02_Razvoj i primjena dizalica topline _M. Grozdek

IPA projekt GeothermalMapping: PRVA RADIONICA
ISTRAŢIVANJE I PROMOCIJA KORIŠTENJA PLITKIH GEOTERMALNIH POTENCIJALA U RH
Research and the promotion of use of shallow geothermal potential in Croatia
Prezentacija: Razvoj i primjena dizalica topline
Doc.dr.sc. Marino Grozdek, dipl.ing.stroj.
Prof.dr.sc. Tonko Ćurko
Strojarska tehnička škola Osijek, 12.06.2014.
Fakultet strojarstva i brodogradnje
Sveučilišta u Zagrebu
Predstavljeni rezultati istraživanja dobiveni su u sklopu projekta
Istraživanje i promocija plitkih geotermalnih potencijala u RH
Ovaj projekt financiran je od strane Europske unije pod brojem ugovora
IPA2007/HR/16IPO/001-040506, u iznosu od maksimalno 509.695,36 EUR
Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Sadržaj ove publikacije
isključiva je odgovornost autora i ne odražava nužno gledišta Europske unije.
SADRŢAJ
1. UVOD
2. OPĆENITO O DIZALICAMA TOPLINE
Procesi s dizalicom topline
Učinak dizalice topline
3. IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE
4. DIZALICE TOPLINE POVEZANE S TLOM - GEOTERMALNE DIZALICE TOPLINE
5. EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE
1. UVOD
 Dizalice topline primjenjuju se u svim veličinama, od onih najmanjih za
grijanje stanova, pa sve do sustava koji služe za grijanje čitavih naselja.
Većinom se koriste za niskotemperaturne sustave grijanja, s
temperaturom polaznog voda već od 35 °C u slučaju površinskog grijanja,
te s temperaturom polaznog voda do 55 °C kod zagrijavanja PTV-a.
 Izvedbe su moguće u otvorenoj i zatvorenoj izvedbi. Otvorene izvedbe koriste
podzemne ili površinske vode kao izvor/ponor topline na dizalici topline.
Zatvorene izvedbe koriste tlo kao izvor/ponor topline.
 Primjena: stambeni i nestambeni sektor, industrija, specifične namjene
 Europska direktiva naziva Directive 2009/28/EC of the European Parliament and
of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources
svrstava dizalice topline u obnovljive izvore energije u ovisnosti o minimalnoj
vrijednosti sezonskog toplinskog množitelja (SPF):
OPĆENITO O DIZALICAMA TOPLINE - Princip rada kompresijske dizalice topline

kond
isp
Sustav dizalice topline sastoji se
od tri kruga:
- kruga izvora topline,
Pkomp - kruga radne tvari i
- kruga ponora topline.

Pkomp
kond = isp +
Dizalica topline posreduje u
prijenosu topline između dva
toplinska spremnika:
niskotemperaturnog, kojem se
toplina odvodi, te
visokotemperaturnog, kojem se
ta toplina dovodi, uvećana za
energiju kompresije.
Shematski prikaz dizalice topline u režimu grijanja
Učinkovitost dizalice topline: COP i SPF dizlice topline
Toplinski množitelj (COP) ili faktor grijanja dizalice topline definiran je izrazom:
 gr (COP) 
kond
Pkomp
Godišnji toplinski množitelj gr,G (Sesonal performance factor - SPF) dizalice topline koristi se za
proračun i dimenzioniranje sustava grijanja. Računa se preko sljedećeg izraza:
SPF 
 QGR  QPTV 
god
 Esust
god
QGR – godišnja potrebna toplinska energija za grijanje prostora, kWh
QPTV – godišnja potrebna toplinska energija za zagrijavanje PTV-a, kWh
Esust - ukupna godišnja el. energija utrošena na pogon kompresora, pumpi, ventilatora, pomoćnog grijača,
te sustava odleđivanja isparivača, kWh
IZVORI TOPLINE ZA DIZALICE TOPLINE
 Za postrojenje dizalice topline od najvećeg su značaja svojstva toplinskog izvora. Može se reći da je
postrojenje za grijanje dizalicom topline onoliko dobro, koliko je dobar njegov toplinski izvor.
 Kao niskotemperaturni toplinski spremnici koriste se voda (riječna, jezerska, morska i podzemna), zrak,
otpadna toplina ili se isparivač zakopava u zemlju, pri čemu tlo predstavlja toplinski spremnik.
 Na izvor topline se postavlja niz zahtjeva među kojima su najvažniji sljedeći:
- toplinski izvor treba osigurati potrebnu količinu topline u svako doba i na što višoj temp.
- troškovi za priključenje toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti što manji,
- energija za transport topline od izvora do isparivača dizalice topline treba biti što manja.
Okolišnji zrak kao izvor topline
Najveći i najpristupačniji ogrjevni spremnik topline za dizalice topline
predstavlja okolišnji zrak.
Loša strana zraka kao izvora topline su varijacije njegove
temperature, što znatno utječe na toplinski množitelj dizalice topline.
Smanjivanjem temperature okoline smanjuje se toplinski množitelj i
ogrjevni učinak dizalice topline.
 U većini slučajeva obavezna primjena dodatnog izvora grijanja (ekonomičan rad do ok = -5 °C).
 Naslage leda najveće pri temperaturi zraka oko 0 °C (odleđivanje isparivača svakih 1.5 do 2 sata). Za
temperaturu okoline -10 °C odleđivanje isparivača svakih 5 sati.
Podzemne vode kao izvor topline
 Temperatura podzemne vode iznosi u većini slučajeva od 8 do
13 °C i ovisi o lokaciji i dubini iz koje se voda crpi.
 Razmak između ovih bunara treba biti što je moguće veći, a po
mogućnosti ne manji od 10 m. Ponorni bunar postavlja se
nizvodno od crpnog bunara.
 Potopljena crpka ugrađuje se obično do dubine
20-25 m kako bi se smanjili pogonski troškovi
pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna visina
bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i
nečistoća.
Protok pumpe za vodu proračunava se na
temperaturnu razliku vode na isparivaču od 4 °C
(5 °C).
 Temperatura podzemne vode se tijekom cijele godine neznatno ili uopće ne mijenja te je
podzemna voda najpovoljnija kao izvor topline za pogon dizalice topline.
Učinkovitost dizalice topline VODA-VODA
Za dizalice topline koje koriste vodu kao toplinski izvor, norma HRN EN 14511 određuje radnu točku
W10/W35, pri čemu je temperaturni režim vode na isparivaču: 10/5 °C, a na kondenzatoru 30/35 °C. Manja
temperaturna razlika između toplinskih spremnika za posljedicu ima porast vrijednosti toplinskog množitelja
koji iznosi za komercijalne dizalice topline približno 5,5. Za radnu točku W10/W55 toplinski množitelj iznosi
približno 3,5.
DIZALICA TOPLINE VODA-VODA
Norma EN 14511
W10/W35*
W10/W55**
Učinak grijanja, kW
11,6
10,9
10,2
9,6
El. snaga, kW
2,1
1,9
3,0
2,7
Faktor grijanja
5,5
5,7
3,5
3,6
*Temperaturni reţim vode na isparivaču: 10/5 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 30/35 °C
**Temperaturni reţim vode na isparivaču: 10/5 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 50/55 °C
Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjivača
Zemlja je kao izvor topline povoljna jer već u
malim dubinama ima prilično konstantnu
temperaturu (7÷13 °C na dubini 2 m).
 Izmjenjivač topline se u tlo može položiti
u obliku snopa vodoravnih cijevi na dubini
od 1,2 do 1,5 m, s međusobnim razmakom
cijevi od 0,5 do 1 m, ovisno o sastavu i
vrsti tla.
 Promjer PE cijevi iznosi 25 ili 32 mm.
Dužina jedne izmjenjivačke sekcije iznosi
do 100 m
Učinak: 15 do 35 W/m2
Regeneracija toplinskog izvora događa se zahvaljujući Sunčevom zračenju, kiši ili rosi.
UČINKOVITOST DIZALICE TOPLINE
Norma HRN EN 14511 za radnu točku B0/W35 definira učinkovitost dizalice topline tlo-voda za
temperaturni režim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C i temperaturni režim vode na kondenzatoru
30/35 °C. Komercijalne dizalice topline za navedene uvjete imaju faktor grijanja oko 4,5. Faktor grijanja
za radnu točku B0/W55 i temperaturni režim vode na kondenzatoru 50/55 °C je značajno manji i iznosi
oko 3,0.
DIZALICA TOPLINE TLO-VODA
Norma EN 14511
B0/W35*
B0/W55**
Učinak grijanja, kW
10,4
10,8
9,5
9,8
El. snaga, kW
2,4
2,4
3,3
3,3
Faktor grijanja
4,4
4,5
2,9
3,0
*Temperaturni reţim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 30/35 °C
**Temperaturni reţim glikolne smjese na isparivaču: 0/-3 °C; Temperaturni reţim vode na kondenzatoru 50/55 °C
Tlo kao izvor topline – horizontalna izvedba izmjenjivača
Praktični primjer:
Dizalica topline voda-voda učinka 17,3 kW (VWS 171/2)
 PE cijevi 32x2,9 mm položene na dubinu 1,7 m
 Temperaturni režim na strani glikolne smjese (-1)/3 °C
Razdjeljivač i sakupljač kolektorskog polja
Polaganje horizontalnog izmjenjivača –
kolektorskog polja Krapina
Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjivača
 PRIMJENA:
- obiteljska domaćinstva
- stambeni sektor
- poslovni objekti
- škole i vrtići
- bolnice
- športski centri
- plastenici
- specifične namjene
 PROVEDBA:
- definiranje regulative oko bušenja tla
- geološka karta RH
- certificiranje izvođača bušotina
- investicija (bušenje  50 eur/m)
- poticaji
Tlo kao izvor topline – vertikalna izvedba izmjenjivača
Izmjenjivač se u bušotinu ulaže na dubini od
60 do 150 m (200 m).
 Temperatura tla na dubini od 2 m iznosi 7 do
10 °C, a na dubini do 100 m temp. tla se kreće
između 10 i 13 °C.
Parametri dizalice topline s vertikalnim
bušotinama
voda+glikol
vertikalna
bušotina
(izmjenjivač)
ispuna
Učinak vertikalnog
izmjenjivača
20 ÷85 W/m
Promjer PE cijevi:
25, 32, 40 mm
Promjer bušotine
80 ÷ 152 mm
Ispuna bušotine:
smjesa bentonita i
cementa
Toplinska vodljivost tla
1 ÷ 3 W/(m K)
 Izmjenjivač topline (tvornički predmontiran) se u
tlo polaže najčešće kao dvostruka U cijev.
GEOTERMALNA DIZALICA TOPLINE NA FSB-u
Toplinska
sonda s
utegom
3
Poprečni presjek bušotine
3
2
4
2
32
115
152 mm
1 - uteg
2 - U cijev
1
3 - obujmica
4 - ispuna
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVAČEM TOPLINE
Tlačna proba i ugradnja sondi
 Prije polaganja sonde u bušotinu provedena je tlačna proba
dvostruke U cijevi s vodom tlaka 6 bara u trajanju dva sata.
Uz izmjenjivač topline u bušotinu su vlastitom tehnologijom
položeni i temperaturni osjetnici, koji omogućuju mjerenje
temperature tla na različitim dubinama: od 1,5 m do 100 m. U
bušotinu je ugrađeno 15 termopara tipa K, ukupne duljine 700 m.
IZVEDBA DIZALICE TOPLINE S BUŠOTINSKIM IZMJENJIVAČEM TOPLINE
 Dizalica topline voda-zrak (Carrier RHE 036) postavljena je unutar laboratorija i spojena na izmjenjivač
topline u bušotini. Koristeći tlo kao toplinski spremnik dizalica topline ima mogućnost rada u režimu hlađenja
i režimu grijanja
15
Rezultati mjerenja
14
13
Soil temperature, °C
4
5
6
7
8
9
10
12
11
12
0
5,82 6,43
Depth (position of thermocouple), m
10
10,59
6,85
11,57
7,25
20
8,62
5,45
11
13
Temperatura, °C
3
Temperatura tla po visini bušotine, FSB 22.03.2010.
10
Tok, °C
10 m
5m
50 m
40 m
1,5 m
20 m
30 m
85 m
70 m
100 m; T, °C
9
8
7
6
5
4
30
8,34
5,22
3
2
40
5,51
8,58
1
0
6,07
50
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Vrijeme, h
9,39
02 March 2011; 07.00am
02 March 2011; 07.00pm
60
4,72
70
8,49
80
4,73
90
100
1
3,30
8,76
8,94
Parametri dizalice topline za
karakterističan dan, FSB, 02.03.2011.
Parametar
Temp. glikolne smjese – POLAZ, °C
Temp. glikolne smjese – POVRAT, °C
DT u režimu
Temperatura grijanog prostora, °C
grijanja
Temperatura okoline, °C
Učinci
Učinak izmjenjivača u tlu, kW
El. snaga kompresora, kW
Učinak kondenzatora, kW
Toplinski množitelj, -
Mjerene veličine
07.00 sati
19.00 sati
3,86
-1,07
8,74
2,82
9,61
13,18
-0,04
-0,10
7,10
1,65
8,74
5,31
5,59
1,55
7,13
4,61
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE
Primjer proračuna ekonomske analize različitih sustava grijanja stambene zgrade, A= 400 m2
Analiza ekonomske isplativosti različitih izvora toplinske energije provedena je na primjeru manje
stambene zgrade grijane površine 400 m2, učinka grijanja 18 kW. Procijenjena specifična godišnja
potrebna toplinska energija za grijanje je 80 kWh/(m2 god), što znači da je godišnja potrebna toplinska
energija za grijanje zgrade 32.000 kWh/god. Na temelju maloprodajne cijene termotehničke opreme i
cijene izvedbe pojedinih termotehničkih sustava za grijanje procijenjeni su investicijski troškovi različitih
sustava grijanja.
Godišnji stupanj djelovanja plinskog bojlera uzet je 0,80, dok je godišnji stupanj djelovanja uljnog kotla
procijenjen na 0,75. Za sustave s dizalicom topline tlo-voda (vertikalna izvedba izmjenjivača) i voda-voda
s crpnim i ponornim bunarima pretpostavljen je niskotemperaturni površinski sustav grijanja, a dijelom
ventilokonvektorski sustav grijanja s temperaturnim režimom 40/35 °C. Godišnji faktor grijanja dizalice
topline tlo-voda iznosi 3,6, dok je godišnji faktor grijanja dizalice topline voda-voda 4,6. Plinski i uljni
sustav pretpostavljaju centralno radijatorsko grijanje, te dio podnog grijanja.
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE
ENERGETSKA ANALIZA
Godišnja potrebna toplinska energija
za grijanje, kWh
Stupanj djelovanja/faktor grijanja
Efektivna potreba za energijom, kWh
Emisija CO2
Utrošak energenta
EKONOMSKA ANALIZA
Investicija, kn
Faktor anuiteta
Trošak kapitala, kn/god
Cijena energenta, kn/jed mjeri
Cijena energenta, kn/kWh
Pogonski troškovi, kn/god
Održavanje, kn/god
Troškovi kapitala i pogona, kn/god
Troškovi kroz 15 godina, kn
Plin
Ulje
32000
32000
0,8
40000
8000
4300 m3
0,75
42667
11093
4250 lit
80.000
0,096
7.707
3,5
0,38
15.044
1.500
24.251
363.772
72.000
0,096
6.937
7,13
0,71
30.321
2.000
39.258
588.869
Dizalica topline Dizalica topline
tlo-voda
voda-voda
32000
32000
3,6
4,6
8889
6957
3084
2414
8.889 kWh el.en. 6.957 kWh el.en.
200.000
0,096
19.268
1,14/0,56
1,14/0,56
10.929
1.000
31.198
467.965
155.000
0,096
14.933
1,14/0,56
1,14/0,56
8.950
1.500
25.384
380.753
Stambena zgrada: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), gr = 16 kW
EKONOMSKI POKAZATELJI PRIMJENE DIZALICE TOPLINE
INVESTICIJSKI I POGONSKI TROŠKOVI
40000
35000
ULJE
Trošak kapitala
Pogonski troškovi
Dizalica
topline
tlo-voda
30000
kn/god
25000
Dizalica topline
voda-voda
PLIN
20000
15000
10000
5000
0
h = 0,80
h = 0,75
 gr = 3,6
 gr = 4,6
Stambena zgrada: A = 400 m2, Qgr = 32.000 kWh/god, qgr= 80 kWh/(m2 god), gr = 16 kW
ZAKLJUČAK
 Dizalice topline smatraju se visokoučinkovitim sustavima za proizvodnju toplinske energije.
Primjenjuju se u svim veličinama, od onih najmanjih za grijanje stanova, pa sve do sustava koji služe
za grijanje čitavih naselja.
 Koriste se za niskotemperaturne sustave grijanja - optimalan rad dizalice topline s temperaturom
polazne vode s kondenzatora do 55 °C (zagrijavanje PTV-a), do 35 °C površinsko grijanje (pretežito
novih građevina).
 Pogonski troškovi su u odnosu na sustave konvencionalnog grijanja značajno niži dok su
investicijski troškovi značajno viši.
 Primjenjuju se za grijanje i hlađenje obiteljskih kuća, stambenih naselja, poslovnih jedinica, sportskih
kompleksa, škola, vrtića, bolnica.
HVALA NA PAŽNJI!
Doc.dr.sc. Marino Grozdek
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Zagrebu
Ivana Lučića 5, Zagreb
E-mail: [email protected]
[email protected]
Osijek, 12.06.2014.

Download Report