariusz Adamczyk

Innym ograniczeniem zastosowania pomp ciepła z wykorzystaniem gruntu lub wody jest wysoki koszt inwestycyjny wykonania dolnego źródła. Przy średnim zapotrzebowaniu na moc cieplną Q wymiennik poziomy może mieć powierzchnię nawet 200 m², a nie wszyscy posiadają tak duże działki budowlane. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku wymienników pionowych, odwierty też mogą mieć głębokość do 200 m, nie robimy jednego tak głębokiego odwiertu tylko kilka krótszych.  Obliczenia ekonomiczne wskazują, że koszt wykonania dolnego źródła to koszty eksploatacyjne użytkowania pompy ciepła powietrze-woda przez okres nawet 15 lat. Innym ważnym elementem jest jakość wykonania dolnego źródła, kolektorów poziomych lub pionowych oraz zastosowanie dobrych materiałów czyli na przykład rur PE łączonych zgrzewanymi złączkami.

Podsumowując

Mamy do wyboru kilka różnych systemów ogrzewania budynków pompą ciepła, pewne zasadnicze wnioski to:

·         największy wskaźnik efektywności COP osiągamy (a więc i najniższe koszty eksploatacji) gdy różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem z górnym jest jak najmniejsza

·         najefektywniejszym źródłem ciepła są ścieki a następnie  gruntowe pionowe wymienniki

·         najtańsze inwestycyjnie są pompy powietrze-woda, jednak ich COP jest najniższe

Decyzja co do wyboru pompy ciepła i systemu ogrzewania zawsze zależy od inwestora oraz rozwiązań technicznych zastosowanych w budynku. Na przykład idealnym połączeniem jest pompa ciepła z system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła – „rekuperacją”. Źródłem energii elektrycznej może być układ fotowoltaiczny lub wiatrak. Wtedy możemy osiągnąć naprawdę niskie koszty eksploatacji. Dodatkowo musimy przewidzieć miejsce w budynku na zasobnik na ciepłą wodę użytkowa lub bufor na ciepłą wodę do ogrzewania budynku. Nie wspominam tutaj o zastosowaniu w celu ograniczenia start przez przenikanie ciepła przez przegrody odpowiedniej izolacji oraz oszczędnych okien i drzwi.

Pompa ciepła jest na pewno jednym z najlepszych, dostępnych obecnie na rynku rozwiązań technicznych i ekonomicznych oraz ekologicznych do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Autor

Mariusz Adamczyk

Energy Mariusz Adamczyk

email: energy.adamczyk@gmail.com

blog: http://energooszczednybudynek.blogspot.com/

"Rekuperacja" i jej zastosowanie

Wentylacja – wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła – potocznie nazywana „rekuperacją”. Zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym.

     Wentylacją nazywamy wymianę powietrza pomiędzy pomieszczeniem a otoczeniem. Celem wentylacji jest zapewnienie wymiany powietrza zużytego i zanieczyszczonego na świeże, niezbędne do oddychania oraz do bezpiecznej i prawidłowej pracy urządzeń zużywających powietrze w pomieszczeniach. Prawidłowo działająca wentylacja jest wymagana w pomieszczeniach gdzie przebywają ludzie oraz zwierzęta.

Rodzaje wentylacji:

• Naturalna – wymiana powietrza przy wykorzystaniu przeciągu

• Grawitacyjna – odprowadzamy powietrze wykorzystując różnicę ciśnień pomiędzy pomieszczeniem (kratka wentylacyjna) a otoczeniem (zakończeniem przewodu wentylacyjnego – komina). Doprowadzamy powietrze przez elementy nawiewne celowo zamontowane (nawiewniki okienne, ścienne) lub nieszczelności w stolarce okiennej lub konstrukcji budynku

• Mechaniczna – przy zastosowaniu wentylatorów, central wentylacyjnych  

Skutki źle działającej wentylacji:

• widoczne 

o skropliny pary wodnej na szybach lub innych powierzchniach 

o pleśń

o wyczuwalny podwyższony poziom wilgoci

o ciąg wsteczny przez kratki wentylacyjne

• niewidoczne

o bóle głowy, zmęczenie

o choroby układu oddechowego 

o alergie

o podrażnienie błony śluzowej

o niszczenie ścian budynku

     Dlaczego warto stosować wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła?

Minimalne strumienie powietrza doprowadzonego do pomieszczeń i odprowadzonego z nich reguluje Polska Norma PN-83/B-03430 "Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej - Wymagania". I bez względu czy stosujemy w budynku wentylację grawitacyjną czy mechaniczną strumienie są takie same. Stosując wentylację mechaniczną mamy kontrolę nad ilością i jakością (temperatura, czystość) strumieni  powietrza. Stosując regulator prędkości obrotowej wentylatorów ustawiamy żądaną ilość doprowadzanego i odprowadzanego powietrza. W całkowitym bilansie na zapotrzebowanie ciepła dla budynku udział wentylacji to, około 50 % (czyli 50 % ciepła doprowadzanego do budynku ucieka przez komin wentylacyjny) dla porównania straty prze ściany to około 20%. W nowo projektowanych budynkach z uwzględnieniem przepisów dotyczących „Warunków Technicznych 2013” (Dz. U 2013 poz. 926), gdzie wskaźnik EP zużycia energii na cele ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej dla budynku nie może przekraczać 120 kW/m2*rok, udział start na wentylację może sięgać nawet 70%. Stosując filtry na wlocie do centrali wentylacyjnej oczyszczamy powietrze z zanieczyszczeń a stosując filtry Hepa dezynfekujemy powietrze oczyszczając je min. z grzybów, bakterii oraz większość wirusów.

Rys. 1 Rozkład start ciepła w domu jednorodzinnym

Źródło: www.google.com

   Stosując wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła – „rekuperację” możemy ograniczyć straty na wentylacji w ciągu roku od 30% do 65%. Tym samym koszty związane z ogrzewaniem budynku możemy zmniejszyć od 30% do 65%.

Jak działa wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła?                                                                                                                 

   Głównym elementem systemu wentylacji jest centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła. Składa się ona z wymiennika ciepła, dwóch filtrów powietrza i dwóch wentylatorów – na wlocie i wylocie powietrza do centrali. Dodatkowo może być wyposażona w nagrzewnice wstępną i wtórną. Przez wymiennik ciepła, nazywany rekuperatorem przepływa zimne powietrze nawiewane do budynku i powietrze ciepłe usuwane z niego. Dzięki specjalnej konstrukcji wymiennika część ciepła z powietrza wywiewanego jest przekazywana do powietrza nawiewanego. Jak dużo – zależy od różnicy temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, ich wilgotności oraz budowy wymiennika (nawet do 95%).

Rys. 2 Schemat centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła

Źródło: www.google.com

   Centralę wentylacyjną montujemy w miejscu, pomieszczeniu gdzie temperatura nie spadnie poniżej 0OC, zazwyczaj jest to poddasze lub piwnica lub inne pomieszczenie techniczne. Wymaga on podłączenia czterech przewodów rurowych: dwóch wlotowych i dwóch wylotowych. Wylot zużytego powietrza łączy się systemem rur doprowadzonym do „brudnych” pomieszczeń: kuchnia, łazienka, WC, natomiast wlot świeżego powietrza, ogrzanego już powietrza podłącza się do przewodów i doprowadza się do „czystych” pomieszczeń: sypialnia, pokój dzienny, gabinet, itp. Pozostałe dwa wyprowadza się na zewnątrz budynku (czerpnia, wyrzutnia). Przez czerpnię doprowadzamy świeże powietrze do centrali a wyrzutnią usuwamy zużyte.

Rys. 3 Schemat instalacji wentylacyjnej w domu jednorodzinnym

źródło www.flopsystem.pl  

   Centrala wentylacyjna jest przydatna nie tylko zimą. W gorące letnie dni możemy odebrać ciepło z powietrza nawiewanego do pomieszczeń i w ten sposób je ochładzać (tak zwane „nocne wychładzanie”). 

Im wcześniej w procesie budowy domu czy mieszkania podejmiemy decyzje o zastosowaniu do wentylacji układu mechanicznego mamy większą możliwość wyboru optymalnego rozwiązania oraz optymalizacji związanych z tym kosztów. Na przykład umieszczenie przewodów wentylacyjnych w warstwie betonu na stropie. 

Rys. 4 Montaż systemu dystrybucji powietrza SPIDERVent

źródło www.flopsystem.pl 

Na tym etapie możemy również zrezygnować z elementów wymaganych przy wentylacji grawitacyjnej. Takimi elementami składowymi są: kominy wentylacyjne, nawiewniki okienne lub ścienne, obróbki dachowe przy kominach. Stosując rekuperacje możemy zastosować urządzenia do ogrzewania budynku (kocioł grzewczy, pompa ciepła, grzejniki, ogrzewanie podłogowe) o mocy o około 30% mniejszej. Ma to również przełożenie na koszty inwestycyjne podczas budowy domu. 

Przykład kalkulacji kosztów systemu „rekuperacji” dla domu Santa Cruz z oferty Pro Arte s.c.

Źródło: oferta Flop System Sp. z o.o.

  Kwota 18 863 zł jest ceną za rekuperator i system dystrybucji powietrza w budynku jednak odejmując od tej kwoty koszty zakupu min. komina, obróbki dachowej przy kominie, nawiewników okiennych lub ściennych, urządzenia grzewczego o mniejszej mocy (około 30%) oraz elementów grzewczych – grzejników, ogrzewania podłogowego, to może się okazać, że koszt całkowity rekuperacji to kwota: 5000,00 – 7000,00 zł.

   Często zadawane pytanie brzmi: „Kiedy to się zwróci?”. Czy ktoś zadaje to pytanie przy zastosowaniu wentylacji grawitacyjnej - nie. A przecież ona też kosztuje. Stosując wentylację grawitacyjną , mamy jednorazowy koszt inwestycyjny a potem tylko starty związane z eksploatacją budynku, głównie ogrzewaniem. A właściwe pytanie to: „Czy warto stosować rekuperację?”, odpowiedź: „Tak, warto”. Przyjmując średnie koszty na ogrzewanie budynku na poziomie 3000 – 5000 zł rocznie, to ograniczając je o średnio 50%, otrzymujemy oszczędność od 1500 – 2500 zł rocznie. Teraz mamy odpowiedź o zwrot, od dwóch do pięciu lat. Oczywiście musimy jeszcze uwzględnić koszty serwisu: czyszczenie filtrów w centrali wentylacyjnej oraz czyszczenie przewodów wentylacyjnych.  Komin wentylacyjny też musimy serwisować, wizyta kominiarza i czyszczenie przewodu kominowego.

   Bardzo często słyszę złe opinie na temat rekuperacji: nie sprawdza się, przykry zapach z przewodów, hałas, trzeba czyścić filtry. Tak, to wszystko prawda i jestem pewien, że w 90% ich przyczyną nie jest sama rekuperacja tylko zły dobór lub montaż instalacji. Dlatego głównym kryterium przy wyborze oferty  na instalację, nie powinna być najniższa cena jednak najwyższa jakość. W końcu zamierzamy spędzić w naszym domu najbliższe 20 – 30 lat. 

   Przyjmując powyższe założenia montaż „rekuperacji” kosztami inwestycyjnymi jest zbliżony do wentylacji grawitacyjnej przy znacznie niższych  kosztach  eksploatacji, przy zapewnionym prawidłowym działaniu wentylacji oraz zapewnionym komforcie przebywania w „zdrowych” pomieszczeniach.

Autor 

Mariusz Adamczyk

Energy Mariusz Adamczyk 

email: energy.adamczyk@gmail.com

blog: http://energooszczednybudynek.blogspot.com/