ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Říjen 2009 Pracovní materiály pro seminář Tepelná čerpadla Vývoj Principy Moderní technická řešení Vazba na energetické systémy budov Navrhování 1

2 Statistické údaje dle MPO Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálníhotepla okolí pro energetické systémy budov. Typy tepelných čerpadel Absorpční tepelná čerpadla-pracují bez kompresoru, nehlučná, pro vytápění se používají výjimečně, použití u klimatizačních zařízení. Kompresorová tepelná čerpadla pohon zajišťuje kompresor 2

3 Kompresorové tepelné čerpadlo Výparník-kompresor-kondenzátor-škrtící ventil Kompresor Pístový Šroubový-oblast velkých výkonů Spirálový Kompresorová TČ se spirálovými kompresory Scroll-jsou dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let. 3

4 Kompresorová TČ s pístovými kompresory-levnější, hlučnější, nižší topný faktor. Životnost 15 let. TČ s rotačními kompresory-u klimatizačních zařízení a levnějších TČ. Chladivo Neobsahující freony, nejedovaté, biologicky odbouratelné a nehořlavé. Etanol, ethylenglykol Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon) zákaz používání pro údržbu a servis, zákaz používání zařízení) Topný faktor Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5). Q množství tepla, které TČ vyrobí (kwh) E množství energie spotřebované na provoz TČ (kwh) 4

5 COP-CoefficientofPerformance Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek EER-EnergyEfficiencyRatio (označení COP dle současných EN) Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel COSP - Coefficient of System Performance SEER-System Energy Efficiency Ratio Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému 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. 5

6 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 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. 6

7 Samostatná venkovní a vnitřní jednotka Venkovní jednotka sventilátorem je propojena svnitřní částí izolovaným potrubí. Venkovní jednotka -na zem nebo na střechu, případně na venkovní stěnu. Vzdálenost do 10 m. Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana-ochrana proti sněhu, odmrazování, hluk v prostoru..) Vzduch-voda Odebírání energie okolí ve výparníku s ventilátorem EC motory-elektronicky řízené otáčky-úspora energie, snížení hluku 7

8 Kompaktní provedení vnitřní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být vdostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo kmíchání vzduchu. Umístění vtechnickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i sohledem na hluk vexteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností. 8

9 Kompaktní provedení venkovní Méně používané 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. 9

10 Zdroj tepla soustava vrtů plošný zemní výměník Vrty výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy hydrogeologický průzkum průměrně lze počítat svýkonem 50 W.m -1 délky vrtu, na 1 kw výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu vrty do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m 10

11 Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy-bentonit, zacelení!! Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem kekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle. Životnost vrtů dle materiálů 50 let 11

12 v průběhu životnosti vrty dochází k úbytku potenciálu závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu. 12

13 Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí (např.pe) plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy. výkon 16W.m -2 plochy kolektoru při běžné hloubce uložení zemního výměníku 1,5m výskyt spodní vody až 40W.m -2 smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-1m, délka m pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač 13

14 Prefabrikovaný rozdělovač a sběrač primárního okruhu Plošný kolektor se skládá z jednotlivých výkopů Rozměry 20 x 1m,hloubka 1,2-1,8m. Na dno každého výkopu se uloží (do pískového lože) 200m plastového (PE) potrubí. Menší plocha-vyšší cena 14

15 Povrchová voda-vodav toku nebo rybníku, výměník ve vodě, na břehu. Pozor na teploty v zimním období. Podzemní voda-vodase odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do vsakovací studny nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně l/min pro TČ s výkonem 10 kw). 15

16 výkon TČ 75-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla (pozor na žádané parametry interiéru -20 C?) Výkon TČ 100% ekonomika?, technika? Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit ktepelnému čerpadlu, sohledem na potřebu tepla, další zdroj. Monovalentní zdroj Vícevalentní zdroj 16

17 navrhnout TČ tak, aby pracovalo co možná nejvíce a po co nejdelší dobu omezit krátkodobé zapínání a vypínání, překlenout např. tarifní přerušení dodávky elektrické energie řízení výkonu kompresoru (frekvenční měnič, rozsah) objem otopného systému zvýšen pomocí akumulačního zásobníku tepla vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění (soustava nejlépe <40 C např. 45/30 C PDL, 50/40 C OT) nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla-doplnění např. elektrokotlem nutná kapacita elektrické přípojky, využití speciálního tarifu max. teplota 55 C (při úpravě primárního okruhu až 65 C) Primární okruh musí mít pro vyrovnávání objemových změn vybaven vyrovnávací nádobou a pojistným ventilem. TČ vzduch-voda hrozí vznik kondenzátu/námrazy. Umístění TČ ve větrané a temperované místnosti. Hluk z provozu TČ-pozor zvláště u lehkých staveb Přerušované vytápění a TČ-výhodný většinou jen u NED domů (3-5kW), pozor na setrvačnost podlahových systémů 17

18 Reversní provoz -obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla vinteriéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní. Přímé chlazení -kompresor TČ není vprovozu a teplo zinteriéru 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. 18

19 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) 19