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
© M.Kabrhel
Tepelná čerpadla • 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
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
Předávání tepla • Tepelné výměníky – Kapalinový výměník • 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 množství tepla, které TČ vyrobí (kWh) E množství energie spotřebované na provoz TČ (kWh)
www.ekowatt.cz 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 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
Teploty
Vzduch
+25 až -18°C
Země
2-10°C
Spodní voda (studny)
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 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 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
Tepelné čerpadlo země-voda • Zdroj tepla – 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 profi firem – 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
20
(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) Hornina s výskytem podzemní vody
50 (max. „bezpečná hodnota“) 70 až 100 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 - 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.
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 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.
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
