Rubik M. - Pompy Ciepła - Poradnik Wydanie III.pdf

(10831 KB) Pobierz
dr inż. Marian Rubik
POMPY CIEPŁA
Poradnik
WYDANIE III ROZSZERZONE
Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”
Warszawa 2006
Przedmowa do trzeciego wydania
Pierwsze wydanie książki ukazało się we wrześniu 1996 r., a drugie w paź­
dzierniku 1999 r. Od tego czasu wiele zmieniło się w dziedzinie zastosowania
pomp ciepła zarówno w Polsce, jak i świecie.
W wielu krajowych zakładach rozpoczęto produkcję lub montaż pomp cie­
pła, które stają się coraz popularniejszym źródłem ciepła, szczególnie w budow­
nictwie rozproszonym i małych zakładach przetwórczych.
Sprężarkowe pompy ciepła wytwarzane w kraju nie ustępują pod względem
energetycznym, funkcjonalnym i estetycznym wyrobom renomowanych firm
zagranicznych, przy znacznie niższej cenie. Wiosną 2002 r. powstało Polskie
Stowarzyszenie Pomp Ciepła, które podjęło próbę skonsolidowania rynku pomp
ciepła w Polsce. Stowarzyszenie to uruchomiło Punkt Konsultacyjny Pomp Cie­
pła oraz dąży do stworzenia bazy danych wykorzystania pomp ciepła w kraju.
Sprawa zastosowania pomp ciepła w Polsce została również usankcjonowa­
na prawnie. Zgodnie z ustawą z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne
(Dz. U. Nr 54, poz. 348) pompy ciepła zostały zaliczone do niekonwencjonal­
nych źródeł ciepła, które powinny być uwzględnione w planach zagospodaro­
wania przestrzennego gmin. Jednak nadal nie opracowano regulacji prawnych
w postaci rozporządzeń wykonawczych do tej ustawy w zakresie formalnych
uwarunkowań budowy i eksploatacji pomp ciepła, a głównie gruntowych źródeł
ciepła niskotemperaturowego.
W ostatnich latach zbiór Polskich Norm został wzbogacony dużą liczbą norm
PN-EN dotyczących instalacji ziębniczych i pomp ciepła; istotne ustalenia tych
norm zostaną omówione w następnych rozdziałach książki.
Problem wykorzystania pomp ciepła, jako ekologicznego źródła ciepła na
potrzeby budownictwa, znalazł się również w Dyrektywie Europejskiej
2002/91/WE dotyczącej jakości energetycznej budynków. Artykuł 5 tej dyrek­
tywy zobowiązuje kraje członkowskie do podjęcia działań niezbędnych do za­
pewnienia minimalnych wymagań charakterystyki energetycznej, określonych
w art. 4, w odniesieniu do budynków nowych. W przypadku budynków nowych
o łącznej powierzchni użytkowej powyżej 1000 m 2, kraje członkowskie powin­
ny zapewnić, aby przed rozpoczęciem budowy analizowane były możliwości
techniczne, środowiskowe i ekonomiczne zastosowania takich alternatywnych
systemów zaopatrzenia w energię, jak:
- ‘ zdecentralizowane systemy dostawy energii oparte na energii odnawialnej,
— skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła,
— ogrzewanie lub chłodzenie lokalne lub blokowe, jeśli jest dostępne,
- pompy ciepła.
Zastosowanie odnawialnych źródeł energii staje się coraz bardziej istotnym
wymogiem współczesnej energetyki i ekologii. Obecnie, przy łatwym dostępie
do światowych technologii i najnowszych urządzeń energetycznych, barierą za­
3
stosowania pomp ciepła w Polsce są względy ekonomiczne. Jednak dzięki wła­
ściwej polityce finansowej niektórych państw, oferujących niskooprocentowane
kredyty na inwestycje proekologiczne, a niekiedy bezzwrotne dotacje na te ce­
le, czas zwrotu nakładów na instalacje z pompami ciepła uległ znacznemu
skróceniu. Również w Polsce, dzięki inicjatywie Narodowego Funduszu Ochro­
ny Środowiska i Gospodarki Wodnej oraz Banku Ochrony Środowiska, zostały
stworzone względnie korzystne warunki inwestowania w proekologiczne przed­
sięwzięcia, a m.in. w instalacje z pompami ciepła.
W naszym kraju, podobnie jak w innych państwach o gospodarce rynkowej,
pompy ciepła mają zarówno zagorzałych zwolenników, jak i przeciwników uży­
wających różnych, często nieracjonalnych argumentów przemawiających za
lub przeciw stosowaniu tych urządzeń. Jest jednak oczywiste, że dzięki unowo­
cześnianiu konstrukcji i wykorzystaniu ostatnich osiągnięć techniki i technolo­
gii, a głównie elektroniki, znacznie wzrosła energetyczna efektywność, a także
niezawodność pomp ciepła.
Zdarzają się również przypadki niewłaściwie pracujących pomp ciepła, co
jest najczęściej spowodowane błędami popełnionymi przy projektowaniu i wy­
konywaniu instalacji pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego (głównie
gruntowych wymienników ciepła) oraz instalacji odbiorczych. Mam nadzieję,
że informacje podane w trzecim, zmienionym i rozszerzonym wydaniu poradni­
ka przyczynią się do ograniczenia liczby tych niekorzystnych przypadków.
Marian Rubik
Warszawa, grudzień 2005 r.
SPIS TREŚCI
WYDANIA ........................................................................
3
W ST Ę P ........................................................................................................................................
7
WYTWARZANIE CIEPŁA NA POTRZEBY OGRZEWANIA
I PRZYGOTOWANIA C W .U.................................................................................
11
2.1. Uwagi ogólne ..............................................................................................................
11
2.2. Charakterystyka tradycyjnych systemów wytwarzania ciepła na potrzeby sektora
12
bytow o-kom unalnego................................................................................................
3. TEORETYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA POMPCIEPŁA ......................................
18
3.1. Uwagi ogólne ..............................................................................................................
18
3.2. Idealne obiegi pompy c i e p ł a ......................................................................................
19
7 3.3. Sprężarkowe pompy c ie p ła ....................................... ..................................................
24
/ 3.3.1. Zasada działania................................................................................................
24
V 3.3.2. Straty energetyczne w sprężarkowych pompach ciepła
i rzeczywisty współczynnik wydajności grzejn ej.........................................
26
/ 3.3.3. Czynniki r o b o c z e ...........................................................................
30
- 3.3.3.1. Właściwości term odynam iczne.......................................................
30
42
. 3.3.3.2. Właściwości chemiczne, eksploatacyjne i fizjologiczne ..............
3.3.3.3. Wpływ czynników chlorowcopochodnych na środowisko . . . .
46
3.3.3.4. Regulacje prawne dotyczące Substancji Zubożających Warstwę
Ozonową (SZWO) ............................................................................
52
3.3.3.5. Dobór czynników chłodniczych z uwzględnieniem aspektów
energełyczno-ekologicznych w kontekście obecnych uwarunkowań
praw n ych .............................................................................................
58
v 3.4. Absorpcyjne pompy c ie p ła .........................................................................................
62
3.5. Termoelektryczne pompy c i e p ł a ...............................................................................
65
4. ŹRÓDŁA CIEPŁA NISKOTEMPERATUROWEGO I SPOSOBY
67
JEGO POZYSKIW ANIA..........................................................................................................
4.1. Uwagi ogólne ..............................................................................................................
67
70
4.2. Powietrze atm osferyczne.............................................................................................
4.3. Woda ............................................................................................................................
73
4.4. Grunt (g le b a ).................................................................................................................
74
77
4.4.1. Poziome gruntowe wymienniki c i e p ł a ..........................................................
4.4.2. Pionowe gruntowe wymienniki c i e p ł a ..........................................................
86
4.4.3. Nośniki c ie p ła ...................................................................................................
92
4.5. S ł o ń c e .....................................................................................................................
96
4.6. Ciepło odpadow e....................................................................................................
96
4.7. Koszty instalacji pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego........................
97
4.8. Wpływ rodzaju nośników ciepła na rozwiązania konstrukcyjne pompy ciepła . .
97
5. ELEMENTY KONSTRUKCYJNE SPRĘŻARKOWYCH POMP C I E P Ł A .....................
102
5.1. Uwagi ogólne ..............................................................................................................
102 -
5.2. Sprężarki.................................................................................................................
102
5.2.1. Sprężarki t ło k o w e .............................................................................................
103
5.2.2. Sprężarki rotacyjne .........................................................................................
107
5.2.3. Sprężarki sp ir a ln e .............................................................................................
107
5.2.4. Sprężarki śrubow e..............................................................: ...........................
110
5.2.5. Sprężarki przepływowe (turbosprężarki).................................................
111
5.2.6. Charakterystyki statyczne sprężarek i ich właściwości eksploatacyjne . .
111
5.3. Wymienniki c ie p ła ................................................................................................
114
5.3.1. Skraplacze................................................................................................
114
p r z e d m o w a d o t r z e c ie g o
1.
2
PS. Serdecznie dziękuję firmom, które wyraziły zgodę na wykorzystanie
swoich materiałów oraz przyczyniły się do wydania książki.
4
5
7 5.3.2. P arow acze..........................................................................................................
5.3.3. Wpływ wymienników ciepła na działanie pompy c i e p ł a ...........................
5.4. Urządzenia regulacyjne i ste r u ją c e ...........................................................................
5.4.1. Urządzenia regulacyjne (dław iące).................................................................
5.4.2. Presostaty i term ostaty......................................................................................
5.5. Urządzenia pomocnicze i zabezpieczające ..............................................................
6. ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE POMP C IE P Ł A ...................................................
7. CHARAKTERYSTYKI POMP C IE P Ł A ...............................................................................
8. ENERGETYCZNE ASPEKTY STOSOWANIA POMP CIEPŁA ..................................
9. SPRĘŻARKOWE POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH OGRZEWANIA
I PRZYGOTOWANIA C.W.U.................... .......................................................................
•
9.1. Uwagi ogólne ........................ ; .................................................................................
9.2. Współpraca pomp ciepła z instalacjami od b iorczym i.............................................
9.2.1. Monowalentne układy pomp ciepła ..............................................................
9.2.2. Biwalentne układy pomp c i e p ł a .....................................................................
9.2.3. Przygotowanie c.w.u...........................................................................................
9.3. Instalacje odbiorcze ...................................................................................................
9.4. Połączenia SPC z instalacjami do pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego .
9.4.1. Wody podziemne (gruntowe)
....................................................................
9.4.2. Gruntowe wymienniki ciepła ........................................................................
9.4.2.1. Wymienniki p o z io m e ........................................................................
9.4.2.2. Pompy o b ie g o w e ...............................................................................
9.4.2.3. Naczynia w zbiorcze...........................................................................
9.4.2.4. Wymienniki p io n o w e ........................................................................
9.4.3. Powietrze zew n ętrzn e...............................................................................
9.5. Izolacja akustyczna.......................................................................................................
9.6. Wskazówki do dobom rodzaju pompy ciepła i systemu jej p r a c y ........................
10. ABSORPCYJNE POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH CIEPŁOWNICZYCH
I SYSTEMACH CENTRALNEGO C H Ł O D ZE N IA ..........................................................
10.1. Uwagi o g ó ln e .............................................................................................................
10.2. Wykorzystanie systemu ciepłowniczego do zasilania urządzeń chłodniczych .
10.3. Pompy ciepła w systemach ciepłow niczych..........................................................
11. PRAWNE, NORMALIZACYJNE I EKONOMICZNE ASPEKTY
STOSOWANIA POMP CIEPŁA W TECHNICE INSTALACYJNEJ ...........................
11.1. Aspekty praw ne..........................................................................................................
11.2. Aspekty normalizacyjne............................................................................................
11.3. Aspekty ekonom iczne................................................................................................
12. ŚWIATOWE I KRAJOWE TENDENCJE W DZIEDZINIE POMP C IE PŁ A .................
12.1. Uwagi o g ó ln e .............................................................................................................
12.2. Światowe tendencje rozwoju konstrukcji pomp c ie p ła .........................................
12.2.1. Problemy e k o lo g ic z n e ..................................................................................
12.2.2. Problemy energetyczne..................................................................................
12.2.3. Problemy eksploatacyjne...............................................................................
12.2.4. Centrale z pompami c i e p ł a ...........................................................................
13. WYBRANE PRZYKŁADY INSTALACJI Z POMPAMI CIEPŁA I ICH OCENA
TECHNICZNO-EKONOMICZNA.........................................................................................
13.1. Uwagi ogólne
...................................................................................................
13.2. Przykłady instalacji z pompami ciepła . . . .......................................................
13.3. P od su m ow an ie..........................................................................................................
14. PIŚMIENNICTWO.....................................................................................................................
U7
121
125
125
128
128
136
148
151
154
154
156
157
163
166
168
171
171
176
176
182
185
187
188
189
192
198
198
199
215
220
220
221
224
226
226
230
231
233
240
242
247
247
248
264
266
1. WSTĘP
W ostatnich latach obserwuje się w Polsce wzrost zainteresowania pompami
ciepła, które umożliwiają wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego i odpa­
dowego do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Zainteresowanie to spowodowane jest wzrostem cen surowców energetycznych,
rozwojem konstrukcji różnych systemów pomp ciepła oraz koniecznością ogra­
niczenia zanieczyszczenia środowiska.
Problem ochrony środowiska jest szczególnie istotny w naszym kraju, który
od 1 maja 2004 r. jest członkiem Unii Europejskiej. W 2000 r. Komisja Euro­
pejska przyjęła Zieloną Księgę „Europejska Strategia Zaopatrzenia w Energię”.
W strategii tej wyróżniono trzy podstawowe problemy, przed którymi stała ów­
czesna Unia Europejska:
•
Unia Europejska uzależnia się coraz bardziej od zewnętrznych zasobów
energetycznych; poszerzenie Unii zwiększy jeszcze tę zależność.
Z
opracowa­
nych prognoz wynika, że jeśli nie zostaną podjęte żadne środki, to zależność
od importowanych zasobów energetycznych wzrośnie do 70% w roku 2030,
w porównaniu z obecnym 50% importem.
®
Emisja gazów cieplarnianych w krajach członkowskich stale rośnie, co
znacznie utrudnia respektowanie wymagań wynikających ze zmian klimatu
oraz ustaleń Protokołu z Kioto. Co więcej, ustalenia zawarte w Protokole
z Kioto muszą być traktowane jako pierwszy krok; zmiany klimatyczne to dłu­
gotrwała batalia angażująca całą międzynarodową społeczność.
•
Unia Europejska ma bardzo ograniczone możliwości zmiany warunków za­
opatrzenia w energię. Znajdują się one po stronie popytu i Unia może inter­
weniować głównie przez promocję oszczędności energii w sektorze budyn­
ków mieszkalnych i użyteczności publicznej oraz transporcie.
Postanowiono, że uwzględnienie tych problemów powinno stanowić podsta­
wę do wprowadzenia zasad oszczędnego użytkowania energii wszędzie tam,
gdzie to tylko możliwe. Szczególną uwagę zwrócono na sektor budynków
mieszkalnych i użyteczności publicznej, gdyż jest on największym odbiorcą
energii.
Wyniki licznych badań i analiz wskazywały na możliwość uzyskania dużych
oszczędności energii w tym sektorze. Ilustrują to następujące przykłady:
- dziesięć milionów kodów grzewczych w europejskich domach ma więęej niż
20 lat; dzięki ich wymianie można zaoszczędzić ok.
5%
energii zużywanej
do ogrzewania,
- ok. 30-50% energii zużywanej do oświetlenia można zaoszczędzić dzięki za­
stosowaniu efektywniejszych systemów i technologii w biurach, budynkach
handlowych itp.,
7
i
6
*
dzięki wprowadzeniu zaostrzonych norm w stosunku do efektywności ener­
getycznej urządzeń klimatyzacyjnych można zmniejszyć o połowę przewidy­
wany wzrost zapotrzebowania na energię zużywaną przez klimatyzację.
W związku z tym zdecydowano, że należy wprowadzić bardziej restrykcyj­
ne regulacje prawne zmierzające do ograniczenia wzrostu popytu na energię.
W tym celu wprowadzono nową Dyrektywę UE w sprawie charakterystyki ener­
getycznej budynków; przepisy tej dyrektywy powinny być włączone przez kra­
je członkowskie do swego krajowego ustawodawstwa do 4 stycznia 2006 r.
Zgodnie z wymaganiami Dyrektywy 2002/91/WE:
- w całej UE stosowana będzie, w miarę możliwości, zbliżona metodologia ob­
liczania charakterystyki energetycznej budynku, uwzględniająca lokalne wa­
runki klimatyczne,
- kraje członkowskie określą minimalne wymagania charakterystyki energe­
tycznej i będą je stosować zarówno do budynków nowych, jak i remontowa­
nych, dużych budynków istniejących (wiele z tych wymagań będzie określo­
nych na podstawie istniejących lub opracowywanych norm europejskich),
- system świadectw energetycznych budynków sprawi, że jasno zdefiniowane
poziomy zużycia energii będą bardziej przejrzyste dla właścicieli budynków,
najemców i użytkowników,
- kotły grzewcze i systemy klimatyzacji o mocach większych niż ustalone mi­
nimum będą podlegać regularnym kontrolom, których celem będzie spraw­
dzenie ich wydajności energetycznej i emisji gazów cieplarnianych.
W Polsce trwają intensywne prace zmierzające do wdrożenia postanowień
Dyrektywy 2002/91/WE, lecz jest mało prawdopodobne, że dyrektywa ta będzie
wprowadzona w 2006 r.
Jest to spowodowane wieloma trudnościami, a przede wszystkim wieloletni­
mi zaniedbaniami w unowocześnianiu instalacji i urządzeń grzewczych, z któ­
rych większość opalana jest węglem, a więc paliwem będącym głównym źró­
dłem zanieczyszczenia atmosfery.
W tablicy 1-1 podano strukturę źródeł zanieczyszczenia powietrza. Z tabli­
cy tej wynika, że jednym z główńych źródeł tych zanieczyszczeń są małe urzą­
dzenia ogrzewcze, w których spalany jest węgiel. Równocześnie konstrukcje
tych urządzeń i ich wielkość wykluczają stosowanie jakichkolwiek urządzeń do
oczyszczania spalin. Jedynym sposobem ograniczenia emisji szkodliwych pro­
duktów spalania jest w tym przypadku substytucja paliwa (spalanie gazu lub ole­
ju) lub zastąpieniu tradycyjnego źródła ciepła - pompą ciepła.
Pompy ciepła, w których realizowany jest obieg identyczny z obiegiem chło­
dniczym (zachodzący np. w lodówce domowej lub zamrażarce) umożliwiają
wykorzystanie ciepła o niskiej temperaturze (praktycznie bezużytecznego) do
wytwarzania ciepła o wyższej temperaturze, które można wykorzystać do ogrze­
wania i wentylacji pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Oczywiście proces podnoszenia temperatury ciepła wymaga doprowadzenia do
-
Tablica 1-1. Struktura źródeł niektórych zanieczyszczeń powietrza w Polsce
Rodzaj zanieczyszczenia - źródło
Dwutlenek węgla:
=»
=>
=>
=>
produkcja energii elektrycznej
ogrzewmctwo
przemysł
transport
Oddziaływanie, %
57,5
23,5
11,0
8,0
Metan:
=>
górnictwo
=>
rolnictwo
=>
bagna
=>
górnictwo
węgla
=> w ysypiska śmieci
ropy naftowej
37,0
36,0
13,0
9,0
5,0
Dwutlenek siarki:
=>
ogrzewnictwo
=>
energetyka
=>
przemysł
=>
motoryzacja
Tlenki azotu:
49,0
22,5
26,0
2,5
=>
ogrzewnictwo
=>
przemysł
=>
motoryzacja
=>
energetyka
32,0
30,0
29,0
9,0
pompy ciepła energii napędowej. Może to być energia elektryczna, mechanicz­
na lub energia chemiczna zawarta w paliwie pierwotnym, przy czym rodzaj
energii napędowej zależy od konstrukcji i systemu pompy ciepła.
O efektywności stosowania pompy ciepła decyduje jej jakość energetyczna
zdefiniowana jako stosunek skutku działania pompy, tj. ilości ciepła uzyskane­
go w skraplaczu, do nakładu, który trzeba ponieść, aby ten skutek uzyskać, tj.
do zużycia energii napędowej. Jakość energetyczna działania pomp ciepła nazy­
wana jest współczynnikiem wydajności grzejnej (cieplnej). Wartość tego współ­
czynnika zależy głównie od wymaganej temperatury zasilania odbiornika ciepła
(instalacji c.o., c.w.u. itp.) oraz temperatury źródła, z którego dostarczane jest
ciepło do parowacza pompy ciepła.
Wymagana temperatura zasilania zależy przede wszystkim od rodzaju insta­
lacji c.o., która jest z kolei bezpośrednio związana z charakterystyką cieplną
ogrzewanego budynku, gdyż szczególne warunki eksploatacji pompy ciepła wy­
muszają stosowanie pewnych rozwiązań i to zarówno w odniesieniu do instala­
cji c.o., jak i charakterystyki cieplnej budynków.
Dotyczy to również instalacji pozyskiwania ciepła niskotemperaturowego.
Niewłaściwie zaprojektowana lub wykonana instalacja pozyskiwania tego ciepła,
szczególnie w postaci tzw. wymiennika gruntowego, może niekiedy całkowicie
9

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin