SADRAJ:POPIS SLIKA......................................................................................................................... III POPIS TABLICA .................................................................................................................... IV 1 2 3 UVOD................................................................................................................................. 1 DEFINICIJA I OSNOVNI PRINCIP RADA TOPLINSKIH PUMPI ........................... 4 GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE ....................................................................... 83.1 3.23.2.1 3.2.2 3.2.3

Mogui izvori toplinske energije za dizalice topline..........................................................8 Sustavi iskoritavanja geotermalne energije toplinskim pumpama ..............................10GTP-sustav sa zatvorenim krugom ............................................................................................... 11 GTP-sustav sa otvorenim krugom................................................................................................. 12 Tip i duina cijevi kruga................................................................................................................ 12

3.33.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

Trokovi ugradnje toplinske pumpe za potrebe domainstva........................................13Potrebna ogrijevna snaga .............................................................................................................. 13 Kapitalni trokovi.......................................................................................................................... 13 Operativni trokovi........................................................................................................................ 14 Uinkovitost toplinske pumpe....................................................................................................... 14 Temperaturne razlike .................................................................................................................... 15

4

PRIMJER PRORAUNA SUSTAVA GRIJANJA ZGRADE GEOTERMALNOM

TOPLINSKOM PUMPOM ..................................................................................................... 164.14.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Dimenzioniranje buotinskog izmjenjivaa topline.........................................................16Proraun jedinine kvadrature prema ROT................................................................................... 16 Proraun snage kondenzatora........................................................................................................ 16 Odabir kompresora........................................................................................................................ 17 Odreivanje snage isparivaa, potrebne povrine zemljita za GT izmjenjiva i duljine

izmjenjivaa................................................................................................................................................. 18 4.1.4.1 4.1.4.2 Postupak odreivanja parametara iz nomograma ................................................................ 18 Provjera tonosti odreenih parametara............................................................................... 19

4.24.2.1 4.2.2

Proraun ciklusa toplinske pumpe ...................................................................................20Izraun volumena objekta ............................................................................................................. 20 Izraun ogrijevnog faktora ............................................................................................................ 20 Odreivanje volumena za ROT ........................................................................................... 20 Izraunavanje ogrjevnog faktora ......................................................................................... 20

4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.3 4.2.4

Odreivanje entalpija .................................................................................................................... 21 Kondenzator (Toplina koja se oslobaa u kondenzatoru) ............................................................. 21

I

4.2.5 4.2.6

Ispariva (Rashladni uin)............................................................................................................. 21 Kompresor (Utroeni rad kompresora).......................................................................................... 22 Kontrola............................................................................................................................... 22

4.2.6.1 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11

Ogrjevna toplina............................................................................................................................ 22 Dobava freona ............................................................................................................................... 22 Snaga kompresora ......................................................................................................................... 22 Toplina isparavanja .................................................................................................................. 23 Stupanj djelovanja .................................................................................................................... 23

5 6

ZAKLJUAK................................................................................................................... 24 LITERATURA................................................................................................................. 26

II

POPIS SLIKASlika 1: Satelitske slike oteenja ozonskog omotaa................................................................ 2 Slika 2: Temperaturna podruja u pretvaraima topline (Budin, Miheli-Bogdani 2002)....... 4 Slika 3: Podjela radnih tvari koja se koriste u krunim procesima toplinskih pumpi................ 5 Slika 4: Shema kompresijske toplinske pumpe s vanjskim GT izmjenjivaem i unutarnjim sustavom grijanja objekta (Geothermal brochure 2004) .................................................... 6 Slika 5: Idealizirani termodinamiki proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi (Budin, Miheli-Bogdani 2002) .................................................................................................... 7 Slika 6: Usporedba uinkovitosti razliitih sustava grijanja .................................................... 14 Slika 7: Nomogram za dimenzioniranje horizontalnog geotermalnog izmjenjivaa topline (Reu, Sanner 2001) ........................................................................................................ 18 Slika 8: Fazni dijagram freon 12 (CF2Cl2) ............................................................................... 21

III

POPIS TABLICATablica 1: Vodee zemlje u upotrebi GTP (Lund,Sanner,Rybach,Curtis,Hellstrm 2004) 1 Tablica 2: Kriteriji za odabir najpogodnijeg izvora GT energije za dizalice topline................. 9 Tablica 3: Orijentacijske vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tlu ................... 12 Tablica 4: Rezultati dimenzioniranja GT izmjenjivaa............................................................ 19

IV

1 UVODGeotermalne toplinske pumpe(GTP)su jedna od najbre rastuih aplikacija obnovljivih izvora energije, s godinjim prirastom od 10 % u otprilike 30 zemalja svijeta u posljednjih 10 godina. Njihova glavna prednost je u tome to koriste uobiajene temperature tla i podzemnih voda (izmeu 5 i 30 C), koje su dostupne u svim zemljama svijeta. Veina tog rasta uglavnom se odnosi na Sjedinjene Amerike Drave i Europu iako interes znaajno raste i u dravama poput Japana i Turske. Trenutni svjetski ugraeni kapacitet procijenjen je na skoro 12 000 MWt (toplinske) energije, a godinja potronja iznosi oko 72 000 TJ (20 000 GWh). Broj ugraenih jedinica iznosi oko 1 000 000, ali podaci nisu potpuni. Tablica 1 prikazuje vodee zemlje po pitanju upotrebe geotermalnih toplinskih pumpi (GTP). Tablica 1: Vodee zemlje u upotrebi GTP (Lund,Sanner,Rybach,Curtis,Hellstrm 2004) Drava Austrija Kanada Njemaka vedska vicarska SAD MWt 275 435 640 2 300 525 6 300 GWh/god 370 600 930 9 200 780 6 300 Broj jedinica jedinice 000 23 36 000 46 400 230 000 30 000 600 000

U Islandu, Turskoj, Kini i Francuskoj primjenjuje se centralizirano grijanje (npr. grijanje gradskih etvrti), gdje se geotermalnim fluidom koristi vie zgrada za potrebe grijanja prostora i dobivanja tople vode. Grijanje geotermalnom energijom pogodno je za grijanje razliitih javnih ustanova kao npr. kole, bolnice, portske dvorane,poslovne zgrade itd.. Slijedei trendove razvijenih zemalja Republika Hrvatska e svoj energetski sektor zasnivati na racionalnoj potronji energije te na proizvodnji energije iz ekoloki prihvatljivih energenata. Stoga su, prihvativi koncept odrivog razvoja kao nain koji vodi gospodarskom napretku, a uz odranje stanja ravnotee u okoliu ( strategije odrivog razvoja ), Zakonom o energiji (lanak 5., Strategija energetskog razvitka) odreene i temeljne smjernice energetskog razvitka koje se oituju kroz: 1

poveanje energetske uinkovitosti, smanjenje emisija, prvenstveno CO2, SO2 i NOx, iz postojeih energetskih objekata, smanjenje uporabe fosilnih goriva, promicanje koritenja ekoloki prihvatljivih energenata te obnovljivih izvora energije, uvoenje i poticanje drugaijeg naina ponaanja konkretnim mjerama ekonomske politike.

Ozonski omota se posljednjih desetljea sve ozbiljnije oteuje to ilustrira Slika 1.

Listopad 1979100

Listopad 1986200 300

Listopad 1993400 500 Dobson jed.

Slika 1: Satelitske slike oteenja ozonskog omotaa Glavnu ulogu u unitenju ozonskog sloja imaju stakleniki plinovi plinovi koji dolaze u atmosferu preko slijedeih izvora: Aerosoli Proizvodnja odreenih plastinih materijala Odreeni plinovi za gaenje poara Izgaranje fosilnih goriva (ugljen, nafta najvie, plin najmanje) Isputanje radnih tvari (freoni) koritenih u toplinskim ureajima

Prednosti koritenja geotermalnih toplinskih pumpi: EKONOMINOST. Smanjeni trokovi grijanja i hlaenja u stambenim i poslovnim objektima za 50%. TRAJNOST. Trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je u prosijeku 20 godina, a trajnost cijevi geotermalnog izmjenjivaa je odreena garancijom na 25-50 godina ( U.S. DOE 1998 ) NISKI TROKOVI ODRAVANJA.. Ako je sistem ugraen na propisan nain ne zahtijeva gotovo nikakvo odravanje (U.S. DOE 1998 )

2

EKOLOGIJA. Geotermalne toplinske pumpe gotovo ne zagauju okolinu, pa su vaan imbenik u smanjenju oneienja atmosfere. Opasnost po okoli predstavljaju radni mediji koji se koriste, od kojih su mnogi stakleniki plinovi poput Ugljik dioksida CO2, Klorofluorougljici CFC (freoni) koji najvie pridonose unitavanju troposferskog ozona, Hidrofluorougljici HFC R134a sa vremenom zadravanja u atmosferi od 13,8 godina, HFC-23 nastaje kao nusprodukt poizvodnje Hidroklorofluorougljika HCFC R22 sa vremenom zadravanja u atmosferi od 260 godina.

TIHI RAD. Kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domainstvima ili u poslovnim prostorima.

PRILAGODBA. Koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Ljeti za hlaenje, a zimi za grijanje.

FLEKSIBILNOST. Ovakvi geotermalni sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne vrste potroaa. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mreu.

3

2 DEFINICIJA I OSNOVNI PRINCIP RADA TOPLINSKIH PUMPIToplinske pumpe ili dizalice topline pretvarai su topline u kojima je Tmin. To, a Tmax. > To (Slika 2) Ovisno o odnosu maksimalne Tmax. i minimalne Tmin. temperature prema temperaturi okoline To, pretvarai topline obino se dijele (Slika 2) na: Nisko temperaturne, gdje je Tmin. < To, a Tmax. = To, koji se opet prema razini Tmin. dijeli na a Rashladne ureaje Tmin. > 120 K b Kriogene ureaje Tmin. To Kombinirane ureaje, koji imaju funkciju rashladnog ureaja i toplinske pumpe, gdje je Tmin. < To, a Tmax. > To T

Slika 2: Temperaturna podruja u pretvaraima topline (Budin, Miheli-Bogdani 2002) Jedna od daljnjih podjela pretvaraa topline moe biti prema nainu rada i obuhvaa dvije grupe: termomehanike i elektromagnetske. Procesi u termotehnikim sustavima zasnivaju se na povienju tlaka bilo kojeg rashladnog medija. Rad elektromagnetskih sustava temelji se na primjeni konstantnog ili promjenljivog magnetskog ili elektrinog polja. U tehnikoj praksi najrasprostranjeniji su termomehaniki sustavi, koji se ovisno o nainu povienja tlaka, najee dijele na kompresijske i apsorpcijske.

4

Rad kompresijskih ureaja zasniva se na povienju tlaka, a rashladni proces kompenzira se energijom u obliku mehanikog rada. Prema vrsti i agregatnom stanju rashladnog medija dijele se na parne i plinske. U parnim rashladnim ureajima radni medij mijenja agregatno stanje tokom procesa kompresije, kondenzacije i isparavanja nakon ekspanzije (priguivanja). Primjenjuju se one radne tvari koje se lako ukapljuju (Slika 3), a proces kompresije odvija se do temperatura bliskih kritinoj temperaturi ili niih od kritine temperature. U apsorpcijskim ureajima proces se kompenzira potronjom energije u obliku topline, koja se tokom procesa pretvara u mehaniki rad. Do povienja tlaka dolazi termokemijskom reakcijom sorpcije (upijanja) i desorpcije (odvajanja) radnog medija,. Sorpcija, uz odgovarajui sorbent odvija se uz odvoenje topline, a desorpcija radnog medija iz sorbenta popraena je dovodom topline. Radni su medij binarne smjese, koje u toku procesa obino mijenjaju agregatno stanje.

RADNE TVARIP R IR O D N AA m o n ija k -N H 3 U g ljic n i d io k s id - C O 2 P r o p a n -C 3 H 8 V o d a H 2O

S IN T E T IC K A

CFC

HCFC

HFC

R 12 R11

R 22 R 124

R 407c R 134a

Slika 3: Podjela radnih tvari koja se koriste u krunim procesima toplinskih pumpi U procesu rada toplinske pumpe tijelu s niom temperaturom oduzima se energija i predaje tijelu vie temperature, uz utroak rada. Za rad ureaja potreban je davalac topline, koji se moe ohladiti na zadovoljavajuu temperaturu, i potroa tako dobivene topline. Primjena toplinske pumpe omoguuje iskoritavanje energije tijela s relativno niskom temperaturom (npr. Okolni zrak, morska voda, voda nakon hlaenja hidrogeneratora). Kao toplinske pumpe mogu se koristiti sve vrste rashladnuh ureaja, pa prema tome i svi radni mediji koji se u njima upotrebljavaju (NH3, freoni, smjesa NH3/H2O, zrak). Toplinske pumpe su posebno vane u kombiniranom sustavu za grijanje i hlaenje. Danas se najee primjenjuju za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju. Osnovni su elementi ureaja kompresor, kondenzator, priguni ventil i ispariva (Slika 4). Vrsta kompresora odreena je veliinom toplinske pumpe, pa se kod rashladne, tj. toplinske vrijednosti do 450 kW po jedinici koriste klipni kompresori. Centrifugalni (turbo) kompresori 5

upotrebljavaju se u rasponu od 450 do 550 kW. Proces u kondenzatoru moe se odvijati u dva (Slika 4 i Slika 5) ili u tri stupnja, tj. hlaenje, kondenzacija i pothlaivanje rashladnog sredstva. U isparivau se konvekcijom prenosi toplina sa povrine cijevi kroz koju struji radni medij geotermalnog izmjenjivaa na radni medij dizalice topline, a toplinska mo isparivaa ovisi o rashladnoj snazi kompresora. Izvori topline mogu biti : rijeke, jezera , podzemne vode, okolni zrak, zemlja, Suneva energija, otpadni zrak industrijskih procesa, ventilacijskih i klimatizacijskih ureaja, otpadne vode, plinovi izgaranja itd.. Izvori topline moraju imati zadovoljavajuu raspoloivost te konstantnu temperaturu tokom cijele godine, moraju biti isti i inertni prema materijalu od kojega su izraeni ureaji.

INTERIJERRadijator

TOPLINSKA PUMPA

EKSTERIJER

KondenzatorIzlaz vrele vode Bojler Ulaz hladne vode

Kompresor

Ispariva

2 1Horizontalni geotermalni izmjenjiva topline

3Prihvata tekuine

4Ekspanzijski ventil

Voda i antifriz Cirkulacijska pumpa

Podno grijanje

Rasored temperatura tekuine - medija

Slika 4: Shema kompresijske toplinske pumpe s vanjskim GT izmjenjivaem i unutarnjim sustavom grijanja objekta (Geothermal brochure 2004)

6

Temperatura, T (K)

Entropija, s (kJ/kgK) Slika 5: Idealizirani termodinamiki proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi (Budin, Miheli-Bogdani 2002) U jednostavnoj parno kompresijskoj pumpi (Slika 4) protjee proces (Slika 5) na sljedei nain: rashladni medij se komprimira uz potronju mehanikog rada (1 do 2). Sljedi hlaenje i kondenzacija (2 do 3), pri emu osloboenu toplinu preuzima rashladna voda ili zrak kojim se kondenzator hladi. Pomou topline rashladnog medija, zrak ili rashladna voda se zagrijavaju do temperature na kojoj se mogu primijeniti u razliite svrhe, npr. za zagrijavanje. Nakon kondenzacije rashladni se medij priguuje do tlaka i temperature u isparivau (3 do 4). Mokra para sada ulazi u ispariva, oduzima toplinu tijelu koje se hladi (npr. zrak), isparava i vraa se u kompresor. Promjena stanja u isparivau prikazana je linijom 4 do 1. Prema tome, kod svake toplinske pumpe potrebna su dva osnovna izmjenjivaa topline, kondenzator i ispariva. U kondenzatoru se hladi rashladni medij nakon kompresije. Voda za hlaenje kondenzatora se zagrijava te koristi za grijanje prostora, bazena i slino. U ispariva ulazi rashladni medij nakon priguivanja. Vanjski zrak ili voda za grijanje isparivaa, tj. izvor topline se pri tome hladi i primjenjuje za npr. klimatizaciju. Toplinske pumpe se opisuju medijem koji se ohlauje, odnosno toplinskim izvorom i medijem koji se zagrijava (npr. zrak - voda, tlo - voda, voda - voda itd.). Toplinske pumpe koje koriste zrak kao toplinski izvor imaju zadovoljavajuu uinkovitost, ali u velikoj mjeri ovisi o promjenama godinjih doba. Stoga su uinkovitije geotermalne toplinske pumpe, koje za izvor topline koriste zemlju ili podzemnu vodu ija pak temperatura znaajno ne ovisi o godinjem dobu i uglavnom je konstantna. Prema tome zimi su temperature tla i podzemnih voda vie od temperature zraka, a ljeti su nie. 7

3 GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE3.1 Mogui izvori toplinske energije za dizalice toplineNa toplinski izvor se postavlja niz zahtjeva da bi se osigurao ekonomian rad dizalice topline. Meu najvanijima su sljedei: toplinski izvor treba osigurati potrebnu koliinu topline na vioj temperaturi i u svako doba trokovi za prikljuenje toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti mali potreba energije za transport topline od izvora do isparivaa dizalice topline treba biti mala

Mogui izvori energije za dizalice topline su slijedei: Zrak Zemlja Voda Sunce

Kriteriji za ocjenu najpogodnijeg izvora su sljedei: Nivo temperature Raspoloivost na lokaciji i u vremenu Vremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloivosti izvora Mogunost samostalnog koritenja Utroak energije za dovoenje topline do isparivaa Kemijska i fizikalna svojstva no izvora topline Trokovi izvedbe postrojenja Utjecaj na ravnoteu okoline i zagaenje okoline Pogodnost za masovnu proizvodnju

Vrednovanje kriterija po pojedinim izvorima prikazano je u narednoj tablici (Tablica 2)

8

Tablica 2: Kriteriji za odabir najpogodnijeg izvora GT energije za dizalice toplineZrak Zrak u klima tehnici kao izvor topline, rasvjete, ljudi, Sunca Zemlja Akumulirana Suneva energija Podzemna voda Povrinska voda - rijeke Voda Povrinska voda - jezera Povrinska voda - more Sunce Energija sunevog zraenja 0 - 300 Wm2 -25 do +40 C Tijekom 90 % perioda grijanja = 0 C Posvuda Promjenljivo i nepredvidivo

Kriterij za koritenje

Vanjski zrak

Temperaturni ili energetski nivo

- 25 do +20 C

>22 C

8 -15 w/m

2

5 15 C

2 11 C

Min. 4 C

Min. 0 C

Mjesto

Posvuda

Kod grijanja i hlaenja zrakom Ponekad, ovisno o reimu rada

Ponegdje, ovisno od terena Uvijek Djelomino koherentno: raspoloiva energija se smanjuje prema kraju sezone grijanja Da Korozija, stvaranje leda Velik Veliki Uglavnom zanemariv Neutralno

Ponegdje

Ponegdje Ne uvijek, zbog sue i temperatura niih od 2 C

Ponegdje Ne uvijek, zbog niskih temperatura

Ponegdje

Vrijeme

Uvijek

Uvijek

Uvijek

Vremenska podudarnost potronje i raspoloive energije Mogunost samostalnog koritenja Kemijska ili fizikalna svojstva koja oteavaju koritenja Utroak energije za transport izvora topline Trokovi izvedbe postrojenja Utjecaj na energetsku ravnoteu okoline Usklaenost izvora s okolinom (nezagadljivost) Pogodnost za masovnu proizvodnju

Nekoherentno: kad je najvia potreba, ima najmanje energije na raspolaganju

Koherentno: najvia potreba, najvie energije na raspolaganju

Jo koherentno: konstantna raspoloiva energija tijekom godine

Djelomino koherentno ili nekoherentno

Djelomino koherentno

Djelomino koherentno

Nekoherentno: najvia potreba, najmanje energije

Da

Djelomino

Da Korozija CO2 Fe2O3 Uglavnom velik Veliki Nije zanemariv

Djelomino Korozija, prljavtina, soli Raznolik Veliki ili srednji Uglavnom zanemariv Djelomino

Djelomino

Da Prljavtina, soli, alge Raznolik, ee velik Veliki ili srednji Uglavnom zanemariv Neutralno

Jedva mogue

Stvaranje leda

-

Prljavtina, soli

-

Velik Mali ili srednji Nema znatnog utjecaja Da

Mali Nema utjecaja

Raznolik Veliki ili srednji Uglavnom zanemariv Djelomino

Raznolik Veliki Nema utjecaja

Da

Ne

Da

Dobra

Dobra

Umjerena

Dobra

Dobra

Dobra

Dobra

Umjerena

9

3.2 Sustavi iskoritavanja pumpama

geotermalne

energije

toplinskim

Postoje dva osnovna sustava iskoritavanja geotermalne energije s toplinskim pumpama. Prvi sustav ne koristi izravno geotermalni fluid nego sustavom s ukopanim izmjenjivaem topline iskoritava toplinu zemljine kore ili geotermalnog fluida iz buotine takozvanim buotinskim izmjenjivaem topline (sustav sa zatvorenim krugom). Horizontalni sustav sa zatvorenim krugom Ovaj sustav esto je najekonominiji za ugradnju na mjestima gdje ima dovoljno prostora i gdje je tlo pogodno za izvoenje graevinskih radova. Snop cijevi polae se paralelno u tlo ispod granice smrzavanja, tj. 1,4 do 2 metra ispod povrine Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom Ovaj sustav primjenjuje se kod objekata s potrebama za velikim koliinama ogrjevne i rashladne energije, kad je tlo blizu povrine stjenovito ili na povrinski skuenim prostorima. Potrebno je izbuiti buotine odreene dubine Svaka buotina opremljena je jednim snopom polietilenskih cijevi spojenih na dnu U-spojnicom velike vrstoe. Jezerski sustav sa zatvorenim krugom Ukoliko su zgrade u blizini jezera ili vodotokova, uronjeni snop cijevi pod povrinu vode esto je najjeftinije rjeenje. Rjeenje zahtijeva minimum iskopa, postavljanje cijevne konfiguracije je

jednostavno, ali jezero ili vodotok mora biti dostatne dubine i povrine. U raspoloivi prostor potrebno je ugraditi to vie cijevne zavojnice.

10

Drugi sustav iskoritava geotermalnu vodu koja se proizvodi iz buotine, a nakon predaje topline sekundarnom krugu ili se utiskuje nazad u sloj, ili isputa u vodotoke ili kanalizacijske sustave (sustav sa otvorenim krugom). Vertikalni sustav s otvorenim krugom Iako se rijetko ugrauje, moe biti uinkovit i isplativ u sluaju prisutnosti izdanih podzemnih voda. Podzemna voda izravno se crpi iz jedne buotine, dovodi cijevima do objekta gdje predaje svoju toplinu geotermalnoj toplinskoj pumpi. Po izlasku iz nje voda se odvodi u drugu, utisnu, buotinu istog podzemnog sloja (akvifera) na dostatnoj udaljenosti od prve (proizvodne). Odvod se moe sprovesti i u tlo, rijeku ili jezero ukoliko ne postoji opasnost po okoli.

3.2.1 GTP-sustav sa zatvorenim krugomGTP-sustav sa zatvorenim krugom oslanja se na tlo,stijene, podzemnu vodu,ili povrinsku vodu kako bi osigurao ili preuzeo toplinu. Kondukcijom ili konvekcijom provodi se toplina iz okoline (tlo,podzemna voda) na cijev geotermalnog izmjenjivaa sa koje se zatim konvekcijom odvija prijelaz topline sa povrine stijenke cijevi na radni medij unutar cijevi fluidi ( voda, glikol ili antifriz ) koji cirkuliraju unutar izmjenjivaa uz pomo elektrine pumpe. Pri tome okolna voda ne ulazi u sustav. Uobiajeni vanjski sustav sa zatvorenim krugom sadri polietilensku cijev ,koja se polae horizontalno u iskopani rov ili okomito u buotinu. Ta polietilenska cijev je izmjenjiva topline koji prenosi toplinu tla na fluid unutar sustava ,a prema isparivau toplinske pumpe .Veliina prijenosa topline ( konduktivitet-provodljivost ) izmeu vanjskog dijela cijevi i okolnog tla odreena je toplinskom provodljivou tla. Ta se vrijednost koristi u jednadama za odreivanje duljine cijevi potrebne za postizanje adekvatnog ostvarivanje potrebne toplinske snage. Termiki karakter stijena prvenstveno ovisi o sastavu stijene, vlanosti tla, vegetaciji i lokalnim klimatskim uvjetima. Vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tlu prikazuje Tablica 3. 11 prijenosa topline za

Tablica 3: Orijentacijske vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tlu Vrsta tla Suha pjeana tla Vlana pjeana tla Suha ilovaa Vlana ilovaa Vrlo vlana ilovaa, vodom natopljen pijesak Toplina koja se oduzima tlu, W/m2 10 - 15 15 - 20 20 - 25 25 - 30 30 - 40

3.2.2 GTP-sustav sa otvorenim krugomGTP-sustav sa otvorenim krugom ovisi o prisutnosti izvora podzemne vode koja bi omoguila izmjenu topline. Ovaj sustav ne sadri zasebno izoliran radni fluid kao to je to sluaj kod sustava sa zatvorenim krugom, ve kroz sustav uz pomo pumpe cirkulira voda. Kao izvor koriste se rijeke, jezera ili bunari. Veina sustava sa otvorenim krugom crpe vodu iz vlastitog bunara zbog zadovoljavajue kvalitete vode. Pri crpljenju vode iz rijeke i jezera problem predstavljaju neistoe koje se nakupljaju na situ usisa. Za sustav ove vrste koristi se pumpa veeg kapaciteta kako bi omoguila dovoljnu koliinu vode za potrebe toplinske pumpe. Nedostatak koritenja sustava sa otvorenim krugom je mogunost kemijskih reakcija ( stvaranje kamenca ) to utjee na prijenos topline. Ako sustav koristi tvrdu vodu nuan je tretman omekavanja vode. Kod otvorenih sustava problem se javlja nakon prolaska vode kroz toplinsku pumpu tj.,da li vodu isputati u rijeku ili jezero ili je utiskivati u drugi bunar to iziskuje dodatne trokove..

3.2.3 Tip i duina cijevi krugaPolietilenske cijevi su jedini tip koji se preporuuje za vanjske krugove. Taj materijal je savitljiv,izrazito otporan na uvjete u okolini i ima zadovoljavajui prijenos topline. Trajnost polietilenskih cijevi garancijom je odreena na 30 godina. Cijevi se spajaju termikim procesom koji osigurava vrstu vezu. Duina cijevi ovisi o nekoliko bitnih faktora ukljuujui nain postavljanja cijevi, potrebnu energiju, klimatske uvjete, smjetaj kruga i toplinsku provodljivost tla. Prema Amerikim iskustvima duina za kW toplinske energije za polietilensku cijev promjera 25mm pri normalnim uvjetima tla iznosi 36 m za kW, ako se postavlja jednoslojno 55 m za kW, ako se postavlja dvoslojno 70 m za kW u promjerima krugova od po 1m, ako se postavlja zavojito 12

Gdje zimi nema opasnosti od smrzavanja jezera i rijenih tokova polietilenska cijev uronjena u vodu bi bila vrlo uinkovit sustav sa zatvorenim krugom.

3.3 Trokovi ugradnje toplinske pumpe za potrebe domainstvaTrokovi ugradnje toplinske pumpe. ovise o brojnim imbenicima od lokacije, veliine i izoliranosti kue, do geolokog sastava tla. Dosadanja Njemaka iskustva na osnovi

godinjeg prosjeka od 30 000 do 40 000 ugraenih toplinskih pumpi pokazuju da cijela instalacija grijanja toplinskom pumpom kota vie od konvencionalnog centralnog grijanja. Tijekom uporabe nema dodatnih trokova (npr. plin,drva,lo ulje) osim struje za pogon kompresora i cirkulacijske pumpe. Trokovima treba pribrojiti spremnik tople vode od oko 1 500 litara, pufer ( spremnik s izmjenjivaem i dodatnim elektrinim grijaem ), ureaje za automatsku regulaciju, senzore, PE-X-cijevi i pripremu tla za ugradnju sonde ili podzemnog kolektora. Uz izvedbu podnog grijanja prosjeni sustav s toplinskom pumpom kota od 10 000 do 20 000 EUR. Pritom je struktura trokova bitno drukija , nema radijatora, prikljuenja na plinsku mreu i sl. (u nastavku je prikazana procjena trokova ugradnje toplinske pumpe u kuu povrine 60m2).

3.3.1 Potrebna ogrijevna snagaZa potrebe grijanja tipine nove kue na Novom Zelandu graene po propisanim standardima za to podneblje i ivotnim prostorom od 60 m2 uzima se da je za ostvarivanje potrebne temperature u kui za vrijeme najhladnijih dana potrebna ogrijevna snaga od 1 kW na 10 m2 podnog prostora. Iz toga proizlazi da je za kuu od 60 m2 maksimalna potrebna ogrijevna snaga 6 kW.

3.3.2 Kapitalni trokoviProcjena cijene geotermalne toplinske pumpe snage 6 kW,namijenjene samo za grijanje,iznosit e izmeu 6 000 $ i 7 500 $, ugradnja geotermalnog izmjenjivaa u lako obradivo pjeano tlo oko 2 300 $ i sustav podnog grijanja oko 2 500 $, to sveukupno iznosi oko 12 000 $ za cijeli sustav. Usporedbe radi instalacija plinskog sustava slinog kapaciteta iznosi 5 800 $.

13

3.3.3 Operativni trokoviUteda grijanjem kue povrine 60 m2 geotermalnom toplinskom pumpom u usporedbi sa grijanjem na plin iznosi 797 $/god. Uz ovu sadanju godinju utedu tijekom 20 godina uz vrijednost diskontne stope od 8 % uteda bi iznosila oko 7 825 $.

3.3.4 Uinkovitost toplinske pumpeMjera energetske uinkovitosti sistema geotermalne toplinske pumpe ovisi o njenom

koeficijentu uinkovitosti (COP-Coefficient of Performance). To je koliina toplinske energije koju isporuuje toplinska pumpa s obzirom na koliinu struje potrebne za rad toplinske pumpe. Ako topliska pumpa isporuuje 6 kW toplinske energije,a za to joj je potrebno 1,5 kW elektrine energije, tada ima koeficijent uinkovitosti (COP) = 4. COP=toplinski kapacitet(kW)/Potrebna elektrina energija(kW) Rad sustava geotermalne toplinske pumpe ovisi o uinkovitosti toplinske i cirkulacijske pumpe, o prijenosu topline u zemlji te o karakteristikama podzemne vode. Koeficijent uinkovitosti za geotermalnu toplinsku pumpu raste s porastom temperature tla. Uinkovitost sustava geotermalne toplinske pumpe u usporedbi sa ostali sistemima grijanja prikazana je na slici. KOEFICIJENT UINKOVITOSTI

Toplinska pumpa (izvor tlo) Toplinska pumpa (izvor podzemna voda) Toplinska pumpa (izvor zrak) Grijanje elektrinom energijom Plinsko centralno grijanje ili bojler Uljno centralno grijanje ili bojler

Slika 6: Usporedba uinkovitosti razliitih sustava grijanja

14

Za proizvodnju topline pomou kompresora s elektromotorom, pumpi treba elektrina energija. Meutim, u ukupnoj energetskoj bilanci, ova elektrina energija ini tek manji dio . Pumpe se razlikuju po uinkovitosti. (COP) 5 oznauje da toplinska pumpa proizvodi pet puta vie toplinske energije nego to je utroeno za pogon kompresora tj., da smo s jednim kilovatsatom elektrine energije proizveli pet kilovatsati iskoristive toplinske energije. Uinak ovisi o vrsti toplinskog izvora (tlo, voda, zrak) i snazi pumpe. Jaim kompresorima ili stupnjevanjem nekoliko krugova postiu se i vrlo visoke temperature no ukljuivanjem takvih kompresora ili kombiniranjem nekoliko kompresorskih elektromotora smanjuje se ukupni uinak. Toplinskom pumpom lako je dosei temperaturu od +65C pa se mogu primjeniti i na starijim zgradama. Najekonominije su u dobro izoliranim kuama s niskotemperaturnim podnim grijanjem ( 22-25C ) gdje temperature od 35C omoguuju visoku ekonominost i potpunu udobnost. Za sluaj vrlo hladne i duge zime u spremnik se moe ugraditi dodatni elektrini grija koji e povremeno dogrijavati vodu. U tom sluaju struja e u godinjim toplinskim potrebama sudjelovati s 5 do 10 posto.

3.3.5 Temperaturne razlikeSustav toplinske pumpe funkcionira iskljuivo na osnovi temperaturnih razlika . to su temperaturne razlike vee, bri je i djelotvorniji prijenos topline. Pojedini tipovi klima ureaja rade kao toplinska pumpa koja zagrijava prostor oduzimanjem topline vanjskom zraku. U zimskim uvjetima brzo se postigne granica kada je vanjski zrak hladniji od medija u isparivau i ne moe mu prenijeti nikakvu toplinu. Ovo ogranienje je glavna prednost geotermalnih toplinskih pumpi koje za izvor topline koriste tlo ili podzemne vode s malim temperaturnim oscilacijama.

15

4 PRIMJER PRORAUNA SUSTAVA GRIJANJA ZGRADE GEOTERMALNOM TOPLINSKOM PUMPOMNaredni primjer prorauna izveden je metodom analogije, iz slijedeih pravila: 1. Za objekte zgrade prosjene veliine (186 do 223 m2) potrebno je (10,6 do11,4 kW) toplinske snage, ovisno o klimatskim uvjetima 2. Za vertikalne izmjenjivae uzima se (13 do 17 m/kW), a horizontalni moraju biti otprilike 30 % do 50 % dui 3. Dubina ugradnje horizontalnih izmjenjivaa je (1,2 do 1,8 m) U primjeru koji sljedi izvest e se proraun duljine geotermalnog izmjenjivaa topline za grijanje objekta povrine 150 m2 i visine zidova 3 m.

4.1 Dimenzioniranje buotinskog izmjenjivaa topline4.1.1 Proraun jedinine kvadrature prema ROTIz prethodno navedenog pravila (br- 1) odabran je najnepovoljniji sluaj (P0 = 11,4 kW za A0 = 186 m2) iz kojeg proizlazi da je za zagrijavanje prostora povrne 186 m2 potrebna toplinska snaga od 11,4 kW. Jedinina povrina za koju je potreban 1 kW toplinske snage dobit e se putem obrasca (1) a=A0 P0

(1)

a=

186 11,4

a = 16,32 m2/kW

4.1.2 Proraun snage kondenzatoraProraun snage kondenzatora svodi se na proporcionalno odreivanje iste iz gore navedenih pravila za zadanu kvadraturu konkretnog objekta putem obrasca (2). Qkon = A1 - povrina objekta od 150 m2A a

(2)

16

Uvrtavanjem poznatih vrijednosti o obrazac (2) izraunat e se snaga kondenzatora kako slijedi; Qkon = 150 16,32

Qkon = 9,19 kW 9 kW Potrebna toplinska snaga za grijanje objekta povrine 150 m2 iznosi dakle 9 kW.

4.1.3 Odabir kompresoraZa konkretan sluaj odabran je kompresor stupnja iskoristivosti (COP Coefficient of Performance) kako slijedi; COP(a) = 3,5 to drugim rijeima znai da za 1 kW ulazne snage kompresor daje 3,5 kW izlazne snage

17

4.1.4 Odreivanje snage isparivaa, potrebne povrine zemljita za GT izmjenjiva i duljine izmjenjivaaTraeni parametri oitavaju se iz posebnog nomograma prikazanog na slijedeoj slici pri emu je potrebna toplinska snaga izraunata u poglavlju 4.1.2 ulazni parametar.

snaga isparivaa u kW

Izlaz

povrina tla u m2327

toplinska snaga u kW9

660

Legenda vrijednosti koje ovise o vrsti tla (1) Tlo visoke provodljivosti (2) Tlo srednje provodljivosti i dobre ekspozicije (3) Tlo srednje provodljivosti i srednje ekspozicije (4) Suho tlo slabe provodljivosti

Duljina cijevi izmjenjivaa u m

Slika 7: Nomogram za dimenzioniranje horizontalnog geotermalnog izmjenjivaa topline (Reu, Sanner 2001) 4.1.4.1 Postupak odreivanja parametara iz nomograma 1. U nomogram se unosi vrijednost toplinske snage kondenzatora (Qkon = 9 kW) kao ulazni parametar 2. Tragom crvene linije koja se povlai uspravno do vrijednosti stupnja iskoristivosti kompresora - COP(a) = 3,5, a zatim vodoravno do odabrane topline koja se oduzima tlu. Ista se moe uzeti iz tablica (primjer Tablica 3), a za konkretan sluaj vodi se do linije (2) - Tlo srednje provodljivosti i dobre ekspozicije na nomogramu i iznosi 20 W/m2. 3. Pri tome se na presjecitu vodoravne crvene linije i ordinate oitava vrijednost snage isparivaa, a ista za konkretan sluaj iznosi (Qisp = 6,5 kW). 18

4. Na daljnjem, okomitom putu crvene linije do linije (2) - Tlo srednje provodljivosti i dobre ekspozicije. Ista sjee apscisu na kojoj se oitava potrebna povrina tla za postavu geotermalnog izmjenjivaa. Potrebna povrina tla za konkretan sluaj iznosi 327 m2. 5. Konano, crvena linija vodi se od presjecita s linijom (2) vodoravno na ordinatu, gdje se oitava potrebna duljina cijevi izmjenjivaa. Za konkretan sluaj ista iznosi 660 m. U narednoj tablici (Tablica 2) pregledno su prikazane oitane vrijednosti dimenzioniranja geotermalnog izmjenjivaa. Tablica 4: Rezultati dimenzioniranja GT izmjenjivaa Ulazni podaci Opis Qkon COP(a) Toplina koja se oduzima tlu Vrijednost i jedinica 9 kW 3,5 20 W/m2 Izlazni podaci (iz nomograma) Opis Qisp Potrebna povrina tla Potrebna duljina cijevi izmjenjivaa Vrijednost i jedinica 6,5 kW 327 m2 660 m

4.1.4.2 Provjera tonosti odreenih parametara Snagu kondenzatora predstavlja zbroj snaga kompresora i isparivaa to pokazuje slijedei obrazac: Qisp + Pkomp = Qkon Snagu kompresora mogue je izraunati po slijedeem obrascu: Pkomp = Qkon COP( a) (4) (3)

a uvrtavanjem poznatih vrijednosti u gornji obrazac izraunata je snaga kompresora i iznosi kako slijedi Pkomp = 9 3,5

Pkomp = 2,57 kW Uvrtavanje

19

6,5 + 2,57 = 9,07 9 kW

4.2 Proraun ciklusa toplinske pumpe4.2.1 Izraun volumena objektaUlazni podaci za proraun Povrina objekta A = 150 m2 Visina zidova h = 3m Iz gornjih podataka rauna se volumen objekta prema obrascu V=Ah V = 150 3 V = 450 m3 (5)

4.2.2 Izraun ogrijevnog faktoraMetodom analogije za odabrani sluaj (P0 = 11,4 kW za A0 = 186 m2) slijedi 4.2.2.1 Odreivanje volumena V0 = A0 h V0 = 186 3 V0 = 558 m3 4.2.2.2 Izraunavanje ogrjevnog faktora f=Pt 0 V0 11,4 558

(6)

(7)

f=

f = 0,02 kW/m2 Iako se u novije vrijeme, kao medij, koriste mediji manje tetni za okoli, u konkretnom proraunu uzet je freon 12 zbog dostupnosti faznog dijagrama potrebnog za oitavanje entalpija.

20

4.2.3 Odreivanje entalpijaU procesu grijanja temperatura kondenzatora je 60 C, a u isparivau -3 C. Iz faznog dijagrama (freon 12) CF2Cl2 oitavaju se vrijednosti entalpija. Fazni dijagram prikazan je na slijedeoj slici (Slika 8).

2 3

1 4

Slika 8: Fazni dijagram freon 12 (CF2Cl2) Oitane vrijednosti entalpija su kako slijedi: i1 = 574 kJ/kg i2 = 606 kJ/kg i3 = i4 = 480 kJ/kg

4.2.4 Kondenzator (Toplina koja se oslobaa u kondenzatoru)q = i2 i3 q = 606 480 q = 126 kJ/kg (8)

4.2.5 Ispariva (Rashladni uin)q0 = i1 i4 (9)21

q0 = 574 480 q0 = 94 kJ/kg

4.2.6 Kompresor (Utroeni rad kompresora)je je e

= i2 i1

(10)

= 606 -574 = 32 kJ/kg

4.2.6.1 Kontrola. q0 + je = q 94 + 32 = 126 126 kJ/kg = 126 kJ/kg (11)

4.2.7 Ogrjevna toplinaQ = V f Q = 450 0,02 Q = 9 kW (12)

4.2.8 Dobava freonaDf = Q q9 126

(13)

Df =

Df = 0,071429 kg/s Df = 257,1429 kg/h

4.2.9 Snaga kompresoraPkom = e Df Pkom = 32 257,1429 Pkom = 8228,571 kJ/h Pkom = 2,29 kW (14)

22

4.2.10

Toplina isparavanjaQ0 = q0 Df Q0 = 94 257,1429 Q0 = 24171,43kJ/h Q0 = 6,71 kW (15)

4.2.11

Stupanj djelovanja=Q Pkom 9 2,29 (16)

=

= 3,93

23

5 ZAKLJUAKRaspoloivost fosilnih goriva, plina i nafte, vremenski je ograniena. Izgaranjem fosilnih goriva dolazi do emisije staklenikih plinova u atmosferu i do nepovoljnih klimatskih promjena. Zbog toga se u energetskom sektoru sve vie razmatraju mogunosti primjene obnovljivih izvora energije to, donoenjem zakona iz podruja proizvodnje i potronje energije te iz podruja zatite okolia, stimuliraju i pojedine drave. Ovu problematiku u RH tretiraju Zakon o energiji i Zakon o zatiti okolia. U Zakonu o energiji donesena je Strategija energetskog razvitka kojom se odreuju temeljne smjernice energetskog razvitka Republike Hrvatske. Strategija se oituje kroz poveanje energetske uinkovitosti, sigurnu dobavu i opskrbu, diverzifikaciju energenata i izvora, koritenje obnovljivih izvora energije, realne cijene energije i razvitak energetskog trita i poduzetnitva, zatitu okolia (smanjenje uporabe fosilnih goriva, smanjenje emisija staklenikih plinova). Zakonom o zatiti okolia osigurava se racionalno koritenje prirodnih izvora i energije na najpovoljniji nain za okoli, kao osnovni uvjet zdravog i odrivog razvoja. Zakonom je predvieno poticanje koritenja obnovljivih prirodnih izvora i energije, pa se tako posebnim zakonom mogu odrediti olakice i oslobaanje plaanja poreza, carina i drugih javnih prihoda za koritenje obnovljivih izvora energije, opreme i ureaja koji pridonose zatiti okolia. Razvijene evropske zemlje (primjer Njemaka) donesle su stimulativne mjere u obliku kredita s povoljnim kamatama i vladinih donacija za ugradnju tedljivih tehnologija (solarni kolektori i toplinske pumpe), a distributeri elektrine energije nude potpore za pogon toplinske pumpe u obliku povoljnih tarifa za struju. Geotermalne toplinske pumpe predstavljaju jedan od naina koritenja geotermalne energije, kao obnovljivog izvora, za proizvodnju toplinske energije. Nakon otklanjanja poetnih tehnikih nedostataka, toplinske pumpe danas predstavljaju energetski uinkovit, pouzdan ekonomian i ekoloki prihvatljiv sustav grijanja. Znaajno je produljen vijek trajanja svih elemenata sustava, tako da su neki od ureaja u uporabi vie od 25 godina. Razvoj novih tehnologija, stjecanje novih znanja i sve ira primjena, raznolikih izvedbi i konfiguracija geotermalnih izmjenjivaa, zajedno s razliitim moguim izvedbama sustava grijanja unutar zgrada (radijatori, podno grijanje) omoguuju primjenu istih u objektima raznih namjena i veliina.

24

Iz svega navedenog proizlazi da postoje neki od preduvjeta (tehniko-tehnoloki, geoloki, klimatski pa i legislativni) za iru primjenu geotermalnih toplinskih pumpi u Republici Hrvatskoj, dok konkretni programi i mjere potpore jo nedostaju.

25

6 LITERATURA1. BUDIN, R., MIHELI-BOGDANI, A. 2002. Osnove tehnike termodinamike. 2 dopunj. i izmijenj. Izd. Zagreb: kolska knjiga 2. REU, M., SANNER, B., 2001. Design of Closed-Loop Heat Exchangers. U: International summer school On Direct application of Geothermal energy, 17.22.09.2001.: chapter 2.5, str.147-156. 3. LUND, W., J., 2001. Design of Closed-Loop Geothermal Heat Exchangers in the U.S.. U:International summer school On Direct application of Geothermal energy,17.22-09.2001.: chapter 2.4, str. 134-146. 4. THAIN, I., REYES, A.G., HUNT,T., 2006. A Practical Guide to Exploiting Low Temperature Geothermal Resources, Lower Hutt: GNS Science Report, 2006. 5. GEOTHERMALSYSTEMS IRELAND LTD., 2004., Geothermal brochure URL: http://www.earthwisescotland.co.uk/Tech/Downloads/brochure. 6. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE), 1999.Geothermal Heat Pumps for Federal Buildings. URL: http://www.eren.doe.gov/geothermal/ 7. LUND, J., SANNER, B., RYBACH, L., CURTIS, R., HELLSTRM, G., 2004. Geothermal (Ground-Source) Heat Pumps a World Overview U: Geothermal Heating Convention Bulletin, September 2004, str. 1-10. 8. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE), 1998. Geothermal Heat Pumps Make Sense For Homeowners. URL: http://www.eren.doe.gov/geothermal/ 9. HRVATSKI SABOR., 19.07.2001. Zakon o energiji. URL: http://ops.hep.hr/ops/dokument/zakoni/zakon_o_energiji. (01.06.2007). 10. HRVATSKI SABOR, 27.10.1994. Zakon o zatiti okolia. URL: http://wmd.hr/zakoni-narodne-novine/zakon o zatiti okolia/

26