pompy ciepła dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20pompy%20... · kolektora płaskiego (jak...

43
Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła

Upload: others

Post on 26-Jun-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Pompy Ciepła

Dolne źródła ciepła

Page 2: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:
Page 3: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:
Page 4: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Podział klasyczny

Page 5: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy płaski

Kolektor poziomy płaski wykonuje

się z rur PE o średnicy 25-40 mm,

układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5

m, 20-50 cm poniżej strefy przemarzania,

ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka

pętli, czyli odcinków rur o długości ok. 100

m każdy. Podział rury kolektora

przykładowej długości 500 m na pięć

równoległych pętli długości 100 m ma na

celu zmniejszenie oporów przepływu, aby

pompa obiegowa wymuszająca przepływ

glikolu nie musiała osiągać dużych mocy,

zmniejszając tym samym sprawność

systemu ogrzewania.

Odstępy między rurami kolektora

zależą od wydajności cieplnej gruntu i od

średnicy rur. Im mniej wydajny

energetycznie grunt, tym mniejszą stosuje

się średnicę rur i mniejsze odstępy między

rurami. Przy odstępach między rurami

rzędu 0,5-0,8 m z jednego m2 gruntu z

kolektorem otrzymuje się moc 10-40 W, w

zależności od rodzaju gleby.

Page 6: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy płaski cd.

Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła

(30-40 W) niż piaszczysty, suchy (10-20 W). Stąd

przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba

ok. 50 W na jeden metr kwadratowy powierzchni

pomieszczeń, kolektor poziomy płaski powinien

zajmować powierzchnię 1,5-5 razy większą niż

powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania

niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok.

600 m2 dla domu o powierzchni ogrzewanych

pomieszczeń ok. 150 m2, jeśli grunt jest suchy i

piaszczysty).

Page 7: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy płaski cd.

Rury kolektora są wypełnione roztworem

wodnym glikolu, nazywanym zwyczajowo solanką.

W parowniku pompy ciepła glikol oddaje ciepło,

ochładzając się o ok. 40C. Średnia temperatura

glikolu w kolektorze wynosi ok. 00C, chociaż po

słonecznym lecie może osiągnąć nawet +100C, a

podczas srogiej zimy może wychłodzić się do kilku

stopni poniżej zera.

Trzeba pamiętać, że ciepło odbierane przez

glikol z gruntu pochodzi głównie z promieni

słonecznych - transport ciepła z głębszych warstw

ziemi ku powierzchni jest zjawiskiem pomijalnie

słabym. Dlatego bardzo ważna jest możliwość

pełnej regeneracji cieplnej gruntu latem, przed

następnym sezonem grzewczym. Nie ma więc

sensu zakopywanie kolektora na głębokościach

większych niż 1,8 m, gdzie słabo dochodzi ciepło

słoneczne. Nie wolno też utrudniać penetracji

energii słonecznej przez np. zabetonowanie

powierzchni gruntu nad kolektorem.

Page 8: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy płaski cd.

Energia słoneczna przenika do gruntu głównie

z wodą deszczową. Brak możliwości pełnej

regeneracji cieplnej gruntu przez lato to ryzyko

obniżenia temperatury glikolu zimą poniżej

granicznej wartości dla danej pompy, co

spowoduje wyłączenie się pompy. Dlatego lepiej

przewymiarować kolektor poziomy płaski, czyli

zaprojektować go z pewnym zapasem mocy. Moc

kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego)

to moc pompy ciepła pomniejszona o moc

sprężarki, czyli:

Na przykład dla pompy ciepła o mocy 8 kW i

COP=4 otrzymujemy Pkol=6 kW, co przy gruncie o

przeciętnych właściwościach cieplnych (22 W/m2)

oznacza konieczność zajęcia powierzchni działki

ok. 300 m2.

Page 9: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy spiralny

Kolektor spiralny działa na podobnej zasadzie jak

kolektor płaski. Sekcje kolektora mają postać

spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości

10-15mb. Kolektory spiralne stanowią alternatywę

do kolektorów płaskich. Wykopanie szerokich

rowów o długości kilkunastu metrów jest mniej

kłopotliwe niż kopanie wąskich rowków. Długość

wykopów jest o 30% mniejsza. Odległość

pomiędzy sekcjami nie powinna być mniejsza niż

4m. Długość przewodów dla kolektorów płaskich

spiralnych trzeba zwiększyć o 30%, gdyż

charakteryzują się mniejszym odbiorem

jednostkowym z m2 gruntu. Szerokość wykopu

powinna umożliwić ułożenie płasko na dnie

wykopu kręgów rur, z reguły to 1-1,2m szerokości

na dnie. Zatem na 10mb wykopu wymagana ilość

rur to 111mb.

Page 10: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy spiralny

Z powodu oporów przepływu zaleca się, aby

długość pojedynczej pętli nie przekraczała

maksymalnie 200mb/pętlę. Przy tym rozwiązaniu

zaleca się zastosowanie kolektorów słonecznych.

Energia promieniowania słonecznego

niewystarczająca do grzania wody użytkowej

(powyżej 45°C) zostaje wykorzystana przez

pompę ciepła podnosząc jej wskaźnik sprawności.

Dodatkowym efektem jest szybka regeneracja

energii gruntu pod koniec i po zakończeniu sezonu

grzewczego, a przed sezonem grzewczym

temperatura zasilania może być nawet o 3°C

wyższa. Zalecana minimalna powierzchnia

kolektorów słonecznych to 2m2/10kW mocy

chłodniczej pompy (optymalnie 4m2/10kW).

Page 11: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy spiralny

Przykładowy układ pętli kolektora

spiralnego

Zaletą kolektora spiralnego jest to, że

wykopanie kilku rowów o szerokości do 1m

i długości do 20 m jest łatwiejsze niż

zdjęcie niemal dwumetrowej warstwy

gruntu z dużej powierzchni działki.

Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła

jest grunt a nie rura, więc niezależnie od

sposobu jej ułożenia (rzędami czy

spiralnie) dla pobrania określonej ilości

ciepła z gruntu wymagana jest określona

powierzchnia „pracującego” gruntu. W

praktyce powierzchnia pracy kolektora

spiralnego jest o ok. 1/3 mniejsza niż

kolektora płaskiego o identycznej mocy,

natomiast powierzchnia prac gruntowych

jest ponad pięciokrotnie mniejsza.

Page 12: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy z bezpośrednim parowaniem

W systemie bezpośredniego parowania

czynnik chłodniczy cyrkuluje jako medium

przenoszące ciepło w kolektorze gruntowym,

gdzie odrazu odparowuje. Poprzez

bezpośrednie parowanie osiągamy

najwyższe współczynniki efektywności i

najwyższe bezpieczeństwo użytkowania,

ponieważ odpadają dodatkowe wymienniki

ciepła i pompy obiegowe. Instalacja dolnego

źródła jest wykonane w postaci poziomego

kolektora gruntowego. 75 m rurki

kolektora wykonane są z miedzi oraz

izolacji z polietylenu (PE). Montaż kolektora

zależnie od warunków wymaga zgłoszenia

bądź pozwoleń.

Schemat pompy ciepła typu solanka/woda

Schemat pompy ciepła z bezpośrednim parowaniem

Page 13: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Kolektor gruntowy poziomy z bezpośrednim parowaniem

W takim wydłużonym obiegu

termodynamicznym krąży specjalny czynnik

(np. propan R 290 lub R 407C), który

odparowuje w kolektorze, pobierając ciepło z

gruntu. Rury kolektora wykonuje się z miedzi

pokrytej warstwą PE. Wyeliminowanie

wymiennika ciepła i pompy obiegowej

(wymuszającej obieg cieczy w tradycyjnych

kolektorach z glikolem) pozwala na

zwiększenie sprawności COP o ok. 20%.

Zasady układania nitek kolektora w gruncie

są identyczne jak dla kolektora płaskiego z

glikolem. Czynnik roboczy nie traci swoich

właściwości w funkcji czasu, a więc nie

wymaga wymiany w całym okresie

eksploatacji. Pompa ciepła pracująca na zewnątrz

Page 14: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Wymienniki w technologii GRD - Geothermal Radial Drilling

W 2009 roku na polskim rynku pojawiła się

nowa technologia pozyskiwania ciepła z

gruntu ziemi. Jest nią technologia GRD

(Geothermal Radial Drilling) polegająca na

tym, że sondy ziemne układane są

promieniowo, skośnie w różnych kierunkach

i pod różnym kątem. Ilość oraz długość

odwiertów zależy od warunków

architektonicznych i glebowych.

Cała instalacja sond wykonywana jest

przez jedną maszynę wiercącą GeoDRILL,

która w gruncie instaluje sondy radialnie pod

kątem 35-65° na głębokości od 10 do 20

metrów. System wiertniczy, składający się z

jednostki transportującej ze stacją

hydrauliczną i wiertnicy samojezdnej z

pierścieniem (wieńcem), może być

obsługiwany jedynie przez dwie osoby.

Page 15: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Nowa technologia posiada wiele zalet:

• odwierty wykonywane są z jednej studni, dzięki czemu nie

następuje duża ingerencja w środowisko naturalne

(minimalna dewastacja terenu działki);

• jedna zwarta maszyna o małych gabarytach, która

potrzebuje do pracy niewielkiej powierzchni. Dzięki

swojemu rozmiarowi bez problemu może dotrzeć do

gęsto zabudowanych terenów i nie pozostawia po sobie

widocznych śladów w podłożu;

• idealny system przy modernizacji systemu grzewczego;

• najbardziej energetyczne warstwy gleby zostają

maksymalnie wykorzystane;

• istnieje możliwość wykorzystania tej technologii w

każdych warunkach glebowych (skała, piaski...);

• sondy ziemne instalowane są szybko i ekonomicznie,

dzięki czemu koszty wykonania instalacji zostają

obniżone;

• trójwymiarowe wykrywanie

poziomu wody podziemnej umożliwia maksymalne

wydobycie ciepła z gruntu, dzięki czemu zostaje

zoptymalizowana ilość i długość odwiertów.

Page 16: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Wymienniki gruntowy pionowy

Najskuteczniejszym rozwiązaniem w

przypadku ograniczonej ilości miejsca jest

kolektor pionowy. Do odwiertów głębokości

30 ÷ 150 m (uwaga – konieczne jest

zezwolenie) wkłada się sondy pionowe,

czyli rury zgięte w kształcie litery U, w

których krąży glikol.

Z 1 m odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 70

W energii cieplnej. Na przykład dla domu o

powierzchni 200 m² potrzebną moc cieplną

dolnego źródła (ok. 0,8 mocy pompy

ciepła, czyli 0,8 x 200 m² x 50 W/m² = 8

kW) otrzymamy przy łącznej długości

odwiertów ok. 160 m, czyli mogą to być 4

odwierty o głębokości 40 m każdy.

Odległość między odwiertami nie powinna

być mniejsza niż 5 m.

Page 17: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Wymienniki gruntowy pionowy

Kolektor pionowy, w porównaniu z

kolektorem płaskim, ma same zalety:

- zajmuje niewielką powierzchnię działki

-glikol ma stabilną temperaturę w ciągu

całego roku (3 ÷ 7°C).

Jest tylko jedna wada – wysoka cena. O ile

kolektor poziomy dla domu 150 m²

kosztuje ok. 5000 zł, to pionowy może

kosztować ok. 10 000 zł, a zdarzają się

oferty na poziomie powyżej 15 000 zł.

Ilość i długość sond głębinowych zależy od

warunków geologicznych, dlatego często w

trakcie wiercenia otworów wprowadza się

korekty do wstępnego projektu. Na

podstawie zdobywanych w trakcie

wiercenia informacji o rzeczywistych

warunkach geologicznych można

zweryfikować długość sond.

Page 18: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Woda gruntowa

To najprostsze rozwiązanie. Grunt, a więc

również woda gruntowa, na głębokości

większej niż 6 m ma w zasadzie stałą

temperaturę, która wynosi w Polsce ok.

10°C, niezależnie czy jest zima, czy lato

(można się liczyć ze zmianami w

przedziale 7 ÷ 12°C). Najtańszym

inwestycyjnie sposobem pobierania ciepła

z gruntu jest pompowanie wody z

głębokości poniżej 6 m (oczywiście, lustro

wody gruntowej może być na poziomie

wyższym , np. 1 lub 2 m pod powierzchnią

gruntu).

Page 19: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Woda gruntowa

Najczęściej są dwie studnie – czerpalna do

poboru wody, chłonna do odprowadzenia

(zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z

pompy ciepła. W typowych warunkach

geologicznych, gdy woda jest czerpana z

warstwy wodonośnej na głębokości 6 ÷ 15 m,

koszt budowy takich dwóch studni wynosi ok.

2000 zł. Odległość pomiędzy studnią

czerpalną i chłonną powinna być jak

największa (co najmniej 15 m), żeby chłodna

woda zrzucana nie mieszała się z wodą

czerpaną, niekorzystnie obniżając jej

temperaturę.

Obie studnie muszą korzystać z tej samej

warstwy wodonośnej, przy czym studnia

czerpalna powinna znajdować się przed

chłonną względem kierunku przepływu wody

w tej warstwie. Chodzi o to, by woda

schłodzona nie wracała do studni czerpalnej.

Page 20: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Woda gruntowa

Wydajność pompowania wody gruntowej

powinna wynosić ok. 1,5 m³/h (szczegółowe

obliczenia w ramce obok), do czego wystarcza

pompa samozasysająca o mocy 200 W (jeśli

lustro wody jest nie głębiej niż 6 m). Nie

zawsze warunki gruntowo-wodne są korzystne

dla tego rozwiązania.

Podstawowym przeciwwskazaniem może być

głęboki poziom lustra wody gruntowej, co

zmusza do stosowania droższych rozwiązań –

pomp głębinowych i głębokich wierceń.

Uwaga – na studnie głębsze niż 30 m

wymagane jest pozwolenie wodnoprawne.

Jest też drugi warunek (nie zawsze

przestrzegany), że trzeba niezależnie od

głębokości studni mieć pozwolenie

wodnoprawne na czerpanie wody w ilości

większej niż 15 m3/dobę.

Page 21: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Woda gruntowa

Do producenta pompy ciepła należy ocena, czy

złe parametry jakościowe wody mogą istotnie

wpłynąć na niszczenie lub złą pracę pompy ciepła.

Groźne i, niestety, dość częste w naszych

warunkach jest nadmierne zażelazienie wody.

Żelazo nie jest szkodliwe dopóki się nie utleni.

Osad tlenku żelaza może „zatkać” wymiennik,

także studnię chłonną. Dlatego w przypadku

mocno zażelazionej wody niezmiernie ważne jest,

by cały układ od poboru wody w studni czerpalnej

do zrzutu w studni chłonnej był szczelny i nie

„nabierał” powietrza.

Niektórzy producenci oferują opcjonalnie parowniki

w specjalnym wykonaniu, odpornym na korozyjne

działanie wody o „złych” parametrach. Stosuje się

też dodatkowy wymiennik ciepła odporny na „złą”

wodę. W obiegu wtórnym takiego wymiennika,

pośredniczącym między wodą ze studni a

parownikiem pompy ciepła, krąży woda z 10%

zawartością etylenu.

Page 22: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Wymienniki powietrzne

Najtańsze, bo niewymagające żadnych

prac inwestycyjnych jest wykorzystanie

powietrza jako dolnego źródła.

Największym mankamentem tego

rozwiązania są sezonowe i pogodowe

zmiany temperatury powietrza, przy czym

najgorsze warunki są w zimie, kiedy

pompa ciepła jest mocno eksploatowana, a

jej sprawność spada w miarę obniżania się

temperatury powietrza (dla T poniżej -10°C

współczynnik COP wynosi zaledwie 2÷3).

Jako dolne źródło może też być

wykorzystane powietrze wewnątrz domu

(5-20°C), ale dotyczy to ograniczonych

zastosowań pompy ciepła wyłącznie do

wytwarzania c.w.u. lub do klimatyzacji (w

roli rekuperatora).

Page 23: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Wymienniki powietrzne

Page 24: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Trendy rozwojowe w zakresie

dolnych źródeł energii

Dolne źródło ciepła to ośrodek lub materia, która ma za zadanie dostarczyć do

urządzenia „wejściową” energię niskotemperaturową. Jego rodzaj decyduje o

wyborze odpowiedniej pompy ciepła. Dostępne źródła ciepła można obecnie już

sklasyfikować na naturalne (odnawialne) oraz sztuczne.

Page 25: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Trendy rozwojowe w zakresie

dolnych źródeł energii

Źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:

jak najwyższa temperatura i jej stabilność w czasie;

łatwa dostępność;

duża pojemność cieplna;

brak zanieczyszczeń powodujących korozję materiałów instalacyjnych;

niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Źródła ciepła naturalne charakteryzują się dużą zmiennością temperatury, zależną

przede wszystkim od pory roku. Ich „wydajność” często może także nie zaspokajać

szczytowego zapotrzebowania. Niemniej jednak są dostępne praktycznie w każdym

miejscu.

Sztuczne źródła ciepła, najczęściej pochodzenia przemysłowego mogą być bardzo

różnorodne. Temperatury ścieków, spalin czy wód przemysłowych zależą od

procesów, podczas których powstają. Ich ewentualne wykorzystanie wiąże się

jedynie z miejscem ich obecności.

Page 26: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące promieniowanie słoneczne

Energia Słońca może być wykorzystywana w

układzie pompy ciepła połączonej z

kolektorem słonecznym. Sposób odbioru

ciepła przez absorber niczym nie różni się od

rozwiązania stosowanego w klasycznym

kolektorze słonecznym. Padające promienie

słoneczne pochłanianie są przez zbudowany

ze specjalnych materiałów absorber i

dostarczają energię cieplną, nośnikowi,

którym może być albo woda (lub inny czynnik

roboczy), albo powietrze. Kolektor może

pracować z pompą w układzie pośrednim, w

którym ogrzane medium po dotarciu do

parowacza, oddaje swoją energię czynnikowi

roboczemu pompy ciepła (dwa obiegi

nośników energii). Układ bezpośredni to taki,

w którym ten sam czynnik odbiera energię od

promieniowania słonecznego i następnie

krąży w obiegu termodynamicznym pompy.

Systemy takie charakteryzują się wysoką

temperaturą dolnego źródła, jednak silnie

zależną od warunków atmosferycznych, oraz

wysokimi kosztami inwestycji.

Page 27: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:
Page 28: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:
Page 29: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków w

oczyszczalniach albo w kanałach ściekowych

Oprócz korzyści technicznych i finansowych liczy się tutaj także aspekt

ekologiczny, co przy stworzonych możliwościach dofinansowania nabiera coraz

większego znaczenia. Osadniki ścieków, zwane reaktorami biologicznymi, można

traktować jak wymiennik gruntowy poziomy o dużym nasączeniu wodą i wyższej,

stabilnej temperaturze. Ponieważ temperatura ścieków nie spada poniżej +10°C,

temperatura solanki na wlocie do parownika pompy ciepła będzie wynosić co

najmniej +3°G. Wartości te są podane z dużym marginesem bezpieczeństwa, gdyż

współczynnik wymiany ciepła z gruntu nasączonego wodą jest niższy od

współczynnika wymiany woda/woda.

Wymiennik wykonać można z rur PEHD stosowanych w

przepompowniach ścieków i przymocować do ścian reaktorów. Najczęściej mamy

do czynienia z dwoma reaktorami biologicznymi działającymi zamiennie, dlatego

też należy zaprojektować podwójny, poziomy wymiennik gruntowy złożony każdy z

maksymalnie 16 stumetrowych pętli. Solanka jest doprowadzana do pompy ciepła

jednym przewodem PE od kolektora zbiorczego, do którego należy podłączyć

poszczególne pętle. Dzięki wykorzystaniu ciepła ze ścieków praktycznie niemożliwe

jest wychłodzenie dolnego źródła.

Page 30: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków

W normalnym układzie traconego bezpowrotnie. Ze

ściekami bytowymi wypływa bezpowrotnie do 4kWh energii

cieplnej/osobę/dobę. Przeliczając to na 4-osobową rodzinę

może to być nawet 1000 złotych rocznie. Odzyskując ciepło ze

ścieków bytowych można się spodziewać, że do 50% energii

traconej zostanie wykorzystane przez pompę ciepła. Celem

realizacji założonego odzysku wymagane jest już na etapie

budowy oddzielenie ścieków bytowych (ciepłych) od

fekalnych (zimnych). Wiąże się to głównie z budową

oddzielnych pionów kanalizacyjnych. Ścieki bytowe

odprowadzane są do odrębnej studni najlepiej izolowanej

(komora szamba, itp.) gdzie umieszczony jest kolektor źródła

dolnego pompy ciepła, a następnie przelewowo do następnej

komory lub bezpośrednio do kanalizacji. Kolektor w studni

może być dedykowany bądź przeprowadzone przez nią

przewody (zawsze powrotne z gruntu do pompy) kilku pętli

kolektorów ziemnych. Ważnym jest aby długość przewodów w

komorze ściekowej zapewniała dostateczną powierzchnię

wymiany ciepła. Jednostkowy odbiór ciepła przez rurę PE 32

można zakładać na bezpiecznym poziomie do 40W/mb.

Przykładowa wężownica ułożona w zbiorniku retencyjnym

Page 31: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków

W USA opracowano urządzenie o nazwie GFX. Jest to prosty w budowie przepływowy

wymiennik pionowy odzyskujący ciepło ze ścieków w budynkach. Wymiennik ten instalowany jest w

dostępnej, pionowej części przewodu kanalizacyjnego (pionu) w budynku. Urządzenie składa się z 3' lub

4' rury, przez którą przepływają ciepłe ścieki oraz 1' miedzianej spirali owiniętej wokół rury kanalizacyjnej.

Ciepło jest przekazywane ze ścieków przepływających przez pion, do zimnej wody płynącej jednocześnie

ku górze w spirali okalającej tę rurę.

Badania wykazały, że koszt montażu GFX w mieszkaniach zwraca się po 2÷5

latach. Badania zostały przeprowadzone na zamontowanym GFX (koszt 500 USD), a

oszczędności sięgnęły 800÷2300 kWh rocznie, w zależności od liczby łazienek w budynku.

Opłacalność takiej inwestycji rosła wraz z liczbą codziennych kąpieli pod prysznicem.

Ponadto, oprócz redukcji kosztów energii, zastosowanie tego wymiennika pozwala na

skrócenie czasu potrzebnego na podgrzanie wody, a ma to znaczenie, jeśli w danej chwili

z prysznica korzysta więcej osób niż zazwyczaj.

Page 32: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków

Przykłady

Page 33: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków

Przykłady

Układ skojarzony

Oczyszczalnia Ścieków w Żywcu

Page 34: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków w

oczyszczalniach albo w kanałach ściekowych

Page 35: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków w

oczyszczalniach albo w kanałach ściekowych

Latem temperatura wody w kanalizacji wynosi ok. 20°C, zimą spada do 10÷12 °C.

Dzięki zastosowaniu specjalnych wymienników umiejscowionych w dolnej części

grawitacyjnego kanału kanalizacyjnego można odzyskać ciepło zawarte w ściekach

. Wymienniki mogą być elementem nowych sieci lub mogą być dodawane do

istniejących już kanałów. Ścieki napływające do przewodu kanalizacyjnego na

długości rurociągu z wymiennikiem oddają ciepło i jest ono poprzez medium

kierowane do pompy ciepła. Podnosi to efektywność pompy ciepła do takiego

poziomu, że jest ona w stanie zapewnić odpowiednią temperaturę (ok. 50°C) do

ogrzewania.

W okresie letnim pompy ciepła mogą przekazywać ciepło do kanalizacji i dostarczać

chłód do budynków. Obecnie pompy ciepła osiągają COP powyżej 4,5, a nawet 5.

Oznacza to, że jedna jednostka energii elektrycznej daje 5 jednostek ciepła. Prawie

1,5 kWh ciepła można uzyskać z 1 m3 ścieków o różnicy temperatur 1 K pomiędzy

ściekami i chłodnym medium. Np. zbiorczy kanał kanalizacyjny o przepływie 100 l/s

może dostarczyć ok. 500 kW ciepła. Uzyskiwanie energii można prowadzić w trzech

miejscach: w budynkach, sieciach kanalizacyjnych oraz kanałach wychodzących z

oczyszczalni.

Page 36: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła wykorzystujące ciepło ścieków w

oczyszczalniach albo w kanałach ściekowych

Wykorzystanie ciepła ze ścieków zależy m.in. od

- temperatury ścieków w przewodach kanalizacyjnych,

- ich ilości (natężenia chwilowego i średniego przepływu),

- zagęszczenia,

- przekroju poprzecznego kanału,

- odległości pomiędzy wymiennikiem a odbiorcą ciepła,

- wielkości przepływu i możliwości wykorzystania odzyskanego ciepła przez

odbiorcę,

- innych warunków sanitarnych w kanale i wynikających z jego budowy.

Na etapie projektowania układów odzyskiwania ciepła z kanalizacji popełniane są pomyłki,

m.in. błędne oszacowanie ilości ścieków bytowych i deszczowych; przewymiarowanie

urządzeń, w tym pomp; nadmierny hałas pomp ciepła; nieuwzględnianie powstawania biofilmu

na wymienniku; niewystarczająca dokumentacja i brak odpowiednich uzgodnień pomiędzy

stronami. Każdy przypadek różni się bardzo wieloma danymi, począwszy od ilości ścieków i

ich natężenia przepływu oraz stosunku ścieków bytowych i deszczowych po rodzaj kanału

odprowadzającego ścieki, materiał z jakiego jest wykonany, jego rozmiary i przekrój

poprzeczny i dlatego znalezienie gotowych, uniwersalnych rozwiązań dla tego typu układów

jest niemożliwe.

Page 37: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy

budownictwo wielorodzinne, budynki użyteczności publicznej

Page 38: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy

budownictwo wielorodzinne, budynki użyteczności publicznej

Page 39: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy - budownictwo wielorodzinne

Page 40: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy

budownictwo wielorodzinne

Page 41: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy

budownictwo wielorodzinne

Page 42: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy - przykład

Page 43: Pompy Ciepła Dolne źródła ciepła - oze.utp.edu.pl20Pompy%20... · kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli:

Dolne źródła ciepła do pomp dużej mocy - przykład