ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov
Říjen 2009 Pracovní materiály pro seminář
Tepelná čerpadla › Vývoj › Principy › Moderní technická řešení › Vazba na energetické systémy budov › Navrhování
1
Statistické údaje dle MPO
Tepelný stroj, umožňující
využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov. Typy tepelných čerpadel › Absorpční tepelná čerpadla - pracují bez kompresoru,
nehlučná, pro vytápění se používají výjimečně, použití u klimatizačních zařízení. › Kompresorová tepelná čerpadla – pohon zajišťuje kompresor
2
Kompresorové tepelné čerpadlo Výparník-kompresor-kondenzátor-škrtící ventil Kompresor › Pístový › Šroubový-oblast velkých výkonů › Spirálový
Kompresorová TČ se spirálovými kompresory Scroll - jsou dražší, nejlepší
topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let.
3
Kompresorová TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší topný
faktor. Životnost 15 let. TČ s rotačními kompresory -u klimatizačních zařízení a levnějších TČ.
Chladivo › Neobsahující freony, nejedovaté, biologicky odbouratelné a
nehořlavé. › Etanol, ethylenglykol › Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného
chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon)-1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a servis, 1.1.2015 zákaz používání zařízení)
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)
4
COP-Coefficient of Performance › Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel › Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek
EER-Energy Efficiency Ratio (označení COP dle současných EN) Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu
› Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel
COSP - Coefficient of System Performance SEER-System Energy Efficiency Ratio › Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému
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.
5
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
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.
6
Samostatná venkovní a vnitřní jednotka
Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubí. Venkovní jednotka - na zem nebo na střechu, případně na venkovní stěnu. Vzdálenost do 10 m. Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana-ochrana proti sněhu, odmrazování, hluk v prostoru..)
Vzduch-voda Odebírání energie okolí ve výparníku s ventilátorem EC motory-elektronicky řízené otáčky-úspora energie, snížení hluku
7
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.
8
Kompaktní provedení venkovní
Méně používané 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.
9
Zdroj tepla › soustava vrtů › plošný zemní výměník
Vrty › výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy › hydrogeologický průzkum › průměrně lze počítat s výkonem 50 W.m-1 délky vrtu, na 1
kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu › vrty do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m
10
Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy-bentonit,
zacelení!!
Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí
TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle. Životnost vrtů dle materiálů 50 let
11
v průběhu životnosti vrty dochází k úbytku potenciálu závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu
.
12
Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí (např.PE) plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy.
výkon 16W.m-2 plochy kolektoru při běžné hloubce uložení zemního výměníku 1,5m výskyt spodní vody až 40W.m-2 smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-1m, délka 150-200m pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač
13
Prefabrikovaný rozdělovač a sběrač primárního okruhu
Plošný kolektor se skládá z jednotlivých výkopů Rozměry 20 x 1m ,hloubka 1,2-1,8m. Na dno každého výkopu se uloží (do pískového lože) 200m plastového (PE) potrubí. Menší plocha-Vyšší cena
14
Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě,
na břehu. Pozor na teploty v zimním období.
Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení
se vypouští do vsakovací studny nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně 15 - 25 l/min pro TČ s výkonem 10 kW).
15
výkon TČ 75-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla (pozor na žádané parametry interiéru -20°C?) Výkon TČ 100% ekonomika?, technika?
Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj. Monovalentní zdroj Vícevalentní zdroj
16
navrhnout TČ tak, aby pracovalo co možná nejvíce a po co
nejdelší dobu omezit krátkodobé zapínání a vypínání, překlenout např. tarifní přerušení dodávky elektrické energie řízení výkonu kompresoru (frekvenční měnič, rozsah) objem otopného systému zvýšen pomocí akumulačního zásobníku tepla vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění (soustava nejlépe <40°C např. 45/30°C PDL, 50/40°C OT) nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla-doplnění např. elektrokotlem nutná kapacita elektrické přípojky, využití speciálního tarifu max. teplota 55°C (při úpravě primárního okruhu až 65°C)
Primární okruh musí mít pro vyrovnávání objemových změn vybaven vyrovnávací nádobou a pojistným ventilem. TČ vzduch-voda hrozí vznik kondenzátu/námrazy. Umístění TČ ve větrané a temperované místnosti. Hluk z provozu TČ-pozor zvláště u lehkých staveb Přerušované vytápění a TČ-výhodný většinou jen u NED domů (3-5kW), pozor na setrvačnost podlahových systémů
17
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.
18
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)
19
