Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Wykorzystanie ciepła odpadowego do zwiększenia efektywności energetycznej pompy ciepła powietrze/woda pracującej w warunkach klimatu górskiego

Praca pompy ciepła z wykorzystaniem energii odpadowej
Autorzy między innymi opisują metodę obliczeniową zawartą w normie PN-EN 15316-4-2 [1] określającej sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej pompy ciepła (SCOP).
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
Ciąg dalszy artykułu...

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. Analiza energetyczna pracy instalacji na powietrzu ze strychu; rys. archiwum autorów ((K.Piechurski, E.Stefanowicz, A.Chmielewska, M.Szulgowska-Zgrzywa)
 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)
Tabela 4. Efekty energetyczne odzysku ciepła
Tabela 4. Efekty energetyczne odzysku ciepła

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. 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)
 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:

1. zyski ciepła generowane są w sposób ciągły na poziomie Qodpadowe = 3,5 kW (dla wariantu „z ciepłem odpadowym”);
2. współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą ogrzewaną (temperatura strefy ogrzewanej Ti = 20oC) a nieogrzewaną wynosi Hiu=85 W/K;
3. współczynnik przenoszenia ciepła pomiędzy strefą nieogrzewaną a otoczeniem wynosi Hue =78 W/K;
4. 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.

Tabela 5. Efekty energetyczne odzysku ciepła
Tabela 5. Efekty energetyczne odzysku ciepła

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.

Tabela 6. Efekty energetyczne odzysku ciepła – SCOP
Tabela 6. Efekty energetyczne odzysku ciepła – SCOP
Tabela 7. Efekty energetyczne odzysku ciepła – energia elektryczna
Tabela 7. Efekty energetyczne odzysku ciepła – energia elektryczna
Tabela 8. Efekty ekonomiczne odzysku ciepła
Tabela 8. Efekty ekonomiczne odzysku ciepła

streszczenie

W 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.



abstract

The 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

1. 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.
2. Piechurski K., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczanie rocznej efektywności pomp ciepła powietrze/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2016, s. 35–40.
3. 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.
4. 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.
5. PN‑EN 14511-1:2013 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.
6. 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.
7. 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.
8. Biskupski J., Wykorzystanie ciepła odpadowego z rekuperatora do wspomagania pracy pompy ciepła w warunkach miejskich, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2015, s. 26–28.
9. 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.
10. PN-EN ISO 13789 Właściwości cieplne budynków. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie. Metoda obliczania.

Czytaj też: Pompy ciepła – przykłady pozyskiwania ciepła odpadowego >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[pompa ciepła, pompa ciepła powietrze woda, dobór mocy, ogrzewanie, urządzenie grzewcze, efektywność energetyczna, moc grzewcza, zużycie energii elektrycznej, sezon grzewczy, instalacja grzewcza, koszty eksploatacyjne pompy ciepła, pompy ciepła]

   22.09.2017
dr inż.  Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa
dr inż.  Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska więcej »
inż.  Krzysztof  Piechurski
inż.  Krzysztof  Piechurski
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska więcej »
mgr inż.  Agnieszka  Chmielewska
mgr inż.  Agnieszka  Chmielewska
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska więcej »
mgr inż.  Ewelina  Stefanowicz
mgr inż.  Ewelina  Stefanowicz
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska więcej »

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Przedłuż certyfikat HVAC bez wychodzenia z firmy »

szkolenia hvac

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
10/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Ogrzewanie obiektów przemysłowych
  • - Wentylacja domów jednorodzinnych
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl