Pompy ciepa

Podrcznik architekta, projektanta i instalatora

Podrcznik architekta, projektanta i instalatora

Pompy ciepa

Viessmann Deutschland GmbH35107 Allendorf (Eder)Telefon 06452 70-0Telefax 06452 70-2780www.viessmann.de

9443 898 D 09/2011Zastrzega si moliwo zmian

Podrcznik architekta, projektanta i instalatora

Pompy ciepa

Spis treci

6/7

11 Przedmowa

12 Wprowadzenie

12 Wskazwki dotyczce uywania podrcznika

14 A Podstawy technologii pomp ciepa

16 A.1 Historia rozwoju pomp ciepa

18 A.2 Podstawy fizyczne19 A.2.1 Skraplanie i odparowanie19 A.2.2 Obieg chodniczy21 A.2.3 Wspczynnik wydajnoci22 A.2.4 Sezonowy wspczynnik efektywnoci

24 A.3 Gwne czci skadowe25 A.3.1 Sprarka28 A.3.2 Zawr rozprny29 A.3.3 Wymienniki ciepa31 A.3.4 Czynnik chodniczy

32 A.4 Potencja rde pierwotnych33 A.4.1 rdo ciepa ziemia37 A.4.2 rdo ciepa woda37 A.4.3 rdo ciepa powietrze38 A.4.4 Dostpno i wydajno ocena rde pierwotnych39 A.4.5 rdo ciepa ciepo odpadowe39 A.4.6 Absorbery wspomagane instalacj solarn40 A.4.7 Zmiana faz jako gromadzenie po stronie pierwotnej

42 A.5 Inne typy pomp ciepa43 A.5.1 Kompresyjne pompy ciepa z silnikiem spalinowym43 A.5.2 Absorpcyjne pompy ciepa45 A.5.3 Adsorpcyjne pompy ciepa

Spis treci

46 B Warunki ramowe

48 B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna49 B.1.1 Miks energetyczny w Niemczech51 B.1.2 Bezpieczestwo zaopatrzenia53 B.1.3 Smart metering54 B.1.4 Pompy ciepa i fotowoltaika55 B.1.5 Konkurencja wok energii elektrycznej?

56 B.2 Uwarunkowania prawne57 B.2.1 Pompa ciepa a przepisy dotyczce oszczdzania energii (Energieeinsparverordnung (EnEV))59 B.2.2 Pompa ciepa a przepisy dotyczce wykorzystania odnawianych rde energii

do produkcji ciepa (Das Erneuerbare-Energien-Wrmegesetz (EEWrmeG)59 B.2.3 Wytyczne europejskie

60 B.3 Analiza opacalnoci

62 C Planowanie i dostosowanie rde pierwotnych

64 C.1 Pompy ciepa solanka/woda65 C.1.1 Dostosowanie rda ciepa69 C.1.2 Medium none ciepa70 C.1.3 Natenie przepywu i spadek cinienia w obiegu solanki

72 C.2 Pompy ciepa woda/woda73 C.2.1 Wody gruntowe75 C.2.2 Woda chodnicza

76 C.3 Pompy ciepa powietrze/woda77 C.3.1 Pompy ciepa powietrze/woda z nieregulowan sprark77 C.3.2 Projektowanie79 C.3.3 Planowanie akustyczne82 C.3.4 Przepyw powietrza w pompach ciepa powietrze/woda ustawienie wewntrzne

84 D Planowanie instalacji

86 D.1 Tryby dziaania87 D.1.1 Tryb monowalentny87 D.1.2 Tryb biwalentny89 D.1.3 Instalacje kaskadowe90 D.1.4 Kombinacja z udziaem energii odnawialnych

92 D.2 Obieg wtrny93 D.2.1 Podgrzew ciepej wody uytkowej106 D.2.2 Tryb grzewczy111 D.2.3 Chodzenie

116 D.3 Dobr pompy ciepa i wskazwki projektowe117 D.3.1 Okrelenie mocy pompy ciepa118 D.3.2 Materiay pomocnicze do projektowania instalacji pomp ciepa

Spis treci

8/9

122 Aneks

124 Droga do efektywnych instalacji pomp ciepa

130 Wskazwki dotyczce przegldu i optymalizacji

132 Indeks hase

136 Przedsibiorstwo

136 Indywidualne rozwizania w ramach efektywnych systemw

138 Przyszociowa technika grzewcza speniajce wszelkie wymagania

140 Viessmann climate of innovation

142 Impressum

10/11

Przedmowa

Podstawowymi wyzwaniami naszych cza-sw s ochrona rodowiska naturalnego oraz zapewnienie zrwnowaonych i opacalnych dostaw energii. Aby ograniczy postpujce ocieplanie si klimatu, naley zminimalizowa emisj gazw cieplarnianych, a w szczegl-noci dwutlenku wgla. To jest moliwe tylko poprzez zdecydowane ograniczenie zuycia energii ze rde kopalnych. W obliczu ogra-niczonych zasobw tego rodzaju energii i bez wzgldu na postpujce zmiany klimatyczne, kwestii tej nie da si na dusz met pomija. Wprawdzie dostawy energii nie s zagroone w dajcej si przewidzie przyszoci, alece-ny energii bd w dalszym cigu wzrasta. Dlatego te denie do wzrostu efektywno-cienergetycznej i szersze wykorzystanie energii odnawialnej staj si nakazem chwili.

Odpowiadajc na to wyzwanie politycy wyznaczyli ambitne cele zwizane z ochro-nklimatu i oszczdzaniem energii. Rynek ciepa, jako najwikszy odbiorca energii, moewnie istotny wkad w ich osigni-cie.Dlatego naley najszybciej, jak to moli-we, zmodernizowa przestarzae energetycz-nie, aprzez toniewydajne, zasoby budowlane. Odpowiednie technologie s ju dostpne.

Kompleksowa oferta firmy Viessmann za-wieranie tylko wysoce wydajn technik kondensacyjn wykorzystujc jako paliwo olej igaz, ale te koty na biomas, instalacje solarne i pompy ciepa dla kadego rodzaju zastosowa.

Pompy ciepa znalazy w cigu ostatnich dzie-siciu lat stae miejsce wrd urzdze tech-niki grzewczej. Ich udzia w rynku, jeli chodzi o nowe budownictwo, odpowiada obecnie temu jaki maj kondensacyjne instalacje ga-zowe. Pompy ciepa zyskuj te na znaczeniu w przypadku modernizacji instalacji cieplnych. Odpowiednio zaprojektowane i zainstalowa-nes w stanie zapewni w kadym budynku, speniajc jednoczenie niemal kade wyma-ganie, istotny wkad w oszczdzanie zasobw naturalnych i oszczdn produkcj ciepa.

Firma Viessmann spodziewa si w najbli-szych latach dalszego wzrostu znaczenia pomp ciepa na rynku. Z jednej strony wci trwaj prac nad rozwojem produktw. Dziki duym pompom ciepa osigalne bdzie ich stosowanie w kolejnych typach budynkw oraz maych zakadach produkcyjnych. Jeli chodzi o urzdzenia maych mocy wciroz-wija si trend w kierunku rozwiza kompak-towych, co znacznie uatwia planowanieoraz realizacj instalacji. Nasi partnerzy mog by pewni, e wszystko do siebie pasuje. Zdrugiej strony coraz wicej zakadw wykonujcych instalacje grzewcze przekonuje si do tego dla wielu jeszcze nietypowegorozwizania. Ciesz si, e tym podrcznikiemmoemy za-oferowa naszym partnerom dalsze wsparcie w skutecznym operowaniu na polu urzdze grzewczych.

Dr Martin Viessmann

Wprowadzenie

12/13

Jak korzysta z podrcznika

W odrnieniu do konwencjonalnych urz-dzegrzewczych pompy ciepa s produkta-mizoonymi, a ich uytkownicy, ale te za-kady instalatorskie i biura projektowe, czsto oczekuj dodatkowych wyjanie. Podstawy funkcjonowania kota grzewczegozasilane-go olejem, gazem czy te biomasssto-sunkowo atwe do zrozumienia. Dla wielu osb tematyka pomp ciepa jest zpocztku czymparadoksalnym, e z zimnego r-dapierwotnego jak ziemia, woda grunto-waalbopowietrze pozyskiwane jest ciepo do ogrzania budynku. Dlatego tewtympod-rczniku gwny nacisk pooony zosta nawy-janienie zasadniczych funkcji tych fascynuj-cych urzdze.

Przedstawione na kolejnych stronach rysunki iopisy su zrozumieniu wszystkich istotnych elementw instalacji opartej o pomp ciepa. Rysunki skupiaj si na tym co najistotniejsze inie naley ich postrzega jako kompletnych

instrukcji montau. Te znajduj si wdoku-mentacji produktw, specyficznych dlada-nego urzdzenia instrukcjach dotyczcych planowania oraz s dostpne welektronicz-nejprzegldarce schematw (patrz rozdzia D.3.2) firmy Viessmann. Wskazwki dotycz-ce prac instalacyjnych zostay zawarte w tym podrczniku tylko wwczas, jeli instalacja pompy ciepa wymaga szczeglnego poste-powania.

Wszystkie pomoce elektroniczne wymienione w poszczeglnych rozdziaach, jak np. progra-my projektowe s dostpne dla partnerw fir-my Viessmann u przedstawicieli handlowych oraz w internecie.

Wprowadzenie

Podrcznik ten zawiera najwaniejsze informacje zwizane z planowaniem, instalacj iuytkowaniem pomp ciepa. Rwnie dobrze nadaje si on jako kompedium wiedzy, jakimateria wykorzystywany w trakcie szkole lub przygotowa do rozmowy z klientem.

14/15

gi ciepln. Za pomoc pompy ciepa moliwe jest podniesienie tej energii do temperatury uytkowej.

W tym rozdziale wyjanione zostan podsta-wy tej technologii, a take istotne komponen-ty pompy ciepa.

W pojciu wielu ludzi ciepo jest raczej odczu-ciem anieli mierzaln wartoci. Soneczny dzie albo przyjemnie ogrzany dom w zimie odczuwamy jako ciepo, przeciwiestwo okre-lamy jako zimno.

Pod wzgldem fizycznym nie jest to cakowi-cie prawdziwe, gdy a do zera absolutnego (0K= 273,15C) substancje zawieraj ener-

16 A.1 Historia rozwoju pomp ciepa

18 A.2 Podstawy fizyczne

19 A.2.1 Skraplanie i odparowanie19 A.2.2 Obieg chodniczy21 A.2.3 Wspczynnik wydajnoci22 A.2.4 Sezonowy wspczynnik efektywnoci

24 A.3 Gwne komponenty

25 A.3.1 Sprarka28 A.3.2 Zawr rozprny29 A.3.3 Wymienniki ciepa31 A.3.4 Czynnik chodniczy

32 A.4 Potencja rde pierwotnych

33 A.4.1 rdo ciepa ziemia37 A.4.2 rdo ciepa woda37 A.4.3 rdo ciepa powietrze38 A.4.4 Dostpno i efektywno ocena rde pierwotnych39 A.4.5 rdo ciepa ciepo odpadowe39 A.4.6 Absorbery wspomagane instalacj solarn40 A.4.7 Zmiana fazy jako gromadzenie po stronie pierwotnej

42 A.5 Inne typy pomp ciepa

43 A.5.1 Kompresyjne pompy ciepa z silnikiem spalinowym43 A.5.2 Absorpcyjne pompy ciepa45 A.5.3 Adsorpcyjne pompy ciepa

A Podstawy technologii pomp ciepa

Potencja naturalnego ciepa, ktry za pomoc pompy ciepa moe by podniesiony dotemperatury uytkowej, jest niewyczerpany.

Ciepo byo przez tysiclecia uywane przez ludzi gwnie do ogrzewania pomieszcze, przygotowania posikw albo topienia metali.

Wynalezienie maszyny parowej na poczt-kuXVIII wieku przynioso kolejne moliwo-ci, ktre miay epokowe konsekwencje dlarozwoju historii ludzkoci. Maszynapa-rowaoznaczaa moliwo zamiany ciepa w pracmechaniczn. A do chwili obecnej zasadataokrela nasz produktywno, mo-bilno oraz nasz komfort.

Historia rozwoju pomp ciepa

Historia pompy ciepa jest znacznie starsza, ni si powszechnie sdzi. Ju przed prawie dwustu laty dziki budowie pierwszych maszyn chodzcych stworzono techniczne podwaliny pod budow dzisiejszych nowoczesnych urzdze.

A.1 Historia rozwoju pomp ciepa

Rys. A.1-1 Maszyna parowa

zNewcomen

Maszyn parow wykorzystywano przez dziesiciolecia, naukowe zrozumienie zwiz-kumidzy ciepem i si fizyczn pojawio siznacznie pniej.

Pompa ciepa Viesmann L-08

zroku1981

16/17

Podstawowe znaczenie miay odkrycia Nico-lasa Leonarda Sadi Carnot, ktry dziki swym pracom uchodzi dzi za twrc termodyna-miki. Carnot bada zalenoci odpowiada-jcezadziaanie maszyny parowej i stwier-dzimidzy innymi, e procesy zachodzce wtrakcie przeksztacania ciepa w si fizycz-nscodozasady odwracalne (reversibel).

Przy zastosowaniu odpowiedniego czynnika roboczego i pod wpywem odpowiedniej siy mona nie tylko przekaza energi ciepln namedium, ale te j odzyska i to niezale-nieodtemperatury otoczenia.

Po raz pierwszy zasad t zastosowa Amery-kanin Jacob Perkins, ktry w roku 1835 opa-tentowa pierwsz chodziark kompresyjn. Przedtem techniczne obnianie temperatury moliwe byo tylko dziki wykorzystaniu pod-cinienia odkrycie z poowy XVIII w.

W maszynie Perkinsa wystpoway wszyst-kiebazowe elementy skadowe nowocze-snych urzdze chodniczych oraz pomp ciepa, tj.kompresor, elementy przejmuj-ceioddajce ciepo oraz zawr rozprny. Perkins uywa eteru jako rodka roboczego, dziki czemu mg uzyskiwa temperatury poniej punktu zamarzania. Jego ide rozwija-liJohn Gorrie, ktry w roku 1851 opatentowa maszyn do produkcji lodu i James Harrison, ktry pracowa nad zastosowaniamikomercyj-nymi m.in.chodzeniem ywnoci. Wrazzod-kryciem przez Ferdinada Carrea amoniaku jako czynnika roboczego, moliwa bya wro-ku 1859 rezygnacja z silnie wybuchowego eteru, a tym samym uczynienie eksploatacji urzdze chodzcych bardziej bezpiecznym. Wostatnich dziesicioleciach XIX w. techni-ka chodnicza na stae zaja swoje miejsce wprzemyle, a w pierwszych dziesicio-leciach XX w. powstay pierwsze lodwki, rwnie do zastosowa w gospodarstwach domowych.

W roku 1852 William Thomson Kelvin do-wid, e chodziarki mog by te wyko-rzystywane do ogrzewania. Jednoczenie poprzez wykorzystanie energii cieplnej z oto-czenia zuywane jest przy tym mniej energii ni przy spalaniu drewna czy wgla. Trzeba byo jednak 100 lat, eby pompa ciepa bya wykorzystywana do ogrzewania budynkw.

Rys. A.12 Nicolas Leonard Sadi

Carnot

Rys. A.13 Maszyna chodnicza Lindego z roku 1877

Swj pierwszy boom pompa ciepa przeya wNiemczech w latach 70. XX w. w wyniku kryzysu na rynku ropy naftowej. Kiedy ceny ropy ponownie spady w latach 80., gwatow-nie spado te zapotrzebowanie na pompy ciepa. Dopiero od okoo 10 lat nowoczesna pompa ciepa znalaza stae miejsce wrd urzdze instalowanych w budynkach.

Do tej pory gwnym rdem energii do zasi-lania sprarki jest prd elektryczny, chocia od okoo 30 lat stosuje si rwnie silniki spa-linowe. Ciepo ze spalin jest rwnie wykorzy-stywane w instalacji grzewczej.

A.2 Podstawy fizyczne

Podstawy fizyczne

Praktyka instalatorska z zakresu techniki grzewczej nie wymaga zazwyczaj zajmowania si fizycznymi podstawami dziaania urzdze grzewczych.

Dla przykadu naczynie wypenione wrzc wod stygnie w temperaturze otoczenia tak dugo, a osignie temperatur otaczajcego je powietrza. Prawidowoci tej nie swsta-nie zmieni nawet pompy ciepa. Wykorzystu-j one inny efekt. Energia wchonitaprzez substancj moe powodowa nie tylko pod-wyszenie jej temperatury, ale te zmian jejstanu fizycznego.

Jeeli zatem do gotujcej si w naczyniu wody bdziemy w dalszym cigu dostarcza energi, to woda wyparuje, a jej temperatura nie wzronie. Ta ilo energii, ktra kryje si za zmian stanu fizycznego, jest tajemnic, dziki ktrej pompa ciepa pozyskuje z zim-nego rda ciepa energi o uytecznym poziomie termicznym.

Dla waciwego zaplanowania, montau iuruchomienia instalacji wystarczy zazwy-czajprzestrzega regu technicznych. Warto jednak pozna zasady fizyczne, aby zrozumie, wjakichwarunkach urzdzenia grzewcze, awszczeglnoci pompa ciepa, mog by wykorzystywane w sposb optymalny.

Ciepo to forma energii wewntrznej sub-stancji lub, bardziej poprawnie pod wzgldem termodynamicznym, ukadw. Jeeli istnieje moliwo oddania tej energii innej substancji (innemu ukadowi), powstaje strumie ciepa. Strumie ten pynie zawsze w kierunku tem-peratury niszej, a nie odwrotnie, co oznacza e nie jest on odwracalny.

18/19

A.2.1 Skraplanie i parowanie

Skraplanie i parowanie to dwa gwne pro-cesyzachodzce w pompie ciepa. Jako skraplanie okrela si stopniowe przecho-dzenie gazu lub mieszaniny gazw w stan cieky.Analogicznie parowanie to stopniowe przechodzenie cieczy lub mieszaniny cieczy wstan gazowy.

Do odparowania cieczy niezbdna jest pew-na, zalena od substancji ilo energii tzw. entalpia parowania. Entalpia parowania jest oddawana z powrotem do otoczenia w postaci ciepa kondensacji, jeeli nie zostanie przekro-czona temperatura skraplania. Przy niezmien-nych warunkach cinienia przejcie midzy fazami nastpuje w sposb izotermiczny, t.j.temperatura cieczy czy to w stanie cie-kym czy gazowym jest niezmienna.

Na rys. A.2.1-1 pokazano, e w celu podgrza-nia 1 litra wody od temperatury 0C do tempe-ratury 100C niezbdna jest energia w iloci 116 Wh. W celu podniesienia temperatury wody kadorazowo o 1C potrzeba 1,16Wh. Jeeli temperatura wody ma przekroczy, przynormalnym cinieniu 100C, musi cako-wicie odparowa. Aby to osign, potrzeba 627 Wh, a wic ponad 500-krotniewicej energii. Ta sama ilo energii jest uwalniana, gdy para wodna ulega ponownemu skrople-niu.

A.2.2 Obieg chodniczy

Podstawow zasad dziaania pompy ciepa jest pochanianie ciepa przez odparowanie przy stosunkowo niskiej temperaturze i jego ponowne oddawanie na wyszym poziomie termicznym w wyniku skroplenia. Poniewa przejcia midzy fazami odbywayby si przy staym cinieniu, ale bez zmiany temperatury (w procesie izotermicznym), aby podnie temperatur, cinienie musi zosta podwy-szone z wykorzystaniem energii mechanicznej.

Na rys. A.2.2-1 pokazano cztery etapy w ty-powym procesie obiegu sprarkowej pompy ciepa.

Aby podgrza litr (kilogram wody) do punktu

wrzenia, potrzeba 116 Wh. Kolejne 627 Wh s

konieczne, aby cakowicie odparowa wod

(punkt nasycenia pary wodnej).

Tem

per

atu

ra (

C)

116Wh/kg

627Wh/kg

93Wh/kg

0

1003

EDCB

2

1

1 Punkt zamarzania

Punkt wrzenia

Punkt nasycenia pary wodnej

2

3

A Ld

Woda + Ld

Woda

B

C

D Woda + Para

ParaE

A

Rys. A.2.11 Zawarto energetyczna pary wodnej

W literaturze fachowej czsto uywa si wod-niesieniu do energii wukadach termody-namicznych jednostki kilodul (kJ). W tej ksi-ce uywamy natomiast jednostki watogodzina (Wh).

1 J = 1 Ws3,6 kJ = 1 Wh3 600 kJ = 1 kWh

Wskazwka

2

1

1 3

Parownik

Sprarka

Skraplacz

Zawr rozprny4

3

stan cieky

stan gazowy

4

Ciepo grzewczeCiepo naturalne

2

Rys. A.2.21 Sposb dziaania pompy ciepa

Czynnik chodniczy odparowuje w niskich temperaturach pochaniajc ciepo. Spranie podnosi temperatur

pary, a nastpnie dziki skropleniu ciepo jest uwalniane ponownie.

Dla lepszego zrozumienia proces obiegu mona przedstawi na diagramie ukazuj-cym zalenoci midzy cinieniem i entalpi (rys.A.2.-2). Cinienie (p) przedstawiono naosi Y wykresu logarytmicznego.

Urzdzenia dziaajce na bazie tego pro-cesurnicuje si w zalenoci od rodzaju ichwykorzystania. Jeeli korzyci z urzdze-

A.2 Podstawy fizyczne

4050

30

20

10

5

4

3

2

1

Zawarto energii cieplnej h (Wh/kg)

Ci

nien

ie c

ako

wite

p (b

ar)

100 110 120 130 140 15080 907050 604030

0C

10C

-10C

20C

-20C

30C

-30C

-40C

70C

60C

80C

60C

40C

100

C

120

C

140

C

Parowanie

Skraplanie

Roz

pr

anie

Spr

ani

e

ParaprzegrzanaPara

stan cieky1 2

34

Rys. A.2.22 Diagram logarytmiczny cinienie/entalpiaWykorzystany w tym przyka-

dziediagram logarytmicznyuka-

zujewaciwoci fizyczne czynni-

kachodniczego R 407C, ktry jest

uywany w pompach ciepa powie-

trze/woda produkowanych przez

firm Viessmann.

W trakcie pracy pompy ciepa czynnik chodniczy przechodzi nastpujce zmiany stanu:

Odparowanie

Czynnik chodniczy paruje. Potrzebna do tego energia (entalpia parowania) pozyskiwana jest z otoczenia

np.powietrza na zewntrz.

Spranie

Sprarka wykorzystujc wasn energi napdow podnosi cinienie, a tym samym temperatur pary

pochodzcej z odparowania czynnika chodniczego. Entalpia (zawarto energii) wzrasta.

Skraplanie

Czynnik chodniczy ulega skropleniu w procesie kondensacji oddajc energi pobran ze rodowiska

zwikszon o energi pochodzc ze sprearki.

Rozpranie

Czynnik chodniczy ulega rozpreniu, co oznacza, e temperatura i cinienie s sprowadzane za pomoc

zaworu rozprnego do poziomu wyjciowego. Medium ponowie moe zosta odparowane i cay proces

zaczyna si od nowa.

Pojcie okrelajceza-warto energiiwuka-dach termodynamicz-nych to entalpia (h) (starogreckie: en = w thalpein = rozgrzewa).

Wskazwka niale po stronie parowania, a wic absorp-cji ciepa, to jest to urzdzenie chodnicze. Jeelikorzyci z urzdzenia le po stronie skraplania,awic oddawania ciepa, to jest topompaciepa. W zasadzie kade urzdze-niechodzce mona wykorzysta do ogrze-wania, akad pomp ciepa do chodzenia.

20/21

A.2.3 Wspczynnik wydajnoci

Wspczynnik wydajnoci jest miar efek-tywnoci i definiuje si go, jako stosunek korzyci do woonego nakadu pracy. Od-noszc t miar do dziaania pompy ciepa, przez korzy naley rozumie ilo energii oddanej nawysokim poziomie termicznym (skraplanie), przez nakad pracy z kolei rozu-miesi niezbdn do tego energi napdow (spranie). Wprzypadku pomp ciepa stopie sprawnoci podaje si jako wspczynnik wy-dajnoci powszechne jest okrelenie COP (zang. coefficient of performance).

Wspczynnik wydajnoci pompy ciepa defi-niuje si nastpujco:

COP = h3 h4h3 h2

COP Wspczynnik wydajnocih2 entalpia na pocztku procesu spraniah3 entalpia na kocu procesu

sprania/pocztek oddawania ciepah4 entalpia na kocu procesu

skraplania/koniec oddawania ciepa

Wspczynnik wydajnoci nowoczesnych pomp ciepa wynosi od 3,5 do 5,5. Przykado-wo wspczynnik na poziomie 4 oznacza, e oddawane jest cztery razy tyle energii wpo-staci ciepa grzewczego, ni zuyto energii elektrycznej.

Uzyskanaenergia cieplna

Energia zerodowiska

Zuyta energiaelektryczna

4 kW3 kW

1 kW

?

Rys. A.2.31 Stopie sprawnoci jako wspczynnik wydajnoci

Rys. A.2.32 Rnica temperatur a wspczynnik wydajnoci

12

10

8

6

4

2

0

Rnica temperatur T (K)

Wsp

cz

ynni

k w

ydaj

noc

i

50 40 30 20 10 0

A B

B

A Przy T = 25 K wspczynnik

wydajnoci wynosi prawie 6

Przy T = 50 K wspczynnik

wydajnoci wynosi ju tylko 3,3

Przykad

Dla przykadu (czerwona linia) z rys. A.2.2-2 wsp-

czynnik wydajnoci oblicza si nastpujco:

COP = wspczynnik wydajnoci

h2 = 114 Wh/kg

h3 = 126 Wh/kg

h4 = 69 Wh/kg

COP = 126 Wh/kg 69 Wh/kg

126 Wh/kg 114 Wh/kg

Z rachunku wynika, e COP obiegu chodniczego

pompy ciepa w tym przykadzie wynosi 4,75.

Ilo uzyskanego ciepa jest w tym przykadzie cztery razy

wiksza od iloci zuytej energii elektrycznej. Wspczynnik

wydajnoci wynosi 4.

Im mniejsza jest rnica temperatur pomi-dzytemperatur zasilania obiegu grzewczego itemperatur wejciow rda ciepa, tym wyszy jest wspczynnik wydajnoci.

Regua faustowska brzmi:n Tempeatura zasilania nisza o 1 K

Wspczynnik wydajnoci wyszy o 2,5%

n Temperatura rda wysza o 1 K Wspczynnik wydajnoci

wyszy o 2,7%

A.2 Podstawy fizyczne

Aby mona byo podawa porwnywal-newspczynniki wydajnoci dla pomp ciepa, s one ustalane w oparciu o nor-mDINEN14511 i mierzone w ustalonych punktach pracy pompy. Punkty te okrelane s przez temperatur wejciow mediumr-daciepa (powietrza A, solanki B, wody W) itemperatur wyjciow wody grzewczej (temperatura zasilania obiegu wtrnego).

Dla poszczeglnych typw pomp ciepa wartoci te wynosz:

Typ Temperatura

wejciowa

rda ciepa

Temperatura

zasilania obie-

gu wtrnego

Powietrze/Woda A 2 C W 35 C

Solanka/Woda B 0 C W 35 C

Woda/Woda W 10 C W 35 C

A z ang. air (= powietrze)B z ang. brine (= solanka)W z ang. water (= woda)

Z reguy uwzgldnia si energi napdo-wpompy ciepa zwikszon o pobr mocy regulatora pompy ciepa oraz energi niezbd-n do przeciwdziaania wewntrznemu spad-kowi cinienia obydwu wymiennikw ciepa.

tymrwnie udzia energii pobranej przez pompy, regulatory itp. Wynik okrela si jako sezonowy wspczynnik efektywnoci :

= QWPWEL

sezonowy wspczynnik efektywnociQWP ilo energii cieplnej oddana w cigu

roku przez pomp w kWhWEL ilo energii elektrycznej dostarczonej

wcigu roku do pompy ciepa w kWh

W Niemczech dla ustalania prognoz przyjto zgodnie zdyrektyw Zwizku Niemieckich Inynierw (VDI-Richtlinie 4650) rachunek uproszczony. Znacznie dokadniejsze, ale jed-noczenie bardziej kosztowne jest okrelanie wspczynnika wedug tzw. metody BIN zgod-nie z norm DIN 18599.

W celu obliczenia sezonowego wsp-czynnikaefektywnoci pompciepa na stronie www.viessmann.com dostpny jest kalkulator sezonowego wspczyn-nika efektywnoci.

Wskazwka

A.2.4 Sezonowy wspczynnik efektywnoci

Wspczynnik wydajnoci (COP) wyraa siprzez stosunek powstajcej energii ciepl-nej dopoboru energii elektrycznej w punkcie pracy. Sezonowy wspczynnik efektywnoci to ten sam stosunek na przestrzeni caego roku.

Wspczynnik wydajnoci suy do porwny-wania pomp ciepa pod wzgldem ich efek-tywnoci wspczynnik COP dotyczy jednak tylko okrelonego punktu pracy przy zdefinio-wanych warunkach termicznych.

Podczas planowania (np. przy okrelaniu kosztw uytkowania pompy ciepa) naley uwzgldni prac pompy w trakcie caego roku. W tym celu ustala si stosunek iloci ciepa oddanego w cigu roku do pobranej wtymsamym czasie przez ca instalacj energii elektrycznej. Uwzgldnia si przy

22/23

A.3 Komponenty gwne

Przez obieg pierwotny pompy ciepa rozumie si wszystkie komponenty, ktre s potrzebne do pobierania energii ze rodowiska np. wy-mienniki ciepa, pompy solanki, silniki wenty-latorw, a w pompach ciepa woda/woda rw-nie wymienniki ciepa obiegu poredniego.

Obieg wtrny obejmuje komponenty, ktre skonieczne do przekazania pozyskanej energii do odbiornikw ciepa.

Komponenty gwne

Dobre pompy ciepa odznaczaj si efektywnoci i bezpieczestwem uytkowania. Niezbdne s do tego dopracowane i pewne komponenty, ktre od pocztku do koca idealnie ze sob wspgraj.

24/25

blok nieruchomy

blok ruchomy

A.3.1 Sprarka

Sprarka jest czci pompy ciepa, ktra na-daje urzdzeniu nazw pompa sprarka zasysa czynnik chodniczy w formiegazowej, jednoczenie go sprajc. Wszystkie typy kompresorw zostay opracowane z myl okompresji gazw i mogyby ulec uszko-dzeniu, gdyby zassane zostay znajdujce siwparze krople cieczy. Dlatego para, za-nimdostanie si do kompresora, jest lekko przegrzewana. Przegrzewanie pary regulo-wane jest za pomoc zaworu rozprnego. Precyzyjne sterowanie t czci urzdze-niastanowi wany element odpowiadajcy zaefektywno pompy ciepa.

A.3.1.1 Typy sprarek

Decydujce znaczenie dla efektywnoci pompy ciepa ma proces sprania. W pom-pachciepa stosuje si gwnie sprarki typu scroll. Sparka typu scroll skada si z dwch zachodzcych na siebie spirali, ktre spraj czynnik chodniczy. Sprarki spiralne pracuj cicho i wykazuj si niskim poziomem drga, nie wymagaj konserwacji i s bardzo trwae.

Poza tym wykorzystywane s te spr-arkitokowe i rubowe, przy czym spr-arkiztokiem wirujcym s stosowane raczejwzakresie niskich mocy, sprarki typuscroll wzakresie od niskich do red-nichmocy,asprarki rubowe w zakresie duych mocy.

Rys. A.3.11 Sprarka typu scroll

Sprarka typy scroll skada sizdwch zachodzcych na siebiespiralnych blokw nieruchomego iruchomego.

Ruchomy blok spiralny porusza siruchem mimorodowym, podczasktrego odbywaj sirwnoczenie trzy procesy.

n zasysanie (segmenty niebieskie)n spranie (segmenty fioletowe)n wypychanie (segmenty czerwone)

A.3.1.2 Regulowanie mocy

Regulowanie mocy sprarek zyskuje coraz bardziej na znaczeniu. Regulowanie mocy masens szczeglnie w pompach ciepa wykorzystujcych powietrze jako rdo pierwotne.W przypadku tego rda ciepa wystpuj najwiksze wahania w cigu roku. Ponadto wystpuje tu tendencja przeciwna

Moc projektowa

Temperatura projektowa

Graniczna temperaturaogrzewania

Temperatura zewntrzna (C)

Moc

(kW

)

Zapotrzebowanie na ciepo grzewcze

3

3

2

2

1

1

Nieuregulowana pompa ciepa powietrze/woda

Regulowana pompa ciepa powietrze/woda

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

3

4

1

5

0

8

4

12

16

20

Wspczynnik wydajnoci Moc grzewcza (kW)

Wsp

cz

ynni

k w

ydaj

noc

i

Czstotliwo pola wirujcego (Hz)

Moc

grz

ewcz

a (k

W)

3,13

1,27

4,055,15

6,69 7,218,56

9,66

6,42

2,61

3,70 3,67 3,76 3,59 3,463,14

3,603,77

jeeli chodzi o zapotrzebowanie energii wsto-sunku doiloci dostarczanego ciepa imbar-dziej zimne jest rdo ciepa (powietrze), tym wiksze jest zapotrzebowanie na ciepo grzewcze i tym wiksza rwnoczenie rnica temperatur midzy temperatur rda i tem-peratur uytkow, co nie pozostaje bez wpy-wu na wspczynnik COP. Jeeli temperatura zewntrzna wzrasta, spada zapotrzebowanie na ciepo przy jednoczesnym wzrocie wydaj-noci urzdzenia. W celu uniknicia czste-gotaktowania urzdzenia, moc pompy ciepa jest dopasowywana do tych warunkw. Moc sprarki a tym samym cinienie i tempera-tura czynnika chodniczego jest odpowiednio regulowana.

Regulacj mocy mona osign za pomoc rnych technologii. Najczciej wykorzysty-wan metod jest regulacja mocy sprarki za pomoc inwertera w tym celu napicie sieciowe (np. 230 V~) przeksztacane jest wnapicie stae. W zalenoci od czstotli-woci pola wirujcego uzyskiwana jest rna liczba obrotw sprarki, a tym samym rna moc. Sprarki wyposaone w inwerter pracu-j szczeglnie efektywnie w trybie obcienia czciowego.

Rys. A.3.12 Regulacja mocy

Rys. A.3.13 Sprarka z inwerterem suca do regulacji mocy

Na przykadzie podanych wartoci

wida zasad regulacji mocy: moc

grzewcza wzrasta wraz ze wzrostem

liczby obrotw.

W celu uniknicia czstego taktowania moc jest dostosowywana do pompy ciepa.

A.3 Komponenty gwne

Przykad

Sprarka z regulacj mocy za pomoc zaworu upustowego

Sekundy

Sekundy

50 10 15 20

50 10 15 20

Ci

nien

ieC

ini

enie

Proces sprania Faza zmniejszania cinienia

30% mocy

70% mocy

Inn metod regulacji mocy jest zawr upu-stowy w sprarce. Gdy zawr magnetyczny si otwiera, sprarka pracuje przy zmniejszo-nym cinieniu nie przyczyniajc si doproduk-cji ciepa. W zalenoci od czasu pracy wod-cieniu i obcieniu moliwa jest regulacja mocy w zakresie od 30% do 100%.

26/27

2

1

1

6

3

Parownik

Sprarka

Skraplacz5

6

45

Wymiennik ciepa

Zawr rozprny

Zawr rozprny

4

3

stan cieky

stan gazowy

Ciepo grzewczeCiepo naturalne

Enhanced VaporizedInjection (EVI)

2

Rys. A.3.14 Enhanced Vapourized Injection (EVI)A.3.1.3 Dodatkowy wtrysk pary EVI (Enhanced Vapourized Injection)

Temperatury docelowe w obiegu wtrnym wobszarze budynku zale od temperatury powierzchni grzewczych i temperatury pod-grzanej wody. Dziaanie instalacji rwnie przyduych rnicach midzy temperatu-rrda i temperatur uytkow umoliwia dodatkowy wtrysk pary w sprarce.

Temperatura maksymalna, jak aktualnie mog osign w procesie sprania czyn-nikichodnicze, wynosi 135C. Przywar-tociach wyszych sprarka ulegaby uszkodzeniu. Poprzez dodatkowy wtrysk paryczynnikachodniczego, tzw. Enhanced Vapourized Injection (EVI), para ulega scho-dzeniu.Nastpuje to w momencie, w ktrym spranie jest ju w dwch trzecich ukoczo-ne (por.rys.A.3.1-4 i rys. A.3.1-5).

Rozwizania standardowe pozwalaj nawzrost temperatury o 60 K, podczas gdyprzy zastosowaniu wtrysku EVI osiga siwzrost na poziomie do 80 K. Dziki dodat-kowemu wtryskowi pary moliwe jestuzyska-nie temperatury zasilania na poziomie 65C rwnie przy niskiej temperaturze rdacie-pa. Zastosowanie dodatkowego wtrysku

Cz czynnika chodniczego jest wykorzystywana po skropleniu (3) do wytworzenia, za pomoc dodatkowe-

go wymiennika ciepa (4) i zaworu rozprnego, pary, ktra jest wtryskiwana bezporednio do sprarki (2).

Nastpuje to w momencie, w ktrym spranie jest ju w dwch trzecich ukoczone. Dziki dodatkowemu

wtryskowi dotychczas sprona para z czynnika chodniczego ulega schodzeniu.

Pompa ciepa nie wyposaona

wsystem EVI (czerwona linia)

przytemperaturze rda 10C

osiga maksymaln temperatur

zasilania na poziomie 55C, ponie-

wa proces sprania pary musi

si zakoczy przy temperaturze

135C. Dziki dodatkowemu wtry-

skowi EVI(pkt 3 do 4; niebieska

linia)nastpuje schodzenie czyn-

nika. Cinienie moe wzrasta bez

przekroczenia dopuszczalnej tempe-

ratury maksymalnej. W ten sposb

moliwe jest uzyskanie temperatu-

ryzasilania na poziomie 65C.

4050

30

20

10

5

4

3

2

1

Ci

nien

ie c

ako

wite

p (b

ar)

Zawarto energii h (Wh/kg)

100 110 120 130 140 15080 907050 604030

0C

10C

-10C

20C

-20C

30C

-30C

-40C

70C

60C

80C

60C

40C

100

C

120

C

140

C

PrzegrzanaparaPara

Stan cieky 1 2

34

3

56

4

Pompa ciepa bez EVI Pompa ciepa z EVI Pompa ciepa bez EVI

Parowanie

Skraplanie

Roz

pr

anie

Spr

ani

e

Rys. A.3.15 Dziaanie EVI

pary ma szczeglny sens w pompach ciepa powietrze/woda,poniewa w tym przypadku naley oczekiwa niskich temperatur rda pierwotnego.

A.3.2 Zawr rozprny

Zadaniem zaworu rozprnego w obie-gu pompy ciepa jest obnianie cinienia czynnikachodniczego, ktry po oddaniu ciepa dosystemu grzewczego skrapla si, alenadalpozostaje pod wpywem wysokie-gocinienia. Czynnik chodniczy przechodzi wstan umoliwiajcy ponowny pobr ciepa naturalnego. Wcelu uniemoliwienia dosta-nia sidosprarki cieczy, zawr rozprny reguluje ilo czynnika chodniczego (prze-pyw czynnika chodniczego) w ten sposb, edoparownika dostaje si tylko tyle czyn-nika, ile moe tam cakowicie odparowa. Zawr odpowiadaza to, aby do sprarki dostawaa si tylko para przegrzana.

Wahania temperatury rda oraz wahania mocy sprawiaj, e konieczne jest zastosowa-niezaworu rozprnego z regulacj, poniewa cinienie obiegu chodniczego, a tym samym wymagana temperatura, zmieniaj si przed wejciem do sprarki.

2

2

1 Termostat Zawr rozprny

1

4

4

3

2

2

1 Czujnik temperatury

Czujnik cinienia

1

3 Regulator EZR

Zawr rozprny

Rys. A.3.21 Termostatyczny zawr rozprny Rys. A.3.22 Elektroniczny zawr rozprny

Rys. A.3.23 Przegrzanie

A.3.2.1 Termostatyczny zawr rozprny

Termostatyczny zawr rozprny, to stero-wanytemperatur zawr regulacyjny. Mierzy ontemperatur w przewodach sscych pro-wadzcych do sprarki i steruje przekazywa-niem czynnika chodniczego do parownika.

A.3.2.2 Elektroniczny zawr rozprny

Za pomoc elektronicznego zaworu roz-prnego mierzy si zarwno temperatu-r,jakicinienie przed sprark. Dziki siownikowiwzaworze rozprnym regula-cjaprzepywuczynnika chodniczego odbywa si bardzo szybko i precyzyjnie, co umoliwia utrzymywanie przegrzania czynnika (w kelwi-nach) na staym poziomie w caym zakresie regulacji mocy sprarki.

Termostatyczne zawory rozprne osigaj poziom minimalnego wymaganego przegrza-nia tylko w punkcie projektowym. Wewszyst-kich pozostaych punktach pracypoziom prze-grzania jest wyszy.

Im wyszy jest poziom przegrzania czynni-kachodniczego, tym nisza jest maksymal-na temperatura uzyskiwana w skraplaczu (por.rys. A.3.1-5). Dodatkowo wzrastawy-magany czas pracy sprarki, a efektyw-nopompy ciepa spada.

A.3 Komponenty gwne

-20 -10 0Temperatura rda (C)

Prze

grza

nie

(K)

+10

10

12

8

6

4

2

0

A

A

Elektroniczny zawr rozprny

Termostatyczny zawr rozprny

Punkt projektowy

Elektroniczny zawr rozprny reguluje szybko i dokadnie

przepyw czynnika chodniczego, dziki czemu poziom

przegrzania jest stay w caym zakresie mocy sprarki.

Termostatyczny zawr rozprny osiga optymalny poziom

przegrzania tylko w punkcie projektowym w pozostaych

punktach pracy poziom przegrzania jest zbyt wysoki.

Termostatyczny zawr rozprny

regulowany jest hydraulicznie

zapomoc kapilary.

28/29

Rys. A.3.31 Parownik z i bez instalacji rozprowadzajcej

Bez rozprowadzania czynnika chodniczego Z rozprowadzaniem czynnika chodniczego

2

1

C

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

A.3.3 Wymienniki ciepa

W tym rozdziale opisane zostan najwaniej-sze cechy wymiennikw ciepa stosowanych w pompie ciepa. Rne typy pomp ciepa, ktre czciowo bd tu wymienione, zosta-nopisane w rozdziale A.4.

A.3.3.1 Parownik

W pompach ciepa solanka/woda i woda/wo-da jako parownik stosuje si zazwyczaj pyto-we wymienniki ciepa, poniewa przy stosun-kowo kompaktowej budowie charakteryzuj si one wysok zdolnoci przekazywania ciepa. W wyjtkowych przypadkach w pom-pach ciepa woda/woda stosuje si rwnie wsposiowe wymienniki ciepa. W przypadku zanieczyszczonej wody zapewniaj one wyso-kie bezpieczestwo pracy. Dla wykorzystania ciepa odpadowego, np. ze ciekw, stosuje si konstrukcje specjalne.

Zwikszenie wydajnoci pytowych wy-miennikw ciepa mona uzyska poprzez zastosowanie instalacji rozprowadzajcej czyn-nikchodniczy. Dziki niej czynnik chodniczy jestrozprowadzany rwnomiernie na caej po-wierzchni odparowania. W ten sposb zapo-biega si przestrzeliwaniu czynnika chod-

niczego tylko w czci parownika i zapewnia sioptymalne wykorzystanie powierzchni wymiennika.

W pompach ciepa typu powietrze/woda stosuje si lamelowe wymienniki ciepa. Techarakteryzuj si bardzo du po-wierzchni po stronie pierwotnej, poniewa pojemnocieplna powietrza jest znacznie mniejszaodpojemnoci, jak ma woda czymieszankawodno-glikolowa.

W temperaturze bliskiej punktu zamarzania iponiej niego para wodna zawarta w powie-trzu zamarza na lamelach wymiennika ciepa. Dziki duym przerwom midzylamelami przedua si czas obladzania parownika, ktremu nie mona jednak cakowicie za-pobiec. Zamarznite wymienniki ciepa po-woduj wzrost gonoci pracy urzdzenia oraz wzrostpoboru mocy przez wentylator. Wzwizku ztym, musz by one regularnie rozmraane. Wnowoczesnych pompach cie-pa odbywa si to automatycznie, w zaleno-ci od potrzeb. Im mniej energii naley zuy na rozmraanie, tym efektywniej pracuje pom-pa ciepa. Lamelowe wymienniki ciepa stoso-wane przez firm Viessmann maj specjalne pokrycie, ktre sprawia, e parownik jestza-bezpieczony przed korozj, a woda powstaa podczas rozmraania spywa szybko.

Termografie pokazuj dziaanie instalacji rozprowadzajcej czynnik chodniczy. Bez rozprowadzenia (strona lewa) czynnik chodniczy moe przestrzeliwa, a wymiennik ciepa

jestpenetrowany nierwnomiernie. Z rozprowadzaniem (strona prawa) moliwa jest rwnomierna penetracja parownika.

A.3.3.2 Skraplacz

Jeli chodzi o proces skraplania, tu rwnie stosuje si w pierwszej kolejnoci pytowe wymienniki ciepa, ktre wyrniaj siwyso-k wydajnoci przenoszenia ciepa. Wymien-niki o innych konstrukcjach stosuje si dopie-rowzakresie mocy powyej 100 kW.

A.3.3.3 Wymienniki ciepa gazu zasysanego

Sterowanie za pomoc zaworu rozprne-gozapewnia przegrzewanie czynnika chodni-czego przed wejciem do sprarki, co ozna-cza jego cakowite odparowanie. Szczeglnie wprzypadku mieszanek czynnika chodnicze-go, ktrych czci skadowe mog mie rne temperatury wrzenia, bezpieczestwo pracy podnosi si dziki zastosowaniu wymiennika ciepa gazu zasysanego. Zapobiega on wyst-powaniu na sprarcie czsek ciekych czynni-ka chodniczego.

A.3.3.4 Uwalnianie energii ogrzanego gazu

Zanim para z czynnika chodniczego do-trzedoskraplacza, cze energii pochodz-cejzgorcego gazu moe zosta uwolniona iwykorzystana, gwnie do podgrzewania wo-dy. Ilo energii wykorzystywanej wtenspo-sbwynosi zwykle okoo 10% caoci ener-giicieplnej. Pozostaa cz energii na nieco niszym poziomie termicznym jest oddawa-naza porednictwem skraplacza doobiegu grzewczego.

W pompach ciepa firmy Viessmann nieuywa si czciowego uwalniania energiizogrzanego gazu, gdy, zwasz-cza w przypadku nieregularnego zuycia ciepejwody uytkowej, istnieje niebezpie-czestwo, eenergia z ogrzanego gazu zo-stanieniewykorzystana. Zwikszony spadek cinienia wobiegu chodniczym spowodowa-nyprzezdodatkowy wymiennik ciepa zmniej-szaby efektywno pompy ciepa.

2

1

1

4

3

Parownik

Sprarka

Skraplacz 5

5

Wymiennik ciepagazu zasysanego

Zawr rozprny

4

3

Stan cieky

Stan gazowy

Ciepo grzewczeCiepo ze rodowiska

2

2

1

1 4

3

Parownik

Sprarka

Uwalnianie energiiogrzanego gazu

5

5

Skraplacz

Zawr rozprny

4

3

Stan cieky

Stan gazowy

Ciepo grzewczeCiepo ze rodowiska

2

Rys. A.3.33 Wymiennik ciepa gazu zasysanego

Rys. A.3.34 Uwalnianie energii ogrzanego gazu

A.3 Komponenty gwne

Rys. A.3.32 Pompa ciepa powietrze/woda

Pompa ciepa Vitocal 350-A

30/31

A.3.4 Czynnik chodniczy

Czynnik chodniczy parujc pochania ener-giciepln pochodzc ze rda ciepa (powietrza, ziemi lub wody) i dostarcza jdowymiennika przechodzc ponownie wstan cieky. Przejcia midzy tymi fazami szawszezwizane z wydzielaniem energii, dlatego te,teoretycznie kada substancja moe by czynnikiem chodniczym.

Czynnik chodniczy uywany w pompach ciepa musi wykazywa pewne szczeglne waciwoci. Musi on posiada moliwie niskipunkt wrzenia, cechowa si ma ob-jtoci pary po odparowaniu i odpowiedni wstosunku do objtoci zdolnoci cho-dzenia. Poza tym nie moe on by szkodliwy dlaelementw skadowych pompy i zastoso-wanych wniej smarw, nie powinien by wy-buchowy ani atwopalny, a ponadto powinien by moliwie mao szkodliwy dla otoczenia. Moliwie niski powinien by te jego wpyw na warstw ozonow (ODP = Ozone deplation potential) i efekt cieplarniany (GWP = Global Warming potential).

Wymagania te najlepiej speniaj czcio-wohalogenowane fluorowglowodory (HFC), ktre s zwykle uywane w pompachciepa. Obok syntetycznych czynnikw chodniczych w niektrych przypadkach stosuje si rwnie czynniki naturalne, jak CO2, propan lubbutan. Poniewa dwa ostatnie s substancjami wy-buchowymi ich stosowanie wymaga specjal-nych rodkw bezpieczestwa.

Oznaczenia dla czynnikw chodniczych zde-finiowano w normie DIN 8960. Rozpoczynaj si one od litery R (refrigerant). Na podstawie nastpujcych po tej literze cyfr mona ustali ich skad chemiczny (por. rys. A.3.4-1).

Wszystkie czynniki chodnicze, ktrych cig cyfr po literze R rozpoczyna cyfra 4, s mie-szaninami rnych czynnikw chodniczych, ktre nie s opisywane zgodnie z podan wyej systematyk. Mieszaniny odznaczaj si szczeglnie dobranymi waciwociami fizykalnymi i s przy tym stosunkowo przyja-znerodowisku. Wybr optymalnego czyn-nika chodniczego uzaleniony jest od warun-kw pracy pompy ciepa, a wic temperatury rda i temperatury docelowej.

Termin halogenowany oznacza, e w czstecz-ce obok wgla zawarte s tzw. halogeny, czyli fluor, chlor, brom albo jod. Czsteczka moe by halogenowana wcaoci lub tylko cz-ciowo. Wglowodory halogenowane czcio-wo zawieraj dodatko-wo wodr. Ich wpyw na efekt cieplarniany (GWP) jest znacznie sabszy, ni wglowo-dorw halogenowanych w caoci, w sposbna-sycony. Wglowodory bezchlorkowe nie nisz-cz warstwy ozonowej, zatem ich wspczynnik ODP wynosi zero.

Wskazwka

Czynnik chodniczy Typ pompy ciepa

Typ

Skad

solanka/woda

woda/woda

powietrze/woda

R-410A50 % R-32 (CH2F2, difluorometan) 50 % R-125 (C2HF5, pentafluoroetan)

x x x

R-407C25 % R-125 23 % R-32 52 % R-134a (CF3CH2F, tetrafluoroetan)

x x x

R-134a 100 % CF3CH2F, tetrafluoroetan x x

Rys. A.3.42 Tabela czynnikw chodniczych Viessmann

Rys. A.3.41 Wycig z normy DIN 8960

Nie kady czynnik chodniczy lub mieszanina czynnikw

chodniczych nadaje si do danego typu pompy ciepa.

Przykad

Organiczny czynnik chodniczy pentafluoroetan:

Czsteczka skada si z dwch atomw wgla (C),

jednego atomu wodoru (H) i piciu atomw flu-

oru(F). Wzr sumaryczny wizania to C2HF5 (R-125).

a) Pierwsza cyfra od prawej wskazuje liczb atomw fluoru (F) zawartych w zwizku.

b) Druga cyfra od prawej jest o 1 wiksza, anieli liczba zawartych w zwizku atomw wodoru (H).

c) Trzecia cyfra od prawej jest o 1 mniejsza, anieli zawarta w zwizku liczba atomw wgla (C). Jeeli zwizek zawiera jeden atom wgla, wwczas wynikajcej std cyfry 0 nie zapisuje si.

A.4 Potencja rde pierwotnych

Potencja rde pierwotnych

Pompy ciepa wykorzystuj jako pierwot-nerdo ciepa w zdecydowanej czci cie-po pochodzce z ziemi, powietrza lub wody. Pompa ciepa moe te odzyska np. niewyko-rzystane ciepo odpadowe.

W kolejnych rozdziaach opisane zostan r-ne rda pierwotne i wynikajce nich rnice w rnych typach pomp ciepa.

W powietrzu, ziemi i wodzie zawarte jest ciepo pochodzce z energii sonecznej. Ciepo pochodzce ze rodowiska naturalnego jest zatem energi odnawialn, ktrwykorzystuj pompy ciepa.

32/33

Rys. A.4.11 Roczny rozkad temperatur w gruncieA.4.1 rdo ciepa ziemia

Przez ziemi rozumie si zewntrzn war-stw gruntu, bdc stabilnym rdem ener-gii cieplnej. Przykadowo temperatura na g-bokoci dwch metrw utrzymuje siprzez cay rok na stosunkowo rwnym poziomie wzakresie od 7C do 13C.

Pozyskiwanie ciepa odbywa si za pored-nictwem wymiennika ciepa, ktry jestpoo-onyw pobliu ogrzewanego budynku. Ciepo zgromadzone w ziemi jest transportowane wpooonych horyzontalniewielko powierzch-niowych kolektorach ziemnych lubumieszczo-nych pionowo wziemi sondach,zaporednic-twem medium (solanki) mieszaniny wody i rodka przeciw zamarzaniu doparownika bdcego czci tzw.pompy ciepa so-lanka / woda. Nazwa pompy solanka / woda wskazuje na obecno solanki w obiegu pier-wotnym iwody w obiegu wtrnym. Kolektory ziemne wykorzystuj ciepo, ktre dostarczo-ne zostao do gruntu wwyniku promieniowa-nia sonecznego, opadw deszczu lub z wod pochodzc zroztopw.

A.4.1.1 Kolektor ziemny

W przypadku kolektora ziemnego na gboko-ci od 1,2 do 1,5 m umieszcza siwprzewo-dyz tworzyw sztucznych. Panujcatamtem-peratura jest przez cay rok wystarczajco stabilna umieszczanie przewodw na wik-szej gbokoci, w celu uzyskania wikszej iloci ciepa, byoby nieuzasadnione biorc pod uwag nakady budowlane, a tym sa-mymifinansowe.

Przewody s w miar moliwoci rwnych dugoci, po to aby uzyska w nich rwne spadki cinienia oraz przepywy. Przewody niepowinny przekracza dugoci100 m, gdy wystpujce spadki cinienia wymaga-yby zbyt intensywnej pracy pompy obiego-wej. Przewody cz si w pooonych wyej powrotach kolektora (wyposaonych wod-powietrzniki) umoliwiajcych zamknicie kadego z osobna. Solankajest pompowana przez przewody za pomoc pompy obiego-wejpochaniajc zawarte wziemi ciepo.

Spowodowane dziaaniem pompy ciepa, wystpujce okresowo niewielkie oblo-dzenie ziemi w bezporednim ssiedztwie

Rys. A.4.12 rdo ciepa kolektor ziemny poziomy

0

5

10

15

18

Temperatura (C)

G

boko

(m

)

15 201050

1. Luty 1. Sierpie

1. Listopad1. Maj

przewodw rurowych, nie ma negatywnego wpywunadziaanie instalacji, ani rosnce na powierzchni roliny. Dla bezpieczestwa instalacji, roliny ogbokich korzeniach nie powinny by sadzone w pobliu kolektorw ziemnych.

Kolektor zbudowany jest z uoonych pasko przewodw z tworzyw sztucznych, ktre przykrywa si warstw

ziemi gruboci od 1,2 do 1,5 m.

Powierzchnia znajdujca si nad kolekto-remziemnym nie powinna by zabudowana lub zabetonowana, aby umoliwi regenera-cj schodzonej ziemi w okresie wiosenno--letnim. Promieniowanie soneczne i opady zapewniaj, e rwnie w kolejnym sezonie grunt bdzie stanowi rdo ciepa do celw grzewczych.

Zwizane z rozoeniem kolektora prace ziemne s w przypadku nowo powstaj-cegodomustosunkowo atwe do wykona-nia,bezkoniecznoci znacznego zwik-szaniakosztw.Wprzypadku budynkw ju istniejcychdozbrojenie instalacji wpompciepa solanka/woda najcz-ciej niejestbrane pod uwag zewzgl-dunazwikszone koszty inwestycyjne.

Ilo ciepa uytkowego, a co za tym idzie wielko niezbdnej powierzchni kolektora, s silnie zalene od fizykalnych i termicznych waciwoci gruntu oraz energii napromie-niowania, czyli warunkw klimatycznych. Decydujce znaczenie dla waciwoci gruntumajudzia wody, jak rwnie mine-raw, takich jakkwarc czy kalcyt, oraz ilo iwielkoporw. Waciwoci magazynujce i zdolno doprzewodzenia ciepa s tym lep-sze, imwicej wody i skadnikw mineralnych jestwziemi iim mniej porowaty jest grunt.

Wydajno poboru ciepa z ziemi wynosi odokoo 10 do 35W/m2.

Rys. A.4.13 rdo ciepa kolektor ziemny poziomy

A.4 Potencja rde pierwotnych

3

2

1 Kolektor ziemny poziomy

Pompa obiegu solanki

Pompa ciepa solanka/woda3

2

1

Rys. A.4.14 Wydajno poboru ciepa z gruntu

Moliwa specyficzna wydajno kolektorw ziemnych

Rodzaj podoa Specyficzna wydaj-

no poboru ciepa

Podoe suche i piaszczyste 15 20 W/m2

Podoe wilgotne i piaszczyste 15 20 W/m2

Podoe suche i gliniaste 20 25 W/m2

Podoe wilgotne i gliniaste 25 30 W/m2

Podoe z obecnoci wd gruntowych 30 35 W/m2

34/35

Zdj. A.4.16 Prace wiertnicze

Zdj. A.4.17 Rne rodzaje wierte

A.4.1.2 Sonda pionowa

Podczas gdy do pooenia poziomego kolek-tora ziemnego na gbokoci 1 m konieczne sprace zwizane z odsoniciem duej warstwy gruntu, zainstalowanie sondy pio-nowej, dziki zastosowaniu nowoczesnych maszyn wiertniczych, moliwe jest w cigu kilku godzin. Wprzypadku instalacji, w skad ktrych wchodz sondy pionowe, gwn rol odgrywa odpowiednie rozoenie i gboko odwiertw. Dlatego wprowadzaniem sond pionowych zajmuj si geolodzy lub wyspe-cjalizowane firmy wiertnicze ,posiadajce od-powiedni wiedz fachow. Ponadto istnieje moliwo uzyskania od tyche firm pisem-nejgwarancji dotyczcej wydajnoci poboru ciepa. Wysok pewno planowania zapew-niaj oferty pakietowe zawierajce instalacj pompy ciepa wraz z odwiertem i gwarancj wydajnoci poboru ciepa z gruntu.

W Polsce przed wykonaniem odwiertw pod sondy pionowe o gbokoci do 100 m konieczne jest uzyskanie zgody Urzdu Gmi-ny na terenie ktrej wykonuje si odwiert. Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 15grudnia 2011 r. w sprawie szczegowych wymaga dotyczcych innych dokumentacji geologicznych (Dz. U. Nr 282, poz. 1656)za-wiera m.in. zestawienie potrzebnych doku-mentw do przedoenia wraz z wnioskiem ozgod na wykonanie odwiertw.

W przypadku wykonywania odwiertw gbszych ni 100 m obowizuj odpowied-nie przepisy dotyczce zakadu grniczego i jegoruchu oraz ratownictwa grniczego. (Ustawa zdnia 9 czerwca 2011 Prawo geolo-giczne igrnicze Dz. U. Nr 163, poz. 981). W otwr wiertniczy wprowadza si wstpnie przygotowan sond, a przestrze pomidzy rur zawierajc sond, a ciankami odwiertu uzupenia si substancj wypeniajc.

Koszty wykonania takiego odwiertu, cznie zsond, podczeniem i wypenieniem, wy-nosz w zalenoci od waciwoci gruntu od 70do 100 z za metr. W celu waciwego ogrzania typowego domu jednorodzinnego, wybudowanego w technologii niskoener-getycznej, potrzebna bdzie pompa ciepa omocy grzewczej 8 kW, a gboko odwier-tumoe wynie przykadowo ok. 150 m cz-nie(np2odwierty po 75 m). Cakowity koszt takiej instalacjipompy ciepa wraz z wykona-

Rys. A.4.15 rdo ciepa sonda pionowa

4

3

1 Sondy pionowe

Rozdzielacz solanki

Obiegowa pompa solanki

Pompa ciepa solanka/woda

2

2

3

4

1

Instalacja sondy odbywa si

wtrzech etapach: nawiercanie

otworu, umieszczanie sondy,

uszczelnianie wypeniaczem.

W zalenoci od rodzaju podoa i rozmiarw sondy stosuje si rne typy wierte.

niem odwiertw, wprowadzeniem i podcze-niem sond pionowych oraz instalacj grzewcz wdomu waha si od 50 ty do 70 ty z.

Podstawowym warunkiem z punktu widze-niaplanowania instalacji i umieszczenia sondy ziemnej jest dokadna znajomo waciwo-cigruntu, kolejnoci warstw geologicznych, opornoci gleby, a w przypadku obecnoci wd gruntowych lub powierzchniowych okre-lenie kierunku przepywu ciekw wodnych. Mona przyj, e rednia wydajno sondy ziemnej wynosi do 50 W na 1 metr dugoci sondy. Jeeli sonda znajduje si w bogatej warstwie wodononej, moliwe jest uzyska-nie wyszej wydajnoci poboru ciepa.

Dowiadczone firmy wiertnicze dobrze znaj swoje podoa, a rdze pobrany podczas odwiertu pozwala okreli spodziewan wy-dajno poboru ciepa. Na wikszych obsza-rach, gdzie umieszczane s sondy, opaca si przeprowadzenie odwiertw prbnych w celu uzyskania dokadniejszych danych potrzeb-nych doplanowania instalacji.

Jako medium ciepa w sondach ziemnych, podobnie jak w kolektorach ziemnych, sto-suje si solank. Z rozdzielacza solanka py-niedwiema rurami na d w kierunku sondy, akolejnymi dwiema rurami jest odprowadzana zpowrotem na gr do przewodu gwnego.

Rys. A.4.19 Wydajno poboru ciepa przez sondy ziemne

Zdj. A.4.18 Rozdzielacz solanki w sondzie ziemnej

Wydajno rednia poboru ciepa

dla sond ziemnych (podwjne sondy

w ksztacie litery U) zgodnie

znorm VDI 4640.Rodzaj podoa

Wydajno rednia

poboru ciepa

Wskaniki oglne

Sabe podoe (osad suchy) 20 W/mZwarta skaa (osad nasycony wod) 50 W/mZwarta skaa o duej przewodnoci cieplnej 70 W/m

Poszczeglne rodzaje gleby

wir, piasek, gleba sucha < 20 W/mwir, piasek, zawierajce wod 55 65 W/mGlina wilgotna 30 40 W/mWapie, (lity) 45 60 W/mPiaskowiec 55 65 W/mMagmatyty kwane (np. granit) 55 70 W/mMagmatyty zasadowe (np. bazalt) 35 55 W/mGnejs 60 70 W/m

A.4 Potencja rde pierwotnych

Thermal ResponseTest (TRT): Do sondy ziemnej dostarczana jestokrelo-na ilo ciepa,tempera-tura wody wychodzcej z sondy jest mierzona przez wiele dni. TRT umoliwia obliczenie efektywnej przewod-noci cieplnej gruntu wpobliu sondy.

Wskazwka

36/37

A.4.2 rdo ciepa woda

Jako rdo ciepa dla instalacji pomp cie-panadaje si rwnie woda. Nawet wcza-siechodnych zimowych dni woda grunto-wautrzymuje statemperatur na poziomie od7C do 12C. Wcelu wykorzystania wody dla potrzeb pompy ciepa jest ona pobierana ze studni zasilajcej i transportowana dopa-rownika pompy ciepa woda / woda. Scho-dzona woda jest odprowadzana do studni zrzutowej.

Woda powierzchniowa rwnie moe by wykorzystana jako rdo ciepa, przy czym naley zauway, e w tym przypadku waha-nie temperatur zwizane z porami roku jest wiksze.

Jako wody nie moe przekracza warto-cigranicznych ustalonych przez producenta pompy ciepa - wydajne pytowe wymienniki ciepa s bardzo czue na jako wody. Aby unikn ewentualnych uszkodze, zaleca si stosowanie wymiennika ciepa obiegu poredniego. Jako dodatkowe wymienniki ciepasprawdzaj si skrcane wymienniki ciepa ze stali szlachetnej, ktre przenosz ciepo do obiegu solanki. Dziki nim pompa ciepa jest prawidowo chroniona.

A.4.3 rdo ciepa powietrze

Wykorzystanie powietrza jako rda ciepa wymaga najmniejszych nakadw inwestycyj-nych, jeli chodzi o uzbrojenie terenu. Powie-trze jest zasysane, schadzane w parowniku pompy ciepa, anastpnie ponownie odpro-wadzanedootoczenia.

Nowoczesna pompa ciepa powietrze / woda jest w stanie wytwarza ciepo przy tempe-raturze powietrza zewntrznego do 20C. Nawet przy zoptymalizowanym ustawieniu przy tak niskiej temperaturze pompa nie jest ju wstanie pokry w caoci zapotrzebowa-nia na ciepo niezbdne do ogrzania pomiesz-cze.Dlatego w bardzo zimne dni wstpnie podgrzana przez pomp woda jest dogrzewa-na do danej temperatury zasilania przezdo-datkowe rdo ciepa.

Zastosowanie wymiennika ciepa obiegu po-redniego wymaga dodatkowego przepywu w pompie i zmienia rozpito temperatur wydajno grzewcza i wspczynnik COP pompy ciepa s o kilka procent nisze.

Wykorzystanie wody gruntowej lub po-wierzchniowej rwnie wymaga zezwole-niaodpowiedniego urzdu, z reguy urzdu dospraw gospodarki wodnej.

Rys. A.4.21 Pompa ciepa woda/woda z obiegiem porednim

Rys. A.4.31 rdo ciepa powietrze (ustawienie wewntrzne)

5

2

2

1

1

Studnia zrzutowa

Studnia zasilajca z pomp ssc

Wymiennik ciepa obiegu poredniego

Pompa cyrkulacyjna obiegu poredniego

Pompa ciepa woda/woda

3

3

4

4

5

32

2

1

1

Kana doprowadzajcy

Kana odprowadzajcy

Pompa ciepa powietrze/woda3

Poniewa wymienniki ciepa powietrze / wo-daprzetaczaj stosunkowo due ilocipo-wietrza (3 000 do 4 500 m3/h), przy plano-waniuusytuowania otworw wlotowych iwylotowychwbudynku naley uwzgld-nizwizanyztympoziom haasu dotyczy torwnie pompy ciep ustawionej na ze-wntrz budynku.

5

2

2

1

1

Kana ciekowy

cieki

Wymiennik ciepa

Pompa obiegu pierwotnego

Pompa ciepa woda/woda3

3

4

4

5

Rys. A.4.51 rdo ciepa ciepo odpadowe

Zdj. A.4.52 Wymiennik ciepa w kanale ciekowym

Rys. A.4.41 Dostpno i efektywno A.4.4 Dostpno i efektywno ocena rde pierwotnych

Na rys. A.4.4-1 przedstawiono relacj midzy dostpnoci rde ciepa, a efektywnoci pompy ciepa. Na rysunku wida wyranie, eefektywno pompy ciepa jest najwysza, gdy rdem ciepa jest woda. Jednoczenie dostpno uytecznej wody gruntowej jestnajmniejsza. W przypadku ziemi, jako rda ciepa stosunek ten jest zrwnowa-ony. Wprzypadku powietrza, mimo e jego dostpno jest praktycznie nieograniczona, zewzgldu na wahania temperatury iprzeciw-stawny cykl niskie temperatury zewntrzne i wysokie zapotrzebowanie na ciepo efek-tywno pompy spada.

Woda Ziemia Powietrze

Efektywno

Dostpno

Przy niskim nakadzie

inwestycyjnym cieki mog by

rdem ciepa ostosunkowo

wysokiej temperaturze

A.4.5 rdo ciepa ciepo odpadowe

Obok powietrza, wody i gruntu, jako rdo ciepa moe by te wykorzystywane ciepo odpadowe np. z zuytego powietrza lubcie-kw.Podczanie dopywu ciepa odpadowe-go jest czsto tanim sposobem nadostarcze-nie ciepa lub zimna. Ciepo odpadowemoe mie stosunkowo wysok temperaturr-dow i by stale dostpne. Wprocesach przemysowych wykorzystanie ciepa odpa-dowego moe prowadzi dowzrostuwsp-czynnikaCOP pompy ciepaluboptymalizacji caego procesu, w ktrym konieczne jestdo-starczaniezarwno ciepa, jak i zimna. Przy-kadowo jeeliw produkcji rodkw spoyw-czych konieczne jest chodzenie iogrzewanie, moliwe jest waciwe wykorzystanieoby-dwu stron maszyny chodniczej.

Pobr ciepa ze zuytego powietrza po-chodzcego z instalacji wentylacyjnej ije-gowykorzystanie do podgrzewania wody przemysowejlub powietrza wchodzcego daje stosunkowo dobry efekt. Dobrym sposo-bemodzyskiwania ciepa jest wykorzystanie ciekw. Za pomoc specjalnych wymien-nikw ciepa, ze ciekw pochodzcych zgospodarstwa domowego lub procesw przemysowych, odzyskuje si pewn ilo energii, ktra zostaa dostarczona w trakcie wczeniejszych procesw.

A.4 Potencja rde pierwotnych

38/39

Zdj. A.4.61 rdo ciepa absorbery nieprzeszkloneA.4.6 Absorbery wspomagane instalacj solarn

Do podwyszenia temperatury po stronie pierwotnej pompy ciepa mog by te uy-wane kolektory soneczne lub absorbery nie-przeszklone. W ten sposb energia soneczna jestbezporednio wykorzystywana do popra-wy wspczynnika sprawnoci.

Absorbery nieprzeszklone, ktre wykorzystu-j jako rdo ciepa temperatur otoczenia, mog by podczone do obiegu parownika. Dziki promieniowaniu sonecznemu absorbe-ry regeneruj si w trakcie pracy, oznacza to, e temperatura jest utrzymywana na wysokim poziomie. Poniewa promieniowanie sonecz-ne nie zawsze jest osigalne na wymaganym poziomie, szczeglnie w okresie grzewczym, moliwo poprawy wspczynnika wydajno-ci w tej kombinacji jest zalena od pogody, a wic nie ma charakteru staego. Przy pro-jektowaniu instalacji naley uwzgldni, e w pewnych okresach absorbery s przykryte niegiem, co sprawia, e promieniowanie so-neczne jest nie jest odbierane.

W przypadku instalacji solarnych wspieraj-cych instalacje grzewcze, energia niewyko-rzystana w obiegu grzewczym, zgromadzona w zbiorniku multiwalentnym lub buforowym, mogaby by teoretycznie wykorzystana przez pomp ciepa poprzez schodzanie zbiornika okilka kelwinw. Stopie wykorzystaniapom-py ciepa (podwyszona temperatura rda) oraz kolektorw (niska temperaturapowrotu) byby dziki temu wyszy.

W praktyce jednak ewentualna korzy nie rwnoway niezbdnych nakadw technicz-nych i finansowych. Poczenie instalacji solar-nej i pompy ciepa umoliwia natomiast wyko-rzystanie zmiany faz w zasobnikach ciepa.

Zdjcie przedstawiajce absorbery

nieprzeszklone, wykorzystujce jako

rdo ciepa promieniowanie so-

neczne i temperatur otoczenia.

A.4.7 Zmiana faz, jako gromadzenie ciepa postronie pierwotnej

Jeeli ani woda, ani powietrze, ani ziemia niemog by uyte jako jedyne, bezpored-nierdo ciepa, mona zastosowa techni-kimagazynujce.

Jako rdo ciepa dla pomp ciepa wykorzy-stywana jest entalpia krzepnicia regenera-cja (topnienie) nastpuje przy udziale ciepa z otoczenia i instalacji solarnej. Obok wody (lodu) mona w tym celu zastosowa np. para-fin. Zasada jest w obu przypadkach ta sama.

Do przemiany fazowej 1 kilograma

lodu w wod przy staej temperatu-

rze potrzeba energii rwnej 93 Wh.

Tem

pera

tura

(C

)

116Wh/kg

627Wh/kg

93Wh/kg

0

1003

EDCB

2

1

1 Punkt zamarzania

Punkt wrzenia

Punkt nasycenia pary

2

3

A Ld

Woda + ld

Woda

B

C

D Woda + para

ParaE

A

Rys. A.4.71 Zasobnik ciepa wykorzystujcy przemian fazow

A.4 Potencja rde pierwotnych

acuch stan gazowy stan cieky zostaje uzupeniony w pompie ciepa po stronie rda o kolejne ogniwo stan cieky stan stay.

W praktyce okazao si, e wykorzystanie jakorda pierwotnego kombinacji zasob-nikw ciepa opartych o przemian fazow orazabsorberw zasilanych energi sonecz-nprowadzi do powstania bardzo efektyw-nych systemw.

Dziki zoonemu ukadowi wymien-

nika ciepa w zbiorniku ziemnym,

przemiana fazowa wody w ld jest

wykorzystywana jako rdo ciepa.

Zdj. A.4.72 Zasobnik ciepa wykorzystujcy przemian fazow

40/41

A.5 Inne typy pomp ciepa

Inne typy pomp ciepa

Pompy ciepa mog wykorzystywa nie tylko energi uwalnian w trakcie zmiany stanu fizycznego. Istniej pompy ciepa, ktrych dziaanie oparte jest na innych zasadach.

W poprzednich rozdziaach opisane zostay pompy ciepa, wykorzystujce przejcie faz midzy stanem ciekym i gazowym. S jednak te inne stany skupienia, ktrych zmiana wi-e si z dziaaniem energii i dlatego moe by wykorzystana w pompach ciepa.

Przykadowo jeli do naczynia z wod nasypie-my soli, to sl rozpuci si w wodzie, rwno-miernie si w niej rozchodzc. Rwnoczenie woda ulegnie ochodzeniu. Aby odwrci ten proces, do roztworu naley tak dugo dostar-czaj energi, a woda wyparuje, a sl ulegnie krystalizacji.

W tym rozdziale opisane zostan pompy cie-pa, ktre przy udziale energii ze rodowiska oddzielaj ciecz od reszty roztworu i wydoby-waj j z cia staych.

42/43

A.5.1 Kompresyjne pompy ciepa z silnikiem spalinowym

Kompresyjne pompy ciepa mog by na-pdzane gazem ziemnym, olejem napdo-wymlub biomas (olej rzepakowy i biogaz). Do napdu sprarki w miejsce silnikaelek-trycznego stosuje si silnik spalinowy. Wtym przypadku konieczne s dodatkowe elementy zwizane z wytumieniem haasu, odprowa-dzeniem spalin i zaopatrzeniem w paliwo.

Kompresyjne pompy ciepa z napdem spali-nowym mog wykorzystywa proces spalania jako dodatkowe rdo ciepa grzewczego.

A.5.2 Absorpcyjne pompy ciepa

Dziaanie absorpcyjnych pomp ciepa opie-rasi na tych samych zasadach fizycznych, codziaanie pomp kompresyjnych. Rnica polega na tym, e absorpcyjne pompy cie-pa s zwykle napdzane gazem ziemnym, azamiast sprarki mechanicznej stosuje siwnich sprark termiczn.

Nakad energii (prdu) zwizany z zasilaniem pompy rozpuszczalnika jest bardzo may.Ener-gia potrzebna dla sprarki termicznej jestdo-starczana w postaci ciepa. Zastosowanie ma-j tu wszystkie rodzaje urzdze grzewczych w przypadku okrelonych par substancji rwnie termiczne instalacje solarne.

Absorpcyjna pompa ciepa jest bardzo efek-tywna - pomijajc pomp rozpuszczalnika nieposiada adnych ruchomych czci i pra-cuje stosunkowo cicho.

Absorpcyjne pompy ciepa duej mocy (po-wyej 50kW) w formie urzdze chodniczych reprezentuj obecny stan rozwoju tej techno-logii. W niszych zakresach mocy do 2 kW urzdzenia te s stosowane w napdzanych propanem lodwkach kempingowych. Jeli chodzi o zastosowane absorpcyjnych pomp ciepa jako urzdze grzewczych o rednim zakresie mocy, to nie opracowano jeszcze rozwiza pozwalajcych na ich seryjn pro-dukcj.

Pojciem sorpcja okrela si wszystkie procesy, w ktrych substancja ulega nasy-ceniu w trakcie fazy lub na powierzchni midzy fazami.

Absorpcj okrela siproces nasycania wtrakcie fazy, mwi situ te o pochanianiu. W czasie tego procesu substancja przedostaje sidorodka ciaa stae-go lubcieczy.

Adsorpcj okrela siproces gromadze-niasi substancji napo-wierzchni midzydwie-ma fazami. Elementy gazowe lubcieke gro-madz si na powierzch-ni staej np. wglaak-tywnego lub zeolitu.

Wskazwka

A.5 Inne typy pomp ciepa

6

2

2

1

1

Parownik

Zawr rozprny

Absorber 6

7

7

5

5

Zawr rozprny

Pompa rozpuszczalnika

Warnik

Skraplacz

4

4

3

3

Stan cieky

Stan gazowy

Ciepogrzewcze

Ciepo ze rodowiska

Rys. A.5.21 Sposb dziaania absorpcyjnej pompy ciepa

OdparowanieCzynnik chodniczy (zwykle amoniak) odparowuje pochaniajc ciepo z otoczenia (1).

AbsorpcjaPara powstaa z odparowania czynnika chodniczego trafia do absorbera (3) gdzie jest po-chaniana przez rozpuszczalnik (zwykle wod). Podczas kondensacji powstaje ciepo, kt-reza porednictwem wymiennika ciepa jest oddawane do systemu grzewczego.

Spranie termicznePowstaa w absorberze mieszanka czynnika chodniczego i rozpuszczalnika jest transpor-towana za pomoc pompy (5) do warnika, czyli sprarki termicznej (6). Obydwa skadni-kitransportowanej mieszanki maj inn temperatur wrzenia temperatura wrzeniaroz-puszczonego czynnika chodniczego jest nisza. W wyniku dziaania ciepa, pochodzcego np. zpalnika gazowego, znajdujcy si w roztworze czynnik chodniczy jest ponowie odpa-rowywany.

Skraplanie (I)Oddzielony w warniku pynny czynnik chodniczy, znajdujcy si pod wysokim cinieniem, jest odprowadzany za pomoc zaworu rozprnego (4) z powrotem do absorbera. Tu spoty-kaj si rozpuszczalnik i para powstaa z odparowania czynnika chodniczego, co prowadzi do ponownej kondensacji i uwolnienia ciepa.

Skraplanie (II)Znajdujca si pod wysokim cinieniem i majca wysok temperatur para powstaa z od-parowania czynnika chodniczego dostaje si do skraplacza (7) oddajc ciepo kondensacji do systemu grzewczego.

RozpraniePynny czynnik chodniczy ulega rozpreniu dziki dziaaniu zaworu rozprnego (2) i wraca do pierwotnego poziomu cinienia i temperatury, aby na skutek pochaniania ciepa z otocz-nia ponownie odparowa.

44/45

A.5.3 Adsorpcyjna pompa ciepa

Adsorpcyjna pompa ciepa pracuje wykorzy-stujc substancje stae np. wgiel aktywny, el krzemionkowy (szkliste silikaty) lub zeolit. Waciwoci zeolitu polegaj na wyciganiu iwizaniu wody (adsorpcja) przy jednocze-snym uwalnianiu energii cieplnej w zakre-sie sigajcym 300C. Proces ten okrela simianem reakcji egzotermicznej.

Podobnie jak w opisywanych ju pompach ciepa, proces pochaniania i oddawaniacie-parwnie w przypadku adsorpcyjnej pom-pyciepa ma charakter procesu odwracalne-go praca odbywa si jednake cyklicznie, tzn.wdwch fazach. W pompach adsorp-cyjnych tego typu wymagany jest system prniowy.

Rys. A.5.31 Sposb dziaania adsorpcyjnej pompy ciepa

Tak, jak adsorpcyjna pompa ciepa przedsta-wiona na rys. A.5.2-1, rwnie tegotypu kon-strukcja jest wykorzystywana jako urzdzenie chodnicze o duej mocy. W tej chwili trwaj prace nad zastosowaniem tego rozwizania doogrzewania domw jedno- idwurodzin-nych. Stosunkowo wysoki nakad technolo-giczny zwizany z koniecznoci zapewnie-niaprni.

2

2

1

1

2

1

Wymiennik ciepa z zeolitem

Wymiennik ciepa

Dopyw ciepa(np. z palnika)

Oddanie ciepa do systemu grzewczego

Dopyw ciepa(rodowisko naturalne)

Oddanie ciepa do systemu grzewczego

Para

Para

Faza desorpcji

Faza adsorpcji

DesorpcjaW pierwszej fazie do wymiennika ciepa (1) pokrytego substancj sta (elem krzemionkowym lub zeolitem), dostarczane jest ciepo pochodzce np. z palni-ka lub instalacji solarnej. Woda zwizana przez substancj sta jest uwalniana (ulega desorpcji) i w postaci pary trafia do drugiego wymiennika ciepa (2).

SkraplanieDrugi wymiennik ciepa dziaa w tej fazie jako skraplacz. Oddaje on ciepo, uwalniane czasie kondensacji pary, do systemu grzewczego.Dopyw ciepa ustaje w momencie, gdy zeolit osignie dany stopie wysu-szenia zwizana wczeniej woda cakowicie wyparuje i ulegnie kondensacji na drugim wymienniku ciepa.

OdparowanieW drugiej fazie wymiennik ciepa (2) przejmuje funkcj parownika. Za jegopo-rednictwem tak dugo dostarczane jest ciepo ze rodowiska, a woda cako-wicie odparuje.

AdsorpcjaPara wodna przepywa z powrotem w kierunku pokrytego substancj sta wymiennika ciepa, gdzie woda jest ponownie wizana przez el krzemion-kowy lub zeolit (ulega adsorpcji). Ciepo oddane w czasie tego procesu przez substancj sta dociera za porednictwem wymiennika ciepa do systemu grzewczego.Jak tylko para wodna ulegnie cakowitej adsorpcji, ta faza procesu pracy pompy ciepa jest zakoczona.

46/47

niach grzewczych, w tym przypadku pojawia si wane pytanie o dostpno i opacalno energii elektrycznej, ktra jest konieczna do zasilania sprarki.

W tym rozdziale omwione zostan czynniki wane z punktu widzenia oceny pompy ciepa.

Decyzja dotyczca inwestycji w now in-stalacj grzewcz uzaleniona jest od wielu okolicznoci i przyjtych kryteriw. Czy de-cyzja o wyborze okrelonego rodzaju paliwa ma charakter przyszociowy? Czy system odpowiada wszystkim wymogom prawnym? Czy inwestycja jest opacalna, uwzgldniajc spodziewane koszty eksploatacyjne?

Na te pytania naley umie udzieli odpowie-dzi rwnie w odniesieniu do pompy ciepa. Inaczej ni przy konwencjonalnych urzdze-

48 B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

49 B.1.1 Miks energetyczny w Niemczech51 B.1.2 Bezpieczestwo zaopatrzenia53 B.1.3 Smart metering54 B.1.4 Pompy ciepa i fotowoltaika55 B.1.5 Konkurencja wok energii elektrycznej?

56 B.2 Uwarunkowania prawne

57 B.2.1 Pompa ciepa a przepisy dotyczce oszczdzania energii (Energieeinsparverordnung (EnEV))

59 B.2.2 Pompa ciepa a przepisy dotyczce wykorzystania odna-wianych rde energii do produkcji ciepa (Das Erneuer-bare-Energien-Wrmegesetz (EEWrmeG)

59 B.2.3 Wytyczne europejskie

60 B.3 Analiza opacalnoci

B Warunki ramowe

W trakcie kontaktu z klientem, w zwizku z planowan inwestycj w pomp ciepa, za-wsze dochodzi do fazy pyta i odpowiedzi. Aby doradztwo byo skuteczne, wymagana jest wiedza wykraczajca poza znajomo funkcji urzdze.

B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

W tradycyjnym podejciu do wykorzystania paliw kopalnych do produkcji ciepa obser-wowanym przez ostatnie sto lat nastpuje ogromna zmiana.

Efekt cieplarniany, zmniejszajca si do-stpno i rosnce koszty gazu, ropy i w-gladoprowadziy o tego, e obok instalacji solarnychi wykorzystujcych biomas stae miejsce w ofercie, nie tylko niemieckiej tech-niki grzewczej, zajy rwnie pompy ciepa. Od roku 1990 udzia pomp ciepa w caejlicz-bie instalowanych co roku urzdzegrzew-czych stale wzrasta.

Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

W przypadku pomp ciepa zasilanych energi elektryczn zuycie prdu stanowi gwnekryterium oceny. Przedmiotem tego rozdziau jest odpowied na pytanie, jakwaciwie podchodzi do analizy tego czynnika.

48/49

Rys. B.11 Rozwj rynku pomp ciepa

Rys. B.1.11 Produkcja brutto prdu elektrycznego w Niemczech w 2009 r.

Sprzeda pokazuje (podobnie jak sprzeda termalnych instalacji solarnych i instalacji zasilanych biomas), e rynek pomp ciepa podlega wpywom tych samych czynnikw, ktre powoduj wzrost lub spadek zaintere-sowania tym rodzajem urzdze grzewczych. Pompa ciepa nie jest jeszcze rozwizaniem oczywistym, stanowi raczej wyjtek od regu-y. Czynnikami hamujcymi w odniesieniu do tego rozwizania s niepewno inwestorw i postrzeganie pompy ciepa jako ogrzewa-niaelektrycznego. Ten brak pewnoci co do oceny rozpowszechniony jest te szeroko wrd urzdnikw. W Niemczech potrzeba byo siedmiu lat od rozpoczcia federalnego programu motywacyjnego (Marktanreizpro-gramm (MAP)), eby zaczto wspiera rozwj technologii pomp ciepa, a wic uznano j za rdo energii odnawialnej. Dla szerszego rozpowszechnienia si technologii pomp cie-pakonieczna jest dyskusja dotyczca wyko-rzystania w niej energii elektrycznej.

B.1.1 Miks energetyczny w Niemczech

Prd elektryczny produkowany jest wNiem-czech w wikszoci w elektrowniachkon-densacyjnych gwnie elektrowniach wglowych i atomowych. Udzia rde odna-wialnych jak woda, wiatr czy energia sonecz-na, mimo i stale wzrasta, wynosi obecnie okoo 18 procent i stanowi niewielk cz miksu energetycznego w Niemczech.

Liczba ta stanowi gwny argument przeciwko wykorzystaniu energii elektrycznej do produk-cji ciepa Wydaje si by nieuzasadnionym, aby w elektrowniach wglowych lub jdro-wych o niskim wspczynniku sprawnoci produkowa prd elektryczny, wykorzystujc do tego energi ciepln, ktry pniej jest po-nownie przeksztacany w ciepo potrzebne do ogrzania budynku.

Argument ten znajduje uzasadnienie w przy-padku ogrzewania oporowego (piece akumu-lacyjne), ale nie w przypadku pompy ciepa. Oprcz energii elektrycznej wykorzystywanej np. przez pompy cyrkulacyjne, pompa ciepa wykorzystuje prd elektryczny tylko do zasila-nia sprarki. To jedyna rnica midzy pom-pciepa a konwencjonaln technik grzew-czczy termicznymi instalacjami solarnymi.

20102005200019951990198519800

20 000

40 000

60 000

Wgielbrunatny

Energia jdrowa

Energiaodnawialna

Olej opaowyi pozostae

Wiatr

Biomasa

Woda

Fotowoltaikamieci

Wgielkamienny

Gaz ziemny

24 %

23 %

13 %41 %

27 %

20 %

7 %5 %

18 %

16 %

6 %

597 Mrd.kWh

Pierwsza faza dynamicznego rozwoju okoo

1980 r. zwizana bya z kryzysem naftowym.

Wraz ze wzrostem cen ropy od 2000 r. rozpocz

si wyrany rozwj rynku.

Wraz ze wzrostem udziau energii

ze rde odnawialnych, w produkcji

brutto prdu elektrycznego w Niem-

czech wzrasta jako ekologiczna

prdu eksploatacja pompy ciepa

staje si coraz bardziej zielona.

Poniewa zapotrzebowanie pompy ciepa na prd elektryczny jest mimo to czsto wykorzy-stywane jako argument w dyskusji, temat ten zasuguje na blisz uwag.

Dla dokonania oceny energetycznej i porw-nania pompy ciepa z innymi urzdzeniami grzewczymi istotne znaczenie maj dwa py-tania:

n Jaki jest stosunek iloci zuytego prdu dowytworzonego ciepa (sezonowy wspczynnik efektywnoci)?

n Jak pod ktem energetycznym naley oceni zuyty prd elektryczny?

Aby odpowiedzie na drugie pytanie potrzeb-ny bdzie ustalony przez ustawodawc wsp-czynnik wartoci energii pierwotnej. Wsp-czynnik ten wskazuje, jak oceni pierwotn warto energetyczn prdu elektrycznego (ale te gazu, oleju i drewna) (zob. rys. B.1.1-2).

Dla okrelenia wspczynnika pierwotnej war-toci energetycznej dla caoci prdu wytwa-rzanego w Niemczech pod uwag bierze si miks energetyczny, a wic redni ze wszyst-kich rodzajw produkcji.

Od czasu wprowadzenia w ycie przepisw rozporzdzenia w sprawie oszczdzania energii (Energieeinsparverordnung (EnEV)) wroku2000 wspczynnik wartoci energii pierwotnej by obniany dwukrotnie wsp-czynnik by dopasowywany do strukturypro-dukcji prdu w Niemczech. Odzwierciedla to w istocie rosnc efektywno produkcji pr-du, ale przede wszystkim rosncy udzia prdu wytworzonego przy udziale energii ze rde odnawialnych.

Wci rosncy udzia w caoci miksu ener-getycznego prdu wytworzonego z odna-wialnych rde pierwotnych prowadzi do dalszego obniania wspczynnika wartoci energii pierwotnej, a co za tym idzie eksplo-atacja pompy ciepa staje si coraz bardziej zielona.

B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

Rys. B.1.12 Wspczynnik wartoci energii pierwotnej

Produkcja prdu w przecitnej elektrowni kondensacyjnej

Zuyta energia pierwotna 100 %

n Uyteczna energia elektryczna 38 %n Straty ciepa w wodzie chodzcej 54 %n Strata kominowa 8 %

Jeeli podzielimy zuyt energi pierwotn przez uyteczn energi elektryczn, to otrzymamy wspczynnik pozwalajcy oceni warto energii pierwotnej wytworzonego prdu elektrycznego.

W tym przypadku wspczynnik energii pierwotnej wynosi100/38 = 2,6

Energiaelektryczna

Stratakominowa

8 %

54 %

38 %

Straty ciepaw wodziechodzcej

100 %

50/51

B.1.2 Bezpieczestwo zaopatrzenia

Zaopatrzenie w energi elektryczn w Niem-czech jest jednym z najbardziej pewnych na wiecie. Wysokie bezpieczestwo zaopatrze-nia stanowi dlatego istotn wielko w pro-cesie decyzyjnym dotyczcym zastosowania pompy ciepa zwaszcza e rwnie praca wikszoci urzdze grzewczych instalowa-nych w budynkach jest zalena od dostpno-ci prdu elektrycznego (pompy, regulatory itp.).

W staraniach o szybszy rozwj technolo-giipomp ciepa istotne jest, czy na dusz metzapewnione bdzie pewne, zrwno-waone iopacalne zaopatrzenie w energi elektryczn.

Rys. B.1.21 Miesiczny udzia zuycia prdu i ciepa w obszarze budynkw jednorodzinnych

Rys. B.1.22 Ilo prdu z elektrowni wiatrowych wprowadzanego do sieci przesyowej w cigu roku

Udz

ia w

rocz

nym

zu

yciu

cie

pa

(%)

Udz

ia w

rocz

nym

zu

yciu

pr

du (%

)Sty Lut Mar Kwi Maj Cze Lip Sie Wrz Pa Lis Gru

0

10

5

15

20

8

6

10

12

Ciepo Prd elektryczny

Udz

ia w

pro

dukc

ji ro

czne

j (%

)

Sty Lut Mar Kwi Maj Cze Lip Sie Wrz Pa Lis Gru0

6

9

3

12

15

Wraz z rosncym udziaem energii

wiatrowej w produkcji prdu wyko-

rzystanie pomp ciepa do produk-

cjiciepa nabiera coraz wikszego

sensu krzywe produkcji i zuycia

wproczu zimowym coraz bardziej

si nakadaj.

Wraz ze wzrostem udziau pomp

ciepa w produkcji ciepa, wzrasta

te zapotrzebowanie na prd

wokresie zimowym.

Najwicej prdu pompy ciepa zuywa-jwokresie grzewczym. Dlatego ze swoim profilem zapotrzebowania (w odniesieniu do iloci potrzebnego prdu) pompa ciepa pa-suje bardzo dobrze np. do profilu produkcji elektrowni wiatrowych.

Dla dalszego rozwoju technologii pompcie-padue znaczenie ma, czy eksploatacjapom-py ciepa przyczynia si do dodatkowego ob-cienia sieci przesyowej w okresach szczytu dziennego, czy te moliwe jest takie ustawie-nie instalacji, aby pobieraa prd tylko w okre-sach najmniejszego obcienia dziennego.

Jeli przyjrze si typowemu przebiegowi obcienia dziennego sieci elektrycznej (por. rys. B.1.2-3), okazuje si, e ilo dostarcza-nejmocy (w odniesieniu do sieci elektrycznej iprodukcji prdu) osiga najwysze wartoci w godzinach poudniowych. W tym okresie najwysza jest te cena jak pac dostawcy energii na giedzie energii.

W Niemczech sytuacja taka stanowi podsta-w do wprowadzenia specjalnych taryf dla energii elektrycznej zuywanej przez pompy ciepa i zwizane z tym okresy braku dostpu do sieci dystrybutorzy energii elektrycznej dostarczaj klientom tani prd w okresach niskiego obcienia sieci, a w zamian za to wykluczaj zuycieprdu przez pomp ciepa w pewnych, bardzo krtkich okresach w cigu dnia.

Takie ekonomiczne podejcie ma te swoje konsekwencje techniczne jeeli dziki odpo-wiedniemu planowaniu urzdzenia pracuj po-za godzinami szczytu, prowadzi to do bardziej rwnomiernego obcienia sieci elektrycznej w cigu dnia.

Rys. B.1.23 Typowy przebieg obcienia dziennego sieci elektrycznej

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00

75

50

25

0

100

Pora dnia

Obc

ie

nie

(%)

W celu wyrwnania przebiegu

dziennego obcienia sieci, dystry-

butorzy energii elektrycznej oferuj

specjalne taryfy dla pomp ciepa

zniskimi cenami prdu w godzinach

maego obcienia sieci i krtkimi

okresami braku dostpu do sieci

wgodzinach szczytu.

B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

52/53

B.1.3 Smart metering

Zwikszajcy si udzia w miksie energe-tycznym prdu wyprodukowanego na bazie energii odnawialnej wymaga inteligentnego systemu sterowania poda i popytem. Ce-lem tzw. smart meteringu jest wspieranie takiego systemu sterowania oraz opisywane ju denie do wygadzenia obcienia sieci w wyniku zuycia prdu. Ponadto nadwyki prdu zelektrowni wiatrowych i sonecznych powinny by w rozsdny sposb doprowadzo-ne do odpowiednich konsumentw.

Smart metering dba rwnie o to, aby poda prdu elektrycznego w coraz wikszym stop-niu determinowaa popyt, a nie jak dotychczas podaa za popytem. To ostatnie jest coraz trudniejsze, w zwizku z rosnc produkcj prdu w instalacjach wiatrowych i solarnych.

W obliczu tak kompleksowej i zasadniczejre-strukturyzacji sieci energetycznej, rwnie pompy ciepa bd odgrywa wan rol. Istnieje dua liczba uytkownikw, ktrzy przy stosunkowo niewielkim nakadzie tech-nicznym, mog by dodatkowo wczeni do tego systemu. Przykadowo lodwki mog pozostawa wyczone przez wiele godzin powszechnie stosowana obecnie izolacja za-pobiega krytycznemu wzrostowi temperatury.

Bez inteligentnego zarzdzania obcie-niemsieci jest zwykym przypadkiem, czy urzdzenie obcia sie w godzinach szczytu, czy te nie. Jeli natomiast urzdzenie wie, e w sieci jest wanie dua poda energii, wcza si automatycznie. W przypadku lo-dwek oznacza to, e temperatura wewntrz spada o kilka stopni poniej wartoci zadanej. Rnica ta stanowi rezerw na czas, kiedy nie jest pobierana energia elektryczna.

Podobnie dziaa wysterowanie pompy ciepa. Moliwe wahania temperatury pomieszcze (podczas ogrzewania i chodzenia), odpo-wiednie ustawienie zbiornikw buforowych i modulowana praca umoliwiaj efektywne wczenie pomp ciepa do inteligentnej sieci energetycznej.

B.1.4 Pompy ciepa i fotowoltaika

Rzecz zrozumia jest monta obok pompy ciepa dodatkowej instalacji fotowoltaicznej, ktra w cigu roku wytwarza prd elektrycz-ny, zuywany do ogrzewania budynku dziki temu pompa ciepa grzeje nie powodujc emi-sji dwutlenku wgla.

Pomimo przedstawionego na rys. B.1.4-2 bra-ku rwnowagi midzy produkcj prdu przez instalacj fotowoltaiczn (z przewag wp-roczu letnim), a zuyciem ciepa (z przewag wproczu zimowym), poczenie pompycie-pa z instalacj solarn, biorc pod uwagbi-lans roczny, jest rozwizaniem rozsdnym.

Im wikszym zmianom, opisanym w poprzed-nim rozdziale, podlega sie energetyczna, tym atwiejsze staj si zatem odbir i dystrybucja wahajcej si sezonowo iloci produkowanej energii elektrycznej, tym mniejsze znaczenie ma zbieno w czasie produkcji i zuycia. Co-raz lepiej pomijajc zmiany w miksie energii elektrycznej wypada te pod tym wzgldem ocena energetyczna pompy ciepa.

Rys. B.1.42 Miesiczny udzia zuycia ciepa i produkcji prdu przez instalacje PV

Poczenie pompy ciepa z instalacj solarn, biorc pod uwag bilans roczny, jest rozwizaniem rozsdnym.

Udz

ia w

rocz

nym

zu

yciu

cie

pa

(%)

Udz

ia w

rocz

nej p

rodu

kcji

prd

u pr

zez

inst

alac

je P

V (%

)

Sty Lut Mar Kwi Maj Cze Lip Sie Wrz Pa Lis Gru0

10

5

15

20

0

10

5

15

20

Ciepo(budownictwo jednorodzinne)

produkcja prdu przez instalacje PV(rednia w Niemczech)

B.1 Czynnik eksploatacyjny energia elektryczna

Zdj. B.1.41 Instalacja fotowoltaiczna

54/55

rdo: Federalne Ministerstwo Gospodarki i Technologii,27.08.10/ Scenariusze energetyczne w ramach koncepcji

energetycznej rzdu federalnego scenariusz II A

Energia atomowa

Wgiel kamienny

Wgiel brunatny

Olej opaowy

Gaz ziemny

Pozostae Energia odnawialna

rdo: AG Energiebilanzen, 23.02.11

22%

33% 11%

12%

11%

10%

2010

8%

16%

20%

1%

6%

50%2050

1%

B.1.5 Konkurencja wok energii elektrycznej?

W zwizku z wykorzystaniem energii elek-trycznej w pompach ciepa czsto zadawane jest pytanie, czy nie bardziej rozsdnym byo-by uycie prdu w innych sektorach energe-tycznych, czy pod wzgldem ekologicznym lepszych efektw nie przyniosoby wykorzy-stanie prdu np. dla poprawy mobilnoci.

Dyskusja ta jest bezcelowa z nastpujcych powodw: Wszystkie scenariusze dotycz-cezaopatrzenia w energi maj charakter dugookresowy, czciowo zakadaj per-spektyw do roku 2050 lub nawet do koca stulecia. Taki sposb patrzenia jest koniecz-ny,aby ju teraz wytyczy waciwe kierunki dziaa, uwzgldniajce rozwj wydarze wprzyszoci. Wikszo z tych scenariu-szyzakada, epod koniec przyjtego w nich okresu, naszezapotrzebowanie na energi bdzie bd to wycznie, bd przynajmniej w przewaajcej czci pokrywane ze rde odnawialnych. Oglne szacunki wskazuj te na przypuszczalny procentowy wkad poszcze-glnych nonikw energii odnawialnej. W sce-nariuszach tych brak jest jednak szczegowej prognozy mwicej o sposobach, w jaki wkad ten miaby si dokonywa.

Kady z sektorw zuycia energii musi sam sobie odpowiedzie na pytanie, gdzie znajdujesi potencja dla jej oszczdzania ijakie rda energii mona wykorzysta naj-lepiej dlapokrycia zapotrzebowania. Gdyby judzisiaj trzeba byo podj decyzj, jak ma wyglda za 30lub 40 lat miks zuycia i produkcji energii, atym samym miks tech-nologiczny, utrudnioby to, a nie uatwio, postp techniczny przykadowo biomasa moe bybezporednio spalana, rozwadnia-na lub wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej. Prd wytworzony z energii od-nawialnej moe by zuyty bezporednio, gro-madzony centralnie lub wsamym urzdzeniu lub instalacji(akumulator samochodowy lub ogrzewany pompciepa budynek). Wpraw-

dzie gromadzenie energii ijejprzeksztacanie odbywa sizawsze kosztem wspczynnika sprawnoci, ale w realistycznym scenariuszu s one nieodzowne.

Ostatecznie nie wiemy te w chwili obecnej, ktry rodzaj energii i w jakiej formie bdzie dostpny w przyszoci. W najbliszychla-tachjedynie rozsdne spojrzenie na ten pro-blem w odniesieniu do budynkw uwzgld-niabdzie odpowied na pytanie: Jakie urzdzenie grzewcze biorc pod uwag konkretny obiekt pozwoli na uzyskanie naj-wyszej efektywnoci wykorzystania energii pierwotnej? Pod tym wzgldem pompa ciepa odgrywa bdzie bardzo wan rol.

Rys. B.1.51 Produkcja energii w przyszoci

Zuycie energii pierwotnej w Niemczech wynioso w roku 2010 14000 petaduli (PJ), a prognozy na rok 2050

przewiduj zuycie na poziomie 7000 PJ. Prognoza na rok 2050 zostaa przygotowana na zlecenie Federalne-

go Ministerstwa Gospodarki i Technologii.

B.2 Uwarunkowania prawne

Udzia zuycia energii cieplnej w sektorze budynkw w Niemczech stanowi 40% cao-cizuywanej energii. Tym samym sektor ten zajmuje odpowiednio wysok pozycj wdzia-aniach z zakresu polityki energetycznej na po-ziomie krajowym i regionalnym. Rynek tech-niki grzewczej w Niemczech podlegaprzez tote coraz wikszej regulacji prawnej.

Uwarunkowania prawne

Niemieckie rozporzdzenie w sprawie oszczdzania energii (Energieeinsparverordnung (EnEV)), ustawy dotyczce energii cieplnej i oznaczenia energetyczne efektywno oraz wczanie energii odnawialnych do produkcji ciepa podlegaj w coraz wikszym stopniu ramowym uwarunkowaniom prawnym. W tym kontekcie na uwag zasuguj pewne szczeglne zalety pompy ciepa.

56/57

Rys. B.2.11 Zapotrzebowanie budynkw na ciepo grzewcze (standard w roku powstania budynku)

Zapo

trze

bow

anie

na

ciep

o g

rzew

cze

(kW

h/m

2 a

)

Rok powstania budynku

1900

50

0

100

150

200

250

2000 20501950

B.2.1 Pompa ciepa a przepisy dotyczce oszczdzania energii (Energieein-sparverordnung (EnEV))

W 2002 r. w niemieckim rozporzdzeniu w sprawie oszczdzania energii (Energie-einsparverordnung (EnEV) zostay zebrane obowizujcedotego czasu przepisy z zakre-suochronycieplnej i techniki instalacyjnej. Obowizujc w przepisach rozporzdzenia (EnEV) miar suc do oceny jakoci ener-getycznej budynku jest zapotrzebowanie na energi pierwotn wspczynnik ten by na przestrzeni ostatnich lat, w kolejnych noweli-zacjach przepisw, stale obniany.

Skutkiem obnienia wspczynnika zapo-trzebowanie na energi pierwotn jest wzrostwymaga w stosunku do samego budynku oraz efektywnoci instalacji grzew-czych. Wida to na przykadzie wiadectwa energetycznego (por. rys. B.2.1-2).

Zapotrzebowanie budynku na energi ko-cow w kWh/(m2 a) determinowane jest wistocie przez oson budynku i stratywen-tylacyjne. Pewne wartoci nie mog by tu-tajprzekroczone.

Zapotrzebowanie energetyczne budynku, rw-nie wyraone w kWh/ (m2 a), wynika z zasto-sowanego rodzaju ogrzewania, przy czym dla wszystkich moliwych nonikw energii przy-pisywany jest odpowiednio inny wspczynnik wartoci energii pierwotnej (por. rys. B.2.1-3).

Nonik energii Wsp. wartoci

energii pierwot-

nej wg EnEV 2009

Olej opaowy 1,1Gaz ziemny, gaz cieky 1,1Drewno 0,2Prd elektryczny 2,6Energia ze rodowiska,(Energia soneczna, energia z otoczenia, )

0,0

Standard budowlany budynkw mieszkalnych w odniesieniu do zapotrzebowania na ciepo grzewcze wyranie

uleg poprawie tendencja ta utrzymuje si nadal.

Rys. B.2.12 wiadectwo energetyczne

Miar dla oceny jakoci energetycznej budynku jest

wspczynnik wartoci energii pierwotnej.

Rys. B.2.13 Wspczynniki wartoci energii pierwotnej

Energiapierwotna

Straty w czasieprodukcji energii,