Seminarski Rad Toplotne Pumpe

UNIVERZITET U TUZLI

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE

ELEKTROTEHNIKA I SISTEMI KONVERZIJE ENERGIJE

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA SISTEMI KONVERZIJE ENERGIJE

TEMA: TOPLOTNE PUMPE

Student: Profesor:

Husić Elmir Dr. Sc. Majda Tešanović, doc.

Tuzla, 2016

Seminarski rad: TOPLOTNE PUMPE

Sažetak

U ovom završnom radu pisalo se o toplotnoj pumpi te o njezinoj ekonomskoj isplativosti. Toplotna pumpa je sistem koji podiže toplotnu energiju s niže na višu energetsku razinu. Primjenjuje se za grijanje obiteljskih domaćinstava, poslovnih objekata, škola, bolnica. Korištenje principa toplotnih pumpi ekološki je podobno jer izaziva nultu emisiju štetnih plinova. Za izvor toplote koristi geotermalne izvore, tj. okolišnji zrak, podzemne vodu ili toplotu zemlje te električnu energiju koju koristi za rad same toplotne pumpe. Za svaki uloženi 1 kWh električne energije, toplotna pumpa proizvede 3-5 kWh toplotne energije zavisno o vrsti toplotne pumpe. Toplotnu energiju koja se dobije upotrebom toplotne pumpe iskorištava se pomoću radijatorskog grijanja, podnoga grijanja ili korištenjem ventilokonvektora. Investicijski troškovi za toplotnu pumpu su nešto viši od sistema grijanja na plin ali su pogonski troškovi manji. Grijanje pomoću toplotne pumpe je jeftinije od grijanja na plin i ulje te je najefikasnija toplotna pumpa voda-voda koja koristi kao izvor toplotu podzemne vode.

2


Sadržaj

Sažetak......................................................................................................................................................................2

1. UVOD..............................................................................................................................................................4

2. OSNOVE RADA KOMPRESIJSKE TOPLOTNE PUMPE..........................................................................6

2.1 Princip rada toplotne pumpe....................................................................................................................6

3. NAČINI RADA TOPLOTNE PUMPE...........................................................................................................8

3.1 Monovalentni način rada................................................................................................................................8

3.2. Bivalentno-paralelni način rada.....................................................................................................................8

3.3. Bivalentno-alternativni način rada................................................................................................................8

4. OSNOVNI DIJELOVI TOPLOTNE PUMPE..............................................................................................10

4.1. Kompresori..................................................................................................................................................10

4.2. Termo ekspanzijski ventil...........................................................................................................................11

4.3. Isparivač......................................................................................................................................................11

4.4. Kondenzator................................................................................................................................................12

4.5. Rashladni mediji (plinovi)...........................................................................................................................12

5. IZVORI TOPLOTE ZA TOPLOTNE PUMPE............................................................................................13

5.1 Zrak..............................................................................................................................................................14

5.2 Zemlja...........................................................................................................................................................15

5.2.1. Podzemni horizontalni toplotni kolektor.............................................................................................16

5.2.2 Podzemne toplotne sonde.....................................................................................................................18

5.3. Toplotne pumpe voda-voda.........................................................................................................................19

5.4 Sunčeva energija...........................................................................................................................................21

6. SISTEMI PREDAJE TOPLOTNE ENERGIJE............................................................................................22

7. PROJEKTIRANJE I IZVOĐENJE TOPLOTNIH PUMPI OVISNO O MJESTU UGRADNJE................23

7.1. Troškovi ulaganja........................................................................................................................................23

7.2. Dimenzioniranje i odabir toplotnih pumpi..................................................................................................24

7.3. Faktor toplotne pumpe.................................................................................................................................24

8. EKONOMSKA ANALIZA...........................................................................................................................26

9. ZAKLJUČAK................................................................................................................................................28

LITERATURA........................................................................................................................................................29

POPIS......................................................................................................................................................................30

OZNAKA I SIMBOLA......................................................................................................................................30

SKRAĆENICA..................................................................................................................................................30

TABELA............................................................................................................................................................30

SLIKA................................................................................................................................................................31

3


1. UVOD

Toplotna pumpa je svaki uređaj koji podiže toplotnu energiju s niže na višu energetsku razinu (temperaturu) uz privedeni vanjski rad s ciljem korištenja toplotne energije više razine. Mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu, toplotne pumpe povezane sa tlom kao obnovljivim spremnikom toplote bilježe jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije. Prema normativima Europske unije, objekti izgrađeni poslije 2015. g. morat će imati energetski efikasan sistem grijanja i hlađenja koji se pored sličnih mahom zasniva na geotermalnoj energiji (toplotskim crpkama tj. toplotnim pumpama).

Korištenje principa toplotnih pumpi je ekološki podobno jer izaziva nultu emisiju štetnih plinova. Jedino zagađenje koje može biti uključeno u ovaj proces je ono koje nastaje proizvodnjom električne energije u termoelektranama. Ukoliko se energija dobiva iz hidro ili energetski obnovljivih izvora onda je rad ovakvih sistema potpuno ekološki čist.

Instaliranjem grijanja i hlađenja zasnovanom na toplotnim pumpama dovodi do smanjenja opterećenja energetskih sistema, smanjenja potrošnje fosilnih goriva,smanjuju se energetski troškovi te se ne zagađuje životna sredina.

Primjena toplotnih pumpi:

- Obiteljska domaćinstva;- Poslovni objekti;- Škole;- Vrtići;- Bolnice;- Sportski centri;- Plastenici;- Staklenici.

Prednosti korištenja geotermalnih toplotnih pumpi:

- Ekonomičnost - smanjeni troškovi grijanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima.

- Trajnost - niski troškovi održavanja ako je sistem ugrađen na propisan način ne zahtijeva gotovo nikakvo održavanje.

- Tihi rad - pogodna upotreba u domaćinstvu i u poslovnim prostorima s obzirom da kod ovakvih sistema nema dijelova koji proizvode buku.

- Fleksibilnost - ovakvi sistemi mogu snabdijevati toplotskom energijom razne potrošače.

- Prilagodba - koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za grijanje, ljeti za hlađenje.

- Ekologija - geotermalne dizalice toplote gotovo ne zagađuju okolinu, te su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere.

4


2. OSNOVE RADA KOMPRESIJSKE TOPLOTNE PUMPE

Način rada je gotovo identičan načinu rada kućnog hladnjaka, a razlika je u tome što rashladni uređaj oduzima toplotu namirnicama i predaje je okolini dok toplotna pumpa uzima toplotu iz zraka, vode ili zemlje i dovodi je u prostor koji želimo zagrijati. Također, toplotna pumpa se sastoji od istih elemenata kao hladnjak, samo je redoslijed procesa drugačiji. Toplotna pumpa je sistem koji se bazira na lijevokretnom Carnotovom kružnom procesu koji toplotu u stroju pretvara u rad, pri čemu se koristi idealan plin, ovisno o željenim temperaturama

Carnotov ciklus je kružni proces kojeg je osmislio Nicolas Leonard Carnot 1824. godine, a kasnije proširio Paul Emile Clapeyron 1830-ih i 40-ih godina. Sistem koji radi po Carnotovom kružnom ciklusu je hipotetički Carnotov toplotni motor. Toplotni motor prenosi energiju iz toplijeg (ogrjevnog) spremnika u hladniji (rashladni) spremnik, te pritom dio te energije pretvara u mehanički rad.

Ciklus se također može obrnuti. Sistemu se može dovoditi rad izvana, te se on onda ponaša kao toplotna pumpa (dizalica toplote). Carnotov ciklus je kružni proces s najvišim stupnjem korisnosti, odnosno najveći dio primljene energije pretvara u rad, te najveći dio rada iskorištava za dizanje toplote.

2.1 Princip rada toplotne pumpe

5


Slika 2.1: Princip rada toplotnih pumpi po fazama rada

Na slici 2.1 je prikazano:

a. Iz kompresora izlazi komprimirani plin koji ima maksimalnu temperaturu od 67° C.b. Zagrijani plin ulazi u izmjenjivač u kojem predaje toplinu vodi koja zagrijava

prostoriju. Nakon izlaska iz izmjenjivača temperatura plina spustila se na 34° C, jer je izmjenjivač predao temperaturu vodi.

c. Plin temperature 34° C prolazi kroz izmjenjivač plin – plin, te gubi temperaturu na 25° C jer je zagrijao hladni plin koji nije pod pritiskom.

d. Komprimirani plin dolazi u ekspanzijiski ventil u kojemu se pritisak snižava na 4 bara, a temperatura na -3° C.

e. Hladni plin koji nije pod pritiskom dolazi u izmjenjivač i preuzima toplinu vode iz tla, te mu se povećava temperatura na 2,5° C.

f. Plin dolazi u izmjenjivač plin – plin i preuzima toplinu od toplog plina pod pritiskom (6,5° C). Prelaskom kroz kompresor, plin se dovodi na pritisak od 14 bara te ponovo postiže maksimalnu temperaturu od 67° C. Ciklus se ponavlja.

Voda dolazi u izmjenjivač iz bušotine s temperaturom od 11° C – 12° C, te zagrijavanjem plina gubi toplotu do nekih 7° C – 8° C.

Voda se vraća u drugu bušotinu koja mora biti odmaknuta od prve bušotine minimalno 15 m, te je poželjno da bude nizvodno od prve bušotine da se ne miješa sa vodom više temperature koja će biti eksploatirana.

6


3. NAČINI RADA TOPLOTNE PUMPE

Prema izvedbi generatora toplote poznati su sljedeći načini toplotne pumpe:

- Monovalentni način rada;- Bivalentno - paralelni način rada;- Bivalentno - alternativni način rada.

3.1 Monovalentni način rada Ovaj način rada toplotne pumpe podrazumijeva da cjelokupnu potrebu objekta za toplotom tijekom sezone grijanja pokriva isključivo toplotna pumpa. Učinak toplotne pumpe se projektira prema vanjskoj projektnoj temperaturi zraka. Toplotne pumpe povezane s tlom rade kao monovalentni sistemi. Jedna od prednosti monovalentnog načina rada je i manje zauzimanje prostora, odnosno nema potrebe za plinskom instalacijom, dimnjakom ili spremnikom loživog ulja.

3.2. Bivalentno-paralelni način rada Pri ovom načinu rada je do određene vrijednosti vanjske temperature zrak jedini izvor toplote. Daljnjim padom vanjske temperature zraka (npr. -3° C ili niže) uključuje se paralelno još jedan toplotnii izvor (npr. plinski bojler). Priključenje drugog toplotnog izvora regulacija vodi prema vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom učinku grijanja. Prednost takvog načina rada je mogućnost zadržavanja postojećeg kotla, te veća sigurnost opskrbe zgrade toplotom jer tada postoje dva izvora toplote i dva energenta.

3.3. Bivalentno-alternativni način rada

Ovakav način rada toplotne pumpe znači da u određenom trenutku u sezoni grijanja (bivalentnoj točki), dodatni izvor toplote preuzima pokrivanje cjelokupnih potreba zgrade za toplotom, dok se dizalica toplote isključuje. Bivalentna točka odgovara nekoj vrijednosti niske vanjske temperature zraka.

Ovaj način sistema grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog režima 90/70° C. Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka, toplotna pumpa je jedini izvor toplote, koja ovisno o karakteristici grijanja odgovara temperaturi polaznog voda maks. 55°C. Daljnjim padom vanjske temperature zraka uključuje se drugi izvor topline i on je dalje jedini u radu (npr. plinski bojler). Točka prekretanja izbora sistema grijanja u ovom primjeru iznosi -1°C.

Djelomični bivalentno-usporedni način rada toplotne pumpe znači da se u određenom trenutku u sezoni grijanja (tački uključivanja), uključuje dodatni izvor toplote koji zajedno sa toplotnom pumpom služi za pokrivanje potreba zgrade toplotom, a zatim se ona (u tački

7


isključivanja) isključuje pa dodatni izvor toplote pokriva cjelokupne potrebe za toplotom. Tačke uključivanja i isključivanja određene su okolinom i temperaturom ogrjevnog medija, te vremenom jeftinije tarife električne energije.

Da bi njihova primjena bila učinkovita, trebaju ispuniti nekoliko osnovnih uvjeta:

- raspoloživost toplotnog izvora zadovoljavajuće temperature kroz cijelu sezonu grijanja;

- što manju udaljenost između toplotnog izvora i mjesta predaje toplote;

- mjesta predaje toplote trebaju imati umjerenu temperaturnu razinu (niskotemperaturni sistem grijanja);

- veliki broj sati upotrebe tijekom godine – radi veće isplativosti;

- visoke cijene drugih izvora energije (ostvarenje veće uštede).

8


4. OSNOVNI DIJELOVI TOPLOTNE PUMPE

Slika 4.1: Osnovni dijelovi toplotne pumpe

Osnovni dijelovi toplotne pumpe su:

- Kompresor;

- Termo ekspanzijski ventil;

- Isparivač;

- Kondenzator;

- Rashladni medij (plinovi).

4.1. Kompresori

Kompresori su strojevi koji imaju ulogu tlačenja rashladnog medija, podizanja njegove temperature i tlaka dovođenjem rada.

Podjela prema području primjene, odnosno temperaturi:

- kompresori za niske tlakove isparavanja (za smrzavanje isparavanja temperatura ispod -30° C );

- kompresori za srednje tlakove isparavanja (za hlađenje temperatura isparavanja približno -10° C);

9


- kompresori za visoke tlakove isparavanja (za klimatizaciju temperatura isparavanja veću od 0° C).

Podjela prema tlaku:

- vakumske sisaljke;

- kompresori niskog tlaka (do 10 bar);

- kompresori srednjeg tlaka (do 100 bar);

- kompresori visokog tlaka (do 500 bar);

- superkompresori (do 3000 bar).

Toplotne pumpe najčešće koriste kompresore niskog odnosno srednjeg tlaka do 20 bara.

4.2. Termo ekspanzijski ventil

Termo ekspanzijski ventil je regulator protoka rashladnog medija kroz sistem. Nalazi se između kondenzatora i isparivača. U njega ulazi rashladni medij iz kondenzatora na višem tlaku i većoj temperaturi. Kada plin izađe iz ventila u cijev većeg poprečnog presjeka, dobivamo niži tlak rashladnog medija.

Ekspanzijskim ventilom možemo regulirati rad kompresora regulirajući površinu poprečnog presjeka kod protoka. Njegovu otvorenost, odnosno zatvorenost, regulira sonda koja se nalazi prislonjena na usisnu cijev kroz koju rashladni medij nakon predavanja toplote ulazi u kompresor. Unutar sonde se nalazi medij (obično tekućina sa visokim koeficijentom termičkog rastezanja) koji se širi povećanjem temperature rashladnog medija, te se time smanjuje protok i dobiva se niža temperatura rashladnog medija. U obrnutom slučaju kada je rashladni medij na nižoj temperaturi, ventil se otvara i dobiva se nešto viša temperatura rashladnog medija.

Regulacijom otvorenosti ventila dobiva se optimalan rad kompresora i optimalna temperatura rashladnog medija kada je iskoristivost najpovoljnija.

Manji sustavi ne koriste termo-ekspanzijske ventile već cijevi manjeg promjera (kapilare), od cijevi unutar sustava kroz koje putuje rashladni medij. Kapilare djeluju na istom principu, samo je kod njih površina poprečnog presjeka protoka plina konstantna.

4.3. Isparivač

Isparivač je izmjenjivač toplote građen kao sistem cijevi namotanih u zavojnicu površinom u koje ulazi rashladni medij na nižoj temperaturi i preuzima toplotu iz tla, vode ili zraka. Dakle nama su tlo, voda ili zrak mediji koji svoju energiju predaju toplinskoj pumpi. Isparivač je funkcijski građen kao i kondenzator.

10


4.4. Kondenzator

Kondenzator je izmjenjivač toplote napravljen kao sistem cijevi u zavojnici gdje rashladni medij predaje toplinu. Kod toplotnih pumpi kondenzator svoju toplotu predaje vodi koja se pri tome zagrijava i pomoću vodene pumpe cirkulira kroz izmjenjivač toplote u prostoru kojim grijemo npr. radijator. Kod hlađenja on ima obrnutu ulogu gdje on odvodi toplotu.

4.5. Rashladni mediji (plinovi)

Rashladni mediji (plinovi), kao rashladni medij moraju se koristiti isključivo plinovi sa svojstvima da na određenoj temperaturi, ovisno o tlaku, mogu biti u svim agregatnim stanjima. Rashladni medij ne smije reagirati niti s jednim sastavom unutar sistema, gustoća bi mu trebala biti što veća, mogu biti hermetički zatvoren unutar sistema, najčešće u nehrđajućim bakrenim cijevima, mora biti neeksplozivan, tako da u slučaju ispuštanja ne bi došlo do eksplozije.

Mora biti neotrovan i po mogućnosti što manje štetan za okoliš. Rashladni medij se miješa sa mazivim uljem kojem rashladni medij mora osigurati kontinuirano putovanje kroz čitav sustav. Ulje ne smije mijenjati svojstva.

11


5. IZVORI TOPLOTE ZA TOPLOTNE PUMPE

Na izvor toplote se postavlja niz zahtjeva među kojima su najvažniji sljedeći:

- toplotni izvor treba osigurati potrebnu količinu toplote u svako doba dana i na što višoj temperaturi;

- troškovi za priključenje toplotnog izvora na toplotne pumpe trebaju biti što manji;- energija za transport toplote od izvora do isparivača toplotne treba biti što manja.

Kriteriji za ocjenu su sljedeći:

- Nivo temperature- Raspoloživost na lokaciji i u vremenu- Vremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloživosti izvora- Mogućnost samostalnog korištenja- Utrošak energije za dovođenje topline do isparivača- Hemijska i fizikalna svojstva nosioca topline- Troškovi izvedbe postrojenja- Uticaj na ravnotežu okoline i zagađenje okoline- Pogodnost za masovnu proizvodnju

Izvore toplote za toplotne pumpe dijelimo na:

- zemlja kao izvor toplote- voda kao izvor toplote- zrak kao izvor toplote

12


Slika 5.1: Shematski prikaz rada toplotne pumpe

5.1 ZrakToplotne pumpe zrak - voda, ili zrak - zrak, kod kojih je izvor topline zrak, a nosilac topline u krugu grijanja voda ili zrak, široko su rasprostranjeni uređaji, zbog jednostavnosti priključenja na sistem grijanja i zbog prisutnosti toplotnog izvora uvijek i na svakom mjestu.

Optimalna količina zraka sa stanovišta utroška energije za rad kompresora i ventilatora kreće se u granicama od 300 do 500 m3/h zraka, za 1 kW toplote oduzete iz izvora. Ako se usvoji srednja vrijednost protoka zraka od 400 m3/h, njegovo ohlađenje treba iznositi 10 K da bi mu se oduzela toplota 1 kW.

Za zaleđivanje isparivača je kritično područje temperatura zraka od od -2 do -7oC jer zrak pri tim temperaturama sadrži još uvijek znatnu količinu vlage. Kad se na isparivaču stvori led, treba prekinuti rad toplotna pumpa i trošiti energiju za odleđivanje. Ukupna potrošnja topline za odleđivanje kreće se oko 5% do 10% energije utrošene godišnje za pogon kompresora toplotne pumpe.

Drugi problem o kojem treba voditi računa je i buka. Često to predstavlja ograničavajući faktor za primjenu.

Ekonomičnu primjenu toplotnih pumpi zrak - voda (ili zrak - zrak) najviše otežava različito vrijeme pojave maksimuma temperature zraka i potrebe neke grijane zgrade za toplinom. Kad je temperatura vanjskog zraka najniža, potreba topline je najviša, iako to ovisi i o vrsti potrošača, što je prikazano na slici 5.2.

13


Slika 5.2: Prikaz temperature zraka i potrebne toplote

Određivanje veličine toplotne pumpe i potrošnje energije za proizvodnju potrebne topline, pitanje je načina pogona (monovalentni, bivalentno alternativni ili bivalentno paralelni), veličine i cijene dodatnog grijanja, te cijene energije.Na sljedećoj slici je prikazan princip rada toplotne pumpe zrak-voda.

Slika 5.3 : Princip rada toplotne pumpe zrak-voda

14


5.2 ZemljaPovršinski i podzemni dijelovi zemlje apsorbiraju toplinsku energiju koja najvećim dijelom dolazi od sunčeve energije koja je do tla došla zračenjem ili izmjenom topline s padavinama. Zemlja je dobar akumulacijski spremnik, s obzirom da su temperature unutar zemlje tokom čitave godine u rasponu od 7°C do 13°C, pa ta činjenica omogućava iskorištavanje te energije tijekom cijele godine. Temperatura zemlje kroz dubinu po mjesecima kroz godinu prikazana je na slici 5.4. Geološkim i termodinamičkim ispitivanjima dokazano je da se temperatura do oko 10 m dubine tla tijekom godine mijenja dok je na većim dubinama razmjerno stalna.

Slika 5.4: Temperatura zemlje po dubini kroz odabrane mjesece

Za iskorištavanje topline tla koriste se dizalice topline tlo – voda. Za izmjenu topline koriste se izmjenjivači topline koji se ukopavaju u tlo, a oni mogu biti podzemni toplinski kolektori ili podzemne toplinske sonde. Za posredni medij koriste se rasoline ili glikolne smjese koje imaju nisko ledište pa onemogućavaju smrzavanje u cijevima i smanjivanje padova tlaka pri polasku kroz cijevi. Posredni medij preuzima toplinu tla te je predaje radnoj tvari na isparivaču dizalice topline.

5.2.1. Podzemni horizontalni toplotni kolektor

Podzemni toplinski kolektori služe za izmjenu topline posrednog medija i površinskih slojeva tla, do dubine od 2 metra, kod primjene toplotnih pumpi tlo – voda. Osnovne izvedbe takvih izmjenjivača topline su horizontalna kolektorska polja (koja mogu imati serijski ili paralelno povezane cijevi), kanalni (kompaktni ili kolektori u jarku), te spiralni kolektori. Načini izvođenja zemljanih kolektora prikazani su na slici 5.5.

15


Slika 5.5: Načini izvođenja zemljanih kolektorskih polja

Izmjenjivač topline se u tlo može položiti u obliku snopa vodoravnih cijevi na dubini od 1,2 m do 1,5 m, s međusobnim razmakom cijevi od 0,5 m do 1 m, ovisno o vrsti i sastavu tla.

Radi opasnosti od prevelikog pada tlaka, cijevi moramo razvoditi po sekcijama, pri čemu jedna sekcija ne smije biti dulja od 100 m, a sve sekcije trebaju biti približno jednake duljine čime postižemo identične padove tlaka, a time i podjednake protočne uvjete. Polazna vrijednost koju koristimo kod dimenzioniranja podzemnog toplinskog kolektora, rashladni je učinak isparivača na dizalici topline.

Pažnju trebamo obratiti na:

16


- sastav tla jer o njemu ovisi toplinski kapacitet, mogućnost regeneracije tla, te izmjene topline - raspoloživost tla kao toplinskog izvora (da li ga možemo koristiti cijelu godinu ili samo dio godine);

- način rada sustava grijanja s dizalicom topline (monovalentan ili bivalentan);

- raspoloživu površinu zemljišta;

- izvedbu, odnosno način polaganja kolektora;

- duljinu i dimenziju (promjer) cijevi.

Cijevi kolektora moraju se polagati na dubini od 20 cm – 30 cm ispod razine smrzavanja tla, odnosno na područjima gdje se ne očekuje smrzavanje, najmanje na 80 cm dubine, jer u protivnom postoji opasnost od prevelikog utjecaja na biljni svijet.

U obzir treba uzeti moguće smrzavanje slojeva tla oko cijevi, što doduše ne utječe na izmjenu topline, no negativna posljedica može biti izdizanje tla iznad kolektora, pa samim time i smanjeni prijenos topline.

Nadalje, sve radove na polaganju kolektora trebalo bi izvoditi najmanje mjesec dana prije početka sezone grijanja, kako bi se tlo slegnulo, te tako omogućilo dobru izmjenu topline. Da se cijevi kolektora ne bi oštetile, kada izvedemo iskop, trebamo postaviti posteljicu od finog pijeska u koju polažemo cijevi, a cca. 30 cm iznad cijevi postavljamo traku za označavanje. Kolektorski sustav puni se smjesom vode i glikola u omjeru 70 % : 30 % uz pomoć crpke, pri čemu tlak punjenja iznosi 2 – 2,5 bara.

Način izvođenja i dijelovi koji se koriste pri izvođenju dizalice topline tlo-voda sa zemljanim kolektorom vidljivi su na slici 5.6.

17


Slika 5.6: Način izvođenja i dijelovi za izvođenje dizalice topline sa zemljanim kolektorom

5.2.2 Podzemne toplotne sonde

Podzemne toplinske sonde služe za izmjenu topline posrednog medija i dubokih slojeva tla kod primjene toplotnih pumpi tlo – voda. To su okomiti izmjenjivači topline koji se koriste kada na raspolaganju nisu veće slobodne površine zemljišta. Dubina, promjer i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača ovisit će o potrebama zgrade za grijanje ili hlađenje.

Za razliku od velikih zemljanih radova kod polaganja zemljanih kolektora, za postavljanje zemljanih sondi potrebno je samo nekoliko sati s modernim uređajima. S obzirom da je bušenja iznad 100 m treba tražiti odobrenje uprave za rudarstvo, najčešće se bušenja vrše samo do te dubine, te je za te dubine nadležno vodno gospodarstvo. Dubina i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača, ovise o potrebama objekta za toplinom te o rashladnom učinku toplotne pumpe.

Najčešća izvedba podzemne toplinske sonde je dvostruka U – cijev od polietilena, kod koje kroz jedan krak ulazi ohlađeni posredni medij iz dizalice topline, a kroz drugi se vraća zagrijan. Kao posredni medij za podzemne sonde također se koristi smjesa vode i glikola u omjeru 70 % - 30 %. Sliku dizalice topline s podzemnom toplinskom sondom možemo vidjeti na slici 5.7.

Specifična toplina koju tlo daje podzemnoj sondi promjenjiva je vrijednost u rasponu od 25 - 100W/m dužnom, a veliki utjecaj na toplinsku vodljivost imaju sastav i kvaliteta tla, odnosno količina vlage i poroznost.

Nakon što smo izveli bušenje i umetnuli sondu, međuprostor je potrebno zapuniti prikladnom smjesom – bentonitom. U cilju olakšanog umetanja bentonita, sonda se puni vodom a glava sonde (najdonji dio) opterećuje se teretom.

Razmak između susjednih bušotina za sonde duljine do 50 m minimalno mora biti 5 m, a za dulje sonde minimalno 6 m.

18


Slika 5.7: Dizalica topline tlo voda sa podzemnom toplinskom sondom

Troškovi izvođenja jednog bušenja, što uključuje umetanje sonde, kreće se oko 50 €/m. Ako pretpostavimo da nam dužni metar sonde u prosjeku daje 50 W, sonda duljine 100 m kod koje dobijemo 5 Kw, košta oko 5000 €.

5.3. Toplotne pumpe voda-vodaKada govorimo o vodi kao toplinskom izvoru za toplotne pumpe, mislimo na toplinsku energiju površinskih, podzemnih ili otpadnih voda. Glavna karakteristika vode je relativno stalna temperatura tokom cijele godine.

Takav sustav može biti izveden kao izravni, kada se podzemna voda (uz filtriranje) izravno dovodi do isparivača i neizravni, kada se ugrađuje dodatni izmjenjivač topline. S obzirom na pogonsko održavanje i sigurnost, prednost ima neizravna izvedba. Voda se tada iz jedne bušotine, vodene površine ili vodotoka crpi, a kroz drugu bušotinu vraća u podzemne slojeve.

Za instalaciju dizalice topline sistemom voda – voda potrebno je izvesti crpni (eksploatacijski) zdenac i njegov upojni parnjak u kojeg se vraća voda iz toplotne pumpe. Voda se u vodonosnik vraća s nepomijenjenim kemijsko – biološkim svojstvima, ali nešto toplija nego kada je uzeta iz vodonosnika. Sistem voda – voda je zatvoren sustav i ničim ne ugrožava vodonosnik. Važno je napomenuti da 1m3 vode može dati oko 4 – 5 kW toplinske ili rashladne energije. Shemu toplotne pumpe voda - voda možemo vidjeti na slici 5.8.

19


Slika 5.8: Shematski prikaz rada dizalice topline voda-voda

U nekim bunarima povećano je prisustvo mangana i željeza, te bi svakako radi pojave inkrustacije bilo potrebno ispitivanje uzoraka vode radi ispravnog izbora i održavanja cijevne konstrukcije i crpke.

Zbog relativno visoke i konstantne temperature razine vode kao toplinskog izvora, faktor grijanja dizalica topline voda – voda je velik. Toplotne pumpe koje koriste podzemne vode obično imaju veće toplinske učinke (8 – 40 kW) i veći faktor grijanja, pa možemo zaključiti da su sustavi dizalica toplina povezanih sa vodom najučinkovitiji i izuzetno su pogodni za pasivno hlađenje. Ne traže prevelika ulaganja, no određeno ograničenje može biti birokracija, odnosno dobivanje vodopravnih uvjeta za korištenje podzemnih voda. Također, ovaj sustav traži konstantno održavanje međuizmjenjivača (godišnja provjera i čišćenje).

Pored podzemnih voda za izvor toplote za toplotne pumpe moze se koristiti i površinska voda

Prijenos topline od površinske vode na radnu tvar u pravilu se provodi preko posrednog kruga za prijenos topline.

U toplinskom izmjenjivaču površinska voda predaje toplinu vodi u posrednom krugu. Tek ova voda, ili pri nižim temperaturama smjesa glikola i vode, prenosi toplinu u isparivač. To se radi zbog prisutnosti onečišćenja, soli, i fosfata (koji pogoduju rastu algi) u površinskim vodama. U ovu svrhu potrebno je ugraditi pločaste izmjenjivače topline koji se lako čiste i predvidjeti druge mjere za sprečavanje rasta algi (npr generatori klora ako se radi o morskoj vodi).

Ako se toplotna pumpa konstruiše za konkretno postrojenje i izvodi od komponenti na mjestu ugradnje, što je vrlo rijedak slučaj, može se isparivač izvesti kao cijevni registar uronjen u vodu. Ovim načinom mogla bi se smanjiti razlika temperature vode i temperature isparivanja

20


i mogu se postići 10 do 15 % veći prosječni godišnji toplinski množioci nego u slučaju da se koristi posredni krug za prijenos topline.

Što se temperature tiče, kod manjih rječica, može se u periodu grijanja računati sa temperaturom koja odgovara srednjim mjesečnim temperaturama vanjskog zraka uvećanim za 1,5 do 2 K. U tom slučaju, zbog niskih zimskih temperatura, dodatna su grijanja neizbježna, ali pokazuje se da se i do 90 % godišnje potrebe za toplinom može dobiti radom toplotne pumpe.

Veće rijeke, koje protiču kroz industrijska središta imaju zbog raznih otpadnih toplina (kanalizacija, industrijski procesi) takve temperature da zimi uglavnom ne smrzavaju, pa su sa stanovišta temperature pogodan toplinski izvor.

Temperature mora su izuzetno povoljne, posebno na dubinama ispod 10 m, ali treba voditi računa i o lokalnim uslovima - morske struje, izvori i sl. S morskom vodom može se uvijek izvesti monovalentni sistem grijanja i hlađenja.

5.4 Sunčeva energijaIako su naprijed spomenuti izvori svi na neki način transformirana ili akumulirana sunčeva energija, ovdje se misli na neposredno korištenje putem solarnih kolektora ili apsorbera.

Moguće je korištenje u neposrednom sistemu tako da je isparivač dizalice topline solarni kolektor (povećava se temperatura isparivanja), ili pak posredno s nizom kombinacija u načinu manipulacije energijom.

Uglavnom se koriste solarni apsorberi (neizolirani kolektori), ili neke varijante ventiliranih krovova ili fasada.

Slika 5.9: Monovalentni sistemi s apsorberom kao isparivačem dizalice topline

21


6. SISTEMI PREDAJE TOPLOTNE ENERGIJE

Toplinsku energiju koju smo dobili upotrebom dizalice topline možemo iskoristiti pomoću sustava za predaju topline. U sustav za predaju topline svrstavaju se radijatorsko grijanje, podno grijanje, stropno hlađenje te grijanje ili hlađenje ventilokonvektorima. Slike pojedinog sustava mogu se vidjeti na slikama 6.1, 6.2, 6.3 .

Slika 6.1: Grijanje ventilokonvektorima Slika 6.2: Radijatorsko grijanje

Slika 6.3: Podno grijanje

22


7. PROJEKTIRANJE I IZVOĐENJE TOPLOTNIH PUMPI

OVISNO O MJESTU UGRADNJE

Prilikom projektiranja i izvođenja trebamo imati na umu gdje mislimo izvoditi toplotnu pumpu. Učestalost pojava temperatura zraka za razdoblje grijanja i hlađenja u BiH možemo vidjeti na slici 7.1.

Slika 7.1: Učestalost pojave temperature zraka

7.1. Troškovi ulaganjaCijena toplotnih pumpi raste zavisno o učinku grijanja koju ona može proizvesti. Troškovi dizalice topline nisu fiksni, tj. ovise o mjestu ugradnje, vrsti te je cijena za svaki objekt specifična. Okvirnu cijenu prilikom kupnje možemo saznati iz grafa na slici 7.2.

Slika 7.2: Cijena dizalice topline u ovisnosti o učinku grijanja

23


7.2. Dimenzioniranje i odabir toplotnih pumpiDimenzioniranje, projektiranje i izvođenje sustava u kojima se kao izvor toplinskog i rashladnog učinka koristi dizalica topline složeno je i zahtijeva znanja iz tehnike grijanja i hlađenja, građevinarstva, regulacije, te geologije i rudarstva kod izvođenja bušotina. Osnovna veličina na osnovu koje se dimenzioniraju i projektiraju sustavi koji koriste toplotne pumpe je toplinski učinak koji se određuje na osnovi potreba za toplinom za grijanje, odnosno toplinskih gubitaka ili toplinskog opterećenja zgrade.

Toplinsko opterećenje zgrade, odnosno prostorija u njoj određuje se postupkom propisanim normama. Osnovni cilj takvog proračuna je određivanje toplinskih gubitaka koji se koriste pri određivanju toplinskog opterećenja zgrade. Pri proračunu projektnih toplinskih gubitaka zgrade promatraju se transmisijski toplinski gubitci (provođenje topline kroz plohe) i ventilacijski toplinski gubitci (strujanje zraka).

Pri dimenzioniranju i projektiranju ovakvih sustava potrebno je odabrati i toplinski izvor za dizalice topline. Pri tome se u obzir uzimaju razni čimbenici, ali najvažniji od njih su svojstva toplinskog izvora (termodinamička svojstva, raspoloživost na mjestu ugradnje), početna ulaganja u iskorištavanje izvora (cijena opreme, složenost radova), te pogonski troškovi pri iskorištavanju nekog izvora.

Uz sve to treba uzeti u obzir i da li se radi o novogradnji ili postojećoj zgradi, te njezinoj potrebi za energijom cijele godine (grijanje i hlađenje). Poredak učestalosti primjene toplinskih izvora za toplotne pumpe u većini europskih zemalja je:

1. Okolni zrak;

2. Otpadni zrak;

3. Površinski slojevi tla;

4. Duboki slojevi tla;

5. Podzemne vode.

7.3. Faktor toplotne pumpeFaktor toplotne pumpe ili COP (eng. coefficient of performance) predstavlja odnos toplinske energije koju proizvede toplotna pumpa u odnosu na električnu energiju koja je dovedena uređaju. Što je veći COP potrebno je manje električne energije da se stvori ista snaga toplinske energije te što je veći COP to je bolji uređaj. Za COP 3,0 potrebno je u toplotnu pumpu, uređaj dovesti 1 kW električne energije da se dobiju 3 kW toplinske energije. Učinkovitost toplotnih nije jednaka za sve modele i proizvođače te treba odabirati uređaje klase A odnosno energetski učinkovite uređaje. Toplotne pumpe se ispituju prema normi BS EN 14511-2 i kroz standardne uvjete B0W50 (eng. brine, glikol pri 0°C i eng. water, voda pri

24


50° C) dodatni testovi su pri B0W35 (0° C / 35° C) i B5W35 (5° C / 35° C) te se testovima pri tim uvjetima dobiva COP ispitivane toplotne pumpe.

Slika 7.3: Faktor dizalice u odnosu na temperaturu toplinskog izvora

Ukupna godišnja učinkovitost sustava (faktor sustava) predstavlja odnos toplinske energije koju je proizvela toplotna pumpa u odnosu na ukupnu električnu energiju koja je dovedena u sustav da bi se ostvarilo grijanje građevine, priprema sanitarne vode, dodatno dogrijavanje te rad crpki i automatske regulacije. Za faktor sustava od 3,0 potrebno je dovesti 1kW električne energije u sustav da se dobije 3kW toplinske energije na toplinskim panoramama: podnom grijanju, spremniku sanitarne vode. Da se ostvari ukupni faktor sustava od 3,0 potrebno je da je COP dizalice topline veći i na razini od oko 3,5 - 4,0 da se pokriju električne potrebe na pumpama i automatskoj regulaciji. Razlika temperature toplinskog izvora (zrak, zemlja, voda) mora biti što bliža temperaturi toplinskog ponora (podno grijanje, ventilokonvektori, radijatori, zrak). Nailazi se često na preporuke da se toplotna pumpa ne dimenzionira na maksimalno opterećenje već na 70 - 80% potrebne maksimalne toplinske snage te da bi dizalica topline tim odabirom mogla pokriti 85 - 95% dana grijanja. Pokazati će se da taj model odabira negativno djeluje na faktor sustava. Primjena električnog dogrijavanja će se zabraniti poslije 2015. godine jer električni grijači imaju najveću emisiju CO2.

25


8. EKONOMSKA ANALIZA

Primjer ekonomske analize grijanja i hlađenja obiteljske kuće u Zagrebu.

A=250 m2, Qgr=22500 kWh/god, qqr=90 kWh (m2 god) Φgr=12.5 kWh

Qhl=6750 kWh/god, qhl= 27 kWh (m2 god) Φhl= 7 kWh

Tablica 9.1:Ekonomska analiza grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu

26


Slika 8.1: Pogonski troškovi grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu

Slika 8.2: Povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove za obiteljsku kuću u Zagrebu

Iz ekonomske analize za obiteljsku kuću u Zagrebu vidimo da je grijanje na plin i ulje najskuplje te je povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove beskonačan. Grijanje pomoću toplotne pumpe je jeftinije od grijanja na plin i ulje te je najefikasnija toplotna pumpa voda-voda koja bi se trebala isplatiti nakon 9 godina.

27


9. ZAKLJUČAK

Toplotne pumpe smatraju se jednim od najučinkovitijih uređaja za dobivanje toplotne energije, a osobito su česte u bogatijim zemljama s razvijenom visokom ekološkom svijesti. Važan poticaj u razvijenim zemljama je i uređeno zakonodavstvo, prije svega na području obnovljivih izvora energije, te državne potpore za obnovljive izvore energije.

Cijene sistema s toplinskim pumpama u BiH su na žalost još uvijek jako visoke. Razloga ima više, a oni najizraženiji su: nedostatak državnih poticaja za primjenu obnovljivih izvora energije, relativno visoke cijene uređaja i radova koje su rezultat malog broja proizvođača toplotnih pumpi i educiranih izvođača radova.

Bez obzira na brojne poteškoće i nelogičnosti u sistemu, toplotne pumpe ipak i u BiH doživljavaju sve veću ekspanziju. U razvijenim zemljama Europe obnovljivi izvori energije zauzimaju značajno mjesto u energetskoj politici.

Za očekivati je da će isto dogoditi i kod nas kod pridruživanja BiH Europskoj uniji. Do tada, štednja energije i zaštita okoliša primjenom obnovljivih izvora energiji ostaje na razini razvijenosti naše savjesti i na našim financijskim mogućnostima.

28


LITERATURA

1. Labudović, B. dipl.ing.: Osnove primjene dizalica topline, Zagreb, Energetika

marketing d.o.o. 2009.

2. Labudović, B. dipl.ing.: Obnovljivi izvori energije, Zagreb, Energetika marketing

d.o.o. 2002.

3. Ochsner, K., Curtis, R.: Geothermal heat pumps: A guide for planning and installing,

Earthscan, 2007.

4. Internet:

a) http://hr.wikipedia.org/wiki/Toplinske_pumpe

b) http://www.toplinskepumpe.com/2011/05/zracne-toplnske-pumpe/

c) http://www.ecol.hr/toplinskecrpke3.html

d) http://www.korak.com.hr/sos.php?id_sos=363

e) www.fsb.unzg.hr/ctt/seminari/101109_dizalice_topline.pdf

f) http://mcsolar.hr/toplinske-pumpe.php

g) http://www.geomin.hr/strojevi.htm

h) http://www.eko-puls.hr/Toplinske_pumpe.aspx#tp6

i) www.geoservisas.hr/images/stories/GAS/prezentacija.ppt

29

http://www.geoservisas.hr/images/stories/GAS/prezentacija.ppt

http://www.eko-puls.hr/Toplinske_pumpe.aspx#tp6

http://www.geomin.hr/strojevi.htm

http://mcsolar.hr/toplinske-pumpe.php

http://www.fsb.unzg.hr/ctt/seminari/101109_dizalice_topline.pdf

http://www.korak.com.hr/sos.php?id_sos=363

http://www.ecol.hr/toplinskecrpke3.html

http://www.toplinskepumpe.com/2011/05/zracne-toplnske-pumpe/

http://hr.wikipedia.org/wiki/Toplinske_pumpe


POPIS

Popis oznaka i simbola

Veličina

Opis

GWh – gigavatsatkWh – kilovatsatMW – megavatW – vatJ – džulmg/m3 – miligram po kubnom metruCO2 – ugljen dioksidSO2 – sumpor dioksidt – tona

OZNAKA I SIMBOLA

SKRAĆENICA

Popis skraćenica

Skraćenica Opis

BiH – Bosna i HercegovinaEES – Elektroenergetski sistemEUR – euroEZ – Energetska zajednicaFBiH – Federacija Bosne i HercegovineKM – konvertibilna markaRS – Republika Srpska

TABELA

Popis tabela

IX str.

Tabela 9.1 – Ekonomska analiza grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu 10

30


SLIKA

Popis slika

II str.

Slika 2.1

– Princip rada dizalice topline po fazama rada 5

Slika 2.2

–Princip rada konvencionalne termoelektrane na ugalj kao gorivo i kotlom za sagorijevanje u atmosferski cirkulišućem fluidizovanom sloju

6

IV str.

Slika 4.1

– Osnovni dijelovi dizalice topline 9

V str.

Slika 5.1

– Shematski prikaz rada toplotne pumpe 12

Slika 5.2

– Prikaz temperature zraka i potrebne toplote 13

Slika 5.3

– Princip rada toplotne pumpe zrak-voda 14

Slika 5.4

– Temperatura zemlje po dubini kroz odabrane mjesece 14

Slika 5.5

– Načini izvođenja zemljanih kolektorskih polja 15

Slika 5.6

– Način izvođenja i dijelovi za izvođenje dizalice topline sa zemljanim kolektorom

17

Slika 5.7

– Dizalica topline tlo voda sa podzemnom toplinskom sondom 18

Slika 5.8

– Shematski prikaz rada dizalice topline voda-voda 19

Slika 5.9

– Monovalentni sistemi s apsorberom kao isparivačem dizalice topline 20

VI str.

Slika 6.1

– Grijanje ventilokonvektorima 21

Slika 6.2

– Radijatorsko grijanje 21

Slika 6.3

– Podno grijanje 21

VII str.

31


Slika 7.1

– Učestalost pojave temperature zraka 22

Slika 7.2

– Cijena dizalice topline u ovisnosti o učinku grijanja 22

Slika 7.3

– Faktor dizalice u odnosu na temperaturu toplinskog izvora 24

VIII str.

Slika 8.1

– Pogonski troškovi grijanja za obiteljsku kuću u Zagrebu 25

Slika 8.2

– Povrat ulaganja za investicijske i pogonske troškove za obiteljsku kuću u Zagrebu

26

32

Documents

Seminarski Rad Toplotne Pumpe