ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Verze 2.17 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 nízkopotenciálníhotepla 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 Carnotůvstroj pracující mezi stejnými teplotami. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. 2 1
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 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) http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel 4 2
Tepelné čerpadlo Pracovní diagramy tepelného čerpadla P-V diagram (tlak-objem) T-S diagram (teplota-entropie) http://www.calorex.com/ http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm 5 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 6 3
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 7 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 1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a servis 1.1.2015 zákaz používání zařízení) http://www.jdk.cz/cs/produkty/chladivo 8 4
Carnotův cyklus a účinnost Chladící faktor pro chladící zařízení Topný faktor pro tepelná čerpadla 9 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 http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel 10 5
R407c T-h diagram 11 Tepelné výměníky Kapalinový výměník Předávání tepla Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček Trubkový žebrovaný výměník zásobníky Vzduchový výměník Trubkový výměník http://www.alfalaval.com/ 12 6
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 13 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 14 7
Regulace výkonu Inverter frekvenční měnič otáček Regulace výkonu kompresoru (40-100%) Pozvolný rozběh kompresoru Pulsní regulace regulace komprese Regulace výkonu 10-100% Speciální solenoidový ventil umožňuje měnit tlak v horní části kompresoru (Scroll) přepínání-pulsy digital scroll Regulace obtokem kompresoru Regulace množstvím nasátého chladiva 15 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 16 8
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
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka Venkovní jednotka sventilátorem je propojena svnitřní 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) http://www.kodek.cz/kategorie/vzduch-voda.aspx 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 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 20 10
Tepelné čerpadlo vzduch-voda 21 Tepelné čerpadlo vzduch-voda 22 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. www.nibe.cz www.energiehome.eu 23 Zdroj tepla Tepelné čerpadlo země-voda soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální) plošný zemní výměník energetické piloty 24 12
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 25 Hlubinné vrty v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu 26 13
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 Suché podloží (sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K) Měrný tepelný tok (W/m) 20 Normální podloží Pevné skalní podloží Vodou nasycené sedimenty Pevné skalní podloží (skála s vodivostí nad 3 W/m.K) 50 (max. bezpečná hodnota ) Hornina s výskytem podzemní vody až 100 70 27 Hlubinné vrty výstroj vrtu tvarové uspořádání výměníku Jednoduché Duplexní (o cca 12% lepší) řešení spodní části výměníku kvalitní plasty (PE)-RC materiál zhlavívrtu 28 14
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 400-700 W/m (1,4kW chladícího výkonu pro 2400h) Pomalejší reakce na solární energii www.rehau.cz 29 Technologie trubka v trubce Pro vytápění i chlazení Doplňkový systém Délky: 20, 30, 40 a 50 m Koaxiální sondy 30 15
Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy Výkopové práce a plocha pozemku 31 Plošné výměníky orientační chladící výkon 20W.m -2 plochy kolektoru při běžné hloubce uložení zemního výměníku 1,5m, výskyt spodní vody až 40W.m -2, velmi suchá zem 8W.m -2 nutné udělat sondu smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-2m, délka 150-200m (při větší dimenzi 40 až 350m) Dimenze potrubí 25,32(Ger,Aus.), 32,40(Cz) Odstup 0,5m (dům, strom), hloubka min. 1m pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač cz.complexenergy.cz 32 16
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. 33 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 www.regulus.cz 34 17
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. 35 Dimenzování TČ Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit ktepelnému čerpadlu, sohledem na potřebu tepla, další zdroj (běžně 0 až -7 C) Monovalentní zdroj Vícevalentnízdroj Bivalentní Alternativně bivalentní TČ zcela vypne pod určitou teplotou 36 18
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 37 Doba provozu TČ Optimálně 1800-2400h/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 38 19
Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10 C 39 Schéma provozu Reverzní tepelné čerpadlo Využití dvou expanzních ventilů a 4 cestné armatury 40 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) www.ge-tra.cz 41 Geotermální energie 42 21
Geotermální energie Historie starověcí přírodovědci a filozofové psali o podzemním ohni Využití teplé vody pro termální lázně (starověký Řím, území Itálie, Německa, Turecka, Číny, Indonésie,..) V příbramském dole Vojtěch se poprvé na světě v roce 1873 prorubali hlouběji než 1000 m pod povrch dosahovaly teploty 50 C 1904-první využití pro výrobu elektrické energie v Itálii http://petrkrejci.bigbloger.lidovky.cz/ Teplota 38 stupňů Celsia, vydatnost pramene 800 l/s. 43 Geotermální energie Zdrojtepla: vznikplanety+rozpadradioaktivníchlátek Využití: zásobováníteplem výrobaelektřiny(ohřev >150 C) zásobníkytepla,chladu www.carbonneutral.com 44 22
Geotermální energie energie z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>200 C) pro výrobu elektrické energie vulkanicky aktivní oblasti energie tepla hornin ( suché zemské teplo ) vysoké teploty (>130 C) pro výrobu elektrické energie (HDR hot dry rock) vhánění a čerpání vody energie z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<150 C) pro výrobu tepla (vulkanicky aktivní i sedimentární oblasti) nejběžnější zdroje geotermální energie pro nízkoteplotní systémy (tepelná čerpadla) 45 Geotermální energie Postup využití geotermální energie Vytvoření fyzikálního/matematického modelu využívané oblasti Vytvořit předpověď využití na základě modelů a měření Stanovit správné řešení vrtů a provést jeho realizaci Čerpání energie řídit podle její dodávky (nevyčerpat geotermální reservoár) 46 23
Geotermální energie Hlavní sledované fyzikální veličiny tepelný tok Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mwm -2. tepelná vodivost hornin hydrogeologické parametry lokality http://www.mzp.cz/cz/geotermalni_energie 47 Přímé využití geotermální energie 1. Vrt 2. Hlava vrtu 3. Přívodní potrubí geotermální energie 4. Průtočný bazén 5. Vypuštění bazénu 6. Přepad 48 24
Nepřímé využití geotermální energie 1. Vrt 2. Hlava vrtu 3. Výměník tepla 4. Ochlazená geotermální voda pro další použití 5. Odpadní geotermální voda 6. Recipient 7. až 10 Vytápěcí systém 49 Nepřímé uzavřené využití geotermální energie 1. a 11. Vrt 2. a 10. Hlava vrtu 3. Výměník tepla 4. a 7. Odběrná místa 5. a 9. Čerpadlo 6. Výměník tepla 7. až 10 Vytápěcí systém 50 25
Přímé využití horké páry 1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu 3. Parní turbína 4. Generátor 51 Přímé využití horké páry s kondenzátorem 1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu 3. Parní turbína 4. Generátor 5. Kondenzátor 6. a 8. čerpadla chladícího okruhu 7. Chladící věž 9. Reinjektážní čerpadlo 52 26
Geotermální elektrárna Principem je využití energie páry pro výrobu elektrické energie v generátoru. http://visual.merriam-webster.com/energy/geothermal-fossilenergy/production-electricity-from-geothermal-energy.php www.energybandgap.com 53 Geotermální energie v ČR Ústí nad Labem -využité energie pro vytápění plaveckého bazénu a zoologické zahrady (2006) Děčín výtopna pro vytápění části města (2002) Dokončeno v roce 2002 geotermální energii z vody o teplotě cca 30 C zpodzemního jezera, které se nachází pod Děčínem. Geotermální voda vyvěrá přirozeným tlakem zvrtu ohloubce 545 m a vtechnologii tepelných čerpadel se tepelný potenciál této geotermální vody využívá pro ohřátí otopné vody až na 72 C. Při maximálním výkonu je vydatnost vrtu 54 l/s. Celkové náklady 531mil. Kč vybudování centrálního kogeneračního zdroje, teplovodní sítě apředávacích stanic upřipojených odběratelů tepla -tepelná čerpadla 2x 3,28 MW t -kogenerační plynový motor 0,8 MW e /1,01 MW t -kogenerační plynový motor 1,94 MW e /2,09 MW t -plynové kotle 2x 16,5 MW t 54 27
Využití geotermální energie Teplejší oblasti výroba elektřiny Chladnější oblasti výroba tepla + (elektřiny) Island vytápění domů, skleníků (např. pěstování jižního ovoce), veřejných budov, bazénů, pro vyhřívání chodníků Další země, které geotermální energii ve větším využívají, jsou USA, Velká Británie, Francie, Švýcarsko, Německo a Nový Zéland. 55 Kogenerace 56 28
Kogenerace Kombinovanávýrobaelektrickéenergieatepla(KVET,CHP) Jedná se zpravidla opřeměnu primární energie na energii elektrickoutak,abybylomožnévyužítodpadníteplo. Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie, vytápění). Umístěnízdrojů: teplárnyvblízkostiměst elektrárnyvblízkostizdrojepaliva Trigenerace-výrobatepla,chladuael.energie 57 Porovnáníspotřebenergie Kogenerace 58 29
Kogenerace Technologiezdrojů KVET: Parní protitlaková turbína Parní odběrová turbína Plynová turbína s rekuperací tepla Paroplynové zařízení s dodávkou tepla Spalovací pístový motor Další technologie mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení www.allforpower.cz 59 Kogenerace Parní odběrová turbína Mezi první a druhým stupněm turbíny se část páry využívá pro teplárenskéúčely.neodebranápárakondenzuje. Plynová turbína s rekuperací tepla V podstatě proudový motor s využíváním energie spalin. Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevu spalinamiakexpanzivprostoruturbíny. 60 30
Kogenerace Spalovacípístovémotory Motor spalující levné palivo spřeměnou mechanické práce na elektrickou energii vgenerátoru asvyužitím vznikajícího tepla. Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkáchnemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové kotelny. Provedení od malých 2válcových kompaktních motorů až po oddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku v samostatnýchprostorách. 61 Organický Rankinův cyklus -nižší otáčky turbíny umožňují přímý pohon generátoru bez převodovky minimální eroze lopatek turbíny vlivem absence kapiček pracovní látky -možnost využití energie ze zdrojů s relativně nízkou teplotou -nižší tlak a teplota v celém oběhu -vyšší životnost -nenáročnost na obsluhu -odpadá nutnost doplňování a úpravy vody (úniky a doplňování organické pracovní látky v sekundárním okruhu jsou minimální) -celkem vysoká účinnost při nižších teplotních spádech -nižší provozní náklady www.tzbinfo.cz 62 31
Kogenerace Mikrokogenerace současná výroba tepla a elektřiny při vysoké účinnosti Mikrokogenerace výroba elektřiny a tepla pro oblast malých výkonů (rodinné domy,..) při nízkých emisích Technologie Stirlingůvmotor Motor s vnitřním spalováním Palivový článek 63 63 32