VELEUILITE U VARADINU SMJER PROIZVODNO STROJARSTVO

GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE

SEMINARSKI RAD

Kolegij: Tehnike hlaenja Mentor: Dipl. ing. Damir Maeri Student: Mario Pintari Matini br. studenta: 1706/601

VARADIN, prosinac 2010

1

SADRAJ

SADRAJ...................................................................................................................................2 1 2 UVOD.................................................................................................................................4 GEOTERMALNI SUSTAVI GRIJANJA/HLAENJA....................................................5 2.1 2.2 2.3 Zemlja kao toplinski spremnik.....................................................................................5 Zemlja kao izvor energije.............................................................................................6 Geotermalna energija...................................................................................................7 Prednosti i nedostaci geotermalne energije...........................................................9

2.3.1 3

GSHP SYSTEM GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM.................................10 3.1 3.2 3.3 to je to GSHPs..........................................................................................................10 Kako funkcionira GSHPs...........................................................................................10 Od ega se sastoji GSHP system................................................................................11 Toplinska Pumpa................................................................................................12 Geotermalni kolektor ili uzemljenje...................................................................13 Ground-Coupled Heat Pumps.............................................................................14 Groundwater Heat Pumps...................................................................................15 Surface Water Heat Pumps.................................................................................16

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.4 3.5

Sustav direktne i posredne ekspanzije........................................................................17 Prednosti GSHPs-a.....................................................................................................19 Ekonomske prednosti..........................................................................................19 Ekoloke prednosti..............................................................................................20

3.5.1 3.5.2 4

Toplinska Pumpa..............................................................................................................22 4.1 Teoretske osnove o radu toplinske pumpe.................................................................24 Kruni Proces......................................................................................................24

4.1.1 4.2

Carnotov Proces.........................................................................................................26 2

4.3 4.4 4.5

COP............................................................................................................................27 Teoretski princip rada................................................................................................28 Radni medij toplinske pumpe.....................................................................................32 Openito o radnom mediju..................................................................................32 Bitne karakteristike radnog medija.....................................................................32 Vrste radnog medija u toplinskim pumpama......................................................32

4.5.1 4.5.2 4.5.3

Vrste radnog medija u toplinskim pumpama

3

1 UVOD

4

2 GEOTERMALNI SUSTAVI GRIJANJA/HLAENJA2.1 Zemlja kao toplinski spremnikZemlja kao toplinski spremnik nam je uvijek dostupna i vrlo je pogodna zbog svojih termikih svojstava. U tlu se pohranjuju velike koliine solarne energije, a zalihe topline se obnavljaju i putem kinice. Ako su podzemne vode dostupne na razumnoj dubini, omogua izvoenje pumpi jo vaju nam toplinskih vee

efikasnosti.

5

Slika 2.1. Raspodjela solarne energije (RETScreen)

Temperature na cca 15m dubine su konstantne tokom godine i pribline su srednjim godinjim temperaturama zraka. Za kvalitetno projektiranje toplinske pumpe moramo poznavati grau tla i dubinu na kojoj se nalaze podzemne vode. Tlo se u kombiniranim sustavima grijanja i hlaenja koristi i kao ogrijevni i kao rashladni toplinski spremnik.

Planet Zemlja je graen slojevito tako da razlikujemo koru, plat i jezgru. Razlikuje se kontinentalna i oceanska kora. Kontinentalna kora je prosjene debljine 30km. Preteno je granitnog sastava uz sudjelovanje sedimenta. Relativna gustoa iznosi 2,7 g/cm3 . Temperatura Zemlje je rezultat dvaju izvora, Sunca i radioaktivnih procesa koji se odvijaju u jezgri. Vrlo je bitna injenica da toplinska energija Sunca djeluje ne samo na povrini nego se njezin utjecaj odraava plitko i pod povrinom. Zbog djelovanja toplinskih izvora postoji zona u kojoj je temperatura tokom godine stalna i uglavnom odgovara srednjoj godinjoj temperaturi promatranog podruja. Ta zona naziva se neutralnim temperaturnim slojem. Postojanje tog sloja izuzetno je vano jer je za projektiranje toplinske pumpe potreban ogrijevni spremnik sa konstantnom temperaturom tokom godine, odnosno neovisan o godinjim dobima i vremenskim uvjetima. Poveanjem dubine od neutralnog temperaturnog sloja temperatura Zemlje raste. U prosjeku geotermijski stupanj (dubinski razmak u metrima potreban za poveanje temperature za 1C) za Europu iznosi 32,3 m.

2.2 Zemlja kao izvor energijeOdravanje udobne temperature unutar objekta(kuanstva) moe zahtjevati velike koliine energije, jer se esto koriste odvojeni sistemi grijanja i hlaenja za odravanje eljene 6

temperature zraka. Energija potrebna da bi ti sustavi funkcionirali i obavljali svoju funkciju dolazi od elektrine struje, fosilnih goriva i biomase. S obzirom da se 46% solarne energije apsorbira u Zemlji (Slika 1.), da se toplinska energija generira u jezgri Zemlje te je njezin potencijal ogroman, stvorila se opcija da se iskoristi da apsorbirana energija za grijanje i hlaenje objekata. Jedna znaajnija razlika je ta da je Energija Zemlje dostupna na licu mjesta te nema potrebe za transportiranje energije na dulje udaljenost. Poto se toplina u zemlji transportira veoma sporo i ima velik toplinski kapacitet , njezina se temperatura sporo mjenja tijekom godine. Kao posljedica ove niske toplinske vodljivost, tla mogu prenijeti toplinu iz sezone hlaenja na sezonu grijanja(Slika 1.3.1). tj. toplina koju je apsorbirala Zemlja za vrijeme ljeta efektivno se moe iskoristiti u zimi. To godinje znai da kontinuirani ciklus izmeu temperature zraka i temperature tla razultira u potencijal toplinske energije koji moe biti upregnut da pomogne pri hlaenju odnosno grijanju objekta. Druga toplinska karakteristika tla je da nekoliko metara ispod povrine Zemlje izolira zemlju i podzemne vode, time smanjuje amplitudne promjene temperature tla u odnosu na temperature zraka iznad zemlje(Slika 1.3.1 i 1.3.2). Ovaj toplinski otpor dodatno pomae u pomicanju grijanja i hlaenja u sezonu gdje je to potrabno. Zemlja je toplija od okolnog zraka zimi i hladnija od zraka u ljetnim mjesecima.

Slika 2..2.1 i 2.2.2. Prikaz varijecije temperature kroz godinu i varijaciju temperature po dubini u odnosu na vrstu tla. (RETScreen)

7

Toplina Zemlje i podzemnih voda ispod povrine osigurava nam besplatni i obnovljivi izvor energije koji nam moe osigurati dovoljno energije tijekom cijele godine za grijanje i hlaenje objekata , stambenih kua itd. U tu svrhu se primjenjuje geotermalne toplinske pumpe koji koriste tu energiju.

2.3 Geotermalna energijaGeotermalna energija je u stvari toplinska energija Zemlje koja se generira u jezgri planeta, apsorbiranjem solarne energije i obnavljanjem topline putem kinica, te ta toplina polako putuje prema povrini Zemlje. Toplina u unutranjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta iz praine i plinova prije vie od etiri milijarde godina, a radio aktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu, pa je prema tome geotermalna energija obnovljiv izvor energije. Osnovni medij koji prenosi toplinu iz unutranjosti na povrinu je voda ili para, a ta komponenta obnavlja se tako da se voda od kia probija duboko po raspuklinama i tamo se onda zagrijava i cirkulira natrag prema povrini, gdje se pojavljuje u obliku gejzira i vruih izvora. Ova energija se generira iz Zemljine jezgre budui da temperatura u sreditu zemlje iznosi preko 6000 C to je dovoljno ak i za otapanje kamenja. Vanjska kruta kora Zemlja sastavljena je od stijena i duboka je od 5 do 50 kilometara. Ispod kore nalazi se omota sastavljen od spojeva bogatih eljezom i magnezijem koji se protee do dubine od 2900 kilometara. Ispod svega toga nalaze se dva sloja jezgre (tekui i kruti sloj) u samoj jezgri planeta. Sputanjem kroz vanjski sloj Zemlje tj.koru temperatura raste otprilike 17C do 30C po kilometru dubine.

8

Slika 2.3. Prikaz slojeva Zemlje. Osnovi slojevi su: Vanjska kora(Crust), tekui omota(Mantle), vanjska tekua jezgra(Outer Core) i unutranja kruta jezgra(Inner Core) (wikipedia)

Potencijal geotermalne energije je ogroman, ima je 50000 puta vie od sve energije koja se moe dobiti iz nafte i plina irom svijeta. U prirodi se geotermalna energija najee pojavljuje u formi vulkana, izvora vrue vode i gelzira. Geotermalna energija koristi se ve tiuljeima u obliku toplica odnosno rekreacijskog-ljekovitog kupanja. Geotermalna energija primjenjuje se: Za dobivanje elektrine energije Grijanje kuanstva i industrijskih postrojenja Proizvodnja papira, pasterizacija mlijeka, proces suenja drva i vune Toplinske pumpe su jo jedna od upotreba geotermalne energije, uz malu potronju elektrine energije za cirkulaciju geotermalne tekuine, gdje se ta tekuina kasnije koristi za grijanje, hlaenje, kuhanje i pripremu tople vode. U gradu Reykjavik-u na Islandu nalazi se najvei geotermalni sistem za grijanje, gdje se sve zgrade griju pomou geotermalne energije, te se ak 89% kuanstava grije na taj nain.

9

1.1.1

Prednosti i nedostaci geotermalne energije Kao i svaki sustav grijanja i hlaenja tj.izvor energije za potrebe grijanja i hlaenja

kuanstava i ostalih postrojenja, ima svoje prednosti i nedostatke. Prednosti: Obnovljivi izvor energije toplina neprestano izvire iz Zemljine unutranjosti Geotermalne elektrane nemaju nikakav negativan uinak na okoli i uspjeno se daju implementirati u najrazliitijim okruenjima(farme, pustinje) Geotermalna voda sadri puno minerala to ima izraene zdrastvene i terapeutske uinke na razne vrste kone bolesti Nedostaci: Najpodobnija podruja za iskoritavanje geotermalne energije u podrujima izraene vulkanske aktivnosti to znai da rasprostranjenost podobnih podruja nije velika

10

1 GSHP SYSTEM GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM1.1 to je to GSHPs.To je tehnologija grijanja i hlaenja koja prenosi toplinu iz Zemlje ili vode da bi nam pruila prostornu klimatizaciju vee uinkovitosti od konvencionalnih sustava, takoer se moe koristiti i za grijanje vode. Prirodna toplina iz Zemlje ili vode je apsorbirana u tekuini za prijenos topline(radni medij) koja se provodi kroz podzemnih cijevi u zgradi kada je ukljueno grijanje, te je potrebno aurirati potrebnu temperaturu na toplinskoj pumpi. Te se toplina dalje vodi kroz radijatore. A kada je ukljueno hlaenje, sustav je obrnutog procesa te se viak toplina vraa natrag u hladnije tlo. Kao i kod konvencionalnih toplinskih pumpi, geotermalne pumpe mogu isto raditi obrnutim procesom u zimskim mjesecima isto kao klima ureaji. Meutim za razliku od konvencionalnih ureaja GSHP system moe odravati visoke uinkovitosti i kapacitete ak i kada ambijentna temperatura zraka pogodi ekstremne vrijednosti u zimi ili ljeti, jer komponente sustava nisu izloene na otvorenom. GSHP system dolazi u irokom paletu konfiguracija koje koriste tlo, podzemne vode ili povrinske vode kao izvor topline.

1.2 Kako funkcionira GSHPs.Energija u obliku topline je prisutna ak i pri vrlo niskim temperaturama! Toplinska energija je prisutna i u objektu pod uvjetom da je temperatura objekta iznad apsolutne nule. Temperatura tla je preniska za direktno zagrijavanje objekta, ali tlo jo uvijek sadri ogromne koliine topline koju moemo iskoristiti, i tu nam je potrebna toplinska pumpa koja e izvaenu energiju iz zemlje pretvoriti na poeljnu temperaturu grijanja ili e efektivno odbiti toplinu u tlo. Tlo kao izvor topline i podzemni kanali imaju skoro konstantnu temperaturu, koja je dobro prilagoena za toplinske pumpe te daje predvidljive performanse uz nia termika i mehanika naprezanja. GSHP system moe osigurati grijanje i hlaenje prostora i zadovoljiti potrebe za vruom vodom i veih poslovnih zgrada. 11

1.3 Od ega se sastoji GSHP systemSustav geotermalne toplinske pumpe(eng.Ground-source heat pump system - GSHP) se sastoji od 3 veih komponenata, a to su: 1. Toplinska pumpa(eng. Heat Pump) 2. Geotermalni kolektor ili uzemljenje(eng. Earth Connection) 3. Distribucijski sustav grijanja/hlaenja(eng. Distribution System) Razliiti geotermalni kolektori u sistemu, tvore i razliit ssustav kao i potrebu za drugaijom izvedbom geotermalne pumpe

12

Slika 3.3 Komponente Sustava (RETScreen)

1.1.1

Toplinska Pumpa

Detaljnije e biti razraene u poglavlju 4. Osnovna zadaa toplinske pumpe je da prenese toplinu izmeu geotermalnog kolektora i distribucijskog sustava. Najkoritenija pumpa je voda zrak snage od 3,5 kW do 35 kW. Kod nje fluid koji prenosi toplinu sa i na geotermalnog kolektora je voda ili mjeavine vode i antifriza, dok se distribucija topline unutar objekta odvija pomou toplog ili hladnog zraka. Osnovni djelovi takbog tipa toplinske pumpe su: 1. Kompresor 2. Izmjenjiva topline izmeu radne tvari i geotermalnog kolektora 3. Upravljaka ploa 4. Distribucijski sustav za zrak s filterom 5. Izmjenjiva topline s radnog medija na zrak 6. Kondenzator

Slika 3.3.1. Tipina toplinska pumpa (RETScreen)

13

1.1.1

Geotermalni kolektor ili uzemljenje Je mjesto gdje se vri izmjena topline izmeu GSHP sustava i zemlje. GSHP sustavi

obuhvaaju iroku paletu sustava koji koriste tlo, podzemne vode ili povrinske vode kao izvor topline i sink. Jedna od uobiajenih vrsta uzemljenja podrazumijeva cijevi ukopane u horizontalnim rovovima i vertikalnim buotinama ili alternativno potopljene u jezero ili ribnjak. Smjesa antifriza i vode ili druge radne tvari cirkulira od toplinske pumpu du(oko) cijevi i natrag u toplinsku pumpu u izvedbi zatvorene petlja dok kod otvorene petnje uzemljenje crpi vodu iz bunara ili drugog izvora vode, prenosi toplinu sa ili na vodu te ju vraa natrag u bunar ili izvor vode. Prema Amerikom udruenju ininjera koji se bave grijanjem, klimatizacijom i rashladnom tehnikom(ASHRAE) razlikujemo sljedee vrste uzemljenja: 1. Ground-Coupled Heat Pumps(GCHPs) (prijevod:Toplinske crpke spregnute u zemlji), koriste zemlju kao izvor topline i sink sa vertikalnim ili horizontalnim zemnim izmjenjivaima topline. 2. Groundwater Heat Pumps(GWHPs) (prijevod:Toplinske crpke za podzemnu vodu), koriste podzemnu vodu kao izvor topline i sink 3. Surface Water Heat Pumps(SWHPs) (prijevod:Toplinske crpke za povrinsku vodu), koriste povrinske vode(jezera,bare) kao izvor topline i sink Budui da je do uzemljenja vrlo teko dospjeti nakon postavljanja, meterijali i izrada koja je koritena u konstrukciji mora biti od velike kvalitete. Cijevi su od polietilena.

14

1.1.1

Ground-Coupled Heat Pumps U GCHP sustavu nizu ukopanih cijevi cirkulira tekuina za prijenos topline u

zatvorenoj petlji. Tekuina nikada ne izlazi iz sustava, nego putuje natrag i naprijed u petlji izmeu uzemljenja i toplinske pumpe. Ova tekuina moe biti voda,antifriz ili mjeavina(ako se oekuju niske temperature). Zemni izmjenjivai topline mogu koristiti niz cijevi ukopanih u dubokim vertikalnim buotinama ili u horizontalnim rasporedima pokopanim nekoliko metara ispod povrine. Vertikalna izvedba je poeljna za vee zgrade kod kojih je temelje blizu povrine, kada je poeljan minimalni poremeaj krajolika ili gdje je malo zemljite na raspolaganju(Slika 3.3.3.1). Uinkovitije su od horizontalnih te su skuplje za instalaciju ali zahtjevaju malje cjevovoda zbog stabilne temperature, jer kod horizontalnih moe doi do temperaturnih kolebanja.

Slika 3.3.3.1: Vertikalna instalacija zemnog izmjenjivaa topline(RETScreen)

15

Horizontalna izvedba je esto jeftinija i zahtjeva vee povrine, iz toga je razloga bolje prilagoen za manje primjene kao to su stambene i male poslovne zgrade(Slika 3.3.3.2). Sastoji se od iza cijevi postavljenih u rovove, obino 1 do 2 metara ispod zemlje. Tipino oko 35 do 55 metara cjevi se ugrauje po 1kW grijanog ili hlaenog kapaciteta.

Slika 3.3.4.1: Horizontalna instalacija zemnog izmjenjivaa topline(RETScreen)

1.1.2

Groundwater Heat Pumps Za razliku od GSHP sustava to je sustav otvorene petlje, koji koristi stalnu opskrbu

podzemnih voda kao fluid za prijenos topline(Slika 3.3.4.). GWHP uzemljenja se sastoje od vodenih bunara(buotina) gdje se podzemne vode iz vodonosnika direktno pumpaju iz bunara(vodenih buotina) kroz uzemljenja do izmjenjivaa topline radnog medija ili do posrednogizmjenjivaa topline. Posredni izmjenjiva topline prenosi toplinu iz otvorene podzemne petlje do zatvorene petlje zgrade, time izolira toplinsku pumpu od podzemne vode i titi ju od moguih prljavtina,obratanja, abrazivne ili korozivne vode. Nakon to je voda napustila zgradu puta se natrag u isto vodonosnik putem drugog bunara(buotine).

16

Slika 3.3.4.2: GWHP instalacija zemnog izmjenjivaa topline(RETScreen)

1.1.3

Surface Water Heat Pumps SWHP je lako izvediv i relativno jeftin GSHP sustav. Niz smotanih cijevi potopljeni

ispod povrine jezera ili bare slue kao izmjenjivai topline. To zahtjeva minimalni broj cjevi i potrebe za iskopavanjem, ali ribnjak ili bara moraju biti dovoljno duboki i veliki. Tekuina za transfer topline cirkulira u zatvorenoj petlji radi izbjegavanje nepovoljnih uinka na vodeni ekosustav.

17

1.2 Sustav direktne i posredne ekspanzijeSvaki od navedenih i opisanih sustava crpki koriste posrednu tekuinu za prijenos topline izmeu tla i radne tvari. Koritenje posredne tekuine za prijenos topline zahtjeva vii omjer kompresije u toplinsko pumpi, kako bi se postigla dovoljna temperaturna razlika u toplinskom prijenosnom lancu(radna tvar-takuina-zemlja). Te takoer zahtjeva pumpu za cirkulaciju vode izmeu toplinske pumpe i zemne petlje. Sustavi direktne ekspanzije uklanjaju potrebu za posrednim fluidom koji e prenositi toplinu iz tla na radnu tvar,radne tvari izmjenjivaa topline i cirkulacijske pumpe. Bakrene zavojnice su instalirane u podzemlju za izravnu razmjenu topline izmeu radne tvari i tla. Razultat je poboljani prijenos topline i termodinamike performanse. Meutim, tu sustavi zahtjevaju veliku koliinu rashladnog sredstva(radne tvari). U zimskom periodu grijanja, donji dio zavojnice koji je zakopan dublje moe uzrokovati da se tlo vlage zmrzne. irenje nakupine leda moe uzrokovati da se tlo skruti(ovrsne). Takoer, zbog potencijala zmrzavanja, zemna zavojnica se nebi smjela nalaziti u blizini vode. U ljetnom periodu hlaenja, vea temperatura zavojnice moe uzimati vlagu iz tla.

Slika 3.3.3.1: Pojednostavljena shema posredne ekspanzije (Brandl, H. 2006)

18

Slika 3.3.3.1: Pojednostavljena shema direktne ekspanzije (Brandl, H. 2006)

19

1.3 Prednosti GSHPs-aUz to je obnovljiv izvor energije kao najvea prednost, postoje i mnoge druge prednosti: 1. Ekonomske Prednosti 2. Ekoloke Prednosti 3. Neovisnost o fosilnim gorivima I nezahtjeva puno prostora u samom objektu(obiteljska kua). 1.1.1 Ekonomske prednosti Invensticijski troak(kapitalni troak) predstavlja i najvei troak, dok sa druge strane nudi nie operativne trokove i trokove odravanja. Radi usporedbe, kapitalni troak u prosjeku iznosi 105 dolara po metru kvadrtanom* u usporedbi s 89 dolara po metru kvadrtanom* za konvencionalne sustave. Ukupno smanjenje trokova potrebne energije jednog objekta mogu iznositi i do 60%. Osim utede na trokovima za energente, moe se utedjeti i na trokovima odravanja. U prosjeku trokovi iznose 2,33 dolara po metru kvadrtanom* . *Vrijednosti iz RETScreen-a Ovisno o efikasnosti toplinske pumpe direktno iz okolia moe se crpiti 75% potrebne energije to naravno nita ne kota. Ta energija ovisno o mediju koji koristimo dolazi od Sunca ili iz Zemlje. Samo odravanje je vrlo jeftino.

20

Slika 3.5.1.: Cijena grijanja obiteljske kue povrine 175m2za godinu dana (Geotermal heat pumps:A guide to planing and installing)

Usporedimo li najskuplju opciju a to je grijanje na plin (Propan) i najjeftiniju opciju a to je toplinska pumpa najvie efikasnosti jasno je vidljiva ekonomska prednost. Razlika u cijeni grijanja za samo jednu godinu iznosi 1682 .

1.1.2

Ekoloke prednosti Poto se u GSHP sustavima ukljuuje prijenos prirodne topline i nema nikakvih

gorivih procesa, tako da tetne emisije za okoli moemo prepisati elektrinoj energiji koja je potrebna sa bi sustav funkcionirao tj.ako je izvor elektrine energije iz fosilnih goriva.Klasini sustavi grijanja kao izvor energije koriste fosilne energente (grijanje na struju je posredan nain koritenja fosilnih energenata). Godine 2006. 86% energije se dobivalo sagorijevanjem fosilnih goriva. Izgaranjem fosilnih goriva u atmosferu se oslobaa ugljini monoksid CO, ugljini dioksid CO2, sumporni dioksid SO2, SO3, NO3 itd. Pored plinova koji se oslobaaju izgaranjem u atmosferi se drastino poveala koncentracija metana koji nastaje u preradi i koritenju prirodnog plina. Svi ti plinovi pojaavaju prirodan efekt staklenika to dovodi do zagrijavanja atmosfere. Predvia se porast temperature izmeu 1,5 i 6C u sljedeem stoljeu.

21

Slika 3.5.2.1.: Emisija Plinova koje doprinose efektu staklenika i promjeni klime (Professor D. Schnwiese, Institut fr Geophysik, Universitt Frankfurt/M)

Zagrijavanjem prosjene obiteljske kue koristei loivo ulje emitira se 6000 kg CO2 a grijanjem na plin 4000 kg CO2 . Prosjeno 40% emisije CO2 otpada na grijanje domainstava. Toplinske pumpe ovisno o vrsti energenta koja napaja kompresor isputaju puno manje koliine CO2 ili emisije uope nema. Ako se sistem geotermalnih toplinskh pumpi upari sa solarnim panelima emisija CO2 iznosi 0 kg godinje. Vodei proizvoai toplinskih pumpi koriste rashladne tvari bez freona koji sudjeluje u razgradnji ozona.

22

Slika 3.5.2.2.: Usporedba emisije CO2: tipina obiteljska kua (Institut fr Wrmetechnik TU Graz,Energiebericht der sterr.Bundesregierung 1990.)

Na slici 3.5.2.2 jasno je vidljivo smanjenje emisije CO2 u odnosu na klasine sisteme grijanja, a samim time je jasno vidljiv i pozitivan utjecaj na okoli. Elektrina energija dobivena za pogon kompresora se moe dobiti iz solarnih elija i na taj nain eliminirati emisiju CO2 u potpunosti.

23

2 Toplinska PumpaToplinske pumpe (u prijevodu sa engleskog jezika esto je koriten i termin dizalice topline) pretvaraju toplinsku energiju niske temperature u toplinsku energiju visoke temperature koja se koristi u svrhu grijanja domainstva. Pretvodba se odvija u zatvorenom krunom procesu u kojem radnom mediju konstantno mjenjamo stanje. Toplinska pumpa crpi spremljenu solarnu energiju iz svoje okolice(zrak, voda ili zemlja), i pretvara tu energiju(plus elektrina energija koja slui da se ciklus odvija Slika 4.1) u oblik topline, za grijanje ili zagrijavanje vode u cirkulacijskoj petlji.

Slika 4.1: Prikaz tok energije (Geotermal heat pumps:A guide to planing and installing)

Iz slika 4.1 i 4.2 vidimo da toplinske pumpe izvlae 2/3 potrebne toplinske energije iz prirode.

24

Toplina okoline + Kupljena energija(el) = Upotrabljiva energija za grijanje 4/4

Slika 4.2: Prikaz energija (Geotermal heat pumps:A guide to planing and installing)

Toplinske dizalice su transformatori topline kojima je temperatura rashladnog spremnika vea od temperature okolia dok im je temperatura ogrijevnog spremnika nia od temperature okolia. U procesu se energija oduzima tijelu s niom temperaturom i predaje tijelu vie temperature, uz utroak rada. Za funkcioniranje toplinske pumpe potreban je davalac topline i potroa tako dobivene energije odnosno rashladni i ogrijevni spremnik.

25

Osnovni elementu su: 1. Kompresor ima ulogu tlaenja rashladnog medija, podizanja njegove temperature i tlaka dovoenjem rada W 2. Kondenzator je izmjenjiva topline napravljen kao sustav cijevi u zavojnicu gdje rashladni medij predaje toplinu. Kod toplinskih pumpi on svoju toplinu predaje vodi koja se pri tome zagrijava i pomou vodene pumpe cirkulira kroz izmjenjiva topline u prostoru kojim grijemo i na taj nain nas grije. Kod rashlada on ima obrnutu ulogu gdje on dovodi toplinu. Proces u kondenzatoru moe se odvijati u dva ili tri stupnja odnosno hlaenje, kondenzacije i pothlaivanje radnog medija. 3. Termo-ekspanzijski ventil je regulator protoka rashladnog medija kroz sistem. Nalazi se izmeu kondenzatora i isparivaa. U njega ulazi rashladni medij iz kondenzatora na viem tlaku i veoj temperaturi. Kada plin izae iz ventila u cijev veeg poprenog presjeka, dobivamo nii tlak rashladnog medija. 4. Ispariva je izmjenjiva topline graen kao sustav cijevi namotanih u zavojnicu u koje ulazi rashladni medij na nioj temperaturi i preuzima toplinu iz tla,vode ili zraka. Ispariva je funkcijski graen kao i kondenzator.

Izvori topline moraju imati zadovoljavajuu raspoloivost te stalnu i dosta visoku temperaturu tokom godine, dosta veliku specifinu toplinu, moraju biti jeftini, isti i inertni.

1.1 Teoretske osnove o radu toplinske pumpeSistem toplinskih pumpi podlijee zakonima termodinamike, a bazira se na principu lijevokunog Carnotovog procesa.

1.1.1

Kruni Proces Toplinski ureaji dijele se na termoenergetske i rashladne ureaje. Kod

termoenergetskih ureaja pretvaramo toplinsku energiju u mehaniku ili elektrinu dok se kod rashladnih ureaja toplinska energija prenosi sa tijela nie temperature na tijelo vie temperature. Za neprekidan rad takvih sustava koriste se kruni procesi. Za ostvarenje krunog procesa potrebna su dva izvora topline na razliitim temperaturama, ogrijevni i

26

rashladni. Dovod i odvod topline se odvija izotermalno, a preostale dvije promjene stanja su adijabatske. Toretske osnove krunih procesa postavio je Sadi Carnot. Prema njegovoj definiciji postoje desnokruni i lijevokruni procesi.

1.1.1.1 Desnokruni procesi Desnokruni Carnotov proces se odvija prema drugom glavnom zakonu. Odvija se preko dvije izoterme i dvije adijabate. Za ostvarenje ciklusa potrebna su dva izvora na razliitim temperaturama TH ogrijevni spremnik (eng. Hot) i TC rashladni spremnik (eng. Cold). Zamiljeni Carnotov stroj sastoji se od sljedeih promjena stanja:Slika 4..1.1.1: Carnotov desnokruni proces (wikipedia.org)

1. Izotermne ekspanzije plina (TH) promjena od A do B 2. Izentropske ekspanzije plina - promjena od B do C (sustav je toplinski izoliran od okoline) 3. Izotermne kompresije plina(TC) promjene od C do D 4. Izentropska kompresija plina promjena od D do A (sustav je toplinski izoliran od okoline)

1.1.1.1 Lijevokruni procesi Lijevokruni proces je ustvari reverzni desnokruni Carnotov proces to znai da je smjer obratan dakle obrnuto smjeru kazaljka na satu. Za ostvarenje ciklusa potrebna su dva izvora na razliitim temperaturama TH ogrijevni spremnik (eng. Hot) i Tc rashladni 27

spremnik (eng. Cold ). Proces se ostvaruje preko dvije izoterme i dvije izentrope. Lijevokruni Carnotov proces je osnova funkcioniranja toplinskih pumpi jer omoguava podhlaivanje hladnijeg tijela u korist grijanja toplijeg tijela.

1.2 Carnotov ProcesS obzirom da je ciklus toplinskih pumpi vie manje obrnuti idealni Carnotov desnokruni ciklus (odnosno lijevokruni), Carnotova korisnost se moe izraunati koristei razliku u temperaturi isparivaa i kondenzatora: C=TT-TO=TT TO - Temperatura ogrjevnog spremnika iz kojeg crpimo toplinu T - Temperatura medija kojem predajemo toplinu (temperatura medija u domainstvu) T - Razlika u temperaturi izmeu temperature medija domainstva i ogrjevnog spremnika

Slika 4..2: Carnotov proces u T-S dijagramu (wikipedia.org)

28

U stvarnosti idealni procesi ne postoje tako da je COP ustvari manji od Carnotove korisnosti. Zbog toplinskih, mehanikih i elektrinih gubitaka COP se umanjuje za stupanj djelovanja toplinske pumpe .

1.3 COPKoeficijent iskoristivosti predstavlja vrlo bitnu veliinu za toplinske pumpe. COP nam pokazuje omjer dobivene korisne toplinske energije i uloene energije u sistem preko kompresora. =COP=Korisna toplinska energija kWUloena el.energija Kompresora (kW)=Energija iz okolia+Uloena el.energija Kompresora Uloena el.energija Kompresora>1

COP je trenutana vrijednost i ovisi o dizajnu toplinske pumpe i o karakteristikama radnog medija. Efikasnost sistema grijanja toplinskim pumpama najvie ovisi o dvije veliine, temperaturi na koju zagrijavamo kuanstvo i temperaturi ogrjevnog spremnika iz kojeg crpimo toplinu odnosno njihovoj razlici te o gubicima u samom sustavu. Iz toga se moe zakljuiti da COP tokom godine varira zbog razliitih vrijednosti temperatne razlike ogrijevnog i rashladnog spremnika topline.

Slika 4..3: COP u ovisnosti o promjeni razlike temperature T (Geotermal heat pumps:A guide to planing and installing)

29

Na slici 4.3. se moe vidjeti kako COP opada kada je T vei, a raste kada je T manji. Vei T se pojavljuje u zimskim periodima to nam svakako ne odgovara. Iz tog razloga je vrlo bitan izbor medija iz kojeg se crpi toplina i njegove karakteristike.

1.4 Teoretski princip radaToplinska pumpa je sustav koji se bazira na lijevokretnom Carnotovom krunom procesu koji toplinu u stroju pretvara u rad, pri emu se koristi idealni plin, najee neki od freona ovisno o eljenim temperaturama. Nain rada je gotovo identian nainu rada kunog hladnjaka, a razlika je u tome to rashladni ureaj oduzima toplinu namirnicama i predaje je okolini dok toplinska pumpa uzima toplinu iz zraka,vode ili zemlje, i dovodi je u prostor koji elimo zagrijati. Proces se sastoji od dvije adijabatske promjene i dvije izotermne promjene koje zatvaraju ciklus.

Slika 4.4.1. Teoretski princip rada toplinske pumpe-griijanje (mcsolar.hr)

U nainu grijanja, toplinska pumpa radi na sljedei nain (Slika 4.4.1). Toplina iz zemnom kolektora ili uzemljenja dolazi do izmjenjivaa topline rashladne tvari koji se voze ispariva. U tom isparivau se nalazi rashladna tvar uglavnom u tekuem stanju. Rashladna tvar je hladnija od temperature tekuine koja nam slui za prijenos topline iz uzemljenja, tako da toplina prelazi iz tog fluida na radnu tvar. Te ta toplina uzrokuje da radna tvar pree iz tekueg stanja u plinovito. Ova plinovita rashladna tvar, niskog tlaka i temperature prelazi u elektrini kompresor. Te se podie tlak i kao posljedica podie se i temperatura. Visoke teperature, visokog tlak i plinovitog stanja rashladni medij se iz kompresora ubacuje u drugi izmjenjiva topline koji se zove kondenzator. U voda-zrak toplinskoj pumpi, ventilator otpuhuje zrak kroz kondenzator da bi grijao. U voda-voda toplinskoj pumpi, voda koja e grijati objekat prolazi kroz kondenzator . budui da je rashladni medij topliji od zraka ili vode, on prenosi toplinu na njih. Kako gubi toplinu, rashladni mediju pomalo temperatura pada i kondenzira se. Rashladni medij visoke temperature prolazi kroz ekspanzijski ventil, ventil smanjuje pritisak rashladnog medija i kao posljedica toga njegova temperatura rashladnog 30

medija naglo padne. I sada rashladni medij niske temperature i tekkueg stanja dolazi do isparivaa i ciklus poinje ponovno.

Jedna znaajnija razlika izmeu geotermalnih toplinskih pumpi i hladnjaka je ta da je geotermalna toplinska pumpa namjenjena za rad u oba smjera. Kada je u modu hlaenju, ispariva(izmjenjiva topline izmeu fluida uzemljenja i rashladne tvari) postaje kondenzator a kondenzator(izmjenjiva topline rashladne tvari i zraka odnosno vode koja nam slui za grijanje prostora) postaje ispariva. To se postie pomou reversing valve(povratnog ventila) u toplinskoj pumpi. Gore navedeni rad toplinske pumpi u nainu rada-grijanje, se moe pokazati pomou T-s dijagrama.

31

Slika 4.4.2. Idealizirani termodinamiki proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi. (Osnove tehnike termodinamike)

Slika 4.4.2. Proces se odvija na nain da se radni medij komprimira uz potronju mehanikog rada izmeu toaka 1 i 2. Nakon toga slijedi hlaenje i kondenzacija izmeu toaka 2 i 3 pri emu toplina prelazi na rashladnu vodu ili zrak kojom se kondenzator hladi. Taj zrak ili voda (rashladni), koji smo maloprije zagrijali, slui za zagrijavanje domainstva.

Nakon kondenzacije rashladni medij se priguuje do tlaka i temperature u isparivau izmeu toaka 3 i 4. Slijedi ulazak mokre pare u ispariva koji oduzima toplinu tijelu koje se hladi (toplinski spremnik- ogrijevni spremnik, Zemlja). Dogaa se promjena stanja, isparavanje i vraamo se u kompresor. To se sve odvija izmeu toaka 4 i 1. Povratkom u kompresor zatvoren je kruni proces. U proraunu stvarnog procesa moramo ukljuiti i gubitke cjevovoda, kompresora, mehanike i elektrine gubitke u elektromotoru, odstupanje radnog medija od idealnih. Ukupni stupanj djelovanja toplinske pumpe obuhvaa sve gubitke i iznosi 25-75%. Rad toplinske pumpe se moe predoiti i sa promjenama stanja rashladnog medija: 32

Slika 4.4.3. Promjene stanja koje se dogaaju u toplinkosj pumpi (wikipedia.org)

1. Izotermna ekspanzija promjena koje se odvija u kondenzatoru koji predaje toplinu rashladnom mediju vodi ili nekom drugom prostoru koji elimo zagrijati. Rashladni medij mora prei u tekue stanje. 2. Adijabatska ekspanzija koju izvodi termo-ekspanzijski ventil unutar kojeg rashladni medij gubi tlak i opda mu temperatura. 3. Prva izotermna pormjena na isparivau koda on uzima toplinu iz okoline(voda tlo zrak) i zagrijani rashladni medij u parnoj fazi vraa natrag na kompresor ime zakruuje ciklus. 4. Adijabatska kompresija promjena na kompresoru gdje tlak medija raste kao i temperatura..

1.1 Radni medij toplinske pumpe1.1.1 Openito o radnom mediju

U teoretskom dijelu pod radnim medijem u svim dijelovima sustava geotermalne toplinske pumpe se smatra voda u tekuem i plinovitom stanju. Takoer, u teoretskom dijelu prikazani su principi djelovanja sistema za idealne plinove. U stvarnosti postoje odstupanja zbog postojanja gubitaka. Za ublaavanje tih gubitaka umjesto vode u toplinskim pumpama 33

koristimo neke druge kapljevine. Potrebno je razlikovati radni medij u zatvorenom sistemu toplinske pumpe od radnog medija primarnog kruga te radnog medija sekundarnog kruga. Funkcija radnog medija unutar toplinske pumpe je ostvarivanje krunog procesa dok je funkcija medija u primarnom krugu prikupljanje topline u ogrjevnom spremniku te transport do toplinske pumpe. U sekundarnom krugu funkcija radnog medija je preuzimanje topline u toplinskoj pumpi te distribucija po domainstvu. S obzirom na razlike u temperaturi radnog medija u primarnom i sekundarnom krugu postoje i odreene razlike u medijima. Najbolji primjer je primjena antifriza u primarnom krugu zbog niske temperature u svrhu sprjeavanja smrzavanja medija. Radni medij u primarnom i sekundarnom krugu su kombinacije : voda/voda , zrak/zrak , zrak/voda.

1.1.2

Vrste radnog medija u toplinskim pumpama

Za razliku od primarnog i sekundarnog kruga u kojima se koristi voda kao radni medij u toplinskim pumpama koristimo neke druge spojeve. Prije pojave problema ozonskih rupa u 1980-im godinama, najraireniji radni medij bili su metan kojem su jedan ili vie atoma zamjenjeni F, Cl, Br, I , poznatiji kao R-12 i R-22. R-22 se ee koristio za klimatizaciju u stambenim prostorima dok je R-12 bio namjenjen za klimatizaciju vozila. Neki rani sustavi koristili su radni medij zvan R-11. Proizvodnja R-12 je prestala sredinom devedesetih a R-22 bi trebao bit potisnut iz upotrebe do 2020. R-134a i odreene mjeavine danas zamjenjuju stare medije koji sadre klor. Suvremeni mediji samim time ne unitavaju ozon i puno su ekoloki prihvatljiviji. Ali niti R134a nije konano rjeenje jer nove studije pokazuju da tetno utjee na klimatske promjene. U Europskoj Uniji ve su stupile na snagu odreene restrikcije to se tie koritenja ovog medija, a 2011. e biti u potpunosti zabranjen. Danas se najvie koriste: R 134A - njegova kemijska formula je C2H2F4 34

- temperatura vrelita : - 26,3 C R 407C - mjeavina R-32 (23%) , R-125 (25%) i R-134a (52%) R410A - mjeavina R-32 (50%) i R-125 (50%) - temperatura vrelita : - 48,5 C R404A - mjeavina R-125(44%) , R-143a(52%) i R-134a (4%) R290 - isti propan - temperatura vrelita : - 42,5C

35