STRUČNO USAVRŠAVANJE

OVLAŠTENIH ARHITEKATA I OVLAŠTENIH INŽENJERA

XII. tečaj 10. i 11. veljače 2012.

TEMA:

"NISKOTEMPERATURNO GRIJANJE DIZALICAMA TOPLINE S ANALIZOM

ISPLATIVOSTI - 2.DIO"

Autor:

Prof.dr.sc. Igor BALEN, dipl.ing.strojFakultet strojarstva i brodogradnje

Sveučilišta u zagrebu

Predavanje: NISKOTEMPERATURNO GRIJANJE DIZALICAMA TOPLINE SANALIZOM ISPLATIVOSTI – 2. DIOPredavač: Prof.dr.sc. Igor BALEN, Fakultet strojarstva i brodogradnje

UVODRacionalno korištenje energije te korištenje obnovljivih izvora energije važan su dio svihenergetskih strategija na globalnoj i nacionalnoj razini. Cijene energije i energenata će, naglobalnoj i lokanoj razini, u narednom razdoblju rasti, što će utjecati na porast troškovastanovanja i poslovanja. Zato je potrebno dobro poznavati vlastitu energetiku u smislu tehničkihmogućnosti i troškova te biti u stanju njome upravljati. Statistike potrošnje energije pokazujukako se preko 40% ukupne energije troši u zgradama. Od toga se u stambenim zgradama, ovisnoo klimatskim prilikama nekog geografskog područja, najveći dio energije troši za grijanje (do80%), a manji za pripremu potrošne tople vode i kuhanje, hlađenje i rasvjetu, te za pogon raznihelektričnih uređaja. Zbog velike potrošnje energije u zgradama, koja stalno raste, a istovremeno ivelikog potencijala energetskih i ekoloških ušteda, energetska učinkovitost danas postajeprioritet. Stoga je područje graditeljstva prepoznato kao područje koje ima potencijal zasmanjenje ukupne potrošnje energije na nacionalnoj razini.S obzirom na relativno veliki ukupni broj obiteljskih kuća u Republici Hrvatskoj, uz velikupotrošnju energije za grijanje u kućanstvima u usporedbi s ostalim trošilima, predmet analize jeocjena učinkovitosti i isplativosti toplinskih sustava s dizalicama topline. Hrvatska ima dobrepreduvjete za primjenu te tehnologije s obzirom na svoj geografski položaj. Toplinski sustavi sdizalicama topline koriste se za potrebe grijanja i hlađenja prostora te za pripremu potrošne toplevode (PTV). Provedena analiza prikazuje mogućnosti primjene dizalica topline za grijanje ipripremu PTV u obiteljskim kućama (tzv. mali korisnici), u odnosu na troškove investicije iostvarene uštede u troškovima energije u usporedbi sa sustavom opremljenim plinskimkondenzacijskim kotlom.Za potrebe analize odabrani su slijedeći tipovi dizalica topline:1. dizalica topline sa zrakom kao toplinskim izvorom2. dizalica topline s vodom kao toplinskim izvorom3. dizalica topline s tlom kao toplinskim izvoromSve analizirane dizalice topline su u izvedbi s kompresorom pogonjenim elektromotorom.

PRORAČUNSKI MODELNakon analize sustava za obiteljsku kuću površine 150 m2 prikazane u okviru predavanja naprogramu usavršavanja u studenom 2011., analiziran je model obiteljske kuće korisne površinegrijanog dijela 250 m2 (dalje u tekstu: tip 250) - kuća s dva stana (prizemlje i kat).Toplinske karakteristike građevnih dijelova za proračun uzete su prema.dozvoljenimvrijednostima iz Tehničkog propisa o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama(NN 110/2008), a površine prozora i vrata su odabrane na razini 15% površine vanjskih zidova,dok vanjska vrata na južnom zidu imaju površinu Ad=2 m2. Model kuće ima krov pod nagibom30°, orijentacije sjever-jug, a između krova i stropa grijanog dijela zgrade nalazi se negrijanopotkrovlje.Godišnja potrebna toplinska energija za grijanje proračunata je prema normi HRN EN ISO13790:2008. Proračuni su provedeni za stvarne klimatske podatke za dvije karakterističnegeografske lokacije u Hrvatskoj, grad Zagreb (kontinentalna RH) i grad Split (primorska RH).

Proračun godišnje potrebne toplinske energije za pripremu PTV proveden je prema normi HRNEN 15316-3-1:2008.

TABLICA 1. Model obiteljske kuće tip 250 – osnovni podaci

Tip zgrade(m2)

KorisnapovršinaAk (m

2)

Površinaoplošja

grijanog dijelaA (m2)

Obujam grijanogdijela zgrade

Ve (m3)

Obujamgrijanog

zrakaV (m3)

Faktor oblikazgrade

fo = A/Ve

Tip 250 250,0 520,0 750,0 570,0 0,693

Za kuću na obje lokacije napravljene su simulacije pogona dizalica topline, kao alternativnogizvora energije s tri različita toplinska izvora i uspoređene su s energetskom bilancom pogonaplinskog kondenzacijskog kotla, kao konvencionalnog izvora toplinske energije.Analiza potrebne energije za pogon dizalica topline u režimu niskotemperaturnog grijanja(35/30°C) i pripreme PTV provodi se detaljnim postupkom proračuna (bin - metoda) premanormi HRN EN 15316-4-2:2008.Parametri koji se promatraju u ovoj analizi proračunavaju se na mjesečnoj bazi te je mogućevidjeti kako i koliko oni variraju tijekom sezone grijanja. To su sezonski (u ovom slučajumjesečni) toplinski množitelj (SPF), vrijeme trajanja pogona dizalice topline, potrošnja električneenergije te ekvivalentna potrošnja prirodnog plina.Proračun potrebne energije za pogon kotla loženog na plin provodi se metodom specifičnekorisnosti kotla prema normi HRN EN 15316-4-1:2008.Kod dizalica topline razlikuju se dva glavna načina pogona:• monovalentni• bivalentni.Pogon dizalice topline u kojem se pokrivaju cjelokupne potrebe za toplinskom energijom zgradeza grijanje i pripremu PTV naziva se monovalentni (slika 1). To znači da dizalica topline potpunozamjenjuje plinski, uljni ili električni kotao, odnosno neki drugi konvencionalni toplinski izvor.

-15°C 20°C

učinak[kW]

�ok

projektna točka

potrebni učinak grijanja

DIZALICA TOPLINE

SLIKA 1. Ilustracija monovalentnog načina rada

Kada dizalica topline ne pokriva cjelokupne potrebe za toplinskom energijom zgrade, potrebno jepredvidjeti neki pomoćni/dodatni toplinski izvor (kotao, električni grijač i sl.). U tom slučaju segovori o bivalentnom pogonu.Pri tome pomoćni izvor može raditi paralelno s dizalicom topline pokrivajući samo dio gubitakakojeg ne pokriva dizalica topline. Takav način naziva se bivalentno – paralelni pogon. Dodatniizvor topline uključuje se u tzv. bivalentnoj projektnoj točki (slika 2), proizvoljno odabranoj sobzirom na temperature toplinskog izvora i ogrjevnog medija.

-15°C 20°C

učinak[kW]

�ok

projektna točka

potrebni učinak grijanja

-3°C

DIZALICA TOPLINE

SLIKA 2. Ilustracija bivalentno-paralelnog načina rada

θ

θ

bivalentna

Detaljna metoda proračuna, tzv. bin - metoda uzima u obzir specifične pogonske uvjete pojedinogtipa dizalice topline. Bin-ovi opisuju učestalost pojavljivanja vanjske temperature na promatranojgeografskoj lokaciji te se proračun provodi za svaki raspon bin –a (temperaturni interval) čime seodređuje odgovarajuća toplinska energija za grijanje. Radne točke bin-ova su ''određene'' radnimtočkama u središtu svakog raspona te se u proračunu pretpostavlja da ta točka predstavlja radnutočku za cijeli raspon bin-a.

SLIKA 3. Primjer bin - raspona s radnim točkama OP1 i OP2

U tu su svrhu korištene mjesečne kumulativne vanjske temperature suhog termometra te je pomjesecima izvršena podjela na 4 proračunska bin-a (na temelju satnih temperatura prema tablici2). Pri tome je za donju temperaturnu granicu pogona sustava grijanja postavljena vanjskaprojektna temperatura, a za gornju temperaturnu granicu pogona postavljena je temperaturavanjskog zraka od 12°C.Budući da ogrjevni učinak i faktor grijanja dizalice topline variraju u ovisnosti o radnimuvjetima, tj. temperaturama toplinskog ponora i izvora, proračun se provodi za j perioda koji suodređeni temperaturama toplinskog ponora i izvora te se dobiveni rezultati zbrajaju premasljedećem izrazu:

(1)

gdje su:

- [J] električna energija potrebna za pokrivanje toplinskih potreba za grijanje

- [J] potrebna toplinska energija podsustava u binu j

- [J] toplinski gubitci podsustava u binu j

- [W/W] faktor grijanja dizalice topline za period konstantnih radnih uvjeta

TABLICA 2. Učestalost pojave satnih temperatura za Zagreb u siječnjuSatne temperature za Zagreb - binovi SIJEČANJ

Razred - interval Broj sati pojavljivanja Kumulativno sati

1 -10 ≤ θok < -9 14 14

2 -9 ≤ θok < -8 20 34

3 -8 ≤ θok < -7 13 47

4 -7 ≤ θok < -6 20 67

5 -6 ≤ θok < -5 23 90

6 -5 ≤ θok < -4 53 143

7 -4 ≤ θok < -3 42 185

8 -3 ≤ θok < -2 71 256

9 -2 ≤ θok < -1 63 319

10 -1 ≤ θok < 0 54 373

11 0 ≤ θok < 1 54 427

12 1 ≤ θok < 2 56 483

13 2 ≤ θok < 3 48 531

14 3 ≤ θok < 4 38 569

15 4 ≤ θok < 5 37 606

16 5 ≤ θok < 6 55 661

17 6 ≤ θok < 7 23 684

18 7 ≤ θok < 8 14 698

19 8 ≤ θok < 9 17 715

20 9 ≤ θok < 10 14 729

21 10 ≤ θok < 11 12 741

22 11 ≤ θok < 12 3 744

Norma HRN EN 15316-4-2 dijeli proračun dizelice topline u 10 koraka navedenih kako slijedi:

1.korak: Određivanje energetskih zahtjeva za pojedine bin-ove 2.korak: Korekcija ogrjevnog učinka i faktora grijanja za različite temperaturne uvjete pogona 3.korak: Korekcija faktora grijanja za rad pri djelomičnom opterećenju 4. korak: Proračun toplinskih gubitaka podsustava (međuspremnik/spremnik topline) 5. korak: Proračun potrebne dodatne energije za pojedine bin-ove (pomoćni grijač) 6. korak: Proračun trajanja pogona dizalice topline pri različitim režimima 7. korak: Proračun pomoćne energije za rad dizalice topline 8. korak: Proračun ukupnih i povratnih toplinskih gubitaka podsustava u režimu grijanja 9. korak:Proračun ukupno potrebne energije za pokrivanje svih zahtjeva10. korak: Prikaz rezultata

Normirani model omogućuje proračun za pojedini tip dizalice topline pri čemu pogonskiparametri pokrivaju potrebnu toplinsku energiju kondicioniranog prostora u svakomtemperaturnom intervalu. Pogonske parametre unutar pojedinog bina određuje radna točka usredini promatranog intervala, pri čemu se pretpostavlja da ta radna točka određuje parametrekoji vrijede za cijeli interval. Potrebna toplinska energija podsustava za pojedini bin određuje seprema općenitom izrazu:

(2)

gdje se težinski faktor kH,j izračunava iz izraza:

(3)

- [J] potrebna toplinska energija podsustava

- [°Ch] kumulativni stupanj sati grijanja do gornje temperaturne granice bina j

- [°Ch] kumulativni stupanj sati grijanja do donje temperaturne granice bina j

- [°Ch] ukupni kumulativni stupanj sati grijanja do gornje temp. granice pogona

Sezonski toplinski množitelj (SPF) određuje se prema izrazu:

(4)

- [J] ukupna toplinska energija koju daje sustav s dizalicom topline

- [J] dovedena električna energija za pogon dizalice topline

- [J] pomoćna elek. energija za pogon pumpe na strani izvora topline

- [J] pomoćna elek. energija u praznom hodu uređaja

U slučaju proračuna za dizalicu topline zrak-voda, Wgen,aux,sc se uklanja iz jednadžbe (4).

REZULTATI PRORAČUNAVeličine koje se proračunavaju postupkom prema normi HRN EN 15316-4-2 su: mjesečni SPF tevrijeme trajanja pogona i potrošnja električne energije dizalice topline za grijanje i pripremuPTV. Rezultati su prikazani u dijagramima kako bi se jednostavnije usporedile karakteristikepogona dizalica topline s različitim toplinskim izvorima. Budući da su te vrijednosti izračunate namjesečnoj razini, moguće je vidjeti njihove varijacije u jednoj godini dana. Nadalje, trebanapomenuti da u ljetnim mjesecima, kada nema grijanja, dizalice topline rade u režimu pripremePTV.

Lokacija Zagreb

SLIKA 4. SPF, Zagreb

Vrijednosti mjesečnog toplinskog množitelja su niže u ljeti, osim za dizalicu topline zrak/voda,gdje se mjesečni SPF zadržava na vrijednostima 3,7 do 3,9, dok mjesečne vrijednosti SPF-a zadruge dizalice topline variraju u nešto većoj mjeri (slika 4). U mjesecima u kojima je potrebnogrijanje i zagrijavanje PTV najveće vrijednosti SPF-a postižu se dizalicom topline voda/voda (do5,4 u prosincu). Za dizalicu topline tlo/voda najveći SPF iznosi 4,3 u prosincu. S druge strane, uljetnim mjesecima, u kojima grijanje nije potrebno, dizalica topline zrak/voda se pokazalaenergetski najučinkovitijom o čemu govori najviša vrijednost SPF-a (3,9 u srpnju).

Na slici 5. prikazano je vrijeme trajanja pogona dizalica topline po mjesecima. Vidljivo je da jeza sve dizalice topline prisutan isti trend skraćenja vremena rada u ljetnim mjesecima, što je ilogično jer je tada potreba za toplinskom energijom najmanja. Vidljivo je da na godišnjoj razininajdulje radi dizalica topline tlo/voda.

SLIKA 5. Vrijeme trajanja pogona, Zagreb

Analogno vremenu trajanja pogona, ponaša se i bilanca potrošnje električne energije. Ovdje trebaistaknuti kako na te rezultate utječu odabrani tipovi i kapaciteti uređaja i nazivne snage odabranihelektromotora za pogon kompresora. Vidi se da je najveći potrošač električne energije dizalicatopline sa zrakom kao toplinskim spremnikom (bez obzira na relativno visoke mjesečne SPF), anajmanji potrošač je dizalica topline tlo/voda. Potrošnja električne energije dizalice toplinezrak/voda je najveća, jer je energetska potreba najveća zimi za grijanje, kada učinkovitost tog tipadizalice topline značajno opada.

SLIKA 6. Potrošnja električne energije, Zagreb

Na kraju se u tablici 3. daju ukupne godišnje vrijednosti trajanja pogona i potrošnje električneenergije dizalica topline za kuću tip 250, kao i prosječni godišnji SPF.

TABLICA 3. Obiteljska kuća tip 250 Zagreb, godišnje vrijednosti parametara pogona dizalicetopline

Kuća tip 250 ZG – potrebna toplina za grijanje = 16373 kWh/god

zrak/voda tlo/voda voda/voda

Godišnji SPF 3,53 3,36 3,96

Vrijeme trajanja pogona [h/god] 1547,68 2061,47 2280,38

Potrošnja elektr. energije [kWh/god] 6403,90 4860,38 4515,01

Lokacija Split

SLIKA 7. SPF, Split

Trend kretanja vrijednosti mjesečnih SPF sličan je kao za kontinentalnu Hrvatsku, samo suvrijednosti nešto više. U sezoni grijanja dizalica topline voda/voda ima najveći SPF (5,1 -siječanj), dok je u ljetnom periodu, kada je potrebna samo priprema PTV-a najučinkovitijadizalica topline zrak/voda i njen SPF za srpanj iznosi 3,8. Povišeni mjesečni SPF u zimi zadizalicu topline zrak/voda posljedica su povišenih temperatura vanjskog zraka u odnosu nakontinent.

Slika 8. prikazuje mjesečna vremena trajanja pogona dizalica topline. Vidljivi su isti trendovi kaoi u kontinentalnoj Hrvatskoj: najdulje radi dizalica topline tlo/voda, a najkraće ona sa zrakom kaotoplinskim spremnikom. Prema već utvrđenoj analogiji, vremena trajanja pogona su kraća uljetnim, a duža u zimskim mjesecima.

SLIKA 8. Vrijeme trajanja pogona, Split

Potrošnja električne energije sustava s dizalicama topline u u Splitu prikazana je na slici 9.Ukupno najviše električne energije troši sustav s dizalicom topline zrak/voda (tablica 4). Uzimskim mjesecima razlika u potrošnji dizalice topline zrak/voda u odnosu na ostala dva sustavaje izraženija, dok u ljetnim mjesecima taj uređaj troši najmanje električne energije.

SLIKA 9. Potrošnja električne energije, Split

Godišnji rezultati za kuću u Splitu dani su u slijedećoj tablici:

TABLICA 4. Obiteljska kuća tip 250 Split, godišnje vrijednosti parametara pogona dizalicetopline

Kuća tip 250 ST – potrebna toplina za grijanje = 7474 kWh/god

zrak/voda tlo/voda voda/voda

Godišnji SPF 3,82 3,42 3,69

Vrijeme trajanja pogona [h/god] 1121,35 2083,72 1348,74

Potrošnja elektr. energije [kWh/god] 2873,92 2817,84 2763,37

FINANCIJSKA ISPLATIVOST

Analiza isplativosti provodi se određivanjem troškova investicije, pogona i održavanjapodsustava dizalice topline koji se uspoređuju s troškovima konvencionalnog sustava s plinskimkondenzacijskim kotlom kao izvorom topline.Troškovi investicije uključuju nabavu i montažu opreme. Paušalno se uzima da troškovi montažeiznose 20% nabavne cijene opreme. Za dizalicu topline tlo/voda dodatno se uzimaju i troškovibušenja koji se procjenjuju na 50 € po metru dubine bušenja. Pri tom se podrazumijeva kako seradi o dizalicama topline s bušotinskim izmjenjivačima topline (vertikalnim sondama).Pogonski troškovi obuhvaćaju potrošnju električne energije dizalice topline te potrošnjuprirodnog plina za pogon kondenzacijskog kotla.

Investicijski troškovi nabave i montaže za analizirane podsustave su: dizalica topline sa zrak/voda za kuću tip 250

UKUPNO 86336 kn (ZG), 83480 kn (ST)

dizalica topline sa voda/voda za kuću tip 250UKUPNO 62804 kn (ZG) , 59682 kn (ST)

dizalica topline sa tlo/voda za kuću tip 250UKUPNO 104271 kn (ZG), 106943 kn (ST)

kondenzacijski kotao na prirodni plin za kuću tip 250UKUPNO 12725 kn (ZG), 11066 kn (ST)

Ukupni troškovi određenog podsustava u promatranom vremenskom periodu računaju se premaslijedećoj jednadžbi:

[kn]gdje su:C – ukupni troškovi za promatrani period [kn],I – investicijski troškovi [kn],n – broj godina koji je protekao od ugradnje sustava [-],P- godišnji troškovi pogona [kn],O – godišnji troškovi održavanja [kn]

SLIKA 10. Period povrata investicije za kuću u Zagrebu

Najkraći period povrata investicije za kuću u Zagrebu ima dizalica topline voda/voda (oko 20godina), dok dizalice topline zrak/voda i tlo/voda nisu isplative u prikazanom periodu na slici 10(35 godina).

Za kuću u Zagrebu upitna je isplativost ugradnje dizalice topline bez obzira na tip, jer je periodpovrata investicije predugačak s obzirom na predviđeni vijek trajanja opreme od 25 godina.Razlike u investicijskim troškovima između dizalica topline i kondenzacijskog kotla nisu bitnodrugačije u Splitu u odnosu na Zagreb bez obzira na nešto manje potrebne toplinske kapaciteteopreme. Najkraći period povrata iznosi oko 19 godina za dizalicu topline voda/voda (slika 11) ito je ujedno najkraći izračunati period povrata u dosadašnjim analizama.

SLIKA 11. Period povrata investicije za kuću u Splitu

ZAKLJUČAKAnaliza je pokazala kako se upotrebom dizalica topline svih tipova smanjuje potrošnja energijeza grijanje i pripremu PTV u odnosu na konvencionalne sustave, što za posljedicu ima ismanjenje emisija CO2 (stakleničkih plinova). Najučinkovitiji tip dizalice topline je voda/voda.Uz trenutačne cijene energenata, pogonski troškovi svih tipova dizalica toplina su manji odpogonskih troškova kondenzacijskog kotla loženog na prirodni plin. Ipak, zbog višestruko većihinvesticijskih troškova u odnosu na kondenzacijski kotao, upitna je isplativost dizalica topline zagrijanje manjih obiteljskih kuća. Da bi dizalice topline konkurirale konvencionalnim sustavimapotrebno je povećati apsolutnu uštedu na pogonskim troškovima, tj. povećati potrebe zatoplinskom energijom, a veće zgrade uglavnom imaju i veće potrebe za toplinskom energijom.Kada bi se s grijanjem i pripremom PTV-a kombiniralo i hlađenje, tada bi veće razlike upogonskim troškovima dizalica toplina i konvencionalnih sustava grijanja i hlađenja vjerojatnoutjecale na smanjenje perioda povrata investicije.Usprkos visokim investicijskim troškovima i dugim periodima povrata investicije, dizalicetopline predstavljaju tehnologiju koja u budućnosti može osigurati značajnije smanjenje emisijaCO2, a samim tim i financijske uštede zbog sustava oporezivanja emisija koji će se vjerojatnouvesti u EU. Pri tom se ne smije zanemariti niti marketinški dobitak za tvrtke i nacionalnagospodarstva koja promoviraju korištenje "zelene" tehnologije.