Chłodzenie naturalne z pompą ciepła

Możliwości chłodzenia w budynku jednorodzinnym

Różnice pomiędzy chłodzeniem aktywnym, a pasywnym

Wpływ chłodzenia pasywnego na sprawność pracy systemu grzewczego

Wydanie 1/2013

12.05.2013

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Potrzeba chłodzenia pomieszczeń

w budynkach jednorodzinnych

Nowoczesne budynki mieszkalne o wysokim standardzie energooszczędności,

potrzebują coraz mniejszych ilości ciepła dla celów grzewczych. Jednocześnie

zapotrzebowanie chłodu dla budynku może być stosunkowo wysokie, gdy np.

duże przeszklenia skierowane są na południe, powodując nadmierne zyski

od nasłonecznienia w okresie letnim.

3

Komfort cieplny w zależności od temperatury

i wilgotności powietrza wewnętrznego

Temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia, a także jego wilgotność

odgrywają znaczenie dla odczucia komfortu. Właściwa temperatura powinna

mieścić się w zakresie 20÷22oC, przy wilgotności względnej 40÷60%.

Wilg

otn

ość w

zglę

dna pow

ietr

za (

%)

Temperatura powietrza (oC)

100

80

60

40

20

0

12 14 16 18 20 22 24 26 28

w miarę komfortowo

brak komfortu, gorąco i wilgotno

brak komfortu, zimno i sucho

W okresie letnim przy

wysokich temperaturach

zewnętrznych, zaleca się

utrzymywać wyższą

temperaturę powietrza

wewnątrz budynku

w granicach 23÷26oC, aby

nie dopuszczać do nadmiernej

różnicy w stosunku

temperatury zewnętrznej

wyższej niż 30÷35oC.

4

Dolne źródło ciepła i chłodu

Temperatura gruntu w jej górnych warstwach

jest ściśle powiązana z porą roku. Granica

zamarzania gruntu w zależności od strefy

klimatycznej wynosi około 1,0 do 1,5 metra.

Od głębokości około 15 metrów, temperatura

gruntu pozostaje stabilna – niezmienna w okresie

całego roku. Dla pracy pompy ciepła stanowi to

korzystne źródło ciepła do pracy w sezonie

zimowym i jednocześnie źródło chłodu dla pracy

w okresie letnim w trybie chłodzenia naturalnego.

Lato Zima

Źródło: Leitfaden Erdwärme. BWP 2011

5

Chłodzenie naturalne budynku

Chłodzenie naturalne, nazywane inaczej pasywnym polega na wykorzystaniu

„naturalnego chłodu” najczęściej zgromadzonego w gruncie. Temperatura

zasilania z sond gruntowych (na poziomie od 6 do 14oC) zapewnia bardzo dobre

warunki pracy w trybie ogrzewania, ale również w trybie chłodzenia naturalnego.

Chłodzenie naturalne

jest określane w innych

krajach jako:

natural cooling

free-cooling

natürliche Kühlung

passive Kühlung

Tryb grzewczy Chłodzenie naturalne

6

Wpływ chłodzenia naturalnego na

temperaturę wewnętrzną pomieszczeń

Źródło: Heizen und Kühlen mit Wärmepumpen in Wohngebäuden – Theorie und Praxis

Tem

pera

tura

pom

ieszczenia

(oC

)

30

28

26

24

22

20 10 14 18 22 26 30

Temperatura zewnętrzna (oC)

- 3K

Chłodzenie pasywne jest w stanie obniżyć o około 3 stopnie temperaturę

wewnątrz budynku (w zależności od przeszklenia, osłon przecisłonecznych)

7

Chłodzenie aktywne, a pasywne…

Chłodzenie aktywne Chłodzenie pasywne

Obieg

chłodniczy,

sprężarka

Wymagana praca sprężarki;

dla pompy ciepła odwrócenie pracy

obiegu chłodniczego (tryb grzania /

tryb chłodzenia)

Sprężarka i zarazem cały obieg

chłodniczy zostaje wyłączony

z pracy, podczas trybu chłodzenia

naturalnego

Dolne źródło

ciepła

Niezbędne do pracy obiegu

chłodniczego pompy ciepła:

powietrze, grunt lub wody gruntowe

Obciążenie pracą w całym roku

Stanowi bezpośrednie źródło chłodu,

stąd wymagane odwierty pionowe,

względnie woda gruntowa

Regeneracja cieplna w okresie letnim

Wydajność

Wysoka wydajność, odpowiednio

do mocy zastosowanego urządzenia.

Możliwość pokrywania wysokich

potrzeb chłodu

Wydajność ograniczona przez

wydajność chłodniczą dolnego źródła

ciepła. Pokrycie niskich potrzeb chłodu

Efektywność

Współczynnik efektywności COP

jak dla pomp ciepła, na poziomie

przeciętnie od 2,5 do 3,0

Wysoki współczynnik COP procesu

chłodzenia pasywnego na poziomie

od 15 do 25

Koszty

eksploatacji

Stosunkowo wysokie z uwagi na

pobór mocy elektrycznej przez

sprężarkę w obiegu chłodniczym

Bardzo niskie, wynikające tylko z poboru

mocy elektrycznej przez pompy

obiegowe (solanka i obieg wtórny)

8

Kompaktowa pompa ciepła z funkcją grzania

i chłodzenia pomieszczeń

Kompaktowa pompa ciepła geoTHERM

exclusiv z wbudowanym zasobnikiem

ciepłej wody użytkowej, pozwala także

na eksploatację w trybie chłodzenia

naturalnego.

geoTHERM exclusiv

9

Praca pompy ciepła w trybie chłodzenia

naturalnego

Pompa ciepła współpracując z sondami

gruntowymi i instalacją ogrzewania

podłogowego, może przekazywać do

pomieszczenia maksymalną moc

chłodniczą do 25÷30 W/m2

Chłodzenie naturalne może pokrywać

potrzeby chłodu budynku wynikające

z nasłonecznienia. Jednak brak

dodatkowych osłon (żaluzji, markiz)

może powodować zbyt wysokie zyski

ciepła i w związku z tym nie zapewniać

odpowiedniego schłodzenia powietrza

wewnątrz budynku.

z sond

gruntowych

25÷30 W/m2

10

Ograniczanie zysków od nasłonecznienia

Główne zyski ciepła w okresie letnim w budynku jednorodzinnym, pochodzą

od promieniowania słonecznego przenikającego przez przeszklenia.

Najskuteczniejszą ochronę przez nadmiernym nasłonecznieniem, zapewniają

wszelkie zewnętrzne urządzenia, typu markizy, rolety i żaluzje. Dzięki nim

promieniowanie słoneczne nie dociera do powierzchni przeszklonych,

w przeciwieństwie do wewnętrznych żaluzji, zasłon, itp..

11

Wpływ osłon przeciwsłonecznych

na zyski od nasłonecznienia

Zastosowanie osłon przeciwsłonecznych odgrywa decydujące znaczenie

dla ograniczania zysków od nasłonecznienia, a tym samym zmniejsza

zapotrzebowanie pomieszczeń na moc chłodniczą.

Najwyższe efekty uzyskuje się przy zastosowaniu zewnętrznych osłon,

które ograniczają wprost docieranie promieniowania słonecznego do okien.

Żaluzje zewnętrzne

Żaluzje wewnętrzne

Zasłony wewnętrzne

Brak osłon przeciwsłonecznych

Zyski ciepła w pomieszczeniu (W/m2)

Źródło: Ogrzewnictwo, Klimatyzacja, Ciepła Woda, Chłodnictwo. Recknagel, Sprenger, Schramek 08/09

12

Wpływ chłodzenia naturalnego i zacieniania

na temperaturę wewnętrzną pomieszczeń

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Bez chłodzenia

Naturalne chłodzenie

Naturalne chłodzenie +

+ zacienianie + wentylacja

Źródło: Wärmepumpen + Solaranlagen richtig kombiniert, A.Witzig

Chłodzenie naturalne może zapewniać wysoki komfort wewnątrz pomieszczeń,

szczególnie w połączeniu z dodatkowym zacienianiem przeszkleń oraz

wentylowaniem pomieszczeń. Temperatura wewnętrzna może być o kilka oC

niższa, niż w pomieszczeniach nie chłodzonych i bez zacienianych przeszkleń.

Tem

pera

tura

pom

ieszczenia

(oC

)

13

Chłodzenie pasywne, a regeneracja cieplna

dolnego źródła ciepła

Chłodzenie naturalne dodatkowo zapewnia korzystny efekt – odciążenie dolnego

źródła ciepła od pracy w sezonie letnim. Ciepło doprowadzane przez glikol do

gruntu korzystnie wpływa na przyspieszenie regeneracji cieplnej dolnego źródła

ciepła.

Wyższa temperatura dolnego źródła ciepła u progu sezonu grzewczego,

podwyższa następnie efektywność pracy pompy ciepła.

14

Podwyższenie temperatury dolnego źródła

ciepła dzięki naturalnemu chłodzeniu

0 2000 4000 6000 8000

Źródło: Heizen und Kühlen mit Erdgekoppelten Wärmepumen, FHNW Schweiz

14

12

10

8

6

4

2

0

Założenia:

Niepokryte zapotrzebowanie

na chłód: 347 kWh (6%)

Różnica temperatury na

wymienniku ciepła 1oC

Przewodność gruntu:

2,6 W/mK

bez naturalnego

chłodzenia

z naturalnym

chłodzeniem

Korzystnym „efektem ubocznym” zastosowania naturalnego chłodzenia, jest

podwyższenie temperatury dolnego źródła ciepła, co dotyczy szczególnie sond

gruntowych. Poprawia to ich regenerację cieplną poza sezonem grzewczym.

Tem

pera

tura

zasila

nia

z s

ond g

runto

wych (

oC

)

Godziny (h)

15

Podwyższenie współczynnik efektywności

COP dzięki naturalnemu chłodzeniu

0 2000 4000 6000 8000

Źródło: Heizen und Kühlen mit Erdgekoppelten Wärmepumen, FHNW Schweiz

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0

Założenia:

Niepokryte zapotrzebowanie

na chłód: 347 kWh (6%)

Różnica temperatury na

wymienniku ciepła 1oC

Przewodność gruntu:

2,6 W/mK

bez naturalnego

chłodzenia

z naturalnym

chłodzeniem

Podwyższenie temperatury zasilania z sond gruntowych, wpływa bezpośrednio

na wzrost współczynnika efektywności COP pompy ciepła. W okresie letnim

wartość COP rośnie o około 7÷8%, a w całym roku można przyjąć wzrost o 2÷3%.

Współc

zynnik

efe

kty

wności C

OP

Godziny (h)

16

Koszty chłodzenia pasywnego

W porównaniu do innych rozwiązań, chłodzenie pasywne pompą ciepła

zapewniać może najniższe koszty chłodzenia domu. Miesięczny koszt chłodzenia

budynku o powierzchni rzędu 200 m2, nie powinien być wyższy niż 20÷30 zł.

Koszty eksploatacji klimatyzacji mogą być wielokrotnie wyższe na poziomie około

400÷600 zł miesięcznie, w zależności jej standardu energetycznego oraz czasu

pracy i wydajności uzależnionej od warunków pogodowych w danym roku.

Chłodzenie

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji