Veleučilište u Slavonskom Brodu
Program izobrazbe za stručno osposobljavanje i obvezno usavršavanje osoba koje provode energetske preglede i/ili energetsko certificiranje zgrada s jednostavnim tehničkim sustavom MODUL 2
DIZALICE TOPLINE
doc.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilište u Zagrebu
Slavonski Brod, 30. listopada 2010. 1
SADR Ž AJ
1. PROCES PROCESII S DIZALI DIZALICOM COM TOPLIN TOPLINE E 2. UČINAK DIZALICE TOPLINE 3. IZVORI IZVORI TOPL TOPLINE INE ZA ZA DIZALI DIZALICE CE TOPLI TOPLINE NE 4. PRIMJERI PRIMJERI ISPITN ISPITNIH IH SUSTAVA SUSTAVA S DIZALICO DIZALICOM M TOPLINE TOPLINE 5. EKONOMSKI EKONOMSKI POKAZATEL POKAZATELJI JI PRIMJEN PRIMJENE E DIZALICE DIZALICE TOPLINE TOPLINE
2
UVOD Korištenje dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline bilježi jedan od najbržih porasta u područ ju primjene obnovljivih izvora energije, mjereno mje reno brojem instaliranih jedinica u svijetu. Procjenjuje se da je u svijetu instalirano 1,7 milijuna geotermalnih dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline, učinka grijanja 18 GW, [J. Spitler, 2008.] Koriste se za niskotemperaturn niskotemperaturno o grijanje grijanje i zagrijavanje PTV-a. PTV-a. Mogućnost rada dizalice topline u režimu grijanja i režimu hlađenja Ovakvi su sustavi široko prihvaćeni u tehnološki razvijenom svijetu, primjerice u Švedskoj, SAD, Švicarskoj, Austriji, Njema čkoj, Turskoj. Directive ive 2009/2 2009/28/E 8/EC C of the Europ European ean Parlia Parliame ment nt and and of Europska direktiva naziva Direct the the Coun Counci cill on the the prom promot otio ion n of the the use use of of ene energ rgy y from from rene renewa wabl ble e sour source ces s
(travnja 2009) svrstava dizalice topline u obnovljive izvore energije prema minimalnoj vrijednosti sezonskog toplinskog množitelja.
3
PROCESI S DIZALICOM TOPLINE Pod nazivom dizalica topline podrazumijeva se općenito svaki uređaj koji prenosi toplinu sa spremnika niže temperature na spremnik više temperature, u kojem se toplina korisno primjenjuje primjenjuje.. Proces dizalice dizalice topline istovjetan istovjetan je ljevokretnom ljevokretnom rashladnom rashladnom procesu. Dizalice Dizalice topline se dijele prema vrsti kompenzacijeke kompenzacijeke energije energije na: - kompresi kompresijske jske dizalice dizalice topline topline koriste mehanički rad za pogon ure đaja - sorpc sorpcijs ijske ke dizali dizalice ce topline topline koriste toplinsku energiju za pogon uređaja
(apsorpcijske (apsorpcijske i adsorpcijske adsorpcijske dizalice dizalice topline) Usporedba učinkovitosti kompresijskih i apsorpcijskih dizalica topline moguće je samo ako se promatra primarna energija.
4
PROCESI S DIZALICOM TOPLINE Premda se svakim ljevokretnim ljevokretnim kružnim procesom procesom korištenjem korištenjem vanjskog vanjskog rada rada može ostvariti prijenos topline od niže na višu temperaturu, ipak se razlikuju tri vrste takvih procesa: a) rashladni proces, b) ogrjevni pr proces, c) ra rash shla ladn dnoo-og ogrj rjev evni ni pr proc oces es.. Qg
T
Qg
T g Q T ok Q
T o Qo
Qo T o
T ok
T ok T g
a)
T o
b)
T ok T g c) 5
APSORPCIJSKE DIZALICE TOPLINE
Za prijenos topline izme đu dva toplinska spremnika spremnika kao pogonska pogonska energija kod apsorpcijskih rashladnih ure đaja/ aja/di diza zalilica ca topl toplin ine e kori korist stii se topl toplin insk ska a ener energi gija ja.. Umje Umjest sto o meha mehani ničkog komp kompre reso sora ra koji koji se prim primijijen enju juje je u kom kompr pres esijijsk skim im ure ure đajima, ovdje se za pogonski stroj koristi tzv. „termički kompresor kompresor““ pogonjen pogonjen npr. plino plinom m ili ili vodeno vodenom m parom. parom.
εg
=
Φ kond Pkomp
=
Φ isp + P komp P komp
= ε o + 1
Shematski prikaz apsorpcijskog ure đ aja aja
SPF =
ΣQ K Σ E
6
Toplinski odnos apsorpcijske dizalice topline
Kao prijenosnik energije u apsorpcijskim dizalicama topline uz radnu tvar dolazi još i apsorpcijsko sredstvo. Oboje zajedno čine radnu smjesu apsorpcijskih ure đaja. Najviše u praksi korišteni parovi ranih smjesa su i voda/litijbromid (H 2O/LiBr) i amonijak/voda (NH3/H2O). Kod prvog para smjese primjena je ograni čena najnižom dozvoljenom radnom temperaturom koja mora biti viša od 0°C. Stoga se oni naj češće primjenjuju u sustavima klimatizacije. Toplinski odnos (ζgr ) jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline definiran je kao: ζ gr =
Φa + Φ k Φ a + Φ k = ≈ 1,2 ÷ 1,5 Φ g + P p Φ g
Φ kond
Φ isp + P komp
= topline predstavlja = ε o + 1omjer toplinskog εg = Toplinski odnos jednostupanjske apsorpcijske dizalice P P učinka apsorbera i kondenzatora u odnosu na toplinski učkomp inak generatora (kuhala). komp Vrjednosi se kreću od 1,2 do 1,5.
SPF =
ΣQ K Σ E
7
KOMPRESIJSKE DIZALICE TOPLINE
Lijevokretni rashladno-ogrjevni proces posreduje u prijenosu topline između dva toplinska
spremnika, niskotemperaturnog spremnika kojem se odvodi toplina i pritom se hladi, te visokotemperaturnog toplinskog spremnika kojem se ta toplina dovodi i pritom se grije (Ilustracija 1.).
Najpoznatija i najraširenija dizalica topline je ku ćni hladnjak („frižider“) koji se koristi s ciljem hla đenja, odnosno primarni cilj je odvođenje topline tretiranoj robi (izvor topline) pri temperaturi nižoj od okoline, a ostvaruje se putem isparivača. q P
Inače u praksi se uvriježio naziv dizalica topline za lijevokretni uređaj koji se koristi za potrebe grijanja. Radne tvari koje se koriste u dizalicama topline: R410A, R407C, R134a, R290, CO2
Φ 8
Ljevokretni ogrjevni proces
Prikaz rashladnog-ogrjevnog procesa u logp-h i T,s-dijagramu
log p
kao toplinski ponor koristi se voda
T po T K T w 3
voda
p K ,T K
t s n o k = s
p i T , i 1'' T i qo
q K
2
T ok
4
kondenzator
2
3 qm
T K
kompresor
w 1
1
qo
T pr w
q K
prigušni ventil
isparivač
4
kao toplinski izvor koristi se zrak
h
T
Toplinski množitelj dizalice topline definiran je izrazom:
q ε gr = kond
wkomp
=
Φkond P komp
=
Φisp + P komp P komp
T k ,pk
T w T p 3
= 1 + ε hl
pri čemu učinak grijanja koji predstavlja u činak kondenzatora iznosi: Φ kond ≈ Φ isp + P komp
T ok
p k 2
1
Ti , pi 4 qo 9
Prekretni proces split klima ure đaja: hlađenje - grijanje
Prekretni split proces: hla đenje - grijanje
HLA ĐENJE Faktor hlađenja split-klima uređaja: Primjer.: Φisp = 3500 W, PEL = 1084 W (Thl = 27 °C, Tok = 35 °C; HRN EN 14511) ε hl (EER ) =
Φ isp P EL
=
3500 = 3,23 1084
GRIJANJE Toplinski množitelj egr dizalice topline: Primjer: Φkond = 3850 W, PEL = 1067 W (Tgr = 20 °C, Tok = 7 °C) ε gr (COP ) =
Φ kond P EL
=
3850 = 3,61 1067 10
Razvrstavanje uređaja prema energetskoj učinkovitosti: HLA ĐENJE (EER) Razred energetske učinkovitosti A 3,20 < EER Razred energetske učinkovitosti B 3,20 > EER > 3,00 Razred energetske učinkovitosti C 3,00 > EER > 2,80 Razred energetske učinkovitosti D 2,80 > EER > 2,60 Razred energetske učinkovitosti E 2,60 > EER > 2,40 Razred energetske učinkovitosti F 2,40 > EER > 2,20 Razred energetske učinkovitosti G 2,20 > EER GRIJANJE (COP) Razred energetske učinkovitosti A 3,60 < COP Razred energetske učinkovitosti B 3,60 > COP > 3,40 Razred energetske učinkovitosti C 3,40 > COP > 3,20 Razred energetske učinkovitosti D 3,20 > COP > 2,80 Razred energetske učinkovitosti E 2,80 > COP > 2,60 Razred energetske učinkovitosti F 2,60 > COP > 2,40 Razred energetske učinkovitosti G 2,40 > COP Primjer izgleda energetske oznake
11
IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE
Prosječni nominalni toplinski množitelj, ovisno o temperaturama toplinskog izvora i ponora, najčešće doseže vrijednosti od 2,5 do 4, a nerijetko i više. To npr. znači da za 1 kW snage kompresora, snaga grijanja na kondenzatoru može biti i nekoliko puta veća, odnosno 2,5 do 4 kW. Godišnji toplinski množitelj ε gr,G (Sesonal performance factor - SPF ) dizalice topline koristi se za proračun i dimenzioniranje sustava grijanja. Ra čuna se preko sljede ćeg izraza: ε gr,G (SPF ) =
∑Q DT ∑ E
Σ QDT -
stvarno proizvedena top. energija dizalice topline tijekom godine, kWh
Σ E
- ukupna godišnja el. energija utrošena na pogon kompresora,
pumpi, ventilatora, te sustav odleđivanja isparivača, kWh
12
UČINAK DIZALICE TOPLINE
Učinak kondenzatora – ogrjevni učinak DT Φ
Φ kond ≈ Φisp +
Φ
komp
Rashladni učinak isparivača određen je izrazom
Φ isp = m& RT qo = V s nλρ usisqo , W Ogrjevni učinak kondenzatora određen je izrazom:
ϑ
Φ kond = m& RTqkond = V snλρ usisqkond , W
ε
Pravilo koje vrijedi je: što je manja temperaturna
razlika između temperature toplinskog izvora (zrak, voda, tlo) i temperature toplinskog ponora (zraka ili vode koja se grije), to će veći biti učinak grijanja i manja snaga kompresora, odnosno bit će veći toplinski množitelj
ε
ε g
=
Φ kond P komp
Ovisnost toplinskog množitelja o temperaturama isparavanja i kondenzacije (E. Granryd) 13
Učinkovitost dizalice topline prema HRN EN 14511 (HRN EN 255):
Norma HRN EN 14511 za radnu točku B0/W35 definira učinkovitost dizalice topline tlo-voda za temperaturni režim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C i temperaturni režim vode na kondenzatoru 30/35 °C. Komercijalne dizalice topline za navedene uvjete imaju faktor grijanja oko 4,5. Faktor grijanja za radnu točku B0/W55 i temperaturni režim vode na kondenzatoru 50/55 °C je značajno manji i iznosi oko 3,0. DIZALICA TOPLINE TLO-VODA Norma EN 14511
B0/W35*
B0/W55**
Učinak grijanja, kW
10,4
10,8
9,5
9,8
El. snaga, kW
2,4
2,4
3,3
3,3
Faktor grijanja
4,4
4,5
2,9
3,0
*Temperaturni režim glikolne smjese na ispariva ču: 0/-3 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru 30/35 °C **Temperaturni režim glikolne smjese na ispariva ču: 0/-3 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru 50/55 °C
14
Učinkovitost dizalice topline prema HRN EN 14511 (HRN EN 255):
Za dizalice topline koje koriste vodu kao toplinski izvor, norma HRN EN 14511 određuje radnu točku W10/W35, pri čemu je temperaturni režim vode na isparivaču: 10/5 °C, a na kondenzatoru 30/35 °C. Manja temperaturna razlika između toplinskih spremnika za posljedicu ima porast vrijednosti toplinskog množitelja koji iznosi za komercijalne dizalice topline približno 5,5. Za radnu točku W10/W55 toplinski množitelj iznosi približno 3,5. DIZALICA TOPLINE VODA-VODA Norma EN 14511
W10/W35*
W10/W55**
Učinak grijanja, kW
11,6
10,9
10,2
9,6
El. snaga, kW
2,1
1,9
3,0
2,7
Faktor grijanja
5,5
5,7
3,5
3,6
*Temperaturni režim vode na ispariva ču: 10/5 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru 30/35 °C **Temperaturni režim vode na ispariva ču: 10/5 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru 50/55 °C
15
NAČINI RADA DIZALICE TOPLINE Prema izvedbi generatora topline poznati su sljedeći načini rada dizalice topline: • Monovalentni način rada • Bivalentno-paralelni način rada • Bivalentno-alternativni način rada a) Monovalentni način rada dizalice topline Ucinak kW
Sve toplinske gubitke zgrade (toplinsko opterećenje) koji se proračunavaju prema normi HRN EN 12831 pokriva isklju čivo dizalica topline.
projektna tocka
Učinak dizalica topline se projektira prema vanjskoj projektnoj temperaturi zraka. potrebni ucinak grijanja
Geotermalne dizalice topline s podzemnom vodom ili tlom kao izvorima topline rade kao monovalentni sustavi.
DIZALICA TOPLINE
-15 °C
20 °C
ok
16
NAČINI RADA DIZALICE TOPLINE
b) Bivalentno-paralelni način rada dizalice topline
Ucinak kW
Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline je jedini izvor topline. Daljnjim padom vanjske temperature zraka (npr. -3 °C ili niže) uključuje se paralelno još jedan toplinski izvor (npr. plinski bojler). Priključenje drugog toplinskog izvora regulacija vodi prema vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom učinku grijanja.
projektna tocka potrebni ucinak grijanja
DIZALICA TOPLINE
-15 °C
-3 °C
20 °C
ok
Ovaj način rada sustava grijanja koristi se kod dizalica topline sa zrakom kao izvorom topline.
17
NAČINI RADA DIZALICE TOPLINE Ucinak kW
c) Bivalentno-alternativni način rada dizalice topline projektna tocka potrebni ucinak grijanja
DIZALICA TOPLINE 90 °C a 80 t a r v o p 70 / a z a l o 60 p a r 50 u t a r e p 40 m e T 30
-15 °C
°C °C °C
-1 °C
20 °C
P o l a z
P o v r a t
55 °C
°C
Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline je jedini izvor topline, koja ovisno o karakteristici grijanja odgovara temperaturi polaznog voda maks. 55 °C. Daljnjim padom vanjske temperature zraka ok uključuje se drugi izvor topline i on je dalje jedini u radu (npr. plinski bojler). Točka prekretanja izbora sustava grijanja u ovom primjeru iznosi -1 °C. Ovaj način rada sustava grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog režima 90/70 °C.
°C °C
20 °C -15 °C
-1 °C
20 °C
ok 18
NAČINI RADA DIZALICE TOPLINE A) alternativni način rada DT
Prema namjeni grijanje dizalicom topline može biti za grijanje prostora ili zagrijavanje PTV-a (A), te kombinirano za zagrijavanje PTV-a i grijanje prostora (B).
B) kombinirani način rada DT
19
IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE Za postrojenje dizalice topline od najve ćeg su značaja svojstva toplinskog izvora. Može se reći da je postrojenje za grijanje dizalicom topline onoliko dobro, koliko je dobar njegov toplinski izvor.
Kao niskotemperaturni toplinski spremnici koriste se voda (riječna, jezerska, morska i podzemna), zrak, otpadna toplina ili se isparivač zakopava u zemlju, pri čemu tlo predstavlja toplinski spremnik.
Na izvor topline se postavlja niz zahtjeva među kojima su najvažniji sljedeći: - toplinski izvor treba osigurati potrebnu količinu topline u svako doba i na što višoj temp. - troškovi za priključenje toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti što manji, - energija za transport topline od izvora do isparivača dizalice topline treba biti što manja.
20
Okolišnji zrak kao izvor topline
Najveći
i najpristupačniji ogrjevni spremnik topline za dizalice topline predstavlja okolišnji zrak. Loša
strana zraka kao izvora topline su varijacije njegove temperature, što znatno utječe na toplinski množitelj dizalice topline. Smanjivanjem temperature okoline smanjuje se toplinski množitelj i ogrjevni učinak dizalice topline. U većini slučajeva obavezna primjena dodatnog izvora grijanja (ekonomi čan rad do ϑok = -5 °C). Naslage leda najveće pri temperaturi zraka oko 0 °C (odle đivanje isparivača svakih 1.5 do 2 sata). Za temperaturu okoline -10 °C odleđivanje isparivača svakih 5 sati. 21
Okolišnji zrak kao izvor topline
Tpoth=50°C
Tkond=53°C
Tkomp=73°C
Primjer: dizalica topline zrak-voda s temperaturama i tlakovima radne tvari u radnoj točki A7/W50.
(pothlađenje 3°C)
Kapljevinski vod
Tlačni vod
Kondenzator TW1=45°C
TW2=50°C p=14.2 bar
p=14.2 bar
Prigušni ventil
R134a
Kompresor
p=2.6 bar
p=2.6 bar Zrak T=7°C
Usisni vod
Isparivač Tisp=-3°C
- toplinski učinak dizalice topline 10,75 kW - snaga el. uređaja (komp., vent...) 3,2 kW - toplinski množitelj 3,4 U radnoj točki A-7/W50 navedena dizalica topline ima sljedeće učinke: - topl. učinak dizalice topline 6,5 kW - snaga el. uređaja (komp., vent...) 3,1kW - toplinski množitelj 2,1
Tpr =2°C (pregrijanje 5°C)
22
Vode potoka, rijeka i jezera kao izvor topline Naselja uz potoke, rijeke i jezera, imaju izvor topline u mnogim slučajevima pristupačan i jeftin. Takve se vode mogu uobičajeno koristiti pri temperaturama većim od +4 °C. Temperature riječne i jezerske vode se najčešće kreću od +7 °C do +8 °C, pa i onda kada se vanjska temperatura spušta do 0 °C.
Kod dovoljno velikih jezera i na dovoljno velikim dubinama (oko 20 do 30 m), temperatura vode je obično preko cijele godine stalna i iznosi, ve ć prema danim uvjetima, od 5 do 15 °C.
Nedostatak ovog izvora je ograničenost njegove primjene samo na mali broj potroša ča koji leže uz rijeku ili jezero (more).
23
Podzemne vode kao izvor topline Temperatura podzemne vode iznosi u većini slučajeva od 8 do 12 °C i ovisi o dubini iz koje se voda crpi.
Razmak između
ovih bunara treba biti što je moguće veći, a po mogućnosti ne manji od 10 m. Ponorni bunar postavlja se nizvodno od crpnog bunara. Potopljena
crpka ugrađuje se obično do dubine 15 m kako bi se smanjili pogonski troškovi pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna visina bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i nečistoća. Promjer bunara je obično 220 mm ili veći. Protok pumpe za vodu proračunava se na temperaturnu razliku vode na isparivaču od 4 °C (5 °C).
Temperatura podzemne vode se tijekom cijele godine neznatno ili uopće ne mijenja te je podzemna voda najpovoljnija kao izvor topline za pogon dizalice topline. 24
Podzemne vode kao izvor topline PRIMJER: Dizalica
topline voda-voda učinka 14,4 kW (VWS 101/2) Temperatura vode 13,5 °C Temperaturni režim na međuizmjenjivaču: - primar 13,5/10 °C, - sekundar 6/10 °C Snaga potopljene dobavne pumpe 0,5 kW Dubina bunara 28 m (pumpa postavljena na dubini 22 m) Ispusna cijev u izljevnom bunaru na visini 18 m Ukupni toplinski množitelj za temp. režim ogrjevne vode 35/30 °C iznosi 5,1.
Bušenje upojnog bunara u primorskom dijelu Hrvatske 25
SOLARNA DIZALICA TOPLINE Solarna dizalica topline s izravnim isparavanjem radne tvari u solarnom kolektoru koristi Sunčevu energiju i okolišnji zrak kao izvor topline na isparivaču. Klasični kolektorski sustav - radni medij (voda) je na znatno višoj temperaturi od okolišnje i kod kojih se učinkovitost kolektora kreće između η kol = 0,4 – 0,6 Kod solarne dizalice topline u činkovitost kolektora poprima vrijednosti od 0,6 do 0,9, a može biti veća.
Toplinski množitelj ovisno o sunčanom ozračenju, temperaturi okoline, te temperaturi vode na izlazu iz kondenzatora, doseže vrijednosti od 3 do 8, pa i više.
26
SOLARNA DIZALICA TOPLINE - REZULTATI MJERENJA FSB, 23.05.2006. Mjerene veličine Temperatura isparavanja Temperatura kondenzacije Temp. vode na ulazu u kond. Izlaz iz kond. Temperatura okoline Tlak isparavanja Tlak kondenzacije Maseni protok radne tvari R134a Maseni protok vode Električna snaga kompresora Frekvencija EM kompresora Ozračenje Proračunske veličine UČINAK ISPARIVAČA Na strani radne tvari: UČINAK KONDENZATORA Na strani radne tvari:
Oznaka ϑ i ϑ K ϑ w ul ϑ w iz ok
pi pK qmRT qmw P EL f I T
Φ o
Vrijednost 16,9 46 31,6 43,1 31 5,12 11,9 66,9 0,0705 623,3 45 804,4
2881
Jedinica °C °C °C °C °C bar bar kg/h kg/s W Hz W/m2
W
Φ K
3441
W
K
3386
W
5,43 0,94
-
Φ K = qmRT(h2 – h3 )
Na strani vode: Φ K = qmw c pwΔϑ w Toplinski množitelj Učinkovitost kolektora
g
η kol
27
Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjiva ča Zemlja je kao izvor topline povoljna jer već u malim dubinama ima prilično konstantnu temperaturu (7÷13 °C na dubini 2 m). Izmjenjivač topline se u tlo može položiti u obliku snopa vodoravnih cijevi na dubini od 1,2 do 1,5 m, s međusobnim razmakom cijevi od 0,5 do 1 m, ovisno o sastavu i vrsti tla.
Promjer PE cijevi iznosi 25 ili 32 mm. Dužina jedne izmjenjivačke sekcije iznosi do 100 m Učinak: 15 do 35 W/m2
Potrebna slobodna površina je otprilike 2 ÷ 2,5 puta veća od grijane površine. Regeneracija toplinskog izvora doga đa se zahvaljujući Sunčevom zračenju,kiši ili rosi.
28
Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjiva ča Specifični učinak horizontalnog izmjenjivača u tlu ovisno o sastavu tla
Vrsta tla Suho pješčano tlo Mokro pješčano tlo Suho glinasto tlo Mokro glinasto tlo Tlo s podzemnom vodom
Specifični učinak, W/m2 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35
Primjer : Dizalica topline učinka grijanja 10,4 kW pri uvjetima koje propisuje norma B0/W35 ima učinak isparivača 8 kW (snaga kompresora 2,4 kW). Uz pretpostavku specifičnog učinka horizontalnog izmjenjivača u tlu od 25 W/m2 površina tla s kolektorskim poljem iznosi: A=Φisp/qizmj=8000/25=320 m2 Maksimalna duljina jednog kruga iznosi 100 m. Ukupna duljina cijevi: 320 m 2 x 1,5 m cijevi /m2= 480 m (PE 32x2,9 mm) 29
Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjiva ča Praktični primjer: Dizalica topline voda-voda učinka 17,3 kW (VWS 171/2) PE cijevi 32x2,9 mm položene na dubinu 1,7 m Temperaturni režim na strani glikolne smjese (-1)/3 °C
Razdjeljivač i sakupljač kolektorskog polja
Polaganje horizontalnog izmjenjivača – kolektorskog polja Krapina 30
Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjiva ča Izmjenjivač se u bušotinu ulaže na dubini od 60 do 150 m (200 m). Temperatura tla na dubini od 2 m iznosi 7 do 10 °C, a na dubini do 100 m temp. tla se kre će između 10 i 13 °C.
Parametri dizalice topline s vertikalnim bušotinama Učinak vertikalnog 20 ÷85 W/m izmjenjivača
voda+glikol
vertikalna bušotina (izmjenjivač )
ispuna
Promjer PE cijevi:
25, 32, 40 mm
Promjer bušotine
80 ÷ 152 mm
Ispuna bušotine:
smjesa bentonita i cementa
Toplinska vodljivost tla
1 ÷ 3 W/(m K)
Izmjenjivač topline (tvornički predmontiran) se u tlo polaže najčešće kao dvostruka U cijev.
31
Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjiva ča Specifični učinak vertikalnog izmjenjivača u tlu Vrsta tla u izvedbi dvostruke U cijevi (VDI 4640). Šljunak, pijesak, suh Šljunak, pijesak, provodi vodu Glina, ilovača, vlažno Vapnenac (masivni) Pješčenjak Kiseli magmatiti (npr. granit) Bazični magmatiti (npr. bazalt) Gnajs
Specifični učinak, W/m < 20 55 - 65 30 - 40 45 - 60 55 - 65 55 - 70 35 - 55 60 - 70
1,2 m 60-150 m
6m
Ugradnja izmjenjivača u tlo 32
Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjiva ča Prema European Geothermal Energy Council vodeće zemlje u primjeni dizalica topline s bušotinskim izmjenjivačima topline su (podaci vrijede za 2008.): Austrija - 48.000 Francuska - 122.000 Njemačka - 150.000 Švedska - 320.000
Jedno od najvećih polja vertikalnih bušotina u Europi nalazi se u Norveškoj (180 bušotina, svaka dubine 200 m). 33
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVA ČEM TOPLINE s toplinskom sondom dubine 100 m na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveu čilišta u Zagrebu
U suradnji s tvrtkom FIL.B.IS. Hidro-Geo koja sudjeluje u realizaciji znanstvenog projekta koji se provodi uz potporu Ministarstva znanosti, obrazovanja i športa pod nazivom Korištenje tla kao obnovljivog toplinskog spremnika , u neposrednoj blizini Laboratorija za toplinu i toplinske uređaje izvedena je bušotina promjera 152 mm, dubine 100 m.
Bušenje je provedeno primjenom zaštitnih kolona promjera 152 mm i dužine 1,5 m.
Bušenje u zaštitnoj koloni 34
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVA ČEM TOPLINE Ugradnja vertikalnog izmjenjiva ča – toplinske sonde
Toplinska sonda s utegom
3
Poprečni presjek bušotine
3 2 4
2
32 115 152 mm
1 - uteg 2 - U cijev
1
3 - obujmica 4 - ispuna
U bušotinu je postavljena sonda - izmjenjivač topline u obliku dvostruke U cijevi.
Dvostruka U cijev izvedena je iz polietilena visoke gustoće PE 100 i promjera je 32mm. 35
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVA ČEM TOPLINE Tlačna proba i ugradnja sondi
Prije polaganja sonde u bušotinu provedena je tla čna proba dvostruke U cijevi s vodom tlaka 6 bara u trajanju dva sata. Uz izmjenjivač topline u bušotinu su vlastitom tehnologijom položeni i temperaturni osjetnici, koji omogućuju mjerenje temperature tla na različitim dubinama: od 1,5 m do 100 m. U bušotinu je ugrađeno 15 termopara tipa K, ukupne duljine 700 m.
36
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVA ČEM TOPLINE Cementiranje bušotine Bušotina je zapunjena specijalnom smjesom bentonita i cementa dobre toplinske vodljivosti, λ = 2,0 W/(m K)
Gustoća smjese za cementiranje je 1460 kg/m3, a dobiva se tako da se na 810 kg punila dozira 610 litara vode u specijalnoj pumpi s mješalicom
37
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVA ČEM TOPLINE Spajanje toplinske sonde s dizalicom topline
Dizalica topline voda-zrak (Carrier RHE 036) postavljena je unutar laboratorija i spojena na izmjenjivač topline u bušotini. Koristeći tlo kao toplinski spremnik dizalica topline ima mogućnost rada u režimu hlađenja i režimu grijanja
38
REZULTATI MJERENJA - Stratifikacija temperature tla po visini bušotine Temperatura tla, °C 10
11
12
13
14
15
Geotermalni gradijent: 16
17
0 10 m , ) a r a p o m r e t a j i c i z o p ( a n i b u D
20 30 40 50 60 70 80 90
03. travnja 2009. 22. travnja 2009. 13. svibnja 2009.
Na dubini 1,5 i 5 metara primjetan je utjecaj okolišnje temperature na temperaturu tla. Od 10 do 50 metara temperatura tla pada, da bi nakon 50 metara dubine, temperatura rasla sve do 100 m. Temperatura tla na dubini 100 m je 15,2°C. .
100 39
REZULTATI MJERENJA – Test toplinskog odziva tla
Nakon potpune temperaturne stabilizacije tla, a prije početka eksploatacije sustava, proveden je višednevni test s narinutim konstantnim toplinskim tokom, tzv. test toplinskog odziva (engl. thermal response test ). Test je proveden u vremenu od 92 sata s toplinskim optere ćenjem 4 kW.
Prema rezultatima mjerenja prora čunata je prosječna vrijednost toplinske vodljivosti tla duž bušotine dubine 100 m na lokaciji FSB-a, Ivana Lu čića 5, u iznosu od = 1,70 W/(m K) .
Toplinski otpor bušotine iznosi Rb = 0,073 (K m)/W
40
REZULTATI MJERENJA – Učinak izmjenjiva ča u tlu 8
Primjetan je znatan pad učinka dvostruke U cijevu u tlu u prvome danu rada uređaja, od početnih 7,9 kW do učinka izmjenjivača od 5,5 kW nakon 24 sata. Nakon 72 sata rada uređaja u režimu grijanja učinak izmjenjiva ča u tlu iznosio je 5,1 kW.
FSB, 11.01.2010.; 12.00 sati
W k , u7 l t u e n i l p o t a č6 a v i j n e j m z i k5 a n i č
U 4 0
4
8
12
16
20
24
15 14 Temperatura tla po visini bušotine, FSB 11.01.2010. 13 12 56 60 64 68 72 28 32 36 40 44 48 52 11 Vrijeme, h 10 C ° 9 , a r u 8 t a r e 7 p m e 6 T 5 4 3 2 1 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Tok, °C 10 m 5m 50 m 40 m 1,5 m 20 m 30 m 85 m 70 m 100 m; T, °C
52
56
60
Vrijeme, h
64 68 41
72
REZULTATI MJERENJA – Razdioba temperature tla uzduž bušotine
1
2
3
Temperatua tla, °C 4 5 6 7 8
0
5,71 5,86
10
m , ) a r a p o m r e t a j i c i z o p ( a n i b u D
9 10 11
6,70
10,67 10,72
5,83
20
3,83
30
3,67
7,53
Na slici su dani primjeri rezultata mjerenja temperature tla po visini bušotine za vrijeme eksploatacije bušotine. Rezultati su dani za jedan karakterističan dan (22. ožujka 2010.), s uključivanjem uređaja u 07.00 sati i isključivanjem uređaja u 20.00 sati iz rada.
7,33
Mjerene veličine 40
4,08
50
7,63
4,66
8,49
60 70
3,02
7,35
07.00 sati
20.00 sati
Temp. glikolne smjese – POLAZ, °C
3,59
-1,80
Temp. glikolne smjese – POVRAT, °C
7,79
1,46
Temperatura grijanog prostora, °C
19,70
22,42
Temperatura okoline, °C
12,48
11,27
Učinak izmjenjiva ča u tlu, kW
6,10
4,66
El. El. snaga kompresora, kW
1,77
1,63
Učinak kondenzatora, kW
7,87
6,29
Toplinski mno žitelj, -
4,45
3,86
Učinci
80 3,07
7,58
90 100
Vrijednost parametra
1,80
7,65
22. ožujka 2010.; 07.00 sati 22. ožujka 2010.; 20.00 sati
42
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE Primjer proračuna ekonomske analize razli čitih sustava grijanja obiteljske ku će, A= 400 m2 Analiza ekonomske isplativosti razli čitih izvora toplinske energije provedena je na primjeru obiteljske ku će grijane površine 400 m2, snage grijanja 18 kW. Procijenjena specifična godišnja potrebna toplinska energija za grijanje je 80 kWh/(m2 god), što znači da je potrebna toplinska energija za grijanje obiteljske kuće 32.000 kWh/god. Na temelju maloprodajne cijene termotehničke opreme i cijene izvedbe pojedinih termotehničkih sustava za grijanje procijenjeni su investicijski troškovi različitih sustava grijanja. Godišnji stupanj djelovanja plinskog bojlera uzet je 0,80, dok je godišnji stupanj djelovanja uljnog kotla procijenjen na 0,75. Za sustave s dizalicom topline tlo-voda i voda-voda s crpnim i ponornim bunarima pretpostavljen je niskotemperaturni panelni i podni sustav grijanja s temperaturnim režimom 35/30 °C. Godišnji faktor grijanja dizalice topline tlo-voda iznosi 3,5, dok je godišnji faktor grijanja dizalice topline voda-voda 4,3. Plinski i uljni sustav pretpostavljaju centralno radijatorsko grijanje, te dio podnog grijanja.
43
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE
ENERGETSKA ANALIZA Godišnja potrebna toplinska energija za grijanje, kWh Stupanj djelovanja/faktor grijanja Efektivna potreba za energijom, kWh Emisija CO2 Utrošak energenta EKONOMSKA ANALIZA Investicija, kn Faktor anuiteta Trošak kapitala, kn/god Cijena energenta, kn/jed mjeri Cijena energenta, kn/kWh Pogonski troškovi, kn/god Odr žavanje, kn/god Troškovi kapitala i pogona, kn/god Troškovi kroz 15 godina, kn
Plin
Ulje
Dizalica topline tlo-voda
Dizalica topline voda-voda
32.000
32.000
32.000
32.000
0,8 40.000 8.000 3440 m3
0,75 42.667 11.093 3190 lit
3,5 9.143 4.846 9.143 kWh el.en.
4,3 7.442 3.944 7.442 kWh el.en.
80.000,00 0,100 7.970,00 2,87 0,386 15.420,00 1.500,00 24.890,00 373.353,00
72.000,00 0,100 7.173,00 4,74 0,63 26.877,00 2.000,00 36.050,00 540.745,00
195.000,00 0,100 19.427,00 0,64/0,32 0,64/0,32 7.093,00 1.000,00 27.520,00 412.804,00
155.000,00 0,100 15.442,00 0,64/0,32 0,64/0,32 6.114,00 1.500,00 23.055,00 345.832,00
Obiteljska kuća: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr = 80 kWh/(m2 god), Φ gr = 18 kW 44
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE INVESTICIJSKI I POGONSKI TROŠKOVI ULJE
35000 30000 25000
Trošak kapitala Pogonski troškovi
Dizalica topline tlo-voda
PLIN
Dizalica topline voda-voda
d20000 o g / n k 15000 10000 5000 0
= 0,80
= 0,75
gr
= 3,5
gr
= 4,3
Obiteljska kuća: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr = 80 kWh/(m2 god), Φ gr = 18 kW 45
Usporedba kompresijske i apsorpcijske dizalice topline Usporedba kompresijske i apsorpcijske dizalice topline promatrajući lanac pretvorbe energije od primarne do korisne energije (primarni energent plin).
Izvor: O. Fabris, Kompresijske ili apsorpcijske dizalice topline, Klima forum 2009, Zadar
46
ZAKLJUČAK Dizalice topline smatraju se visokoučinkovitim sustavima za proizvodnju toplinske energije. Primjenjuju se u svim veličinama, od onih najmanjih za grijanje stanova, pa sve do sustava koji služe za grijanje čitavih naselja.
Koriste se za niskotemperaturne sustave grijanja - optimalan rad dizalice topline s temperaturom polazne vode s kondenzatora do 55 °C (zagrijavanje PTV-a), do 35 °C površinsko grijanje (pretežito novih građevina).
U Hrvatskoj su u posljednje dvije godine izvedene prve dizalice topline tlo-voda s izmjenjivačima topline u vertikalnim bušotinama dubine 100 m.
Pogonski troškovi su u odnosu na sustave konvencionalnog grijanja zna čajno niži dok su investicijski troškovi zna čajno viši.
Primjenjuju
se za grijanje i hlađenje obiteljskih kuća, stambenih naselja, poslovnih jedinica, sportskih kompleksa, škola, vrtića, bolnica.
Planirani poticaji za primjenu dizalica topline, pomoći će široj primjeni ove tehnologije u Hrvatskoj.
47
Veleučilište u Slavonskom Brodu
Program izobrazbe za stručno osposobljavanje i obvezno usavršavanje osoba koje provode energetske preglede i/ili energetsko certificiranje zgrada s jednostavnim tehničkim sustavom MODUL 2
Norma HRN EN 15316-4-2: Sustavi grijanja u zgradama Metoda proračuna energijskih zahtjeva i u činkovitosti sustava Dio 4-2: Sustavi za proizvodnju topline, sustavi dizalice topline Doc.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu
Slavonski Brod, 30. listopada 2010. 48
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Norma HRN EN 15316-4-2: Sustavi grijanja u zgradama – Metoda proračuna energijskih zahtjeva i učinkovitosti sustava – Dio 4-2: Sustavi za proizvodnju topline, sustavi dizalice topline Norma daje metode proračuna pogonske energije i učinkovitosti (godišnjeg toplinskog množitelja-SPF) dizalica topline koje se koriste u sustavima grijanja prostora, dizalica topline za zagrijavanje potrošne tople vode, te dizalica topline koje se koriste kombinirano za grijanje prostora i za zagrijavanje PTV-a. Odnosi se na proračun sljedećih tipova dizalica topline: - parne kompresijske dizalice topline s električnim pogonom, - parne kompresijske dizalice topline pogonjene motorom s unutrašnjim izgaranjem, - parne apsorpcijske dizalice topline pogonjene toplinskom energijom. Norma opisuje proračun: - pogonske energije generatora topline-dizalice topline (el. energija, ulje, plin, otpadna toplina) za pokrivanje godišnjih potreba toplinske energije podsustava razvoda za grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a - toplinskih gubitaka generatora topline - iskoristivih toplinskih gubitaka generatora topline - pomoćne energije za pogon pomo ćnih elemenata podsustava (pumpe, ventilatori, regulacija).
49
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Norma HRN EN 15316-4-2 Energetska bilanca generatora topline (el. dizalica topline + pom. grijač) glasi: - grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a E HW,gen,in = QHW,gen,out
+ QHW,gen,ls − QHW,gen,in − k gen,aux,ls,rvdW HW,gen,aux , [kWh]
E HW,gen,in – utrošena el. energija za pogon podsustava razvoda, kWh QHW,gen,out – potrebna topl. energija za podsustav razvoda, kWh QHW,gen,ls – topl. gubici generatora topline, kWh QHW,gen,in – topl. energija toplinskog izvora dizalice topline, kWh k gen,aux,ls,rvd – udio iskorištene pomoćne energije, W HW,gen,aux – utrošena pomoćna energija za pogon generatora topline (pumpe, ventilatori, regulacija), kWh
50
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Norma obuhvaća dvije proračunske metode: - pojednostavljenu metodu temeljenu na tabličnim vrijednostima - detaljni postupak proračuna energije za pogon uređaja i SPF-a (bin metoda) Pojednostavljena metoda koristi tablične izraze za godišnji toplinski množitelj temeljene na rezultatima ispitivanja za standardne ispitne uvjete prema HRN EN 14 511, za fiksne razrede dizalica topline. Dopušta primjenu nacionalnih metoda i zahtjeva nacionalni aneks normi. Od dvije ponuđene metode odabire se BIN metoda. DETALJAN POSTUPAK PRORA ČUNA - bin metoda Metoda uz rezultate ispitivanja za standardne ispitne uvjete prema HRN EN 14511, uzima u prora čun specifične radne uvjete za svaku individualnu instalaciju. Proračun prema bin metodi podrazumijeva podjelu sezone grijanja na temperaturne intervale (razrede). Za određivanje trajanja pojedinih temperaturnih intervala koriste se ulazni podaci o satnoj vanjskoj temperaturi zraka (ispitne referentne godine) za promatranu geografsku lokaciju.
51
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Norma HRN EN 15316-4-2 - DETALJAN POSTUPAK PRORA ČUNA (bin metoda) ULAZNI PODACI: Meteorološki podaci: - učestalost pojave vanjske temperature zraka s korakom od 1 °C ili prosje čne satne temp. zraka - vanjska i unutarnja projektna temperatura zraka Režim grijanja prostora: - tip, izvedba i način rada dizalice topline, način upravljanja dizalicom topline (uključenoisključeno, frekvencijska regulacija, stupnjevana) - godišnja potrebna toplinska energija podsustava razvoda grijanja (HRN EN 15316-2-3) - učinak dizalice topline - učinak dizalice topline pri parcijalnom opterećenju prema CEN/TS 14825 (opcijski) - krivulja grijanja, temperaturni režim u projektnoj točci, granična vanjska temperatura za grijanje - učinak i toplinski množitelj dizalice topline pri standardnim ispitnim uvjetima (HRN EN 145111, el. kompresijske DT) i maksimalna temperatura polazne vode (do 55 °C), učinak kod parcijalnog opt. - izvedba sustava grijanja: instalacija pomoćnog grijača, učinak, efikasnost, instalacija međuspremnika, gubici, temperaturni režim - snaga pomoćnih komponenti (pumpe izvora i ponora topline, pumpe spremnika) 52
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Norma HRN EN 15316-4-2; DETALJAN POSTUPAK PRORA ČUNA (bin metoda) ULAZNI PODACI: Režim zagrijavanja PTV-a: - potrebna toplinska energija podsustava razvoda PTV-a (HRN EN 15316-3-2) - temperaturni zahtjevi: temperatura napojne vode (15 °C), projektna temp. PTV-a (60 °C) - učinak i toplinski množitelj dizalice topline za zagrijavanje PTV-a pri standardnim ispitnim uvjetima (HRN EN 255-3, el. kompresijske DT) i maksimalna temperatura polazne vode (do 55 °C), učinak kod parcijalnog opterećenja - temperaturni parametri spremnika PTV-a i gubici - instalacija pomoćnog grijača, učinak, efikasnost
Postupak proračuna provodi se u deset koraka.
53
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima Valorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad Zagreb Ulazni podaci o vanjskoj temperaturi zraka su svrstani u temperaturne razrede s korakom 1 K, po čevši s prosječnom minimalnom vanjskom temperaturom zraka. 400 K 1 u 350 l a v r e t n 300 i u . p m 250 e t e k s j n 200 a v a j n a 150 v i j l v a j o 100 p i t a s j 50 o r B
Godišnja uč estalost (frekvencija) pojavljivanja vanjske temperature zraka za grad Zagreb
0 -9 -7 -5 -3 -1 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Vanjska temperatura zraka, °C 54
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima Učestalost pojavljivanja vanjske temperature i stupanj sati grijanja za pojedini razred ra čunaju se prema sljedećim izrazima: Kumulativni broj sati pojavljivanja vanjske temperature u razredima j do k , N k k
N k
= ∑ N j j=1
N j j k
- broj sati pojavljivanja vanjske temperature zraka u razredu (binu) j - broj trenutnog razreda - broj razreda s temperaturnim korakom 1 K
Stupanj sati grijanja za razred j , DH j DH j
ϑ i,des – unutarnja projektna temp.,
°C ϑ e,j – vanjska temp. za razred j , °C
= N j ϑ i,des − ϑ e, j , [°Ch]
Kumulativno broj stupanj sati grijanja do razreda k , DHk k
DH k
= ∑ DH j , [°Ch] j=1
55
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima Valorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad Zagreb Razred (bin)
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
N j (h) 32 32 39 54 51 96 108 167 199 210 221 269 282 278 297 299 264 297 299 333 292
Nk (h) 32 64 103 157 208 304 412 579 778 988 1209 1478 1760 2038 2335 2634 2898 3195 3494 3827 4119
DH j 20/15 (°Ch) DHk 20/15 (°Ch) 928 928 896 1824 1053 2877 1404 4281 1275 5556 2304 7860 2484 10344 3674 14018 4179 18197 4200 22397 4199 26596 4842 31438 4794 36232 4448 40680 4455 45135 4186 49321 3432 52753 3564 56317 3289 59606 3330 62936 2628 65564 56
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima Valorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad Zagreb Razred (bin)
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
N j (h) 338 339 320 314 373 373 356 383 349 303 253 218 189 138 123 84 64 53 45 23 3 8760
Nk (h) 4457 4796 5116 5430 5803 6176 6532 6915 7264 7567 7820 8038 8227 8365 8487 8572 8636 8689 8734 8757 8760
DH j 20/15 (°Ch) DHk 20/15 (°Ch) 2704 68268 2373 70641 1920 72561 1570 74131 1492 75623 1119 76742 712 77454 383 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 0 77837 57
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima Potrebe sustava grijanja u razredu j računaju se preko težinskog faktora k Hj: k H, j
=
DH G ,gr , j − DH D ,gr , j
DHuk
Q = H,gen,out, j , [- ] QH,gen,out
Potrebe za zagrijanjem PTV-a u razredu j računaju se preko težinskog faktora k Wj: k W, j
=
t j t uk
=
Q W,gen,out, j , [-] Q W,gen,out
k H,j – težinski faktor dizalice topline u režimu grijanja prostora za razred j DH G,gr,j – kumulativni broj stupanj sati grijanja do gornje temp. granice razreda j, °Ch DH D,gr,j – kumulativni broj stupanj sati grijanja do donje temp. granice razreda j, °Ch DH uk – ukupni kumulativni broj stupanj sati grijanja do gornje grani čne temp. grijanja prostora, °Ch QH,gen,out – godišnja potrebna topl. energija podsustava razvoda grijanja, kWh QH,gen,out,j – potrebna topl. energija podsustava razvoda grijanja za razred j , kWh k W,j – težinski faktor dizalice topline u režimu zagrijavanja PTV-a za razred j
t j – vrijeme razreda j, h tuk – ukupno vrijeme rada sustava za zagrijavanje PTV-a, h (max. 8760 h) QW,gen,out – potrebna topl. energija za zagrijavanje PTV-a, kWh QW,gen,out,j – potrebna topl. energija za zagrijavanje PTV-a u razredu j, kWh
58
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale – binove (3÷5) i određivanje energetskih potreba po binovima h , i t a s j o r b i n v i t a l u m u K
Projektna unutarnja temp.
DT - dizalica topline PG - pomoæni grijaè RT - radna toèka bina
Granièna temp. grijanja
Br. bin-a Bin 1 Bin 2 Bin 3 Bin 4 Radna točka, °C -7 2 7 20 -10 -2 4 15 ϑD, °C -2 4 15 32 ϑG, °C Broj sati intervala, h Stupanj sati gr ., °Ch Težinski faktor, GR Težinski faktor, PTV
ϑ3G ϑ 3 RT3
DT3
ϑ 3D RT2
Balansna temp.
Projektna vanjska temp.
RT1 PG
DT2
DT1
Tok, C Kumulativna godišnja frekvencija vanjske temperature za paralelni režim rada pomo ć nog grijač a, primjer s tri temperaturna intervala-bina za grijanje prostora 59
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 5
2. korak: Utjecaj temp. toplinskog izvora i toplinskog ponora na učinak i COP DT 4 Neophodni podaci za proračun dizalice topline P O C , su standardni podaci u više radnih točaka o j a n a 3 j učinku i COP prema normi HRN EN 14511. i r g
Dizalica topline zrak-voda pol = 35 °C pol = 45 °C
r o t k a F
2
Dizalica topline zrak-voda
16
W k , e n i l p o 14 t e c i l a z i d a 12 j n a j i r g k a 10 n i
1 -8
-6
-4
č
8 -4
-2
0
2
4
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
∪ pol = 35 °C
U
-6
0
Temperatura okoline, °C
∪ pol = 45 °C
-8
-2
6
8
10
Temperatura okoline, °C
12
14
16
18
20
Radna točka A-7/W35 A2/W35 A7/W35 A20/W35 A-7/W45 A2/W45 A7/W45 A20/W45
Učinak, kW 8,7 10,6 12,7 15,8 9,1 11 13,2 16,1
COP, 3 3,5 4 4,9 2,55 3 3,4 4,1 60
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE Primjer krivulje grijanja radijatorskog grijanja (polaz 55 °C) i podnog grijanja (polaz 35 °C) iz Priloga B. 60
Krivulja grijanja
55 C ° , a j n 50 a j i r g 45 a v a t s 40 u s a z 35 a l o p . p 30 m e T
radijatorsko grijanje
podno grijanje
25 20 -10
-5
0
5
10
15
20
Temperatura okoline, °C
61
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 2. korak: Utjecaj temperatura toplinskog izvora i toplinskog ponora na u činak i COP dizalice topline Interpolacija učinka dizalice topline i toplinskog množitelja u uvjetima različitih od standardnih u režimu grijanja, režimu zagrijavanja PTV-a, te kombinirano. - temperatura polaza ogrjevnog medija određuje se prema karakteristici krivulje grijanja - temperatura izvora topline ovisna je o vrsti izvora topline. Npr. temperatura glikolne smjese na izlazu iz izmjenjivača položenom u tlo određuje se prema izrazu danom u normi ili nacionalnom aneksu. - temperaturni režim grijanja (temp. režim na kondenzatoru) u radnim uvjetima razlikuje se od standardnog temperaturnog režima, a time i protočna masa vode kao ogrjevnog medija . Proračun COP za temperaturni režim na kondenzatoru razli čit od standardnog: ⎡ ⎤ Δϑ standard − Δϑ opr ⎢ ⎥ 2 ⎥ , [-] COP Δϑ = COP standard ⎢1 − Δ ϑ ⎧ ⎫ ⎢ standard + Δϑ sk − (T sc − Δϑ sc )⎬ ⎥⎥ ⎢⎣ ⎨⎩Tsk − 2 ⎭⎦ Srednja temp. razlika na isparivaču i kondenzatoru dizalice topline: Δϑsc = Δϑsk = 4 °C (voda-glikol/radna tvar) Δϑsc = Δϑsk= 15 °C (zrak/radna tvar) 62
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 4. korak: Gubici međuspremnika i spremnika PTV-a integriranih u sustav grijanja Norma zanemaruje toplinske gubitke kroz plašt same dizalice topline, ako dizalica topline ne sadrži spremnik. Toplinski gubici spremnika PTV-a ili međuspremnika sustava grijanja QHW,st,ls,j u razredu j računaju se preko srednje temperature spremnika: ϑ HW,st,av, j − ϑ HW ,st ,amb, j Qst,sby ⋅ t j ⋅ QHW,st,ls, j = , [kWh ] Δϑ st,sby 24 ϑ H,st,avg,j – srednja temperatura spremnika, °C ϑ H,st,amb,j – temperatura prostorije sa spremnikom, °C Δϑ st,aby – temperaturna razlika uslijed pripravnosti spremnika pri ispitnim uvjetima, °C Qst,sby – gubici pripravnosti spremnika, kWh/d
Toplinski gubici cjevovoda ogrjevnog medija od dizalice topline do spremnika ra čunaju se prema normi HRN EN 15316-2(3)-3. QHW,pi,ls, j
= U ljL j (ϑ m − ϑ i )t HW,hp [kWh] 63
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 4. korak: Gubici međuspremnika i spremnika PTV-a integriranih u sustav grijanja Maksimalni gubici pripravnosti spremnika PTV-a ili međuspremnika, Qst,sby dani su za prosječnu temperaturu vode u spremniku 65 °C i temperaturu okolnog prostora 20 °C (Prilog B).
64
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 5. korak: Proračun energije pomoćnog izvora topline za grijanje i PTV. Pomoćni izvor topline koristi se u slučaju kada: - dolazi do pada učinka dizalice topline (pri nižim okolišnjim temperaturama) - dizalica topline ne osigurava projektu temperaturu polaznog voda. U većini slučajeva do 55 °C dizalica topline za potrebe grijanja osigurava temperaturu polaznog voda. Faktor udjela rada pomoćnog grijača za zagrijavanje PTV-a računa se prema sljedećem izrazu: k W,bu,opr, j
=
ϑ w,out − ϑ hp ,opr (ϑ w,out − ϑ w ,in )
ϑ w,out – temperatura polaza sustava grijanja, °C ϑ hp,opr – temperatura polaza dizalice topline, °C ϑ w,in – temperatura hladne vode, °C
Faktor udjela rada pomoćnog grijača za grijanje prostora računa se prema sljedećem izrazu (paralelni režim rada grijača): Abu , j DHH,bal − (ϑ i ,des − ϑ bal )N ϑ bal = k H,bu, j = , [-] DHG,gr, j A j 65
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 6. korak: Proračun vremena rada tri različita režima grijanja - GR, PTV, GR/PTV Dizalica topline može raditi u režimu grijanja prostora, režimu zagrijavanja PTV-a i kombinirano u režimu grijanja prostora i zagrijavanja PTV-a. Vrijeme rada dizalice topline ovisi o učinku dizalice topline za zadane radne uvjete i potrebnoj toplinskoj energiji podsustava razvoda. Načelno vrijeme rada dizalice topline Qhp, j = t , [h] u razredu j računa se iz sljedećeg izraza: hp,on, j
Φ hp, j
7. korak: Pomoćna energija toplinskog izvora i toplinskog ponora Pomoćna energija računa se iz sljedećeg izraza: W gen,aux
= ∑ P gen,aux,k ⋅ t gen,aux,k , kWh k
W HW,gen,aux – ukupna pomoćna energija, kWh P gen,aux,k – električna snaga pomoćne komponente k , kW tgen,aux,on,k – vrijeme rada pomoćne komponente (pumpe, ventilatora), h
Vrijeme rada cirkulacijske pumpe izvora topline je vrijeme rada dizalice topline. Također kod sustava s međuspremnikom, pumpa ogrjevnog medija je vezana s radom dizalice topline. 66
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 8. korak: Ukupni toplinski gubici generatora podsustava i iskoristivi toplinski gubici Kod mehaničkih pomoćnih uređaja (pumpe i ventilatori) gdje se toplinski gubici predaju cirkulacijskom mediju, gubici na okolinu se računaju s koeficijentom udjela k gen,aux,ls = 0,2 (za regulacijske uređaje k gen,aux,ls = 1) :
Qgen,aux,ls,k, j
= W gen,aux,k, j ⋅ k gen,aux,ls,k , kWh
Ukupni toplinski gubici generatora topline ra čunaju se sljedećom jednadžbom:
QHW,gen,aux,ls,tot, j
= QHW,gen,ls, j + QHW,gen,aux,ls, j = ∑ Qgen,ls,k, j + QHW,gen,aux,ls, j , kWh
Pretpostavlja se da su dizalica topline, spremnici i pomo ćne komponente instalirane izvan grijanog prostora, što znači da je redukcijski temperaturni faktor bgen = bgen,aux = 1
67
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 9. korak: Proračun električne energije za pogon generatora podsustava Električna energija za pogon dizalice topline za grijanje prostora: QH,hp,sngl, j QH,hp,combi, j E H,gen,in, j = + , [kWh] COPH,sngl, j COPH,combi, j Električna energija za pogon dizalice topline za zagrijavanje PTV-a: E W,hp,in, j
=
QW,gen,out,sngl, j
COPt,sngl, j
+ P es,snglt W,sngl,tot, j +
QW,gen,out,combi, j
COPt,combi, j
+ P es,combit W,combi,tot, j , [kWh]
Električna energija za pogon pomoćnog grijača: E HW,bu,in, j
=
(QH,gen,out, j + QH,gen,ls, j η H,bu
⋅ k H,bu, j
+
(QW,gen,out, j + QW,gen,ls, j η W,bu
⋅ k W,bu, j
, [kWh ]
68
PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I U ČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE 10. korak: Rezultati proračuna – Izlazni podaci Ukupno isporučena električna energija generatoru topline: E HW,gen,in
= E H,hp,in + E W,hp,in + E HW,bu,in + W HW,gen,aux , [kWh ]
Godišnji toplinski množitelj generatora topline: SPF HW,gen
=
QH,gen,out + Q W,gen,out , [-] (EHW,gen,in + WHW,gen,aux )
Godišnji toplinski množitelj dizalice topline : SPF HW,gen
=
QH,gen,out + QH,gen,ls + Q W,gen,out + Q W,gen,ls − QHW,bu , [-] (EHW,hp,in + WHW,gen,sc + Wgen,aux,sby )
69
PRORAČUN DIZALICE TOPLINE ZRAK-VODA PRIMJER: Proračun godišnjeg toplinskog množitelja i privedene električne energije za pogon dizalice topline za zagrijavanje obiteljske ku će Proračun je napravljen za: - niskoenergetsku kuću: godišnja potrebna top. energija za grijanje 7.375 kWh (27,4 kWh/m 2a) - prosječnu kuću: godišnja potrebna toplinska energija za grijanje 46.909 kWh/a (175 kWh/m 2a). Parametri kuće: - broj etaža 3 - visina etaže 3 m - korisna površina 268,5 m2 - oplošje 640 m2 - obujam grijanog dijela zgrade 870 m3 - udio prozora 0,2 m 3
m 2 1
m 3
10 m 70
PRORAČUN DIZALICE TOPLINE ZRAK-VODA Ulazni podaci:
Parametar
Niskoenergetska kuća
Zagreb Meteorološki podaci zrak-voda Vrsta dizalice topline GRIJANJE podno gr. 35/30 °C 10,6 Učinak dizalice topline (A2/W35), kW -10 Vanjska projektna temperatura, °C 8.070 Potrebna top. en. podsustava razvoda, kWh/a 20 Unutarnja projektna temperatura, °C -10/35; +7/28,3 Krivulja grijanja podnog grijanja, °C 15 Granična vanjska temperatura grijanja, °C -4 Balansna točka dizalice topline, °C paralelni Režim rada pomoćnog grijača PTV 8475 Potrebna topl. en. podsustava razvoda ,kWh/a 15 Temperatura hladne vode, °C Prosječna temp. PTV-a na izlazu iz 55 spremnika, °C 750 Volumen spremnika, l 15 Temperatura prostorije spremnika, °C DODATNI PODACI 45 Pumpa spremnika PTV-a, W 12 Regulacija, W
Prosječna kuća
Zagreb zrak-voda rad. gr. 55/45°C 21,1 -10 53.922 20 -10/55; +7/39,4 15 -4 paralelni 8292 15 55 750 15 45 20 71
PRORAČUN DIZALICE TOPLINE ZRAK-VODA Rezultati proračuna Niskoenergetska kuća Prosječna kuća Parametar - podno grijanje - radijatorsko grijanje 18.847 El. en. dovedena dizalici topline, GR, kWh/a 2.072 3.410 El. en. dovedena dizalici topline, PTV, kWh/a 3.063 394 El. en. pomoćnog grijača, kWh/a 61 136 Ukupna pomoćna energija (pumpa, regulacija), kWh/a 119 22.787 Ukupno isporučena el. en., kWh/a 5.314 877 Ukupni toplinski gubici generatora topline, kWh/a 847 0 Iskoristivi toplinski gubici pomoćnih uređaja, kWh/a 0 40.316 Toplinska energija izvora topline, kWh/a 12.103 63.361 Ukupno isporučena topl.en., kWh/a 17.359 2,73 3,11 God. topl. množitelj generatora topline (GR+PTV+el.gr.) 2,80 God. topl. množitelj dizalice topline (GR+PTV) 3,30 2,82 God. topl. množitelj dizalice topline (GR) 3,71 2,55 God. topl. množitelj dizalice topline (PTV) 2,90 72
