pompa_ciepla.doc

Pompy Ciepła – ogrzewanie geotermiczne

1.     Wprowadzenie

Sprężarkowa pompa ciepła działa identycznie jak klasyczne sprężarkowe urządzenia chłodnicze, czyli lodówki. Inny jest tylko sposób zagospodarowania uzyskiwanego ciepła i “zimna”. W pompie ciepła parownik służy do pozyskiwania, przy niskiej temperaturze, ciepła z otoczenia. W skraplaczu to samo ciepło oddawane jest, przy wyższej temperaturze, do ogrzewanego medium. “Transport ciepła” od niższej do wyższej temperatury realizowany jest w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy, będący nośnikiem energii cieplnej. Podlega on następującym po sobie przemianom termodynamicznym, stanowiącym zamknięty lewobieżny obieg termodynamiczny. Sprężarka pompy ciepła zasysa pary czynnika chłodniczego z parownika przy niskim ciśnieniu (około od 3 bar do 6 bar) i temperaturze (około od -5 °C do 5 °C) i spręża do wysokiego ciśnienia (około 25 bar) i temperatury (około 90 °C). Za sprężarką pary czynnika są przegrzane. Pary te są skraplane w skraplaczu, oddając ciepło przy temperaturze około 60 °C wodzie lub powietrzu wykorzystywanemu do grzania. Skroplone pary czynnika chłodniczego są dławione w zaworze rozprężnym do niskiego ciśnienia i temperatury panującej w parowniku. W parowniku ciecz czynnika chłodniczego odparowuje, przy czym ciepło potrzebne do parowania pobiera z obiegu dolnego źródła. “Pompowanie ciepła” odbywa się kosztem energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę. O efektywności transformacji ciepła (stosunek ilości energii cieplnej uzyskanej w skraplaczu pompy do ilości energii doprowadzonej do napędu sprężarki), decyduje różnica między temperaturami górnego i dolnego źródła. Mniejsza różnica powyższych temperatur gwarantuje wyższą efektywność pracy pompy ciepła. Dlatego też, pompa ciepła najefektywniej pracuje w układach grzewczych niskotemperaturowych (w których dla uzyskania temperatury komfortu w pomieszczeniach wystarczająca jest temperatura zasilania instalacji C.O. rzędu 35 °C ÷ 45 °C, przy współpracy z dolnym źródłem ciepła o temperaturze nie niższej niż około 0 °C. O efektywności pracy pompy ciepła mówi tzw. współczynnik efektywności (COP), określający stosunek energii cieplnej uzyskanej (Qk) do energii elektrycznej pobranej przez silnik sprężarki (Pe). Pompa ciepła jest nowoczesnym, ekologicznym, tanim w eksploatacji i w pełni bezobsługowym urządzeniem, które samodzielnie może ogrzewać dom i zapewnić ciepłą wodę użytkową C.W.U.

2.     Terminologia

Dolny obieg – Jest to zamknięty lub otwarty obieg czynnika ( najczęściej wody). Najprostszy w realizacji jest obieg otwarty pionowy, gdzie woda pobierana jest ze studni głębinowej, równie dobrze może być pobierana z innego źródła np. staw, jezioro, rzeka. Obieg zamknięty to taki, gdzie na jakieś powierzchni działki „wkopuje” się wąż PCV, o określonej długości. Wąż ten napełniany jest czynnikiem w postaci wody z dodatkiem alkoholu, najczęściej denaturatu, mającego chronić przez zamarzaniem wody.

Dolny obieg otwarty łączy się z pompą głębinową, której zadaniem jest pompowanie wody na powierzchnie, następnie trafia ona do wymiennika ciepła (JAD), poczym wodę odprowadza się do ziemi – „oddaje”

Dolny obieg zamknięty podobnie łączy się z pompą obiegową, której zadaniem jest zapewnienie cyrkulacji wody, następnie woda podobnie jak wyżej trafia do wymiennika ciepła (JAD), i zmów trafia do obiegu.

Górny obieg (obieg CO) jest to połączona sieć grzewcza, w skład której wchodzą grzejniki, rury, system ogrzewania podłogowego.

Obieg CWU – Ciepła woda użytkowa, w skład systemu wchodzą rury, oraz baterie kranów.

Wymiennik ciepła typu JAD

·         K1 - wlot czynnika grzewczego

·         K2 - wylot czynnika ogrzewanego

·         K3 - wlot czynnika ogrzewanego

·        

Wymiennik ciepła JAD składa się z dwóch odizolowanych, niepołączonych hydraulicznie systemów cienkich rurek do przyłączy K1 i K4 podłącza się obieg dolny, natomiast między K2 i K3 przyłącza się instalację sprężarkową, krąży tam czynnik chłodzący freon, który w czasie pracy podlega rozszerzalności i kurczliwości termicznej – zwiększając i zmniejszając swoja objętość. Na rysunku obok zostały podane wymiary dla typowego wymiennika JAD 14.163 specyfikacja przedstawia się następująco:

Powierzchnia wymiany ciepła: 24,7 m2, rura gładka 8mm

·         Objętość str. rurek: 39,4 l

·         Objętość str. płaszcza: 48,6 l

·         Waga z przyłączami kołnierzowymi: 205 kg

·        

·         K4 - wylot czynnika grzewczego

Wymienniki JAD stosuje się najczęściej do ogrzania obiegu CO.

Wymiennik płaszczowy – „kanapka” jest to wymiennik do którego doprowadza się ciepłą wodę z drugiego wymiennika JAD – schemat przedstawię w dalszej części pracy. Wymiennik w pierwotnym obiegu za pomocą wody z drugiego JAD-a ogrzewa skupione w zamknięte naczynia blachy aluminiowe. Wtórny obieg przedstawia się następująco : do wymiennika wpływa woda z systemu wodociągów miejskich, bądź też z instalacji Hydroforni, woda się nagrzewa z zamkniętych naczyniach z blach miedzianych, poczym trafia do zasobnika CWU, popularnie zwanego bojlerem, chociaż nazwa ta niema wiele wspólnego z bojlerem. Gdy woda w zasobniku CWU osiągnie odpowiednie ciśnienie to elektrozawór odcina dopływ wody z Hydroforu, a przełącza w jego miejsce zasobnik. Pompa pomieszania sprawia, że woda krąży między zasobnikiem, a wymiennikiem nagrzewając się w tym czasie do ustalonej przez sterownik programowalny temperatury. Użytkownik otwierając baterię kranową obniża ciśnienie ciepłej wody z zasobniku, następnie zasobnik znów zostaje napełniony wodą z hydroforu i tak cały proces się powtarza.

Zasobnik CWU – zbiornik z ciepłą wodą przypominający wyglądem bojler.

Sprężarka (agregat freonowy) – zadaniem sprężarki jest sprężanie czynnika chłodzącego ( freonu) i wpompowywanie go w wymiennik jad.

Zawór rozprężny – jego zadaniem jest zmniejszenie ciśnienia freonu w obiegu.

Przemiana adiabatyczna – proces termodynamiczny podczas którego wyizolowany układ nie nawiązuje wymiany ciepła, lecz całość energii jest dostarczana lub odbierana z niego jasko praca,na tej zasadzie odbywa się wymiana ciepła w wymienniku typu JAD.

3.     Ideowy schemat połączeń hydraulicznych pompy ciepła

1 - przegrzane pary czynnika chłodniczego o wysokim ciśnieniu
2 - skraplanie czynnika chłodniczego w wymienniku
3 - dochłodzona ciecz czynnika chłodniczego o wysokim ciśnieniu
4 - rozprężony czynnik chłodniczy o niskim ciśnieniu
5 - odparowanie czynnika chłodniczego w parowniku
6 - przegrzane pary czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu
7 - powrót wody z instalacji grzewczej
8 - podgrzewanie wody przez oddający ciepło skraplający się czynnik
9 - zasilanie instalacji podgrzaną w pompie ciepła wodą
10 - "ciepła" ciecz z obiegu dolnego źródła
11 - chłodzenie cieczy poprzez odparowywujący czynnik chłodniczy
12 - schłodzona w pompie ciepła ciecz obiegu dolnego źródła

3. Zasada działania

Schemat powyżej przedstawia bardzo uproszczoną idee działania ogrzewania geotermalnego. Praktycznie spotykane rozwiązania są oczywiście o wiele bardziej skąplikowane. Pisząc tą pracę nie zamierzam się jednak skupiać na przedstawianiu szczegółów dotyczących systemów ogrzewania geotermalnego. Opiszę jeszcze idee najczęściej spotykanego rozwiązania. Dolne źródło jest wykonane jako pionowe w otwartym obiegu, w postaci dwóch studni. W studzience „pracuje” pompa głębinowa, której zadaniem jest wytłaczanie wody na powierzchnie. W specjalnym pomieszczeniu zaaranżowanym na kotłownie znajduje się pompa powierzchniowa wspierająca pracę pompy głębinowej, a następnie system filtrów wody, by zapobiec nadmiernemu osadzaniu się kamienia na wymiennikach ciepła. Woda „zasilająca” trafia do pionowego wymiennika JAD, który opisałem wcześniej. Następnie woda przez elektrozawór, zapobiegający spadkowi wody i dalej do „zrzutu”, gdzie woda o ok. 2 st. C zimniejsza wraca powrotem do ziemi. Woda pod pewnym ciśnieniem przepływa przez cienkie rurki wymiennika JAD, przyjmijmy wymiennika 1. Jako czynnik ogrzewany został wykorzystany freon, woda ogrzewa freon, sprawiając, że zmienia os swoją objętość, wykorzystane zostało tu zjawisko rozszerzalności termicznej. Freon pod wysokim ciśnieniem trafia do zaworu rozprężnego, który odpowiednio reguluje ciśnienie, nie powodując przy tym zmiany temperatury czynnika. Obrobiony w ten sposób freon trafia do wymiennika JAD 2, przepływając przez niego i oddając ciepło czynnikowi ogrzewającemu, którym został wypełniony górny obieg, czyli po prostu freon oddaje ciepło tej wodzie w grzejnikach, zmniejszając przy tym swoje ciśnienie oziębia się. Następnie freon trafia do sprężarki, spręża się, zmniejszając swoją temperaturę i znów do wymiennika 1, tak toczy się cały proces. Po drodze freon trafia na aparaturę, jaką jest termistor, do kontroli temperatury tego czynnika, oraz presostaty KP2 i KP5, obecnie produkowane jako zespolone pod nazwą KP15, Na presostacie instalator ustawia więc maksymalne i minimalne ciśnienie, które jeżeli zostanie przekroczone, to podawany jest impuls na sterownik o stanie awarii. Woda z JAD 2 trafia do obiegu CU, oraz do płaszczowego wymiennika, który został opisany wcześniej.

4.System sterowania ogrzewaniem geotermicznym

Sterownik COMPIT – lub inny PLC

Rolą sterownika jest odpowiednie załączanie i wyłączanie wszystkich elementów wykonawczych (pompy, grzałki, elektrozawory) w zależności od stanów urządzeń wejściowych sterownika ( czujniki temperatury, termostaty, czujniki pogodowe, presostaty). W pamięci sterownika znajduje się odpowiedni program, którego zadaniem jest regulowanie i załączanie w zależności od tego jaka została obrana konfiguracja. Użytkownik ma możliwość napisania własnych odpowiednich programów np. od poniedziałku do piątku od 6 do 8 i od 16 do 23 temperatura CWU ma zostać utrzymana na poziomie 40 st. C. Natomiast w weekend przez całą dobę. Możliwości jest bardzo wiele. Nowsze sterowniki umożliwiają konfigurację wszelkich parametrów kotłowni za pośrednictwem komputera i Internetu, ponieważ sterownik jest wyposażony w standardową magistralę komunikacyjną RS485. Cały system jest bezobsługowy i nie wymaga częstych ingerencji użytkownika jak np. przy paleniu drewnem czy węglem, ponadto jest możliwość uzyskania bardzo nisko oprocentowanego kredytu, oraz dotacji pochodzącej z uni europejskiej.

5.     Efektywność

Efektywność, czyli moc cieplną w przeliczeniu na wydatek przelicza się za pomocą specjalnie stworzonego na potrzeby ogrzewania geotermalnego współczynnika COP, o którym pisałem na początku tekstu. W zwykłych systemach służących inwidualnym odbiorcom mają zazwyczaj współczynnik COP równy 3,5 – 4,5.

6.     Logika układu sterownika

Powszechnie w inwidualnych instalacjach ogrzewania geotermalnego urzywa się sterowników compit, nie chcę robić tu kryptoreklamy, ale nalewna są warte polecenia – WWW.compit.pl Sterowniki te montuje się na szynie TH-35. podłącza się tam czujniki termistorowe typu Pt-1000, które wpina się, tak, aby uzyskać pomiar temperatury dolnego źródle, pomiar temperatury zewnętrznej, pomiar temperatury zasobnika CWU pomiar temperatury górnego źródła, termostat pokojowy, na którym użytkownik ustawia temperaturę otoczenia i obiegu CWU oraz presostat z drugiej, dolnej strony wpina się tylko do zacisków A1 styczników, które przełączają odpowiednimi urządzeniami.

7.     Wnioski końcowe

Warto dodać również, że energia geotermalna nie służy tylko do ogrzewania budynków mieszkalnych, czy też urzytecznosci publicznej, ale także do chłodzenia. Efekt ten można uzyskać w prosty sposób – wystarczy tylko puścić zimne medium z dolnego źródła bezpośrednio na górny obieg CO. Energia geotermalna służy też do uzysku energii elektrycznej, obecnie na świecie pracuje 6 elektrowni geotermalnych najmniejsza o mocy 3, natomiast największa o mocy 150 MW. Wykorzystuje się tam obieg Rankine’a.

Wszystkim zainteresowanym polercam książkę Wojciecha Oszczaka „Jak taniej ogrzać dom”, znajdziecie tam porady jak samemu można wykonać system ogrzewania geotermalnego w oparciu o pompe ciepła. Pracę wraz z dodatkowymi materiałami w postaci schematów i zdjęć publikuję na stronie WWW.electronic.blox.pl dział pompy ciepła.