EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY DOLNÍ BAVORSKO

Transkript

1 EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY DOLNÍ BAVORSKO TEPELNÁ ČERPADLA Investice do Vaší budoucnosti Projekt je spolufinancován Evropskou Unií prostřednictvím Evropského fondu pro regionální rozvoj

2 Představení Ing. Robert Krainer NUKLEON s.r.o. tel.: (+420)

3 Rozdělení zdrojů pro TČ Vzduch Voda (otevřený okruh) jedna studna dvě studny jedna společná studna Země (uzavřený okruh) horizontální vertikální speciální (šroubovice-slinky) 3

4 Rozdělení tepelných čerpadel Vzduch/voda (odpadní vzduch/voda) výhody (+): nejlevnější nevýhody (-): zimní provoz (horší COP) Voda/voda (odpadní voda/voda) výhody (+): stálé pracovní podmínky (vyšší COP) nevýhody (-): výskyt vhodných zdrojů Země/voda výhody (+): téměř stálé podmínky (dobré COP) nevýhody (-): nejdražší 4

5 Princip tepelných čerpadel W k Q k v W Q v 5

6 Topný faktor (COP) COP tepelnývýkon W příkonkompresoru W 6

7 Topný faktor (COP) kondenzační teplota 7

8 Teploty kondenzace a vypařování t k - dána okruhem spotřeby - otopnou soustavou (tělesa, podlahové vytápění, VZT, TV) t v - dána teplotou ochlazovaného prostředí (země, vzduch, povrchová voda, podzemní voda) typ chladiva typ kompresoru 8

9 Schéma otopné soustavy t p1 - vstupní teplota výparníku t s2 - výstupní teplota kondenzátoru 9

10 Výkonové křivky TČ - podzim podzim: tepelný výkon W příkon W COP = 4,3 10

11 Výkonové křivky TČ - zima zima: tepelný výkon W příkon W COP = 2,4 11

12 Konstrukce tepelných čerpadel Hlavní prvky kompresor výparník kondenzátor expanzní ventil Další zařízení filtry, odlučovače, dehydrátory, ukazatele vlhkosti 12

13 Kompresory nasává přehřáté páry z výparníku při tlaku na sání p v a stlačuje je na kondenzační tlak p k požadavky: funkce v požadovaném rozsahu tlaků a teplot provozní spolehlivost dlouhodobá životnost minimální údržba nízká hlučnost 13

14 Kompresory - provedení oddělené pohonný motor je od kompresoru oddělen převodem hřídel je v kompresorové skříni těsněna ucpávkou velká zařízení tepelné ztráty motoru se nepodílí na oběhu hermetické motor a kompresor v hermeticky uzavřené tlakové nádobě ztráty (elektro)motoru se podílí na bilanci oběhu vinutí je chlazeno nasávanými parami chladiva přehřívání par na sání kompresoru K K M M 14

15 Výparníky odebírá teplo nízkopotenciálnímu zdroji tepla (chlazenému prostředí) vypařováním chladiva za nízkého tlaku při teplotě nižší než je výstupní teplota teplonosné látky t p2 ochlazování teplonosné látky nemrznoucí směs (TČ země-voda) voda (TČ voda-voda) vzduch (TČ vzduch-voda) výměníky kapaliny: letovaný deskový výměník vzduch: trubkový žebrový výměník 15

16 Výparník teploty 16

17 Kondenzátory předává teplo pro využití do teplonosné látky (ohřívanému prostředí) kondenzací chladiva za vysokého tlaku při teplotě vyšší než je výstupní teplota teplonosné látky t s2 ohřívání teplonosné látky otopná voda (běžná TČ) teplá voda (TČ ohřívače) výměníky letovaný deskový výměník trubkový žebrový výměník (uvnitř zásobníku) 17

18 Kondenzátor teploty 18

19 Expanzní (škrtící) ventil udržuje tlakový rozdíl mezi vysokotlakou a nízkotlakou stranou chladicího oběhu reguluje průtok chladiva z kondenzátoru do výparníku v závislosti na výstupní teplotě z výparníku udržuje přehřátí chladiva za výparníkem Dt p = 4 až 8 K 19

20 Přehřátí Škrtící ventil škrticí orgán kapilára pro konstantní provozní podmínky (chladnička) termostaticky řízený expanzní ventil (TEV) elektronicky řízený expanzní ventil (EEV) přesné řízení přehřátí Výpočtový bod 7 K 4 K Průběh TEV Průběh EEV B-5/W45 B0/W35 B5/W30 B10/W25 Provozní rozsah 20

21 Chladiva azeotropní chovají se jako čisté kapaliny, během změny skupenství se složení par a kapaliny nemění, mohou být jednosložková nebo vícesložková zeotropní směsi obvykle 2 až 4 druhů chladiv teplotní skluz nestejnoměrné vypařování složek chladiva, rozdíl ve vypařovacích teplotách jednotlivých složek chladiva při konstantním tlaku. Teplota během vypařování mírně vzrůstá, při kondenzaci mírně klesá. 21

22 Chladiva azeotropní a zeotropní 22

23 Rozdělení chladiv 23

24 Konstrukce tepelných čerpadel 24

25 Reverzní tepelné čerpadlo 25

26 Cykly pro vysoké teploty důvody rekonstrukce starších domů vysoké projektované teploty otopné vody využití tepelných čerpadel pro 100% krytí potřeby tepla cykly jednostupňový: max. 55 C, jinak příliš vysoké teploty a tlaky, navíc s významným poklesem topného faktoru dvojstupňový (kaskádový), dva okruhy, dva kompresory jednostupňový se vstřikováním páry do kompresoru (EVI: Enhanced Vapour Injection) 26

27 Dvojstupňový cyklus 27

28 (EVI: Enhanced Vapour Injection) přisávání par mezi rotory 28

29 Nízkopotencionální zdroj tepla Vzduch venkovní, odpadní Voda spodní jedna studna, dvě studny, jedna společná studna povrchová rybníky, jezera, nádrže, potoky odpadní technologie (pivovar, zimní stadion), domácnosti Země horizontální, vertikální, speciální (šroubovice-slinky) 29

30 Nízkopotencionální zdroje tepla Vzduch venkovní, odpadní 30

31 Nízkopotencionální zdroje vzduch využití tepla okolního vzduchu topný výkon závislý na vnějších klimatických podmínkách zima: topné faktory < 3 léto: topné faktory > 4 většinou bivalentní provoz odvod kondenzátu hlučnost (velké průtoky) 31

32 Venkovní vzduch, tepelná ztráta 32

33 Nízkopotencionální zdroje vzduch h 6 l c t x 1010 t 2,5.10 t x c t 1840 a 0 D c a měrná tepelná kapacita suchého vzduchu, v J/(kg.K) t teplota vzduchu, v C l 0 výparné teplo vody, v J/kg c D měrná tepelná kapacita vodní páry, v J/(kg.K) x měrná vlhkost vzduchu, v kg vv /kg sv V v h Q v h v1 v 2 33

34 Venkovní vzduch - námraza namrzání plochy výparníku snižování prostupu tepla snižování vypařovacího tlaku a teploty, výkonu, topného faktoru zmenšení průřezu výměníku, zvýšení tlakové ztráty, zvýšení příkonu ventilátoru, omezení funkce TČ 34

35 Venkovní vzduch - odtávání odtávání vnitřním chodem TČ (nejčastěji, nejúspornější): horkými parami, reverzní chod vnějším ohřevem: elektrické topné tyče mezi výparníkovým potrubím vnějším ohřevem: vzduchem, teplota vyšší než +3 C TČ vypne, ventilátor běží 35

36 Ochrana proti hluku zohlednění hlučnosti zařízení (ventilátor, velké průtoky na výparníku) trávníky, výsadba rostlin NE odrazové plochy zvýšení hluku hlukové bariéry, přepážky (stěny, ohrady, oplocení) ochrana vzdáleností tlumicí základ pod tepelné čerpadlo tlumiče na vedení (voda, vzduch) návrh vzduchovodů, mřížek < 3 m/s 36

37 Hlukové izolace kompresoru 37

38 Nízkopotencionální zdroje tepla Voda spodní, povrchová, odpadní 38

39 Voda teplá odpadní voda: čističky odpadních vod, chladicí procesy t = 20 až 25 C povrchová voda: říční toky, rybníky, jezera, nádrže t = 0 až 18 C, teplota ovlivněna venkovními klimatickými podmínkami podpovrchová voda: studny, zvodněné vrty t = 7 až 10 C, tzv. spodní voda, celoročně rovnoměrná teplota hlubinná voda: vrty t = 10 až 13 C, teplotní gradient 3 K/100 m t > 25 C, geotermální voda 39

40 Nízkopotencionální zdroje tepla Země horizontální, vertikální, speciální 40

41 Země teploty kontinentální kůra (mocnost 35 km, max 90 km) svrchní plášť vnější jádro (asi železo a nikl, kobalt, síra, křemík a kyslík) vnitřní jádro (pevné -železo a nikl) spodní plášť 41

42 Povrchová teplota zeminy 42

43 Teplota zeminy < m teplota kolísá podpovrchová vrstva výrazně ovlivňována klimatickými podmínkami > m relativně stálá teplota geotermální teplotní gradient 3 K/100 m 43

44 Tepelný tok ČR 44

45 Horizontální výměník tepelná ztráta domu 10 kw zemní kolektor 6 kw plocha cca 250 m 2 45

46 Rozdělovače zemních výměníků 46

47 Horizontální výměníky 47

48 Dimenzování - svislý zemní výměník základní q = 50 W/m výpočet po měsících simulace: komplikovanější a větší systémy thermal response test příklad: tepelná ztráta domu 10 kw zemní vrt 6 kw hloubka cca 110 m 48

49 Zemní sondy U-trubice dvojitá U-trubice copy : Gerotop 49

50 Vratné U-koleno 50

51 Závaží svislá sonda 51

52 Výplňový materiál Účel - zlepšení přestupu mezi vrtem a potrubím Bentonit Voda vstup horizontální řez Voda výstup - oddělení zvodněných vrstev Průměr 132 až 165 mm 52

53 tepelný výměník teplota [ C] Test teplotní odezvy vytápění sběr dat test In-situ podle teplotní odezvy se určí vlastnosti zeminy mobilní testovací zařízení elektřina čas [hodiny] 53

54 Vrtání - zařízení 54

55 Topný faktor zkušební normy ČSN EN Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru ČSN EN : dtto - Termíny a definice ČSN EN : dtto - Zkušební podmínky ČSN EN : dtto - Zkušební metody ČSN EN : dtto - Požadavky EN nahradila EN 255 řada výrobců má platné certifikáty z měření podle EN

56 Topný faktor zkušební podmínky voda-voda W10/W35, země-voda S0/W35, vzduch-voda A2/W35 ČSN EN 14511: voda-voda jmenovité: 10/35 C 10/45 C provozní: 15/45 C 10/55 C ČSN EN 14511: nemrznoucí směs-voda (země-voda) jmenovité: 0/35 C 0/45 C provozní: 5/35 C 5/45 C 0/55 C -5/45 C 56

57 Topný faktor zkušební podmínky ČSN EN 14511: vzduch-voda (teplota venkovního vzduchu) jmenovité: 7/35 C 7/45 C provozní: 2/35 C 2/45 C 7/55 C -7/35 C -7/45 C -7/55 C -15/35 C -15/45 C 57

58 Topný faktor EN x EN 255 podle ČSN EN otopná voda vstupující do tepelného čerpadla daná 30 C, vystupující 35 C, teplotní spád 5 K podle ČSN EN 255 otopná voda vstupující do tepelného čerpadla neurčena (25 C), vystupující 35 C, výrobci mohli udávat teplotní spád 10 K 58

59 Navrhování soustav s tepelným čerpadlem Navrhování soustav s tepelným čerpadlem - výpočet tepelných ztrát objektu - dimenzování zdroje (tepelné čerpadlo + doplňkový zdroj) - stanovení potřeby tepla - výpočet spotřeby elektrické energie - volba vhodné varianty zdroje 59

60 Tepelné ztráty budovy ČSN Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění zrušena ČSN EN Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu 60

61 Dimenzování tepelných čerpadel 61

62 Bivalence - podíl krytí 62

63 Monovalentní X bivalentní monovalentní (100 %) x bivalentní provoz (např. 70 %) monovalentní provoz země-voda: pro pokrytí potřeby tepla o 3 % vyšší (97 % na 100 %) je nutné: zvýšit výkon TČ na cca 140 % zvýšit ve stejném poměru zdroj NPT na 140 % (hloubka vrtů) monovalentní řešení je většinou ekonomicky neefektivní 63

64 Akumulace tepla/chladu předimenzovaný zdroj po většinu otopného období vyrovnání souladu mezi výkonem TČ a potřebou vytápění snížení četnosti spínání kompresoru (1 x 10 min) prodloužení životnosti kompresoru překlenutí doby blokace chodu ( hod/den) zdroj tepla pro venkovní jednotky (vzduch-voda) ochrana proti zamrznutí, odtávání při reverzním chodu 64

65 Výpočet spotřeby el. energie Denostupňová metoda... průměrná hodnota COP / rok Intervalová metoda... průměrná hodnota COP / teplotní interval (Bin-method) Tabulkový procesor (Microsoft Excel) Norma ČSN EN Simulace... okamžitá hodnota COP / časový krok (3 min) Simulační program (TRNSYS) 65

66 Denostupňová metoda Teoretická spotřeba tepla na vytápění 6 Qd Q MJ ti tev počet denostupňů D d t t i es ed 66

67 Intervalová metoda (Bin-metoda) metoda je standardizovaná v ČSN EN využívá křivky trvání teplot pro otopné období, případně celý rok rozdělení křivky trvání teplot na teplotní intervaly s odpovídajícími dobami trvání teploty pro střední teplotu intervalu se stanoví: potřeba tepla objektu teplo dodané tepelným čerpadlem el. energie spotřebovaná kompresorem teplo dodané dodatkovým zdrojem 67

68 doba [hod] Potřeba tepla Intervalová metoda t 3,horní obvykle 10 intervalů 3 OP 3 t 3,dolní OP 2 OP 1 venkovní teplota [ C] 68

69 Spotřeba elektrické energie matematické simulace program: TRNSYS 69

70 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) 70

71 Volba teplotních intervalů I) Rozsah teplot venkovní výpočtové teploty (např. -12 C) a teploty počátku otopného období (např. 13 C) standardně rozdělen na 10 intervalů (např. 2,5 K). II) Volba intervalů dle naměřených dat výrobců daných tepelných čerpadel + bod bivalence. 71

72 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) 72

73 Počet hodin trvání teplot z databáze Meteonorm 73

74 Obecná křivka trvání teplot 1 0,985 0,626 t t em em t t e e,min n n 74

75 Kumulativní četnost venkovních teplot vzduchu 75

76 Počet dnů trvání teplot z křivky trvání teplot Kumulativní četnost výskytu venkovních teplot (Obecná křivka trvání teplot - Praha) 76

77 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) Průběh tepelných ztrát objektu (nebo potřeba tepla). 4) 77

78 Tepelné ztráty objektu 78

79 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) Průběh tepelných ztrát budov. 4) Stanovení teploty primární strana (vstupní do výparníku). 5) 79

80 t v1 [ C] Vstupní teplota výparníku vzduch-voda: t v1 = t e voda-voda: t v1 = 10 C země-voda. t v1 = f (t e ) EN t v 1 max 0 C; min(0,15 te 1,5 C;4,5 C) t e [ C] 80

81 Vstupní teplota výparníku 81

82 Vstupní teplota výparníku aproximace střední hodnoty 82

83 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) Průběh tepelných ztrát budov. 4) Stanovení teploty primární strana (vstupní do výparníku). 5) Určení teploty sekundární strana (výstup z kondenzátoru) 6) 83

84 Výstupní teplota kondenzátoru Kvalitativní regulace otopné soustavy 84

85 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) Průběh tepelných ztrát budov. 4) Stanovení teploty primární strana (vstupní do výparníku). 5) Určení teploty sekundární strana (výstup z kondenzátoru). 6) Výkonové křivky tepelného čerpadla. 7) 85

86 Schéma otopné soustavy t p1 - vstupní teplota výparník t s2 - výstupní teplota kondenzátor 86

87 Výkonové křivky TČ 87

88 Princip Intervalové metody Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) Stanovení počtu dnů trvání teplot pro zvolený interval. 3) Průběh tepelných ztrát budov. 4) Stanovení teploty primární strana (vstupní do výparníku). 5) Určení teploty sekundární strana (výstup z kondenzátoru). 6) Výkonové křivky tepelného čerpadla. 7) Výpočet dodatkového zdroje. 88

89 Alternativně bivalentní 89

90 Paralelně bivalentní 90

91 Částečně paralelně bivalentní 91

92 Hodnocení tepelných čerpadel SVTČ soustava vytápění tepelným čerpadlem ZV zdroj vytápění OS otopná soustava SZTČ soustava zdroje s tepelným čerpadlem SDZ soustava doplňkového zdroje NZTČ nízkopotencionální zdroj tepelného čerpadla SAZ soustava s akumulačním zásobníkem NZ nízkopotencionální zdroj AN akumulační nádoba DZ doplňkový zdroj OP otopné plochy PSV potrubní síť vytápění 92

93 SPF (sezónní topný faktor) ε t (COP) Topný faktor (Coeficient of performance) ε ch (EER) Chladicí faktor (Energy Efficiency Rating) SPF Sezónní topný faktor (Seasonal Performance Factor) SEER Sezonní chladící faktor (Seasonal Energy Efficiency Rating) SPF konec 0 konec 0 Q dt Pdt teplo dodané za otopné období SPF spotřeba elektrické energie za otopné období 93

94 Ekonomika Náklady pořizovací tepelné čerpadlo, vrt (kolektory), otopná soustava Příklad: TČ 10 kw Kč TČ 40 kw Kč Kč/1m vrt včetně vystrojení ( Kč hydrogeologický průzkum) Náklady provozní výpočet spotřeby el. energie (vytápění, TV, bazén) Příklad: dům 15 kw Kč (vytápění + TUV) celkové provozní náklady vytápění, TV, elektřina, atd. 94

95 Voda (technologická)/voda Zimní stadion Třebíč 95

96 Hybridní systémy 96

97 Vzduch/voda - venkovní 97

98 Umístění technologie 98