Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu

IPA projekt GeothermalMapping: PRVA RADIONICA

ISTRAŢIVANJE I PROMOCIJA KORIŠTENJA PLITKIH GEOTERMALNIH POTENCIJALA U RH

Research and the promotion of use of shallow geothermal potential in Croatia

Strojarska tehnička škola Osijek, 12.06.2014.

Prezentacija: Razvoj i primjena dizalica topline

Doc.dr.sc. Marino Grozdek, dipl.ing.stroj.

Prof.dr.sc. Tonko Ćurko

Predstavljeni rezultati istraživanja dobiveni su u sklopu projekta

Istraživanje i promocija plitkih geotermalnih potencijala u RH

Ovaj projekt financiran je od strane Europske unije pod brojem ugovora

IPA2007/HR/16IPO/001-040506, u iznosu od maksimalno 509.695,36 EUR

Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Sadržaj ove publikacije

isključiva je odgovornost autora i ne odražava nužno gledišta Europske unije.

SADRŢAJ

1. UVOD

2. OPĆENITO O DIZALICAMA TOPLINE

Procesi s dizalicom topline

Učinak dizalice topline

3. IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE

4. DIZALICE TOPLINE POVEZANE S TLOM - GEOTERMALNE DIZALICE TOPLINE

5. EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

1. UVOD

Dizalice topline primjenjuju se u svim veličinama, od onih najmanjih za

grijanje stanova, pa sve do sustava koji služe za grijanje čitavih naselja.

Većinom se koriste za niskotemperaturne sustave grijanja, s

temperaturom polaznog voda već od 35 °C u slučaju površinskog grijanja,

te s temperaturom polaznog voda do 55 °C kod zagrijavanja PTV-a.

Izvedbe su moguće u otvorenoj i zatvorenoj izvedbi. Otvorene izvedbe koriste

podzemne ili površinske vode kao izvor/ponor topline na dizalici topline.

Zatvorene izvedbe koriste tlo kao izvor/ponor topline.

Primjena: stambeni i nestambeni sektor, industrija, specifične namjene

Europska direktiva naziva Directive 2009/28/EC of the European Parliament and

of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources

svrstava dizalice topline u obnovljive izvore energije u ovisnosti o minimalnoj

vrijednosti sezonskog toplinskog množitelja (SPF):

OPĆENITO O DIZALICAMA TOPLINE - Princip rada kompresijske dizalice topline

Dizalica topline posreduje u

prijenosu topline između dva

toplinska spremnika:

niskotemperaturnog, kojem se

toplina odvodi, te

visokotemperaturnog, kojem se

ta toplina dovodi, uvećana za

energiju kompresije.

Sustav dizalice topline sastoji se

od tri kruga:

- kruga izvora topline,

- kruga radne tvari i

- kruga ponora topline.

Shematski prikaz dizalice topline u režimu grijanja

Pkomp

kondisp

kond = isp + Pkomp

Učinkovitost dizalice topline: COP i SPF dizlice topline

Toplinski množitelj (COP) ili faktor grijanja dizalice topline definiran je izrazom:

komp

kondgr )(

PCOP

Godišnji toplinski množitelj gr,G (Sesonal performance factor - SPF) dizalice topline koristi se za

proračun i dimenzioniranje sustava grijanja. Računa se preko sljedećeg izraza:

QGR – godišnja potrebna toplinska energija za grijanje prostora, kWh

QPTV – godišnja potrebna toplinska energija za zagrijavanje PTV-a, kWh

Esust - ukupna godišnja el. energija utrošena na pogon kompresora, pumpi, ventilatora, pomoćnog grijača,

te sustava odleđivanja isparivača, kWh

godsust

godPTVGR

E

QQ

SPF

Za postrojenje dizalice topline od najvećeg 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.

IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE

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 (ekonomičan rad do ok = -5 °C).

Naslage leda najveće pri temperaturi zraka oko 0 °C (odleđivanje isparivača svakih 1.5 do 2 sata). Za

temperaturu okoline -10 °C odleđivanje isparivača svakih 5 sati.

Podzemne vode kao izvor topline

Temperatura podzemne vode iznosi u većini slučajeva od 8 do

13 °C i ovisi o lokaciji i 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.

Temperatura podzemne vode se tijekom cijele godine neznatno ili uopće ne mijenja te je

podzemna voda najpovoljnija kao izvor topline za pogon dizalice topline.

Potopljena crpka ugrađuje se obično do dubine

20-25 m kako bi se smanjili pogonski troškovi

pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna visina

bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i

nečistoća.

Protok pumpe za vodu proračunava se na

temperaturnu razliku vode na isparivaču od 4 °C

(5 °C).

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 reţim vode na isparivaču: 10/5 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 30/35 °C

**Temperaturni reţim vode na isparivaču: 10/5 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 50/55 °C

Učinkovitost dizalice topline VODA-VODA

Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjivača

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

Regeneracija toplinskog izvora događa se zahvaljujući Sunčevom zračenju, kiši ili rosi.

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

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.

*Temperaturni reţim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 30/35 °C

**Temperaturni reţim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 50/55 °C

UČINKOVITOST DIZALICE TOPLINE

Razdjeljivač i sakupljač kolektorskog polja Polaganje horizontalnog izmjenjivača –

kolektorskog polja Krapina

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

Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjivača

PRIMJENA: - obiteljska domaćinstva

- stambeni sektor

- poslovni objekti

- škole i vrtići

- bolnice

- športski centri

- plastenici

- specifične namjene

PROVEDBA: - definiranje regulative oko bušenja tla

- geološka karta RH

- certificiranje izvođača bušotina

- investicija (bušenje 50 eur/m)

- poticaji

Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjivača

Izmjenjivač topline (tvornički predmontiran) se u

tlo polaže najčešće kao dvostruka U cijev.

Učinak vertikalnog izmjenjivača

20 ÷85 W/m

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)

Temperatura tla na dubini od 2 m iznosi 7 do

10 °C, a na dubini do 100 m temp. tla se kreće

između 10 i 13 °C.

Parametri dizalice topline s vertikalnim

bušotinama

Izmjenjivač se u bušotinu ulaže na dubini od

60 do 150 m (200 m).

Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjivača

voda+glikol

vertikalna

bušotina

(izmjenjivač)

ispuna

GEOTERMALNA DIZALICA TOPLINE NA FSB-u

3

2

1

1 - uteg

2 - U cijev

3 - obujmica

Poprečni presjek bušotine

3

2

4

4 - ispuna

152 mm115

Toplinska

sonda sutegom

32

Prije polaganja sonde u bušotinu provedena je tlačna 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.

Tlačna proba i ugradnja sondi

IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVAČEM 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

IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVAČEM TOPLINE

Rezultati mjerenja

Parametri dizalice topline za

karakterističan dan, FSB, 02.03.2011.

DT u režimu

grijanja

9,39

8,58

8,34

8,62

5,51

5,22

5,45

8,49

8,94

8,76

6,4310,59

11,57

6,07

5,826,85

7,25

3,30

4,73

4,72

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Soil temperature, °C

Dep

th (

po

siti

on

of

ther

mo

cou

ple

), m

02 March 2011; 07.00am

02 March 2011; 07.00pm

Mjerene veličine Parametar

07.00 sati 19.00 sati

Temp. glikolne smjese – POLAZ, °C 3,86 -1,07

Temp. glikolne smjese – POVRAT, °C 8,74 2,82

Temperatura grijanog prostora, °C 9,61 13,18

Temperatura okoline, °C -0,04 -0,10

Učinci

Učinak izmjenjivača u tlu, kW 7,10 5,59

El. snaga kompresora, kW 1,65 1,55

Učinak kondenzatora, kW 8,74 7,13

Toplinski množitelj, - 5,31 4,61

Temperatura tla po visini bušotine, FSB 22.03.2010.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Vrijeme, h

Tem

per

atu

ra, °

C

Tok, °C10 m5 m50 m40 m1,5 m20 m30 m85 m70 m100 m; T, °C

Primjer proračuna ekonomske analize različitih sustava grijanja stambene zgrade, A= 400 m2

Analiza ekonomske isplativosti različitih izvora toplinske energije provedena je na primjeru manje

stambene zgrade grijane površine 400 m2, učinka grijanja 18 kW. Procijenjena specifična godišnja

potrebna toplinska energija za grijanje je 80 kWh/(m2 god), što znači da je godišnja potrebna toplinska

energija za grijanje zgrade 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 (vertikalna izvedba izmjenjivača) i voda-voda

s crpnim i ponornim bunarima pretpostavljen je niskotemperaturni površinski sustav grijanja, a dijelom

ventilokonvektorski sustav grijanja s temperaturnim režimom 40/35 °C. Godišnji faktor grijanja dizalice

topline tlo-voda iznosi 3,6, dok je godišnji faktor grijanja dizalice topline voda-voda 4,6. Plinski i uljni

sustav pretpostavljaju centralno radijatorsko grijanje, te dio podnog grijanja.

EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

Stambena zgrada: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), gr = 16 kW

Plin Ulje Dizalica toplinetlo-voda

Dizalica toplinevoda-voda

ENERGETSKA ANALIZA

Godišnja potrebna toplinska energija za grijanje, kWh

32000 32000 32000 32000

Stupanj djelovanja/faktor grijanja 0,8 0,75 3,6 4,6

Efektivna potreba za energijom, kWh 40000 42667 8889 6957

Emisija CO2 8000 11093 3084 2414

Utrošak energenta 4300 m3 4250 lit 8.889 kWh el.en. 6.957 kWh el.en.

EKONOMSKA ANALIZA

Investicija, kn 80.000 72.000 200.000 155.000

Faktor anuiteta 0,096 0,096 0,096 0,096

Trošak kapitala, kn/god 7.707 6.937 19.268 14.933

Cijena energenta, kn/jed mjeri 3,5 7,13 1,14/0,56 1,14/0,56

Cijena energenta, kn/kWh 0,38 0,71 1,14/0,56 1,14/0,56

Pogonski troškovi, kn/god 15.044 30.321 10.929 8.950

Održavanje, kn/god 1.500 2.000 1.000 1.500

Troškovi kapitala i pogona, kn/god 24.251 39.258 31.198 25.384

Troškovi kroz 15 godina, kn 363.772 588.869 467.965 380.753

EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

Stambena zgrada: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), gr = 16 kW

INVESTICIJSKI I POGONSKI TROŠKOVI

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

kn/g

od

Trošak kapitala

Pogonski troškovi

PLIN

ULJEDizalica

topline

tlo-voda

Dizalica topline

voda-voda

h = 0,80 h = 0,75 gr = 3,6 gr = 4,6

EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

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).

Pogonski troškovi su u odnosu na sustave konvencionalnog grijanja značajno niži dok su

investicijski troškovi značajno viši.

Primjenjuju se za grijanje i hlađenje obiteljskih kuća, stambenih naselja, poslovnih jedinica, sportskih

kompleksa, škola, vrtića, bolnica.

ZAKLJUČAK

Osijek, 12.06.2014.

HVALA NA PAŽNJI!

Doc.dr.sc. Marino Grozdek

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Zagrebu

Ivana Lučića 5, Zagreb

E-mail: marino.grozdek@fsb.hr

vladimir.soldo@fsb.hr