Spis treści
2.1.
2.2.
3. Rys historyczny
3.1.
3.2. Chronologia ważniejszych wydarzeń, które wpłynęły
4. Podstawy termodynamiczne działania pomp ciepła
4.1.
4.2. Idealny obieg Carnota wstecz. Pompa ciepła, chłodziarka
4.3. Działanie pompy ciepła. Obieg idealny i
4.4. Straty w rzeczywistych obiegach parowych
4.5. Obiegi termodynamiczne parowych pomp ciepła w układzie
5. Dolne i górne źródła pomp ciepła sprężarkowych
5.1. Podstawy wyboru i podział źródeł ciepła pompy
5.2. Powietrze atmosferyczne
5.3.
5.3.1.
5.3.3.
5.4.
5.5.
5.6.
6.1. Konieczność ograniczenia zużycia energii ............................................
6.2. Zapotrzebowanie na energię użytkową ..............................................
6.3. Zapotrzebowanie na energię końcową ...............................................
6.4. Zapotrzebowanie na energię pierwotną ..............................................
6.5. Wyznaczanie zużycia energii końcowej i pierwotnej w hipotetycznym budynku z pompą ciepła ....................................................................
7. Systemy sprężarkowych pomp ciepła ...................................................
7.1. Różne systemy pomp ciepła i systemy z pompami ciepła ..............................
7.2. Sprężarkowa parowa pompa ciepła jako system energetyczny
7.2.1. Rewersyjna pompa ciepła ...................................................
7.2.2. Kaskadowa pompa ciepła ...................................................
7.2.3. Pompy ciepła z wielostopniowym sprężaniem
7.3. Sprężarkowe pompy ciepła realizujące gazowe obiegi chłodnicze
8. Współczynniki wydajności cieplnej pomp ciepła
8.1. Ocena efektywności energetycznej pomp ciepła ......................................
8.2. Współczynnik wydajności cieplnej COP ..............................................
8.3. Sezonowy współczynnik wydajności cieplnej SCOP
8.4. Sezonowy współczynnik efektywności energetycznej SPF
8.5. Współczynniki opisujące współpracę pompy ciepła ze słoneczną instalacją grzewczą
8.6. Współczynniki efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych
9. Integracja pomp ciepła z niskotemperaturowymi sieciami ciepłowniczymi małej skali
9.1. Wprowadzenie ....................................................................
9.2. Perspektywiczne rozwiązania technologiczne w sieciach ciepłowniczych
9.3. Pilotażowe instalacje sieci niskotemperaturowych ....................................
9.3.1. Pierwsze niskotemperaturowe sieci ciepłownicze ..............................
9.3.2. Instalacja pilotażowa w Lystrup – Dania
9.3.3. Instalacja pilotażowa w Kassel Feldlager – Niemcy
9.4. Analiza hipotetycznej niskotemperaturowej sieci ciepłowniczej zasilającej osiedle domów jednorodzinnych w warunkach krajowych .............................
9.4.1. Hipotetyczne osiedle
9.4.2. Niskotemperaturowy system grzewczy osiedla
9.4.3. Zapotrzebowanie na ciepło w budynkach .....................................
9.4.4. Działanie systemu grzewczego osiedla ........................................
10. Pompy ciepła w systemach energetycznych nowoczesnych zeroemisyjnych miast
10.1. Formalne wsparcie do wykorzystania pomp ciepła w miastach .......................
10.2. Metoda LCA – Ocena cyklu życia ...................................................
10.3. Pompy ciepła w inteligentnych miastach ..........................................
10.4. Osiedla dodatnie energetycznie ..................................................
11. Czynniki robocze stosowane w pompach ciepła
11.1. Czynniki robocze obiegów podstawowych .........................................
11.1.1. Charakterystyka czynników roboczych w sprężarkowych pompach ciepła .........................................................
11.1.2. Nazewnictwo ............................................................
11.2. Wymagania prawne dotyczące stosowania czynników roboczych ....................
11.3. Podział czynników ze względu na skład i budowę cząsteczkową
11.4. Właściwości najpopularniejszych obecnie i perspektywicznych czynników roboczych ............................................................
11.5. Czynniki robocze w układach sorpcyjnych
Woda–wodny roztwór bromku litu
Amoniak–woda
11.6. Czynniki robocze obiegów pośredniczących
Roztwory alkoholi jednowodorotlenowych
Podsumowanie
12. Przykłady obliczeniowe funkcjonowania sprężarkowych
12.1. Wprowadzenie do obliczeń energetycznych sprężarkowych
Przykłady obliczeniowe
13. Absorpcyjne pompy ciepła
13.1. Wprowadzenie do obiegów absorpcyjnych
13.2. Zasada działania absorpcyjnej pompy ciepła
13.3. Absorpcyjna pompa ciepła pracująca wg obiegu idealnego –obieg Carnota
13.4. Właściwości roztworów ..........................................................
13.5. Czynniki stosowane w absorpcyjnych pompach ciepła
13.6. Model obliczeniowy absorpcyjnego urządzenia (pompy ciepła/ urządzenia chłodniczego) z zespołem sorpcyjnym H2O-LiBr
13.7. Model obliczeniowy absorpcyjnego urządzenia (pompy ciepła/ urządzenia chłodniczego) z zespołem sorpcyjnym NH3-H2O
13.8. Przykład obliczeniowy z wyznaczeniem bilansu energetycznego dla absorpcyjnego urządzenia z zespołem sorpcyjnym H2O-LiBr
Wprowadzenie
14.2. Zasada działania adsorpcyjnych pomp ciepła/urządzeń
14.3. Obieg termodynamiczny złoża adsorpcyjnego
14.4. Zaawansowane obiegi adsorpcyjne
14.5. Zespoły sorpcyjne do adsorpcyjnych pomp ciepła
14.6. Podsumowanie
15. Wysokotemperaturowe pompy ciepła w zastosowaniach ciepłowniczych
15.1. Przesłanki do wykorzystania pomp ciepła w systemach ciepłowniczych
15.1.1. Przesłanki natury prawnej
15.1.2. Przesłanki natury technicznej
15.2. Warunki techniczne
15.2.1. Uwarunkowania po stronie sieci ciepłowniczej
15.2.2. Dostępne źródła ciepła
15.2.3. Konfiguracja układów
15.2.4. Czynniki robocze
15.3. Strategie doboru i sterowania pomp ciepła
15.4. Uwarunkowania
16. Zastosowania pomp ciepła. Budownictwo jednorodzinne – mikroskala
16.1. Ogólna charakterystyka i wymagania stawiane układom z pompami ciepła stosowanym w budownictwie jednorodzinnym
16.2. Podział rozwiązań z pompami ciepła w zależności od sposobu przygotowania ciepłej wody ....................................................................
309
16.2.1. Pompa ciepła z kompaktowym modułem wewnętrznym .................... 309
16.2.2. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym oraz podgrzewaczem wody o dużej pojemności ................................. 311
16.2.3. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym oraz podgrzewaczem wody do współpracy z kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej ........... 312
16.2.4. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System z warstwowym zbiornikiem wielofunkcyjnym i przepływowym podgrzewaczem wody ................... 315
16.2.5. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System ze zbiornikiem buforowym z wbudowanym dodatkowym zbiornikiem ciepłej wody ..................... 317
16.2.6. Pompa ciepła z naściennym modułem wewnętrznym i kolektorami słonecznymi na potrzeby wspomagania ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody. System ze zbiornikiem buforowym wbudowaną wężownicą pełniącą rolę przepływowego podgrzewacza wody ...
16.2.7. Projektowanie instalacji ze zbiornikiem wielofunkcyjnym ....................
319
321
16.3. Rozwiązania z pompami ciepła typu powietrze–woda. Podział w zależności od budowy pompy ciepła ........................................................ 322
16.3.1. Pompy ciepła powietrze–woda typu split ..................................
322
16.3.2. Pompy ciepła powietrze–woda typu monoblok do montażu na zewnątrz budynku .................................................... 323
16.3.3. Monoblokowe pompy ciepła powietrze-woda do montażu wewnątrz budynku ...................................................... 326
16.4. Typowe schematy hydrauliczne z pompami ciepła powietrze–woda typu split ......... 328
16.4.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej ....................... 328
16.4.2. Układ ze zbiornikiem buforowym z funkcją sprzęgła hydraulicznego ..........
329
16.4.3. Układ ze zbiornikiem buforowym w układzie szeregowo-równoległym ........ 331
16.5. Typowe schematy hydrauliczne z pompami ciepła monoblok do montażu na zewnątrz budynku ............................................................
16.5.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej .......................
332
332
16.5.2. Układ ze zbiornikiem buforowym z funkcją sprzęgła hydraulicznego .......... 334
16.6. Schematy hydrauliczne z pompami ciepła współpracującymi z dolnym źródłem w postaci sond gruntowych, z wykorzystaniem funkcji chłodzenia pasywnego ......... 335
16.6.1. Układ z bezpośrednim zasilaniem instalacji grzewczej ....................... 335
16.6.2. Układ z wielofunkcyjnym zbiornikiem buforowym, kolektorami słonecznymi i chłodzeniem pasywnym .................................... 337
17. Zastosowania pomp ciepła. Budownictwo wielorodzinne, budynki użyteczności publicznej – mała i średnia skala .................................. 339
17.1. Ogólna charakterystyka i wymagania stawiane układom z pompami ciepła stosowanym w budownictwie wielorodzinnym i budynkach użyteczności publicznej ...................................................................... 340
17.2. Rozwiązania z pompami ciepła powietrze-woda. Zastosowanie indywidualnych pomp ciepła dla poszczególnych mieszkań ........................................ 341
17.3. Rozwiązania z zastosowaniem zbiorczego układu pomp ciepła zasilającego instalację w budynku wielorodzinnym ............................................. 343
17.4. Rozwiązania mieszane z centralną instalacją niskotemperaturowych pomp ciepła oraz mieszkaniowymi pompami ciepła niskiej mocy podnoszącymi temperaturę czynnika .............................................
17.4.1. Przykłady rozwiązań mieszanych – połączenie centralnej instalacji pomp ciepła z mieszkaniowymi pompami ciepła na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody ..........................................
17.4.2. Przykłady rozwiązań mieszanych – mieszkaniowe pompy ciepła współpracujące z sondami gruntowymi ....................................
17.4.3. Przykłady rozwiązań mieszanych – połączenie centralnej instalacji pomp ciepła z ogrzewaniem podłogowym i mieszkaniowymi pompami ciepła woda–woda na potrzeby przygotowania ciepłej wody .......................
350
350
352
353
17.4.4. Przykłady rozwiązań mieszanych w budynkach użyteczności publicznej, w szczególności budynkach biurowych – połączenie centralnej instalacji z pompą ciepła oraz pętlą wodną, miejscowymi pompami ciepła powietrze–woda/woda–powietrze i wieżą chłodniczą ....................... 355
17.4.5. Przykłady rozwiązań z pompami ciepła w budynkach użyteczności publicznej, obiekt hotelowy z instalacją pomp ciepła na potrzeby ogrzewania i chłodzenia budynku ......................................... 356
17.4.6. Przykłady rozwiązań z pompami ciepła w budynkach użyteczności publicznej, wykorzystanie magistrali wodociągowej w funkcji dolnego źródła pomp ciepła
17.4.7. Przykład rozwiązania z pompami ciepła z wykorzystaniem ciepła odpadowego w małej i średniej skali
18. Zastosowania pomp ciepła. Skala makro ...............................................
18.1. Obiekty wielkokubaturowe – ogrzewanie i chłodzenie budynków, przygotowanie ciepłej wody ......................................................
18.2. Pompy ciepła w sieciach ciepłowniczych ..........................................
18.3. Pompy ciepła w zakładach produkcyjnych, gospodarka obiegu zamkniętego w procesach o temperaturze poniżej 100°C ........................................
18.4. Pompy ciepła w zakładach produkcyjnych, gospodarka obiegu zamkniętego. Pilotażowe instalacje z pompami ciepła w procesach o temperaturze powyżej 100°C ... 370
9.4.3. Zapotrzebowanie na ciepło w budynkach
Przyj to nast puj ce za o enia co do projektu architektoniczno-budowlanego hipotetycznego pojedynczego budynku osiedla. Budynek ma powierzchni u ytkow rz du 126 m 2 i charakteryzuje si prost budow . Bry a budynku jest w kszta cie prostopad o cianu. ciany zewn trzne s zbudowane z muru z ceg y kratówki na zaprawie cementowo-wapiennej. ciana jest izolowana cieplnie. Budynek posiada dach bliski poziomemu o niewielkim k cie nachylenia i nie ma poddasza. Jest to konstrukcja lekka z izolacj termiczn , wyposa ona w efektywny system odprowadzania wody. Obiekt jest niepodpiwniczony, dlatego ca o pod ogi znajduje si na gruncie. Budynki wyposa one s w okna z ramami z tworzywa sztucznego (PCV), a stolarka okienna spe nia obowi zuj ce wymogi dotycz ce wspó czynników przenikania ciep a [14]. Budynek jest wyposa ony w rolety zewn trzne, dzi ki czemu mo liwe jest ograniczanie nadmiernego przegrzewania si pomieszcze w okresie letnim, wskutek oddzia ywania promieniowania s onecznego.
W tabeli 9.1 zosta y zestawione podstawowe wspó czynniki przenikania ciep a dla przegród analizowanego budynku.
Tabela 9.1. Wspó czynniki przenikania ciep a dla przegród budowlanych analizowanego hipotetycznego budynku
Przegroda budowlana
Wspó czynnik przenikania ciep a U [W/(m2 K)]
ciana zewn trzna0,164 Okno0,900
Pod oga na gruncie0,177 Stropodach0,189
W celu wyznaczenia zapotrzebowania na ciep o sformu owano bilans energetyczny pojedynczego budynku, który uwzgl dnia straty ciep a zwi zane z jego przenikaniem przez przegrody (w tym straty ciep a do gruntu), straty ciep a przez wentylacj , jak równie zyski ciep a od promieniowania s onecznego oraz zyski wewn trzne od ludzi i pracuj cych urzdze . W zwi zku z przyj tym za o eniem, i wszystkie budynki znajduj ce si na osiedlu s takie same pod wzgl dem architektonicznym, budowlanym i instalacyjnym, zapotrzebowanie na ciep o do ogrzewania jest identyczne dla wszystkich budynków.
Rozpatrywane osiedle znajduje si w III stre e klimatycznej, dla której projektowe temperatury zosta y wyznaczone zgodnie z norm PN-EN 12831 [15]. Odpowiednie warto ci temperatur wewn trznych zosta y dobrane ze wzgl du na przeznaczenie lub sposób wykorzystania pomieszcze analizowanego budynku.
Ca kowite zapotrzebowanie na ciep o budynku jest tak e uzale nione od zu ycia c.w.u.
Temperatury obliczeniowe wytwarzania ciep ej wody u ytkowej dla w z ów cieplnych po
9. Integracja pomp ciepła z niskotemperaturowymi sieciami ciepłowniczymi małej skali
stronie pierwotnej wynosz 50/17°C, a po stronie wtórnej 10/45°C [13]. Schemat instalacji przygotowania ciep ej wody u ytkowej przedstawia rys. 9. 3.
Rys. 9.3. Schemat ideowy instalacji do przygotowania c.w.u.
W celu zapewnienia odpowiedniej temperatury w budynku, straty ciep a przez przegrody oraz straty spowodowane wentylacj pomieszcze cz ciowo pokrywane s poprzez zyski wewn trzne oraz zyski od promieniowania s onecznego, natomiast pozosta a cz strat ciep a musi zosta pokryta poprzez ciep o dostarczone z sieci ciep owniczej. Zmienno zapotrzebowania na ciep o z lokalnej sieci ciep owniczej przedstawia rys. 9.4.
Zapotrzebowanie na ciepło [kWH]
Rys. 9.4. Zapotrzebowanie na ciep o z rozwa anej sieci ciep owniczej
9.4.4. Działanie systemu grzewczego osiedla
Zgodnie z tym co zaznaczono wcze niej, sezon grzewczy trwa od pa dziernika do kwietnia i to w a nie wtedy zapotrzebowanie na ciep o jest najwi ksze w skali roku. W okresie
9.4. Analiza hipotetycznej niskotemperaturowej sieci ciepłowniczej zasilającej osiedle… 151
16.2. Podział rozwiązań z pompami ciepła w zależności od sposobu przygotowania ciepłej wody
16.2.1. Pompa ciepła z kompaktowym modułem wewnętrznym
W budynkach o niskim zapotrzebowaniu na ciep wod , w których dobowe zu ycie ciep ej wody nie przekracza 200–250 l, stosowane s zestawy pompy ciep a oraz kompaktowej
jednostki wewn trznej (rys. 16.1). Rozwi zanie to pozwala w najwi kszym stopniu ograniczy przestrze wymagan do monta u urz dze instalacji grzewczej w domu lub
Rys. 16.1a. Pompa ciep a powietrze–woda z kompaktowym modu em wewn trznym. G ówne elementy instalacji: 1 – jednostka zewn trzna pompy ciep a, 2 – kompaktowa jednostka wewn trzna z wbudowanym zasobnikiem ciep ej wody, 3 – opcjonalny zbiornik buforowy, 4 – obieg grzewczy. Opracowanie w asne na podstawie [3]
16.2. Podział rozwiązań z pompami ciepła w zależności od sposobu przygotowania ciepłej wody 309
17.4.2. Przykłady rozwiązań mieszanych – mieszkaniowe pompy ciepła współpracujące z sondami gruntowymi
W cz ci budynków mieszkaniowe pompy ciep a wspó pracuj bezpo rednio z pionowymi sondami gruntowymi [3]. W tym celu w budynku rozprowadzono przewody instalacji dolnego ród a nape nione wodnym roztworem glikolu propylenowego. Rozwi zanie to pozwala u ytkownikom korzysta z indywidualnej regulacji pracy instalacji oraz czytelnego rozliczania kosztów eksploatacji.
Warunkiem poprawnego dzia ania systemu jest precyzyjnie zaprojektowany i wykonany uk ad hydrauliczny instalacji dolnego ród a. Ka da z pomp ciep a posiada wbudowan pomp obiegow dolnego ród a, st d w instalacji dochodzi do równoleg ej pracy od kilku do kilkudziesi ciu pomp obiegowych. Oznacza to du zmienno przep ywu w instalacji dolnego ród a. Wa n kwesti jest równie precyzyjne wykonanie izolacji termicznej instalacji dolnego ród a w obr bie budynku w celu zminimalizowania ryzyka kontaktu powietrza w pomieszczeniach z zimnymi ciankami rur i powstawania skroplin.
Zastosowanie mieszkaniowych pomp ciep a jest równie rozwi zaniem pozwalaj cym na efektywn wspó prac z niskotemperaturow sieci ciep ownicz zasilan z odnawialnych róde energii.
ogrzewa si wod jako czynnik grzewczy. W zale no ci od typu pompy ciep a, czynnika odbieraj cego ciep o oraz temperatur górnego i dolnego ród a ciep a odpowiednio oznacza si wspó czynniki wydajno ci cieplnej. Wspó czynnik COP gruntowej pompy ciep a typu solanka–woda, która wykorzystywana jest do przygotowania c.w.u., oznaczany jest jako B0W55, gdzie literami oznaczono ród a ciep a, a liczbami ich temperatury. Wspóczynnik wydajno ci cieplnej powietrznej pompy ciep a wykorzystywanej do ogrzewania budynku oznacza si jako A7W35. Norma PN-EN 14511:2018-08 wymusza na producentach pomp ciep a wyznaczanie wspó czynnika COP w przynajmniej 5 punktach pracy pompy. Temperatura górnego ród a ciep a pozostaje niezmienna, natomiast temperatura dolnego ród a ciep a waha si od –15°C do 12°C.
Oprócz spr arkowych pomp ciep a szerokie zastosowanie maj sorpcyjne (absorpcyjne i adsorpcyjne) pompy ciep a, w przypadku których do realizacji obiegu niezb dne jest dostarczenie ciep a. Absorpcyjne pompy ciep a, tak jak i spr arkowe s wyposa one w parownik i skraplacz. W urz dzeniu dodatkowo znajduj si dwa inne wymienniki ciep a: absorber i desorber [6, 7], które s podstawowymi elementami obiegu spr arki cieplnej (w obiegu znajduj si te inne elementy sk adowe pokazane na rys. 8.4).
Adsorpcyjne pompy ciep a w przeciwie stwie do absorpcyjnych musz pracowa w trybie cyklicznym [8, 9]. Jest to spowodowane tym, e adsorbentem w tym przypadku jest cia o sta e. Cz sto stosuje si urz dzenia z dwoma adsorberami. Dzi ki takiemu rozwi zaniu praca pompy ciep a mo e by ci g a. Na rysunkach 8.4 oraz 8.5 przedstawiono schematy budowy absorpcyjnej oraz adsorpcyjnej pompy ciep a.
skraplaczdesorber
zawór rozprężny
zawór roztworu wymiennikregeneracyjny
parownikabsorber
Rys. 8.4. Uproszczony schemat budowy absorpcyjnej pompy ciep a
pompa roztworu
Współczynnik wydajności cieplnej