inż. Mariusz KOPKA

Właściwy dobór dolnego źródła ciepła daje gwarancję wysokiej efektywności działania pompy ciepła. Należy pamiętać o najważniejszej roli instalacji pompy ciepła jaką jest zapewnienie wystarczającej ilości energii cieplnej do ogrzania budynku. Na opłacalność całej inwestycji w dłuższym przedziale czasu ma też duży wpływ zdolność dolnego źródła do regeneracji, jego koherentność, sposób wykonania instalacji czy konieczność uzyskania pozwoleń w przypadku pionowego GWC. Jeśli chodzi o możliwość powrotu instalacji do temperatury początkowej w następnym sezonie grzewczym, to w przypadku kolektorów pionowych może dojść do spadku temperatury.

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE

Obliczenia projektowe zostały wykonane dla wolnostojącego budynku jednorodzinnego znajdującego się w Malborku, którego charakterystykę cieplną przedstawiono w tabeli 1. Występujące w nim straty energii cieplnej ograniczono przez wymianę stolarki okiennej na okna z szybą podwójną oraz zastosowanie warstwy izolacji cieplnej.

Przedstawiony przykład obliczeniowy dotyczy urządzenia charakteryzującego się temperaturą zasilania obiegu grzewczego T_HV= 55^oC, która odpowiada konwekcyjnemu systemowi ogrzewania budynku.

OKREŚLENIE CHARAKTERYSTYKI SPRĘŻARKOWEJ POMPY CIEPŁA

W celu wyznaczenia parametrów sprężarkowej pompy ciepła oraz instalacji dolnego źródła ciepła posłużono się modelem obliczeniowym oraz wytycznymi technologii wykonania gruntowych wymienników ciepła opartymi na zaleceniach PORT PC oraz firmy Viessmann. Obliczenia teoretycznej mocy grzewczej sprężarkowej pompy ciepła odpowiadającej projektowemu obciążeniu cieplnemu budynku wykonano w programie Audytor OZC.

Wartość rzeczywistej mocy grzewczej została powiększona w porównaniu do teoretycznej ze względu na przerwy w pracy urządzenia wymuszone koniecznością regeneracji gruntu. Przyjęto, że czas przerwy w pracy sprężarkowej pompy ciepła będzie wynosił T_p= 10 h.

gdzie:

Tp – czas przerwy w pracy sprężarkowej pompy ciepła, który należy pomniejszyć o dwie godziny ze względu na bezwładność budynku [h].

Na podstawie rzeczywistej mocy grzewczej dobrano sprężarkową pompę ciepła, której charakterystykę techniczną przedstawiono w tabeli 2.

Korzystając ze współczynnika wydajności grzewczej charakteryzującego dobrane urządzenie wyznaczono moc napędową sprężarki:

gdzie:

COP – współczynnik wydajności grzewczej sprężarkowej pompy ciepła [-].

Kolejnym krokiem było wyznaczenie wydajności chłodniczej pompy ciepła:

Znając parametry sprężarkowej pompy ciepła zestawione w tabeli 2, pracującej w trybie grzania określono strumień ciepła doprowadzony do gruntu przez rewersyjną pompę ciepła:

^{Tabela 2. Charakterystyka techniczna sprężarkowej pompy ciepła Vitocal 200_G BWC 201.A13 firmy Viessmann [1]}

WYZNACZENIE PARA METRÓW GEO METRYCZNYCH PIONOWEGO GWC

Pierwszy krokiem w wyznaczeniu parametrów geometrycznych pionowego GWC podanych w tabeli 6, było określenie średniego współczynnika przewodzenia ciepła, który wyznaczono na podstawie struktury geologicznej gruntu opisanej w tabeli 3.

gdzie:

ui – udział i- tej warstwy gruntu w całej długości pionowego GWC [-], λi – współczynnik przewodzenia ciepła dla i- tej warstwy gruntu [W/mK].

^{Tabela 3. Współczynnik przewodzenia ciepła dla wybranej struktury geologicznej gruntu [2]}

Znając średni współczynnik przewodzenia ciepła określono jednostkową wydajność cieplną pionowego GWC na podstawie rysunku 1:

Rys. 1. Zależność między jednostkową wydajnością cieplną pionowego GWC qv a współczynnikiem przewodzenia ciepła gruntu λ [3]

Następnie obliczono długość sondy pionowej:

Przy wyznaczaniu wymaganej długości odwiertu uwzględniono współczynnik korekcyjny zależny od czasu pracy sprężarkowej pompy ciepła.

Zgodnie z zaleceniami o maksymalnej długości odwiertu określono ilość sond w instalacji pionowego GWC.

Znając ilość sond pionowego GWC, obliczono długość pojedynczego wymiennika:

Przystępując do wyznaczenia średnicy wewnętrznej sondy pionowej przyjęto następujące założenia:

• czynnik niskozamarzający stanowi wodny roztwór glikolu propylenowego, którego charakterystykę przedstawiono w tabeli 4;
• przewody rozprowadzające oraz rury doprowadzające wykonane będą z polietylenu sieciowanego (PE-80);
• odległość między sąsiadującymi sondami powinna wynosić minimum 6 m.

^{Tabela 4. Właściwości cieplno-fizyczne roztworu wodnego glikolu propylenowego [3]}

W celu wyznaczenia średnicy sondy pionowej, określono wydajność chłodniczą przypadającą na jedną sekcję GWC:

oraz strumień objętościowy czynnika niskozamarzającego uwzględniając spadek temperatury nośnika ciepła w parowniku ΔT_p= 5 K:

gdzie:

ρ_cn – gęstość czynnika niskozamarzającego [kg/m³], ccn – ciepło właściwe czynnika niskozamarzającego [kJ/ kgK],

Przy założeniu prędkości przepływu czynnika niskozamarzającego ϑ=0,4 m/s otrzymano średnicę wewnętrzną sondy pionowej, która wyniesie:

Na podstawie otrzymanej wartości oraz tabeli 5 określono średnicę nominalną sondy pionowej:

W przypadku wyznaczania średnicy przewodu doprowadzającego należało przyjąć wydajność chłodniczą przypadającą na cały obieg dolnego źródła pompy ciepła.

Przy zwiększonym strumieniu objętościowym oraz zachowanej prędkości przepływu roztworu wodnego glikolu w przewodzie doprowadzającym w odniesieniu do sondy pionowej nastąpiło zwiększenie średnicy rurociągu zasilającego:

Na podstawie otrzymanej wartości średnicy wewnętrznej oraz tabeli 5 określono średnicę nominalną przewodów doprowadzających, która wynosi:

Posługując się tabelą 5 oraz wyznaczoną średnicą nominalną sondy pionowej i przewodu doprowadzającego określono ilość płynu potrzebną do napełnienia pionowego GWC.

gdzie:

L_w – wymagana długość odwiertu [m], Xs – pojemność rur sondy pionowej [l/m], L_pd – długość przewodów doprowadzających [m], X_pd – pojemność przewodów doprowadzających [l/m].

_{Tabela 5. Pojemność przewodu rurowego w zależności od średnicy wewnętrznej rury [4]}

Do obliczenia ilości suchej masy wiążącej wykorzystano właściwości materiału wypełniającego odwiert. Znając średnicę nominalną określono średnicę zewnętrzną sondy pionowej posługując się tabelą 5.

gdzie:

gs – grubość ścianki sondy pionowej [m].

W kolejnym kroku wyznaczono objętość materiału wypełniającego dla wszystkich odwiertów GWC:

gdzie:

D_o – średnica odwiertu sondy pionowej [m].

Następnie obliczono ilość suchej masy wiążącej przy założonej gęstości materiału ρsmw=810 kg/m³:

^{Tabela 6. Charakterystyka pionowego GWC dla nierewersyjnej pompy ciepła [opr.wł.]}

UWAGA: W przypadku wyznaczenia parametrów GWC dla rewersyjnej pompy ciepła, uwzględniając zmianę charakteru pracy urządzenia poza okresem grzewczym, obliczenia wykonano w oparciu o strumień ciepła odprowadzany do gruntu.

Po określeniu wymiarów gruntowego wymiennika ciepła dla dobranej sprężarkowej pompy ciepła pracującej w trybie grzewczym oraz w trybie chłodzenia aktywnego, wyznaczono współczynnik zwymiarowania instalacji przedstawiony w tabeli 7 oraz rysunku 2 [5].

^{Tabela 7. Parametry pionowego GWC dla pompy ciepła pracującej w trybie grzania oraz w trybie chłodzenia aktywnego z uwzględnieniem wskaźnika WZI [opr.wł.]}

Wzrost współczynnika wydajności grzewczej COP powoduje spadek współczynnika zwymiarowania instalacji. Wynika to z mniejszego strumienia ciepła doprowadzonego do gruntu podczas pracy SPC w trybie chłodzenia aktywnego przez ogrzewanie niskotemperaturowe w porównaniu do systemu charakteryzującego się wyższą temperaturą obiegu grzewczego.

Rys. 2. Zależność współczynnika zwymiarowania instalacji w funkcji współczynnika COP [opr.wł.]

OKREŚLENIE PARAMETRÓW POMPY OBIEGU PIERWOTNEGO

Przed wyznaczeniem mocy pompy obiegu pierwotnego sprężarkowej pompy ciepła przedstawionej w tabeli 8, należało określić straty ciśnienia wywołane oporami hydraulicznymi w przewodach doprowadzających oraz wymiennikach gruntowych. Pierwszy krokiem prowadzącym do określenia liniowych strat ciśnienia w rurach rozprowadzających było wyznaczenie liczby Reynoldsa uwzględniając strumień objętościowy płynu przypadający na jedną sondę.

gdzie:

υcn – lepkość kinematyczna czynnika niskozamarzającego [m²/ s].

Znając charakter przepływu czynnika niskozamarzającego, wyznaczono współczynnik oporów liniowych:

Następnie obliczono prędkość przepływu nośnika ciepła dla założonej średnicy nominalnej rurociągu:

Kolejnym krokiem było wyznaczenie jednostkowych, liniowych strat ciśnienia w sondzie pionowej.

Liczba Reynoldsa określająca charakter przepływu w przewodzie doprowadzającym została obliczona po uwzględnieniu zwiększonego w porównaniu do sondy pionowej strumienia objętościowego płynu oraz średnicy nominalnej rurociągu:

Większa burzliwość przepływu objawiła się mniejszym współczynnikiem oporów linowych.

W celu obliczenia jednostkowych linowych strat ciśnienia w przewodzie doprowadzającym, wyznaczono prędkość przepływu czynnika niskozamarzającego.

Po obliczeniu strat ciśnienia przypadających na jeden metr przewodu wymiennika, wyznaczono liniowe straty ciśnienia GWC.

Kolejnym krokiem było określenie miejscowych strat ciśnienia przy uwzględnieniu współczynnika oporów miejscowych dla rury polietylenowej wynoszącego ζ=0,42.

gdzie:

Σζ – suma współczynników oporów miejscowych występujących w działce [-].

Suma oporów miejscowych została wyznaczona na podstawie liczby zagięć rury wymiennika odpowiadającej ilości sond pionowych:

^{Tabela 8. Dane techniczne pompy obiegowej dla nierewersyjnej i rewersyjnej pompy ciepła}

Przyjmując straty ciśnienia w parowniku sprężarkowej pompy ciepła zgodnie z jej charakterystyką, określono całkowite opory hydrauliczne [1]:

Uwzględniając lepkość kinematyczną czynnika niskozamarzającego we wcześniejszych obliczeniach przy wyznaczaniu rzeczywistej wysokości podnoszenia pompy ciepła oraz strumienia objętościowego przepływu czynnika niskozamarzającego przez przewody doprowadzające, pominięto współczynnik korekcyjny:

gdzie:

g – przyspieszenie ziemskie [m/s²].

Na podstawie obliczonych parametrów dobrano pompę dla obiegu pierwotnego.

PODSUMOWANIE

Określenie obciążenia cieplnego budynku przy wykorzystaniu programu Audytor OZC pozwoliło na wyznaczenie teoretycznej mocy sprężarkowej pompy ciepła. Na podstawie rzeczywistej charakterystyki SPC uwzględniającej czas przerwy w jej pracy dobrano urządzenie. Korzystając ze współczynnika wydajności grzewczej odpowiadającego temperaturze zasilania obiegu grzewczego dla danego typu systemu ogrzewania określono moc sprężarki, wydajność chłodniczą oraz strumień ciepła doprowadzonego do gruntu przez rewersyjną pompę ciepła w trybie chłodzenia aktywnego. Wyznaczenie tych parametrów pozwoliło przejść do obliczenia wymiarów GWC. Poza wydajnością chłodniczą dla nierewersyjnej SPC oraz strumieniem ciepła doprowadzonego do gruntu w przypadku rewersyjnej pompy ciepła, wpływ na parametry geometryczne sondy pionowej mają: czas pracy urządzenia oraz jednostkowa wydajność cieplna gruntu. Zauważono, że dla nierewersyjnej pompy ciepła spadek temperatury zasilania obiegu grzewczego skutkował zwiększeniem wymiarów GWC. Odwrotne zjawisko zaobserwowano w przypadku urządzenia pracującego w trybie chłodzenia aktywnego znajdując potwierdzenie w malejącym wskaźniku zwymiarowania instalacji WZI przy zwiększającym się współczynniku wydajności grzewczej. Przed określeniem charakterystyki pompy obiegowej obiegu pierwotnego SPC, określono straty ciśnienia wywołane oporami hydraulicznymi w przewodach doprowadzających oraz wymiennikach gruntowych. Ze względu na największe wymiary instalacji DŹC rewersyjnej pompy ciepła o współczynniku COP=3, zastosowano pompę obiegową o największym poborze mocy.

cdn...

LITERATURA

1. Wytyczne projektowe pomp ciepła Vitocal Viessmann, 05/ 2012.

2. Raport o oddziaływaniu przedsięwzięcia na środowisko – Zmiana koncecesji dla przedsięwzięcia polegającego na poszukiwaniu i rozpoznawaniu złóż gazu ziemnego w obrębie obszaru koncesji Malbork, URS Polska Sp. z o.o, 02/2013.

3. Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła, Wyd. PORT PC, Kraków, 2013.

4. Wytyczne projektowe – Systemy pomp ciepła, Viessmann Sp. z o.o., Wrocław, 05/2005.

5. Koszorek P.: Analiza możliwości regeneracji gruntu za pomocą rewersyjnej pompy ciepła. „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna”, 10/ 2015.