W artykule przedstawiono budowę pompy ciepła wraz z opisem zasady jej działania. Wymieniono podstawowe rodzaje pomp ciepła mające zastosowanie w technice grzewczej. Poruszono również kwestię efektywności energetycznej pomp ciepła.
EN
The article presents the construction of a heat pump together with a description of its principle of operation. The basic types of heat pumps used in heating technology are listed. The issue of energy efficiency of heat pumps is also discussed.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule przedstawiono analizę możliwości chłodzenia budynków za pomocą lokalnego systemu ciepłowniczego współpracującego z niskotemperaturowym źródłem ciepła o temperaturze 19°C. Stworzono koncepcję sieci ciepłowniczej zasilającej zespół budynków użyteczności publicznej. Na potrzeby analizy przyjęto, że rozwiązania obejmować będą system zaopatrujący budynki zarówno w ciepło, jak i chłód (pokrycie potrzeb w zakresie ogrzewania i chłodzenia budynków przez cały rok). W artykule rozważono dwa warianty źródeł ciepła: sprężarkową oraz absorpcyjną pompę ciepła. Jako wariant bazowy przyjęto system ciepłowniczy z kotłem gazowym. Analizę wykonano w trzech różnych warunkach temperatury zasilania i powrotu sieci tj. 60/50°C, 50/40°C oraz 40/30°C. Na potrzeby analizy energetycznej systemów chłodzenia przyjęto system bezpośredniego chłodzenia wodą geotermalną, w którym założono wykorzystanie wody geotermalnej do chłodzenia budynków w układzie bezpośrednim, przy wykorzystaniu istniejącej sieci ciepłowniczej oraz system chłodzenia aktywnego za pomocą pompy ciepła, w którym założono, że istniejące w systemie ciepłowniczym pompy ciepła (sprężarkowa i absorpcyjna) w okresie letnim pracują w trybie rewersyjnym, produkując wodę chłodzącą o temperaturze 7/12°C. Woda lodowa zasila centralę klimatyzacyjną zlokalizowaną w budynku. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że największe zużycie energii pierwotnej przez system w okresie letnim i zimowym występuje w przypadku układów ze sprężarkową pompą ciepła. Jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną w układach SPC z wykorzystaniem wody geotermalnej wyniósł 0,497 GJEP/GJg+ch, podczas gdy w systemie z absorpcyjną pompą ciepła wyniósł 0,722 GJEP/GJg+ch, a w układach z kotłem gazowym 1,164 GJEP/GJg+ch. Najmniejszą emisja zanieczyszczeń do atmosfery w ciągu całego roku, charakteryzują się systemy z absorpcyjną pompą ciepła. Również emisja tlenków azotu i ditlenku siarki są w układach z absorpcyjną pompą ciepła dwu- i trzykrotnie mniejsze niż w układach ze SPC.
EN
The paper presents an analysis of the possibility of cooling buildings by means of a local heating system cooperating with a low-temperature heat source with a temperature of 19oC. The concept of a district heating network supplying the complex of public utility buildings was assumed. It was assumed for the purpose of the analysis, that the solutions would include a system supplying buildings with both heat and cold (covering the heating and cooling needs of buildings throughout the year). In the article, two variants of heat sources are considered: compressor and absorption heat pump. The baseline variant is a district heating system with a gas-fired boiler. The analysis was performed in three different conditions of supply and return temperatures, i.e. 60/50oC, 50/40oC and 40/30oC. For the purpose of energy analysis of the cooling systems, a direct geothermal cooling system has been assumed, where geothermal water is used for direct cooling of the buildings by means of existing district heating network and an active cooling system with a heat pump. The system assumes work in a reverse mode in summer season of compressor and absorptive heat pumps that exist in the district heating network, producing cooling water of 7/12°C. The chilled water supplies the air handling unit located in the building. It has been found, basing on the results obtained, that the highest primary energy consumption by the system in summer and winter occur in the case of systems with a compressor heat pump. The unit primary energy demand index in SPC systems using geothermal water was 0,497 GJEP/GJg+ch while in the absorptive heat pump system it was 0,722 GJEP/GJg+ch, and in the gas boiler system was 1,164 GJEP/GJg+ch. The lowest emission of pollutants to the atmosphere during the whole year were observed in systems with absorption heat pumps. Also, the emission of nitrogen oxides and sulphur dioxide were two to three times lower in systems with an absorption heat pump than in systems with SPC.
Present work concerns the CFD analysis of the Field type ground heat exchanger and its influence on the compressor heat pump performance. The coaxial vertical ground heat exchanger has been chosen as in most studies the U-pipe is being considered (Yang et al., 2010). Therefore, Field type ground heat exchanger’s heat-flow characteristics are not available in the literature. Conjunction of 0D-3D level programming enabled FGHE-coupled compressor heat pump system analysis in terms of a quasi-steady continuous work lasting 170 hours. The ground coupled compressor heat pump may work in the monovalent system and complitely fulfil demand on heat, however, the heat exchange system of the low heat source needs to be designed in a proper way. Additionally, the CHP working medium needs to be chosen carefully (Bohdal et al., 2015). The CFD simulations were executed using a commercial software. Compressor heat pump cycle calculations were carried out using the author’s computational programme. The FGHE of varying geometry was investigated in terms of a long term continuous work. Varying temperature boundary conditions were taken into account. This work provides qualitative data, which may be useful at ground coupled compressor heat pump system modelling.
PL
Niniejsza praca dotyczy analizy CFD gruntowgo wymiennika ciepła typu Field’a oraz zbadania wpływu jego pracy na działanie sprężarkowej pompy ciepła. W pracy podjęto problem gruntowego pionowego wspólosiowego wymiennika ciepła, ponieważ zdecydowana część prac naukowo-bawdawczych poświęcona jest wymiennikom gruntowym typu U-rura (Yang et al., 2010). Wobec powyższego, brak jest w literaturze cieplno-przepływowych charakterystyk gruntowego wymiennika ciepła typu Fielda. W pracy przedstawiono analizę quasi-stacjonarnej pracy gruntowej sprężarkowej pompy ciepła, co było możliwe dzięki sprzęgnięciu programowania na poziomie 0D i 3D. Praca całego systemu miała charakter ciągły i trwała 170 godzin. Sprężarkowa gruntowa pompa ciepła może pokryć zapotrzebowanie na ciepło pracując nawet w obiegu monowalentnym, ale system wymiany ciepła dolnego źródła ciepła musi być prawidłowo zaprojektowany. Ponadto, należy starannie dobrać właściwy pod względem efektywności czynnik roboczy sprężarkowej pomy ciepła (Bohdal i in., 2015). Obliczenia CFD zostały przeprowadzone przy użyciu komercyjnego oprogramowania. Natomiast, obliczenia obiegu sprężarkowej pomy ciepła zostały wykonane przy użyciu autorskiego programu. Przeanalizowano pracę GWCF o zdywersyfikowanej geometrii w trybie pracy nieprzerywanej. Zaimplementowano zmienne temperaturowe warunki brzegowe na jednej powierzchni domeny obliczeniowej. Praca zawiera jakościową analizę systemu gruntowej pompy ciepła, której wyniki mogłyby zostać wykorzystane w procesie projektowania gruntowych sprężarkowych pomp ciepła.
This work concerns the numerical research on the ground coupled compressor heat pump quasi-steady intermittent work. To reach the goal 0D-3D level programming coupling was applied. The work contains also the analysis of the influence of a single Field type vertical ground heat exchanger on the surrounding ground. Numerical model was validated using Bose-Parker’s algorithm and penetration theory modified by J. Mikielewicz. In order to determine the ground’s ability to thermal regeneration, CFD simulations of the Field type ground heat exchanger were carried out.
PL
Niniejsza praca poświęcona została badaniom numerycznym quasi-stacjonarnej przerywanej pracy gruntowej sprężarkowej pompy ciepła. By osiągnąć zamierzony cel sprzęgnięto programowanie na poziomie 0D i 3D. W pracy zawarto również analizę szerokości strefy wpływu pojedynczego GWCF. Powyższe należy rozumieć jako obszar termicznego oddziaływania na grunt pionowego współosiowego gruntowego wymiennika ciepła. Walidacja modelu numerycznego została przeprowadzona w oparciu o algorytm Bosego-Parkera oraz teorię penetracji zmodyfikowaną przez J. Mikielewicza. Chcąc określić zdolność gruntu do termicznej regeneracji przeprowadzono symulacje CFD, których wyniki załączono w niniejszej pracy.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Artykuł poświęcony jest zagadnieniu symulacji pracy układu sprężarkowej pompy ciepła. Prawidłowe zaprojektowanie instalacji oraz jej właściwe użytkowanie pozwala na zmniejszenie kosztów eksploatacji. Dokładna analiza techniczno-ekonomiczna umożliwia natomiast dobór elementów systemu o możliwie największej sprawności, a zatem niskim zapotrzebowaniu na energię. Zastosowanie układów opartych o perspektywiczne, proekologiczne czynniki chłodnicze pozwala założyć dłuższy czas pracy urządzeń, co jest związane z bardziej korzystnym tj. krótszym okresem zwrotu poniesionej inwestycji. Dodatkowo prawidłowy proces projektowania układu, jest podstawą do optymalizacji jego pracy. W czasach dynamicznie zwiększającego się udziału kosztów energii w sumarycznym koszcie inwestycji, warto jest rozważyć zastosowanie rozwiązań innowacyjnych oraz skorzystanie z elementów indywidualnie dobranych do określonych warunków pracy urządzenia.
EN
The article discusses the issue of simulation of the heat pump. Proper design of the equipment and its proper operation allows for lower operating costs. Exact technical and economic analysis allows for the selection of system components with the highest possible efficiency and therefore lower energy demand. The use of systems based on environmentally friendly refrigerants can ensure a long product life, which is associated with a more favorable. e.a shorter payback period of the investment made. In addition, proper design process of equipment allows to optimize its operation. In times of rapidly increasing share of energy costs in the total cost of investment, it is worthwhile to consider the use of innovative solutions and benefit from tailor-made solutions to specific operating conditions.
W pracy przeprowadzono ocenę możliwości wykorzystania sprężarkowych pomp ciepła do podniesienia temperatury nośnika niskoparametrowej energii odpadowej. Analizie poddano obiegi termodynamiczne pomp ciepła pracujących na czynnikach naturalnych CO2 i N2O oraz mieszaninie zeotropowej ziębników R124/R142b/R600a, realizowane przy ekstremalnych wartościach temperatury parowania i kondensacji. Zamodelowano teoretyczne obiegi termodynamiczne możliwe do realizacji; określono parametry porównawcze. Zaproponowano sposób opisu strat dla obiegów rzeczywistych i obliczono wartości COP. Sformułowano wnioski dotyczące perspektyw eksploatacji takich pomp ciepła w warunkach rzeczywistych.
EN
The study was carried out to assess the possibility to use compression heat pumps to increase the temperaturę carrier of Iow-waste energy. We have analyzed thermodynamic cycles of heat pumps that use CO2, N2O and zeotropic mixture of R124, R142b and R600a as refrigerant, and are implemented at extreme temperatures of evaporation and condensation. Theoretical thermodynamic cycles that are feasible under such conditions were modeled and their comparative parameters were determined.
W pracy przedstawiono metodę poprawy warunków wymiany ciepła w sondzie gruntowej typu U, stosowanej w sprężarkowych pompach ciepła. Zaprezentowano, sprawdzoną w warunkach rzeczywistych, nową technologię ułożenia sondy gruntowej. Zaproponowano modyfikacje konstrukcyjne. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, rozkładu temperatury i wydajności cieplnej. Wyniki porównano z danymi literaturowymi przedstawianymi przez producentów i instalatorów sond gruntowych.
W artykule przedstawiono przegląd konstrukcji sond gruntowych stosowanych w sprężarkowych pompach ciepła. Na podstawie sporządzonego modelu obliczeniowego i danych literaturowych, dokonano oceny rozwiązań konstrukcyjnych i ich wpływu na jakość wymiany ciepła z gruntem. Przedstawiono propozycje własnych modyfikacji konstrukcyjnych, rezultaty analiz modelowych i wybrane dane eksperymentalne. Zwrócono uwagę na potrzebę dalszych prac w tym kierunku.
Already since more than three decades high capacity centrifugal heat pumps are reducing CO2 emissions and are supplying hot water up to 90°C to district heating systems. In most cases the heat is recovered from low temperature heat sources like waste, river and sea water. However, with the centrifugal heat pump technology energy can also be exploited from high temperature heat sources like geothermal water. With an intelligent heat pump system the district heating return temperature can be boosted and at the same time the exploitation of the geothermal heat source can be increased. In this paper four examples of large centrifugal heat pumps in district heating applications using ground, water from the Neocomian and Dogger aquifers will be presented. The heating capacity of presented examples ranges from 5'000 to 8'650 kW.
PL
Już od ponad trzech dziesięcioleci odśrodkowe pompy ciepła zasilają sieci ciepłownicze wodą o temperaturach do 90°C, przyczyniając się do znacznej redukcji emisji CO2. W większości przypadków do odzysku ciepła używane są niskotemperaturowe źródła ciepła, takie jak ścieki, woda rzeczna bądź morska. Jednakże przy użyciu technologii odśrodkowych pomp ciepła mogą być również eksploatowane inne dolne źródła ciepła, takie jak woda geotermalna. Zastosowanie inteligentnego systemu pompy ciepła umożliwia podwyższenie temperatury powrotu sieci ciepłowniczej do wymaganego poziomu przy jednoczesnym zwiększeniu eksploatacji źródła geotermalnego. Artykuł prezentuje cztery przykłady zastosowań odśrodkowych pomp ciepła dużej mocy w aplikacjach ciepłowniczych używających wody gruntowej ze zbiorników w utworach jurajskich (neokomu i doggeru). Moc cieplna użytych urządzeń waha się w zakresie od 5 000 do 8 650 kW.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Na podstawie analizy funkcjonowania systemu ciepłowniczego, zaproponowano wykorzystanie zasobów energii geotermalnej jako jednego ze źródeł ciepła. Ocenę ilości ciepła wykorzystanego ze źródła geotermalnego, o jednakowym potencjale, przeprowadzono na podstawie analizy dwóch zaproponowanych scenariuszy ciepłowni multiwalentnych: elektrociepłowni geotermalnej z turbiną na czynnik organiczny oraz ciepłowni geotermalnej ze sprężarkową pompa ciepła.
EN
The use of geothermal energy resources as one of the heat sources is proposed basing on the operation analysis of the district heating system. The assessment of the amount of heat from a geothermal source (used with the same potential) has been based on the analysis of the two proposed scenarios for multivalent geothermal power plant with organic agent turbine and geothermal district heating network with compression heat pump.
One of the most important problems of last years is the development of society, which is not compatible with environment protection. Total consumption of energy does not reflect already the degree of economic development. The index of scientifical and technical progress is nowadays the minimization of the energy consumption and its ecological cleanness. Additionally growing prices of energy carriers, the environmental degradation and climate changes make alternative energy sources interesting. Alternative energy sources can be used not only for room heating but also for its cooling. The connection these both functions by means of 4 different ideas of the heating and air-conditioning installation for the existing auditorium is presented. In the first idea main devices are solar collectors, air-compressor heat pump, the underground heat magazine filled with stones and a water, and ground probes. The second solution introduces the connection into one system of solar collectors, the air-compressor heat pump, the triple hydraulical coupling and ground probes. Into the third solution entered ground probes, solar collectors, absorptive heat pump and the gas boiler. The main elements of the fourth solution are compact heating and cooling devices and solar collectors, which work with warm water tank. The technological schema with well-chosen devices are presented and the special attention on advantages and disadvantages of each solutions is paid. Besides for solution III and IV capital costs, the annual conventional fuel consumption on needs of the heatings, emissions of pollutions to the atmosphere and savings resulting from the use of alternative sources energy were calculated.
PL
Jednym z ważniejszych problemów ostatnich lat jest pogodzenie rozwoju cywilizacyjnego społeczeństwa ze środowiskiem naturalnym. Globalne zużycie energii nie odzwierciedla już dziś stopnia rozwoju gospodarczego, a wręcz odwrotnie. Wyznacznikiem postępu naukowo-technicznego danego kraju jest obecnie minimalizacja zużycia energii i jej ekologiczna czystość. Dodatkowo ciągle rosnące ceny nośników energii, degradacja środowiska naturalnego oraz zmiany globalne klimatu doprowadziły do wzrostu zainteresowania alternatywnymi źródłami energii. Alternatywne źródła energii można wykorzystywać zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia pomieszczeń. Połączenie tych obu funkcji zaprezentowano za pomocą 4 różnych koncepcji instalacji grzewczo-klimatyzacyjnych dla sali wykładowej. W pierwszej koncepcji głównymi urządzeniami są kolektory słoneczne, sprężarkowa pompa ciepła, podziemny magazyn ciepła wypełniony kamieniami i wodą oraz sondy gruntowe. Drugie rozwiązanie przedstawia połączenie w jeden układ kolektorów słonecznych, sprężarkowej pompy ciepła, trójdzielnego sprzęgła hydraulicznego oraz sond gruntowych. W skład trzeciego rozwiązania weszły sondy gruntowe, kolektory słoneczne, absorpcyjna pompa ciepła oraz kocioł gazowy. Natomiast głównymi elementami czwartego rozwiązania są kompaktowe urządzenia grzewczo-chłodzące, kolektory słoneczne współpracujące z biwalentnym podgrzewaczem wody. Zaprezentowano schematy technologiczne z dobranymi urządzeniami oraz zwrócono uwagę na wady i zalety poszczególnych rozwiązań. Ponadto dla rozwiązania III oraz IV obliczono koszty inwestycyjne, roczne zużycie paliwa konwencjonalnego, emisje zanieczyszczeń do atmosfery oraz oszczędności, które wynikają z wykorzystania odnawialnych źródeł energii.
Jednym z ważniejszych problemów ostatnich lat jest pogodzenie rozwoju cywilizacyjnego społeczeństwa ze środowiskiem naturalnym. Globalne zużycie energii nie odzwierciedla już dziś stopnia rozwoju gospodarczego, a wręcz odwrotnie. Wyznacznikiem postępu naukowo-technicznego danego kraju jest obecnie minimalizacja zużycia energii i jej ekologiczna czystość. Dodatkowo ciągle rosnące ceny nośników energii, degradacja środowiska przyrodniczego oraz zmiany globalne klimatu doprowadziły do wzrostu zainteresowania alternatywnymi źródłami energii. Alternatywne źródła energii można wykorzystywać zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia pomieszczeń. Połączenie tych obu funkcji zaprezentowano za pomocą 4 różnych koncepcji instalacji grzewczo-klimatyzacyjnych dla sali wykładowej. W pierwszej koncepcji głównymi urządzeniami są kolektory słoneczne, sprężarkowa pompa ciepła, podziemny magazyn ciepła wypełniony kamieniami i wodą oraz sondy gruntowe. Drugie rozwiązanie przedstawia połączenie w jeden układ kolektorów słonecznych, sprężarkowej pompy ciepła, trójdzielnego sprzęgła hydraulicznego oraz sond gruntowych. W skład trzeciego rozwiązania weszły sondy gruntowe, kolektory słoneczne, absorpcyjna pompa ciepła oraz kocioł gazowy. Natomiast głównymi elementami czwartego rozwiązania są kompaktowe urządzenia grzewczo-chłodzące, kolektory słoneczne współpracujące z biwalentnym podgrzewaczem wody. Zaprezentowano schematy technologiczne z dobranymi urządzeniami oraz zwrócono uwagę na wady i zalety poszczególnych rozwiązań.
EN
One of the most important problems of last years is the development of society, which is not compatible with environment protection. Total consumption of energy does not reflect already to the degree of economic development. The index of scientifical and technical progress is nowadays the minimization of the energy consumption and its ecological cleanness. Additionally growing prices of energy carriers, the environmental degradation and climate changes make alternative energy sources interesting. Alternative energy sources can be used not only for room heating but also for its cooling. The connection these both functions by means of 4 different ideas of the heating and air-conditioning installation for the existing auditorium is presented. In the first idea main devices are solar collectors, air-compressor heat pump, the underground heat magazine filled with stones and water, and ground probes. The second solution introduces the connection into one system of solar collectors, the air-compressor heat pump, the triple hydraulical coupling and ground probes. Into the third solution entered ground probes, solar collectors, absorptive heat pump and the gas boiler. The main elements of the fourth solution are compact heating and cooling devices and solar collectors, which work with warm water tank. The technological schemas with well-chosen devices are presented and the special attention on advantages and disadvantages of each solution is paid.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule dokonano ogólnej prezentacji najczęściej wykorzystanych systemów odzysku ciepła w klimatyzacji oraz dokonano szczegółowej analizy układów odzysku ciepła opartych na spężarkowych pompach ciepła. W wielu opracowaniach podkreśla się jak ważny jest dobór dolnego źródła dla układów opartych na sprężarkowej pompie ciepła oraz zalety i wady poszczególnych rozwiązań. Jednak bardzo często pomija się powietrze usuwane z budynku, mogace stanowić również jadno z dolnych źródeł ciepła, a które charakteryzuje się wieloma zaletami i którego wykorzystanie w systemach klimatyzacji powoli może się okazać wręcz nieodzowne, z uwagi na obowiązującą stosunkowo od niedawna dyrektywę energetyczną. Szczególnie dotyczyć to może bydynków wymagających doprowadzenia do i ciepła w tym samym czasie.
W artykule opisano stanowisko badawcze składające się z trzech jednakowych sprężarkowych pomp ciepła współpracujących z układem grzejników. Każda pompa korzysta z osobnego dolnego źródła ciepła w postaci pionowych wymienników gruntowych. Dla jednej pompy jest to klasyczny kolektor głębinowy 2 x 30 m, w dwu pozostałych zainstalowano grupy wymienników (5 i 10 sztuk) typu „rura w rurze" wciskanych w grunt na głębokość 7 m. Przedstawiono metodykę badań oraz wyniki z dwóch sezonów grzewczych, które porównano w celu oceny skuteczności stosowanych rozwiązań. Zaproponowano sposób analizy wyników pomiarów temperatury solanki. Wyprowadzono wnioski.
EN
The testing site described in the article consists of three equal compressor heat pumps cooperating with the system of heaters. Each pump uses separate lower source in the form of vertical ground heat exchangers. One of the pumps uses classic depth collector (2 x 30 m), and two others work with "pipe in pipe" exchanger groups (5 and 10 exchangers in a group) pushed down 7 meters deep to the ground. Research methodology and results from 2 heating seasons arę shown compared in order to evaluate the efficacy of applicated solution. Analysis manner of glikoc temperature measurements was also proposed. Conclusions were driven.