background image

 

Informacja o pracy dyplomowej 

 

1. Nazwisko i imię:   

Adam Koniszewski

 

adres mailowy: adam2309@interia.pl 

2. Kierunek studiów:   

Mechanika i Budowa Maszyn  

3. Rodzaj studiów:   

Dzienne magisterskie  

4. Specjalność: 

 

Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne  

5. Katedra dyplomująca:  

Katedra Techniki Cieplnej  

6. Promotor pracy:    

dr inż. Zenon Bonca  

7. Recenzent pracy:    

dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG  

8. Termin obrony:  

 

25.06.2009 rok  

9. Ocena pracy dyplomowej: Celująca  

10. Temat pracy dyplomowej:   

 

Analiza techniczno - ekonomiczna zastosowania w systemach ogrzewania 

wolnostojących  budynków  mieszkalnych  sprężarkowych  pomp  ciepła,    

w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne, na przykładzie 

wybranego obiektu 

 

 

 

 

 

 

background image

Spis treści: 

 
 

Wstęp ..................................................................................................................................... 4 

1. Stan środowiska naturalnego .......................................................................................... 5 

2. Odnawialne źródła energii i ich podział ......................................................................... 8 

3. Pompy ciepła .................................................................................................................... 10 

3.1 Zasada działania pompy ciepła............................................................................................................... 10 

3.2 Wielkości charakterystyczne opisujące pompę ciepła ............................................................................ 14 

4.

 

Przegląd wraz z oceną techniczno - ekonomiczną istniejących rozwiązań systemów 
ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych z wykorzystaniem 
sprężarkowych pomp ciepła (SPC) ................................................................................ 17 

4.1 Systemy pracy układu grzewczego ........................................................................................................ 18 

4.1.1 Monowalentne układy pomp ciepła .............................................................................................. 19 

4.1.2 Biwalentne układy pomp ciepła .................................................................................................... 24 

4.2 Rodzaj dolnego źródła ciepła ................................................................................................................. 26 

4.2.1 Charakterystyka dolnych źródeł ciepła niskotemperaturowego ................................................... 27 

 

 

 

4.3 Charakterystyka kolektorów gruntowych ............................................................................................... 32 

 

4.4 Realizacja transportu ciepła na poziomie źródła górnego SPC .............................................................. 34 

4.4.1 Ogrzewanie grzejnikowe .............................................................................................................. 35 
4.4.2 Ogrzewanie podłogowe (płaszczyznowe) ..................................................................................... 35 
4.4.3 Ogrzewanie powietrzne ................................................................................................................ 38 

5.

 

Przegląd konstrukcji wraz z oceną parametryczną dostępnych na rynku SPC, 

w którym dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne .......................................... 39 

5.1 Sposób działania pompy ciepła .............................................................................................................. 39 

5.2 Konstrukcja i parametry dostępnych na rynku powietrznych pomp ciepła ............................................ 40 

5.3 Przykład doboru pompy ciepła dla domku jednorodzinnego o powierzchni 80 m

2

 ............................... 42 

5.3.1 Założenia ofertowe ....................................................................................................................... 42 
5.3.2 Koszt wykonania systemu grzewczego ........................................................................................ 42 
5.3.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus   

Logatherm WPL 6A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą ................................... 43 

 

6. Założenia ogólne ............................................................................................................... 45 

 

6.1 Wybór budynku ..................................................................................................................................... 45 

6.2 Plany budynku ....................................................................................................................................... 47 

7. Ocena zysków i strat ciepła w przyjętym do analizy wolnostojącym budynku 

mieszkalnym (audyt energetyczny). Wyznaczenie wskaźnika sezonowego 
zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania E. Klasa energetyczna budynku ............. 49 

7.1 Dane dotyczące elementów konstrukcyjnych budynku ......................................................................... 49 

7.2 Projektowa strata ciepła przez przenikanie dla pomieszczeń budynku .................................................. 51 

7.3 Projektowa strata ciepła przez wentylację naturalną dla pomieszczeń budynku ................................... 55 

7.4 Dobór mocy grzewczej na cele ciepłej wody użytkowej ....................................................................... 57 

7.5 Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku E ..................................... 58 

background image

7.6 Klasa energetyczna budynku ................................................................................................................. 61 

7.7 Ocena wyników obliczeń cieplnych dla analizowanego budynku ......................................................... 63 

8.

 

Wariantowy projekt koncepcyjny systemu ogrzewania dla wybranego budynku, 
oparty na SPC. Kompletacja elementów systemu z automatyką sterującą ............... 64 

 

8.1 Rozwiązania koncepcyjne systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................... 65 

8.1.1 Rozwiązanie - Wariant 1 ............................................................................................................... 65 
8.1.2 Rozwiązanie - Wariant 2 ............................................................................................................... 65 
8.1.3 Rozwiązanie - Wariant 3 ............................................................................................................... 65 
8.1.4 Rozwiązanie - Wariant 4 ............................................................................................................... 65 
8.1.5 Rozwiązanie - Wariant 5 ............................................................................................................... 65 

 

8.2 Kryteria doboru systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................................... 68 

8.3 Wybór rozwiązania koncepcyjnego systemu ogrzewania opartego na SPC ........................................... 68 

8.4 Dobór optymalnej mocy grzewczej SPC na podstawie wykresu uporządkowanego .............................. 69

 

8.4.1 Zapotrzebowanie na moc grzewczą analizowanego budynku na wykresie uporządkowanym ..... 66 
8.4.2 Charakterystyki SPC typu powietrze - woda (P-W) poddane ocenie ekonomicznej opłacalności 

stosowania dla analizowanego obiektu ......................................................................................... 71 

8.4.3 Analiza ekonomiczna .................................................................................................................... 73 

8.5 Kompletacja elementów systemu ogrzewania opartego na SPC ............................................................ 84 

8.5.1 Zasobnik ciepłej wody użytkowej................................................................................................. 85 
8.5.2 Zasobnik buforowy ....................................................................................................................... 85 
8.5.3 Instalacja centralnego ogrzewania ................................................................................................ 85 
8.5.4 Pompa obiegowa instalacji ogrzewania podłogowego .................................................................. 88 
8.5.5 Naczynie wzbiorcze instalacji c.o ................................................................................................. 89 
8.5.6 Naczynie wzbiorcze instalacji c.w.u ............................................................................................. 89 
8.5.7 Zawór bezpieczeństwa instalacji co .............................................................................................. 89 
8.5.8 Zawór bezpieczeństwa instalacji c.w.u ......................................................................................... 90 
8.5.9 Pompa cyrkulacyjna c.w.u ............................................................................................................ 90 

8.6 

 

Projekt instalacji systemu ogrzewania opartego na SPC ........................................................................ 90 

8.6.1 Praca systemu ogrzewania opartego na SPC ................................................................................ 92 
8.6.2 Parametry systemu ogrzewania opartego na SPC ......................................................................... 93 

8.7 

 

Koszty systemu ogrzewania opartego na powietrznej pompie ciepła typu Buderus Logatherm WPL 8A 

dla analizowanego budynku o powierzchni użytkowej 140 m

2

 ............................................................. 95 

 

8.7.1 Założenia ogólne ........................................................................................................................... 95 
8.7.2 Koszt wykonania systemu grzewczego ......................................................................................... 95 
8.7.3 Charakterystyka energetyczna systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Buderus   

Logatherm WPL 8A współpracującego z podłogową instalacją grzewczą ................................... 96 

9.

 

Obliczenia cieplno - przepływowe o charakterze sprawdzającym dla 
wentylatorowej chłodnicy powietrza (parownika) SPC .............................................. 97 

9.1 Obliczenia cieplne chłodnicy powietrza................................................................................................. 99 

9.2 Obliczenia przepływowe chłodnicy powietrza ..................................................................................... 105 

10.

 

Preferowane do współpracy z pompą ciepła systemy ogrzewania .......................... 109 

10.1 Wpływ temperatury górnego źródła na efektywność działania SPC .................................................. 109 

10.2 Wpływ wyboru systemu ogrzewania na efektywność działania SPC ................................................ 112 

10.3 Ogrzewanie podłogowe - kompletacja elementów systemu ............................................................... 113 

 

10.3.1 Konstrukcja ogrzewania podłogowego ..................................................................................... 114 
10.3.2 Rozkład temperatury na powierzchni podłogi .......................................................................... 115 

background image

11.

 

Ocena techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania wolnostojącego budynku 

mieszkalnego oparta na metodzie LCC (Life Cycle Cost) dla zaproponowanego 
rozwiązania z SPC, w której dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne ......... 117 

11.1  Koszty cyklu życia systemu grzewczego opartego na pompie ciepła Logatherm   WPL 8A dla 

analizowanego budynku .................................................................................................................... 117 

11.2  Analiza techniczno - ekonomiczna systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm     WPL 

8A dla analizowanego budynku ........................................................................................................ 119 

Podsumowanie ................................................................................................................... 130 

Literatura ........................................................................................................................... 134 

Załączniki ........................................................................................................................... 137 

 

 

Wstęp 

Niniejsza  praca  dyplomowa  poświęcona  jest  analizie  techniczno  –  ekonomicznej 

zastosowania 

w  systemach  ogrzewania  wolnostojących  budynków  mieszkalnych 

sprężarkowych pomp ciepła, w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne. 

 

Pompa  ciepła  jest  urządzeniem  chłodniczym,  działającym  w  oparciu  o  lewobieżny 

obieg  termodynamiczny.    Celem  pracy  tego  urządzenia  jest  dostarczenie  energii  grzewczej 

zarówno  do  ogrzewania,  jak  i  przygotowania  ciepłej  wody  użytkowej  poprzez  instalację 

źródła górnego w wyniku transformacji ciepła uprzednio pobranego w źródle dolnym. Proces 

ten przebiega dzięki dostarczonej do urządzenia z zewnątrz energii napędowej. Pod względem 

energetycznym  pracę  tego  urządzenia  charakteryzuje    współczynnik  wydajności  grzewczej 

COP.    Jego  wartość  zależy  od  różnicy  temperatur  między  źródłem  dolnym  i  górnym. 

Analizowanym w pracy źródłem dolnym pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne. Jest to 

źródło ogólnie dostępne i nie wymaga dodatkowych nakładów inwestycyjnych na wykonanie. 

Aby  pobierać  z  niego  energię  cieplną  nie  trzeba  budować  kosztownych  kolektorów  czy 

studni,  jak to ma miejsce w przypadku, gdy ta energia pobierana jest z gruntu.    

 

Z  badań  ankietowych  przeprowadzonych  przez  Wydawnictwo  Budujemy  Dom  [16] 

wynika,  że  około  40%  budujących  rozważa  możliwość  zastosowania  pompy  ciepła                     

we własnym domu. Jednak tylko w jednym na kilkanaście przypadków rozważania te kończą 

się  decyzją  „na  tak”.  W  Europie  (np.  Niemcy,  Szwecja,  Finlandia,  Austria,  Szwajcaria, 

Francja)  już 30 – 50% nowych domów wyposaża się w pompy ciepła, przy czym w ostatnich 

latach obserwuje się gwałtowny wzrost sprzedaży tych urządzeń. W Polsce zainteresowanie  

tą  technologią  jest  coraz  większe,  ale  pod  względem  liczby  domów  nowo  budowanych                    

background image

i  wyposażonych  w  pompę  ciepła,  wciąż  pozostajemy  w  ogonie  Europy.  Podstawowym 

kryterium  wyboru  konkretnego  systemu  ogrzewania  jest  rachunek  ekonomiczny.                        

W  przedstawionej  pracy  wykorzystano  metodę  LCC  (Life  Cycle  Cost).  Metoda  ta  pozwala 

oszacować całkowite koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu w przyjętym cyklu jego 

życia. Opiera się ona na porównaniu nakładów inwestycyjnych na proponowane rozwiązanie 

systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej dla budynku mieszkalnego oraz 

kosztów eksploatacyjnych wzrastających wraz z upływem okresu użytkowania systemu.

 

 

 

Podsumowanie 

 

  Lokalizacja  analizowanego  budynku  w  miejscowości  Miastko,  to  dogodna  strefa 

klimatyczna (I) ze względu na zewnętrzną temperaturę  obliczeniową,  co  sprzyja   SPC   

przy  wykorzystaniu w niej do celów grzewczych, jako dolnego źródła ciepła, powietrza 

atmosferycznego; 

 

  analizowany budynek o wskaźniku

 

h

WZE

=0,9 należy do klasy jakości energetycznej B2. 

Jest  to  czwarta  pozycja  z  dziewięciu  możliwych  wariantów  tych  klas,  co    zapewnia 

stosunkowo niskie zużycie energii obiektu w ciągu roku. Aby klasa jakości energetycznej 

budynku  była  korzystniejsza,  należałoby  m.in.  zastosować  w  nim  wentylację 

mechaniczną z odzyskiem ciepła,  co umiejscowiłoby  analizowany budynek w klasie A; 

 

  wentylacja w największym stopniu przyczynia się do strat energii cieplnej w skali roku. 

W analizowanym obiekcie sięgają one aż 43% strat energii cieplnej całego budynku; 

 

  analizowany 

budynek 

spełnia 

kryteria 

domku 

energooszczędnego 

(

30, 6

33,3

ref

E

E

kWh/m

3

rok).  Dla  tego  typu  budynków  montaż  SPC  jest 

uzasadniony  ekonomicznie.  Zainstalowanie  tego  urządzenia  w  budynku  nie 

energooszczędnym  z  uwagi  na  zwiększoną  stratę  ciepła  przez  przenikanie 

powodowałoby, że SPC pracowałaby o wiele dłużej niż w budynku energooszczędnym. 

A  to  skutkowałoby  zwiększonym  zużyciem  energii  elektrycznej  do  napędu  sprężarki 

pompy ciepła. Wydłużony czas pracy wiąże się z większymi kosztami eksploatacyjnymi, 

mimo że „sprawność” SPC jest wysoka; 

 

background image

  Zapotrzebowanie na moc grzewczą dla analizowanego budynku jest zmienne i zależy ono 

od  temperatury  zewnętrznej.  W  związku  z  tym  nie  opłaca  się  dobierać  SPC  na  100% 

zapotrzebowania  na  moc  grzewczą  budynku,  co  jest  uzasadnione  ekonomicznie, 

ponieważ  przez znaczną część czasu pracy jest ona przewymiarowana; 

 

  Parametry  techniczne  pompy  ciepła  Logatherm  WPL  8A  typu  P-W  dla  analizowanego 

budynku  ulegają  znacznej  zmianie  wraz  ze  spadkiem  bądź  wzrostem  temperatury 

dolnego  źródła  ciepła  (powietrza  atmosferycznego).  Na  to  nie  mamy  wpływu  jako 

użytkownicy, bowiem takie warunki dyktuje natura; 

 

  Parametry  techniczne  pompy  ciepła  Logatherm  WPL  8A  typu  P-W  dla  analizowanego 

budynku  zmieniają  się  także  przy  wyborze  źródła  górnego,  a  na  to  jako  użytkownicy 

mamy  już  wpływ.  Im  temperatura  tego  źródła  jest  wyższa,    tym    mniejsza  jest  jej 

wydajność  grzewcza,  natomiast  rośnie  moc  napędowa  sprężarki.  W  konsekwencji  tego 

obniża się współczynnik wydajności grzewczej COP urządzenia. Dzieje się tak dlatego, 

ponieważ  zmianie  tej  temperatury  towarzyszy  wzrost,  bądź  spadek  ciśnienia  skraplania 

odpowiadający wymaganej temperaturze zasilania instalacji źródła górnego; 

 

  Wpływ  wyboru  systemu  ogrzewania  na  efektywność  działania  wybranej  do  analizy 

pompy  ciepła  Logatherm  WPL  8A    jest  decydujący,  ponieważ  systemy  ogrzewania:  

grzejnikowy,  płaszczyznowy  czy  powietrzny  posiadają  różne  temperatury  pracy.  Jak 

stwierdzono  powyżej,  ta  temperatura  ma  decydujący  wpływ  na  wartość  współczynnika 

efektywności  grzewczej  COP  analizowanej  pompy  ciepła,  a  co  za  tym  idzie  i  koszty 

eksploatacyjne.  Wzrost  temperatury  źródła  górnego  o  10  K  skutkuje  zmniejszeniem 

współczynnika  wydajności  grzewczej  COP  o  około  20%,  a  zatem  prowadzi  to 

zwiększenia  kosztów  eksploatacyjnych  analizowanego  budynku  na  takim  samym 

poziomie; 

 

  Przy  ogrzewaniu  podłogowym,  sposób  ułożenia  rur  grzewczych  ma  znaczny  wpływ  na 

rozkład  temperatury  powierzchni  podłogi,  a  przez  to  na  jej  wydajność  w  różnych 

częściach  pomieszczenia.  W  przypadku  ułożenia  rur  w  układzie  ślimak  oraz  podwójny 

meander,  osiąga  się  równomierny  rozkład  temperatury,  ponieważ  średnia  temperatura 

wody  dla  każdych  dwóch  sąsiadujących  przewodów  jest  w  przybliżeniu  identyczna.  W 

układzie  meander  temperatura  powierzchni  podłogi    obniża  się  liniowo  w  kierunku  od 

zasilania do powrotu; 

 

background image

  Wraz z powstawaniem warstwy szronu na powierzchni chłodnicy powietrza analizowanej 

pompy ciepła Logatherm WPL 8A, maleje jej przekrój wolnego przelotu  powodując w 

nim  wzrost  prędkości  powietrza,  a  co  za  tym  idzie  zwiększenie  oporów  przepływu. 

Gwałtowny wzrost tych oporów następuje po przekroczeniu warstwy szronu o grubości 

0,6  mm.  W  związku  z  tym  zainstalowany  jest  odpowiedni  wentylator  chłodnicy 

powietrza, który przy wzroście tych oporów utrzyma wymagany strumień objętościowy 

powietrza dla zapewnienia zadanych parametrów pracy urządzenia; 

 

  System  ogrzewania  oparty  na  pompie  ciepła  Logatherm  WPL  8A  dla  analizowanego 

budynku pracuje w układzie biwalentnym monoenergetycznym i pokrywa całkowite jego 

zapotrzebowanie na moc grzewczą. Jej średni współczynnik wydajności grzewczej  COP 

wynosi  3,  co  dla  analizowanego  budynku  o  zapotrzebowaniu  na  energię  grzewczą 

wynoszącym  19 710  kWh  przy  cenie  energii  elektrycznej  w  taryfie  G12  (41  gr.)  daje 

roczne koszty eksploatacyjne w wysokości 3091 zł; 

 

  W okresie 20 lat użytkowania systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm 

WPL  8A,  koszty  eksploatacyjne  tego  systemu  dla  analizowanego  budynku  stanowią  aż 

59%  całkowitych  kosztów  LCC.  W  tym  57%,  to  koszty  związane  ze  zużyciem  energii 

elektrycznej  przez pompę ciepła.  Zatem koszty  eksploatacyjne tego urządzenia w dużej 

mierze zależą od cen energii elektrycznej. W kosztach inwestycyjnych największy udział 

ma  pompa  ciepła  wraz  z  jej  modułem  wewnętrznym  AWC,  bowiem  stanowi  ona  31% 

całkowitych kosztów LCC; 

 

  Z punktu widzenia dostępności dolnego źródła pompy ciepła wydawałoby się, że wybór 

systemu ogrzewania opartego na pompie ciepła Logatherm WPL 8A, gdzie jego dolnym 

źródłem  ciepła  jest  powietrze  atmosferyczne,  pod  względem  kosztów  cyklu  życia  LCC 

dla  analizowanego  budynku  będzie  korzystne.  Po  przeprowadzeniu  tej  analizy  okazuje 

się,  że  tak  nie jest.  Mimo  dostępności  tego  źródła  oraz  prostocie  pozyskiwania  z  niego 

ciepła, jest to system nieopłacalny w porównaniu do sytemu opartego na pompie ciepła 

Logatherm WPS 7K, w której dolnym źródłem jest grunt. Generuje on w porównaniu do 

niego straty w wysokości około 15 000 zł w okresie 20 lat użytkowania; 

 

  Zaproponowany w pracy system ogrzewania jest ekonomicznie uzasadniony  w porównaniu do 

systemu ogrzewania opartego na kotle zasilanym olejem opałowym lub gazem płynnym, bowiem 

w porównaniu do nich w okresie 20 lat życia urządzenia generuje zyski. W porównaniu do kotła 

zasilanego olejem opałowym, zyski te wynoszą 38 700 zł, a czas zwrotu poniesionych kosztów 

background image

inwestycyjnych  na  rzecz  pompy  ciepła  Logatherm  WPL  8A  wynosi  7,5  lat.  W  porównaniu  do 

kotła  zasilanego  gazem  płynnym  zapewnia  zyski  w  wysokości  60  500  zł,  a  czas  zwrotu 

poniesionych kosztów inwestycyjnych na rzecz pompy ciepła wynosi 5,7 lat; 

 

  Warto zauważyć, że dla oceny rentowności przedsięwzięcia, niezmiernie ważna jest realna stopa 

procentowa,  gdyż  to  właśnie  ona  ma  bezpośrednie  przełożenie  na  koszty  cyklu  życia  (LCC)

 

urządzeń. Gdy przyjmuje ona wartości dodatnie, wówczas koszty LCC

 

maleją z każdym rokiem 

użytkowania urządzenia. Dzieje się tak dlatego, ponieważ przy takiej stopie procentowej umacnia 

się  wartość  pieniądza.  W  przypadku,  gdy  realna  stopa  procentowa  przyjmie  wartości  ujemne, 

wtedy  koszty  LCC

 

rosną  z  każdym  rokiem  użytkowania  urządzenia.  Dzieje  się  tak  dlatego, 

ponieważ przy takiej stopie procentowej spada wartość pieniądza.