1

Predavanje: DODATNI ZAHTJEVI NA TEMELJNU KONSTRUKCIJU - sustava grijanja i hlađenja objekta

TERMOAKTIVNI TEMELJI

Zagreb, veljača 2010.

priredio: prof.dr.sc. Leo Matešić, dipl.ing.građ.

0 SADRŽAJ

0 SADRŽAJ 1

1 TERMOAKTIVNI TEMELJI............................................................................................................................................................... 2 1.1 Uvod 2 1.2 Prednosti geotermalnih sustava grijanja .............................................................................................................................. 3

1.2.1 Ekološke prednosti .......................................................................................................................................................... 3 1.2.2 Ekonomske prednosti ...................................................................................................................................................... 5 1.2.3 Neovisnost o fosilnim energentima .................................................................................................................................. 5 1.2.4 Kvaliteta stanovanja ........................................................................................................................................................ 5 1.2.5 Sigurnost od požara ........................................................................................................................................................ 5 1.2.6 Iskoristivost u građevinskoj budućnosti ............................................................................................................................ 6 1.2.7 Višestruka funkcija .......................................................................................................................................................... 6

1.3 Teorija rada toplinskih pumpi ................................................................................................................................................ 6 1.3.1 Zakoni termodinamike ..................................................................................................................................................... 7

1.3.1.1 Prvi glavni zakon termodinamike 7 1.3.1.2 Drugi glavni zakon termodinamike 7

1.3.2 Termodinamičke promjene stanja .................................................................................................................................... 7 1.3.2.1 Izotermalna promjena stanja 8 1.3.2.2 Adijabatska promjena stanja 9

1.3.3 Kružni procesi ................................................................................................................................................................. 9 1.3.3.1 Desnokružni procesi 10 1.3.3.2 Lijevokružni procesi 10

1.3.4 Toplinske pumpe ........................................................................................................................................................... 10 1.3.5 Podjela sustava toplinskih pumpi ................................................................................................................................... 15 1.3.6 Koeficijent iskoristivosti ( COP – eng. Coefficient of performance ) ................................................................................ 15 1.3.7 Radni medij toplinske pumpe ......................................................................................................................................... 17

1.3.7.1 Općenito o radnom mediju 17 1.3.7.2 Bitne karakteristike radnog medija 18 1.3.7.3 Vrste radnih medija u toplinskim pumpama 19

1.4 Geotermalni kolektori ........................................................................................................................................................... 21 1.4.1 Horizontalni geotermalni kolektori .................................................................................................................................. 21 1.4.2 Spiralni geotermalni kolektori (kolektori u kanalima) ...................................................................................................... 22 1.4.3 Vertikalni geotermalni kolektori ...................................................................................................................................... 23

1.5 Načela termoaktivnih temelja ............................................................................................................................................... 24 1.5.1 Ugradnja plastičnih cijevi u termoaktivne temelje ........................................................................................................... 24

1.6 Termička svojstva tla ........................................................................................................................................................... 27 1.6.1 Općenito ........................................................................................................................................................................ 27 1.6.2 Termička svojstva tla ..................................................................................................................................................... 27 1.6.3 Prijenos toplinske energije u tlu ..................................................................................................................................... 30 1.6.4 Modeli tla ....................................................................................................................................................................... 31

1.7 Ponašanje tla uslijed temperaturnih promjena ................................................................................................................... 32 1.7.1 Naprezanje-deformacija ................................................................................................................................................ 32 1.7.2 Hidraulička svojstva ....................................................................................................................................................... 32 1.7.3 Fizikalno-kemijska svojstva ........................................................................................................................................... 32 1.7.4 Biološka svojstva ........................................................................................................................................................... 32

1.8 Prijenos topline između apsorpcijske tekućine, betona i tla ............................................................................................. 33 1.9 Analize isplativosti i emisija CO2 ......................................................................................................................................... 34 1.10 Reference .............................................................................................................................................................................. 37

2

1 TERMOAKTIVNI TEMELJI

1.1 UVOD

Jedan od osnovnih preduvjeta za duži boravak čovjeka u nekom prostoru je podnošljiva razlika između temperature njegovog tijela i okolice, tj. ona razlika koju prirodni regulatori temperature ljudskog tijela mogu kompenzirati.

Razvoj svijesti o snižavanju pogonskih troškova za potrebe grijanja/hlađenja, ekološki čimbenici i nastojanje da se iz prirode uzme što veća količina topline za grijanje/hlađenje, utjecali su na pojavu naprednih tehničkih rješenja. Jedno od najzanimljivijih su dizalice topline, (toplinske pumpe, eng heat pump), koje toplinu uzimaju iz tla, na način da se za proizvodnju 100% topline za grijanje i/ili pripremu potrošne tople vode, koristi svega 25-30% dopunske energije (najčešće za pogon kompresora dizalice topline), dok se 70-75% energije uzima iz okoline (tla).

slika 1.1 Shema sustava grijanja/hlađenja obiteljske kuće sa termoaktivnim temeljima

Globalno, podzemne geotermalne pričuve predstavljaju ogroman potencijal izravno upotrebljive energije. Ekonomska opravdanost korištenja geotermalne energije dokazana je kroz mnoge projekte u kojima se geotehničke i/ili kolničke konstrukcije koriste i kao konstrukcija za instalaciju cijevi sustava za grijanje/hlađenje nekog objekta.

Betonski elementi geotehničkih konstrukcija u izravnom su kontaktu sa tlom. Sam beton kao materijal, ima velik toplinski kapacitet. Ugradnjom sustava cijevi ispunjenih odgovarajućom tekućinom u geotehničke elemente, te mehaničkim radom dizalica topline, osigurava se cirkulacija tekućine i time i znatna izmjena topline između geotehničke konstrukcije i tla.

3

Zimi uzimamo toplinu iz tla i koristimo je za dogrijavanje sustava grijanja, ljeti predajemo toplinu u tlu i pothlađujemo sustav hlađenja. Sustav je učinkovitiji ako su termoaktivni temelji u saturiranom propusnom tlu u kojem voda teče. Također je moguće ovisno o volumenu betonskih elemenata i vrsti temeljnog tla kratkotrajno pohraniti toplinu dobivenu za vrijeme hlađenja objekta i koristiti je poslije za potrebe grijanja objekta. Ovakav sustav je učinkovitiji ako su termoaktivni temelji u suhom propusnom tlu ili u saturiranom nepropusnom tlu u kojem voda ne teče.

Prve primjene sprege geotehničkih konstrukcija i sustava grijanja/hlađenja zbile su se u Austriji i Švicarskoj u 80-tim godinama prošlog stoljeća i to na temeljnim pločama, a nedugo zatim i na pilotima i dijafragmama. U Austriji je do 2006. g. izvedeno cca 300 zgrada u koje imaju termoaktivne pilote i/ili dijafragme. Slijedeći graf prikazuje trend rasta upotrebe termoaktivnih pilota u Austriji.

slika 1.2 Trend rasta upotrebe termoaktivnih pilota u Austriji

Prije primjene termoaktivnih temelja, kao izmjenjivač topline sa tlom korištena je "toplinska sonda". Konstrukcija "toplinske sonde" sastoji se od cijevi U-oblika ugrađenoj u bušotinu ispunjenu vodom ili nekim materijalom. U usporedbi se termoaktivnim pilotom prijenos topline je manji, a zbog većih radijusa u oblikovanju cijevi veći su otpori prolazu tekućine i time su veći troškovi. No, primjena "toplinske sonde" je opravdana kod već izgrađenih objekta i u projektima u kojima temeljna konstrukcija i temeljno tlo svojom geometrijom i svojstvima ne zadovoljava energetske zahtjeve.

1.2 PREDNOSTI GEOTERMALNIH SUSTAVA GRIJANJA

1.2.1 Ekološke prednosti

Klasični sustavi grijanja kao izvor energije koriste fosilne energente ( grijanje na struju je posredan način korištenja fosilnih energenata ). Godine 2006. 86% energije se dobivalo sagorijevanjem fosilnih goriva. Izgaranjem fosilnih goriva u atmosferu se oslobađa ugljični monoksid CO, ugljični dioksid CO2, sumporni dioksid SO2, SO3, NO3 itd. Pored plinova koji se oslobađaju izgaranjem u atmosferi se drastično povećala koncentracija metana koji nastaje u preradi i korištenju prirodnog plina. Svi ti plinovi pojačavaju prirodan efekt staklenika što dovodi do zagrijavanja atmosfere. Predviđa se porast temperature između 1,5 i 6ºC u sljedećem stoljeću.

4

1. Ugljični dioksid

2. Metan

3. Freon

4. Ozon(O3)i vodena para

5. Dušikov oksid

slika 1.3 Emisije plinova koje dopriose efektu staklenika i promjeni klime ( Professor D. Schönwiese, Institut für Geophysik, Universität Frankfurt/M )

Zagrijavanjem prosječne obiteljske kuće koristeći loživo ulje emitira se 6000 kg CO2 a grijanjem na plin 4000 kg CO2 . Prosječno 40% emisije CO2 otpada na grijanje domaćinstava. Toplinske pumpe ovisno o vrsti energenta koja napaja kompresor ispuštaju puno manje količine CO2 ili emisije uopće nema. Ako se sistem geotermalnih toplinskh pumpi upari sa solarnim panelima emisija CO2 iznosi 0 kg godišnje. Vodeći proizvođači toplinskih pumpi koriste rashladne tvari bez freona koji sudjeluje u razgradnji ozona.

slika 1.4 Usporedba emisije CO2: za tipičnu obiteljska kuća (energetska potreba 8,8kW) Napomena: električna energija dobivena je 50% iz hidro a 50% iz termoelektrane (Institut für Wärmetechnik TU Graz,Energiebericht der

österr.Bundesregierung 1990.)

Smanjenje emisije CO2 geotermalnih sustava grijanja u odnosu na klasične sustave grijanja jasno pokazuje slika 1.4. Time je jasno vidljiv i pozitivan utjecaj na okoliš. Električna energija dobivena za pogon kompresora se može dobiti iz solarnih ćelija i na taj način eliminirati emisiju CO2 u potpunosti.

5

1.2.2 Ekonomske prednosti

Ovisno o efikasnosti toplinske pumpe direktno iz okoliša može se crpiti 75% potrebne energije što naravno ništa ne košta (za sada). Ta energija ovisno o mediju koji koristimo dolazi od Sunca ili iz Zemlje. Samo održavanje je vrlo jeftino.

slika 1.5 Cijena grijanja obiteljske kuće površine 175 m2 za godinu dana (Geotermal heat pumps: A guide to planing and installing)

Usporedimo li najskuplju opciju a to je grijanje na plin (Propan ) i najjeftiniju opciju a to je toplinska pumpa najviše efikasnosti jasno je vidljiva ekonomska prednost. Razlika u cijeni grijanja za samo jednu godinu iznosi 1682 €.

1.2.3 Neovisnost o fosilnim energentima

Energenti iz okoliša koje koristimo u toplinskim pumpama neovisni su o energetskim krizama, a nalaze se svuda oko nas. S obzirom na nestašice fosilnih energenata u skoroj budućnosti, lako je prepoznati prednost toplinskih pumpi. Sama činjenica da se u Europskoj Uniji uvode rigorozni propisi energetske efikasnosti građevinskih objekata u svrhu smanjenja ovisnosti o uvozu energenata promiče ''zelene tehnologije'' kojima geotermalne toplinske pumpe definitivno pripadaju.

1.2.4 Kvaliteta stanovanja

Grijanje toplinskim pumpama pruža veliki komfor i jednostavnost korištenja. Sistem za predaju topline kućanstvu je zagrijan na niže temperature nego kod klasičnog grijanja što osigurava kvalitetnu i zdravu sredinu za život. Često se koristi podno grijanje koje svojom velikom površinom i relativno niskom temperaturom osigurava da neće biti pregrijavanja i velikog strujanja zraka. Reverzne toplinske pumpe također omogućavaju hlađenje tijekom toplijih perioda u godini. Ovi sustavi su vrlo tihi, a također je eliminiran problem dostave energenata, odlaganje pepela i čišćenje dimnjaka.

1.2.5 Sigurnost od požara

Grijanje ovim sustavom koristi princip termodinamičkog kruga, bez sagorijevanja i otvorenog plamena. Rashladni mediji su u većini slučajeva također nezapaljivi.

6

1.2.6 Iskoristivost u građevinskoj budućnosti

Tendencija u svijetu je smanjenje emisije topline kroz zidove, podove i krovove građevina. U skoroj budućnosti možemo očekivati zakonsko smanjenje energetskih potreba građevina po uzoru na niskoenergetske i pasivne građevine. Toplinske pumpe su idealne za grijanje takvih niskoenergetskih objekata. Standardni sustavi grijanja nisu isplativi za ugradnju u objekte sa tako niskim energetskim zahtjevima.

1.2.7 Višestruka funkcija

Uz primarnu namjenu grijanja toplinske pumpe se mogu koristiti i za druge namjene u domaćinstvu. Najbitnija namjena je hlađenje u toplim dijelovima godine, a postiže se na vrlo jednostavan i jeftin način ugradnjom povratnog ventila. Također, mogu se koristiti za proizvodnju tople vode u domaćinstvu.

1.3 TEORIJA RADA TOPLINSKIH PUMPI

Toplinske pumpe pretvaraju toplinsku energiju niske temperature u toplinsku energiju visoke temperature koja se koristi u svrhu grijanja domaćinstva. Pretvorba se odvija u zatvorenom kružnom procesu u kojem radnom mediju konstantno mjenjamo stanje.

Sistem toplinskih pumpi podliježe zakonima termodinamike, a bazira se na principu lijevokužnog Carnotovog procesa.

Kada je Lord Kelvin opisao teoretsku toplinsku pumpu 1852 godine nije predviđao da se koristi kao uređaj za grijanje. Jedina realna upotreba bila je za hlađenje velikih kolonijalnih zgrada u Imperijskoj Indiji.

Tijekom zadnjih 50 godina tehnologija je postepeno usavršena. Danas je to jedna od vodećih tehnologija za grijanje domaćinstava u Europi i Sjedinjenim Američkim Državama. Unatoč vizionarskom razmišljanju Lorda Kelvina nije niti mogao zamisliti da će njegov izum imati bitnu ulogu u smanjenju emisije ugljičnog dioksida. Toplinske pumpe su jedni od rijetkih uređaja za grijanje koji su pouzdani i dostupni , a ujedno smanjuju ili u potpunosti ne emitiraju ugljični dioksid.

Iako nije izvorna namjena smanjenje emisije ugljičnog dioksida, u današnje vrijeme kada je globalno zatopljenje izraziti problem, ta karakteristika toplinskih pumpi je glavni adut za njihovo širenje. Međunarodna Agencija za Energiju ( The Internacional Energy Agency – IEA) je prepoznala toplinske pumpe kao jednu od tehnologija koja može pružiti velika sniženja emisije CO2.

Tehnilogija toplinskih pumpi je imala trnovit put do današnjeg statusa pouzdanog i ekološki prihvatljivog proizvoda. Kompletna industrija je bila na rubu kolapsa zbog loših projekata, kvalitete i opreme, a postepeni oporavak je uslijedio zbog standardizacije i uvođenja normi.

Paralelno sa razvojem toplinskih pumpi razvijali su se i drugi segmenti građevinarskog sektora. Emisija toplinske energije kroz zidove je drastično smanjena primjenom novih materijala u izolaciji građevina. Slobodno se može reči da je bilo koja novogradnja u Europi i SAD-u pogodna za ugradnju toplinskih pumpi. Glavno ograničenje za ugradnju predstavljaju starije građevine zbog toga što je temperatura koja se isporučuje iznosi maksimalnih 65ºC dok klasični bojleri isporučuju temperature do 90ºC.

Medij iz kojeg se uzima toplinska energija može biti voda , zrak i zemlja. Zrak je najdostupniji medij ali u trenutku kada najviše trebamo energije iz njega , što tokom zimskog perioda, on je najhladniji. Voda ima puno bolje toplinske karakteristike od zraka , ali nije dostupna na svim lokacijama. Trenutno najzanimljiviji medij je zemlja. Toplinske pumpe koje koriste zemlju kao medij nazivaju se geotermalnim toplinskim pumpama.

Za rad geotermalnih toplinskih pumpi vrlo je bitna granična zona koja se naziva neutralnim temperaturnim slojem. U tom sloju temperatura tla je stalna i uglavnom odgovara srednjoj godišnjoj temperaturi promatranog područja.

7

1.3.1 Zakoni termodinamike

''Termodinamika se temelji na dva osnovna zakona koji su poopćenje prirodnih zakonitosti. Prvi glavni zakon , temeljen na zakonu o odžavanju energije, utvrđuje kvantitativne odnose u procesima pretvorbe topline i rada. Drugi glavni zakon govori o smjeru provođenja procesa , a povezan je s pojmom entropije.'' - Osnove tehničke termodinamike , Alka Mihelić-Bogdanić

1.3.1.1 Prvi glavni zakon termodinamike

Temeljen na principu zakona o održanju i pretvorbi energije, utvrđuje da energija ne nastaje niti nestaje iz ničega , nego samo prelazi iz jednog u drugi oblik.

To nam govori da je ukupna energija termodinamičkog procesa konstantna odnosno nema razlike između energije u krajnjem i početnom stanju.

Ek - Ep = 0, E = konst.

Ukupna energija radnog medija u međudjelovanju sustava i okoline jednaka je zbroju početne energije i zbroju svih količina energije koje sudjeluju u procesu.

1.3.1.2 Drugi glavni zakon termodinamike

Drugi glavni zakon temelji se na spoznaji Sadi Carnota :

'' Gdje postoji razlika u temperaturi može se dobiti pokretna moć.''

On kaže da se može iskoristiti postojanje razlike u temperaturi između dva medija za dobivanje rada. Podrazumijeva se da se misli na prijelaz topline sa tijela s višom temperaturom na tijelo niže temperature jer se taj proces odvija sam od sebe.

Na temelju toga R.Clasius je dao definiciju drugog glavnog zakona, koja glasi:

''Toplina nikada ne može prelaziti sama od sebe s hladijeg tijela na toplije tijelo bez drugih promjena u sustavu, tj. bez kompenzacije.''

Ovaj zakon je izuzetno bitan za toplinske pumpe jer one rade upravo to, oduzimaju toplinsku energiju hladnijem tijelu i predaju toplijem tijelu. Da bi proces hlađenja hladnijeg tijela i grijanja toplijeg tijela funkcionirao naravno moramo izvršiti ''kompenzaciju''. Tako u zatvorenom sistemu toplinskog grijanja ulažemo rad kroz kompresor koji tlači radni medij.

1.3.2 Termodinamičke promjene stanja

Promjene stanja idealnih plinova su vrlo bitne jer nam daju vezu između topline i mehaničkog rada.

S obzirom da se u toplinskim pumpama primjenjuje lijevokružni Carnotov proces koji se sastoji se od dvije povratne izoterme i dvije povratne adijabate odnosno ( dvije izentrope ) izohorna, izobarna promjena stanja neće biti obrađena.

8

1.3.2.1 Izotermalna promjena stanja

Izotermalna promjena stanja je takva promjena stanja kod koje nema promjene temperature, T = konst.

slika 1.6 Izotermalna promjena stanja idealnog plina

Ako u zatvorenom sustavu imamo određenu masu plina u početnom stanju ( T1,V1,p1), polaganim dovođenjem topline kroz stijenke sistema plin će se postepeno širiti dok ne ispuni ukupan volumen sistema. Za vrijeme širenja plina neće doći do promjene temperature T.

Jednadžba izoterme glasi :

p ∙ V = m ∙ R ∙ T = konst. = p1 ∙ V1 = p2 ∙ V2

Izborom različitih temperatura dobija se familija istostranih hiperbola u p,V – dijagramu.

9

1.3.2.2 Adijabatska promjena stanja

Adijabatska promjena stanja je proces bez dovođenja ili odvođenja topline kroz granice sistema.

Pri adijabatskoj ekspanziji rad se odvija uz smanjenje unutrašnje energije, a pri kompresiji rad se odvija uz povečanje unutrašnje energije radnog medija. U povratnom adijabatskom procesu entropija (''kanal'' kojim se izmjenjuje toplina između sustava u njegovog okoliša ) se ne mijenja pa se zato naziva izentropski proces.

slika 1.7 Adijabatska promjena stanja idealnog plina

U p, v dijagramu adijabate se prikazuju kao raznostrane hiperbole , strmije od izotermi, budući da im je eksponent k u općoj jednadžbi promjene stanja p∙vk=C=konst veći od 1 dok je za izotermu eksponent n u jednadžbi promjene stanja p∙vn=C=konst jednak 1.

1.3.3 Kružni procesi

Toplinski uređaji dijele se na termoenergetske i rashladne uređaje. Kod termoenergetskih uređaja pretvaramo toplinsku energiju u mehaničku ili električnu dok se kod rashladnih uređaja toplinska energija prenosti sa tijela niže temperature na tijelo više temperature. Za neprekidan rad takvih sustava koriste se kružni procesi.

Za ostvarenje kružnog procesa potrebna su dva izvora topline na različitim temperaturama, ogrijevni i rashladni. Dovod i odvod topline se odvija izotermalno, a preostale dvije promjene stanja su adijabatske.

Toretske osnove kružnih procesa postavio je Sadi Carnot. Prema njegovoj definiciji postoje desnokružni i lijevokružni procesi.

10

1.3.3.1 Desnokružni procesi

Desnokružni Carnotov proces se odvija prema drugom glavnom zakonu. Odvija se preko dvije izoterme i dvije adijabate. Za ostvarenje ciklusa potrebna su dva izvora na različitim temperaturama TH – ogrijevni spremnik ( eng. Hot ) i Tc – rashladni spremnik ( eng. Cold ).

Zamišljeni Carnotov stroj sastoji se od sljedećih promjena stanja:

slika 1.8 Carnotov desnokružni proces

1. Izotermne ekspanzije plina ( TH ) - promjena od A do B

2. Izentropske (ravnotežna adijabata) ekspanzije plina - promjena od B do C - sustav je toplinski izoliran od okoline

3. Izotermne kompresije plina ( TC ) - promjena od C do D

4. Izentropska kompresija plina - promjena od D do A - sustav toplinski izoliran od okoline

1.3.3.2 Lijevokružni procesi

Lijevokružni proces je ustvari reverzni desnokružni Carnotov proces što znači da je smjer obratan dakle obrnuto smjeru kazaljka na satu. Za ostvarenje ciklusa potrebna su dva izvora na različitim temperaturama TH – ogrijevni spremnik ( eng. Hot ) i Tc – rashladni spremnik ( eng. Cold ). Proces se ostvaruje preko dvije izoterme i dvije izentrope.

Lijevokružni Carnotov proces je osnova funkcioniranja toplinskih pumpi jer omogućava podhlađivanje hladnijeg tijela u korist grijanja toplijeg tijela.

1.3.4 Toplinske pumpe

Toplinske pumpe (dizalice topline), su transformatori topline kojima je temperatura rashladnog spremnika veća od temperature okoliša dok im je temperatura ogrijevnog spremnika niža od temperature okoliša. U procesu se energija oduzima tijelu s nižom temperaturom i predaje tijelu više temperature , uz utrošak rada. Za funkcioniranje toplinske pumpe potreban je davatelj topline i potrošač tako dobivene energije, odnosno rashladni i ogrijevni spremnik.

Osnovni elementi uređaja su:

kompresor,

kondenzator ,

prigušni ventil i

isparivač.

Kompresor može biti klipni ( za manje toplinske pumpe ) i centrifugalni ( za veće toplinske pumpe ).

Proces u kondenzatru može se odvijati u dva ili tri stupnja odnosno hlađenje, kondenzacija i pothlađivanje radnog medija.

11

U isparivaču se oduzima toplina davatelju ( ogrijevnom toplinskom spremniku ), a njegova snaga ovisi o jačini kompresora. Davatelj topline, odnosno ogrijevni spremnici, mogu biti:

vode rijeka, jezera,

podzemne vode,

zemlja,

zrak itd.

Davatelj (izvori) topline moraju imati zadovoljavajuću raspoloživost te stalnu i dosta visoku temperaturu tokom godine, dosta veliku specifičnu toplinu, moraju biti jeftini , čisti i inertni.

slika 1.9 Shema kompresijske toplinske pumpe

12

slika 1.10 Idealizirani termodinamički proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi

U jednostavnoj parno kompresijskoj pumpi, slika 1.9, protječe termodinamički proces kojeg prikazuje slika 1.10. Proces se odvija na način da se radni medij komprimira uz potrošnju mehaničkog rada između točaka 1 i 2. Nakon toga slijedi hlađenje i kondenzacija između točaka 2 i 3 pri čemu toplina prelazi na rashladnu vodu ili zrak kojom se kondenzator hladi. Taj zrak ili voda (rashladni) koji smo maloprije zagrijali služi za zagrijavanje domaćinstva. Nakon kondenzacije rashladni medij se prigušuje do tlaka i temperature u isparivaču između točaka 3 i 4. Slijedi ulazak mokre pare u isparivač koji oduzima toplinu tijelu koje se hladi (toplinski spremnik- ogrijevni spremnik , Zemlja ). Događa se promjena stanja, isparavanje i vraćamo se u kompresor. To se sve odvija između točaka 4 i 1. Povratkom u kompresor zatvoren je kružni proces.

U proračunu stvarnog procesa moramo uključiti i gubitke cjevovoda, kompresora, mehaničke i električne gubitke u elektromotoru, odstupanje radnog medija od idealnih. Ukupni stupanj djelovanja

toplinske pumpe hu obuhvaća sve gubitke i iznosi 25-75%.

13

slika 1.11 Shema kompresijske toplinske pumpe

Shematski prikaz kompresijske toplinske pumpe sa realnim temperaturama i tlakovima radnog medija R290 pruža slika 1.11.

Izvor topline iznosu od 75% ukupne energije koja se koristi u sustavu je tlo. Tlo je temperature 0ºC iz kojeg izvlačimo toplinu geotermalnim kolektorima i samim time ga hladimo na -4ºC. Taj proces se odvija u isparivaču na tlaku od 3,65 bara. Radnom mediju smo podigli temperaturu sa -8ºC na -3ºC. Takav radni medij dolazi do kompresora koji izentropski komprimira plin do tlaka od 13,2 bara i ujedno unosi 25% ukupne energije u sistem, pri čemu se temperatura radnog medija podigla na +62ºC. Radni medij tada dolazi do kondenzatora koji predaje toplinu domaćinstvu. U ovom procesu radni medij se hladi na +33ºC , tlak je i dalje 13,2 bara, a temperatura medija u domaćinstvu raste sa +30ºC na +35ºC.Radni medij potom dolazi do ekspanzionog ventila u kojem dolazi do izentropske ekspanzije radnog medija kojem se tlak smanjuje sa 13,2 bara na 3,65 bara, a temperatura pada sa +33ºC na -8ºC. Kružni proces se tada ponavlja.

14

slika 1.12 Shema geotermalnoe toplinske pumpe sa pilotima kao kolektorima

Shematski prikaz dijelova sustava za eksploataciju geotermalne energije sa svrhom grijanja i hlađenja domaćinstva pruža slika 1.12. Sastoji se od primarnog kruga koji uključuje vertikalnie kolektore toplinske energije – pilota, cijevi za transport radnog medija, sabirne stanice, cijevi koje povezuju primarni krug sa toplinskom pumpom koji prikazuje slika 1.11, te od sekundarnog kruga koji služi za distribuciju energije u kućanstvu.

15

1.3.5 Podjela sustava toplinskih pumpi

Toplinske pumpe možemo kategorizirati prema:

a) funkciji koju obavljaju:

grijanje,

hlađenje,

proizvodnja tople vode u domaćinstvu,

ventilacija,

kombinacije već navedenog itd.

b) ogrijevnom spremniku:

zemlja,

podzemne vode,

zrak,

vodene površine itd.

c) kombinaciji radnih medija u ogrijevnom dijelu i distribuciji:

-voda/voda ,

-zrak/zrak ,

-zrak/voda itd.

d) ostalim konstrukcijskim karakteristikama:

-integralne/modularne,

-vanjske/unutarnje,

-kompresijske/apsorpcijske,

-pogon kompresora električni/s unutarnjim izgaranjem,

-načinu kompresije itd.

1.3.6 Koeficijent iskoristivosti ( COP – eng. Coefficient of performance )

Koeficijent iskoristivosti predstavlja vrlo bitnu veličinu za toplinske pumpe.

COP ( ) nam pokazuje omjer dobivene koristne toplinske energije i uložene energije u sistem

preko kompresora.

Iz gornjeg je lako vidljivo da je što je uvijek veće od 1.

Dakle, kod toplinske pumpe sa COP = 4, na 1 kW uložene električne energije dobijamo 4 kW toplinske energije za grijanje domaćinstva.

16

slika 1.13 Prikaz toka energije ( COP )

S obzirom da je ciklus toplinskih pumpi više manje obrnuti idealni Carnotov desnokružni ciklus (odnosno lijevokružni) COP se može izračunati koristeći razliku u temperaturi isparivača i kondenzatora.

To – Temperatura okoliša iz kojeg crpimo toplinu

T – Temperatura medija kojem predajemo toplinu ( temperatura medija u domaćinstvu )

∆T – Razlika u temperaturi između temperature medija domaćinstva i okoliša

Vrijednosti temperature se uvrštavaju u Kelvinima ( K ).

Primjer 1. :

To= 0 º C = 273 K

T = 50 º C = 323 K

Primjer 2. :

To= 0 º C = 273 K

T = 30 º C = 303 K

U stvarnosti idealni procesi ne postoje tako da je COP ustvari manji od Carnotove korisnosti. Zbog toplinskih, mehaničkih i električnih gubitaka COP se umanjuje za stupanj djelovanja toplinske pumpe

hu

17

Dakle iz primjera 1 i 2 slijedi da je

Uzevši vrijednost djelovanja toplinske pumpe od 50% što je srednja vrijednost dobivamo:

Kao što je vidljivo efikasnost sistema grijanja toplinskim pumpama ovisi o dvije veličine, temperaturi na koju zagrijavamo kućanstvo i temperaturi medija iz kojeg crpimo toplinu odnosno njihovoj razlici te o gubicima u samom sustavu. Iz toga se može zaključiti da COP tokom godine varira zbog različitih vrijednosti temperatne razlike ogrijevnog i rashladnog spremnika topline.

slika 1.14 COP u ovisnosti o promjeni razlike temperature ∆T (BWP )

COP opada kada je ∆T veći, a raste kada je ∆T manji. Veći ∆T se pojavljuje u zimskim periodima što nam svakako ne odgovara. Iz tog razloga je vrlo bitan izbor medija iz kojeg se crpi toplina i njegove karakteristike. (slika 1.14)

Sezonski faktor korisnosti (godišnja korisnost) predstavlja omjer ukupne energije dostavljene za grijanje domaćinstva i ukupni utrošak električne energije za pokretanje kompresora. Dakle, prosječni COP tokom godine (za grijanje i hlađenje odvojeno) se po VDI 4650 naziva sezonskim faktorom korisnosti toplinske pumpe (eng. Seasonal Performance Factor - SPF).

1.3.7 Radni medij toplinske pumpe

1.3.7.1 Općenito o radnom mediju

U teoretskom dijelu pod radnim medijem u toplinskoj pumpi se smatra voda u tekućem i plinovitom stanju. Također, u teoretskom dijelu prikazani su principi djelovanja sistema za idealne plinove. U stvarnosti postoje odstupanja zbog postojanja gubitaka. Za ublažavanje tih gubitaka umjesto vode u toplinskim pumpama koristimo neke druge kapljevine.

Glavna funkcija radnog medija je transport toplinske energije od primarnog kruga (ogrijevnog spremnika) do domaćinstva te distribucija u domaćinstvu koje predstavlja sekundarni krug (rashladni spremnik).

18

Radni medij u primarnom i sekundarnom krugu su kombinacije :

voda/voda ,

zrak/zrak ,

zrak/voda.

1.3.7.2 Bitne karakteristike radnog medija

Karakteristike radnog medija koje su bitne za efikasnije funkcioniranje toplinskih pumpi su:

specifični toplinski kapacitet,

entalapija i

temperatura vrelišta.

Specifični toplinski kapacitet je odnos dovedene količine topline i promjene temperature, a specifična toplina je ona količina energije koju treba dovesti ili odvesti jedinici količine tvari da bi se temperatura promjenila za 1ºC.

Specifični toplinski kapacitet

Bitno je da medij posjeduje veliki toplinski kapacitet, odnosno da može primiti velike količine toplinske energije a da mu se pri tome što je manje moguće poveća temperatura i obratno da može predati velike količine topline, a da mu se pri tome temperatura što je manje moguće smanji.

Entalapija je zbroj unutrašnje energije i potencijalne energije izvora vanjskog tlaka, odnosno mjera energije koju posjeduje radni medij.

H = U + pV

slika 1.15 Dijagram za određivanje COP-a preko entalapije i tlaka za radni medij R 134a (Ochsner)

19

Za idealne plinove Carnotova korisnost se određuje kao:

dok je za realne :

Temperatura vrelišta je temperatura na kojoj tekućina prelazi u plin. Vrelište ovisi o tlaku tekućine i proporcionalno mu je.

slika 1.16 Dijagram stanja vode

Na dijagramu je vidljivo da voda pri 0,611 kPa ( 1 kPa je cca 1 atmosfera ) isparava na 273,16 K što odgovara 0ºC dok povećanjem tlaka raste i temperatura isparavanja. Ovo je vrlo bitna činjenica za funkcioniranje sustava jer je toplinski spremnik, odnosno tijelo od kojeg dobijamo toplinu relativno niske temperature.

1.3.7.3 Vrste radnih medija u toplinskim pumpama

Za razliku od primarnog i sekundarnog kruga u kojima se koristi voda kao radni medij u toplinskim pumpama koristimo neke druge spojeve. Prije pojave problema ozonskih rupa u 1980-im godinama, najrašireniji radni medij bili su metan kojem su jedan ili više atoma zamijenjeni F, Cl, Br, I , poznatiji kao R-12 i R-22.

20

R-22 se češće koristio za klimatizaciju u stambenim prostorima dok je R-12 bio namijenjen za klimatizaciju vozila. Neki rani sustavi koristili su radni medij zvan R-11. Proizvodnja R-12 je prestala sredinom devedesetih a R-22 bi trebao bit potisnut iz upotrebe do 2020.

R-134a i određene mješavine danas zamjenjuju stare medije koji sadrže klor. Suvremeni mediji samim time ne uništavaju ozon i puno su ekološki prihvatljiviji. Ali ni R134a nije konačno rješenje jer nove studije pokazuju da štetno utječe na klimatske promjene. U Europskoj Uniji već su stupile na snagu određene restrikcije što se tiče korištenja ovog medija , a 2011. će biti u potpunosti zabranjen.

Danas se najviše koriste:

R 134A kemijska formula je C2H2F4

temperatura vrelišta : -26,3 °C

R 407C mješavina R-32 (23%) , R-125 (25%) i R-134a (52%)

R410A mješavina R-32 (50%) i R-125 (50%) temperatura vrelišta : - 48,5 °C

R404A R-125(44%) , R-143a(52%) i R-134a (4%)

R290 čisti propan temperatura vrelišta : -42,5°C

Najčešće su ipak korišteni R 134A i R 407C zbog toga jer su nezapaljivi i neotrovni.

Predloženi zamjenski medij za R 134A je HFO-1234yf.

Prednosti spoja HFO-1234yf su :

-manji utjecaj na efekt staklenika

-smanjeno vrijeme razgradnje u atmosferi (ako dođe do ispuštanja)

-kompatibilnost sa postojećim sustavima

-vrhunske termodinamičke karakteristike

-sigurnost korištenja

Većina toplinskih pumpi dolazi sa već ugrađenim medijima. Stoga nije izgledno curenje medija u atmosferu i zagađenje, ali to ne znači da do toga nemože doći. Vrlo je bitno da ugradnju vrši kvalificirana osoba i da se odlaganje ( nakon proteka radnog vijeka ) izvrši na odgovarajući način.

21

1.4 GEOTERMALNI KOLEKTORI

Toplina iz tla se može prikupljati na više načina. Ovisno o uvjetima na terenu imamo izbor između horizontalnih kolektora, spiralnih kolektora u kanalima i vertikalnih kolektora.

Za kolektore koji su položeni u zemlju, neovisno o vrsti kolektora, bitne su karakteristike tla, ali također je vrlo bitno da je tlo konsolidirano i da nema velikih slijeganja. Ako bi se pojavili bilo kakvi pomaci u tlu, moglo bi doći do pucanja cijevi i samim time uništenja kolektora.

Za zemljane kolektore vrlo su bitne podzemne vode ali također i kišnica. Kišnica regenerira tlo i stoga područje na kojem su ugrađeni kolektori ne smije biti betonirano. S druge strane previše kišnice može uzrokovati probleme. Ako se voda nakupnja na tlu, potrebno je izvesti drenažu.

Pored kolektora koji služe samo energetskoj izmjeni vrlo su bitni kolektori koji se ugrađuju u temelje građevina. Razlikujemo termoaktivne dijafragme, termoaktivne ploče, termoaktivne, pilote i termoaktivne tunele. U principu to su kolektori koji imaju dvije funkcije. Pored izmjene topline sa tlom oni služe za temeljenje građevina. U slučaju da je kolektor ugrađen u temelje izmjena topline sa tlom ide posredno preko betona. Bitne prednosti osim višenamjenskog korištenja je zaštita kolektorskih cijevi te manja potrebna površina za ugradnju jer se kolektor nalazi ispod (ili u neposrednoj blizini) objekta koji grije.

Kada razmotrimo sve uvjete koji prevladavaju na terenu odlučujemo se na vrstu kolektora. Ovisno o vrsti kolektora i ugradnja a samim time i cijena grijanja varira te je potrebno posvetiti posebnu pažnju pri odabiru.

1.4.1 Horizontalni geotermalni kolektori

Horizontalni kolektori zahtijevaju popriličnu površinu za ugradnju. Za orijentaciju se koristi relacija da je potrebna površina za ugradnju kolektora jednaka površini koju grijemo puta pet. Za precizniji proračun koristi se tablica :

tablica 1.1 Kapacitet kolektora za prikupljanje topline (VDI 4640)

Tablica nam pokazuje kolika je potrebna površina tla u koje ugrađujemo kolektore za dobijanje jednog kWh energije u različitim vrstama tla i za različite vrijednost sezonskog koeficjenta korisnosti.

Dubina na koju se polažu cijevi kolektora iznosi 0,8 do 1,5 m. Dubina ovisi o količini sniježnih oborina i dubini smrzavanja tla koju je poželjno izbjeći. Nakon što su cijevi položene, bitno je da se izvede zaštitni sloj od finog pijeska da bi se izbjegao kontakt cijevi sa većim komadima tla iz razloga što cijevi nemaju veliku tvrdoću.

22

Cijevi se trebaju izvesti tako da dužine budu što je moguće sličnije. Na taj način postižemo da su razlike tlakova svugdje više manje jednake. Sa jednakim razlikama u tlakovima postiže se jednoliko strujanje radnog medija kroz cijeli kolektor.

slika 1.17 Primjer horizontalnog geotermalnog kolektora

Cijevi za izmjenu topline se osim u tlo mogu ugraditi u temelje koja tada osim svoje osnovne funkcije prijenosa težine građevine ima i funkciju geotermalnog kolektora.

1.4.2 Spiralni geotermalni kolektori (kolektori u kanalima)

Spiralni kolektori se koriste kada nije dostupna dovoljna površina za ugradnju horizontalnih kolektora.

tablica 1.2 Kapacitet kolektora za prikupljanje topline

23

slika 1.18 Spiralni kolektor položen u kanale

Kanal u koji polažemo spiralni kolektor treba biti dubine 1,6 do 2m , minimalna širina iznosi 0,8m. Duljina kanala je 20 do 30m. Udaljenost među kanalima je minimalno 3m.

1.4.3 Vertikalni geotermalni kolektori

Vertikalni kolektori zahtijevaju najmanje prostora za ugradnju (tlocrtno gledano). Dubina bušotine je do 100m, a udaljenost između bušotina minimalno 5m.

24

1.5 NAČELA TERMOAKTIVNIH TEMELJA

Sve vrste temelja (npr. temeljne ploče, piloti, dijafragme, šljunčani stupnjaci betonirani/injektirani) u kombinaciji sa potpornim zidom mogu se koristiti i kao termoaktivni temelji.

Beton je materijal koji ima velik toplinski kapacitet i toplinsku provodljivost, što ga čini idealnim upijačem i izmjenjivačem topline. Ugradnjom toplinskog kolektor (sustava apsorpcijskih cijevi, eng absorber pipes) od polietilena visoke gustoće, promjera 20-25 mm, sa stjenkom debljine 2-2,3 mm ispunjenih apsorpcijskom tekućinom u betonske elemente, te mehaničkim radom dizalica topline, osigurava se cirkulacija tekućine i time i znatna izmjena topline između geotehničke konstrukcije i tla.

1.5.1 Ugradnja plastičnih cijevi u termoaktivne temelje

Plastične cijevi toplinskog kolektora postavljaju se unutar armaturnih koševa temeljne konstrukcije u armiračnici ili na gradilištu. Uobičajeno se ugradnja obavlja na gradilištu, što zahtjeva dodatan radni prostor.

Na početku i kraju svake cijevi svakog elementa toplinskog kolektora (pilot, panel dijafragme i dr.), postavlja se ventil sa manometrom. Time se omogućava:

provjera brtvljenja pojedinog elementa (kruga) toplinskog kolektora prije betoniranja, te

nametanja pritiska dovoljnog da se spriječi stiskanje plastičnih cijevi tijekom betoniranja.

Rizik oštećenja plastičnih cijevi toplinskog kolektora smanjuje se izvedbom krutih armaturnih koševa. Ukoliko je potrebno nastavljati armaturu onda treba izbjegavati varenje, odnosno armaturu treba spajati sučeonim vijčanim spojem. Ako se spajanje armature izvodi varenjem, tada treba plastične cijevi štiti od prekomjernog zagrijavanja.

Kod pilota najpovoljnija vrsta termoaktivnih pilota su bušeni piloti koji omogućavaju ugradnju više krugova plastičnih cijevi toplinskog kolektora, za razliku od užih čeličnih zabijanih pilota u kojima se ugrađuje po jedan krug plastičnih cijevi toplinskog kolektora.

U praksi su izvedeni i termoaktivni piloti koji su nastali nakon poboljšanja tla dubinskim vibriranjem metodom šljunčanih stupnjaka (pilota), na način da su šljunčani stupnjaci injektirani cementnom smjesom, te su nakon toga ugrađene plastične cijevi toplinskog kolektora. No tako izvedeni termoaktivni piloti imaju znatno manju učinkovitost u odnosu na termoaktivne pilote izvedene bušenjem ili pobijanjem.

25

slika 1.19 Ugradnja plastičnih cijevi toplinskog kolektora u armaturni koš bušenog pilota, s detaljem zaštite cijevi na vrhu pilota

slika 1.20 Armaturni koš bušenog pilota s plastičnim cijevima toplinskog kolektora spreman za ugradnju betona

26

slika 1.21 Ugradnja plastičnih cijevi toplinskog kolektora u armaturni koš dijafragme

slika 1.22 Ugradnja plastičnih cijevi toplinskog kolektora u armaturni koš temeljne ploče

27

1.6 TERMIČKA SVOJSTVA TLA

1.6.1 Općenito

Zemlja kao toplinski spremnik nam je uvijek dostupna i vrlo je pogodana zbog svojih termičkih svojstava. U tlu se pohranjuju velike količine solarne energije, a zalihe topline se obnavljaju i putem kišnice. Ako su podzemne vode dostupne na razumnoj dubini, omogućavaju nam izvođenje toplinskih pumpi još veće efikasnosti. Temperature na cca 15m dubine su konstantne tokom godine i približne su srednjim godišnjim temperaturama zraka.

Za kvalitetno projektiranje toplinske pumpe moramo poznavati građu tla i dubinu na kojoj se nalaze podzemne vode.

Tlo se u kombiniranim sustavima grijanja i hlađenja koristi i kao ogrijevni i kao rashladni toplinski spremnik.

Planet Zemlja je građen slojevito tako da razlikujemo koru, plašt i jezgru.

Razlikuje se kontinentalna i oceanska kora. Kontinentalna kora je prosječne debljine 30km.

Pretežno je granitnog sastava uz sudjelovanje sedimenta. Relativna gustoća iznosi 2,7 g/cm3 .

Temperatura Zemlje je rezultat dvaju izvora, Sunca i radioaktivnih procesa koji se odvijaju u jezgri. Vrlo je bitna činjenica da toplinska energija sunca djeluje ne samo na površini nego se njezin utjecaj odražava plitko i pod površinom. Zbog djelovanja toplinskih izvora postoji zona u kojoj je temperatura tokom godine stalna i uglavnom odgovara srednjoj godišnjoj temperaturi promatranog područja. Ta zona naziva se neutralnim temperaturnim slojem. Postojanje tog sloja izuzetno je važno jer je za projektiranje toplinske pumpe potreban ogrijevni spremnik sa konstantnom temperaturom tokom godine, odnosno neovisan o godišnjim dobima i vremenskim uvjetima. Povećanjem dubine od neutralnog temperaturnog sloja temperatura Zemlje raste. U prosjeku geotermijski stupanj (dubinski razmak u metrima potreban za povećanje temperature za 1ºC ) za Europu iznosi 32,3 m.

Prije bilo kakvih radova na sistemu toplinskih pumpi, a pogotovo prije polaganja kolektora bitno je znati karakteristike tla koje planiramo koristiti. Iz tog razloga je potrebno provesti geotehničke i inženjerijskogeološke istražne radove .

1.6.2 Termička svojstva tla

Bitni geološki čimbenici koji utječu na efikasnost toplinskih pumpi su:

temperatura,

termička vodljivost,

specifični toplinski kapacitet,

dubina podzemnih voda i

smjer toka podzemnih voda.

Vrijednosti termičkih svojstava tla ovisno o vrsti materijala

28

tablica 1.3 Termička svojstava tla

Vrsta materijala W/mK MJ/m3K

Suha zemlja 1,0 2,0

Vlažna zemlja 2,2 2,4

Suha glina 0,4 1,6

Vlažna glina 1,6 2,4

Suh nabijen pijesak 1,2 1,7

Vlažan pijesak 1,0 1,8

Zasićen pijesak 2,4 2,5

Vlažan mulj 1,8 2,2

Fini pjesak, tok vode 0,1m/d 4,0

Pijesak srednje veličine zrna, tok vode 1m/d 15,0

Fini šljunak, tok vode 8 m/d 100,0

Vrijednosti u W/mK su vodljivost topline, a vrijednosti MJ/m3K tu specifični toplinski kapacitet. Na vodljivost topline znatno utječe voda u tlu i gustoća tla, a samim time i minerološki sastav tla. Smrzavanjem vode znatno se povećava toplinska vodljivost jer je toplinska vodljivost leda oko četiri puta veća od vodljivosti vode u tekućem stanju.

Za približni proračun specifičnog toplinskog kapaciteta se koristi jednadžba :

Indeksi s, w, a, predstavljaju čvrsto tlo, vodu i zrak, a

su specifični volumeni odnosno udjeli komponenti u promatranom volumenu.

Toplinska vodljivost je najvažniji parametar te se on o ovisnosti o veličini projekta određuje na različite načine. Za manje projekte i preliminarne proračune koristi se tablica 1.3 ili dijagrami sa slika 1.23 dok se za velike projekte tlo mora detaljno ispitati u laboratoriju.

29

slika 1.23 Dijagrami toplinske vodljivosti

U središnjoj Europi temperatura neutralnog sloja iznosi između 10ºC i 12ºC. Dnevne i sezonske oscilacije u temperaturi praktički ne postoje u tom sloju.

Prema dijagramu sa slika 1.24 vidljivo je da se temperatura tla ustaljuje na dubini između 10 i 15m. Slojevi zemlje iznad razine podzemnih voda su vrlo pogodni za pohranu toplinske energije, dok su slojevi tla koji se nalaze ispod razine podzemnih voda pogodni za izmjenu topline. Istraživanja su pokazala da varijacije u temperaturi uzrokovane eksploatacijom vertikalnim kolektorima ne uzrokuju velike promjene čak ni kod termički osjetljive gline koja je sklona velikom skupljanju i širenju.

slika 1.24 Temperaturni profil po dubini

30

1.6.3 Prijenos toplinske energije u tlu

Tlo je kompleksan medij koji se sastoji od više vrsta materijala, a zbog toga je i proces prijenosa toplinske energije kompleksniji. Toplina se u tlu prenosi :

kondukcijom (eng. Conduction),

radijacijom (eng. Radiation),

konvekcijom (eng. Convection),

isparavanjem i kondenzacijom,

ionskom izmjenom,

smrzavanjem i taljenjem.

slika 1.25 Prijenos topline u tlu i raspodjela temperature po dubini u ovisnosti o godišnjem dobu

Prijenos toplinske energije u tlu koje nije smrznuto odvija se primarno kondukcijom i sekundarno konvekcijom. U tlu, radijacija doprinosi prijenosu energije tek neznatno. Za pijesak doprinos iznosi oko 1%. Smrzavanje i taljenje leda omogućava prijenos znatnih količina toplinske energije, ali ti procesi bi se trebali izbjegavati kod termoaktivnih temelja.

Toplinska konvekcija je proces prijenosa topline kod termodinamičnih sustava kod kojih postoji međusobni relativni pomak. Ako se tlo promatra kao nepomični dio sistema onda se toplinska konvekcija javlja samo sa tekućinama i plinovima.

Prikriveni (eng. Latent) prijenos toplinske energije zbog promjene stanja vode (isparavanja).

Toplinska kondukcija je proces prijenosa energije tla sa jednog na drugi kraj molekularnim transportom.

31

1.6.4 Modeli tla

Ovisno o obliku geotermalnog kolektora ovisi i model tla koji koristimo. Postoje tri slučaja :

Slučaj 1: Beskonačni poluprostor. Simuliramo međusobni utjecaj između tla i atmosfere ili temelja (temeljnje ploče, zidova podruma, dijafragmi itd. )

Slučaj 2 : Neograničeno tijelo sa cilindričnim urezom. Simuliramo dugačak vertikalni kolektor topline, odnosno energetski pilot i slično.

Slučaj 3 : Neograničeno tijelo sa kružnim urezom. Simuliramo termoaktivne otvore u zemlji (podzemne građevine)

tablica 1.4 Osnovni modeli tla i pripadajuće diferencijalne jednadžbe

Analitičko rješenje je moguće samo za slučaj 1 uzimajući u obzir jednostavne rubne uvjete.

32

1.7 PONAŠANJE TLA USLIJED TEMPERATURNIH PROMJENA

Razlike u temperaturi uzrokovane crpljenjem geotermalne energije su poprilično male, a samim time ni utjecaj na karakteristike tla nije velik. Iako su promjene u tlu male, potrebno ih je analizirati, kako bi se pravilnim projektiranjem geotermalnog sustava sve ove promjene postale i zanemarive.

1.7.1 Naprezanje-deformacija

Utjecaj na mehaničke karakteristike tla ovisi o količini vode u tlu. Čestice tla same po sebi se ne šire puno uslijed dovođenja topline, niti se puno skupljaju uslijed odvođenja topline. S druge strane širenje i skupljanje vode uslijed varijacija u temperaturi je puno veće.

1.7.2 Hidraulička svojstva

Također voda se kreće od mjesta više temperature ka mjestu niže temperatura. U tlima sitnozrnaste granulacije migracija vode može uzrokovati skupljanje toplije zone tla i ekspanzije hladnije zone. Toplinska ekspanzija vode povećava porni tlak vode što uzrokuje smanjenjem naprezanja u česticama tla. Povećanjem temperature smanjuje unutarnji viskozitet što uzrokuje smanjenje posmične čvrstoće tla. Smanjenjem viskoziteta vode povećava se hidraulička vodljivost što rezultira povećanim slijeganjem tla.

1.7.3 Fizikalno-kemijska svojstva

Pretjerano hlađenje podzemne vode uzrokuje povećanjem pH vrijednosti i povećanjem topljivosti CO2. Veće koncentracije CO2 u vodi povećavaju njezinu tvrdoću. Istraživanja su pokazala da promjene u temperaturi manje od ∆T=5ºC u rasponu temperature između 0ºC i 20ºC zanemarivo utječu na navedene promjene.

1.7.4 Biološka svojstva

Utjecaj na biološke karakteristike tla je u direktnoj vezi sa temperaturom na koju hladimo ili grijemo tlo. Veliki broj mikroorganizama u podzemnoj vodi može opstati na vrlo uskom temperaturnom rasponu. Aktivnost mikroorganizama koji razgrađuju bakterije znatno pada ako je temperatura okoline manja od 10ºC. Smrtnost raznih štetnih mikroorganizama pada za 50% ako se temperatura okoliša smanji sa 7ºC na 2ºC.

33

1.8 PRIJENOS TOPLINE IZMEĐU APSORPCIJSKE TEKUĆINE, BETONA I TLA

Pretpostavkom da stjenke cijevi u kojima se nalazi radni medij imaju jednaku temperaturu kao i beton ili tlo koje ih okružuje pojednostavljuje se problem prijenosa energije između radnog medija i okoline.

slika 1.26 Transport topline iz tla u radni medij

Za prijenos odnosno izmjenu topline između radnog medija (vode) i okoline (tla ili betona) vrlo je bitna brzina toka vode i način toka. Način toka vode može biti laminaran i turbulentan.

slika 1.27 Dijagram brzine toka radnog medija po visini presjeka cijevi toplinskog kolektora

34

slika 1.28 Dijagram raspodjele temperature radnog medija po visini presjeka cijevi toplinskog kolektora

Unutar cijevi postoje dvije zone, prijelazna zona utoka i zona postojanog toka radnog medija. Uz konstantnu toplinsku vodljivost prijenos topline se ne mijenja. U geotermalnim kolektorima zona postojanog toka je dominantna i prevladava u velikom dijelu kolektora. Zbog prevladavanja druge zone samo se ona razmatra kod analiziranja problema prijenosa topline.

Cijevi toplinskog kolektora dio su zatvorenog sustava u kojem kompresor pokreče tok radnog medija. Zbog toga toplinsku konvekciju koja se odvija nazivamo primorana konvekcija.

Koeficijent izmjene topline α ovisi o promjeru cijevi d, dužini cijevi L , brzini toka radnog medija u, viskozitetu η , gustoći radnog medija ρ i specifičnom toplinskom kapacitetu c ili toplinskoj vodljivosti λ. Za laminaran tok radnog medija može se odrediti teoretski dok su za turbulentan tok eksperimentalni podatci. Koeficijent toplinskog prijenosa je uvijek veći za turbulentan tok nego za laminaran tok ako su rubni uvjeti jednaki.

Preporuča se stvaranje turbolentnog toka radnog medija u primarnom krugu odnosno u cijevima geotermalnog kolektora, no nebi trebalo generalizirati. Za slučaj dugotrajnog crpljenja ili pohrane topline nije nam bitan tok energije nego količina energije koju možemo dobiti ili pohraniti u tlo.

1.9 ANALIZE ISPLATIVOSTI I EMISIJA CO2

Razvijeni su programi koji omogućavaju da se brzo i lako dođe do podataka potrebnih za donošenje odluke o isplativosti investicija u geotermalne toplinske pumpe.

U jednom od takvih programa, za analizu je korištena gotova studija slučaja za objekt u Saveznoj Republici Njemačkoj u Stuttgartu. Tip projekta je kombinirano grijanje i hlađenje , a tip je toplinska pumpa s izvorom iz zemlje. Objekt je velike površine koja iznosi 57.800 m2 što uzrokuje velike troškove grijanja i hlađenja, a samim time je i vrlo pogodan za prikaz ušteda koje proizlaze korištenjem toplinskih pumpi.

Na početku, uz unošenja imena, unosi se i lokacija projekta, jer se odabirom točne lokacije projekta dobivaju detaljni klimatološke podaci.

Zatim se unose podatci o grijanom/hlađenom prostoru, načinu grijanja/hlađenja , cijenu odabranog energenta i slično.

Unošenjem potrebnih podataka dobivamo cijenu grijanja i hlađenja u godinu dana. Za ovaj slučaj 118.943 € je potrebno za grijanje objekta , a 105.679 € je potrebno za hlađenje objekta.

Prikaz raspodjelu opterećenja po mjesecima u godini.

35

Program omogućava i odabira alternativnog načina grijanja i hlađenja, kao što je je toplinska pumpa sa izvorom iz zemlje. toplinska pumpa kao gorivo kompresora koristi električnu energiju. Pod bazom proizvoda odabire se proizvođač i tip toplinske pumpe.

Graf projektiranja sustava grijanja odnosno hlađenja i isporučene energije pokazuje nam da je sustav pravilno dimenzioniran te da nam potrebe za energijom ne premašuju kapacitet.

36

Odabirom worksheeta Alati dobijamo uvid o uvjetima na lokaciji koji podrazumjevaju temperaturu zemlje, amplitudu temperature zemlje , vrstu geotermalnog kolektora, površinu na koju je ugrađen te specifične troškove projekta.

Pod specifičnim troškovima projekta navode se toplinska pumpa, radni medij, bušenje i zapunjavanje , cijevi te ventili. Vidljivo je da primat u troškovima geotermalnih sustava toplinskih pumpi preuzimaju zemljani radovi odnosno bušenje tla.

U worksheetu Energetski model imamo i analizu emisija CO2.

Smanjenje emisije CO2 izraženo je u tonama i iznosi 888,3 tone. Ekvivalent smanjenoj emisiji CO2 u samo jednoj godini koju dobijamo korištenjem ovog sustava na ovom objektu je:

- 163 nekorištenja automobila i lakih kamiona

- 381.683 litara nekonzumiranog benzina

- 2066 barela nekorištene sirove nafte

- 202 hektra šume koja absorbira ugljik

- 306 tona recikliranog otpada.

37

Također u worksheetu Energetski model nalazi se i graf kumulativnog toka novca:

Graf nam pokazuje ekonomsku opravdanost za korištenje toplinskih pumpi na ovom projektu. Uz nešto veče inicjalne troškove , sustav sam sebe isplati kroz određeni period korištenja. Nakon dvadesete godine vidimo strmiji rast ušteda. Taj strmiji rast je uvjetovan otplatom kredita na dvadeset godina s kojim se ušlo u analizu. Nakon dvadeset i pet godina ušteda od grijanja i hlađenja na ovom objektu iznosi 1.480.000 €.

Ovaj pregled programa kroz analizu projekta u Stuttgartu predstavlja samo blagi uvid u mogućnosti koje pruža no i to je dovoljno da se vidi koliko je ekonomski isplativ sustav geotermalnih toplinskih pumpi te kolike su njegove ekološke prednosti

1.10 REFERENCE

Brandl, H. (2006).:"Energy foundations and other thermo-active ground structures" Geotechnique 56, No. 2, 81–122

Brčić, I (2010):"Upotreba geotermalne toplinske pumpe u sustavima grijanja/hlađenja građevinskih objekata " Diplomski rad, Građevinski fakultet Sveučilišta u Rijeci

www.enercret.com