Wykorzystanie ciepła odpadowego do zwiększenia efektywności energetycznej pompy ciepła powietrze/woda pracującej w warunkach klimatu górskiego
The use of the waste heat to increase the energy efficiency of an air-to-water heat pump operating in the mountain climate conditions
Autorzy między innymi opisują metodę obliczeniową zawartą w normie PN-EN 15316-4-2 [1] określającej sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej pompy ciepła (SCOP).
Rys. redakcja RI
Zastosowanie pompy ciepła powietrze/woda jako jedynego źródła ciepła dla budynku zlokalizowanego w Polsce, przy zachowaniu pewnych standardów instalacyjnych, jest w pełni możliwe oraz korzystne zarówno energetycznie, jak i finansowo. Stosowanie takiego rozwiązania w lokalizacjach o obniżonym przebiegu temperatury zewnętrznej w ciągu roku – na przykład w terenie górskim – wymaga starannych obliczeń. Ponadto warto szukać możliwości pozyskiwania energii odpadowej, np. z powietrza wentylacyjnego.
Zobacz także
Gaspol S.A. Układ hybrydowy: pompa ciepła i gaz płynny
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne...
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne ciepło, a jednocześnie gwarantujące minimalną lub zerową emisję CO2 czy szkodliwych substancji. Jednym z takich innowacyjnych rozwiązań jest połączenie pompy ciepła z instalacją gazową, które łączy w sobie zalety obu technologii, tworząc elastyczny, efektywny i zrównoważony system ogrzewania.
Barbara Jurek (Specjalista ds. techniczno-handlowych Caleffi Poland), Calefii Poland Sp. z o.o. Co warto wiedzieć o zaworze antyzamarzaniowym z serii 108 marki Caleffi
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła...
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła typu monoblok przed zamarznięciem w sytuacji wystąpienia awarii zasilania elektrycznego.
FRAPOL Sp. z o.o. Jak zaprojektować wydajny system grzewczy z pompą ciepła Frapol PRIME?
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne,...
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne, zgodne z coraz bardziej restrykcyjnym prawem europejskim i energooszczędne. Temperatura zasilania na poziomie ponad 60°C umożliwia stabilną produkcję ciepła technologicznego oraz ciepłej wody użytkowej w różnych warunkach otoczenia, a także współpracę z różnymi instalacjami grzewczymi....
• Rzecz o założeniach do obliczeń wg normy PN‑EN 15316
|
Przy projektowaniu instalacji dla terenu górskiego konieczne jest dokonanie analizy pracy urządzenia w danych warunkach klimatycznych i jego poprawny dobór. Jedną z metod takich obliczeń proponuje norma PN‑EN 15316-4-2 [1] – umożliwiającą analizę instalacji z pompą ciepła pracującą na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej w kroku temperaturowym.
Wynikowa wartość wskaźnika sezonowej efektywności energetycznej pompy ciepła (SCOP) pozwala na zaobserwowanie korzyści i oszacowanie kosztów pracy takiej instalacji.
W artykule opisano główne parametry i założenia wspomnianej metody na przykładzie obliczeń wykonanych dla Schroniska PTTK Na Hali Szrenickiej (zarządzanego przez Sudeckie Hotele i Schroniska Sp. z o.o. w Jeleniej Górze), zlokalizowanego w Sudetach Zachodnich na wysokości 1195 m n.p.m.
Stosując metodę zawartą w normie PN‑EN 15316-4-2 [1], przeprowadzono obliczenia sezonowej efektywności energetycznej pompy ciepła (SCOP) pracującej na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej dla części apartamentów.
Dodatkowo, dokonując modyfikacji metody obliczeniowej, określono korzyści energetyczne wynikające z ewentualnego wykorzystania ciepła odpadowego, stale generowanego w przestrzeni strychu przez stacje przekaźnikowe telefonii komórkowych.
Norma PN‑EN 15316
Oznaczenia:COP – wskaźnik efektywności pompy ciepła. SCOP – sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła (z energią dla grzałki elektrycznej oraz energią pomocniczą dla nieaktywnych trybów pracy). j – numer kroku (bin). Nj – liczba godzin występowania danej temperatury zewnętrznej. Θi,des – wewnętrzna temperatura obliczeniowa, °C. Θe,j – zewnętrzna temperatura danego kroku bin, °C. DHH,hlim,j – skumulowane stopniogodziny górnej granicy kroku bin, °Ch. DHH,llim,j – skumulowane stopniogodziny dolnej granicy kroku bin, °Ch. DHH,tot – skumulowane stopniogodziny całego analizowanego okresu, do górnej granicy końca sezonu grzewczego, °Ch. QH,gen,out,j – zapotrzebowanie na energię do ogrzewania w kroku obliczeniowym, kWh. QH,gen,out – całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania budynku, kWh, określane na podstawie bilansu energii zgodnie z PN-EN 13790 Energetyczne właściwości użytkowe thp,on – czas pracy urządzenia w trybie grzewczym (aktywnym), h. Qhp,j – zapotrzebowanie na energię w kroku bin, kWh. QPC,j – rzeczywista moc chwilowa pompy ciepła w kroku bin, kW. th,aux – czas pracy urządzenia w trybie stand-by, h. teff,j – czas trwania kroku obliczeniowego, h. ttot – całkowity czas operacyjny produkcji c.w.u. (np. 8760 h), h. QH,gen,out – całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania budynku, kWh. QW,gen,out – całkowite zapotrzebowanie na energię użytkową do przygotowania c.w.u., kWh. EH,hp,in – całkowita energia elektryczna pobrana na potrzeby pracy sprężarki pompy ciepła, kWh. Wgen,aux,sc – całkowita energia elektryczna pobrana na potrzeby pracy wspomagającej grzałki elektrycznej, kWh. Wgen,aux,sby – całkowita energia pomocnicza pobrana podczas pracy urządzenia w trybie stand-by, kWh. Tstrych – temperatura powietrza na strychu, °C. Te – temperatura powietrza zewnętrznego, °C. Ti – temperatura powietrza strefy ogrzewanej, °C. Qodpadowe – zyski ciepła odpadowego, kW. Hiu – współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą ogrzewaną a nieogrzewaną, W/K. Hue – współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą nieogrzewaną a otoczeniem, W/K. |
Do analizy sezonowej efektywności energetycznej pompy ciepła powietrze/woda posłużono się metodą opisaną w normie PN‑EN 15316-4-2 [1]. W przeciwieństwie do opisanej we wcześniejszych artykułach [2, 3] normy PN‑EN 14825 [4], procedura obliczeń pozwala uwzględnić naprzemienną lub równoczesną pracę urządzenia na potrzeby grzewcze oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ze względu na analizę kosztów eksploatacji bardzo istotne jest, że metoda wykorzystuje obliczone niezależnie zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i przygotowania c.w.u. Pozwala to uwzględnić m.in. zyski ciepła oraz zapobiec przeszacowaniu zużycia energii, co przy sprawdzaniu korzyści wynikających z zastosowania odzysku ciepła jest zagadnieniem kluczowym.
Założeniem metody jest przyporządkowanie udziału potrzebnej do wytworzenia energii w zależności od długości trwania poszczególnych kroków obliczeniowych (najczęściej dzielonych co 1 K), czyli liczby godzin występowania danej temperatury zewnętrznej. Takie podejście uniemożliwia uwzględnienie dobowych zmian w rozbiorze i produkcji c.w.u., a zatem również obserwację okresowych niedoborów mocy urządzenia. Z drugiej jednak strony temperaturowy krok obliczeń pozwala na łatwe uwzględnienie czasu występowania poszczególnych temperatur powietrza zewnętrznego.
Proces obliczeń uwzględnia zmiany parametrów urządzenia wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej, ewentualne straty ciepła (ze zbiorników oraz przewodów c.w.u.) oraz pracę pomocniczej grzałki elektrycznej. Rozpatruje się trzy warianty pracy grzałki: ze względu na przekroczenie minimalnej temperatury pracy pompy ciepła, niedostateczną temperaturę c.w.u. lub niewystarczającą moc urządzenia. Dane dotyczące mocy oraz COP pompy ciepła w poszczególnych krokach temperaturowych bin należy przyjmować na podstawie testów według PN‑EN 14511 [5], a jeżeli są dostępne – danych pomiarowych z testów wykonanych w warunkach pracy z obciążeniem częściowym zgodnie z PN‑EN 14825 [4]. Dla obliczeń pracy urządzenia na potrzeby produkcji c.w.u. możliwe jest również stosowanie danych według nieobowiązującej już normy PN‑EN 255-3 [6] lub w przypadku ich braku według PN‑EN 14511 [5] i procesu przeliczeń jak dla pracy na potrzeby centralnego ogrzewania.
W dalszej części artykułu opisano najważniejsze składowe procesu szacowania sezonowej efektywności energetycznej pompy ciepła z punktu widzenia przeprowadzonej analizy. Szczegółowy opis metody obliczeniowej zawarty jest w normie PN‑EN 15316-4-2 [1].
Czytaj też: Odzysk ciepła i chłodu z powietrza wentylacyjnego >>>
Metoda obliczeń
Dane klimatyczne
Do wykonania obliczeń niezbędne są dane odnośnie do liczby godzin występowania poszczególnych temperatur zewnętrznych analizowanego okresu w danej lokalizacji (bin time). Oczywiście najczęściej stosowane są w tym celu statystyczne dane klimatyczne dla najbliższej stacji meteorologicznej.
Suma godzin w zakresach objętych danym krokiem obliczeniowym oznacza skumulowaną liczbę godzin każdego kroku (cumulative bin time).
Dla każdej temperatury zewnętrznej wyznacza się również liczbę stopniogodzin grzewczych DHH,j wg równania (1):
Na tej podstawie tworzy się wartości skumulowane stopniogodzin dla poszczególnych kroków obliczeniowych (cumulative DHH,j).
Zapotrzebowanie na energię cieplną kroku bin
Wartości skumulowane stopniogodzin służą do określenia zapotrzebowania na energię grzewczą poszczególnych kroków bin. W tym celu obliczany jest tzw. wskaźnik wagowy kH,j, zgodnie z równaniem (2):
Wskaźnik ten służy następnie do przypisania części z całkowitego zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania danego budynku do poszczególnych kroków obliczeniowych zgodnie z równaniem (3):
Podobnie określane jest zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej w każdym z kroków obliczeniowych. Wskaźnik wagowy kW,j określany jest na podstawie równania (4):
Energię dla każdego kroku bin wyznacza się na podstawie tego parametru i całkowitego zapotrzebowania na energię obliczonego zgodnie z PN‑EN 15316-4-2 [1].
Czas pracy na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej
Jednym z głównych parametrów uwzględnianych w procesie obliczeń jest szacowany czas pracy urządzenia na poszczególne potrzeby, czyli czas aktywnej pracy urządzenia w trybie grzewczym obliczany na podstawie równania (5):
W praktyce problemem okazuje się określenie chwilowej mocy pompy ciepła w danym kroku bin. Szczególnie w przypadku urządzeń z regulacją mocy grzewczej przyjmowanie maksymalnej mocy urządzenia zgodnie z charakterystyką katalogową może powodować znaczne niedokładności.
Pozostały czas kroku bin oznacza pracę urządzenia w trybie stand-by. Obliczenia sprowadzają się do prostego równania (6):
Praca w trybie stand-by oraz energia elektryczna grzałki wspomagającej
Znając moc pobieraną przez urządzenie w trybie stand-by oraz czas pracy w nim, możliwe staje się oszacowanie zużycia energii pomocniczej wynikającej z postoju pompy ciepła między cyklami włączeń i wyłączeń.
Sytuacja taka występuje w czasie tzw. obciążenia częściowego pompy ciepła, gdy osiągana moc urządzenia jest większa od chwilowego zapotrzebowania instalacji.
Norma podaje ten sposób jako metodę zastępczą do uwzględniania pracy pompy ciepła w takich warunkach w przypadku braku wymaganych danych pomiarowych zgodnych z PN‑EN 14825 [4].
Uwzględnienie tej energii w całkowitym bilansie energii elektrycznej pobranej podczas pracy urządzenia w danym sezonie grzewczym wpływa na osiąganą wartość SCOP.
Na wartość SCOP znaczący wpływ ma często również energia elektryczna pobierana przez grzałkę wspomagającą.
Metoda obliczeniowa pozwala uwzględnić dwa przypadki jej zastosowania: w razie niedoboru mocy urządzenia oraz niewystarczającej temperatury zasilania (co jest częste dla procesu przygotowania c.w.u.).
COP pompy ciepła
Testy urządzeń wg PN‑EN 14511 [5] zobowiązują producentów pomp ciepła powietrze/woda do przeprowadzenia badań dla trzech temperatur zasilania górnego źródła: 35, 45 i 55°C. W warunkach rzeczywistych w wyniku regulacji jakościowej często generowane są jednak odmienne parametry czynnika grzewczego.
Metoda opisana w PN‑EN 15316-4-2 [1], podobnie do PN‑EN 14825 [4], przewiduje uwzględnienie tej różnicy poprzez zastosowanie interpolacji liniowej między znanymi charakterystykami COP (oraz mocy) dla testowanych temperatur zasilania.
W przypadku temperatur niższych od 35°C lub wyższych od 55°C stosowana jest ekstrapolacja liniowa. Dodatkowo możliwe jest uwzględnienie rzeczywistej różnicy temperatur na wlocie i wylocie do skraplacza urządzenia w analizowanej instalacji (gdzie warunki te są zmienne) w stosunku do testów urządzenia (prowadzonych przy stałej różnicy temperatur wynoszącej 5 K).
SCOP pompy ciepła
Sezonowa efektywność energetyczna pompy ciepła pracującej na potrzeby ogrzewania pomieszczeń i przygotowania c.w.u. w analizowanym okresie pracy określana jest na podstawie równania (7):
Uwzględnia ona zatem całość energii cieplnej wygenerowanej przez urządzenie oraz szacowaną energię elektryczną na potrzeby pracy sprężarki, grzałki elektrycznej i pracy w trybie stand-by występującej pomiędzy cyklami pracy grzewczej urządzenia.
Czytaj też: Wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin rurowych promienników gazowych >>>
Analiza pracy pompy ciepła dla klimatu górskiego
Opis analizy i założenia
W artykule przedstawiono efekty pracy pompy ciepła powietrze/woda służącej do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej dla części obiektu wypoczynkowego zlokalizowanego w regionie górskim – Schroniska PTTK Na Hali Szrenickiej.
Na podstawie analizy zmierzonych w obiekcie wartości temperatury powietrza zewnętrznego w poszczególnych miesiącach na przestrzeni kilku lat stwierdzono ich największą zgodność ze statystycznymi danymi meteorologicznymi dla Jeleniej Góry. Z tego powodu analizę pracy pompy ciepła powietrze/woda z wykorzystaniem metody przedstawionej w normie PN‑EN 15316 [1] przeprowadzono na ich podstawie.
Zapotrzebowanie na energię grzewczą, obciążenie cieplne zaopatrywanej części budynku oraz parametry pracy instalacji zestawiono w tab. 1.
Założono pracę pompy ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania oraz produkcji c.w.u. w dwóch wariantach – standardowej pracy jedynie na powietrzu zewnętrznym oraz pracy na powietrzu wewnętrznym (pobieranym z pomieszczenia strychu z wykorzystaniem stale generowanego w tej przestrzeni ciepła odpadowego, co szczegółowo opisano w dalszej części artykułu).
Doboru pompy ciepła powietrze/woda dla instalacji dokonano w oparciu o standardowe wytyczne dla pracy z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego.
W analizowanym przypadku punkt biwalentny (poniżej którego konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła – grzałki elektrycznej) dla centralnego ogrzewania (z uwzględnieniem sprawności instalacji) występuje przy temperaturze Tzew = –9,0°C, co przy chłodnym klimacie w rejonach górskich jest zasadne. Dane zastosowanej pompy ciepła zawierają tab. 2 i tab. 3.
Wyniki dla standardowej pracy na powietrzu zewnętrznym
Na rys. 1 przedstawiono wyniki analizy wykonanej dla powyższych założeń według wytycznych normy PN‑EN 15316-4-2 [1]. Wartości SCOP dla poszczególnych potrzeb przedstawiono w tab. 4. Warto zauważyć, że pomimo stosunkowo chłodnego klimatu SCOP dla trybu ogrzewania jest dość satysfakcjonujący. Zdecydowanie niższą efektywność urządzenie osiąga jednak dla trybu przygotowania c.w.u.
Rys. 1. Analiza energetyczna pracy instalacji na powietrzu zewnętrznym; rys. archiwum autorów (K.Piechurski, E.Stefanowicz, A.Chmielewska, M.Szulgowska-Zgrzywa)
Na rys. 1 przedstawiono przebieg zapotrzebowania na moc grzewczą do ogrzewania i przygotowania c.w.u. w zakresie temperatur zewnętrznych występujących w wybranej lokalizacji w zestawieniu z danymi dotyczącymi pracy pompy ciepła (moc i COP) oraz zapotrzebowaniem na energię elektryczną do zasilenia pompy ciepła i grzałki elektrycznej.
Dzięki temu, że metoda obliczeniowa bazuje na energii użytkowej, możliwe jest uwzględnienie w bilansie zysków ciepła (np. promieniowania słonecznego w przypadku zapotrzebowania na energię do ogrzewania) oraz sprawności instalacji. W efekcie analizy przeprowadzane są na prawdopodobnie bardziej realnym chwilowym zapotrzebowaniu na moc cieplną niż w przypadku, gdy punktem wyjścia do analiz jest projektowe obciążenie cieplne budynku i szacowana moc potrzebna do przygotowania c.w.u.
Z drugiej jednak strony wymagana energia cieplna rozdzielana jest proporcjonalnie do liczby godzin występowania danej temperatury, co może nie być do końca słuszne np. w okresie zimowym, gdy nasłonecznienie bywa niewielkie.
Podobnie rozdzielane jest zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W praktyce pompy ciepła uruchamiają się dopiero przy ustalonym deficycie energii w zbiorniku, co nie ma związku z temperaturą zewnętrzną.
Analizę wpływu rzeczywistego profilu zużycia c.w.u. na efektywność pomp ciepła powietrze/woda szerzej omówiono w artykule [7]. W przeprowadzonych analizach postępowano jednak zgodnie z wytycznymi normy PN‑EN 15316 [1].
Analizując rys. 1, zauważyć można prawdopodobny punkt biwalentny systemu, wynikający z zapotrzebowania na energię końcową instalacji centralnego ogrzewania.
Grzałka elektryczna wspomaga pracę pompy ciepła na potrzeby ogrzewania od temperatury zewnętrznej ok. –9°C. Spowodowane jest to niedoborem mocy urządzenia przy tak niskich temperaturach dolnego źródła. Proces przygotowania ciepłej wody użytkowej jest wspomagany grzałką elektryczną w całym zakresie pracy ze względu na zbyt niską temperaturę zasilania generowaną przez pompę ciepła (52°C), co przekłada się na obniżoną wartość SCOP dla tego obiegu (1,96).
Praca pompy ciepła z wykorzystaniem energii odpadowej
Odzysk ciepła z wykorzystaniem pomp ciepła powietrze/woda
Powietrze jako dolne źródło ciepła charakteryzuje się wahaniami w ciągu roku. Skutkiem tego są znaczące zmiany efektywności pomp ciepła powietrze/woda.
Jak wykazano w szeregu artykułów [2, 3], zastosowanie tych urządzeń jest jak najbardziej efektywne w polskich warunkach klimatycznych. W regionie górskim, jak wykazano w niniejszym artykule, efektywność ta nie jest bardzo wysoka, ale wciąż zadowalająca.
Należy zwrócić uwagę, że pompy ciepła mają ogromny potencjał wykorzystania jako urządzeń do odzysku wszelkiego rodzaju ciepła odpadowego.
W przypadku pomp ciepła powietrze/woda rozważyć należy również, czy w obiekcie, w którym instalowane jest urządzenie, taka możliwość zachodzi.
Jednym z rozwiązań jest wykonanie instalacji pracującej na powietrzu wewnętrznym. Instalacje takie nie są powszechne ze względu na niskie temperatury powietrza wywiewanego z pompy ciepła i niebezpieczeństwo nadmiernego wychłodzenia przestrzeni, z której pobierane jest ciepło do pracy urządzenia.
Potencjał do wykorzystania powietrza wewnętrznego jako źródła ciepła wystąpi w obiektach, które wymagają dużej liczby wymian powietrza, jak również w pomieszczeniach charakteryzujących się wysokimi zyskami ciepła.
Innym sposobem wykorzystania pomp ciepła powietrze/woda są urządzenia pracujące na wywiewanym powietrzu wentylacyjnym. Są one coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w systemach wentylacji z odzyskiem ciepła. Tego typu odzysk może być również stosowany w budownictwie jednorodzinnym, co zostało opisane w publikacji [8].
Spotykane są również rozwiązania przeznaczone dla konkretnego rodzaju przemysłu. Ciepło odpadowe powstające przy produkcji wody lodowej w chłodniach jest wykorzystywane do ogrzewania pobliskich obiektów i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Energia cieplna pozyskiwana z procesów technologicznych, gdzie wymagane są duże ilości chłodu, stanowi bardzo ekonomiczne źródło ciepła, czego potwierdzenie możemy znaleźć m.in. w publikacji [9].
W niniejszym artykule rozważono wpływ zmiany dolnego źródła ciepła dobranej pompy ciepła powietrze/woda z powietrza zewnętrznego na powietrze wewnętrzne. W analizowanym obiekcie możliwe jest pobieranie powietrza z przestrzeni strychu, w którym w sposób ciągły generowane są zyski ciepła o mocy oszacowanej na ok. 3,5 kW. Zyski ciepła powstają w wyniku zlokalizowania w obiekcie stacji przekaźnikowych telefonii komórkowej. Analizę pracy takiego rozwiązania przedstawiono w dalszej części opracowania.
Metoda obliczenia temperatury powietrza wlotowego do pompy ciepła
Analizę pracy instalacji z wykorzystaniem ciepła odpadowego wykonano zgodnie z PN‑EN 15316-4-2 [1] w sposób analogiczny do pracy urządzenia na powietrzu zewnętrznym, na podstawie założeń zawartych w tab. 1, tab. 2 i tab. 3. Wyniki przedstawiono na rys. 2 oraz w tab. 4.
Rys. 2. Temperatura powietrza na strychu (Tstrych) w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego (Te) z uwzględnieniem ciepła odpadowego i bez jego uwzględnienia; rys. archiwum autorów ((K.Piechurski, E.Stefanowicz, A.Chmielewska, M.Szulgowska-Zgrzywa)
Istotą analizy było zbadanie efektywności pompy ciepła wykorzystującej powietrze wewnętrzne z przestrzeni strychu, z uwzględnieniem stale emitowanego w tej przestrzeni ciepła odpadowego, o mocy 3,5 kW. W tym celu niezbędne było oszacowanie temperatury powietrza na strychu schroniska w każdych warunkach temperatury zewnętrznej. Obliczenia wykonane zostały na podstawie wzoru (8) opisującego temperaturę przestrzeni nieogrzewanej, zgodnego z zaleceniami normy PN‑EN ISO 13789 [10].
Temperatura ta, będąc w tym przypadku temperaturą dolnego źródła ciepła (powietrza na strychu), staje się podstawą określania mocy i COP pompy ciepła. Z powodu wzajemnego wpływu wartości tej temperatury na parametry pracy pompy ciepła w celu otrzymania finalnego wyniku symulacji niezbędne było przeprowadzenie kolejnych iteracji.
Wynik analizy przedstawiono na rys. 3. Pokazuje on różnicę pomiędzy temperaturą na strychu bez i z uwzględnieniem zysków ciepła odpadowego.
Rys. 3. Analiza energetyczna pracy instalacji na powietrzu ze strychu; rys. archiwum autorów ((K.Piechurski, E.Stefanowicz, A.Chmielewska, M.Szulgowska-Zgrzywa)
Do analizy przyjęto następujące założenia:
- zyski ciepła generowane są w sposób ciągły na poziomie Qodpadowe = 3,5 kW (dla wariantu „z ciepłem odpadowym”);
- współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą ogrzewaną (temperatura strefy ogrzewanej Ti = 20oC) a nieogrzewaną wynosi Hiu=85 W/K;
- współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą nieogrzewaną a otoczeniem wynosi Hue =78 W/K;
- pominięto wpływ nasłonecznienia.
Rys. 2 przedstawia zmiany wartości temperatury dla analizowanej przestrzeni w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego. Temperatura powietrza na strychu jest znacząco wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego przez większą część roku, nawet przy braku zysków wewnętrznych. Uwzględnienie w bilansie ciepła odpadowego dodatkowo ją podnosi.
Bilans mocy dla ciepła odpadowego dość dobrze koreluje z mocą odbieraną z powietrza przez dobraną pompę ciepła (dla parametrów A/W = 2/55 jest to moc grzewcza 6,10 kW oraz COP = 2,17, co daje moc odbieraną po stronie dolnego źródła równą 3,29 kW). Praca pompy ciepła nie powinna więc znacząco obniżyć temperatury w przestrzeni strychu poniżej wartości opisującej wyniki dla wariantu „bez ciepła odpadowego”.
Wyniki dla pracy na powietrzu wewnętrznym z odzyskiem ciepła
Dzięki wykorzystaniu powietrza wewnętrznego z przestrzeni strychu zawierającego zakumulowane ciepło odpadowe jako dolnego źródła ciepła dla pompy ciepła pracuje ona ze znacznie wyższą efektywnością energetyczną. Szczegółowe wyniki analizy przedstawiono na rys. 3 i w tab. 5.
Dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego zauważalne jest znaczące obniżenie wartości energii elektrycznej pobieranej przez pompę ciepła.
Zdecydowanie mniejszy jest również udział pracy grzałki elektrycznej na potrzeby centralnego ogrzewania – konieczność taka zachodzi sporadycznie, dla temperatur zewnętrznych poniżej –15°C. Wynika to w głównej mierze ze zwiększonej mocy pompy ciepła przy wyższych w stosunku do powietrza zewnętrznego temperaturach dolnego źródła.
Skutkiem jest wyraźna poprawa efektywności energetycznej urządzenia pracującego na potrzeby grzewcze.
Nieco mniejsze korzyści wynikają z pracy pompy ciepła na potrzeby przygotowania c.w.u. SCOP na ten cel wciąż nie jest wysoki (2,31), ale nie wynika to z niskiej efektywności samego urządzenia.
Główną przyczyną jest pobór energii elektrycznej potrzebnej do zasilenia grzałki pozwalającej osiągnąć wymaganą temperaturę c.w.u., która jest wyższa niż maksymalna temperatura osiągana dzięki pracy pompy ciepła.
Podsumowanie i wnioski
- Przeprowadzone analizy pokazują zasadność i możliwości zastosowania pomp ciepła powietrze/woda w rejonie o stosunkowo niskich temperaturach powietrza zewnętrznego.
- Jak wykazano, nawet pracując w sposób standardowy z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego, urządzenie osiąga zadowalającą efektywność energetyczną i może być samodzielnym źródłem ciepła w instalacji ogrzewania oraz przygotowania c.w.u.
- Oprócz korzyści ekonomicznych i ekologicznych pompy ciepła umożliwiają zastosowanie odzysku energii.
Wykorzystywanie ciepła odpadowego do zwiększenia efektywności pracy pomp ciepła nie jest pomysłem nowym, w praktyce jednak rzadko jest stosowane w przypadku pomp ciepła powietrze/woda.
Głównym problemem przy projektowaniu takiego rozwiązania może być znaczący strumień powietrza pobierany przez urządzenie. Skutkuje to koniecznością dysponowania pomieszczeniem o znacznej kubaturze, w którym to powietrze się znajduje, lub czerpania części strumienia z zewnątrz. - Przy niewielkiej lub zmiennej emisji ciepła istnieje również ryzyko nadmiernego wychłodzenia powietrza w przestrzeni dolnego źródła.
Przeprowadzone analizy pokazują jednak, że przy spełnieniu kryterium równości zysków ciepła i mocy pobieranej przez pompę ciepła po stronie dolnego źródła rozwiązanie takie może przynieść znaczące korzyści energetyczne. Szacowany wzrost efektywności pracy dobranej pompy ciepła wynosi 28% (tab. 6). Przekłada się to na spadek kosztów eksploatacji o 21%, czyli ok. 1200 zł/rok (tab. 7 i tab. 8). Gdyby dobór pompy ciepła został oparty na eksploatacji na powietrzu z odzyskiem ciepła odpadowego, korzyści ekonomiczne byłyby prawdopodobnie jeszcze większe ze względu na dobór mniejszej jednostki o lepiej dopasowanej mocy.
streszczenieW artykule przedstawiono opis metody obliczeniowej zawartej w normie PN-EN 15316-4-2 [1] służącej do określania sezonowego wskaźnika efektywności energetycznej pompy ciepła (SCOP). Dodatkowo zaproponowano metodę pozwalającą na uwzględnienie w procesie obliczeń pracy pompy ciepła na powietrzu wewnętrznym. Obliczono zmiany temperatury pomieszczenia w wyniku stale generowanych zysków ciepła odpadowego oraz pracy pompy ciepła. Oszacowano korzyści energetyczne i ekonomiczne związane z pracą urządzenia na powietrzu wewnętrznym z wykorzystaniem ciepła odpadowego. Przykładowe obliczenia wykonano dla rzeczywistej instalacji w lokalizacji wysokogórskiej. abstractThe article describes the calculation method of the seasonal energy deficiency (SCOP) of heat pumps according to the standard PN-EN 15316-4-2 [1]. Additionally, a method of including in the calculation process the measurements of the heat pump’s operation with the indoor air has been proposed. The indoor temperature changes were calculated resulting from the constantly generated heat gains and from the heat pump operation. The energy and economical benefits of using the waste heat with the indoor air were assessed. Sample calculations were performed for an actual installation in a high mountain location. |
Literatura
- PN‑EN 15316-4-2:2017 Charakterystyka energetyczna budynków. Metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło przez instalację i sprawności układu. Część 4-2: Źródła ciepła w pomieszczeniach, instalacje z pompami ciepła.
- Piechurski K., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczanie rocznej efektywności pomp ciepła powietrze/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2016, s. 35–40.
- Piechurski K., Szulgowska-Zgrzywa M., Wpływ warunków klimatycznych i obciążenia cieplnego budynku na efektywność energetyczną pomp ciepła powietrze/woda z płynną regulacją mocy, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2016, s. 21–26.
- PN‑EN 14825:2014-02 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia. Badanie i ocena w warunkach niepełnego obciążenia oraz obliczanie wydajności sezonowej.
- PN‑EN 14511-1:2013 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.
- PN‑EN 255-3:2000 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym. Funkcja grzania. Badanie i wymagania dotyczące oznakowania zespołów do ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej.
- Szulgowska-Zgrzywa M., Chmielewska A., Piechurski K., Danielewicz J., The analysis of the air-to-water heat pump operation with consideration of the actual profile of the domestic hot water demand, ASEE17 Conference, Wrocław 2017.
- Biskupski J., Wykorzystanie ciepła odpadowego z rekuperatora do wspomagania pracy pompy ciepła w warunkach miejskich, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2015, s. 26–28.
- Olkowski T., Koniecko A., Przybylski Ł., Wykorzystywanie ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania wiejskiego budynku mieszkalnego, „Inżynieria Rolnicza” Z. 2(143), T. 1, 2013, s. 245–252.
- PN-EN ISO 13789 Właściwości cieplne budynków. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie. Metoda obliczania.
Czytaj też: Pompy ciepła – przykłady pozyskiwania ciepła odpadowego >>>