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. M.Kabrhel 1 Typy tepelných čerpadel Tepelná čerpadla 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 2 1
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) http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel 3 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 www.viessmann.cz www.eccb.cz 4 2
Absorpční tepelné čerpadlo 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. http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/6519-systemy-spolecne-vyrobyelektricke-energie-tepla-a-chladu 5 Tepelné výměníky Kapalinový výměník Předávání tepla Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček Trubkový žebrovaný výměník zásobníky Vzduchový výměník Trubkový výměník Výparník změna teploty o 5 C kapaliny a 10 C vzduch Kondenzátor změna teploty o 5-10 C 6 3
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) www.ekowatt.cz 7 Trocha teorie.. COSP-CoefficientofSystemPerformance SEER-SystemEnergyEfficiencyRatio Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému SPF SeasonalParformanceFactor 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 8 4
Pracovní teploty Max. teplota získaná z TČ 55 C Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení Více okruhový systém (např.2 kompresory) Vstřikování páry do kompresoru (EVI) http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html 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 10 5
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. 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 kmíchání 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. www.topeni-chlazeni.cz 12 6
13 Tepelné čerpadlo vzduch-voda 14 7
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. www.nibe.cz www.energiehome.eu 15 Zdroj tepla Tepelné čerpadlo země-voda soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální) plošný zemní výměník energetické piloty 16 8
Tepelné čerpadlo země-voda Vrty Nutná schopnost uvrtat danou hloubku vrtu V CZ cca 20 profifirem Vývrt zeminy cca 1m3 Vrty běžně do hloubky 100m(zvládnutelné 130-150m) duplexy rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m Cena vrtu cca 1000Kč/m Zkouška vrtu tlaková, průtoková 17 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) 20 50 (max. bezpečná hodnota ) Hornina s výskytem podzemní vody až 100 70 18 9
Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy Výkopové práce a plocha pozemku 19 Výkonové charakteristiky plošného výměníku Standardní plošný zemní kolektor výkony pro odběr tepla (W/m2) Suchá písčitá půda 8-15 Vlhká písčitá půda 15-20 Suchá jílovitá půda 20-25 Vlhká jílovitá půda 25-30 Půda s protékající spodní vodou 30-35 Dimenzování velikosti výměníku provádět podle doby provozu ne podle maximálního výkonu TČ. 20 10
Tepelné čerpadlo voda-voda Povrchová voda -Vodav 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 15-25 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 20-30 C Je vodní dílo. 21 Dimenzování velikosti tepelného čerpadla Souvisí s typem čerpadla, dobou provozu, ekonomikou provozu Energetické parametry TČ A2W35 vzduch-voda (pro nízkoteplotní OS, pro vysokoteplotní pro -5 až -7 C) B0W35 země-voda Pozn. ČSN EN 14511 výstupní voda 35 C, vstupní voda 30 C 22 11
Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10 C 23 Chlazení pomocí TČ 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. 24 12
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) www.ge-tra.cz 25 13