Soldo - Dizalice topline osnove

1

doc.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj.Fakultet strojarstva i brodogradnjeSveučilište u Zagrebu

Program izobrazbe za stručno osposobljavanje i obvezno usavršavanje osoba koje provode energetske preglede i/ili energetsko certificiranje zgrada s jednostavnim

tehničkim sustavom

MODUL 2

DIZALICE TOPLINEDIZALICE TOPLINE

Slavonski Brod, 30. listopada 2010.

Veleučilište u Slavonskom Brodu

2

SADRSADRŽŽAJAJ

1. PROCESI S DIZALICOM TOPLINE

2. UČINAK DIZALICE TOPLINE

3. IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE

4. PRIMJERI ISPITNIH SUSTAVA S DIZALICOM TOPLINE

5. EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

3

UVODUVOD

Korištenje dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline bilježi jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije, mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu.

Procjenjuje se da je u svijetu instalirano 1,7 milijuna geotermalnih dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline, učinka grijanja 18 GW, [J. Spitler, 2008.]

Koriste se za niskotemperaturno grijanje i zagrijavanje PTV-a. Mogućnost rada dizalice topline u režimu grijanja i režimu hlađenja

Ovakvi su sustavi široko prihvaćeni u tehnološki razvijenom svijetu, primjerice u Švedskoj, SAD, Švicarskoj, Austriji, Njemačkoj, Turskoj.

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(travnja 2009) svrstava dizalice topline u obnovljive izvore energije prema minimalnoj vrijednosti sezonskog toplinskog množitelja.

4

PROCESI S DIZALICOM TOPLINE

Pod nazivom dizalica topline podrazumijeva se općenito svaki uređaj koji prenosi toplinu sa spremnika niže temperature na spremnik više temperature, u kojem se toplina korisno primjenjuje. Proces dizalice topline istovjetan je ljevokretnom rashladnom procesu.

Dizalice topline se dijele prema vrsti kompenzacijeke energije na:

- kompresijske dizalice topline koriste mehanički rad za pogon uređaja- sorpcijske dizalice topline koriste toplinsku energiju za pogon uređaja(apsorpcijske i adsorpcijske dizalice topline)

Usporedba učinkovitosti kompresijskih i apsorpcijskih dizalica topline moguće je samo ako se promatra primarna energija.

5

Qo Qo

Q

gQ Qg

Q

TokTo okT gT oT Tok gT

T

a) b)

To

c)

okT

gT

PROCESI S DIZALICOM TOPLINE

Premda se svakim ljevokretnim kružnim procesom korištenjem vanjskog rada može ostvariti prijenos topline od niže na višu temperaturu, ipak se razlikuju tri vrste takvih procesa:

a) rashladni proces,b) ogrjevni proces,c) rashladno-ogrjevni proces.

6

g 1isp kompkondo

komp komp

P

P Pε ε

Φ +Φ= = = +

Za prijenos topline između dva toplinska spremnika kao pogonska energija kod apsorpcijskihrashladnih uređaja/dizalica topline koristi se toplinska energija. Umjesto mehaničkogkompresora koji se primijenjuje u kompresijskim uređajima, ovdje se za pogonski stroj koristi tzv. „termički kompresor“ pogonjen npr. plinom ili vodenom parom.

KQSPF

E

Σ=Σ

APSORPCIJSKE DIZALICE TOPLINE

Shematski prikaz apsorpcijskog uređaja

7

g 1isp kompkondo

komp komp

P

P Pε ε

Φ +Φ= = = +

Toplinski odnos (ζgr) jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline definiran je kao:

KQSPF

E

Σ=Σ

Kao prijenosnik energije u apsorpcijskim dizalicama topline uz radnu tvar dolazi još i apsorpcijsko sredstvo. Oboje zajedno čine radnu smjesu apsorpcijskih uređaja. Najviše u praksi korišteni parovi ranih smjesa su i voda/litijbromid (H2O/LiBr) i amonijak/voda (NH3/H2O). Kod prvog para smjese primjena je ograničena najnižom dozvoljenom radnom temperaturom koja mora biti viša od 0°C. Stoga se oni najčešće primjenjuju u sustavima klimatizacije.

Toplinski odnos jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline predstavlja omjer toplinskog učinka apsorbera i kondenzatora u odnosu na toplinski učinak generatora (kuhala).Vrjednosi se kreću od 1,2 do 1,5.

Toplinski odnos apsorpcijske dizalice topline

5,12,1 ÷≈ΦΦ+Φ

=+ΦΦ+Φ

=g

ka

pg

kagr P

ζ

8

Lijevokretni rashladno-ogrjevni proces posreduje u prijenosu topline između dva toplinskaspremnika, niskotemperaturnog spremnika kojem se odvodi toplina i pritom se hladi, tevisokotemperaturnog toplinskog spremnika kojem se ta toplina dovodi i pritom se grije(Ilustracija 1.).

Najpoznatija i najraširenija dizalica topline je kućnihladnjak („frižider“) koji se koristi s ciljem hlađenja, odnosno primarni cilj je odvođenje topline tretiranojrobi (izvor topline) pri temperaturi nižoj od okoline, a ostvaruje se putem isparivača.

Inače u praksi se uvriježio naziv dizalica topline za lijevokretni uređaj koji se koristi za potrebe grijanja.

Radne tvari koje se koriste u dizalicama topline:R410A, R407C, R134a, R290, CO2

P

q

Φ

KOMPRESIJSKE DIZALICE TOPLINE

9

Toplinski množitelj dizalice topline definiran je izrazom:

log

Kp ,

1

3

4

q

1

23

4

o h

kompresor

isparivačprigušniventil

1''

qw

K

s = k

onst

Tw

TK

TKTpo

ip ,i TKT

TpriT

koristi se zrakkao toplinski izvor

wTok

2

qm

Kqvoda

kondenzator

p

koristi se vodakao toplinski ponor

qo

hlkomp

kompisp

komp

kond

komp

kondgr 1

wεε +=

+Φ=

Φ==

P

P

Pq

kompispkond P+Φ≈Φ

pri čemu učinak grijanja koji predstavlja učinakkondenzatora iznosi:

Ljevokretni ogrjevni proces

1ii

4q o

3T

Tok

wT p

T , p

T

,pkT k

p 2k

Prikaz rashladnog-ogrjevnog procesa u logp-h i T,s-dijagramu

10

HLAĐENJE

Faktor hlađenja split-klima uređaja:

GRIJANJEToplinski množitelj egr dizalice topline:

Primjer.:Φisp = 3500 W, PEL = 1084 W(Thl = 27 °C, Tok = 35 °C; HRN EN 14511)

Prekretni split proces: hlađenje - grijanje

Primjer:Φkond = 3850 W, PEL = 1067 W(Tgr = 20 °C, Tok = 7 °C)

( ) 23,310843500

EL

isphl ==

Φ=

PEERε

( ) 61,310673850

EL

kondgr ==

Φ=

PCOPε

Prekretni proces split klima uređaja: hlađenje - grijanje

11

Primjer izgleda energetske oznake

Razvrstavanje uređaja prema energetskoj učinkovitosti:

HLAĐENJE (EER)Razred energetske učinkovitosti A 3,20 < EERRazred energetske učinkovitosti B 3,20 > EER > 3,00Razred energetske učinkovitosti C 3,00 > EER > 2,80Razred energetske učinkovitosti D 2,80 > EER > 2,60Razred energetske učinkovitosti E 2,60 > EER > 2,40Razred energetske učinkovitosti F 2,40 > EER > 2,20Razred energetske učinkovitosti G 2,20 > EERGRIJANJE (COP)Razred energetske učinkovitosti A 3,60 < COPRazred energetske učinkovitosti B 3,60 > COP > 3,40Razred energetske učinkovitosti C 3,40 > COP > 3,20Razred energetske učinkovitosti D 3,20 > COP > 2,80Razred energetske učinkovitosti E 2,80 > COP > 2,60Razred energetske učinkovitosti F 2,60 > COP > 2,40Razred energetske učinkovitosti G 2,40 > COP

12

Godišnji toplinski množitelj εgr,G (Sesonal performance factor - SPF) dizalice topline koristi se za proračun i dimenzioniranje sustava grijanja. Računa se preko sljedećeg izraza:

ΣQDT - stvarno proizvedena top. energija dizalice topline tijekom godine, kWh

ΣE - ukupna godišnja el. energija utrošena na pogon kompresora, pumpi, ventilatora, te sustav odleđivanja isparivača, kWh

IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE

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.

( )∑∑=

E

QSPF DT

Ggr, ε

13

Ovisnost toplinskog množitelja o temperaturama isparavanja i kondenzacije (E. Granryd)

kondg

komp

ε Φ=

P

Učinak kondenzatora – ogrjevni učinak DT

ε

Φ

ϑ

Φ

ε

kond isp kompΦ ≈Φ + P

Pravilo koje vrijedi je: što je manja temperaturnarazlika između temperature toplinskog izvora (zrak, voda, tlo) i temperature toplinskog ponora (zraka ilivode koja se grije), to će veći biti učinak grijanja i manja snaga kompresora, odnosno bit će većitoplinski množitelj

W, ousissoRTisp qnVqm λρ==Φ &

Rashladni učinak isparivača određen je izrazom

Ogrjevni učinak kondenzatora određen je izrazom:

W,kondusisskondRTkond qnVqm λρ==Φ &

UČINAK DIZALICE TOPLINE

14

3,02,94,54,4Faktor grijanja

3,33,32,42,4El. snaga, kW

9,89,510,810,4Učinak grijanja, kW

B0/W55**B0/W35*Norma EN 14511

DIZALICA TOPLINE TLO-VODA

Norma HRN EN 14511 za radnu točku B0/W35 definira učinkovitost dizalice toplinetlo-voda za temperaturni režim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C i temperaturnirežim vode na kondenzatoru 30/35 °C. Komercijalne dizalice topline za navedeneuvjete 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 režim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru 30/35 °C

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

Učinkovitost dizalice topline prema HRN EN 14511 (HRN EN 255):

15

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 toplinskihspremnika za posljedicu ima porast vrijednosti toplinskog množitelja koji iznosi zakomercijalne dizalice topline približno 5,5. Za radnu točku W10/W55 toplinskimnožitelj iznosi približno 3,5.

3,63,55,75,5Faktor grijanja

2,73,01,92,1El. snaga, kW

9,610,210,911,6Učinak grijanja, kW

W10/W55**W10/W35*Norma EN 14511

DIZALICA TOPLINE VODA-VODA

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

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

Učinkovitost dizalice topline prema HRN EN 14511 (HRN EN 255):

16

NAČINI RADA DIZALICE TOPLINE

Prema izvedbi generatora topline poznati su sljedeći načini rada dizalice topline:• Monovalentni način rada• Bivalentno-paralelni način rada• Bivalentno-alternativni način rada a) Monovalentni način rada dizalice topline

Sve toplinske gubitke zgrade (toplinsko opterećenje) koji se proračunavaju prema normi HRN EN 12831 pokriva isključivo dizalica topline.

Učinak dizalica topline se projektira prema vanjskoj projektnoj temperaturi zraka.

Geotermalne dizalice topline s podzemnom vodom ili tlom kao izvorima topline rade kao monovalentni sustavi.

20 °C-15 °C ok

kWUcinak

potrebni ucinak grijanja

projektna tocka

DIZALICA TOPLINE

17

b) Bivalentno-paralelni način rada dizalice topline

Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline je jedini izvor topline. Daljnjim padom vanjske temperature zraka (npr. -3 °C ili niže) uključuje se paralelno još jedan toplinski izvor (npr. plinski bojler).

Priključenje drugog toplinskog izvora regulacija vodi prema vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom učinku grijanja.

Ovaj način rada sustava grijanja koristi se kod dizalica topline sa zrakom kao izvorom topline.


20 °C-15 °C ok

DIZALICA TOPLINE

-3 °C

kWUcinak

projektna tocka


18

c) Bivalentno-alternativni način rada dizalice topline

Do određene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline je jedini izvor topline, koja ovisno o karakteristici grijanja odgovara temperaturi polaznog voda maks. 55 °C. Daljnjim padom vanjske temperature zraka uključuje se drugi izvor topline i on je dalje jedini u radu (npr. plinski bojler).

Točka prekretanja izbora sustava grijanja u ovom primjeru iznosi -1 °C.

Ovaj način rada sustava grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog režima 90/70 °C.

20 °C-15 °C ok -1 °C

20 °C

30 °C

40 °C

50 °C

60 °C

70 °C

80 °C

90 °C

PolazPovrat

55 °C

Tem

pera

tura

pol

aza/

povr

ata


20 °C-15 °C ok

DIZALICA TOPLINE

-1 °C

kWUcinak

projektna tocka


19

Prema namjeni grijanje dizalicom topline može biti za grijanje prostora ili zagrijavanje PTV-a (A), te kombinirano za zagrijavanje PTV-a i grijanje prostora (B).

A) alternativni način rada DT

B) kombinirani način rada DT


20

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

21

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 ϑok = -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.

22

Primjer: dizalica topline zrak-voda s temperaturama i tlakovima radne tvari u radnoj točki A7/W50.

- toplinski učinak dizalice topline 10,75 kW- snaga el. uređaja (komp., vent...) 3,2 kW- toplinski množitelj 3,4

U radnoj točki A-7/W50 navedena dizalica topline ima sljedeće učinke:- topl. učinak dizalice topline 6,5 kW- snaga el. uređaja (komp., vent...) 3,1kW- toplinski množitelj 2,1

Zrak T=7°C

Kondenzator

KompresorPrigušniventil

Isparivač

Usisni vod

Tlačni vod

p=2.6 bar

p=14.2 bar

Tkond=53°C

(pothlađenje 3°C)

Tisp=-3°CTpr=2°C(pregrijanje 5°C)

TW2=50°CTW1=45°C

p=2.6 bar

p=14.2 bar

Tpoth=50°C Tkomp=73°C

R134a

Kapljevinski vod

Okolišnji zrak kao izvor topline

23

Vode potoka, rijeka i jezera kao izvor topline

Naselja uz potoke, rijeke i jezera, imaju izvor topline u mnogim slučajevima pristupačan i jeftin. Takve se vode mogu uobičajeno koristiti pri temperaturama većim od +4 °C.

Temperature riječne i jezerske vode se najčešće kreću od +7 °C do +8 °C, pa i onda kada se vanjska temperatura spušta do 0 °C.

Kod dovoljno velikih jezera i na dovoljno velikim dubinama (oko 20 do 30 m), temperatura vode je obično preko cijele godine stalna i iznosi, već prema danim uvjetima, od 5 do 15 °C.

Nedostatak ovog izvora je ograničenost njegove primjene samo na mali broj potrošača koji leže uz rijeku ili jezero (more).

24

Podzemne vode kao izvor topline

Temperatura podzemne vode iznosi u većini slučajeva od 8 do 12 °C i ovisi o 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 jepodzemna voda najpovoljnija kao izvor topline za pogon dizalice topline.

Potopljena crpka ugrađuje se obično do dubine 15 m kako bi se smanjili pogonski troškovi pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna visina bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i nečistoća.

Promjer bunara je obično 220 mm ili veći.Protok pumpe za vodu proračunava se na

temperaturnu razliku vode na isparivaču od 4 °C (5 °C).

25

Bušenje upojnog bunara u primorskom dijelu Hrvatske

PRIMJER:

Dizalica topline voda-voda učinka 14,4 kW (VWS 101/2)Temperatura vode 13,5 °CTemperaturni režim na međuizmjenjivaču:

- primar 13,5/10 °C,- sekundar 6/10 °C

Snaga potopljene dobavne pumpe 0,5 kWDubina bunara 28 m (pumpa postavljena na dubini 22 m)Ispusna cijev u izljevnom bunaru na visini 18 mUkupni toplinski množitelj za temp. režim ogrjevne vode 35/30 °C

iznosi 5,1.

Podzemne vode kao izvor topline

26

Solarna dizalica topline s izravnim isparavanjem radne tvari u solarnom kolektoru koristi Sunčevu energiju i okolišnjizrak kao izvor topline na isparivaču.

Klasični kolektorski sustav - radni medij (voda) je na znatno višoj temperaturi od okolišnje i kod kojih se učinkovitost kolektora kreće između ηkol = 0,4 – 0,6

Kod solarne dizalice topline učinkovitost kolektorapoprima vrijednosti od 0,6 do 0,9, a može biti veća.

Toplinski množitelj ovisno o sunčanom ozračenju, temperaturi okoline, te temperaturi vode na izlazu iz kondenzatora, doseže vrijednosti od 3 do 8, pa i više.

SOLARNA DIZALICA TOPLINE

27

-0,94ηkolUčinkovitost kolektora-5,43εgToplinski množitelj

W3386ΦKNa strani vode:ΦK = qmw cpwΔϑw

W3441ΦKNa strani radne tvari:ΦK = qmRT(h2 – h3)

UČINAK KONDENZATORA

W2881ΦoNa strani radne tvari:UČINAK ISPARIVAČAProračunske veličine

W/m2804,4ITΣOzračenjeHz45fFrekvencija EM kompresoraW623,3PELElektrična snaga kompresora

kg/s0,0705qmwMaseni protok vodekg/h66,9qmRTMaseni protok radne tvari R134abar11,9pKTlak kondenzacijebar5,12piTlak isparavanja°C31ϑokTemperatura okoline°C43,1ϑw izIzlaz iz kond.°C31,6ϑw ulTemp. vode na ulazu u kond.°C46ϑKTemperatura kondenzacije°C16,9ϑiTemperatura isparavanja

JedinicaVrijednostOznakaMjerene veličine

SOLARNA DIZALICA TOPLINE - REZULTATI MJERENJA FSB, 23.05.2006.

28

Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjivača

Zemlja je kao izvor topline povoljna jer već u malim dubinama ima prilično konstantnutemperaturu (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

Potrebna slobodna površina je otprilike 2 ÷ 2,5 puta veća od grijane površine. Regeneracija toplinskog izvora događa se zahvaljujući Sunčevom zračenju,kiši ili rosi.

29

Specifični učinak horizontalnog izmjenjivača u tlu ovisno o sastavu tla

20-25Suho glinasto tlo

30-35Tlo s podzemnom vodom

25-30Mokro glinasto tlo

15-20Mokro pješčano tlo

10-15Suho pješčano tlo

Specifični učinak, W/m2Vrsta tla

Primjer: Dizalica topline učinka grijanja 10,4 kW pri uvjetima koje propisuje norma B0/W35 ima učinak isparivača 8 kW (snaga kompresora 2,4 kW).Uz pretpostavku specifičnog učinka horizontalnog izmjenjivača u tlu od 25 W/m2 površina tla s kolektorskim poljem iznosi:A=Φisp/qizmj=8000/25=320 m2

Maksimalna duljina jednog kruga iznosi 100 m. Ukupna duljina cijevi: 320 m2 x 1,5 m cijevi /m2= 480 m (PE 32x2,9 mm)


30

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 mTemperaturni režim na strani glikolne smjese (-1)/3 °C


31

Izmjenjivač topline (tvornički predmontiran) se u tlo polaže najčešće kao dvostruka U cijev.

1 ÷ 3 W/(m K)Toplinska vodljivost tla

smjesa bentonita i cementa

Ispuna bušotine:

80 ÷ 152 mmPromjer bušotine

25, 32, 40 mmPromjer PE cijevi:

20 ÷85 W/mUčinak vertikalnog izmjenjivača

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

voda+glikol

vertikalnabušotina(izmjenjivač)

ispuna

Izmjenjivač se u bušotinu ulaže na dubini od 60 do 150 m (200 m).

Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjivača

32

Ugradnja izmjenjivača u tlo

60-150 m

6 m

1,2 m


55 - 65Pješčenjak

45 - 60Vapnenac (masivni)

30 - 40Glina, ilovača, vlažno

55 - 65 Šljunak, pijesak, provodi vodu

60 - 70Gnajs

35 - 55Bazični magmatiti (npr. bazalt)

55 - 70Kiseli magmatiti (npr. granit)

< 20Šljunak, pijesak, suh

Specifični učinak, W/mVrsta tlaSpecifični učinak vertikalnog izmjenjivača u tlu u izvedbi dvostruke U cijevi (VDI 4640).

33

Jedno od najvećih polja vertikalnihbušotina u Europi nalazi se u Norveškoj

(180 bušotina, svaka dubine 200 m).

Prema European Geothermal Energy Councilvodeće zemlje u primjeni dizalica topline s bušotinskim izmjenjivačima topline su (podaci vrijede za 2008.):

Austrija - 48.000Francuska - 122.000Njemačka - 150.000Švedska - 320.000


34

IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVAČEM TOPLINE

s toplinskom sondom dubine 100 m na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu

U suradnji s tvrtkom FIL.B.IS. Hidro-Geo koja sudjeluje u realizaciji znanstvenog projekta koji se provodi uz potporu Ministarstva znanosti, obrazovanja i športa pod nazivom Korištenje tla kao obnovljivog toplinskog spremnika, u neposrednoj blizini Laboratorija za toplinu i toplinske uređaje izvedena je bušotina promjera 152 mm, dubine 100 m.

Bušenje je provedeno primjenom zaštitnih kolona promjera 152 mm i dužine 1,5 m.

Bušenje u zaštitnoj koloni

35

3

2

1

1 - uteg

2 - U cijev

3 - obujmica

Poprečni presjek bušotine

3

2

4

4 - ispuna

152 mm115

Toplinska

sonda sutegom

32

U bušotinu je postavljena sonda - izmjenjivač topline u obliku dvostruke U cijevi.

Dvostruka U cijev izvedena je iz polietilena visoke gustoće PE 100 i promjera je 32mm.

Ugradnja vertikalnog izmjenjivača – toplinske sonde


36

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


37

Cementiranje bušotine

Gustoća smjese za cementiranje je 1460 kg/m3, a dobiva se tako da se na 810 kg punila dozira 610 litara vode u specijalnoj pumpi s mješalicom

Bušotina je zapunjena specijalnom smjesom bentonita i cementa dobre toplinske vodljivosti,λ = 2,0 W/(m K)


38

Dizalica topline voda-zrak (Carrier RHE 036) postavljena je unutar laboratorija i spojena na izmjenjivačtopline u bušotini. Koristeći tlo kao toplinski spremnik dizalica topline ima mogućnost rada u režimu hlađenja i režimu grijanja

Spajanje toplinske sonde s dizalicom topline


39

REZULTATI MJERENJA - Stratifikacija temperature tla po visini bušotine

Geotermalni gradijent:

Na dubini 1,5 i 5 metara primjetan je utjecaj okolišnjetemperature na temperaturu tla. Od 10 do 50 metara temperatura tla pada, da bi nakon 50 metara dubine, temperatura rasla sve do 100 m.Temperatura tla na dubini 100 m je 15,2°C. .

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 11 12 13 14 15 16 17

Temperatura tla, °C

Du

bin

a (p

ozi

cija

ter

mo

par

a), m

03. travnja 2009.22. travnja 2009.13. svibnja 2009.

40

REZULTATI MJERENJA – Test toplinskog odziva tla

Nakon potpune temperaturne stabilizacije tla, a prije početka eksploatacije sustava, proveden je višednevnitest s narinutim konstantnim toplinskim tokom, tzv. test toplinskog odziva (engl. thermal response test).

Test je proveden u vremenu od 92 sata s toplinskim opterećenjem 4 kW.

Prema rezultatima mjerenja proračunata je prosječna vrijednost toplinske vodljivosti tla dužbušotine dubine 100 m na lokaciji FSB-a, Ivana Lučića 5, u iznosu od λ = 1,70 W/(m K).

Toplinski otpor bušotine iznosi Rb = 0,073 (K m)/W

41

Primjetan je znatan pad učinkadvostruke U cijevu u tlu u prvomedanu rada uređaja, od početnih 7,9 kWdo učinka izmjenjivača od 5,5 kWnakon 24 sata. Nakon 72 sata rada uređaja u režimu grijanja učinakizmjenjivača u tlu iznosio je 5,1 kW.

FSB, 11.01.2010.; 12.00 sati

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72

Vrijeme, h

Uč

inak

izm

jen

jivač

a t

op

line

u t

lu,

kW

REZULTATI MJERENJA – Učinak izmjenjivača u tlu

Temperatura tla po visini bušotine, FSB 11.01.2010.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72

Vrijeme, h

Tem

pera

tura

, °C

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

42

REZULTATI MJERENJA – Razdioba temperature tla uzduž bušotine

7,35

8,49

7,63

7,33

7,53

10,7210,67

3,07

3,02

4,66

4,08

3,67

3,83

6,70

7,58

7,651,80

5,83

5,865,710

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Temperatua tla, °C

Dubi

na (p

ozic

ija te

rmop

ara)

, m

22. ožujka 2010.;07.00 sati

22. ožujka 2010.;20.00 sati

3,864,45Toplinski mnoToplinski množžitelj, itelj, --

6,296,297,877,87UUččinak kondenzatora, kWinak kondenzatora, kW

1,631,631,771,77ElEl. snaga kompresora, kW. snaga kompresora, kW

4,666,10UUččinak izmjenjivainak izmjenjivačča u tlu, kWa u tlu, kW

UUččinciinci

11,2711,2712,4812,48Temperatura okoline, Temperatura okoline, °°CC

22,4222,4219,7019,70Temperatura grijanog prostora, Temperatura grijanog prostora, °°CC

1,467,79Temp. glikolne smjese – POVRAT, °C

-1,803,59Temp. glikolne smjese – POLAZ, °C

20.00 sati20.00 sati07.00 sati07.00 sati

Vrijednost parametraVrijednost parametraMjerene veliMjerene veliččineine

Na slici su dani primjeri rezultata mjerenja temperature tla po visini bušotine za vrijeme eksploatacije bušotine.

Rezultati su dani za jedan karakterističan dan (22. ožujka 2010.), s uključivanjem uređaja u 07.00 sati i isključivanjem uređaja u 20.00 sati iz rada.

43

Primjer proračuna ekonomske analize različitih sustava grijanja obiteljske kuće, A= 400 m2

Analiza ekonomske isplativosti različitih izvora toplinske energije provedena je na primjeru obiteljske kuće grijane površine 400 m2, snage grijanja 18 kW. Procijenjena specifična godišnja potrebna toplinska energija za grijanje je 80 kWh/(m2 god), što znači da je potrebna toplinska energija za grijanje obiteljske kuće 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 i voda-voda s crpnim i ponornim bunarima pretpostavljen je niskotemperaturni panelni i podni sustav grijanja s temperaturnim režimom 35/30 °C. Godišnji faktor grijanja dizalice topline tlo-voda iznosi 3,5, dok je godišnji faktor grijanja dizalice topline voda-voda 4,3. Plinski i uljni sustav pretpostavljaju centralno radijatorsko grijanje, te dio podnog grijanja.

EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE

44

Obiteljska kuća: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), Φgr = 18 kW

345.832,00412.804,00540.745,00373.353,00Troškovi kroz 15 godina, kn23.055,0027.520,0036.050,0024.890,00Troškovi kapitala i pogona, kn/god1.500,001.000,002.000,001.500,00Održavanje, kn/god6.114,007.093,0026.877,0015.420,00Pogonski troškovi, kn/god0,64/0,320,64/0,320,630,386Cijena energenta, kn/kWh0,64/0,320,64/0,324,742,87Cijena energenta, kn/jed mjeri15.442,0019.427,007.173,007.970,00Trošak kapitala, kn/god

0,1000,1000,1000,100Faktor anuiteta155.000,00195.000,0072.000,0080.000,00Investicija, kn

EKONOMSKA ANALIZA7.442 kWh el.en.9.143 kWh el.en.3190 lit3440 m3Utrošak energenta

3.9444.84611.0938.000Emisija CO2

7.4429.14342.66740.000Efektivna potreba za energijom, kWh4,33,50,750,8Stupanj djelovanja/faktor grijanja

32.00032.00032.00032.000Godišnja potrebna toplinska energija za grijanje, kWh

ENERGETSKA ANALIZA

Dizalica toplinevoda-voda

Dizalica toplinetlo-voda

UljePlin


45

Obiteljska kuća: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), Φgr = 18 kW

INVESTICIJSKI I POGONSKI TROŠKOVI

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

kn/g

od

Trošak kapitalaPogonski troškovi

PLIN

ULJE

Dizalica topline

tlo-vodaDizalica topline

voda-voda

η = 0,80 η = 0,75 ε gr = 3,5 ε gr = 4,3


46

Usporedba kompresijske i apsorpcijske dizalice topline promatrajući lanac pretvorbe energije od primarne do korisne energije (primarni energent plin).

Izvor: O. Fabris, Kompresijske ili apsorpcijske dizalice topline, Klima forum 2009, Zadar

Usporedba kompresijske i apsorpcijske dizalice topline

47

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).

U Hrvatskoj su u posljednje dvije godine izvedene prve dizalice topline tlo-voda s izmjenjivačima topline u vertikalnim bušotinama dubine 100 m.

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.

Planirani poticaji za primjenu dizalica topline, pomoći će široj primjeni ove tehnologije u Hrvatskoj.

ZAKLJUČAK

48

Doc.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj.Fakultet strojarstva i brodogradnjeSveučilišta u Zagrebu

Program izobrazbe za stručno osposobljavanje i obvezno usavršavanje osoba koje provode energetske preglede i/ili energetsko certificiranje zgrada s jednostavnim

tehničkim sustavom

MODUL 2

Norma HRN EN 15316-4-2: Sustavi grijanja u zgradamaMetoda proračuna energijskih zahtjeva i učinkovitosti sustavaDio 4-2: Sustavi za proizvodnju topline, sustavi dizalice topline

Slavonski Brod, 30. listopada 2010.

Veleučilište u Slavonskom Brodu

49

PRORAPRORAČČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I UUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I UČČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINEINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE

Norma HRN EN 15316-4-2: Sustavi grijanja u zgradama – Metoda proračuna energijskih zahtjeva i učinkovitosti sustava – Dio 4-2: Sustavi za proizvodnju topline, sustavi dizalice topline

Norma daje metode proračuna pogonske energije i učinkovitosti (godišnjeg toplinskog množitelja-SPF) dizalica topline koje se koriste u sustavima grijanja prostora, dizalica topline za zagrijavanje potrošne tople vode, te dizalica topline koje se koriste kombinirano za grijanje prostora i za zagrijavanje PTV-a.

Odnosi se na proračun sljedećih tipova dizalica topline:- parne kompresijske dizalice topline s električnim pogonom,- parne kompresijske dizalice topline pogonjene motorom s unutrašnjim izgaranjem,- parne apsorpcijske dizalice topline pogonjene toplinskom energijom.

Norma opisuje proračun:- pogonske energije generatora topline-dizalice topline (el. energija, ulje, plin, otpadna toplina) za pokrivanje godišnjih potreba toplinske energije podsustava razvoda za grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a- toplinskih gubitaka generatora topline- iskoristivih toplinskih gubitaka generatora topline- pomoćne energije za pogon pomoćnih elemenata podsustava (pumpe, ventilatori, regulacija).

50


Norma HRN EN 15316-4-2

Energetska bilanca generatora topline (el. dizalica topline + pom. grijač) glasi:- grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a

[ ]kWh ,QQQ auxgen,HW,rvdls,aux,gen,ingen,HW,lsgen,HW,outgen,HW,ingen,HW, WkE −−+=

EHW,gen,in – utrošena el. energija za pogon podsustava razvoda, kWh

QHW,gen,out – potrebna topl. energija za podsustav razvoda, kWh

QHW,gen,ls – topl. gubici generatora topline, kWh

QHW,gen,in – topl. energija toplinskog izvora dizalice topline, kWh

kgen,aux,ls,rvd – udio iskorištene pomoćne energije, -

WHW,gen,aux – utrošena pomoćna energija za pogon generatora topline (pumpe, ventilatori, regulacija), kWh

51


Norma obuhvaća dvije proračunske metode:- pojednostavljenu metodu temeljenu na tabličnim vrijednostima - detaljni postupak proračuna energije za pogon uređaja i SPF-a (bin metoda)

Pojednostavljena metoda koristi tablične izraze za godišnji toplinski množitelj temeljene na rezultatima ispitivanja za standardne ispitne uvjete prema HRN EN 14 511, za fiksne razrede dizalica topline.Dopušta primjenu nacionalnih metoda i zahtjeva nacionalni aneks normi.Od dvije ponuđene metode odabire se BIN metoda.

DETALJAN POSTUPAK PRORAČUNA - bin metodaMetoda uz rezultate ispitivanja za standardne ispitne uvjete prema HRN EN 14511, uzima u proračun specifične radne uvjete za svaku individualnu instalaciju.Proračun prema bin metodi podrazumijeva podjelu sezone grijanja na temperaturne intervale (razrede). Za određivanje trajanja pojedinih temperaturnih intervala koriste se ulazni podaci o satnoj vanjskoj temperaturi zraka (ispitne referentne godine) za promatranu geografsku lokaciju.

52


Norma HRN EN 15316-4-2 - DETALJAN POSTUPAK PRORAČUNA (bin metoda)

ULAZNI PODACI:

Meteorološki podaci:

- učestalost pojave vanjske temperature zraka s korakom od 1 °C ili prosječne satne temp. zraka

- vanjska i unutarnja projektna temperatura zraka

Režim grijanja prostora:

- tip, izvedba i način rada dizalice topline, način upravljanja dizalicom topline (uključeno-isključeno, frekvencijska regulacija, stupnjevana)

- godišnja potrebna toplinska energija podsustava razvoda grijanja (HRN EN 15316-2-3)

- učinak dizalice topline

- učinak dizalice topline pri parcijalnom opterećenju prema CEN/TS 14825 (opcijski)

- krivulja grijanja, temperaturni režim u projektnoj točci, granična vanjska temperatura za grijanje

- učinak i toplinski množitelj dizalice topline pri standardnim ispitnim uvjetima (HRN EN 145111, el. kompresijske DT) i maksimalna temperatura polazne vode (do 55 °C), učinak kod parcijalnog opt.

- izvedba sustava grijanja: instalacija pomoćnog grijača, učinak, efikasnost, instalacija međuspremnika, gubici, temperaturni režim

- snaga pomoćnih komponenti (pumpe izvora i ponora topline, pumpe spremnika)

53


Norma HRN EN 15316-4-2; DETALJAN POSTUPAK PRORAČUNA (bin metoda)

ULAZNI PODACI:

Režim zagrijavanja PTV-a:

- potrebna toplinska energija podsustava razvoda PTV-a (HRN EN 15316-3-2)

- temperaturni zahtjevi: temperatura napojne vode (15 °C), projektna temp. PTV-a (60 °C)

- učinak i toplinski množitelj dizalice topline za zagrijavanje PTV-a pri standardnim ispitnim uvjetima (HRN EN 255-3, el. kompresijske DT) i maksimalna temperatura polazne vode (do 55 °C), učinak kod parcijalnog opterećenja

- temperaturni parametri spremnika PTV-a i gubici

- instalacija pomoćnog grijača, učinak, efikasnost

Postupak proračuna provodi se u deset koraka.

54

PRORAČUN ENERGIJSKIH ZAHTJEVA I UČINKOVITOSTI DIZALICA TOPLINE

1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovimaValorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad ZagrebUlazni podaci o vanjskoj temperaturi zraka su svrstani u temperaturne razrede s korakom 1 K, počevši s prosječnom minimalnom vanjskom temperaturom zraka.

Godišnja učestalost (frekvencija) pojavljivanja vanjske temperature zraka zagrad Zagreb0

50

100

150

200

250

300

350

400

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Vanjska temperatura zraka, °C

Bro

j sat

i poj

avlji

vanj

a va

njsk

e te

mp.

u in

terv

alu

1 K

55


1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovima

Učestalost pojavljivanja vanjske temperature i stupanj sati grijanja za pojedini razred računaju se prema sljedećim izrazima:

Nj - broj sati pojavljivanja vanjske temperature zraka u razredu (binu) jj - broj trenutnog razredak - broj razreda s temperaturnim korakom 1 K

Stupanj sati grijanja za razred j, DHj

k

jjk ∑

=

=1

NN

Kumulativni broj sati pojavljivanja vanjske temperature u razredima j do k, Nk

( ) [ ]Ch , je,desi,jj °−= ϑϑNDH

[ ]Ch , k

1jjk °=∑

=

DHDH

Kumulativno broj stupanj sati grijanja do razreda k, DHk

ϑi,des – unutarnja projektna temp., °C

ϑe,j – vanjska temp. za razred j, °C

56



Valorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad Zagreb

140183674579167-2-3181974179778199-1-2

7860230430496-4-55556127520851-5-6

103442484412108-3-4

2239742009882100-1265964199120922110314384842147826921362324794176028232406804448203827843451354455233529754493214186263429965

4281140415754-6-7

527533432289826476563173564319529787596063289349429998629363330382733310965564262841192921110

2877105310339-7-818248966432-8-99289283232-9-10

DHk 20/15 (°Ch)DHj 20/15 (°Ch)Nk (h)Nj (h)Razred (bin)

57

1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale i određivanje energetskih potreba po binovimaValorizirani meteorološki podaci ispitne referentne godine za grad Zagreb

778373836915383191877837072643492019

7674211196176373171675623149258033731615

7745471265323561817

7783707567303212077837078202532221778370803821823227783708227189242377837083651382524778370848712326257783708572842726

74131157054303141514

7783708636642827778370868953292877837087344530297783708757233130778370876033231

8760

725611920511632014137064123734796339131268268270444573381211

DHk 20/15 (°Ch)DHj 20/15 (°Ch)Nk (h)Nj (h)Razred (bin)


58



[ ]- ,Q

Q

DH outgen,H,

jout,gen,H,

uk

,,,,jH, =

−= jgrDjgrG DHDH

k

Potrebe za zagrijanjem PTV-a u razredu j računaju se preko težinskog faktora kWj:

[ ]- ,Q

Q

outgen,W,

jout,gen,W,

ukjW, ==

t

tk j

kH,j – težinski faktor dizalice topline u režimu grijanja prostora za razred jDHG,gr,j – kumulativni broj stupanj sati grijanja do gornje temp. granice razreda j, °ChDHD,gr,j – kumulativni broj stupanj sati grijanja do donje temp. granice razreda j, °ChDHuk – ukupni kumulativni broj stupanj sati grijanja do gornje granične temp. grijanja prostora, °ChQH,gen,out – godišnja potrebna topl. energija podsustava razvoda grijanja, kWhQH,gen,out,j – potrebna topl. energija podsustava razvoda grijanja za razred j, kWhkW,j – težinski faktor dizalice topline u režimu zagrijavanja PTV-a za razred jtj – vrijeme razreda j, htuk – ukupno vrijeme rada sustava za zagrijavanje PTV-a, h (max. 8760 h)QW,gen,out – potrebna topl. energija za zagrijavanje PTV-a, kWhQW,gen,out,j – potrebna topl. energija za zagrijavanje PTV-a u razredu j, kWh

Potrebe sustava grijanja u razredu j računaju se preko težinskog faktora kHj:

59


1. korak: Podjela sezone grijanja u temperaturne intervale – binove (3÷5)i određivanje energetskih potreba po binovima

Težinski faktor, GRStupanj sati gr., °ChBroj sati intervala, h

32154-2ϑG, °C1520

Bin 4

Težinski faktor, PTV

4-2-10ϑD, °C72-7Radna točka, °C

Bin 3Bin 2Bin 1Br. bin-a

T , C

Kum

ulat

ivni

bro

j sat

i, h

DT

DT

DT

PG

RT3

RT2

RT1

Balansnatemp.

Projektnavanjska temp.

Projektnaunutarnja temp.

Graniènatemp. grijanja

DT - dizalica topline

PG - pomoæni grijaè

RT - radna toèka bina

ok

1

2

3

ϑ3D

ϑ3G

ϑ3

Kumulativna godišnja frekvencija vanjske temperature za paralelni režim rada pomoćnog grijača, primjer s tri temperaturna intervala-bina za grijanje prostora

60


2. korak: Utjecaj temp. toplinskog izvora i toplinskog ponora na učinak i COP DT

Neophodni podaci za proračun dizalice topline su standardni podaci u više radnih točaka o učinku i COP prema normi HRN EN 14511.

3,413,2A7/W45

412,7A7/W35

4,116,1A20/W45

311A2/W452,559,1A-7/W45

COP, -Učinak, kWRadna točka

4,915,8A20/W35

3,510,6A2/W3538,7A-7/W35

Dizalica topline zrak-voda

8

10

12

14

16

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

Temperatura okoline, °C

Uči

nak

grija

nja

diza

lice

topl

ine,

kW

∪pol = 35 °C∪pol = 45 °C

Dizalica topline zrak-voda

1

2

3

4

5

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


Fakt

or g

rijan

ja, C

OP

pol = 35 °C

pol = 45 °C

61


Krivulja grijanja

20

25

30

35

40

45

50

55

60

-10 -5 0 5 10 15 20


Tem

p. p

olaz

a su

stav

a gr

ijanj

a, °

C

podno grijanje

radijatorsko grijanje

Primjer krivulje grijanja radijatorskog grijanja (polaz 55 °C) i podnog grijanja (polaz 35 °C) iz Priloga B.

62


2. korak: Utjecaj temperatura toplinskog izvora i toplinskog ponora na učinak i COP dizalice topline

( )[ ]- ,

T

2

scskstandard

sk

oprstandard

standard

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Δ−−Δ+

Δ−

Δ−Δ

−=Δ

ϑϑϑ

ϑϑ

ϑ

scTCOPCOP

2

1

Interpolacija učinka dizalice topline i toplinskog množitelja u uvjetima različitih od standardnih u režimu grijanja, režimu zagrijavanja PTV-a, te kombinirano.

- temperatura polaza ogrjevnog medija određuje se prema karakteristici krivulje grijanja- temperatura izvora topline ovisna je o vrsti izvora topline. Npr. temperatura glikolne smjese na

izlazu iz izmjenjivača položenom u tlo određuje se prema izrazu danom u normi ili nacionalnom aneksu.- temperaturni režim grijanja (temp. režim na kondenzatoru) u radnim uvjetima razlikuje se od

standardnog temperaturnog režima, a time i protočna masa vode kao ogrjevnog medija .Proračun COP za temperaturni režim na kondenzatoru različit od standardnog:

Srednja temp. razlika na isparivaču i kondenzatoru dizalice topline:

Δϑsc = Δϑsk = 4 °C (voda-glikol/radna tvar)Δϑsc = Δϑsk= 15 °C (zrak/radna tvar)

63


4. korak: Gubici međuspremnika i spremnika PTV-a integriranih u sustav grijanja

Norma zanemaruje toplinske gubitke kroz plašt same dizalice topline, ako dizalica topline ne sadrži spremnik.

Toplinski gubici spremnika PTV-a ili međuspremnika sustava grijanja QHW,st,ls,j u razredu j računaju se preko srednje temperature spremnika:

[ ]kWh ,24

Q sbyst,

sbyst,

,,,jav,st,HW,jls,st,HW,

jjambstHW tQ

⋅⋅

Δ

−=

ϑϑϑ

Toplinski gubici cjevovoda ogrjevnog medija od dizalice topline do spremnika računaju se prema normi HRN EN 15316-2(3)-3.

ϑH,st,avg,j – srednja temperatura spremnika, °CϑH,st,amb,j – temperatura prostorije sa spremnikom, °CΔϑst,aby – temperaturna razlika uslijed pripravnosti spremnika pri ispitnim uvjetima, °CQst,sby – gubici pripravnosti spremnika, kWh/d

( ) [ ]kWh hpHW,imjljjls,pi,HW, tLUQ ϑϑ −=

64


4. korak: Gubici međuspremnika i spremnika PTV-a integriranih u sustav grijanja

Maksimalni gubici pripravnosti spremnika PTV-a ili međuspremnika, Qst,sby dani su za prosječnu temperaturu vode u spremniku 65 °C i temperaturu okolnog prostora 20 °C (Prilog B).

65


5. korak: Proračun energije pomoćnog izvora topline za grijanje i PTV.

Pomoćni izvor topline koristi se u slučaju kada:

- dolazi do pada učinka dizalice topline (pri nižim okolišnjim temperaturama)

- dizalica topline ne osigurava projektu temperaturu polaznog voda. U većini slučajeva do 55 °C dizalica topline za potrebe grijanja osigurava temperaturu polaznog voda.

Faktor udjela rada pomoćnog grijača za zagrijavanje PTV-a računa se prema sljedećem izrazu:

( )( )

,outw,

,outw,jopr,bu,W,

inw

oprhpkϑϑϑϑ−

−=

ϑw,out – temperatura polaza sustava grijanja, °Cϑhp,opr – temperatura polaza dizalice topline, °Cϑw,in – temperatura hladne vode, °C

( ) [ ]- ,DH

DH

jgr,G,

,balH,,jbu,H,

balbaldesi

j

jbu N

A

Ak ϑϑϑ −−

==

Faktor udjela rada pomoćnog grijača za grijanje prostora računa se prema sljedećem izrazu (paralelni režim rada grijača):

66


6. korak: Proračun vremena rada tri različita režima grijanja - GR, PTV, GR/PTV

Dizalica topline može raditi u režimu grijanja prostora, režimu zagrijavanja PTV-a i kombinirano u režimu grijanja prostora i zagrijavanja PTV-a.

Vrijeme rada dizalice topline ovisi o učinku dizalice topline za zadane radne uvjete i potrebnoj toplinskoj energiji podsustava razvoda.Načelno vrijeme rada dizalice toplineu razredu j računa se iz sljedećeg izraza:

7. korak: Pomoćna energija toplinskog izvora i toplinskog ponora

Pomoćna energija računa se iz sljedećeg izraza:

kWh , kaux,gen,kaux,gen,auxgen, ∑ ⋅=k

tPW

Vrijeme rada cirkulacijske pumpe izvora topline je vrijeme rada dizalice topline.Također kod sustava s međuspremnikom, pumpa ogrjevnog medija je vezana s radom dizalice topline.

WHW,gen,aux – ukupna pomoćna energija, kWhPgen,aux,k – električna snaga pomoćne komponente k, kWtgen,aux,on,k – vrijeme rada pomoćne komponente (pumpe, ventilatora), h

[ ]h ,,

,jon,hp,

jhp

jhpQt

Φ=

67


8. korak: Ukupni toplinski gubici generatora podsustava i iskoristivi toplinski gubici

Kod mehaničkih pomoćnih uređaja (pumpe i ventilatori) gdje se toplinski gubici predaju cirkulacijskom mediju, gubici na okolinu se računaju s koeficijentom udjela kgen,aux,ls = 0,2 (za regulacijske uređaje kgen,aux,ls= 1) :

kWh , kls,aux,gen,jk,aux,gen,jk,ls,aux,gen, kWQ ⋅=

Ukupni toplinski gubici generatora topline računaju se sljedećom jednadžbom:

Pretpostavlja se da su dizalica topline, spremnici i pomoćne komponente instalirane izvan grijanog prostora, što znači da je redukcijski temperaturni faktor bgen = bgen,aux = 1

kWh , jls,aux,gen,HW,jk,ls,gen,jls,aux,gen,HW,jls,gen,HW,jtot,ls,aux,gen,HW, QQQQQ +=+= ∑

68


9. korak: Proračun električne energije za pogon generatora podsustava

Električna energija za pogon dizalice topline za grijanje prostora:

[ ]kWh ,COP

COP jtot,combi,W,combies,

jcombi,t,

jcombi,out,gen,W,jtot,sngl,W,sngles,

jsngl,t,

jsngl,out,gen,W,jin,hp,W, tP

QtP

QE +++=

Električna energija za pogon pomoćnog grijača:

[ ]kWh ,COP

Q

COP

Q

jcombi,H,

jcombi,hp,H,

jsngl,H,

jsngl,hp,H,jin,gen,H, +=E

Električna energija za pogon dizalice topline za zagrijavanje PTV-a:

( ) ( ) [ ]kWh , buW,

jbu,W,jls,gen,W,jout,gen,W,

buH,

jbu,H,jls,gen,H,jout,gen,H,jin,bu,HW, ηη

kQQkQQE

⋅++

⋅+=

69


10. korak: Rezultati proračuna – Izlazni podaci

( )( ) [ ]- ,

WE

QQ

auxgen,HW,ingen,HW,

outgen,W,outgen,H,genHW, +

+=SPF

Godišnji toplinski množitelj dizalice topline :

( )( ) [ ]- ,

WWE

QQQQQ

sbyaux,gen,scgen,HW,inhp,HW,

buHW,lsgen,W,outgen,W,lsgen,H,outgen,H,genHW, ++

−+++=SPF

Godišnji toplinski množitelj generatora topline:

Ukupno isporučena električna energija generatoru topline:

[ ]kWh , auxgen,HW,inbu,HW,inhp,W,inhp,H,ingen,HW, WEEEE +++=

70

PRORAČUN DIZALICE TOPLINE ZRAK-VODA

PRIMJER: Proračun godišnjeg toplinskog množitelja i privedene električne energije

za pogon dizalice topline za zagrijavanje obiteljske kuće

Proračun je napravljen za:

- niskoenergetsku kuću: godišnja potrebna top. energija za grijanje 7.375 kWh (27,4 kWh/m2a) - prosječnu kuću: godišnja potrebna toplinska energija za grijanje 46.909 kWh/a (175 kWh/m2a).

Parametri kuće:- broj etaža 3- visina etaže 3 m- korisna površina 268,5 m2

- oplošje 640 m2

- obujam grijanog dijela zgrade 870 m3

- udio prozora 0,2

10 m

12 m

3 m

3 m

71

Ulazni podaci:

rad. gr. 55/45°Cpodno gr. 35/30 °C

4545Pumpa spremnika PTV-a, W2012Regulacija, W

-10/55; +7/39,4-10/35; +7/28,3Krivulja grijanja podnog grijanja, °C2020Unutarnja projektna temperatura, °C

53.9228.070Potrebna top. en. podsustava razvoda, kWh/a

paralelniparalelniRežim rada pomoćnog grijača-4-4Balansna točka dizalice topline, °C1515Granična vanjska temperatura grijanja, °C

GRIJANJE21,110,6Učinak dizalice topline (A2/W35), kW-10-10Vanjska projektna temperatura, °C

PTV82928475Potrebna topl. en. podsustava razvoda ,kWh/a1515Temperatura hladne vode, °C

5555Prosječna temp. PTV-a na izlazu iz spremnika, °C

750750Volumen spremnika, l1515Temperatura prostorije spremnika, °C

zrak-vodaZagreb

Prosječna kućaNiskoenergetska kućaParametar

DODATNI PODACI

zrak-vodaVrsta dizalice toplineZagrebMeteorološki podaci


72

Rezultati proračuna


877847Ukupni toplinski gubici generatora topline, kWh/a

22.7875.314Ukupno isporučena el. en., kWh/a

63.36117.359Ukupno isporučena topl.en., kWh/a

40.31612.103Toplinska energija izvora topline, kWh/a

00Iskoristivi toplinski gubici pomoćnih uređaja, kWh/a

39461El. en. pomoćnog grijača, kWh/a

136119Ukupna pomoćna energija (pumpa, regulacija), kWh/a

2,733,11God. topl. množitelj generatora topline (GR+PTV+el.gr.)

2,803,30God. topl. množitelj dizalice topline (GR+PTV)

2,823,71God. topl. množitelj dizalice topline (GR)

2,552,90God. topl. množitelj dizalice topline (PTV)

3.410

18.847

Prosječna kuća- radijatorsko grijanje

Niskoenergetska kuća- podno grijanjeParametar

3.063El. en. dovedena dizalici topline, PTV, kWh/a

2.072El. en. dovedena dizalici topline, GR, kWh/a

73

LITERATURA

1. ASHRAE Handbook, Refrigeration, Atlanta, 2006.2. T. Ćurko, Radni udžbenik: Hlađenje i dizalice topline, FSB, Zagreb, 2008.3. E. Granryd, Introduction to refrigerating engineering, Part I i II, Royal Institute of Technology,

Stockholm, 2005.4. V. Soldo, Teorijska i eksperimentalna analiza dizalice topline sa solarnim kolektorima, Doktorski rad,

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2004.5. V. Soldo, T. Ćurko, M. Grozdek: Konvencionalno grijanje ili grijanje dizalicom topline, Interklima 2009,

Zbornik radova, str. 51-58, Zagreb, 2009.6. V. Soldo, M. Ruševljan, T. Ćurko: Ispitna geotermalna dizalica topline sa sondom dubine 100 metara,

Klima forum Zadar 2009.7. Hrvatska norma HRN EN 14511: Klimatizacijski uređaji, rashladnici kapljevina i dizalice topline s

kompresorima na električni pogon za grijanje i hlađenje prostora8. Hrvatska norma HRN EN 255: Klimatizacijski uređaji, uređaji za hlađenje kapljevina i dizalice topline s

kompresorima na električni pogon9. Hrvatska norma HRN EN 15316-4-2: Sustavi grijanja u zgradama – Metoda proračuna energijskih

zahtjeva i učinkovitosti sustava – Dio 4-2: Sustavi za proizvodnju topline, sustavi dizalice topline10. VDI Richtlinien, Ground source heat pump systems, VDI 4640, Part 2, Berlin, 2001.11. Tehnička dokumentacija: Vaillant, Viessmann

74

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SVEUFAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SVEUČČILIILIŠŠTA U ZAGREBUTA U ZAGREBU

HVALA NA PAŽNJI!

doc.dr.sc. Vladimir SoldoFSB, Ivana Lučića 5, Zagreb

e-mail: [email protected]

Documents

Soldo - Dizalice topline osnove