Obnovitelné zdroje energie

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Pracovní materiály pro výuku předmětu. 1 Tepelná čerpadla 2 1

2 Tepelné čerpadlo Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné vynaložením vnější práce. Obvykle je to z chladnějšího místa na teplejší. Použití: Chladící stroje Zdroje tepla Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov. 2. termodynamický zákon Určuje směr, kterým probíhají přirozené procesy Žádný tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami nemůže mít vyšší účinnost než Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. 3 Typy tepelných čerpadel Tepelné čerpadlo Absorpční tepelná čerpadla pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla (spalování paliva, solární energie) Sorpční oběh (absorpce = pohlcování uvnitř dané látky např. plynů v kapalině, adsorpce = pohlcování na povrchu látky) Kompresorová tepelná čerpadla Parní oběh nejběžnější systém pohon zajišťuje kompresor Elektrická elektrický motor oddělený - kompaktní Plynová plynový motor - turbína 4 2

3 Kompresorové tepelné čerpadlo Základní části tepelného čerpadla výparník kompresor kondenzátor expanzní ventil teploty a tlaky primárního okruhu Vlastnosti: Kompresor Výparník Kondenzátor Expanzní ventil (elektronický, termostatický) 5 Tepelné čerpadlo Pracovní diagramy tepelného čerpadla P-V diagram (tlak-objem) T-S diagram (teplota-entropie)

4 Kompresorové tepelné čerpadlo TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší topný faktor. Životnost 15 let. TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let. TČ se šroubovými kompresory V absorpčním oběhu koluje chladivo a absorpční látka Páry chladiva odcházející z výparníku jsou absorbovány v absorbéru do kapalné absorpční látky za současného uvolnění absorpčního tepla. Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Po zvýšení teploty směsi jsou páry chladiva v desorbéru vypuzeny z absorpční kapaliny. Absorpční tepelné čerpadlo 8 4

5 Chladiva Chladiva Čisté kapaliny jedno nebo vícesložkové např. R22 (chlorodifluormethan), R21, R123, R124 Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon) zákaz používání pro údržbu a servis, zákaz používání zařízení) Směsi 2-4 chladiv Nestejnoměrné vypařování a kondenzace Např. R Carnotův cyklus Teoretický nereálný cyklus Nezohledňuje řadu důležitých vlastností pracovní látku, teplosměnné plochy, tepelné ztráty Skutečný topný faktor je nižší řádově o 50-60% Reálný provoz tepelného čerpadla Podchlazení chladiva - Výhodné pro správnou funkci expanzního ventilu - Zvyšuje se topný faktor

6 Tepelné výměníky Kapalinový výměník Předávání tepla Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček Trubkový žebrovaný výměník zásobníky Vzduchový výměník Trubkový výměník 11 Topný faktor Tepelné čerpadlo Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5). Q E množství tepla, které TČ vyrobí (kwh) množství energie spotřebované na provoz TČ (kwh)

7 Trocha teorie.. COP - Coefficient of Performance Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek EER-Energy Efficiency Ratio Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu charakteristika chladícího stroje Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel EER = P E 13 Regulace výkonu Inverter frekvenční měnič otáček Regulace výkonu kompresoru (40-100%) Pozvolný rozběh kompresoru Pulsní regulace regulace komprese Regulace výkonu % Speciální solenoidový ventil umožňuje měnit tlak v horní části kompresoru (Scroll) přepínání-pulsy digital scroll Regulace obtokem kompresoru Regulace množstvím nasátého chladiva 14 7

8 Pracovní teploty Max. teplota získaná z běžného TČ 55 C Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení Více okruhový systém (např.2 kompresory) Vstřikování páry do kompresoru (EVI) 15 Vysokoteplotní aplikace EVI enhanced vapour injection Až 65 C i při nízkých venkovních teplotách Vhodné pro rekonstrukce 16 8

9 Tepelné čerpadlo Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ: dostupnost kapacita vyšší teplota Zdroj tepla Vzduch Země Spodní voda (studny) Teploty +25 až -18 C 2-10 C 8-12 C Povrchová voda (vodoteč) +18 až 0 C 17 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Nižší cena Provozně horší COP Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku Provedení Samostatná venkovní a vnitřní jednotka Kompaktní provedení vnitřní Kompaktní provedení venkovní Zdroj tepla Okolní vzduch Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř objektu, nutné velké množství vzduchu vyšší hlučnostnároky na umístění, funkce do cca -12 C, nebezpečí namrzání výměníku. Odpadní vzduch Výhodný zdroj tepla pokud je v dostatečném množství. 18 9

10 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka Výparník musí být umístěn na betonovém bloku či loži poblíž venkovní stěny budovy Vzdálenost mezi stěnou a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm) Výfuk vzduchu alespoň 1m Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu - pod venkovní jednotkou kamenný obrubník, cm vyplněno štěrkem 19 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení vnitřní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností

11 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení venkovní Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan Zdroj tepla Tepelné čerpadlo země-voda soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální) plošný zemní výměník energetické piloty 22 11

12 Tepelné čerpadlo země-voda Vrty Nutná schopnost uvrtat danou hloubku vrtu V CZ cca 20 profi firem Vývrt zeminy cca 1m3 Vrty běžně do hloubky 100m(zvládnutelné m) duplexy rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m Cena vrtu cca 1000Kč/m Zkouška vrtu tlaková, průtoková 23 Zemské teplo Solární energie má rozhodující vliv na teplotu zeminy do hloubky cca 15 m Pod touto hloubkou se již neprojevuje vliv ročních období určující je dodávka tepla ze země Teplota v hloubce 20 m je cca 10 C každých 30m stoupá o cca 1 C (geotermický gradient 3K/100m) Tepelná vodivost země průměrně 2W/m.K 24 12

13 Hlubinné vrty v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu 25 Způsob vrtání Vrtání s vodním výplachem např. Tč voda-voda, průměr 160mm Rotačně příklepová technologie Nejběžnější způsob vrtání se vzduchovým výplachem Pro TČ země-voda, průměr mm Při tlaku barů je vytlačována rozvrtaná hornina a podzemní voda na povrch Ovlivněna je přívrtová zóna (desítky až výjiměčně stovky metrů) Dochází k turbulentnímu proudění v okolí vrtu zákal vody V případě podzemních trhlin se výplach může šířit mimo vrtný stvol - ztráta výplachu dlouhodobý zákal vody 26 13

14 Hlubinné vrty výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy průměrně lze počítat s chladícím výkonem 50 W.m -1 délky vrtu při ročním době provozu 2400h vrty běžně do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m nižší tlakové ztráty důležitý vliv má voda teploty primárního okruhu -4 až 4 C (střed 0 C) Hlubinný vrt Měrný tepelný tok (W/m) Suché podloží (sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K) Normální podloží Pevné skalní podloží Vodou nasycené sedimenty Pevné skalní podloží (skála s vodivostí nad 3 W/m.K) (max. bezpečná hodnota ) Hornina s výskytem podzemní vody až Hlubinné vrty Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy Nutné zajistit vodivé spojení vrtu a okolí Jílocementy (vodivost 0,6-0,8) Termosměsi (vodivost 2,1-2,5) Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle. Záruka na vrt 10let Životnost vrtů dle materiálů 50 let Legislativa: Územní řízení projekt na vrt Hydrogeologický posudek Nad 30kW udělat průzkumný vrt (TRT thermal response test) 28 14

15 Hlubinné vrty výstroj vrtu tvarové uspořádání výměníku Jednoduché Duplexní (o cca 12% lepší) řešení spodní části výměníku kvalitní plasty (PE)-RC materiál zhlaví vrtu 29 Povrchové vrty-energetické koše Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm) Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově. Výkon W/m (1,4kW chladícího výkonu pro 2400h) Pomalejší reakce na solární energii

16 Technologie trubka v trubce Pro vytápění i chlazení Doplňkový systém Délky: 20, 30, 40 a 50 m Koaxiální sondy 31 Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy Výkopové práce a plocha pozemku 32 16

17 Výkonové charakteristiky plošného výměníku Standardní plošný zemní kolektor výkony pro odběr tepla (W/m2) Suchá písčitá půda 8-15 Vlhká písčitá půda Suchá jílovitá půda Vlhká jílovitá půda Půda s protékající spodní vodou Dimenzování velikosti výměníku provádět podle doby provozu ne podle maximálního výkonu TČ. 33 Dimenzování TČ Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj (běžně 0 až -7 C) Monovalentní zdroj Vícevalentní zdroj Bivalentní Alternativně bivalentní TČ zcela vypne pod určitou teplotou 35 17

18 Doba provozu TČ Optimálně h/rok (má vliv na živostnost zařízení) Životnost 30tis.h (50) Výpočet: Potřeba tepla 15000kWh/rok Výkon TČ 15000/2400=6,25kW V podkladech výrobce pro A2W35 TČ o výkonu 8kW 15000/8=1875h OK 36 Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10 C 37 18

19 Chlazení pomocí TČ Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní. Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou energie. 38 Schéma provozu Reverzní tepelné čerpadlo Využití dvou expanzních ventilů a 4 cestné armatury 39 19

20 Energetické piloty Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu nebo tepla. Využití stavebních pilot. Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m. Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ). Min. teplota-2 C (nebezpečí promrzání zeminy) 40 20