05 Geotermalna Handbook

Prirunik

Zvonimir Guzovi

Geotermalna energija i dizalice topline

Ovaj projekt financira Europska unija

Ova publikacija izraena je uz pomo Europske unije. Za sadraj ove publikacije odgovorna je Srednja kola Oroslavje i ne odraava stavove Europske unije.

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije Project financed by the European Union IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables Projekt je financiran sredstvima Europske unije IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO Nositelj projekta: Srednja kola Oroslavje Partneri na projektu: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Grad Oroslavje Struni suradnici: Darko Cobovi, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing. Damir ukman, dipl. ing.

Autor: Prof. dr. sc. Zvonimir Guzovi Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveuilita u Zagrebu Suautor: Doc. dr. sc. Vladimir Soldo [FSB, Zagreb] velika hvala na volonterskom radu pri izradi nastavnih materijala Izdava: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Srednja kola Oroslavje Tehniki urednik: Mario Lesar, graf. ing. Dizajn i promocija: Culmena d.o.o. Web adresa: www.ipa-oie.com

Sadraj1. Uvod 1.1 1.2 1.3 1.4..............................................................................................

3 3 4 6 6

Geologija Zemlje i geotermalna energija Tipovi geotermalnih leita Klasifikacija geotermalnih izvora

.................................................

................................................................ ......................................................... .................................

Svjetski resursi i na ini koritenja geotermalne energije

2. Tipovi geotermalnih elektrana 2.1 2.2

............................................................... ...................................

10 10 12 14 14 16 19 20 21 21 22 23 25 26 27 27

Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem Geotermalne elektrane s binarnim ciklusom

............................................

3. Dizalice topline 3.1 3.2 3.3 3.4

................................................................................. ...........................................................

Op enito o dizalicama topline Princip rada dizalica topline

............................................................. ..........................................

Split klima ure aj za hla enje i grijanje zraka Radne tvari kompresijskih dizalica topline 3.4.1 Sinteti ke radne tvari 3.4.2 Utjecaj radnih tvari na okoli

.............................................

............................................................... ...................................................... ..............................

3.4.3 Radne tvari i njihove ekoloki prihvatljive zamjene 3.5 3.6 3.7 3.8 Na ini rada dizalice topline Dizalica topline za zagrijavanje PTV-a Apsorpcijske dizalice topline Izvori topline za toplinske dizalice

.............................................................. .................................................

............................................................ ...................................................... ....................................................

3.8.1 Okolini zrak kao izvor topline

3.8.2 Direktno sun evo zra enje kao izvor topline za dizalicu topline Solarna dizalica topline .................................................. 30 3.8.3 Vode potoka, rijeka, jezera i mora kao izvor topline 3.8.4 Podzemne vode kao izvor topline 3.8.5 Tlo kao izvor topline Literatura.............................

31 32 33 36

.................................................

...............................................................

..........................................................................................

Zvonimir Guzovi, Vladimir Soldo: Geotermalna energija i dizalice topline [Prirunik]

3

1. Uvod1.1 Geologija Zemlje i geotermalna energijaRije geotermalna dolazi od gr kih rije i gea (zemlja) i therme (toplina). U biti to je rezidualna (preostala) toplinska energija u Zemlji, nastala tijekom geolokih procesa prije 4,5 bilijuna godina. Ve ina te topline nastaje polaganim raspadanjem radioaktivnih izotopa koji se nalaze u Zemljinoj unutranjosti. Sadrana je, kako u vrstim stijenama tako i u unutarnjim fluidima, koji popunjavaju upljine i procijepe unutar stijena u Zemljinoj unutranjosti. Snaga kondukcijskog toka iz Zemljine unutranjosti je 42 1012 W, a procjenjuje se da je cjelokupna toplinska energija Zemlje 12,6 1024 MJ. Geotermalna energija je izvor " iste energije", poto za dananje vrijeme ispunjava dva znaajna imbenika pri iskoritavanju energetskih izvora: obnovljivost i odrivost. Moe se prona i posvuda u svijetu, no visokotemperaturna energija koja je potrebna za pogon geotermalnih elektrana, prona ena je na relativno malom broju mjesta. Da bi se shvatilo to su to visokotemperaturni geotermalni izvori, potrebno se upoznati s odre enim geolokim spoznajama o Zemlji. Kako se vidi na slici 1., Zemlja se sastoji od nekoliko razli itih slojeva. Ti su slojevi obi no nacrtani kao niz koncentri nih sferi nih ljuski. No, granice su vjerojatno nepravilne i nisu tako izrazite, tako da je takav prikaz dosta pojednostavljen.

Slika 1. Unutarnja struktura Zemlje

Vjerojatni model temperaturne raspodjele unutar Zemlje prikazan je na slici 2. Sadanja temperaturna raspodjela unutar Zemlje zavisi o temperaturnoj raspodjeli i intenzitetu toplinskih izvora nakon Zemljina nastanka, o mehanizmu unutarnjeg prijelaza topline, njenom provo enju i konvekciji.

Slika 2. Temperaturna raspodjela unutar Zemlje

4

Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Temperatura Zemljine unutranjosti raste s pove anjem dubine, tako da temperatura na dubini od 6000 km iznosi oko 5000 C. Porast temperature po jedinici dubine naziva se geotermalni (temperaturni) gradijent. Prosje ni geotermalni gradijent za Europu iznosi 0,03 C/m. Na samom po etku nastanka Zemlje sve kopnene mase su bile spojene u jedan gigantski kontinent nazvan Pangaea, koji je, gledano u geolokom vremenu, postojao samo jedan trenutak. Nakon njegova raspada Zemljina kora se razdvojila na velike tektonske plo e, kao to se vidi na slici 3. Kontinenti su dio kore i nalaze se u neprekidnom gibanju, a svaka plo a je u relativnom gibanju s obzirom na druge plo e. Zna ajne deformacije se javljaju samo na rubovima plo a, tako da su granice plo a obi no ozna ene kao uski pojasevi seizmi kih aktivnosti.

Slika 3. Tektonske plo e koje ine Zemljinu koru Kao to se moe vidjeti iz slike 3., granice plo a, a time i zemljotresi, vulkani i podru ja visokih toplinskih tokova na kojima su smjetena geotermalna polja, me usobno su povezani. S gledita iskoritenosti geotermalne energije, najzna ajnija svjetska geotermalna polja se o ekuju du rubova velike Pacifi ke plo e, tzv. "Pacific Ring of Fire" ("Pacifi ki plameni prsten"). Ako se uklju e dvije susjedne isto ne plo e, Cocos i Nazca, i jedna zapadna, Filipinska plo a, na tom su podru ju smjetene sljede e zemlje: SAD, Meksiko, Gvatemala, El Salvador, Honduras, Nikaragva, Costa Rica, Panama, Kolumbija, Ekvador, Peru, Bolivija, ile, Novi Zeland, Mikronezija, Papua Nova Gvineja, Indonezija, Filipini, Kina, Japan i Rusija. Sve od tih nabrojenih zemalja imaju geotermalne resurse pogodne za eksploataciju, a 12 od njih ima od 2004. godine geotermalne elektrane.

1.2 Tipovi geotermalnih leitaGeotermalno leite moe se jednostavno definirati kao spremnik unutar zemlje, iz kojega se na ekonomi an na in moe dobiti toplina (uz cijenu koja je nia ili usporediva s ostalim konvencionalnim izvorima energije, poput hidroenergije ili fosilnih goriva), a ta se toplina koristi za proizvodnju elektri ne energije i ostalu prikladnu industrijsku, poljoprivrednu i ku ansku primjenu. Geotermalno leite moe sadravati toplinu u vrstim stijenama, kao i u fluidima koji popunjavaju raspukline i prostor pora u stijenama. Tipovi geotermalnih leita su: a) hidrotermalni, b) suhe tople stijene, c) geotla ni i d) magma. Postoji pet karakteristika koje su bitne da bi hidrotermalni geotermalni izvor (tj. topla voda) bio komercijalno isplativ. Treba postojati: 1) veliki toplinski izvor, 2) propustan spremnik, 3) do-


5

vod vode, 4) pokrovni sloj od nepropusne stijene i 5) pouzdan mehanizam obnavljanja. Jednostavni shematski prikaz takvog izvora je prikazan na slici 4.

Slika 4. Shematski prikaz hidrotermalnog geotermalnog izvora

U ovom trenutku su hidrotermalni izvori jedini geotermalni sustavi koji su razvijeni za komercijalnu proizvodnju elektri ne energije. Ostala tri oblika geotermalnih resursa mogla bi se, prije ili kasnije, tako er komercijalizirati. Postoji dosta geotermalnih pozicija koje imaju visoku temperaturu (suhe tople stijene STS ili napredni geotermalni sustavi NGS) ali su u leitu siromana fluidom, ili je propusnost tako niska da onemogu ava komercijalizaciju. Idealno gledano, zatvorena petlja se formira tako da se hladna voda upumpava u utisnu buotinu i vra a na povrinu kroz proizvodnu buotinu, nakon prolaska kroz toplu, umjetno nastalu formaciju. (Slika 5.)

Slika 5. Shematski prikaz geotermalnog resursa STS

6


Du zapadne i sjeverne obale Meksi kog zaljeva postoji zna ajan energetski resurs koji se naziva geotla ni, tj. leita tople vode pod visokim su tlakom. Geotla na leita du Meksi kog zaljeva su nastala stalnim taloenjem sedimenata koji su stvorili optere ene i razdvojene slojeve. (Slika 6.)

Slika 6. Shematski prikaz geotla nog geotermalnog sustava

Toplina magme taj geotermalni resurs potje e direktno iz magme, koja je u tom slu aju relativno blizu povrine zemlje.

1.3 Klasifikacija geotermalnih izvoraMogu a podjela geotermalnih leita je prema termodinami kim i hidrolokim osobinama te s obzirom na na in ulaska i izlaska vode iz leita. Jedna od najvanijih i naj e ih klasifikacija geotermalnih izvora se temelji na temperaturi geotermalnog fluida, koji slui kao prijenosnik topline s vru e stijene na povrinu, tako da se geotermalni izvori dijele na: niskotemperaturne, srednjotemperaturne i visokotemperaturne, kako se vidi iz tablice 1.Tablica 1: Kategorizacija geotermalnih izvora prema temperaturi leinog fluida(a) Niskotemperaturni resursi Srednjetemperaturni resursi Visokotemperaturni resursi 150 (b) 225 (c) 200 (d) 150 150

Izvori: a- Muffler i Cataldi, 1978.; b- Hochstein, 1990.; c- Benderitter and Cormy, 1990.; d- Haenel i dr.

1.4 Svjetski resursi i na ini koritenja geotermalne energijeDananje procjene dostupnih, sveukupnih zaliha geotermalne energije, variraju izme u 140 000 000 i 117 000 000 EJ. Tablica 2 pokazuje njihovu rasprostranjenost diljem svijeta. No, samo oko 4 od tih ukupnih zaliha se smatra korisnim i dostupnim, a od toga samo 1 smatramo resursima. Na kraju se tek 10 % od tih resursa, tj. njihov najdostupniji dio, smatra geotermalnim rezervama. Pa ma kako se malenom inila, ta koli ina ipak nadvisuje svjetsku godinju potronju primarne energije od 420 EJ u 2001. godini. Stoga, a i zbog njene iroke rasprostranjenosti diljem svijeta, te dostupnosti u bilo koje vrijeme, tehnoloke mogu nosti koritenja geotermalne energije, a ne njena koli ina, odredit e njen budu i udio u ukupnoj energetskoj potronji.


7

Geotermalna energija se moe koristiti izravno, kao toplina, tj. bez daljnjih pretvorbi, to se naziva izravnim koritenjem, ili se uz odre ene gubitke moe pretvoriti u neke druge oblike energije. Za proizvodnju elektri ne energije potrebno je prvo toplinsku energiju pretvoriti u mehani ku, a nakon toga u elektri nu. Izravnim koritenjem se resursi koriste efikasnije nego pri proizvodnji elektri ne energije, jer nema znatnih gubitaka kao kod pretvorbe toplinske energije u elektri nu. Tablica 2 prikazuje procjenu svjetskog geotermalnog potencijala za proizvodnju elektri ne energije i za izravno koritenje toplinske energije geotermalnog fluida: Azija i Europa imaju najve e razvojne subjekte za izravno koritenje toplinske energije; Azija i Amerika ostvaruju najve u proizvodnju elektri ne energije iz geotermalnih leita; Azija je danas najve i korisnik geotermalne energije, ako se promatra proizvodnja elektrine energije i izravno koritenje.Tablica 2: Geotermalni resursi po pojedinim regijama svijetaVisokotemperaturni izvori (proizvodnja elektrine energije) Podruje Konvencionalna tehnologija, TWh/god 1 830 2 970 1 220 1 330 2 800 1 050 11 200 Konvencionalna tehnologija i binarna tehnologija, TWh/god 3 700 5 900 2 400 2 700 5 600 2 100 22 400 Niskotemperaturni izvori (izravno koritenje) EJ/god (donja granica) > 370 > 320 > 240 > 120 > 240 > 110 > 1 400

Europa Azija Afrika Sjeverna Amerika Latinska Amerika Oceanija SVIJET UKUPNO

Na slici 7. i u tablici 3 su prikazani razli iti na ini izravnog koritenja geotermalne energije, odnosno za to potrebne temperature geotermalnog fluida, tzv. Lindalov dijagram.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Slika 7. Mogu nosti izravnog koritenja geotermalne energije: a) za kupanje i medicinske svrhe; b) zagrijavanje staklenika; c) uzgajanje riba; d) za zatitu od poledice; e) zagrijavanje zgrada; f) toplinske pumpe

8


Tablica 3: Razli iti na ini izravnog koritenja geotermalne energije i za to potrebne temperature geotermalnog fluidaTemperatura, 0C 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 ProcesIsparavanje visoko koncentriranih otopina Hla enje apsorpcijom amonijaka Vrenje pulpe papira Proizvodnja teke vode procesom vodik-sulfid Suenje dijatomejske i infuzorijske zemlje Vrenje pulpe papira Suenje ribe u prehrmbenoj industriji Suenje drva Proizvodnja aluminija Bayerovim procesom Suenje poljoprivrednih proizvoda u velikim koli inama Konzerviranje hrane Isparavanje vode u e eranama Izlu ivanje soli isparavanjem i kristalizacijom Dobivanje pitke vode destilacijom Ve ina kombiniranih isparavanja Koncentracija slanih otopina Suenje i stvrdnjavanje cementnih blokova Suenje organskih materijala (morskog raslinja, trave, povr a, itd.) Pranje i suenje vune Suenje bakalara Procesi brzog odle ivanja Grijanje prostora (zgrada i staklenika) Hla enje (niska temperaturna granica) Sto arstvo Staklenici s kombiniranim grijanjem prostora i zemlje Uzgoj gljiva Balneoologija Grijanje tla Bazeni, biorazgradnja, fermentacija Topla voda za grijanje rudnika u hladnim krajevima Odle ivanje Uzgoj riblje mla i i kornja a Uzgoj riba

Iz dijagrama se moe vidjeti da primjena u poljoprivredi i za uzgoj riba, zahtijeva najnie temperature, a slijedi grijanje prostora i industrijska primjena. Geotermalne elektrane, koje se danas nalaze u radu, mogu se podijeliti na tri osnovna tipa: postrojenja sa suhom parom, postrojenja s isparavanjem (jednostrukim i dvostrukim) te binarna postrojenja. Koji e tip postrojenja biti instaliran, zavisi o vrsti leita. Slika 8. prikazuje podru ja primjene osnovnih tipova geotermalnih elektrana, zavisno o jedini noj snazi i temperaturi leita.

Slika 8. Podru ja primjene osnovnih tipova geotermalnih elektrana


9

Proizvodnja mehani kog rada pomo u geotermalne energije zahtijeva paru za pogon turbina. Suha se para direktno odvodi u geotermalnu elektranu sa suhom parom, gdje ekspandira u turbini, obavljaju i koristan mehani ki rad za pogon elektri nog generatora (slika 9.a). Za proizvodnju elektri ne energije iz toplom vodom dominantnih geotermalnih leita, koriste se geotermalne elektrane s jednostrukim ili dvostrukim isparavanjem (slika 9.b). Topla voda isparava u jednom ili dva separatora (ispariva a) a nastala para se odvodi na ekspanziju u jednu ili dvije turbine. Ako ne postoje prirodna leita pare, ona se moe proizvesti u vru im suhim stijenama ili tzv. naprednim geotermalnim sustavima. Na niim temperaturnim razinama para za pogon turbina moe se dobiti posredno, isparavanjem fluida koji imaju niu to ku klju anja od vode. Ciklus je poznat kao Organski Rankineov ciklus (ORC) poto su na samom po etku koritene organske tvari kao toluol (C7H8), pentan (C5H12), propan (C3H8) te ostali ugljikovodici (slika 9.c). Odnedavno je u probnom pogonu i tzv. Kalina ciklus, koji kao radni fluid koristi mjeavinu vode i amonijaka (NH3).

a)

b)

c)Slika 9. Geotermalna elektrana sa suhom parom (a), s dvostrukim isparavanjem (b) i s binarnim ciklusom (c)

10


Geotermalne elektrane danas proizvode preko 9730 MW elektri ne energije u preko 20 zemalja svijeta, opskrbljuju i oko 60 milijuna ljudi, uglavnom u zemljama u razvoju. (Slika 10.) Vie o naj e e koritenim tipovima geotermalnih elektrana u poglavlju 2.

Slika 10. Instalirana snaga geotermalnih elektrana u svijetu, 2007.godine

2. Tipovi geotermalnih elektrana2.1 Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjemGeotermalne elektrane s isparavanjem koriste vodom dominantna leita vlane pare, kod kojih ve inu visokotemperaturnog geotermalnog resursa ini voda pod tlakom. Proizvodnja elektri ne energije iz takvih polja se ostvaruje pomo u isparavanja kapljevitog geotermalnog fluida, u jednom ili nekoliko ispariva a na povrini. Koriste se postrojenja s jednostrukim, dvostrukim i trostrukim isparavanjem. Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem su glavni oslonac geotermalne proizvodnje. Postrojenja s jednostrukim isparavanjem ine 29 % svih geotermalnih postrojenja i priblino 40 % ukupno instaliranih geotermalnih kapaciteta u svijetu. Jedini ne snage se kre u od 3 do 90 MW, dok je prosje na snaga 28,1 MW po jedinici. Pod terminom "sustav s jednostrukim isparavanjem" podrazumijevamo da je geotermalni fluid podvrgnut jednostrukom procesu isparavanja, tj. procesu prijelaza iz kapljevine pod tlakom u mjeavinu kapljevine i pare, kao rezultat pada tlaka geotermalnog fluida ispod tlaka zasienja koji odgovara temperaturi fluida. Na slici 11. je prikazana toplinska shema s glavnim komponentama postrojenja s jednostrukim isparavanjem, koje izvodi prethodno opisani ciklus. Na svakoj proizvodnoj buotini (PW) je spojena oprema za regulaciju i nadzor toka geotermalnog fluida od buotine prema elektrani. Ta oprema sadri: nekoliko ventila (WV), napravu za priguenje zvuka (S), cjevovod i instrumentaciju (mjerni ure aji za tlak i temperaturu). Ako se koriste separatori na u u buotine, ciklonski separator (CS) bit e smjeten tik do u a na istoj plo i. Para se odvodi iz sredita posude pomo u vertikalne cijevi koja izlazi van na dnu. Para tada prolazi kroz kuglasti kontrolni ventil (BCV) i odvodi se prema strojarnici.


11

Slika 11. Toplinska shema geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem: PW-proizvodna buotina; WV-ventil proizvodne buotine; PR- separator estica; SP-parovod; MR-separator vlage; CSV-brzozatvaraju i i regulacijski ventili; SE/C-ejektor pare s kondenzatorom; T/G-turbina s generatorom; C-kondenzator; CP-pumpa kondenzata; CT-rashladni toranj; CWP-pumpa rashladne vode; IW-utisna buotina

Prije nego je para uvedena u turbinu, iz pare moraju biti odstranjene i najfinije kapljice vlage koje mogu nastati u parovodu, a uspjele su pro i kroz odstranjiva e vlage. Separator vlage (MR) je esto smjeten izvan strojarnice. Para iz turbine se kondenzira pomo u povrinskog tipa kondenzatora (C) kakav je prikazan na slici 11., ili u kondenzatoru, mijeanjem s atmosferskim tlakom ili tlakom niim od atmosferskog. Danas ve ina postrojenja koristi povrinske kondenzatore u kojima geotermalni fluid struji oko cijevi sa strane plata, dok rashladna voda struji kroz cijevi. To omogu ava da geotermalni fluid i rashladna voda budu i fizi ki i kemijski odvojeni, te u inkovitije udaljavanje i tretman nekondenziraju ih plinova. Za tu se svrhu koriste parni mlazni ejektori s naknadnim hladnjakom (SE/C). Rashladna voda se obi no dovodi iz rashladnog tornja koji recirkulira dio kondenzirane pare koja se ohladi parcijalnim isparavanjem uslijed strujanja zraka (oznake CT i CWP). To zna i da geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem ne trebaju zna ajne zalihe rashladne vode, to je velika prednost u sunim podru jima. Potrebna je mala koli ina svjee vode, tek da bi se nadoknadilo ono to je isparilo iz rashladnog tornja. Procesi koje izvodi geotermalni fluid mogu se najbolje prikazati u T-s dijagramu. T-s dijagram za geotermalnu elektranu s jednostrukim isparavanjem prikazan je na slici 12 .

Slika 12. T-s dijagram ciklusa geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem

Postrojenje s dvostrukim isparavanjem predstavlja poboljanje u odnosu na postrojenje s jednostrukim isparavanjem jer daje 15-25 % vie izlazne snage za iste uvjete geotermalnog fluida.

12


2.2 Geotermalne elektrane s binarnim ciklusomGeotermalne elektrane koje izvode binarni ciklus su najblie po termodinami kom principu termoelektranama na fosilna goriva ili nuklearnim elektranama kod kojih radni fluid izvodi stvarni zatvoreni ciklus. Radni fluid, odabran prema povoljnim termodinami kim svojstvima, prima toplinu od geotermalnog fluida, isparava, ekspandira u turbini, kondenzira se, te se vra a u ispariva pomo u napojne pumpe. Prva binarna geotermalna elektrana stavljena je u pogon u malom selu Paratunka nedaleko mjesta Petropavlovsk na ruskom otoku Kam atka 1967. godine. Imala je snagu 670 kW, te je opsluivala malo selo i nekoliko farmi, kako elektri nom energijom tako i toplinom za potrebe staklenika. Radila je uspjeno niz godina, dokazuju i koncept binarnih postrojenja kakva se koriste i danas. Binarna postrojenja su naj e e koriten tip geotermalnih elektrana. ine oko 33 % svih geotermalnih elektrana u radu, ali proizvode samo 3 % od ukupne snage. O igledno, prosje na snaga po jedinici je mala, samo 1,8 MW, iako se koriste i jedinice sa snagama 7-10 MW s tzv. naprednim ciklusom. Binarna postrojenja omogu avaju pretvorbu geotermalne topline iz niskotemperaturnih leita tople vode (tzv. vodom dominantnih leita) s temperaturom preko 85 C u elektri nu energiju. Tako er, ta je tehnologija pogodna i za eksploataciju srednjotemperaturnih izvora s vlanom parom, s visokim omjerom voda/para, kod temperatura koje su preniske za prakti nu primjenu sustava s isparavanjem. Binarna postrojenja pretvaraju toplinu srednjotemperaturnih izvora u elektri nu energiju efikasnije nego ostale tehnologije. Kod binarnih postrojenja izmjenjiva topline prenosi toplinu s geotermalnog fluida dobavljenog iz proizvodne buotine u primarni krug, na lako hlapljivi radni fluid u sekundarnom krugu, kao to su halogeni ugljikovodici (npr. freon, frigen), propan (C3H8), izobutan (C4H10), pentan (C5H12), amonijak (NH3). Taj je termodinami ki ciklus poznat kao Organski Rankineov ciklus (ORC) poto su se na po etku kao radni fluidi koristile organske tvari. Radni fluid u sekundarnom krugu isparava u ispariva u pomo u geotermalne topline iz primarnog kruga. Para ekspandira prolaskom kroz turbinu (u ovom se slu aju esto naziva "organska turbina"), koja je spojena s elektri nim generatorom. Ispuna para se kondenzira u vodom ili zrakom hla enom kondenzatoru, a kondenzat se napojnom pumpom vra a u ispariva . Tehnologija binarnih postrojenja se pojavljuje kao najisplativiji, najefikasniji i najpouzdaniji na in za pretvorbu velikog broja niskotemperaturnih izvora u elektri nu energiju. Njih ima dosta u svijetu, pa su stoga postrojenja s ORC u posljednjih 30 godina instalirana u zna ajnom broju. To zna ajno proiruje spektar lokacija pogodnih za proizvodnju elektri ne energije iz geotermalne energije. Izvodljiva je decentralizirana proizvodnja elektri ne energije iz geotermalne energije s jedinicama ija snaga varira od 0,1 do ak 100 MW i ini je ekonomski atraktivnom u mnogim udaljenim ili manje razvijenim podru jima svijeta. Tako er se poti e proizvodnja iz niskotemperaturnih izvora i u razvijenim zemljama, gdje financijske inicijative promoviraju tehnologije za proizvodnju elektri ne energije uz nisku emisiju CO2. Ako je temperatura geotermalnog fluida 150 C ili nie, postaje teko, ali ne i nemogu e, izvesti postrojenje s isparavanjem koje moe efikasno i ekonomi no pretvarati geotermalnu energiju u elektri nu. Nie temperature geotermalne vode stavljaju u jo tei poloaj postrojenje s isparavanjem. Kod tako niskih temperatura malo je vjerojatno da buotine budu samoizljevne, a ako jesu, postoji velika vjerojatnost nastajanja kalcijevog karbonata u buotinama. U najjednostavnijem obliku, binarno se postrojenje moe prikazati pomo u toplinske sheme prikazane na slici 13. Proizvodna buotina (PW) je opremljena pumpom (P) koja je prema karakteristikama leita i zahtijevanog protoka ugra ena na potrebnu dubinu, zbog sprje avanja isparavanja. Separator pijeska (SR) sprje ava eroziju cjevovoda i cijevi izmjenjiva a topline. Ovdje je proces zagrijavanja i isparavanja u dva koraka, i provodi se prvo u predgrija u (PH)


13

gdje se radni fluid dovodi do stanja vrele kapljevine i iz ispariva a (E) se odvodi kao suhozasiena para. Geotermalni fluid se cijelo vrijeme dri pri tlaku iznad to ke njegova isparavanja, kako bi se sprije ilo nastajanja pare i nekondenziraju ih plinova koji mogu dovesti do izlu ivanja kalcijeva karbonata u cijevima. tovie, temperaturi fluida se ne dozvoljava da padne do to ke na kojoj izlu ivanje kalcijeva karbonata postaje zna ajan problem u predgrija u, te u cjevovodima i nizvodno u utisnoj buotini. Ovakvom se regulacijom mogu eliminirati mogu i kemijski problemi.

Slika 13. Geotermalna elektrana s binarnim ciklusom (oznake kao na slici 11.)

Termodinami ki ciklus koji izvodi radni fluid je prikazan na slici 14., u tlak-entalpija dijagramu, tj. u p-h dijagramu. Taj se dijagram naj e e koristi kod rashladnih i klimatizacijskih ciklusa, ali tako er i za geotermalne binarne cikluse.

Slika 14. p h dijagram za geotermalnu elektranu s osnovnim binarnim ciklusom

Retrogradni oblik linije suhozasi ene pare ima pozitivan zna aj za Rankineov ciklus. Proces ekspanzije u turbini u potpunosti se odvija u podru ju pregrijane pare, pa ne postoji problem sa strujanjem vlane pare i njome povezane erozije lopatica i smanjenja izentropske iskoristivosti turbine. Nedavno je iskoristivost binarnih postrojenja dalje poboljana uvo enjem Kalina tehnologije. Mjeavina vode i amonijaka ve se dugo vremena koristi kod apsorpcijskih rashladnih ciklusa, no sve dok A. Kalina nije patentirao Kalina ciklus, taj postupak nije koriten za cikluse koji daju korisni mehani ki rad, odnosno snagu. Zna ajke po kojima se Kalina ciklus (postoji nekoliko varijanti) razlikuje od ostalih binarnih ciklusa su sljede e: 1. Radni fluid je binarna mjeavina H2O i NH3 2. Isparavanje i kondenzacija se ostvaruju uz promjenjivu temperaturu 3. Ciklus sadri rekuperaciju topline ispune pare iz turbine 4. Kod nekih varijanti sastav mjeavine moe biti promjenjiv tijekom ciklusa

14


Kao rezultat, Kalina ciklus pokazuje poboljane termodinami ke karakteristike izmjenjiva a topline, smanjuju i gubitke povezane s prijelazom topline uz kona ne temperaturne razlike. Izmjenjiva i su namjeteni tako da se ostvaruje bolje sparivanje izme u geotermalnog fluida i mjeavine na hladnom kraju procesa prijelaza topline, gdje su poboljanja o uvanja energije i najvrjednija. Postrojenje je sloenije nego osnovno binarno postrojenje, posebice kada se koristi destilacijska kolona za promjenu sastava (koncentracije) mjeavine. Najjednostavnija konfiguracija Kalina ciklusa s promjenjivim sastavom radnog fluida je prikazana na slici 15. Separator (S) generira suhozasi enu paru koja je bogata amonijakom i koja se odvodi u turbinu, to omogu ava koritenje manje i jeftinije turbine nego u slu aju kada je radni fluid ugljikovodik. Siromana otopina, kapljevina bogata vodom, koristi se za predgrija i nakon toga priguuje do tlaka na izlasku iz turbine prije mijeanja s bogatom otopinom, zbog uspostavljanja primarnog sastava. Mjeavina se tada koristi u rekuperativnom predgrija u (RPH) prije nego je u potpunosti ukapljena.

Slika 15. Kalina ciklus s promjenjivim sastavom voda-amonijak radnog fluida (oznake kao na slici 11.)

Mogu a poteko a kod Kalina ciklusa, koja je uobi ajena i kod svih ostalih ciklusa koji tee visokoj iskoristivosti, je postizanje jako male temperaturne razlike u "pinch" to ki kod izmjenjiva a topline. Prednost promjenjive temperature kondenzacije je umanjena, jer su izobare, pri kondenzaciji amonijakom bogate NH3H2O mjeavinom, koritene kod ciklusa za dobivanje korisne snage, konkavne prema gore, to dovodi do "pinch" to ke. Stoga su ovdje relativno velike temperaturne razlike na po etku i na kraju procesa kondenzacije.

3. Dizalice topline3.1 Op enito o dizalicama toplineDizalice topline smatraju se visokou inkovitim sustavima za proizvodnju toplinske energije. Primjenjuju se u svim veli inama, od onih najmanjih za grijanje stanova, pa sve do sustava koji slue za grijanje itavih naselja. Koriste se za niskotemperaturne sustave grijanja, s temperaturom polaznog voda ve od 35 C u slu aju povrinskog grijanja, te s temperaturom polaznog voda do 55 C kod zagrijavanja PTV-a. Dizalica topline posreduje u prijenosu topline izme u dva toplinska spremnika: niskotemperaturnog spremnika u koji se odvodi toplina i pritom se hladi, te visokotemperaturnog toplinskog spremnika u koji se ta toplina uve ana za energiju kompresije dovodi i pritom se grije. Sustav dizalice topline sastoji se od tri kruga:


15

kruga izvora topline kruga radne tvari i kruga ponora topline Slu aj grijanja objekta prikazan je na slici 16. Kod otvorenih sustava podzemna voda struji neposredno preko ispariva a dizalice topline. Kod sustava s izmjenjiva em topline, u tlu, kao posrednik u prijenosu topline u zatvorenom krugu struji glikolna smjesa, povezuju i izmjenjiva topline u tlu s ispariva em radne tvari. Ogrjevni mediji sustava grijanja, koji u ovom slu aju za dizalicu topline predstavljaju ponor topline, mogu biti voda ili zrak. Voda se koristi u slu aju primjene povrinskih sustava grijanja, ventilokonvektora ili radijatora. U nekim slu ajevima umjesto vode se zagrijava zrak, neposredno na kondenzatoru dizalice topline i razvodi po objektu putem kanala za zrak.

isp

kond

Pkomp

Slika 16. Shematski prikaz dizalice topline u reimu grijanja

Dizalica topline moe raditi u reimu hla enja i reimu grijanja. Ugradnjom etveroputnog ventila isti se ure aj moe prilagoditi i za rad u reimu hla enja. U tom slu aju ponor topline postaju tlo, podzemna voda ili okolini zrak, dok se toplina hla enog prostora odvodi na ispariva u dizalice topline posredstvom zraka ili vode/glikolne smjese. U inkovitost dizalica topline zna ajno ovisi o vrsti izvora topline. Kao niskotemperaturni toplinski spremnici koriste se voda (rije na, jezerska, morska i podzemna), zrak, otpadna toplina, sun eva toplina, ili se toplina ispariva u dovodi posredstvom izmjenjiva a topline koji se polae u zemlju, pri emu tlo predstavlja toplinski spremnik. Mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu, koritenje dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline (plitkih geotermalnih potencijala) biljei jedan od najbrih porasta u podru ju primjene obnovljivih izvora energije. Procjenjuje se da je u svijetu instalirano 1,7 milijuna geotermalnih dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline, u inka grijanja 18 GW, J. Spitler, 2008. Ovakvi su sustavi iroko prihva eni u tehnoloki razvijenom svijetu, primjerice u vedskoj, SAD-u, Njema koj, vicarskoj, Austriji i Francuskoj. Dizalice topline povezane s tlom plitkih geotermalnih potencijala koriste toplinu zemljine kore, u ve ini slu ajeva do 200 m dubine. Najve i broj izvedenih sustava s dizalicom topline je s buotinskim izmjenjiva ima topline (BIT) u vertikalnoj izvedbi. Procjenjuje se da je u Europskoj uniji krajem 2008. godine bilo ugra eno vie od 800 000 BIT ukupne snage 8,92 GW.

16


3.2 Princip rada dizalice toplineDizalice topline se dijele prema vrsti kompenzacijske energije na: kompresijske dizalice topline -koriste mehani ki rad za pogon ure aja sorpcijske dizalice topline- koriste toplinsku energiju za pogon ure aja (apsorpcijske i adsorpcijske dizalice topline) Budu i da su u praksi ve im dijelom u primjeni kompresijske dizalice topline, one e stoga biti zastupljenije u nastavku ovog priru nika. Dizalica topline (heat pump, Wrmepumpe) je svaki ure aj koji podie toplinsku energiju s nie na viu energetsku razinu (temperaturu) uz privedeni vanjski rad, s ciljem koritenja toplinske energije vie razine. Primarni cilj je koritenje toplinske energije izmijenjene na visokotemperaturnom izmjenjiva u (kondenzatoru), npr. za grijanje. Suprotmo tome rashladni ure aj koristi toplinsku energiju izmijenjenu na niskotemperaturnom izmjenjiva u (ispariva u). Dakle, svaki rashladni ure aj istovremeno je i dizalica topline, jer bitno je koji je primarni cilj, koritenje rashladne ili ogrjevne energije. Svaka kompresijska dizalica topline (rashladni ure aj) sastoji se od etiri osnovne komponente unutar kojih struji radna tvar (slika 17.a): kompresor kondenzator priguni ventil isparivaT 2 Tp Tgr 3 Tk ,p kk

To 4

Ti ,p i qo

1

a)log p Tgr To 3 3' Tgrko ns t

b)

s

p k ,Tk

2''

2 Tkomp Tk

To 4

p i ,Ti

1 Ti

Promjene stanja u ljevokretnom krunom procesu: isparivanje: promjena 4-1 (Ti , pi) kompresija: promjena 1-2 (pi pk) kondenzacija: promjena 2-3 (Tk , pk) priguenje: promjena 3-4 (pk pi)

s=

c)

qo

qk

w

h

Slika 17. a) Shematski prikaz kompresijske dizalice topline s tijekom energije b) Proces prikazan u T-s dijagramu c) Proces prikazan u log p-h dijagramu


17

U ispariva u radna tvar isparava pri tlaku isparavanja (promjena stanja 4-1, slika 17.) naj e e pri konstantnoj temperaturi, primaju i toplinu s medija-izvora topline (zraka, vode ili tla) kojeg hladi. Temperatura isparavanja je uvijek nia od temperature izvora topline kojemu se oduzima toplina. Radna tvar na ulazu u ispariva je preteno u kapljevitom stanju (stanje 4), dok je radna tvar na izlasku iz ispariva a u suho zasi enom ili blago pregrijanom stanju (stanje 1). Kompresor je onaj element dizalice topline koji omogu uje prijenos topline s izvora topline (nie temperature) na ponor topline (vie temperature) i zato se njemu mora dovoditi rad. Toplinu nije mogu e prirodnim putem prenositi s tijela nie temperature na tijelo vie temperature. Kompresor isisavanjem pare radnoj tvari sniava tlak i na taj na in umjetno ostvaruje niu temperaturu radne tvari od temperature medija od kojeg se preuzima toplina i koji se hladi. Kompresor usisava suhozasi enu paru radne tvari s tlaka isparavanja i komprimira je na tlak kondenzacije (promjena stanja 1-2), odnosno na temperaturu koja je via od temperature ogrjevnog medija. Kompresor ne smije usisavati kapljevinu, jer bi moglo do i do hidrauli kog udara. Toplinu, koju je radna tvar u ispariva u preuzela na sebe, uve anu za energiju privedenu u kompresoru, potrebno je u kondenzatoru predati ogrjevnom mediju. Da bi to bilo mogu e temperatura radne tvari u kondenzatoru mora biti via od temperature ogrjevnog medija koji preuzima toplinu kondenzacije (voda ili zrak). U kondenzator radna tvar ulazi kao pregrijana para (stanje 2), predaju i toplinu ogrjevnom mediju. Prvo se ohladi do temperature kondenzacije, pri emu se daljnjim odvo enjem topline radna tvar kondenzira. Predavanjem topline vodi ili zraku kondenzacija napreduje, sadraj pare u kondenzatoru sve se vie smanjuje, a udio kapljevine raste. Radna tvar na izlazu iz kondenzatora je sva u kapljevitom stanju. Za bolju u inkovitost ure aja poeljno je da se radna tvar na izlazu kondenzatora ohladi za nekoliko stupnjeva, odnosno da temperatura radne tvari na izlazu iz kondenzatora bude za 3 do 5 C nia od temperature kondenzacije. Najvei dio izmijenjene topline u kondenzatoru se ostvari prilikom promjene agregatnog stanja iz parne u kapljevitu fazu (izmjena latentne topline), dok se manji dio izmijeni hla enjem pregrijanih para i hla enjem kondenzata. Toplina kondenzacije (promjena stanja 2-3) koju je potrebno predati ogrjevnom mediju sustava grijanja jednaka je toplini (energiji) izmijenjenoj u ispariva u, i uve anoj za energiju koja je dovedena kompresoru: qkond = qisp + wkomp, kJ/kg , odnosnokond = kond isp isp

+ Pkomp, W ,

(1)

qkond specifi ni u inak kondenzatora, kJ/kg qisp specifi ni u inak ispariva a, kJ/kg wkomp rad kompresora, kJ/kg

Pkomp

u inak kondenzatora, W u inak ispariva a, W snaga kompresora, W

Nakon to je radna tvar toplinsku energiju predala ogrjevnom mediju sustava grijanja i kondenzirala, sve se odvija pri visokom tlaku. U kapljevitom stanju ulazi u priguni ventil koji slui za sniavanje tlaka radne tvari, s tlaka kondenzacije na tlak isparavanja, pri emu pada i temperatura radne tvari, promjena stanja 3-4. Prilikom priguenja radne tvari dolazi do ekspanzije radne tvari pa je na ulazu u ispariva jo uvijek radna tvar najve im dijelom u kapljevitom stanju, ali sadri i parnu fazu. Ovim je kruni proces zatvoren. U inkovitost kompresijske dizalice topline iskazuje se faktorom grijanja (toplinski mnoitelj). Faktor grijanja gr (engl. coefficiente of performance COP) definiran je kao omjer u inka kondenzatora i kompresoru privedene snage :gr

qkond w komp

kond

Pkomp

Faktor hla enja hl (engl. energy efficiency ratio EER) rashladnog ure aja definiran je kao omjer u inka ispariva a i kompresoru privedene snage:

18hl


EER

qisp wkomp

isp

Pkomp

Prosje ni toplinski mnoitelj, ovisno o temperaturama toplinskog izvora i ponora, naj e e dosee vrijednosti od 2,5 do 5. To npr. zna i da za 1 kW elektri ne snage privedene dizalici topline, ostvareni toplinski u inak dizalice topline moe biti i nekoliko puta ve i, odnosno 2,5 do 5 kW. U inkovitost dizalice topline smanjuje se s padom temperature toplinskog izvora, ali i s porastom temperature ogrjevnog medija na izlazu iz kondenzatora. Naj e e su sustavi za grijanje s dizalicom topline namijenjeni za niskotemperaturno grijanje prostora (ako se radi o vodi, temperaturni reim npr. 45/35 C) te za zagrijavanje potrone tople vode. Pravilo koje vrijedi je: to je manja temperaturna razlika izme u temperature toplinskog izvora (zrak, voda, tlo) i temperature toplinskog ponora (zraka ili vode koja se grije), to e ve i biti u inak grijanja i manja snaga kompresora, odnosno bit e ve i toplinski mnoitelj. (Slika 18.) Od toplinskog mnoitelja dizalice topline u standardnim ili aplikacijskim to kama, relevantniji je godinji toplinski mnoitelj gr,G (engl. Sesonal performance factor SPF) koji se koristi za potrebe odre ivanja energetske u inkovitosti dizalice topline:gr ,G

QDT E

a definiran je kao omjer stvarno dobavljene toplinske energije tijekom godine ( QDT) i tijekom godine ukupno utroene energije ( E) za pogon kompresora, pumpi, ventilatora te sustava za odle ivanje ispariva a.

Slika 18. Ovisnost toplinskog mnoitelja o temperaturama isparivanja i kondenzacije 5

Prora un u inkovitosti dizalice topline dan je u normi HRN EN 15316-4-2. Norma odre uje metode prora una pogonske energije i godinjeg toplinskog mnoitelja dizalica topline koji se koriste u sustavima grijanja prostora, dizalicama topline za zagrijavanje potrone tople vode, te dizalicama topline za kombinirano grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a. Preporu ena metoda prora una je bin metoda. Prora un prema bin metodi podrazumijeva podjelu sezone grijanja na temperaturne intervale (razrede). Za odre ivanje trajanja pojedinih temperaturnih intervala koriste


19

se ulazni podaci o satnoj vanjskoj temperaturi zraka (ispitne referentne godine) za promatranu geografsku lokaciju Metoda uz rezultate ispitivanja za standardne ispitne uvjete dizalice topline prema HRN EN 14511, uzima u prora un i specifi ne radne uvjete za svaku pojedinu instalaciju.

3.3 Split klima ure aj za hla enje i grijanje zrakaSvaki rashladni ure aj je istodobno i dizalica topline, a bitno je to je primarni cilj, koritenje rashladne ili ogrjevne energije. Preokretanjem procesa, tj. zamjenom uloga ispariva a i kondenzatora, isti ure aj moe se koristiti za grijanje ili hla enje. Slika 19. prikazuje shemu split klima ure aja koji ima mogu nost rada u reimu hla enja i reimu grijanja.kondenzator (isparivac)

priguni ventil grijanje hladenje

prekretni ventil

komp resor

priguni ventil

isparivac (kondenzator)

Slika 19. a) Mogu nost rada ure aja u reimu hla enja, odnosno grijanja b) vanjska i unutarnja jedinica split klima ure aja

Energetska u inkovitost split klima ure aja za hla enje ocjenjuje se faktorom hla enja uvjete koji su dani u normi HRN EN 14511 ( hl = 27 C, ok = 35 C). Primjer: isp = 3500 W; PEL = 1084 Whl

hl

za

3500 1084

3,23

Valjanost ogrjevnog procesa sa split klima ure ajem za grijanje ocjenjuje se faktorom grijanja gr za uvjete koji su dani u normi HRN EN 14511 ( gr = 20 C, ok = 7 C). Primjer: kond = 3850 W; PEL = 1067 Wgr

3850 1067

3,21

Razvrstavanje split klima ure aja prema energetskoj u inkovitosti Split klima ure aji se razvrstavaju u energetske razrede prema namjeni, ovisno o tome da li se ure aj koristi za hla enje ili za grijanje. Ako se split klima ure aj koristi u reimu hla enja, razred njegove energetske u inkovitosti odre uje faktor hla enja hl (EER). Npr. ure aj s faktorom hlaenja ve im od 3,2 svrstava se u energetski razred A (tablica 4).

20


Kada se ure aj koristi za grijanje, relevantan je njegov toplinski mnoitelj gr (COP). Npr. ure aj s faktorom grijanja ve im od 3,6 svrstava se u energetski razred A u reimu grijanja.Tablica 4: Razredi energetske u inkovitosti split klima ure ajaHLAENJE, hl (EER) Razred energetske uinkovitosti A 3,20 < EER Razred energetske uinkovitosti B 3,20 > EER > 3,00 Razred energetske uinkovitosti C 3,00 > EER > 2,80 Razred energetske uinkovitosti D 2,80 > EER > 2,60 Razred energetske uinkovitosti E 2,60 > EER > 2,40 Razred energetske uinkovitosti F 2,40 > EER > 2,20 Razred energetske uinkovitosti G 2,20 > EER GRIJANJE, (COP)

gr

Razred energetske uinkovitosti A 3,60 < COP Razred energetske uinkovitosti B 3,60 > COP > 3,40 Razred energetske uinkovitosti C 3,40 > COP > 3,20 Razred energetske uinkovitosti D 3,20 > COP > 2,80 Razred energetske uinkovitosti E 2,80 > COP > 2,60 Razred energetske uinkovitosti F 2,60 > COP > 2,40 Razred energetske uinkovitosti G 2,40 > COP

Moe se zaklju iti da u inkovitost dizalice topline bitno ovisi o temperaturama toplinskih spremnika. Temperatura izvora topline definira temperaturu isparavanja (Ti < To), a temperatura ogrjevnog medija sustava grijanja definira temperaturu kondenzacije (Tk > Tgr).

3.4 Radne tvari kompresijskih dizalica toplineUnutar rashladnog ure aja, odnosno dizalice topline (rashladno-ogrjevni procesi) struji radna tvar, prijenosnik energije. Naj e i prijenosnici energije su halogenirani ugljikovodici "freoni" (R22, R134a, R404a, R407C, R410A, itd.). Radne tvari tako er mogu biti prirodne tvari poput amonijaka, izo-butana, CO2. Odnos tlaka i temperature zasi enja pare radnih tvari, prikazan je krivuljom napetosti na slici 20. Zbog puno niih pripadnih tlakova zasi enja, radna tvar R134a ima prednost pred ostalim radnim tvarima. Neka druga svojstva ne idu joj u prilog. Toplina isparavanja radne tvari pri karakteristi nim temperaturama isparavanja treba biti to ve a, da bi za isti u inak ispariva a proto na masa radne tvari bila manja.24 21 18 Tlak, bar 15 12 9 6 3 0 -40 -30 -20 -10 0 Temperatura, C 10 20 30 40

R410A R404a R407C, kapljevita RT R22 NH3 R134a

Slika 20. Krivulja napetosti radnih tvari


21

3.4.1 Sinteti ke radne tvari Halogenirani ugljikovodici dijele se u tri skupine: CFC, HCFC i HFC, a esto im je zajedni ki naziv freoni, premda su samo radne tvari iz skupine CFC-a nosile tvorni ki naziv "freoni". CFC klorofluorougljici (engl. chlorofluorocarbons) su potpuno halogenirani derivati zasi enih ugljikovodika (R11, R12), HCFC klorofluorougljikovodici (engl. hydrochlorofluorocarbons) su djelomi no halogenirani derivati zasi enih ugljikovodika koji sadre vodik i klor (R22), HFC fluorirani ugljikovodici (engl. hydrofluorocarbons) su djelomi no halogenirani derivati zasi enih ugljikovodika koji sadre vodik, a ne sadre klor (R134a). Navedene radne tvari su halogenirani derivati metana i etana, a dobiju se zamjenom atoma vodika u molekulama metana ili etana s atomima fluora, klora i broma (halogeni elementi). Osim jednokomponentnih radnih tvari u posljednjih petnaestak godina sve se vie koriste smjese od dvije ili tri jednokomponentne radne tvari. Smjese radnih tvari mogu biti zeotropske i azeotropske. Radne tvari reda 400 su zeotropske smjese, dok su radne tvari reda 500 azeotropske smjese. Kod radnih tvari reda 400 (npr. R407C) prilikom isparavanja/kondenzacije radna tvar mijenja temperaturu (klizanje temperature). U nastavku slijedi primjer ozna avanja jednokomponentnih radnih tvari:

Radne tvari koje su tetne za ozonski omota (R-11, R-12, R-502,)

Radne tvari (R-22, R-141b) manje tetne za ozonski omota u odnosu na CFC skupinu.

Nove, ekoloki prihvatljive radne tvari koje ne utjeu na ozonski omota (R-134a, R-404a, R-407C, R410A).

3.4.2 Utjecaj radnih tvari na okoli Brojne tvari koje je proizveo ovjek tetno djeluju na razgradnju ozonskog sloja. Ozonski je sloj vaan jer upija ultraljubi asto (UV) sun evo zra enje, sprje avaju i da ve ina UV-B zraka dopre do zemljine povrine (slika 21). Stratosferski je ozon tako er zna ajan i za atmosfersku raspodjelu temperatura, jer utje e na klimatske promjene na zemlji. (Slika 22.) Najve i utjecaj na razgradnju ozonskog sloja imaju ugljikovodici halogenirani s klorom i bromom (CFC-i). Svi oni imaju sljede e zna ajke: u donjim slojevima atmosfere jako su postojani, uglavnom netopivi u vodi i otporni na fizi ke i bioloke utjecaje, a sadre klor ili brom (elemente izuzetno reaktivne u slobodnom stanju), te stoga mogu kataliti ki razgra ivati ozon. Te tvari su poznatije kao tvari koje ote uju ozonski sloj (TOOS). CFC su se od vremena njihove sinteze (1928. godine) koristili na razli ite na ine: kao radna tvar u hladnjacima i klimatizacijskim ure ajima, kao potisni plin u limenkama aerosola, kao sredstvo za ekspandiranje u proizvodnji fleksibilnih pjena za jastuke i madrace, te kao sredstvo za ienje u elektroni koj industriji.

22


Slika 21. UV zatita ozonskim slojem

Slika 22. Promjena koncentracije ozona s visinom

HCFC-i manje unitavaju ozon od CFC-a, jer ih atom vodika ini manje stabilnim i podlonijim razgradnji u donjim slojevima atmosfere, sprje avaju i da ve ina njihova klora dopre do stratosfere. Fluorirani ugljikovodici (HFC) ne sadre klor i nemaju tetan utjecaj na razgradnju ozonskog sloja. Potencijal razgradnje ozona ODP = 0 (engl. Ozone Depletion Potential). Iako radne tvari iz skupine HFC-a nemaju utjecaja na razgradnju ozonskog sloja (ODP = 0), svi halogenirani ugljikovodici, pa tako i radne tvari iz skupine HFC-a su stakleni ki plinovi s velikim GWP potencijalom (Potencijal globalnog zagrijavanja GWP engl. Global Warming Potential).Radna tvar R-11 R-12 R-502 R-22 R-134a R-404a R-407C R410A R-717 ODP 1 1 0.34 0.055 0 0 0 0 0 GWP 100 g. 3400 7100 4300 1700 1300 3800 1600 1725 0

20 g. 4500 7100 4200 3100 0

500 g. 1400 4100 540 0

3.4.3 Radne tvari i njihove ekoloki prihvatljive zamjene Radne tvari CFC (karakteristi an predstavnik R12) i HCFC (karakteristi an predstavnik R22) u rashladnim ure ajima i dizalicama topline zamjenjuju se tvarima koje ne sadre po ozon tetan klor, a u skladu s odrednicama Montrealskog protokola iz 1987. koji je nametnuo primjenu zamjenskih radnih tvari. Osim eksplozivnih ugljikovodika HC (butan, propan) na tritu se pojavljuju HFC i njihove mjeavine. Najpoznatija radna tvar iz HFC skupine je jednokomponentna radna tvar R134a, koja se uglavnom koristi kao zamjena za R12. Zamjenske radne tvari za R22 u komercijalnim dizalicama topline su zeotropske radne tvari R407C i R410A. S obzirom da radne tvari iz skupine HFC-a imaju zna ajan utjecaj na efekt staklenika, F-gas regulativa (EU 842/2006) dananja istraivanja u rashladnoj i klima tehnici te dizalicama topline sve vie usmjerava na primjenu prirodnih radnih tvari kao to su amonijak, uglji ni dioksid, ugljikovodici, te R1234yf. F-gas regulativa donosi novine u istraivanju i primjeni radnih tvari, a one trebaju imati to manji potencijal globalnog zagrijavanja (mali GWP). (Tablica 5)


23Napomena Prikladna za retrofiting U istraivanju Zapaljiva, eksplozivna Pseudo azeotropska RT Klizanje temperature Visok tlak Previsok tlak, Tkr -niska Otrovna

Tablica 5: Ekoloki prihvatljive radne tvari Radna Sastav Zamjena za GWP100 tvarR134a R1234yf R600a R404a R407C R410A R744 R717 R22 143a/125/134a 52/44/4 % 32/125/134a 23/25/52 % 32/125 (50/50 %) R12, R22 R134a R12, R134a R502, R22 R22 1300 4 20 3800 1600 1725 1 0

Primjena Kuanski aparati i mali komercijalni rashladni ureaji Automobilski rashladni ureaji Kuanski aparati Pokretne hladnjae za smrznutu robu Klimatizacija, dizalice topline Split sustavi za hlaenje, dizalice topline Kaskadni rashladni ureaji, dizalice topline Industrijsko hlaenje

3.5 Na ini rada dizalice toplineSustavi grijanja s dizalicom topline mogu biti izvedeni tako da dizalica topline bude jedini izvor topline, a moe se koristiti i s nekim drugim izvorima topline. Razlikujemo sljede e na ine rada dizalica topline: a) monovalentni na in rada b) bivalentno-paralelni na in rada c) bivalentno-alternativni na in rada Monovalentni na in rada dizalice topline Sve toplinske gubitke zgrade (toplinsko optere enje) koje se izra unava prema normi HRN EN 12831 pokriva isklju ivo dizalica topline. U inak dizalica topline se projektira prema vanjskoj projektnoj temperaturi zraka. (Slika 23.) Dizalice topline koje su povezane s tlom (podzemnom vodom ili tlom kao izvorom topline) rade kao monovalentni sustavi grijanja.Ucinak kWprojektna tocka

DT-15C

DIZALICA TOPLINE

Troilo

potrebni ucinak grijanja

DIZALICA TOPLINE

-15 C

20 C

ok

Slika 23. Monovalentni rad dizalice topline

24


Bivalentno-paralelni na in rada dizalice topline Do odre ene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline radi kao jedini izvor topline (slika 24.), a s padom vanjske temperature zraka (npr. -3 C ili nie) uklju uje se paralelno jo jedan toplinski izvor (npr. plinski bojler). Priklju enje drugog toplinskog izvora ovisi o vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom u inku grijanja. Ovaj na in rada koristi se kod dizalica topline kojima je izvor topline zrak.Ucinak kWPomocni grijacPG

projektna tocka potrebni ucinak grijanjaDT-3C DT-15C

DIZALICA TOPLINE

Troilo

DIZALICA TOPLINE

-15 C

-3 C

20 C

ok

Slika 24. Bivalentno-paralelni rad dizalice topline

Bivalentno-alternativni na in rada dizalice topline Do odre ene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline e biti jedini izvor topline, koja, ovisno o karakteristici grijanja, odgovara maksimalnoj temperaturi polaznog voda od 55 C (slika 25.). Daljnjim padom vanjske temperature zraka uklju uje se drugi izvor topline, koji dalje ostaje jedini u radu (npr. plinski bojler). To ka za promjenu sustava grijanja u ovom primjeru iznosi -1 C. Ovaj na in rada sustava grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog reima 90/70 C ili 80/60 C.Ucinak kW

projektna tockaPG DT-1C

DIZALICA TOPLINE

Pomocni grijac

Troilo

potrebni ucinak grijanja

DIZALICA TOPLINE -15 C -1 C 20 Cok

Slika 25. Bivalentno- alternativni rad dizalice topline


25

3.6 Dizalica topline za zagrijavanje PTV-aDizalice topline koje rade s jednostupanjskom kompresijom i u dananje vrijeme uobi ajenim radnim tvarima, mogu ostvariti temperaturu vode oko 50-55 C. Dizalice topline s dvostupanjskom kompresijom, ili one koje rade po transkriti nom procesu s radnom tvari CO2, mogu posti i zna ajno viu temperaturu potrone vode. Na slici 26. prikazan je primjer zagrijavanja PTV-a putem kondenzatora smjetenog u spremnik PTV-a.izlaz tople vode regulator spremnik kompresor

kondenzator ispariva

priguni ventil ulaz hladne vode

Slika 26. Dizalica topline zrak voda za zagrijavanje PTV-a

Koritenje topline kondenzacije na rashladnicima vode Rashladnici kapljevine ("chilleri") koriste se za posredne sustave hla enja. U ve ini slu ajeva u rashladniku kapljevine rashladnom agregatu, hladi se voda u temperaturnom reimu 12/7 C. Ohla ena voda cirkulira pomo u pumpi kroz ventilokonvektore koji su postavljeni po prostorijama zgrade i na njima se hladi zrak, ili voda cirkulira kroz hladnjake zraka koji su smjeteni u centralnim jedinicama za pripremu zraka, klima-komorama. Osnovna podjela rashladnika kapljevine prema na inu hla enja njihovih kondenzatora je na: vodom hla ene kondenzatore zrakom hla ene kondenzatore Ako je kondenzator rashladnog agregata hla en zrakom, agregat se postavlja u slobodnu okolinu, naj e e na krovove zgrada. Ako je kondenzator rashladnog agregata hla en vodom, ure aj se instalira u prostoru strojarnice zgrade, a rashladni toranj za vodom hla eni kondenzator nalazi se u slobodnoj okolini. Rashladnici vode koriste se u razli itim industrijskim postrojenjima. Glavnu ulogu imaju u ve im klimatizacijskim sustavima za hla enje zraka, kao to su poslovni objekti, bolnice, ustanove, trgova ki centri. Na slici 27. prikazan je primjer rekuperacije topline pregrijanih para radne tvari i rashladnik vode sa zrakom hla enim kondenzatorom. Toplina pregrijanih para radne tvari na izlazu iz kompresora koristi se za zagrijavanje potrone tople vode. U praksi je sve ve i broj jedinica koje djelomi no ili potpuno koriste toplinu kondenzacije za zagrijavanje potrone tople vode. Najvie su u primjeni radne tvari R407C i R410A.

26


Rekuperator

m

Slika 27. Rashladnik vode sa zrakom hla enim kondenzatorom i rekuperatorom topline

3.7 Apsorpcijske dizalice toplineZa prijenos topline izme u dva toplinska spremnika, kao pogonska energija kod apsorpcijskih rashladnih ure aja/dizalica topline koristi se toplinska energija. Umjesto mehani kog kompresora koji se primjenjuje u kompresijskim ure ajima, ovdje se kao pogonski stroj koristi tzv. "termi ki kompresor", pokretan npr. plinom ili vodenom parom. (Slika 28.) Kao prijenosnik energije u apsorpcijskim dizalicama topline, uz radnu tvar dolazi jo i apsorpcijsko sredstvo. Oni zajedno ine radnu smjesu apsorpcijskih ure aja. U praksi se najvie koriste parovi radnih smjesa voda/litijbromid (H2O/LiBr) i amonijak/voda (NH3/H2O). Kod prvog para smjese primjena je ograni ena najniom dozvoljenom radnom temperaturom koja mora biti via od 0 C.

Slika 28. Shematski prikaz apsorpcijske dizalice topline

Toplinski odnos (gr a g

gr)

jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline definiran je kao:k a g k

Pp

1,2 1,5


27

Toplinski odnos jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline predstavlja omjer toplinskog u inka apsorbera i kondenzatora, u odnosu na toplinski u inak generatora (kuhala). Vrijednosti se kre u od 1,2 do 1,5. Slika 29. daje energetsku usporedbu kompresijske i apsorpcijske dizalice topline, promatraju i lanac pretvorbe energije od primarne do korisne energije (primarni energent je plin).

Slika 29. Energetska usporedba kompresijske i apsorpcijske dizalice topline 3

3.8 Izvori topline za dizalice toplineZa postrojenje dizalice topline od najve eg su zna aja svojstva toplinskog izvora. Moe se re i da je postrojenje za grijanje dizalicom topline onoliko dobro, koliko je dobar njegov toplinski izvor. Kao niskotemperaturni toplinski spremnici koriste se voda (rije na, jezerska, morska i podzemna) zrak, otpadna toplina, sunce, a ispariva se moe zakopati i u zemlju. U tom slu aju tlo predstavlja toplinski spremnik. Da bi se osigurao ekonomi an rad dizalice topline, pred izvor topline se postavlja niz zahtjeva, me u kojima su najvaniji sljede i: toplinski izvor treba osigurati potrebnu koli inu topline u svako doba i na to vioj temperaturi, (slika 30.) trokovi priklju enja toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti to manji energija za transport topline od izvora do ispariva a dizalice topline treba biti to manja

Slika 30. Kvalitativan prikaz djelotvornosti i raspoloivosti izvora topline

3.8.1 Okolini zrak kao izvor topline Najve i i najpristupa niji ogrjevni spremnik topline za dizalice topline predstavlja okolini zrak. Orebreni izmjenjiva topline s prisilnom cirkulacijom zraka koristi se za izmjenu topline izme u zraka i radne tvari (slika 31.). Razlika temperature okolinog zraka, kao izvora topline, i radne tvari koja isparuje, kre e se od 6 do 10 C. Kod izbora ovakve izvedbe dizalice topline potrebno je voditi ra una o sljede em: temperaturi okolinog zraka za danu lokaciju i stvaranju inja i leda na orebrenim sekcijama ispariva a.

28


Slika 31. Dizalica topline zrak-voda

Loa strana zraka kao izvora topline su promjene njegove temperature, to znatno utje e na toplinski mnoitelj dizalice topline. Smanjivanjem temperature okoline smanjuje se i ogrjevni u inak dizalice topline. Ove dizalice topline se ne dimenzioniraju na puno optere enje, odnosno za najnepovoljniju radnu to ku, jer bi u najve em dijelu godine sustav bio predimenzioniran. Ovisno o temperaturi vanjskog zraka, toplinski mnoitelj dizalice topline kre e se od 2,5 do 3,5. Za stvaranje leda na lamelama i cijevima ispariva a najkriti nije su temperature vanjskog zraka od 3 do +2 C, jer kod tih temperatura vanjski zrak sadri prili no veliku koli inu vlage, pa je koli ina nastalog leda dovoljno velika da zatvori kanale za prolaze zraka u ispariva u. Nie vanjske temperature nisu toliko kriti ne, budu i da je sadraj vlage u zraku veoma malen, pa je i koliina nastalog leda mala. Neeljeni utjecaj leda i odle ivanje ispariva a treba uzeti u obzir pri dimenzioniranju dizalice topline. Na temelju dosadanjeg iskustva s dizalicama topline za grijanje zgrada, koje koriste vanjski zrak kao izvor topline, moe se re i da se do -5 C vanjske temperature (u specijalnim slu ajevima do -15 C) moe ekonomski i pogonski opravdano upotrijebiti, a za temperature ispod -5 C bit e potrebno dodatno grijanje na ulje, plin ili elektri nu energiju. Nedostatak dizalica topline koje rade s vanjskim zrakom kao izvorom topline su jaka buka i velika koli ina zraka koja je potrebna zbog njegove male specifi ne topline. Hla enjem zraka za 6 do 8 C dobivaju se optimalni odnosi izme u: koli ine zraka, veli ine ventilatora, veli ine ispariva a i toplinskog mnoitelja. Vano je napomenuti da ugradnjom etveroputnog prekretnog ventila ure aj u ljetno doba moe raditi kao rashladni. Primjer: Dizalica topline zrak-voda s temperaturama i tlakovima radne tvari u radnoj to ki A7/W50 (HRN EN 14511). Na slici 32. prikazani su parametri rada dizalice topline sa zrakom kao izvorom topline temperature +7 C i temperaturnim reimom vode na kondenzatoru 45/50 C. Za navedene uvjete dizalica topline s toplinskim u inkom od 10 kW, postie normirani toplinski mnoitelj 2,8, pri emu elektri na snaga dizalice topline (kompresor, ventilator ispariva , sustav za odle ivanje) iznosi 3,6 kW.


29

Tpot h=50C(pothladenje 3C)

Tkond=53C

Tkom =73C p

Kapljevinski vod

KondenzatorTW1=45C TW2=50C

Tlacni vod

p=14.2 bar

p=14.2 bar

Priguni ventilp=2.6 bar

R134a

Kompresorp=2.6 bar

Zrak T=7C

Usisni vod

Isparivac Tisp=-3C

Tpr=2C(pregrijanje 5C)

Slika 32. Shematski prikaz dizalice topline zrak-voda s parametrima procesa

Neophodni podaci za prora un dizalice topline su standardni podaci u vie radnih to aka o u inku i COP prema normi HRN EN 14511 (tablica 6, slika 33. i slika 34.).Tablica 6: Radne to ke dizalice topline zrak-vodaRadna toka A-7/W35 A2/W35 A7/W35 A20/W35 A-7/W45 A2/W45 A7/W45 A20/W45 Uinak, 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

U inak grijanja dizalice topline, kW

16

Dizalica topline zrak-voda

14pol

= 45 Cpol

= 35 C

12

10

8 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Temperatura okoline, C

Slika 33. U inak dizalice topline zrak-voda za temperature polaza 35 C i 45 C

30


5

Dizalica topline zrak-vodaFaktor grijanja, COP 4pol

= 35 Cpol

= 45 C

3

2

1 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Temperatura okoline, C

Slika 34. Faktor grijanja dizalice topline zrak-voda za temperature polaza 35 C i 45 C

3.8.2 Direktno sun evo zra enje kao izvor topline za dizalicu topline Solarna dizalica topline Energija sunca moe se koristiti kao izravni izvor topline, ili u kombinaciji s drugim izvorima topline. Zrak, povrinske vode i tlo kao izvor topline posredno koriste sun evu energiju. Osnovna prednost izravnog koritenja sun eve energije kao izvora topline je via temperatura isparavanja, a time je ve i i u inak ispariva a nego kod drugih izvora topline. Rezultat je ve i toplinski mnoitelj. U usporedbi s klasi nim kolektorskim sustavom, kod sustava koji uklju uju dizalicu topline su u inkovitost kolektora i kapacitet ure aja ve i, zahvaljuju i nioj temperaturi medija u solarnom kolektoru (najvie +25 C).

Slika 35. Shematski prikaz solarne dizalice topline

U Laboratoriju za toplinu i toplinske ure aje na Fakulteta strojarstva i brodogradnje projektiran je i izveden ispitni sustav sa solarnom dizalicom topline (slika 35.). Osim osnovnih komponenti kompresijske dizalice topline, ure aj je opremljen i mjerilima relevantnih veli ina, koje se preko prihvatnog sustava i razvijenog programskog paketa pohranjuju na ra unalu. Na ispitnom sustavu provedena su mjerenja s ostakljenim i neostakljenim izvedbama kolektora. Rezultati po-


31

kazuju velik utjecaj ozra enja, temperature okoline i brzine vrtnje kompresora na karakteristike sustava. Toplinski mnoitelj, ovisno o temperaturnim uvjetima, dosee vrijednosti od 3 do 7, a nerijetko i vie. Parametri sustava pokazuju visoku razinu ustaljenosti u mjernom vremenu, te time prakti ki omogu uju zapis parametara procesa u vremenu od 10 do 15 minuta. Uzimaju i prosjeke prikupljenih podataka, dobiju se stacionarne to ke procesa. Jedan takav zapis rezultata prikazan je u mjernom protokolu u sljede oj tablici (tablica 7):Tablica 7: Mjerene vrijednosti parametara solarne dizalice topline na dan 23.5.2006. (FSB, Zagreb) Oznaka Mjerene veliine Vrijednost Jedinica 16,9 Temperatura isparavanja C i Temperatura kondenzacije 46 C K Temperatura vode na ulazu u kondenzator 31,6 C w ul Temperatura vode na izlazu iz kondenzatora 43,1 C w iz 31 C Temperatura okoline ok Tlak isparavanja pi 5,12 bar Tlak kondenzacije pK 11,9 bar Maseni protok radne tvari R134a qmRT 66,9 kg/h Maseni protok vode qmw 0,0705 kg/s PEL Elektrina snaga kompresora 623,3 W Frekvencija EM kompresora f 45 Hz Ozraenje 804,4 W/m2 IT Proraunske veliine UINAK ISPARIVAA 2881 W Na strani radne tvari: i = qmRT(h1 h4) o UINAK KONDENZATORA 3441 W Na strani radne tvari: K = qmRT(h2 h3) K 3386 W Na strani vode: K = qmw cpw w K 5,43 Toplinski mnoitelj g 0,94 Uinkovitost kolektora kol

U usporedbi s klasi nim solarnim sustavom, gdje postoje konvektivni gubici kolektora, u slu aju primjene solarnog kolektora u dizalicama topline s izravnom ekspanzijom radne tvari, ti su gubici znatno smanjeni, ili ak postanu prednost kada je temperatura radne tvari, kao u navedenom primjeru, nia od temperature okoline (ili to nije re eno, ako je temperatura apsorberske plo e nia od temperature okoline). 3.8.3 Vode potoka, rijeka, jezera i mora kao izvori topline Naselja uz potoke, rijeke, jezera i mora imaju esto pristupa an i jeftin izvor topline (slika 36.). Takve se vode mogu obi no koristiti pri temperaturama viim od +4 C. Niske temperature izvora topline smanjuju toplinski mnoitelj i ekonomi nost dizalice topline. Na temelju iskustva i prorauna, temperaturna razlika vode ohla ene u ispariva u ne bi trebala biti manja od 4 C (npr. od 4 do 6 C). Koritenje dizalica topline s ovakvim izvorima topline ekonomski je opravdano kad je vanjska temperatura iznad granice od 0 C. Pri tome veliku ulogu imaju poloaj i veli ina rijeke ili jezera. Jezera su, zbog ve e akumulacije u pogledu temperature vode, obi no povoljnija od rijeka. Kod dovoljno velikih jezera i na dovoljno velikim dubinama (oko 20 do 30 m), temperatura vode zimi ne pada ispod 5 C. Nedostatak ovog izvora je ograni enost njegove primjene samo na mali broj potroa a koji lee uz samo jezero. Za udaljenije potroa e investicijski i pogonski trokovi za crpljenje i povratak vode u jezero su preveliki.

32


Slika 36. Dizalica topline voda-voda

3.8.4 Podzemne vode kao izvor topline Temperatura podzemne vode iznosi u ve ini slu ajeva od 8 do 12 C i ovisi o dubini iz koje se voda crpi. Ova se temperatura tijekom godine tek neznatno mijenja, pa je podzemna voda najpovoljniji izvor topline za pogon dizalice topline. Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i ponorni, a prikazani su na slici 37. Razmak izme u ovih bunara treba biti to je mogu e ve i, a po mogu nosti ne manji od 10 m. Crpni bunar treba u svim etapama pogona imati dovoljnu koli inu vode, odnosno izdanost crpnog bunara je najvanija za projektiranje ove dizalice topline.

Slika 37. Dizalica topline voda-voda

Potopljena crpka ugra uje se obi no do dubine 15 m, kako bi se smanjili pogonski trokovi pumpe. Ispod pumpe se ostavlja slobodna visina bunara koja omogu ava nakupljanje pijeska i ne isto a. Promjer bunara je obi no 220 mm ili ve i. Protok pumpe za vodu prora unava se na temperaturnu razliku vode na ispariva u od 4 do 5 C. Za dizalice topline koje koriste vodu kao toplinski izvor, norma HRN EN 14511 odre uje radnu to ku W10/W35, pri emu je temperaturni reim vode na ispariva u 10/5 C, a na kondenzato-


33

ru 30/35 C. Manja temperaturna razlika izme u toplinskih spremnika kao posljedicu ima porast vrijednosti toplinskog mnoitelja, koji iznosi za komercijalne dizalice topline priblino 5,5. (Tablica 8) Za radnu to ku W10/W55 toplinski mnoitelj iznosi priblino 3,5.Tablica 8: Radne to ke komercijalnih dizalica topline voda-voda prema HRN EN 14511 Parametri / Temperaturni reimi W10/W35* W10/W55** Uinak grijanja, kW 11,6 10,9 10,2 9,6 El. snaga privedena sustavu, kW 2,1 1,9 3,0 2,7 Faktor grijanja 5,5 5,7 3,5 3,6 * Temperaturni reim vode na ispariva u: 10/5 C; Temperaturni reim vode na kondenzatoru: 30/35 C ** Temperaturni reim vode na ispariva u: 10/5 C; Temperaturni reim vode na kondenzatoru: 50/55 C

Primjer: U primorskom dijelu Hrvatske, 80 m od mora, izveden je crpni bunar dizalice topline voda-voda. Na udaljenosti 15 m od crpnog bunara, ugra en je ponorni bunar. Shematski prikaz sustava prikazan je na shemi danoj na slici 38.

Slika 38. Na in spajanja crpnog i ponornog bunara s dizalicom topline

Nakon dvije godine koritenja sustava za grijanje obiteljske ku e, temperatura podzemne vode na dubini 22 m iznosi 13,5 C. U krug podzemne vode ugra en je me uizmjenjiva topline, izra en od titana, kako bi se ispariva zatitio od korozivnog djelovanja podzemne vode (morska voda). Parametri za dizalicu topline voda-voda, u inka 14,4 kW (VWS 101/2) su sljede i: Temperaturni reim na me uizmjenjiva u: 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 mnoitelj za temperaturni reim ogrjevne vode 35/30 C iznosi 5,1. 3.8.5 Tlo kao izvor topline Tlo predstavlja ogroman toplinski spremnik koji se moe koristiti za grijanje i hla enje prostora. Iako se hla enje moe ostvariti neposrednim koritenjem izmjenjiva a topline u tlu, za grijanje je

34


u pravilu potrebno upotrijebiti dizalicu topline. Ugradnjom prekretnog ventila, dizalica topline se zimi moe koristiti za grijanje, a ljeti za hla enje. Glavna prednost zemlje kao izvora ili ponora topline je u njezinoj relativno konstantnoj temperaturi ve na dubini od 2 m (od 7 do 13 C), koja omogu uje rad dizalice topline u optimalnoj projektnoj to ci, bez dnevnih i sezonskih varijacija. Norma HRN EN 14511 definira radnu to ku dizalice topline tlo-voda B0/W35 za temperaturni reim glikolne smjese na ispariva u 0/-3 C i temperaturni reim vode na kondenzatoru 30/35 C. Komercijalne dizalice topline za navedene uvjete imaju faktor grijanja oko 4,5. (Tablica 9) Faktor grijanja za radnu to ku B0/W55 i temperaturni reim vode na kondenzatoru 50/55 C je zna ajno manji i iznosi oko 3,0.Tablica 9: Radne to ke komercijalnih dizalica topline tlo-voda prema HRN EN 14511 Parametri / Temperaturni reimi B0/W35* B0/W55** Uinak grijanja, kW 10,4 10,8 9,5 9,8 El. Snaga privedena sustavu, kW 2,4 2,4 3,3 3,3 Faktor grijanja 4,4 4,5 2,9 3,0* Temperaturni reim glikolne smjese na ispariva u: 0/-3 C; Temperaturni reim vode na kondenzatoru: 30/35 C ** Temperaturni reim glikolne smjese na ispariva u: 0/-3 C; Temperaturni reim vode na kondenzatoru: 50/55 C

Horizontalna izvedba izmjenjiva a Horizontalna izvedba izmjenjiva a topline (slika 39.) zahtijeva neto nie investicijske trokove, ali zbog nedostatka potrebne slobodne povrine esto je primjenjiva samo u ruralnim podru jima.

Slika 39. Dizalica topline tlo-voda (horizontalna izvedba izmjenjiva a u tlu)

Potrebna slobodna povrina je otprilike dvostruko ve a od grijane povrine objekta. Naj e e se izmjenjiva topline polae u tlo u obliku snopa vodoravnih cijevi, na dubini od 1,2 do 1,5 m, s me usobnim razmakom cijevi od 0,5 do 1 m, ovisno o sastavu i vrsti tla. Priblino na svaki m2 grijanog prostora treba u zemlju poloiti 1,5 do 2 m cijevi. Izmjenjiva ke sekcije, koje se paralelno spajaju, trebaju biti podjednake duine radi lakeg balansiranja izmjenjiva a. Duina jedne izmjenjiva ke sekcije iznosi do 100 m. Promjer polietilenske cijevi ve inom iznosi 25 ili 32 mm. U inak izmjenjiva a, ovisno o svojstvima tla, kre e se u granicama od 15 do 35 W/m2 (tablica 10), pri emu se najbolja u inkovitost dobiva za glineno tlo i tlo s podzemnim vodama. Toplinski izvor se regenerira, zahvaljuju i sun evom zra enju, kii ili rosi. Izmjenjiva ke sekcije se mogu postavljati i u kanale (rovove), a time su potrebe za slobodnom povrinom smanjene.


35

Tablica 10: Specifi ni u inak horizontalnog izmjenjiva a u tlu, ovisno o sastavu tla Vrsta tla Specifini uinak, W/m2 Suho pjeano tlo 10-15 Mokro pjeano tlo 15-20 Suho glinasto tlo 20-25 Mokro glinasto tlo 25-30 Tlo s podzemnom vodom 30-35

Vertikalna izvedba izmjenjiva a Vertikalna izvedba buotine (slika 41.) u koju se ulae izmjenjiva od 60 do 150 m ili 200 m dubine, esto je prihvatljiva u gusto naseljenim podru jima, pogotovo na mjestima gdje je okoli ure en, pri emu dolazi do minimalnih promjena vanjskog izgleda okoline.

Jednostruka U-cijev

Dvostruka U-cijev

Koaksijalna cijev

Slika 40. Na ini izvedbe buotinskog izmjenjiva a topline

Slika 41. Dizalica topline tlo-voda (vertikalna izvedba izmjenjiva a u tlu)

Ovakvi su sustavi iroko prihva eni u razvijenom svijetu, u emu prednja e vedska, SAD, Austrija, Njema ka, vicarska i Francuska. Koliko se topline moe oduzeti tlu ovisi o njegovom sastavu i vlanosti, te mjestu polaganja izmjenjiva a topline, (tablica 11). Do sada provedena istraivanja, kao i u praksi instalirani sustavi, pokazuju da je temperatura tla na dubini od 2 m otprilike 7 do 10 C, a na dubini do 100 m izme u 12 i 15 C. Izmjenjiva (prethodno tvorni ki montiran) u tlo se polae u tri osnovne izvedbe: kao jednostruka U cijev kao dvostruka U cijev kao koaksijalna cijev, pri emu kroz unutarnju PE cijev struji hladni medij (voda + glikol), dok se kroz vanjsku metalnu cijev zagrijani medij vra a na ispariva .Tablica 11: Parametri dizalice topline s vertikalnim buotinamaUinak vertikalnog izmjenjivaa Promjer PE cijevi Promjer buotine Ispuna buotine Toplinska vodljivost tla 20-85 W/m 25, 32, 40 mm 80-150 mm (250 mm) smjesa bentonita i cementa 1-3 W/(m K)

36


Kod instalacija s izmjenjiva em u vertikalnoj buotini, kod normalnih hidrogeolokih uvjeta, uzima se da je srednji u inak izmjenjiva a s dvostrukom U cijevi 50 W/m (prema VDI 4640). Pouzdaniji rezultati dobiju se na licu mjesta, mjerenjima svojstava tla. Protok pumpe za glikolnu smjesu prora unava se na temperaturnu razliku glikola na ispariva u od priblino 3 C.Tablica 12: Specifi ni u inak buotinskog izmjenjiva a topline (BIT) u izvedbi dvostruke U cijevi (VDI 4640) Vrsta tla Specifini uinak, W/m ljunak, pijesak( suh) < 20 ljunak, pijesak( provodi vodu) 55-65 Glina, ilovaa( vlano) 30-40 Vapnenac (masivni) 45-60 Pjeenjak 55-65 Kiseli magmatiti (npr. granit) 55-70 Bazini magmatiti (npr. bazalt) 35-55 Gnajs 60-70

Literatura[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] ASHRAE Handbook, Refrigeration, Atlanta, 2006. T. urko: Radni udbenik: Hla enje i dizalice topline, FSB, Zagreb, 2008. O. Fabris: Kompresijske ili apsorpcijske dizalice topline, Klima forum 2009., Zadar E. Granryd: Introduction to refrigerating engineering, Part I, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2005. E. Granryd: Introduction to refrigerating engineering, Part II, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2005. V. Soldo: Teorijska i eksperimentalna analiza dizalice topline sa solarnim kolektorima, Doktorski rad, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2004. V. Soldo, V. Zanki, M. Grozdek, T. urko: Svojstva zamjenskih radnih tvari, 18. me unarodni simpozij o grijanju, hla enju i klimatizaciji Interklima 2005, Zbornik radova, str. 109-119, Zagreb, 2005. V. Soldo, T. urko, M. Grozdek: Konvencionalno grijanje ili grijanje dizalicom topline, Interklima 2009., Zbornik radova, str. 51-58, Zagreb, 2009. V. Soldo, M. Ruevljan, T. urko: Ispitna dizalica topline sa sondom dubine 100 metara, Klima forum Zadar 2009. J. Spitler, J. Cullin: Misconceptions regarding design of ground-source heat pump systems, Proceedings of the World Renewable Energy Congress, Glasgow, 2008. S.K. Wang: Handbook of air conditioning and refrigeration, McGraw-Hill, 2000. Hrvatska norma HRN EN 14511: Klimatizacijski ure aji, rashladnici kapljevina i dizalice topline s kompresorima na elektri ni pogon za grijanje i hla enje prostora VDI Richtlinien, Ground source heat pump systems, VDI 4640, Part 2, Berlin, 2001. Tehni ka dokumentacija, Vaillant, Viessmann R. DiPippo: Geothermal Power Plants Principles, Applications and Case Studies. Oxford: Elsevier Ltd, 2005. R. Bertani: World Geothermal Generation in 2007. Proceedings of the European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 2007. H. Gupta, S. Roy: Geothermal Energy: An Alternative Resource for the 21stCentury. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007. R. Bonjak, S. ubri , M. Golub, K. Grabovski, K. Jeli , I. Kolin, S. Ko ak, I. Kulenovi , D. Mio ev, Z. Pravica, D. Rajkovi , B. Salopek, J. Se en, L. Stani i : A Program of geothermal energy usage in the Republic of Croatia. Zagreb, Croatia: Energy Institute "Hrvoje Poar", 1998. Tako er: www.eihp.hr C. Clauser: Geothermal Energy., Heinloth K, editor. Group VIII: Advanced Materials and Technologies. Heidelberg-Berlin: Springer Verlag, 2006. p. 493-604.

[19]

Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije

Instrument pretpristupne pomoi (eng. Instrument for Pre-Accession Assistance IPA) pretpristupni je program za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje dosadanje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD. Osnovni ciljevi ovog programa su pomo u izgradnji institucija i vladavine prava, ljudskih prava, ukljuujui i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme, ekonomski i drutveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju te regionalnu i prekograninu suradnju. IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala doprinosi jaanju gospodarske i socijalne kohezije, te prioritetima Europske strategije zapoljavanja u podruju zapoljavanja, obrazovanja, strunog osposobljavanja i socijalnog ukljuivanja. Europsku uniju ini 27 zemalja lanica koje su odluile postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine. Zajedniki su, tijekom razdoblja proirenja u trajanju od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije i odrivog razvoja, zadravajui pritom kulturalnu raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska unija posveena je dijeljenju svojih postignua i svojih vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

Europska komisija izvrno je tijelo EU.

Vie o projektu na www.ipa-oie.com

Documents

05 Geotermalna Handbook