TOPLOTNE PUMPE

PRIRODNO HLAENJE

Prirodno hlaenje se odvija samo od sebe, jer pri temperaturi tijela T veoj od temperature okoline Tok, hlaeno tijelo nepovratno tei toplotnoj ravnotei s okolinom.Ukupni prirast entropije je pozitivan, i proces se odvija sam od sebe, nepovratno.

PROCESNO HLAENJE

Kada treba osigurati hlaenje tijela koje je na temperaturi T0 nioj od temperature okoline prirast entropije cjelokupnog sistema bio bi negativan, tj. toplina bi trebala prijei od tijela nie na tijelo vie temperature, to nije mogue.

Da bi se omoguio prijenos topline s nie na viu temperaturu mora se dodatnim procesom, okolini pored topline Q0 dovesti i neka toplina Q (4ecb) nastala pretvaranjem nekog drugog oblika energije i tako se dobije dodatni pozitivni prirast entropije prikazan na slici duinom b-c. Ukupni prirast entropije treba biti vei ili barem jednak nuli.

Minimalni iznos energije za kompenzaciju negativnog prirasta sumarne entropije iznosi odatle

Da bi se proces mogao praktiki provesti, trebati e dovoditi vie energije od Q, pa e sveukupna promjena entropije biti

Kod kompresijskih rashladnih procesa mehaniki rad je potrebna kompenzacijska energija, pa vrijedi

Upravo zbog sposobnosti ljevokretnih rashladnih procesa da utrokom energije podiu toplinu s nieg na vii temperaturni nivo, nazivaju se i toplone pumpe (dizalice topline).Po definiciji, toplotne pumpe su ureaji koji radni medij s nieg temperaturnog nivoa, uz pomo dodatne energije, povisuju na vii temperaturni nivo, te na taj nain iskoritavaju toplinu sadranu u radnom mediju.

S obzirom na porijeklo i postojanost temperaturnog nivoa, toplotni izvori za toplotne pumpe mogu se podijeliti u skupine:- prirodni, kod kojih je temperatura uglavnom promjenjiva okolni zrak;- prirodni s konstantnim temperaturama - povrinske vode (vodotoci, mora), podzemne vode,tlo, Suneva energija;-umjetni otpadne vode te otpadni i istroeni zrak iz prostorija ili industrijskih procesa.

Toplotne pumpe nazivaju se prema redoslijedu izvora/nosioca toplote, tako da toplotne pumpe, s obzirom na izvor toplote, moemo takoer podijeliti u tri osnovne skupine:toplotne pumpe tlo-voda koje kao toplinski izvor koriste slojeve tla, a kao nosilac topline se koristi voda;toplotne pumpe voda-voda: kao toplinski izvor koriste podzemne, povrinske ili otpadne vode, a nosilac toplote je voda;toplotne pumpe zrak-voda i zrak-zrak: kao toplinski izvor koriste okolni, istroeni, otpadni ili oneieni zrak, a kao nosilac toplote se koristi u jednom sluaju voda, a u drugom zrak.

U tehnikoj praksi toplotne pumpe se najee koriste za:-grijanje i hlaenje prostorarekuperaciju toplotne energije.

Gledano sa stanovita investicije u toplotnu pumpu moe se odmah zakljuiti da se u naem klimatskom podruju ureaj veoma racionalno koristi jer se u zimskom periodu koristi za grijanje, a u ljetnjem periodu za hlaenje prostora.Toplotna energija iz toplih otpadnih voda moe da se pomou toplotne pumpe vrati i ponovo iskoristi za zagrijavanje prostora ili zagrijavanje vode.

Princip rada toplotne pumpeToplotna pumpa energiju za zagrijavanje proizvodi 75% iz prirodne okoline uz pomo 25% uea el.energije. U rashladnom krugu energija iz okoline se oduzima i predaje na rashladni medij, tako da on isparava gdje biva usisan od strane kompresora i sabijen dobijajui tako viu temperateru. Vrela para struji u kondenzator tu se kondenzuje i pri tome oslobaa toplotu. Rashladni medij nastavljajui u takvom agregatnom stanju svoj put dalje iza ekspanzionog ventila prelazi u normalno stanje i cijeli proces se ponavlja. Elektrina energija pri tome nije izgubljena nego je prela u vid potencijalne energije rashladnog medija. Tako npr. moe se uz uee el. energije od 1kW minimalno proizvesti 4kW energije za zagrijavanje.

ematski prikaz rada toplotne pumpe

Dakle osnovni dijelovi toplotne pumpe su: - ispariva - kompresor- kondenzator - ekspanzioni ventil

Svi ovi dijelovi se nalaze u zajednikom kuitu kao jedna cjelina, te ih je potrebno samo spojiti na dovod radnog medija, razvod ogrjevnog medija, elektrinu mreu te sistem automatske regulacije.IsparivaTekui radni medij na primarnoj strani nalazi se na niem pritisku prilikom primanja topline iz okolia. Temperatura okoline via je od temperature isparavanja radnog medija pri pritisku na kojem se nalazi radni medij u isparivau tako da radni medij potpuno isparava i pri tom uzima toplinu iz okoline.

-Rashladni uinak isparivaa ovisi o ukupnoj povrini za izmjenu topline, koeficijentu prolaza topline izmjenjivaa i razlici temperature radnog medija koji isparava. -U cilju to manje i kompaktnije dimenzije cijelog ureaja (dizalice topline), na izvedbu isparivaa treba takoer postaviti zahtjev to manjih dimenzija.Kompresor Kompresor usisava radni medij iz isparivaa, podie mu temperaturu i pritisak na vrijednost na kojoj se omoguava njezina kondenzacija na temperaturi koja je via od temperature ogrjevnog medija. Rashladni uinak kompresora mora biti jednak rashladnom uinku isparivaa, te mora omoguiti komprimiranje cjelokupne radne tvari iz isparivaa.

Ovisno o nainu na koji se izvodi stlaivanje, postoji nekoliko osnovnih izvedbi kompresora: - klipni kompresori - vijani kompresori - spiralni kompresori - turbokompresori Kondenzator Nakon prolaska kroz kompresor, radni medij odlazi na sekundarnu stranu (sistem grijanja) u kondenzator koji je opstrujavan ogrjevnim medijem. Temperatura ogrjevne vode je nia od temperature kondenzacije radnog medija tako da radni medij kondenzira i ponovno se ukapljuje.

Pri tom se toplina koju je radni medij primio na isparivau i dodatno dovedena energija na kompresoru predaju ogrjevnom mediju.

S obzirom na ogrjevni medij koji se koristi, postoje dvije izvedbe kondenzatora dizalice topline:- vodom hlaeni, kada se kao ogrjevni medij koristi voda (za sisteme toplovodnog grijanja i pripreme potrone tople vode) - zrakom hlaeni, kada se kao ogrjevni medij koristi zrak (za sisteme toplozranog grijanja, ventilacije i klimatizacije).

Ekspanzioni ventil Radni medij se preko ekspanzionog ventila vraa u ispariva. U ekspanzijskom ventilu radni medij ekspandira s vieg pritiska kondenzatora na nii pritisak isparivaa i ohlauje se, te je time zatvoren ciklus.

IZVORI ENERGIJE ZA TOPLOTNE PUMPENa toplotni izvor se postavlja niz zahtjeva da bi se osigurao ekonomian rad dizalice topline. Meu najvanijima su sljedei:- toplotni izvor treba osigurati potrebnu koliinu toplote u svako doba i na to vioj temperaturi,-trokovi za prikljuenje toplotnog izvora na dizalicu topline trebaju biti to manji,-potreba energije za transport toplote od izvora do isparivaa dizalice toplote treba biti to manja.

Kriteriji za ocjenu su sljedei:-Nivo temperatureRaspoloivost na lokaciji i u vremenuVremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloivosti izvoraMogunost samostalnog koritenjaUtroak energije za dovoenje topline do isparivaaHemijska i fizikalna svojstva nosioca toplineTrokovi izvedbe postrojenjaUticaj na ravnoteu okoline i zagaenje okolinePogodnost za masovnu proizvodnju

ZRAK-Toplotne pumpe zrak - voda, ili zrak - zrak, kod kojih je izvor topline zrak, a nosilac topline u krugu grijanja voda ili zrak, iroko su rasprostranjeni ureaji, zbog jednostavnosti prikljuenja na sistem grijanja i zbog prisutnosti toplotnog izvora uvijek i na svakom mjestu.-Optimalna koliina zraka sa stanovita utroka energije za rad kompresora i ventilatora kree 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 ohlaenje treba iznositi 10 K da bi mu se oduzela toplota 1 kW.

Za zaleivanje isparivaa je kritino podruje temperatura zraka od od -2 do -7oC jer zrak pri tim temperaturama sadri jo uvijek znatnu koliinu vlage.Kad se na isparivau stvori led, treba prekinuti rad dizalice topline i troiti energiju za odleivanje. Ukupna potronja topline za odleivanje kree se oko 5% do 10% energije utroene godinje za pogon kompresora dizalice topline.Drugi problem o kojem treba voditi rauna je i buka. esto to predstavlja ograniavajui faktor za primjenu.Ekonominu primjenu dizalica topline zrak - voda (ili zrak - zrak) najvie oteava razliito vrijeme pojave maksimuma temperature zraka i potrebe neke grijane zgrade za toplinom.

Kad je temperatura vanjskog zraka najnia, potreba topline je najvia, iako to ovisi i o vrsti potroaa, to je prikazano na slici.

Odreivanje veliine dizalice topline i potronje energije za proizvodnju potrebne topline, pitanje je naina pogona (monovalentni, bivalentno alternativni ili bivalentno paralelni), veliine i cijene dodatnog grijanja, te cijene energije.ZemljaKoritenje topline iz tla predstavlja ustvari koritenje suneve energije koja dospijeva na povrinu i akumulira se u tlu. Za tehniko iskoritavanje zanemariva je toplina koja iz uarene zemljine jezgre prolazi prema povrini. U praksi se toplinska energija unutranjosti zemlje koristi ee na mjestima tzv. geotermalnih anomalija (geotermalni izvori i sl.).

Zbog velike akumulacione sposobnosti tla, temperatura u dubini ne mijenja se isto kao i temperatura na povrini, ve se javlja vremenski pomak koji raste s dubinom i smanjenje amplitude temperaturne promjene koje je to vee to je dubina vea. Dubina od oko 15 m je ona na kojoj se ne osjeti uticaj godinjih oscilacija temperature. S poveanjem dubine temperatura zemlje raste, pa se danas izvode i vertikalne buotine radi koritenja topline. Ipak, oduzimanje topline koja je posljedica sunevog zraenja iz zemlje za dizalicu topline provodi se uglavnom preko cijevnih registara ukopanih u zemlju, kroz koje struji fluid koji prenosi toplinu.

Na prvi pogled izgleda pogodnije ukopavanje cijevi preko kojih se toplina oduzima tlu na to veu dubinu, gdje su temperature jednolikije. Meutim, kako se tlu oduzeta toplina nadoknauje od sunevog zraenja u ljetnom razdoblju, zemlja se na veoj dubini ne bi stigla ponovno zagrijati, tako da bi se s vremenom formirao oko cijevi sloj trajnog leda.Prijelaz topline od tla na rashladno sredstvo odvija se uobiajeno u dva toplotna izmjenjivaa - cijevnom snopu u zemlji i u isparivau.Ako u ukopanim cijevima isparuje radni medij, smanjuje se ukupna temperaturna razlika izmeu tla i radne tvari, jer se izbjegava posrednik pri prijenosu topline. Tada se prosjeni toplinski mnoilac poveava za 10 do 15 % .

Preporuuje se dubina ukopavanja cijevi toplinskog izmjenjivaa u zemlji 0,8 do 1,5 m, s razmakom cijevi od 1 m do 0,5 m.esto se u zemlju dodatno sprema toplina iz krovnih solarnih kolektora, ime se podie temperatura tla.

Prosjeni godinji toplinski uin iznosi 20 - 40 W/m2 (iskop na dubinu 1,2 - 1,5 m). to je zemlja bogatija vlagom to je specifino odavanje topline vee. Bolje je postaviti cijevi u glinastu zemlju nego u ljunanu. Prosjena proraunska vrijednost uzima se 25 W/m2. Okvirni proraun: Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objekta Potrebna raspoloiva povrina zemlje: A = P x (1 - e) / q gdje je: P - snaga za grijanje u kW e - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25 q - specifino odavanje zemlje, q 0,025 kW/m2 A = 15 x (1 - 0,25) / 0,025 = 450 m2

Pomou zemljane sonde oduzima se energija iz zemlje iz veih dubina. Kod ovog sistema primarni je toplinski tok Zemljane kore, a ne direktno sunevo zraenja kao kod zemljanih kolektora. Na ovaj nain dobiva se priblino konstantna temperatura izvora kroz cijelu godinu. Kod sistema sa sondama izvode se dubinska buenja na dubine 60 - 100 m, a u buotinu se kao i kod zemljanih kolektora polae najee polietilenske cijevi. Promjer buenja ovisi o sastavu tla i promjera cijevi, a najee se kree u rasponu od 140 - 165 mm.

Toplina koju zemlja predaje na sondu ovisna je o sastavu zemlje. Prosjeni godinji toplinski uin kree se od 35 - 100 W/m. Kao okvirna proraunska veliina moe se uzeti 50 W/m. Na osnovu ovog podatka moe se izraunati ukupna duina buenja tj. broj buotina. Okvirni proraun: Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objekta Ukupno potrebna dubina buenja: L = P x (1 - e) / q gdje je: P - snaga za grijanje u kW e - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25 q - specifino odavanje zemlje, q 0,050 kW/m L = 15 x (1 - 0,25) / 0,050 = 225 m Slijede 3 buotine od 75 m

PODZEMNA VODAvoda se crpi iz bunara - produkcione buotine, a kad je ohlaena, moe se odbaciti u kanalizaciju ili preko upojne buotine natrag u podzemni vodotok.Upojna buotina mora se nalaziti iza produkcione u smjeru toka podzemne vode.Na dubinama veim od 15 m, promjena temperature podzemne vode s vremenom je zanemariva.Usisni bunar ne bi trebao biti dubine vee od 20 m jer s veom dubinom rastu trokovi el. energije za pogon dubinske pumpe.

Podzemna voda je uglavnom ista i nije agresivna.Mogu se postii prosjeni toplinski mnoioci pri grijanju zgrada koji su reda veliine 3,5 do 4 ako se radi o sistemu niskotemperaturnog grijanja.

POVRINSKA VODAPrijenos topline od povrinske vode na radnu tvar u pravilu se provodi preko posrednog kruga za prijenos topline. U toplinskom izmjenjivau povrinska voda predaje toplinu vodi u posrednom krugu. Tek ova voda, ili pri niim temperaturama smjesa glikola i vode, prenosi toplinu u ispariva. To se radi zbog prisutnosti oneienja, soli, i fosfata (koji pogoduju rastu algi) u povrinskim vodama. U ovu svrhu potrebno je ugraditi ploaste izmjenjivae topline koji se lako iste i predvidjeti druge mjere za spreavanje rasta algi (npr generatori klora ako se radi o morskoj vodi).

Ako se toplotna pumpa konstruie za konkretno postrojenje i izvodi od komponenti na mjestu ugradnje, to je vrlo rijedak sluaj, moe se ispariva izvesti kao cijevni registar uronjen u vodu. Ovim nainom mogla bi se smanjiti razlika temperature vode i temperature isparivanja i mogu se postii 10 do 15 % vei prosjeni godinji toplinski mnoioci nego u sluaju da se koristi posredni krug za prijenos topline.to se temperature tie, kod manjih rjeica, moe se u periodu grijanja raunati sa temperaturom koja odgovara srednjim mjesenim temperaturama vanjskog zraka uveanim za 1,5 do 2 K.

U tom sluaju, zbog niskih zimskih temperatura, dodatna su grijanja neizbjena, ali pokazuje se da se i do 90 % godinje potrebe za toplinom moe dobiti radom dizalice topline. Vee rijeke, koje protiu kroz industrijska sredita imaju zbog raznih otpadnih toplina (kanalizacija, industrijski procesi) takve temperature da zimi uglavnom ne smrzavaju, pa su sa stanovita temperature pogodan toplinski izvor.Temperature mora su izuzetno povoljne, posebno na dubinama ispod 10 m, ali treba voditi rauna i o lokalnim uslovima - morske struje, izvori i sl. S morskom vodom moe se uvijek izvesti monovalentni sistem grijanja i hlaenja.

Okvirni proraun: Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objekta Potreban stalni protok vode:V = P x (1 - e) x Qgdje je: P - snaga za grijanje u kW e - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25 Q - jedinini protok dubinske crpke, Q 300 lit/h po kWV = 15 x (1 - 0,25) x 300 = 3375 lit/h

SUNEVA ENERGIJAIako su naprijed spomenuti izvori svi na neki nain transformirana ili akumulirana suneva energija, ovdje se misli na neposredno koritenje putem solarnih kolektora ili apsorbera.Mogue je koritenje u neposrednom sistemu tako da je ispariva dizalice topline solarni kolektor (poveava se temperatura isparivanja), ili pak posredno s nizom kombinacija u nainu manipulacije energijom. Uglavnom se koriste solarni apsorberi (neizolirani kolektori), ili neke varijante ventiliranih krovova ili fasada.

Monovalentni sistemi s apsorberom kao isparivaem dizalice topline

Prednosti koritenja toplotnih pumpi: - ekonominost smanjeni trokovi grijanja i hlaenja u stambenim i poslovnim objektima - trajnost - niski trokovi odravanja ako je sistem ugraen na propisan nain ne zahtijeva gotovo nikakvo odravanje - tihi rad pogodna upotreba u domainstvu i u poslovnim prostorima s obzirom da kod ovakvih sistema nema dijelova koji proizvode buku - fleksibilnost ovakvi sistemi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne potroae

- prilagodba koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za grijanje, a ljeti za hlaenje - ekologija dizalice topline gotovo ne zagauju okolinu, te su vaan faktor u smanjenju oneienja atmosfere

Nedostaci toplotnih pumpi:- investicijski trokovi vei su nego kod ostalih sistema