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.
1
Tepelná čerpadla
2
1
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 nízkopotenciálního tepla 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 Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami. – Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.
3
Tepelné čerpadlo • Typy tepelných čerpadel – 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
4
2
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
5
Kompresorové tepelné čerpadlo výparník – kompresor – kondenzátor – expanzní ventil
50/55°C
Malý teplotní spád= velký průtok
Elektronický Termostatický
Směs páry a kapaliny
PLYN
PLYNOVÝ SPALOVACÍ MOTOR
-5°C 6
3
Ecocute • označení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody s chladivem R477 - CO2 • umožňuje ohřívat vodu na teplotu až 90 °C s velmi vysokým topným faktorem • chladicí oběhy s chladivem CO2 se chovají velmi odlišně na rozdíl od běžných tepelných čerpadel s HFC chladivy • nutnost udržovat vysoký teplotní spád 40-50°C • vysoké tlaky – 165bar
7
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
8
4
Tepelné čerpadlo • Pracuje na principu obráceného Carnotova cyklu (levotočivý oběh – proti směru hodinových ručiček) – teplo čerpáme
Idealizovaný Carnotův cyklus 9
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
http://www.tepelna-cerpadla-aquarea.cz/te
10
5
Absorpční tepelné čerpadlo Absorpce – pohlcování jedné látky druhou Tepelný s kapalinou. např.•pohlcování plynu
Ohříváním směsi vody s chladivem dochází k odpaření chladiva (exsorpce)
chladivo je pohlceno zpět do vody (absorpce)
Směs LiBr a voda 11
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
12
6
Carnotův cyklus a účinnost Chladící faktor pro chladící zařízení
Topný faktor pro tepelná čerpadla
13
Tepelné čerpadlo 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)
www.ekowatt.cz 14
7
Trocha teorie.. • COSP - Coefficient of System Performance • SEER-System Energy Efficiency Ratio – Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému
SPF – Seasonal Parformance Factor • 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 15
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
16
8
Pracovní teploty • Max. teplota získaná z běžného TČ 55°C • Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení – Více okruhový systém (např.2 kompresory) – Vstřikování páry do kompresoru (EVI) – Ecocute
http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html
17
Tepelné čerpadlo Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ: • dostupnost • kapacita • vyšší teplota
Zdroj tepla
Teploty
Vzduch
+25 až -18°C
Země
2-10°C
Spodní voda (studny)
8-12°C
Povrchová voda (vodoteč)
+18 až 0°C 18
9
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. 19
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka • Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, délka bývá do 10 m. • Jednotka umístění – střecha – venkovní stěna – země
http://www.kodek.cz/kategorie/vzduch-voda.aspx
• 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) 20
10
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 k míchání 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
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
Tepelné čerpadlo země-voda • Zdroj tepla – soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální) – plošný zemní výměník – energetické piloty
24
12
Teplota zeminy
únor
srpen
květen
listopad
25
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
20
(sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K)
Normální podloží Pevné skalní podloží Vodou nasycené sedimenty
Pevné skalní podloží
50 (max. „bezpečná hodnota“) 70
(skála s vodivostí nad 3 W/m.K) Hornina s výskytem podzemní vody
až 100 26
13
Hlubinné vrty • výstroj vrtu • tvarové uspořádání výměníku – Jednoduché – Duplexní (o cca 12% lepší)
• řešení spodní části výměníku • kvalitní plasty (PE)-RC materiál • zhlaví vrtu
27
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
28
14
Koaxiální sondy • • • •
Technologie trubka v trubce Pro vytápění i chlazení Doplňkový systém Délky: 20, 30, 40 a 50 m
29
Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky • Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí plněného nemrznoucí směsí • Ochlazování půdy • Výkopové práce a plocha pozemku
30
15
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. 31
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 32
16
Tepelné čerpadlo voda-voda • Povrchová voda - Voda v 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.
33
Dimenzování velikosti tepelného čerpadla • výkon TČ 70-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla – pozor na žádané parametry interiéru -20°C?) – pozor na náklady TČ+primární okruh • Výkon TČ 100% ekonomika, vestavba elektrokotle
34
17
Dimenzování TČ • Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj (běžně 0 až -7°C) • Monovalentní zdroj • Vícevalentní zdroj – Bivalentní – Alternativně bivalentní
TČ zcela vypne pod určitou teplotou
35
Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10°C
36
18
37
Chlazení pomocí TČ Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní. Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru 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.
38
19
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)
39
20
