Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie Budovy a 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 Kompresorové tepelné čerpadlo výparník kompresor kondenzátor expanzní ventil 50/55 C Malý teplotní spád= velký průtok Elektronický Termostatický Směs páry a kapaliny PLYN PLYNOVÝ SPALOVACÍ MOTOR -5 C 6 3

4 Ecocute označení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody s chladivem R477 - CO 2 umožňuje ohřívat vodu na teplotu až 90 C s velmi vysokým topným faktorem chladicí oběhy s chladivem CO 2 se chovají velmi odlišně na rozdíl od běžných tepelných čerpadel s HFC chladivy nutnost udržovat vysoký teplotní spád C vysoké tlaky 165bar 7 Tepelné čerpadlo Pracovní diagramy tepelného čerpadla P-V diagram (tlak-objem) T-S diagram (teplota-entropie)

5 Tepelné čerpadlo Pracuje na principu obráceného Carnotova cyklu (levotočivý oběh proti směru hodinových ručiček) teplo čerpáme Idealizovaný Carnotův cyklus 9 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 10 5

6 Absorpce pohlcování jedné látky druhou např. pohlcování Tepelný plynu s kapalinou. Absorpční tepelné čerpadlo Ohříváním směsi vody s chladivem dochází k odpaření chladiva (exsorpce) chladivo je pohlceno zpět do vody (absorpce) Směs LiBr a voda 11 Chladiva HFC - (fluorované uhlovodíky) nazývané také jako F-plyny byly vyvinuty jako náhrada za chladiva poškozující ozonovou vrstvu. CFC - (tvrdé freony) - R12, R502, HCFC (hydrochlorofluorouhlovodíky)-tzv. měkké freony zákaz používání pro údržbu a servis zákaz používání zařízení)

7 Carnotův cyklus a účinnost Chladící faktor pro chladící zařízení Topný faktor pro tepelná čerpadla 13 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)

8 Trocha teorie.. COSP - Coefficient of System Performance SEER-System Energy Efficiency Ratio Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému SPF Seasonal Parformance Factor Provozní topný faktor (reálný, vhodný pro výpočet ekonomiky provozu) Dle podmínek na primární i sekundární straně TČ. Čím vyšší je teplota prostředí, ze kterého je teplo odebíráno a čím nižší je teplota soustavy, do které je teplo odevzdáváno, tím vyšší má TČ topný faktor. Díky vyššímu topnému faktoru u TČ země-voda než vzduch-voda má toto řešení cca o 20% nižší spotřebu elektrické energie. SPF pro RD (Německo): Země voda SPF=3,9 Vzduch voda SPF=2,8 15 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 16 8

9 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) Ecocute 17 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 18 9

10 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. 19 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, délka bývá do 10 m. Jednotka umístění střecha venkovní stěna země Umístění venkovní jednotky musí být zvoleno tak, aby hluk kompresoru a ventilátoru byl co nejmenší. Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana Průtok vzduchu dle výkonu (např. 2000m3/h pro 6kW, 5000 pro 12kW)

11 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 Tepelné čerpadlo vzduch-voda 22 11

12 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 24 12

13 Teplota zeminy únor květen listopad srpen 25 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

14 Hlubinné vrty výstroj vrtu tvarové uspořádání výměníku Jednoduché Duplexní (o cca 12% lepší) řešení spodní části výměníku kvalitní plasty (PE)-RC materiál zhlaví vrtu 27 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

15 Technologie trubka v trubce Pro vytápění i chlazení Doplňkový systém Délky: 20, 30, 40 a 50 m Koaxiální sondy 29 Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy Výkopové práce a plocha pozemku 30 15

16 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. 31 Výkopové provedení plošného výměníku Plošný výměník hloubka 1,2-1,5m Velký zábor plochy, omezení z pohledu zeleně Nutné spádování pro odvzdušňování v šachtě Materiály odolné vůči poškození kvalitní PE Písek na obsyp do vlhka - suchý písek izoluje Frakce kameniva vhodné pro zásyp nelze jednoduše určit na stavbě nutné speciální potrubí

17 Tepelné čerpadlo voda-voda Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě, na břehu. Pozor na teploty v zimním období. Teplota 0-18 C. Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny (10-15m) a po ochlazení se vypouští do vsakovací studny (20 m) nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně l/min pro TČ s výkonem 10 kw) zkoušeno i déle než 20 dnů. Teplota 8-10 C. Ochlazení vody 4 C. Hlubinná voda, geotermální voda teploty >40 C (Teplice) Odpadní voda čistírny odpadních vod teplota C Je vodní dílo. 33 Dimenzování velikosti tepelného čerpadla výkon TČ 70-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla pozor na žádané parametry interiéru -20 C?) pozor na náklady TČ+primární okruh Výkon TČ 100% ekonomika, vestavba elektrokotle 34 17

18 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 Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10 C 36 18

19 37 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

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) 39 20