Katarzyna BATKIEWICZ
AGH Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu,
Al. Mickiewicza 30, 30 – 059 Kraków
Kasia_Batkiewicz@poczta.fm
Wojciech LUBOŃ
AGH Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska KSE
Al. Mickiewicza 30, 30 – 059 Kraków
wojciechlubon@geol.agh.edu.pl
MODERNIZACJA INSTALACJI CENTRALNEGO OGRZEWANIA
I CIEPŁEJ WODY UśYTKOWEJ DLA WYBRANYCH BUDYNKÓW
MIASTECZKA STUDENCKIEGO AGH PRZY POMOCY
SKOJARZONEGO UKŁADU POMP CIEPŁA I KOLEKTORÓW
SŁONECZNYCH
THE MODERNIZATION OF CENTRAL HEATING AND HOT WATER
FOR SELECTED DORMITORIES AGH STUDENTS TOWN
ASSOCIATED WITH THE HEAT PUMPS AND SOLAR PANELS
SYSTEM
Abstrakt
Odnawialne źródła energii są tematyką juŜ dobrze znaną i coraz bardziej popularną. Ich
stosowanie w duŜym stopniu przyczynia się do ograniczenia emisji substancji szkodliwych do
atmosfery, jak równieŜ ogranicza ilość energii pozyskiwanej z konwencjonalnych źródeł,
niezbędnej do ogrzewania zarówno ciepłej wody uŜytkowej jak i do centralnego ogrzewania.
W artykule zaproponowano wykorzystanie skojarzonego systemu pomp ciepła i kolektorów
słonecznych do modernizacji systemu ciepłej wody uŜytkowej i centralnego ogrzewania dla
wybranych domów studenckich w Miasteczku Studenckim AGH w Krakowie. Niekorzystne
usytuowanie branych pod uwagę budynków daje moŜliwość ułoŜenia pola kolektorowego
jedynie na płaskich powierzchniach dachów, a bliska odległość niezabudowanego terenu daje
moŜliwość zainstalowania kolektorów pionowych dla dolnego źródła pomp ciepła.
Jednocześnie znajdujący się w pobliŜu basen daje duŜe moŜliwości zrzutu nadmiaru ciepłej
wody w okresie przerwy wakacyjnej, gdy domy studenckie nie będą w całości zamieszkałe,
a pompy ciepła zostaną wykorzystane do klimatyzowania pomieszczeń przyczyniając się tym
samym do regeneracji dolnego źródła. Przedstawiony został równieŜ efekt ekologiczny
całego przedsięwzięcia, oraz ilość oszczędzonego paliwa konwencjonalnego niezbędnego do
zaopatrzenia budynków w ciepłą wodę uŜytkową i centralne ogrzewanie. Zaproponowana
modernizacja moŜe słuŜyć równieŜ celom dydaktycznym w zakresie odnawialnych źródeł
energii – tematyki realizowanej przez AGH.
Słowa kluczowe: pompa ciepła, kolektor słoneczny, energia odnawialna, ciepła woda
uŜytkowa, centralne ogrzewanie
1.
Wprowadzenie
Ciągły wzrost zainteresowaniem Odnawialnymi Źródłami Energii przyczynia się do
zmniejszania emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Akademia Górniczo – Hutnicza
jako uczelnia jedna z niewielu kształci młodzieŜ w tym zakresie. JednakŜe brak
przykładowych instalacji na terenie akademii sprawia, Ŝe kształcenie to opiera się głównie na
teorii. W posiadaniu Uczelni znajdują się Domy Studenckie, gdzie mieszkają studenci. Są to
budynki wybudowane w ubiegłym wieku, w starej technologii budownictwa, co jest
przyczyną stosunkowo duŜych strat energii. Obecnie budynki miasteczka zaopatrywane są
w energię do ogrzewania budynków jak równieŜ podgrzewania ciepłej wody uŜytkowej
z węzła miejskiego. Alternatywą dla takiego rozwiązania są Odnawialne Źródła Energii.
PoniŜej zaprezentowano wykorzystanie kolektorów słonecznych do podgrzewania ciepłej
wody uŜytkowej (c.w.u.) oraz pompy ciepła jako źródło szczytowe dla c.w.u. jak równieŜ
jako źródło ciepła dla centralnego ogrzewania (c.o.). Wszelkie obliczenia wykonane zostały
dla Domu Studenckiego DS-18. Budynek ten stanowi hotel dla pracowników AGH jak
równieŜ doktorantów AGH. Jest on zatem w okresie letnim zamieszkały co daje duŜe
moŜliwości wykorzystania kolektorów słonecznych. Płaski dach budynku pozwala na
korzystne usytuowanie pola kolektorowego pod dogodnym kątem względem słońca.
W pobliŜu budynku znajduje się niezabudowany teren zielony, gdzie moŜliwe będzie
umiejscowienie pionowych sond jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła.
2.
ZałoŜenia:
•
temperatura zasilania 50 [°C]
•
temperatura wody uŜytkowej T
BW
= 50°C
•
temperatura wody sieciowej 10°C
•
Ŝądany uzysk mocy- 270 [kW] (c.o. = 190 [kW]; c.w.u. = 80 [kW])
•
średniodzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę w okresie letnim: V
BW
= 800 [l]
Do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę uŜytkową wykorzystany zostanie układ
biwalentny równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. Oznacza to, Ŝe gdy moc
grzejna kolektorów słonecznych będzie niewystarczająca do pokrycia obciąŜenia cieplnego
instalacji, uruchamiane będzie dodatkowe źródło ciepła, jakim będą pompy ciepła. A więc
pokryje ono róŜnicę ciepła występującą pomiędzy obciąŜeniem cieplnym a mocą kolektorów.
Natomiast źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła, a zasilanie
instalacji odbywać się będzie ze zbiorników buforowych (Rys. 2.1).
Rys. 2.1 Schemat instalacji skojarzonego systemu pomp ciepła i kolektorów słonecznych
3.
Obliczenia
Obliczenia zostały wykonane dla pomp ciepła VATRA 80B2, typu solanka-woda
B0/W35 pracujących na czynniku R407C, oraz dla kolektorów słonecznych JuraSol 2.51 W,
płaskich, poziomych firmy ECOJURA.
Aby uzyskać Ŝądaną moc, przewiduje się działanie czterech wymienionych wyŜej
pomp ciepła, uruchamianych kolejno w miarę zapotrzebowania na ciepło, oraz kolektorów
słonecznych podzielonych na cztery piony. Wszystkie obliczenia dotyczące kolektorów
słonecznych przeprowadzone są dla jednego z pionów, które są identyczne.
3.1.
Kolektory słoneczne
Parametry:
•
Powierzchnia absorbera
A
A
= 2,31[ m
2
];
•
Optyczny współczynnik sprawności kolektora
η
0
=0,825;
•
Współczynniki strat cieplnych:
k
1
=3,583, k
2
=0,0102.
Warunki pracy:
•
kąt pochylenia
β
= 45
0
•
orientacja dachu:
γ
= 0
0
W
•
długość rur między kolektorem, a zasobnikiem:
L
R
= 15 [m]
•
czas pracy obiegu cyrkulacyjnego:
t = 12[h]
•
współczynnik pokrycia solarnego:
SF = 0,5
•
długość przewodów systemu cyrkulacyjnego:
L
Z
= 250 [m]
Obliczenie rocznego solarnego zysku energetycznego
Q
sol
= SF * ( Q
BW
+ Q
VZ
+ Q
VS
)*(365/1000) [kWh/rok]
Q
BW
– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do podgrzania c.w.u.
Q
BW
= V
BW
* c * (T
BW
– T
KW
) [Wh/dobę]
c – ciepło właściwe c=1,16 [Wh/(l*K)]
Q
BW
= 800 * 1,16 * 40= 37,12 [kWh/dobę]
Q
VZ
= k *
∆
T * t * L
Z
[Wh/dobę]
Q
VZ
– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do pokrycia strat ciepła w obiegu
cyrkulacyjnym.
k – wartość z izolacją wg Normy k=0,23 [W/m*K]
∆
T – róŜnica temp. pomiędzy wodą uŜytkową, a otoczeniem20
0
C;
∆
T=30K
Q
VZ
= 0,23 * 30 * 12 * 250= 20,7 [kWh/dobę]
Q
VS
= kA *
∆
T * 24h
Q
VS
– dzienne zapotrzebowanie energetyczne do pokrycia strat ciepła w zasobniku
kA – współczynnik strat ciepła zasobnika solarnego (Wyliczenia dla zasobnika
pojemności 800 [l]. Dla takiego zasobnika k(A)= 2,7[W/K] )
Q
VS
= 2,7 * 30 * 24= 1,94 [kWh/dobę]
Roczny solarny zysk energetyczny:
O
sol
= 0,5 * (37,12 + 20,7+1,94) * (365/1000)= 10906,2 [kWh/rok]
Obliczenie wielkości pola kolektorowego
Wymagana wielkość całkowitej powierzchni kolektora absorbera, moŜe zostać
wyliczona ze wzoru:
Anl
k
sol
E
Q
A
η
⋅
=
;
E
k
– roczny odbiór prom. słonecznego obliczany za pomocą współczynnika korekcji f
β
,
γ
η
Anl
– współczynnik sprawności instalacji solarnej przy solarnym stopniu pokrycia SF
E
k
= E * f
β
,
γ
E – roczna ilość promieniowania słonecznego na powierzchnię horyzontalną,
E=1000[kWh/m
2
]
f
β
,
γ
= 1,14
E
k
= 1000 * 1,14= 1140 [kWh/m
2
]
W celu wyliczenia
η
Anl
wybieram kolektor słoneczny, który chcę zainstalować
w liczonej instalacji, i którego parametry będę uŜywał do liczenia
η
0,05
, a potem
η
Anl,
:
JuraSol 2.51 W, jest to kolektor płaski, poziomy:
η
0,05
– wymierny współczynnik sprawności kolektora solarnego przy średnich
warunkach pracy
η
0,05
=
η
0
– 0,05 * k
1
– 2 * k
2
η
0,05
= 0,825 – 0,05 * 3,583 – 2 * 0,0102
η
0,05
= 0,625
Na podstawie współczynnika
η
0,05
i solarnego stopnia pokrycia SF z wykresu moŜna
odczytać wartość
η
Anl
:
η
Anl
= 0,415
Wymagana powierzchnia pola kolektorowego:
]
[
05
,
23
415
,
0
1140
10906,2
2
m
A
=
⋅
=
Obliczenie liczby wymaganych kolektorów:
n – liczba wymaganych kolektorów
n = A / A
A
n = 23,05/2,31
n = 10
Kolektory te połączone będą w sposób równoległy.
NaleŜy równieŜ zaznaczyć, Ŝe kolektory te będą pokrywać zapotrzebowanie na ciepłą
wodę uŜytkową 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.
3.2.
Pompy ciepła
Parametry:
•
Wydajność chłodnicza
P
C
= 59,5 [kW];
•
Pobór mocy elektrycznej
P
E
= 19,08 [kW];
•
Wydajność grzewcza
P
H
= 76,2 [kW].
Warunki pracy:
•
Ochłodzenie roztworu glikolu w parowniku
4K;
•
StęŜenie wodnego roztworu glikolu propylenowego
33%;
Dolne źródło ciepła
W projekcie pomp ciepła dolnym źródłem ciepła będą kolektory pionowe, w prawdzie
wymagające większych nakładów finansowych, ale ze względu na ich wielorakie zalety
w porównaniu z pozostałymi wykorzystywanymi dolnymi źródłami ciepła. Są nimi:
•
stała temperatura juŜ od głębokości 15-18 [m] ppt (Rys. 3.1),
•
duŜa pojemność cieplna (brak zakłóceń równowagi energetycznej),
•
niskie koszty eksploatacyjne,
•
moŜliwość dwojakiego wykorzystania wymiennika gruntowego: jako parowacza
w zimie i skraplacza w lecie.
Rys. 3.1 Wykres temperatury w niezaburzonym gruncie w zaleŜności od głębokości i pory roku
Szacunkową długość kolektora pionowego jako dolnego źródła ciepła obliczamy ze
wzoru:
]
[m
q
P
L
E
C
δ
⋅
=
gdzie:
P
C
– wydajność ziębnicza pompy ciepła [W];
q
E
– współczynnik zaleŜny od rodzaju gruntu [W/m];
δ – współczynnik zaleŜny od średnicy rury.
W zakładanych warunkach, dla rur produkcji Elplast-Jastrzębie PE80 SDR-17 PN10
Ф50x3,7mm:
q
E
= 50 [W/m]
δ = 1,05
L = 1249,5 [m]
Zakładamy głębokość pionowych wymienników równą 100[m], zatem ich ilość przy
czterech pompach ciepła musi wynieść 50. PoniewaŜ odwierty naleŜy lokalizować
w odległości 4-5 [m] od siebie, powierzchnia jaką będą zajmować to ok. 1000[m
2
] – jaką
dysponujemy dzięki niezabudowanej części ogrodu w bezpośrednim sąsiedztwie domu
studenckiego. Odcinki łączące poszczególne odwierty naleŜy umieszczać 1,4-1,5 [m] pod
powierzchnią gruntu.
Pompy górnego i dolnego źródła ciepła
Dla załoŜonych warunków pracy pompy ciepła wymagana wydajność pompy dolnego
źródła ciepła (podana przez producenta) wynosi 13,4 [m
3
/h] a opory hydrauliczne
wymiennika w tej pompie ciepła wynoszą 55 [kPa]. Łączny opór hydrauliczny, który musi
pokonać pompa obiegowa jest sumą oporów rurociągów wymiennika umieszczonych
w gruncie, oporów odcinków doprowadzających (od pompy ciepła do rozdzielaczy) oraz
oporów wymiennika w pompie ciepła. Pompą spełniającą te wymagania moŜe być pompa
Grundfos UPS seria 200 65-180, której pobór mocy elektrycznej wynosi 1,55 [kW].
Dobierając pompę obiegową górnego źródła ciepła naleŜy 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 [m
3
/h] a opór hydrauliczny wymiennika wynosi 42 [kPa]. Taką pompą
moŜe być pompa Grundfos UPS seria 200 40-120, której pobór mocy elektrycznej wynosi
0,47 [kW].
4.
Przygotowanie ciepłej wody uŜytkowej i centralne ogrzewanie
4.1.
Obliczenie wymaganej pojemności zasobnika c.w.u. dla kolektorów słonecznych
Pojemność zasobnika c.w.u. obliczamy ze wzoru:
V
S
≥
75
2
m
l
* A
k
gdzie:
A
k
- zainstalowana powierzchnia kolektorów[m
2
],
V
S
= 1728,75[l]
Wybrano zatem 2 zasobniki po 1000 [l] kaŜdy. Wybrane zasobniki są firmy Herz, model
SP1MO01- 990 i SP1BI01-990(z podwójną węŜownicą)
Solarny wymiennik ciepła
Do obliczenia powierzchni wymiany ciepła A
WT
naleŜy wziąć pod uwagę powierzchnię
zamontowanych kolektorów. Na kaŜdy [m
2
] powierzchni kolektora przypada 0,2 – 0,3 [m
2
]
powierzchni wymiennika ciepła.
A
WT
=25,3* 0,25 [m
2
]
A
WT
= 6,325 [ m
2
]
Wybrane wyŜej zasobniki spełniają ten warunek.
4.2.
Centralne ogrzewanie i podgrzewanie c.w.u.
Źródłem energii dla centralnego ogrzewania będzie układ pomp ciepła a zasilanie
instalacji odbywać się będzie ze zbiorników buforowych. Pojemność zasobnika buforowego
z ociepleniem do kaŜdej pompy ciepła będzie wynosiła 800 [dm
3
]. Natomiast do pokrycia
zapotrzebowania na ciepłą wodę uŜytkową wykorzystany zostanie układ biwalentny
równoległy kolektorów słonecznych i pomp ciepła. W tym celu zostaną uŜyte cztery (po
jednym dla kaŜdej pompy ciepła) pojemniki biwalentne z węŜownicą o pojemności 1000
[dm
3
] - model SP1BI01-990 firmy Herz, które będą łączyć instalację solarną z pompami
ciepła. Oprócz nich kaŜdy pion instalacji solarnej będzie miał jeden dodatkowy zasobnik
wody firmy Herz, model SP1MO01- 990, które będą stanowić magazyny ciepłej wody
w okresie letnim, kiedy to kolektory słoneczne mają największą wydajność.
5.
Efekt ekologiczny
Dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych oraz pomp ciepła jako odnawialnych
i jednocześnie czystych źródeł energii osiągnięto znaczący efekt ekologiczny. Obecnie
zamówiona ilość mocy niezbędnej do zaopatrzenia budynku w ciepło wynosi 268 [kW].
Zastosowanie powyŜszych rozwiązań ograniczy zuŜycie energii do wartości 84,4 [kW].
Stanowi to zaledwie 32% mocy zamówionej. Gdyby pompa ciepła zasilana była energią
wytworzoną z OZE, emisja unikniona wynosiłaby 100%. W obecnej chwili zasilana będzie
energią wytworzoną w sposób konwencjonalny. Zakładając sprawność elektrowni na
poziomie 30% - 40%, emisja unikniona stanowić będzie ok. 20%.
6.
Podsumowanie
Zastąpienie konwencjonalnego centralnego ogrzewania jak i zaopatrzenia w ciepłą wodę
uŜytkową urządzeniami opartymi na odnawialnych źródłach energii niesie ze sobą wiele
korzyści. Jedną z najwaŜniejszych, oprócz efektu ekologicznego oraz oszczędności energii,
jest umoŜliwienie studentom zdobycia praktycznej wiedzy w zakresie wykorzystania
odnawialnych źródeł energii. Ponadto instalacja ta mogłaby by stanowić wzorzec
wykorzystania odnawialnych źródeł energii na duŜą skalę.
Literatura:
1.
Lewandowski W. 2001 – Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT Warszawa
2.
Pompy ciepła, Instytut Ochrony Środowiska przy Izbie Rzemiosła Munster, Bielawa –
Konin 2002;
3.
Termiczne instalacje solarne, Bielawa 2001;
4.
VATRA 2006 – Wytyczne projektowe dla pomp ciepła, Kraków;
5.
VIESSMANN 2007 – Wytyczne projektowe VITOCAL 200-G/222-G/242-G
5824 298-5 PL;
6.
Zalewski W. – Pompy ciepła;
7.
Zawadzki M.,2003: „Kolektory słoneczne, pompy ciepła- na tak!”,
Wyd.
Polska
Ekologia Sp. z o. o.,2003