Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu

Primjena dizalica topline na morsku vodu za grijanje i hlađenje prostora

dr.sc. Vladimir SOLDO, dipl.ing.stroj.

Zagreb, 09. lipnja 2015

RADIONICA Proizvodnja električne i toplinske energije iz

obnovljivih izvora energije za vlastite potrebe

2

SADRŽAJ

1. UVOD 2. UČINKOVITOST DIZALICA TOPLINE 3. RAZLIČITI IZVORI TOPLINE 4. MORSKA VODA KAO TOPLINSKI SPREMNIK 5. IPA projekt GeothermalMapping

3

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

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):

U Lučkom terminalu u Splitu 1979. godine ugrađena jedna od prvih domaćih dizalica topline učinka grijanja 2x375 kW (45°C/40°C), te učinka hlađenja 600 kW (12°C/7°C). Uređaj je proizvela splitska tvrtka Termofriz. Koristila se za grijanje/hlađenje putničkog terminala, a koristila je morsku vodu kao toplinski spremnik.

Prema broju instaliranih jedinica u svijetu dizalice topline s tlom ili vodom kao izvorom energije bilježe jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije.

Iskustva iz europskih zemalja pokazuju da dolazi ili će doći i u Hrvatskoj do ekspanzije u primjeni dizalica topline u sustavima grijanja i hlađenja.

4

UVOD

EGEC izvješće o instaliranom kapacitetu dizalica topline, 2014

Broj instaliranih dizalica topline u Njemačkoj

5

Učinkovitost dizalice topline - COP i SPF dizlice topline

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

komp

kondgr )(

PCOP Φ

=ε

Godišnji toplinski množitelj εgr,G (Sesonal Performance Factor - SPF) dizalice topline koristi se za proračun i dimenzioniranje sustava grijanja, a računa se pomoću sljedećeg izraza:

ΣQGR – godišnja potrebna toplinska energija za grijanje prostora, kWh ΣQPTV – godišnja potrebna toplinska energija za zagrijavanje PTV, kWh ΣEsust - ukupna godišnja el. energija utrošena na: pogon kompresora, pumpi, ventilatora, pomoćnih grijača, te odleđivanje isparivača, kWh

( )

∑

∑ +=

godsust

godPTVGR

E

QQSPF

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.

6

MJERENE VRIJEDNOSTI SPF-a

Mjerena vrijednost godišnjeg faktora grijanja (SPF3) dizalice topline tlo-voda na 56 različitih lokacija diljem Njemačke.

Dizalice topline TLO-VODA

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,550 75 63 49 83 32 48 46 73 33 31 61 129 56 77 7

131 40 84 42 16 65 24 79 103

127 34 67 139 20 10 78 76 64 124 36 135

117 6 43 18 132 27 111

116 72 74 2 81 109 28 138

130 29 5

113

Lokacija

SPF,

-

Mjerenja SPF-a provedena: 07. mj 2007. - 06. mj 2010.

prosječni SPF = 3,88

7

ISPITNI SUSTAV izveden u Laboratoriju za toplinu i toplinske uređaje FSB-a

Geotermalna dizalica topline na FSB-u

SPF ≈ 3,85 OIE: 74 %

8

Tlo kao izvor topline - Rezultati mjerenja

Parametri dizalice topline za karakterističan dan, FSB, 02.03.2011.

9,39

8,58

8,34

8,62

5,51

5,22

5,45

8,49

8,94

8,76

6,43 10,5911,57

6,07

5,826,857,25

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 13Soil temperature, °C

Dep

th (p

ositi

on o

f the

rmoc

oupl

e), m

02 March 2011; 07.00am02 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.

123456789

101112131415

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

Tem

pera

tura

, °C

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

9

PODZEMNE VODE KAO IZVOR TOPLINE

Dizalica topline voda-voda, HS Produkt Karlovac, Ukupni učinak grijanja 2 MW

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

Radne točke dizalice topline voda-voda prema HRN EN 14511

10

Lokacija: Varaždin Neto površina: 195 m2

QHnd: 19,97 kWh/(m2god) Dizalica topline: 8 kW, voda/voda

SPF= 4,4 (77,3 % OIE) Akumulacijski spremnik: 500 lit. Spremnik sanitarne vode: 300 lit. Cijevni vakuumski kolektori: 9 m2 Podno grijanje/hlađenje (pasivno) Ventilacija: rekuperator s podzemnim izmjenjivačem

Primjer iz PRAKSE - obiteljska kuća Grđan

PODZEMNE VODE KAO IZVOR TOPLINE

11

MORSKA VODA kao toplinski spremnik

Ropsten, Švedska – dizalica topline kapaciteta 180 MW

isporučuje toplinsku energiju za 60 % potreba grada Stockholma

Temperatura mora na dubini 15 m u zimskim mjesecima +4°C

370 km distribucijskog cjevovoda za grijanje, ali i pasivno hlađenje

12

MORSKA VODA kao toplinski spremnik

Dramen, Norveška – amonijačna dizalica topline kapaciteta 13 MW

Svaki objekt veći od 1000 m2 priključen na sustav daljinskog grijanja

Zahvat vode na 40 m dubine (oko 8⁰C) 800 m od obale

Ispust 600 m od obale (razlika temp. na isparivaču od 4⁰C)

Polaz u krug daljinskog sustava grijanja od 60⁰C do 95 ⁰C

Godišnji toplinski množitelj oko 3,0 Godišnje se dizalicom topline isporuči 67 GWh

toplinske energije Uštede na energentu godišnje iznose 2 690 000 €

13

Parametri vezani za primjenu dizalica topline s morskom vodom kao toplinskim spremnikom:

Temperatura mora i salinitet mora Vanjska temperatura zraka Geologija tla i pristupačnost terena Godišnje potrebe za grijanjem i hlađenjem Distribucija ogrjevnog/rashladnog medija, dostupnost potrošača Sigurnosni zahtjevi

MORSKA VODA kao toplinski spremnik

14

Temperatura mora u Hrvatskom priobalju

Srednji godišnji hod temperature mora, postaja OC18 Istra, u površinskom dijelu i na dubini 30 m (1998.-2010.)

Srednji godišnji hod temperature mora, postaja OC12 Zadar, u površinskom dijelu i na dubini 30 m (1997.-2010.)

Izvor: Institut za oceanografiju i ribarstvo, Split 2012.

15

Temperatura i salinitet mora

Srednji godišnji hod temperature mora, postaja Splitska vrata

Srednji godišnji hod saliniteta mora, postaja Splitska vrata

Izvor: Institut za oceanografiju i ribarstvo, Split 2012.

16

Temperatura i salinitet mora

Srednji godišnji hod temperature mora, postaja OC3, luka Ploče

Srednji godišnji hod saliniteta mora, postaja OC3, luka Ploče

Izvor: Institut za oceanografiju i ribarstvo, Split 2012.

17

Pojednostavljeni shematski prikaz dizalice topline s morem kao izvorom topline, hotel Le Méridien Lav, Split.

Naselja uz mora, jezera i rijeke imaju izvor topline u mnogim slučajevima pristupačan i jeftin.

PRIMJERI IZ PRAKSE - Morska voda kao izvor topline

18

PRIMJERI IZ PRAKSE - Morska voda kao izvor topline

Dizalica topline u hotelskom kompleksu Punta Skala Zadar

Učinak grijanja 3x1,2 MW

Terenska nastava, 20.11.2014.

19

PRIMJERI IZ PRAKSE – Podzemna (morska) voda kao izvor topline

Dizalica topline voda-voda, Novi Vinodolski

Dizalica topline voda-voda: - učinak grijanja 25 kW - pasivno hlađenje Zahvat vode: - 34 m Kapacitet bunara: 4,3 m3/h Temperatura vode: 13 °C

Crpni bunar promjera 130 mm

20

PRIMJERI IZ PRAKSE - Podzemna (morska) voda kao izvor topline

Dizalica topline u hotelu Parentium Poreč

Dizalica topline voda-voda: - učinak grijanja 2x795 kW (10/5; 55/50 °C) - učinak hlađenja 2x692 kW (12/7 C; 30/35 °C) Zahvat vode: - 40 m Kapacitet bunara: 288 m3/h Temperatura vode: 12-14 °C

21

IPA projekt Geothermal Mapping - OSNOVNI PODACI

Projektni tim FSB: Luka Boban Projektni tim HGI: Staša Borović Administrativno osoblje: Leon Lepoša Josip Terzić Irena Slunjski Marko Mandić Kosta Urumović Dubravka Klišmanić Marino Grozdek Hrvoje Burić Božica Habek Miroslav Ruševljan Ladislav Fuček Boris Halasz Anita Grizelj Srećko Švaić Tonko Ćurko Vladimir Soldo, voditelj projekta

Broj natječaja: IPA IIIC, Aktivnost 2.2.1. Fond za ulaganje u znanost i inovacije/SIIF, 2. poziv, IPA2007/HR/16IPO/001-0405, EuropeAid/131920/M/ACT/HR, Grant shema Naziv projekta: Istraživanje i promocija korištenja plitkih geotermalnih potencijala u RH Research and the promotion of use of shallow geothermal potential in Croatia Nositelj: Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu Partner: Hrvatski geološki institut Suradnici: 6 tehničkih i strukovnih škola, te jedan institut Trajanje projekta: 24 mjeseca (04.06.2013. – 03.06.2015.) Vrijednost projekta: 509.695,36 eur (sufinanciranje 91.133,53 eur; 17,88 %)

22

Osam istražnih lokacija diljem Hrvatske

Tehnička škola Čakovec

Strukovna škola Gospić

Strojarska tehnička škola Osijek

Tehnička škola Požega

Tehnička škola Zadar

Srednja strukovna škola Kralj Zvonimir Knin

Institut za poljoprivredu i turizam Poreč

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

PROVEDBA PROJEKTA

23

Projekt uključuje: Pokretanje mapiranja geotermalnog potencijala tla za potrebe grijanja/hlađenja u Republici Hrvatskoj

I. FAZA: - Bušenje ukupno 7 bušotina dubine 100 m, te jednu dubine 130 m - Uzorkovanje tla (Hrvatski Geološki Institut) II. FAZA: - Ugradnja optičkog mjernog kabela u BIT - Ugradnju bušotinskog izmjenjivača topline (BIT), cementiranje bušotine III. FAZA: - Mjerenje toplinskih svojstava tla s tri metode DTRT (Distributed Thermal Response Test)

TRT (Thermal Response Test)

Izravno mjerenje na uzorcima tla IV. FAZA: - Opremanje škola dizalicom topline i spajanje s bušotinskim izmjenjivačima topline - Prijenos znanja i opreme na suradničke institucije, a time i na buduće generacije - Puštanje sustava u rad

PROVEDBA PROJEKTA

24

I FAZA: Bušenje i uzimanje jezgre

Radove bušenja na svih osam lokacija izvela tvrtka GEOservis A.S. iz Sesvetskog Kraljevca.

Bušenje s uzimanjem jezgre tla

Radovi bušenja na lokaciji Strojarske tehničke škole Osijek počeli 23.04.2014.

Determinacija jezgre od strane HGI

25

I FAZA: Uzorci jezgre s 8 lokacija bušenja

Osijek

Knin Poreč

Gospić

Zagreb

Požega Čakovec

Zadar

26

upotreba optičkog kabela za mjerenje temperature – ugradnja unutar U-cijevi mogućnost mjerenja temperature duž bušotine s maksimalnom razlučivosti do 0,7 m provedba prvog takvog mjerenja u Hrvatskoj

II FAZA: Polaganje optičkih kabela unutar cijevi izmjenjivača

Polaganje optičkih kabela u Osijeku, konzultant dr.sc. Jose Acuna (KTH Stockholm)

Zavarivanje sonde

Tlačna proba pod tlakom od 12 bara

Polaganje optičkih kabela

27

Polaganje BIT-a 100 m dubine u Tehničkoj školi u Zadru

II FAZA: Polaganje toplinske sonde i cementiranje bušotine

Polaganje toplinske sonde na lokaciji

Požega

Nakon ispune bušotine, Osijek

28

Postavljanje TRT mjerenja

III FAZA: Mjerenje toplinskih svojstava tla DTRT metodom

Zavarivanje optičkih kabela DTRT mjerenje

29

Nedirnuta temperatura tla po visini bušotine Zagreb, Ivana Lučića 5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

8 9 10 11

Dep

th [m

]

Temperature [°C]

Nedirnuta temperatura tla, Stochkolm (Acuna, KTH 2010.)

Rezultati mjerenja nedirnute temperature tla

Nedirnuta temperatura tla, Osijek, Strojarska tehnička škola

Osijek, 30.05.2014.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

13 14 15 16 17

Temperatura, °C

Dub

ina,

m Cijev goreCijev dolje

30

REUZLTATI PROJEKTA

Toplinska provodnost tla λ, W/(m*K) Nedirnuta temperatura tla ϑtla, °C

0 1 2 3

80-94

78-80

66-78

54-56

50-54

18-50

8-18

Sect

ion

inte

rval

, m

λ, W/(m K)

Thermal conductivity of the ground

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

80-94

78-80

66-78

54-56

50-54

18-50

8-18

Sect

ion

inte

rval

, m

R b, (K m)/W

Borehole thermal resistance

31

IV. FAZA: Opremanje škola dizalicom topline i spajanje s BIT-om

Mogućnost rada dizalice topline u režimu grijanja i hlađenja

- Dizalica topline proizvođača FrigoPlus (Sesvete) kapaciteta 9,5 kW u režimu grijanja (prekretni ventil)

32

HVALA NA PAŽNJI! dr.sc. Vladimir Soldo, izv.prof.

E-mail: vladimir.soldo@fsb.hr Tel: 01 6168235

www.geothermalmapping.fsb.hr

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Zagrebu Ivana Lučića 5, Zagreb