Nieustający wzrost zainteresowania Odnawialnymi Źródłami Energii przyczynia się do zmniejszania emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Coraz więcej budynków buduje się w technologii niskoenergochłonnej, a stare budynki modernizuje się, zwiększając ich energooszczędność.

 

 

 W posiadaniu Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie znajdują się Domy Studenckie, które wybudowane były w ubiegłym wieku, w starej technologii budownictwa, co jest przyczyną stosunkowo dużych strat energii. Termomodernizacja tych budynków, z zastosowaniem instalacji opartych na Odnawialnych Źródłach Energii, przyczyni się do zmniejszenia ich energochłonności, a także może pełnić rolę demonstracyjno-edukacyjną, stanowiąc jednocześnie laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii.

 

Obecnie budynki miasteczka studenckiego zaopatrywane są w energię do ogrzewania budynków, jak również podgrzewania ciepłej wody użytkowej, z węzła miejskiego. Rozwiązanie to obarczone jest możliwością awarii na drodze transportu ciepła, co przyczynić się może do wyłączenia centralnego ogrzewania (c.o.) oraz braku ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Alternatywę mogą tu stanowić Odnawialne Źródła Energii. Konieczna będzie wówczas modernizacja obecnej instalacji centralnego ogrzewania. Głównym źródłem ciepła będą pompy ciepła. Natomiast jako dodatkowe źródło, pracujące głównie w okresie letnim (mniej energochłonne), wykorzystane zostaną kolektory słoneczne służące do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

 

W okresie letnim pompy ciepła służące do ogrzewania budynku służyć będą także jako szczytowe źródło do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Wszelkie obliczenia wykonane zostały dla jednego z Domów Studenckich, zlokalizowanego na terenie AGH. Budynek jest częściowo zamieszkały w okresie letnim, co daje możliwość wykorzystania kolektorów słonecznych, a płaski dach budynku pozwala na korzystne usytuowanie pola kolektorowego pod dogodnym kątem względem Słońca. W pobliżu budynku znajduje się niezabudowany teren zielony, gdzie możliwe będzie umiejscowienie pionowych sond wykorzystywanych jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła.

 

Do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową wykorzystany zostanie układ biwalentny równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. Oznacza to, że gdy moc grzejna kolektorów słonecznych będzie niewystarczająca do pokrycia obciążenia cieplnego instalacji, uruchamiane będzie dodatkowe źródło ciepła, jakim będą pompy ciepła. Natomiast źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła, a zasilanie instalacji grzewczej odbywać się będzie ze zbiorników buforowych (rys. 1).

 

1202 modernins2

 

Obliczenia zostały wykonane dla pomp ciepła, typu solankawoda pracujących na czynniku R407C, oraz dla kolektorów słonecznych płaskich poziomych, a także dla następujących założeń:

 

• temperatura zasilania – 50°C

• temperatura wody użytkowej – 50°C

• żądany uzysk mocy – 270 kW (c.o. = 190 kW; c.w.u. = 80 kW)

• średniodzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę w okresie letnim – 800 l

 

Aby uzyskać żądaną moc, przewiduje się działanie czterech pomp ciepła, o wydajności ok. 75 kWmocy grzewczej każda, uruchamianych kolejno w miarę zapotrzebowania na ciepło, oraz kolektorów słonecznych podzielonych na cztery piony.

Należy również zaznaczyć, że kolektory te będą pokrywać zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową tylko w okresie letnim, gdy średniodzienne zapotrzebowanie na c.w.u. wynosi 800 l dla jednego z pionów. W okresie zimowym średniodzienne zapotrzebowanie zwiększa się do wartości ponad 3500 l. Wtedy niedobór energii niezbędnej do podgrzania będą dostarczać pompy ciepła. Dodatkowym atutem zainstalowania pomp ciepła jest możliwość wykorzystania ich do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim. Aby wykorzystać pompę ciepła do chłodzenia, należy odwrócić kierunek przepływu czynnika roboczego oraz kierunek przepływu ciepła. Wówczas w parowniku odbierane jest ciepło od instalacji, tworząc tym samym wodę lodową do klimatyzowania pomieszczeń.

 

Parametry pomp ciepła:

• wydajność chłodnicza – PC = 59,5 kW

• pobór mocy elektrycznej – PE = 19,08 kW

• wydajność grzewcza – PH = 76,2 kW

 

Warunki pracy pomp ciepła:

• ochłodzenie roztworu glikolu w parowniku – 4 K

• stężenie wodnego roztworu glikolu propylenowego – 33%

 

Dolnym źródłem dla pomp ciepła będą kolektory pionowe. Wymagają one w prawdzie większych nakładów finansowych, jednakże mają wielorakie zalety w porównaniu z pozostałymi wykorzystywanymi dolnymi źródłami ciepła. Są nimi:

 

• zdecydowanie mniejsza powierzchnia w porównaniu z kolektorami poziomymi

• stała temperatura już od głębokości 15–18 [m] ppt (rys. 2)

• duża pojemność cieplna (brak zakłóceń równowagi energetycznej)

• niskie koszty eksploatacyjne

 

Zakładając, że uzysk mocy z jednego metra głębokości to ok. 50 W, a maksymalna głębokość pionowych wymienników równa jest 100 m, zatem ich ilość przy czterech pompach ciepła musi wynieść 60. Ponieważ odwierty należy lokalizować w odległości nie mniejszej niż 4–5 m od siebie, powierzchnia, jaką będą zajmować, to ok. 1500 m2. Odcinki łączące poszczególne odwierty należyumieszczać 1,4–1,5 m pod powierzchnią gruntu.Dla założonych warunków pracy pompy ciepła wymagana wydajność pompy dolnego źródła ciepła wynosi ok. 14 m3/h, a opory hydraulicznewymiennika w tej pompie ciepła to 55 kPa. Łączny opór hydrauliczny, który musi pokonać pompaobiegowa, jest sumą oporów rurociągów wymiennika umieszczonych w gruncie, oporów odcinków doprowadzających (od pompy ciepła do rozdzielaczy) oraz oporów wymiennika w pompie ciepła. Przeciętny pobór mocy elektrycznej pompy spełniającej te wymagania wynosi 1,55 kW.

 

Dobierając pompę obiegową górnego źródła ciepła, należy wziąć pod uwagę następujące parametry: wydajność, opory hydrauliczne wymiennika w pompie ciepła i opory hydrauliczne rurociągów. Wymagana wydajność takiej pompy podana przez producenta powinna wynosić 8,3 m3/h, a opór hydrauliczny wymiennika – 42 kPa. Pobór mocy elektrycznej takiej pompy to ok. 0,5 kW.

 

Źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła, a zasilanie instalacji odbywać się będzie ze zbiorników buforowych. Pojemność zasobnika buforowego z ociepleniem do każdej pompy ciepła będzie wynosiła 800 l. Natomiast do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową wykorzystany zostanie układ biwalentny równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. W tym celu zostaną użyte cztery (po jednym dla każdej pompy ciepła) pojemniki biwalentne z wężownicą o pojemności 1000 l, które będą łączyć instalację solarną z pompami ciepła. Oprócz nich każdy pion instalacji solarnej będzie miał jeden dodatkowy zasobnik wody. Zasobniki te będą stanowić magazyny ciepłej wody w okresie letnim, kiedy to kolektory słoneczne mają największą wydajność.

 

1202 modernins3

 

 

Należy pamiętać, że koszty takiego przedsięwzięcia są bardzo wysokie, a okres zwrotu nakładów na tego typu instalację może być bardzo długi. Dlatego o opłacalności takiej inwestycji można mówić przy różnorakich dofinansowaniach ze środków unijnych lub też z funduszy państwowych.

 

Zastosowanie kolektorów słonecznych w dużym stopniu przyczynia się do ograniczenia emisji substancji szkodliwych do atmosfery. Pompy ciepła nie pozwalają jednak na osiągnięcie znaczącego efektu ekologicznego. Wymiana konwencjonalnego systemu grzewczego na pompę ciepła wpływa zaledwie w kilku procentach na zmniejszenie emisji takich substancji. Jednakże, gdyby pompa ciepła była zasilana „czystą” energią, moglibyśmy ograniczyć emisję niemalże całkowicie.

 

Zastąpienie konwencjonalnego centralnego ogrzewania, jak i zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową urządzeniami opartymi na Odnawialnych Źródłach Energii, niesie ze sobą wiele korzyści. Jedną z najważniejszych, oprócz efektu ekologicznego oraz oszczędności energii, jest umożliwienie studentom zdobycia praktycznej wiedzy w zakresie wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii. Ponadto instalacja ta mogłaby stanowić wzorzec wykorzystania odnawialnych źródeł na dużą skalę.

 

 

Źródła:

• Instytut Ochrony Środowiska przy Izbie Rzemiosła Munster – Pompy ciepła, Bielawa – Konin 2002

• Termiczne instalacje solarne, Bielawa 2001

• VATRA 2006 – Wytyczne projektowe dla pomp ciepła, Kraków

• VIESSMANN 2007 – Wytyczne projektowe

 

Katarzyna Batkiewicz;

Wojciech Luboń,

Redakcja termo24.pl, AGH KSE

 

 

Artykuł dostępny także w e-magazynie TERMOMODERNIZACJA wydanie 2/2012:

2 12termo