EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY DOLNÍ BAVORSKO

EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY – DOLNÍ BAVORSKO TEPELNÁ ČERPADLA

Investice do Vaší budoucnosti Projekt je spolufinancován Evropskou Unií prostřednictvím Evropského fondu pro regionální rozvoj

Představení

Ing. Robert Krainer NUKLEON s.r.o. tel.: (+420) 777 727 386

e-mail: [email protected] www.nukleon.cz

2

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

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

Princip tepelných čerpadel

Qk

W k

W v

Qv

5

Topný faktor (COP)

COP 

tepelný výkon W  příkon kompresoru W 

6

Topný faktor (COP) kondenzační teplota

7

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

8

Schéma otopné soustavy

tp1 - vstupní teplota výparníku

ts2 - výstupní teplota kondenzátoru

9

Výkonové křivky TČ - podzim

podzim:

tepelný výkon 6 900 W příkon 1 600 W COP = 4,3

10

Výkonové křivky TČ - zima

zima:

tepelný výkon 5 200 W příkon 2 200 W COP = 2,4

11

Konstrukce tepelných čerpadel • Hlavní prvky kompresor výparník kondenzátor expanzní ventil

• Další zařízení filtry, odlučovače, dehydrátory, ukazatele vlhkosti

12

Kompresory

• nasává přehřáté páry z výparníku při tlaku na sání pv a stlačuje je na kondenzační tlak pk • požadavky: – funkce v požadovaném rozsahu tlaků a teplot – provozní spolehlivost – dlouhodobá životnost – minimální údržba – nízká hlučnost

13

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 K

M

• hermetické – motor a kompresor v hermeticky uzavřené tlakové nádobě – ztráty (elektro)motoru se podílí na bilanci oběhu vinutí je chlazeno nasávanými parami chladiva K M přehřívání par na sání kompresoru 14

Výparníky • odebírá teplo nízkopotenciálnímu zdroji tepla (chlazenému prostředí) vypařováním chladiva za nízkého tlaku při teplotě nižší než je výstupní teplota teplonosné látky tp2 • 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

Výparník teploty

16

Kondenzátory • předává teplo pro využití do teplonosné látky (ohřívanému prostředí) kondenzací chladiva za vysokého tlaku při teplotě vyšší než je výstupní teplota teplonosné látky ts2 • ohřívání teplonosné látky – otopná voda (běžná TČ) – teplá voda (TČ ohřívače) • výměníky – letovaný deskový výměník – trubkový žebrový výměník (uvnitř zásobníku)

17

Kondenzátor teploty

18

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 Dtp = 4 až 8 K

19

Škrtící ventil

Přehřátí

• škrticí orgán – kapilára – pro konstantní provozní podmínky (chladnička) – termostaticky řízený expanzní ventil (TEV) – elektronicky řízený expanzní ventil (EEV) přesné řízení přehřátí Výpočtový bod

7K Průběh TEV 4K

B-5/W45 B0/W35

B5/W30

B10/W25

Průběh EEV

Provozní rozsah

20

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

Chladiva azeotropní a zeotropní

22

Rozdělení chladiv

23

Konstrukce tepelných čerpadel

24

Reverzní tepelné čerpadlo

25

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

Dvojstupňový cyklus

27

(EVI: Enhanced Vapour Injection)

přisávání par mezi rotory

28

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

Nízkopotencionální zdroje tepla

Vzduch venkovní, odpadní

30

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

Venkovní vzduch, tepelná ztráta

32

Nízkopotencionální zdroje vzduch





h  ca  t  l0  cD  t  x  1010  t  2,5.106  1840  t  x ca t l0 cD x

měrná tepelná kapacita suchého vzduchu, v J/(kg.K) teplota vzduchu, v °C výparné teplo vody, v J/kg měrná tepelná kapacita vodní páry, v J/(kg.K) měrná vlhkost vzduchu, v kgvv/kgsv

 Q v Vv    hv 1  hv 2  33

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

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

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

Hlukové izolace kompresoru

37


Voda spodní, povrchová, odpadní

38

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


Země horizontální, vertikální, speciální

40

Země teploty kontinentální kůra (mocnost 35 km, max 90 km)

svrchní plášť

vnější jádro (asi železo a nikl, kobalt, síra, křemík a kyslík)

spodní plášť vnitřní jádro (pevné -železo a nikl)

41

Povrchová teplota zeminy

42

Teplota zeminy

< 15-20 m teplota kolísá podpovrchová vrstva výrazně ovlivňována klimatickými podmínkami > 15-20 m relativně stálá teplota geotermální teplotní gradient 3 K/100 m

43

Tepelný tok ČR

44

Horizontální výměník

tepelná ztráta domu 10 kW zemní kolektor 6 kW plocha cca 250 m2

45

Rozdělovače zemních výměníků

46

Horizontální výměníky

47

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

Zemní sondy

U-trubice

dvojitá U-trubice

copy : Gerotop

49

Vratné U-koleno

50

Závaží svislá sonda

51

Výplňový materiál

Bentonit

Účel - zlepšení přestupu mezi vrtem a potrubím

Voda vstup

horizontální řez

Voda výstup

- oddělení zvodněných vrstev Průměr 132 až 165 mm

52

Test teplotní odezvy

sběr dat

vytápění

elektřina

teplota [°C]

tepelný výměník

test In-situ podle teplotní odezvy se určí vlastnosti zeminy

mobilní testovací zařízení

čas [hodiny] 53

Vrtání - zařízení

54

Topný faktor zkušební normy • ČSN EN 14511 - Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – – – –

ČSN EN 14511-1: dtto - Termíny a definice ČSN EN 14511-2: dtto - Zkušební podmínky ČSN EN 14511-3: dtto - Zkušební metody ČSN EN 14511-4: dtto - Požadavky

EN 14511 nahradila EN 255 řada výrobců má platné certifikáty z měření podle EN 255

55

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 – provozní:

10/45 °C 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

Topný faktor zkušební podmínky • ČSN EN 14511: vzduch-voda (teplota venkovního vzduchu) – jmenovité: – provozní:

7/35 °C 2/35 °C -7/35 °C -15/35 °C

7/45 °C 2/45 °C -7/45 °C -15/45 °C

7/55 °C -7/55 °C

57

Topný faktor EN 14511 x EN 255 • podle ČSN EN 14511 – 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

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

Tepelné ztráty budovy ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění – zrušena ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu

60

Dimenzování tepelných čerpadel

61

Bivalence - podíl krytí

62

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

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 (22 + 2 hod/den)

• zdroj tepla pro venkovní jednotky (vzduch-voda) – ochrana proti zamrznutí, odtávání při reverzním chodu

64

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 15316-4-2

Simulace ... okamžitá hodnota COP / časový krok (3 min)

Simulační program (TRNSYS)

65

Denostupňová metoda

Teoretická spotřeba tepla na vytápění

e D Qd  24  3600 10    Q ti  tev 6

 MJ 

počet denostupňů D  d  ti  tes 

66

Intervalová metoda (Bin-metoda) – metoda je standardizovaná v ČSN EN 15316-4-2 – 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

doba [hod]

Potřeba tepla Intervalová metoda

t3,horní 3

obvykle 10 intervalů

OP3

t3,dolní

OP2

OP1

venkovní teplota [°C]

68

Spotřeba elektrické energie – matematické simulace

program: TRNSYS

69

Princip „Intervalové metody“ Vytápění: 1) Volba teplotních intervalů pro výpočet. 2) …

70

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

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

3) …

72

Počet hodin trvání teplot z databáze Meteonorm

73

Obecná křivka trvání teplot

  1  

0, 985 0 , 626

t em  t e  t em  t e,min

n  n

74

Kumulativní četnost venkovních teplot vzduchu

75

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

76


3) Průběh tepelných ztrát objektu (nebo potřeba tepla). 4) …

77

Tepelné ztráty objektu

78


3) Průběh tepelných ztrát budov. 4) Stanovení teploty primární strana (vstupní do výparníku).

5) …

79

Vstupní teplota výparníku

tv1 = te tv1 = 10 °C tv1 = f (te)

4

3

t v1 [°C]

– vzduch-voda: – voda-voda: – země-voda.

5

2

1

EN 15316-4-2

tv 1  max 0 C; min( 0,15  t e  1,5 C; 4,5 C)

0

-1 -10

0

10

t e [°C]

20

30

80


81


aproximace střední hodnoty

82

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

Výstupní teplota kondenzátoru

Kvalitativní regulace otopné soustavy

84


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

Schéma otopné soustavy

tp1 - vstupní teplota výparník

ts2 - výstupní teplota kondenzátor

86

Výkonové křivky TČ

87


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

Alternativně bivalentní

89

Paralelně bivalentní

90

Částečně paralelně bivalentní

91

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

SPF (sezónní topný faktor)

εt (COP) εch (EER) SPF SEER

Topný faktor (Coeficient of performance) Chladicí faktor (Energy Efficiency Rating) Sezónní topný faktor (Seasonal Performance Factor) Sezonní chladící faktor (Seasonal Energy Efficiency Rating)

  konec

SPF 

 Q dt

0   konec

 P dt

SPF 

teplo dodané za otopné období spotř eba elektrické energie za otopné období

0

93

Ekonomika

Náklady pořizovací tepelné čerpadlo, vrt (kolektory), otopná soustava Příklad:

TČ 10 kW ..... 200 000 Kč TČ 40 kW ..... 400 000 Kč 1000 - 2000 Kč/1m vrt včetně vystrojení (10 000 – 15 000 Kč hydrogeologický průzkum)

Náklady provozní výpočet spotřeby el. energie (vytápění, TV, bazén) Příklad:

dům 15 kW ..... 33 000 Kč (vytápění + TUV)

celkové provozní náklady vytápění, TV, elektřina, atd.

94

Voda (technologická)/voda

Zimní stadion Třebíč

95

Hybridní systémy

96

Vzduch/voda - venkovní

97

Umístění technologie

98

EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY DOLNÍ BAVORSKO

Recommend Documents