VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY REKUPERACE TEPELNÝCH ZTRÁT VENKOVNÍMI ZDMI

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF

REKUPERACE TEPELNÝCH ZTRÁT VENKOVNÍMI ZDMI THE RECOVERY OF HEAT LOSS THROUGH OUTSIDE WALLS

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

OTO ONDRÁ EK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

ING. MIROSLAV HOLÝ

LICEN NÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzav ená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a p íjmení: Oto Ondrá ek Bytem: Dukelská 566, Nové M sto na Morav 59231 Narozen/a (datum a místo): 28.3.1983 v Novém M st na Morav (dále jen „autor“) a 2. Vysoké u ení technické v Brn Fakulta strojního inženýrství se sídlem Technická 2896/2, 616 69 Brno jejímž jménem jedná na základ písemného pov ení d kanem fakulty: Doc. RNDr. Ing. Miloš Šeda, Ph.D., editel ÚAI (dále jen „nabyvatel“)

l. 1 Specifikace školního díla 1. P edm tem této smlouvy je vysokoškolská kvalifika ní práce (VŠKP): diserta ní práce diplomová práce bakalá ská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ....................................................... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP:

Rekuperace tepelných ztrát venkovními zdmi

Vedoucí/ školitel VŠKP:

Ing. Miroslav Holý

Ústav:

Ústav automatizace a informatiky FSI VUT Brno

Datum obhajoby VŠKP: VŠKP odevzdal autor nabyvateli v*:

*

tišt né form

–

po et exemplá

2

elektronické form

–

po et exemplá

3

hodící se zaškrtn te

2. Autor prohlašuje, že vytvo il samostatnou vlastní tv r í inností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že p i zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a p edpisy souvisejícími a že je dílo dílem p vodním. 3. Dílo je chrán no jako dílo dle autorského zákona v platném zn ní. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. lánek 2 Ud lení licen ního oprávn ní 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávn ní (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýd le n užít, archivovat a zp ístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným ú el m v etn po izovaní výpis , opis a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosv tov , pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zve ejn ním díla v databázi p ístupné v mezinárodní síti ihned po uzav ení této smlouvy 1 rok po uzav ení této smlouvy 3 roky po uzav ení této smlouvy 5 let po uzav ení této smlouvy 10 let po uzav ení této smlouvy (z d vodu utajení v n m obsažených informací) 4. Nevýd le né zve ej ování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona . 111/ 1998 Sb., v platném zn ní, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k n mu povinen a oprávn n ze zákona. lánek 3 Záv re ná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve t ech vyhotoveních s platností originálu, p i emž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se ídí autorským zákonem, ob anským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném zn ní a pop . dalšími právními p edpisy. 3. Licen ní smlouva byla uzav ena na základ svobodné a pravé v le smluvních stran, s plným porozum ním jejímu textu i d sledk m, nikoliv v tísni a za nápadn nevýhodných podmínek. 4. Licen ní smlouva nabývá platnosti a ú innosti dnem jejího podpisu ob ma smluvními stranami.

V Brn dne: 25.5. 2007

……………………………………….. Nabyvatel

………………………………………… Autor

Abstrakt Diplomová práce Rekuperace tepelných ztrát z venkovních zdí se zabývá teoretickým rozborem problematiky a návrhem vhodných fyzikálních model . Konkrétn návrhem fyzikálního modelu objektu, návrhem systém tepelných erpadel a jejich komponent a návrhem metodiky m ení.

Abstract This degree work The Recovery of Heat Loss through Outside Walls is dealing with a desk research of these problems and tries to suggest suitable physical analogs. Concretely, it is considering a design of an object physical analog, a design of heat pump systems and their components, as well as a proposal for a measurement procedure.

Pod kování D kuji tímto vedoucímu diplomové práce Ing. Miroslavu Holému, který mi poskytl d ležité informace a kritickými p ipomínkami m dovedl k dokon ení této diplomové práce.

strana 11

Obsah

1 2

3

4 5

Obsah ..........................................................................................................................11 Seznam použitých index a fyzikálních jednotek ...................................................13 Úvod ............................................................................................................................15 Teorie rozbor..............................................................................................................17 2.1 Tepelná ztráta budovy....................................................................................17 2.1.1 Ztráty vedení tepla jednoduchou st nou .............................................17 2.1.2 Ztráta vedením tepla složenou st nou.................................................18 2.2 Tepelná bilance budovy .................................................................................20 2.3 Teorie tepelného erpadla..............................................................................22 2.3.1 Fyzikální teorie tepelného erpadla ....................................................22 2.3.2 Princip tepelného erpadla..................................................................22 2.3.3 Pracovní cyklus tepelného erpadla....................................................23 2.3.4 Zdroje tepla pro tepelná erpadla........................................................24 2.3.5 Návrh pot ebného výkonu tepelného erpadla ...................................25 2.3.6 Bivalentní provoz tepelného erpadla.................................................25 2.3.7 Stanovení topného faktoru COP a p íkonu kompresoru.....................26 2.3.8 Výpo et výkonu kompresoru a pr ezu potrubí .................................28 2.3.9 Sekundární okruh tepelného erpadla s topným okruhem..................29 Metodika návrhu fyzikálních model ......................................................................31 3.1 Návrhy fyzikálních model ...........................................................................31 3.2 Požadavky na návrhy fyzikálních model a postup .....................................31 3.3 Blokové schéma fyzikální model .................................................................32 Návrh fyzikálního modelu objektu...........................................................................33 4.1 Volba materiálu fyzikálního modelu objektu ................................................33 4.2 Kontrolní výpo et tepelné ztráty modelu.......................................................33 Návrh systém tepelného erpadla ..........................................................................35 5.1 Stanovení pot ebného výkonu tepelného erpadla ........................................35 5.1.1 Stanovení teoretického topného faktoru .............................................35 5.2 Stanovení pr m ru potrubí a výkonu kompresoru ........................................36 5.2.1 M d né potrubí ...................................................................................38 5.2.2 Chladivo..............................................................................................38 5.3 Prvky chladivového okruhu ...........................................................................39 5.3.1 Vým níky tepla...................................................................................39 5.3.2 Kompresor ..........................................................................................40 5.3.3 TEV- Termostatický expanzní ventil..................................................41 5.3.4 Presostaty ............................................................................................42 5.3.5 Sb ra kapalného chladiva..................................................................42 5.3.6 Filtrdehydrátor ....................................................................................42 5.3.7 EMV – Elektromagnetický ventil .......................................................44 5.3.8 Pr hledítko..........................................................................................44 5.3.9 Rozd lova chladiva ...........................................................................45 5.4 Chladící okruhy tepelných erpadel ..............................................................45 5.4.1 Funkce chladivového okruhu rekuperace/voda ..................................45

strana 12

5.4.2 Funkce chladivového okruhu tepelného erpadla vzduch/voda .........45 5.4.3 Vybrané prvky chladících okruh tepelných erpadel........................46 5.5 Návrh sekundárního okruhu tepelných erpadel s topným okruhem fyzikálního modelu ..............................................................................................51 5.5.1 Sekundární okruh tepelných erpadel s topným okruhem ..................51 5.5.3 Návrh topného t lesa...........................................................................52 5.5.4 Stanovení pr toku teplonosné látky v sekundárním okruhu tepelných erpadel s topným okruhem .........................................................................53 5.5.5 Bivalentní zdroj...................................................................................53 5.5.5 Vybrané prvky sekundárního okruhu tepelných erpadel s topným okruhem........................................................................................................54 6 ízení a regulace tepelných erpadel .......................................................................57 6.1 Požadavky na regulaci a ízení model ..........................................................57 6.2 Regulátor pro ízení modelu ..........................................................................57 7 Návrh primárního okruhu tepelného erpadla s rekuperací.................................61 7.1 Schéma zapojení primárního okruhu .............................................................61 7.2 P edb žný návrh a požadavky na rekupera ní vým ník................................62 7.3 P ticestné rozd lova e ...................................................................................62 7.4 Regulace primárního okruhu..........................................................................63 7.4.1 erpadlová jednotka ............................................................................63 8 Metodika m ení a zpracování dat...........................................................................67 8.1 Metodika m ení ............................................................................................67 8.2 M ené a stanovené veli iny..........................................................................67 8.3 Metody m ení a volba m ících p ístroj .....................................................69 8.3.1 M ení teploty t1 – t8 ...........................................................................69 8.3.2 M ení pr toku....................................................................................69 8.3.3 M ení p íkonu....................................................................................74 8.3.4 Tepelný výkon z rekupera ního vým níku.........................................76 8.3.5 Výkon tepelného erpadla...................................................................76 8.3.6 Skute ný topný faktor COP ................................................................77 8.4 Vyhodnocování a zpracování nam ených hodnot ........................................77 9 Záv r ...........................................................................................................................79 10 Literatura....................................................................................................................81 P ílohy .........................................................................................................................83

strana 13

Seznam použitých symbol Základní fyzikální jednotky OZNA ENÍ

VÝZNAM

JEDNOTKY

P t T dt m m h t e

výkon teplota absolutní teplota rozdíl teploty hmotnost hmotnostní pr tok m rná entalpie as topný faktor

[W, kW] [°C] [K] [°C, K] [kg, t] [kg/s, kg/h] [J/kg] [s, min, h] [-] (COP)

Použité indexy IN OUT EL SK O K

teort skut

vstupní výstupní elektrický skute ný odpa ovací kondenza ní teoretický skute ný

strana 14

strana 15

1

Úvod

Rekuperace tepla je proces, p i kterém se použité teplonosné médium prost ednictvím rekupera ních vým ník využívá k p edh evu nov p ivád ného teplonosného média. Takto oh átému médiu již nemusíme dodat tak velké množství energie pro jeho oh ev a tím dochází k úspo e energie na vytáp ní. V dnešní praxi má rekuperace tepla hlavní význam p i ešení teplovzdušného vytáp ní a klimatizace, kde se odpadním vzduchem p edeh ívá erstvý vzduch zvenku. Další možností využití rekuperace tepla v energetice je p i p edeh evu teplé užitkové vody. V dob neustálého zdražovaní cen energií má rekuperace své nedílné místo p i ešení úsporných energetických proces . Velikost pot ebné energie na vytáp ní ur ují tepelné ztráty objektu. Tyto ztráty se musejí kompenzovat nov dodanou energií. Tepelné ztráty rozd lujeme podle typu úniku tepla na tepelné ztráty vedením, kdy teplo uniká p es konstrukci objektu do okolního prost edí, a na tepelné ztráty v tráním, kdy teplo uniká do okolního prost edí p es otev ené okno. Tepelné ztráty vedením m žeme pouze snížit použitím vhodného izola ního materiálu a tím dojde ke snížení t chto ztrát, ale úpln je odstranit nem žeme. P i možnosti vytáp ní tepelnými erpadly se nabízí možnost rekuperace ztrátového tepla vedením, nebo tepelné erpadlo využívá k výrob tepelného energie práv nízkopotenciální teplo z okolního prost edí. P i použití rekupera ního vým níku by takto rekuperované ztrátové teplo mohlo sloužit jako nízkopotenciální zdroj tepla pro tepelná erpadla. Ov ení možnosti a ekonomické efektivnosti rekuperace tepla unikajícího obvodovými zdmi staveb je jedním z díl ích úkol výzkumného zám ru, o jehož zadání usiluje Ústav automatizace a informatiky FSI VUT v Brn ve spolupráci Ústavem energetiky FSI VUT v Brn . Zadáním této diplomové práce je teoretický rozbor problematiky pokusu, návrh fyzikálních model pro ov ení teoretických p edpoklad , návrh metodiky m ení, vyhodnocení a zpracování nam ených hodnot.

strana 16

strana 17

2

Teoretický rozbor

2.1 Tepelná ztráta budovy P i stanovení spot eby energií se vychází z tepelné ztráty budovy. Tato ztráta se nej ast ji po ítá podle normy SN 06 0210, která je ur ena pro dimenzování vytáp cího systému (velikost t les, výkon tepelného erpadla). Je z ejmé, že takto vypo tená ztráta je spíše vyšší, protože je d ležité, aby otopná soustava m la dostate ný výkon. Používají se i r zné energetické p irážky. Takto stanovená ztráta se uvádí obvykle v projektové dokumentaci domu (viz. literatura [18]). 2.1.1 Ztráty vedení tepla jednoduchou st nou

Parametry vedení jednoduchou st nou:

• • • •

plocha st ny, kterou m že teplo prostupovat materiál ze kterého je st na vyrobena tlouš ka st ny kterou teplo musí prostoupit teplotní rozdíl povrch st ny

Obr. 1 VEDENÍ TEPLA JEDNODUCHOU ST NOU

Rovnice vedení tepla jednoduchou st nou

Q =λ⋅

S ⋅ ∆t d

(2.1)

strana 18

Q S t

2.1.2

2. Teoretický rozbor

množství tepla, které projde st nou [W] plocha st ny [m2] rozdíl teplot na povrchu st ny [°C] sou initel teplotní vodivosti materiálu [W/mK] Ztráta vedením tepla složenou st nou

P edpokládejme, že je k cihlové st n p idána polystyrénová izolace. Sou initele tepelné vodivosti cihel a polystyrénu si ozna íme jako 1 a 2, tlouš ky st n budou d1 a d2, teplota na vn jším povrchu cihle bude t1, mezi st nami t2 a na druhém povrchu polystyrénu t3.

Obr. 2 VEDENÍ TEPLA SLOŽNOU ST NOU

Množství tepla Q, které projde za jednotku asu danou plochou (nap íklad 1 m2) cihlové st ny, projde i 1 m2 polystyrénové st ny (teplo se mezi st nami neztratí). M žeme proto p i daném ozna ení psát:

Q = λ1 ⋅

t −t t1 − t2 = λ2 ⋅ 2 3 d1 d2

(2.2)

Stejné teplo projde celou dvojitou st nou a platí tedy:

Q = λ1

t −t t −t t1 − t2 = λ2 2 3 = λ 1 3 d1 d2 d

je celkový sou initel tepelné vodivosti dvojité st ny a d = d1 + d 2

(2.3)


strana 19

Rozdíl teplot vyjad ujeme jako t1 − t3 = t1 − t2 + (t2 − t3 )

(2.4)

dosazením do p edchozích vztah

Q

d1 + d 2

λ

=Q

d1

λ1

+Q

d2

(2.5)

λ2

Po vykrácení Q dostáváme výsledný vztah pro sou initele teplotní vodivosti

d

λ

=

d1 ⋅ λ2 + d 2 ⋅ λ1 λ1 ⋅ λ2

Pom r tlouš ky st ny a sou initele teplotní vodivosti

(2.6)

d

λ

se ozna uje jako tepelný

odpor R. Potom m žeme psát:

Q=

S ⋅ ∆t R

(2.7)

dále platí, že

R = R1 + R2 R1 a R2 jsou tepelné odpory jednotlivých vrstev složené zdi.

(2.8)

strana 20


2.2 Tepelná bilance budovy

Obr. 3 ENERGETICKÁ BILANCE DOMU

Ro ní pot ebu tepla na krytí tepelných ztrát dostaneme integrací (se tením) okamžitých tepelných ztrát p es celý as topné sezóny. V praxi je používán jednodušší vzorec s takzvanými denostupni D, což je sou in po tu dn kdy je t eba vytáp t a rozdílu pr m rné vnit ní teploty v dom a pr m rné venkovní teploty ve vytáp ném období (viz. literatura [18]). Po et denostup :

D = d ⋅ (tim − tem ) Pro eskou republiku jsou pr m rné hodnoty:

• • • •

D = 3678 denostup d = 242 dní (vytáp cí sezóny) tim = 19°C (pr m rná vnit ní teplota) tem = 3,8°C (st ední venkovní teplota v dob vytáp cí sezóny)

(2.9)


strana 21

Ro ní pot eba tepla pro vytáp ní Ev:

QH =

QC D ti te

24 ⋅ Qc ⋅ ε ⋅ D [Wh] (ti − te )

(2.10)

výpo tová tepelná ztráta opravný sou initel po et denostup vnit ní teplota (obvykle 20°C) vn jší výpo tová teplota (podle oblasti -12°C, -15°C, -18°C)

Obr. 4 ROZLOŽENÍ TEPLOTNÍCH OBLASTÍ V ESKÉ REPUBLICE

Ur ení sou initele :

ε = f n ⋅ f r ⋅ fu ⋅ f s ⋅ ft fn je sou initel zohled fr je sou initel zohled fu je sou initel zohled fs je sou initel zohled ft je sou initel zohled

(2.11)

ující nesou asnost jednotlivých vliv na tepelnou ztrátu ující vliv regulace ující teplotní útlumy ující vlastnosti otopné soustavy ující zvýšení vnit ní teploty oproti výpo tové

V p ípad , že nejsou dostupné informace pot ebné pro jeho ur ení, bere se hodnota = 0,9 (viz. literatura [18]).

strana 22


2.3 Teorie tepelného erpadla 2.3.1

Fyzikální teorie tepelného erpadla

Tepelné erpadlo je za ízení, které umí využívat nízkopotenciální energii, které je kolem nás obrovské množství. Dokáže ji p evést do užite ného podoby. Ke svému provozu pot ebuje ur ité množství energie, obvykle elektrické. Tepelné erpadlo energii nevyrábí, pouze p e erpává na vyšší tepelnou úrove . P i ochlazení vody v topném systému nap íklad ze 70°C na 65°C se ur ité množství tepla p edá do vzduchu, který se jím oh eje. Totéž množství tepla (p i stejném objemu vody) dostaneme, ochladíme-li vodu s teplotou 10°C, která je pro nás již studená, na teploto 5°C. Stejné množství tepla se získá i p i ochlazení solanky nap íklad z 0°C na -5°C. Podobné úvahy platí i o vzduchu. Odebraná energie z p írody bývá obvykle 1,5 – 4 x vyšší než vlastní spot eba energie pro pohon. M ítkem energetické výhodnosti tepelného erpadla je proto pom r celkové výstupní energie a energie pro pohon. Pom ru íkáme topný faktor (dále jen e nebo COP tzn. Coeficient of Performance). Je to bezrozm rné íslo a jeho velikost se pohybuje podle druhu tepelného erpadla a provozních podmínek b žn v mezích 2,5 - 5,0, za mimo ádn p íznivých podmínek i více. To znamená, že za 1kWh zaplacené elektrické energie získáme 2,5-5,0 kWh tepla. 2.3.2

Princip tepelného erpadla

Na vstupní tzv. primární stran tepelného erpadla je vždy vým ník tepla, který se nazývá výparník. Sem se pomocí vhodného teplonosného média (vzduch, voda, nemrznoucí sm s atd.) p ivádí nízkopotenciální teplo zvenku, do druhé jeho poloviny se tryskou termostatického expanzního ventilu vst ikuje pod tlakem kapalné chladivo. Tlak ve výparníku za expanzním ventilem je nižší a kapalné chladivo se proto rychle odpa uje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu nižší, než je teplota prost edí, ze kterého se odebírá teplo. Tím je dosaženo toho, že teplo ze ,,studené“ strany oh ívá podchlazený plyn a tento oh átý, ale stále ješt studený plyn je nasáván kompresorem. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stla ení kompresorem se plyn siln zah eje. V kompresoru se k energii nesené plynem p idá další ást energie ve form ztrátového tepla z elektromotoru kompresoru a tepla vzniklého t ením jeho pohyblivých ploch. Stla ený plyn na výtlaku kompresoru dosáhne vyšší teploty než voda v topném systému a je veden do sekundárního vým níku tzv. kondenzátoru, kterým topná voda proudí. Tam horký plyn zkapalní a p edá teplo chladn jší vod . Kapalina je vedena do expanzního ventilu. Celý cyklus b ží spojit stále dokola.


strana 23

Obr. 5 PRINCIP TEPELNÉHO ERPADLA Z M /VODA

2.3.3

Pracovní cyklus tepelného erpadla

Na obrázku je znázorn n teoretický pracovní cyklus tepelného erpadla. Jde o tzv. T-S diagram, tzv. Carnat v cyklus.

Obr. 6 PRACOVNÍ CYKLUS TEPELNÉHO ERPADLA

T S

teplota entropie

Pracovní cyklus se skládá z následujících fází: 1-2 2-3

izobarické vypa ování (vypa ování p i konstantní teplot ) adiabatické (izoentropická) komprese (p i stálém tlaku)

strana 24

3-4 4-1


izotermická kondenzace (kondenzace za konstantní teplot ) adiabatická (izoentropická) expanze (p i stálém tlaku)

Plocha A-1-2-B ozna ená jako QIN je úm rná množství energie získané z nízkoteplotního zdroje tepla, plocha QEL je úm rná energii dodané ze sít do pracovního cyklu p i kompresi. Sou et obou ploch QOUT je pak úm rný celkové energii, kterou tepelné erpadlo dodává do topného systému. D ležité je to, že celková výstupní energie je vyšší než energie dodaná do kompresoru ze sít . Topný faktor e se pak vypo ítá:

e=

TIN TOUT QIN QEL QOUT=QIN+QEL

QOUT (QIN + QEL ] TOUT = = QEL QEL (TOUT − TIN )

(2.12)

je teplota zdroje tepla [K] je teplota na výstupu [K] je energie získaná z venku (zdarma) p i teplot TIN je energie ze sít pot ebná pro pohon kompresoru je výsledná energie p i vyšší teplot TOUT

Topný faktor COP má vždy v tší hodnotu než 1 a je vyšší tím, ím je rozdíl mezi TIN a TOUT co nejmenší. V praxi to znamená, že je výhodn jší používat zdroje tepla s co nejvyšší teplotou a teplo dodávat s co nejnižší teplotou, jako je nap íklad podlahové vytáp ní (viz. literatura [2]). 2.3.4

Zdroje tepla pro tepelná erpadla

Primárními zdroji tepla pro využití energie prost edí a geotermální energie mohou být:

• • • • • •

,,suché“ zemské teplo hornin (zemní ,,suché“ vrty) podzemní voda (vrty, studnice, zavodn né šachtice starých d lních d l) povrchová voda (vodote e, nádrže, rybníky a jiné akumulace vod) p dní vrstva (zemní kolektory) venkovní vzduch vnit ní vzduch (vzduch odvád ný v tracím systémem budovy)


strana 25

Tepelná erpadla mohou využívat jako primární zdroj tepla také t eba vzduch ze sklepních i d lních prostor, z tunel , podzemních kolektor , z v trání budov a výrobních proces apod. Podle druhu ochlazovaného a oh ívaného média se tepelná erpadla rozlišují:

TYP ERPADLA Vzduch-vzduch Vzduch-voda Voda-voda Zem -voda Voda-vzduch

MOŽNOSTI POUŽITÍ Dopl kový zdroj tepla, teplovzdušné vytáp ní,klimatizace Universální typ pro úst ední vytáp ní Využití odpadního tepla,geotermální energie, teplovodní vytáp ní Universální typ pro teplovodní vytáp ní zdrojem je vrt nebo p dní kolektor Teplovzdušné vytáp cí systémy Tab. 1 P EHLED DRUH TEPELNÝCH ERPADEL

2.3.5

Návrh pot ebného výkonu tepelného erpadla

Pot ebný výkon pro vytáp ní objektu je dán vypo tenou tepelnou ztrátou ve Wattech. Tepelná ztráta objektu udává pot ebný výkon pro vytáp ní ur ený pro tzv. venkovní oblastní výpo tovou teplotu (podle SN pro r zné oblasti -12 °C, -15 °C, nebo – 18 °C). Celý výkon vypo tený podle velikosti tepelných ztrát je pot ebný dodávat pouze p i nejnižších venkovních teplotách, které trvají jen n kolik dní v roce. Aby výkon tepelného erpadla nebyl p edimenzovaný, používá se tepelné erpadlo asto v kombinaci druhým zdrojem tepla. Tepelné erpadlo pracuje v bivalentním provozu. 2.3.6

Bivalentní provoz tepelného erpadla

Spot eba tepla se b hem roku m ní. Pokrytí celé tepelné spot eby tepelného erpadla pak neekonomické (v tší náklady na po ízení tepelného erpadla), proto se systém dopl uje dalším špi kovým zdrojem tepla. Tento zdroj slouží jako i jako záloha pro p ípad výpadku tepelného erpadla. Jako jiný bivalentní zdroj lze použit i stávající zdroj tepla (plynový kotel, kotel na plynná paliva), nebo interiérové topidlo (krb, elektrický p ímotop, teplovzdušný ventilátor), které nemusí být napojeno na systém úst edního vytáp ní. V bivalentním provozu pak systém pracuje tak, že v p ípad nízkých venkovních teplot b ží krom tepelného erpadla druhý zdroj tepla. Výkon tepelného erpadla v bivalentním provozu odpovídá 60 – 80 % vypo tené tepelné ztráty. U vhodn navržených systém dodává špi kový zdroj 10 – 15 % celkové spot eby tepla.

strana 26


U tepelného erpadla vzduch/voda je bivalentní zdroj nezbytný, aby bylo možné vytáp t v p ípad poklesu venkovní teploty vzduchu pod -12 °C. P i využití bivalentního provozu je nutné, aby regulace tepelného špi kového zdroje navzájem spolupracovaly.

erpadla a

Obr. 7 BIVALENTNÍ CHOD TEPELNÉHO ERPADLA

2.3.7

Stanovení topného faktoru COP a p íkonu kompresoru

Topný faktor je COP je pom r tepelného výkonu tepelného erpadla a elektrického p íkonu. Dále pokra ujeme odvozením vztahu pro praktické použití. Vztah pro výpo et topného faktoru:


strana 27

e=

e PEL PIN POUT

POUT ( PIN + PEL ) = PEL PEL

topný faktor elektrický p íkon tepelný výkon z nízkopotenciálního zdroje tepla celkový výkon

(2.13)

[-] [kW] [kW] [kW]

Vztah pro stanovení pot ebného výkonu zdroje tepla p i zadaném výstupním výkonu a známé velikosti topného faktoru COP:

PIN =

POUT ⋅ (e − 1) e

(2.14)

Tento vztah nám umož uje stanovit výkon zdroje nízkopotenciálního zdroje tepla na základ požadovaného tepelného výkonu tepelného erpadla a jeho topného faktoru COP. P i návrhu tepelného erpadla však neznáme hodnotu skute ného topného faktoru COPskut tepelného erpadla, a proto musíme vycházet z hodnoty teoretického topného faktoru COPteoret., který je dán vztahem:

eteoret =

TOUT (TOUT − TIN )

(2.15)

Pro p esn jší výpo et hodnoty teoretické topného faktoru COP se musejí do p edchozího výpo tu dosazovat hodnoty teploty chladiva vypa ovací TO a kondenza ní TK, které se neshodují s TIN a TOUT. Tento vzorec vycházející T-S diagramu slouží pouze pro orienta ní ú ely. V praxi není d ležitý teoretický topný faktor COP samotného tepelného erpadla, ale dlouhodobý tzv. skute ný topný faktor COPSK, který se stanový z dlouhodobého m ení.

strana 28

2.3.8


Výpo et výkonu kompresoru a pr ezu potrubí

V potrubí chladivového okruhu tepelného erpadla proudí chladivo v plynném i v kapalném stavu. P i výpo tu vycházíme z p edpokladu, že hmotnostní pr tok chladiva je v každém míst soustavy stejný. V ustáleném provozu se chladivo nikde nehromadí ani nesmí nikde chyb t. To znamená, že pr m ry potrubí budou záviset na tom, v jakém stavu se chladivo nachází a jakou má rychlost proud ní. U potrubí s menším pr m rem bude rychlost proud ní stejné fáze chladiva v tší. P íliš malé pr m ry potrubí vedou ke zvýšení tlakových ztrát. Tím m že dojít ke snížení celkového výkonu tepelného erpadla pod projektovanou velikost. V okruhu se pohybuje spole n s chladivem také olej. Ten p estavuje asi 3 – 5 % hmotnostního podílu. Olej se musí vracet do kompresoru a nesmí se hromadit v jiných ástech systému. Sací potrubí musí proto mít takovou velikost, aby bylo plynné chladivo schopno olej spolehliv unášet a vracet zp t do kompresoru. Z toho vyplývá, že musíme p esn dodržet minimální mez rychlosti proud ní. Vždy je nutné volit kompromis mezi minimální rychlostí a velikostí tlakových ztrát. Malé potrubí znamená vyšší rychlost proud ní, a proto tedy lepší p enos oleje, ale vyšší tlakové ztráty. Naopak potrubí s vyšším pr ezem bude mít tlakové ztráty malé, ale p i malé rychlosti proud ní plynu by mohlo dojít ke shromaž ování oleje nap íklad ve výparníku. Po n jaké dob provozu by tak mohlo dojít vlivem nedostatku oleje k vážné poruše a ke zni ení kompresoru. Pro kapalinová potrubí se volí takové pr m ry, aby rychlost pohybu kapaliny byla v mezích 0,4 - 0,8m/s. Zde vyšší pr ezy potrubí nevadí. Kapalina bude proudit pomaleji. Olej je rozpušt n a chladivo jej unáší v kapalném stavu. Nevýhodou je jen velká cena potrubí a p i vyšších pr m rech potrubí i nesnadná manipulace, ohýbání potrubí a nutnost používání ohybových kolínek. OZNA ENÍ POUŽITÝCH VELI IN: Q q m h1 h2 h3 vp S V v w index 1 index 2 index 3

chladící výkon m rná chladivost hmotnostní pr tok chladiva m rná entalpie na výstupu výparníku (plyn) m rná entalpie na výtlaku m rná entalpie chladiva p ed TEV (kapalina) rychlost proud ní pr ez potrubí objemový pr tok m rný objem rychlost proud ní plyn a sací potrubí plyn a výtla né potrubí kapalina a kapalinové potrubí

[W] [kJ/kg] [kg/h] [kJ/kg] [kJ/kg] [kJ/kg] [m/s] [m2] [m3/h] [l/kg] [m/s]


strana 29

Výkon závisí na hmotnostním pr toku chladiva a jeho m rné chladivosti. Hmotnostní pr tok je m je:

m=

(Q ⋅ 3, 6) q

(2.16)

M rná chladivost q se ur í z tabulky p íslušného chladiva jako rozdíl m rné entalpie plynu a m rné entalpie kapaliny p i daných podmínkách. (2.17)

q = h1 − h3

Objemový pr tok:

V = S ⋅ w ⋅ 3, 6

2.3.9

S=

V ( w ⋅ 3, 6)

(2.18)

Sekundární okruh tepelného erpadla s topným okruhem

Tepelné erpadlo se v topném systému chová jinak než jiné zdroje tepla. Výkon tepelného erpadla se také nedá jednoduše regulovat, a to ani sm rem dol . Jediný vhodný a technicky zd vodnitelný zp sob je regulace zm nou otá ek kompresoru. K tomu je t eba použít frekven ní m ni e, a ne všechny typy kompresor snesou regulaci otá ek ve velkém rozsahu, zvlášt s ohledem na mazání. Nevýhodou frekven ních m ni je jejich vysoká po izovací cena, která se blíží až k po izovací cen nového kompresoru. N která tepelná erpadla mohou mít i dva kompresory. Obvykle ale výkon tepelného erpadla neodpovídá pot eb odb ru tepla topnou soustavou. Tepelné erpadlo ale pot ebuje na výstupu, tj. na sekundárním okruhu, stálý pr tok vody. Pokud se v systému používají termostatické ventily, které regulují teplotu topných t les škrcením pr toku nebo trojcestný sm šovací ventil, který rovn ž omezuje pr tok vody ze zdroje, m že se voda v sekundárním okruhu tepelného erpadla za ít rychle p eh ívat. Pak dochází k astému vypínání a zapínání tepelného erpadla. Proto se mezi tepelným erpadlem a topným systémem za azuje akumula ní nádrž. Tepelné erpadlo pak vyh ívá tuto nádrž a pr tok jeho sekundárního okruhu je stálý bez ohledu na množství odebírané vody p i zm nách nastavení trojcestného ventilu topného systému. etnost zapínání a vypínání tepelného erpadla se sníží, nádrž

strana 30


akumuluje tepelnou energii a ješt po vypnutí tepelného erpadla ji dodává do topného systému.

Stanovení objemu vyrovnávací akumula ní nádrže Postup výpo tu objemu akumula ní nádrže:

W = dt ⋅ m ⋅1,163 ⋅ t

W [kWh] dt [°C] m [m3] t [h]

(2.19)

pot ebný výkon rozdíl teplot vody množství vody v akumula ní nádrži as

P ipojení tepelného erpadla k topnému systému Jako topný systém pro tepelná erpadla je nejvýhodn jší nízkoteplotní podlahové vytáp ní. Pro dob e tepeln izolovaný objekt je i nejv tších mrazech jeho topný výkon naprosto dosta ující (vstupní/výstupní voda asi 40/35°C p i venkovní teplot -20°C). Pokud jsou ale v objektu b žná topná t lesa navrhovaná pro teplotní spád 90/70°C, pak pro možnost p ipojení tepelného erpadla, jako hlavního zdroje tepla, musí být teplotní spád snížen na max. 60/50°C. V tomto p ípad se ale p vodní tepelný výkon topných t les sníží na 40%. Proto bude nutné úm rn tomu zvýšit jejich plochy. Sou asn se také musí úm rn zvýšit pr tok topné vody. Pro systémy s tepelným erpadlem se doporu uje používání dvoutrubkových souproudých rozvod topné vody. Jednotrubkové rozvody nejsou vhodné. P ed vstupem kapaliny do vým ník tepelných erpadel se musí za adit vhodné filtry (viz. literatura [2], [15], [17]).

strana 31

3

Metodika návrhu fyzikálních model

3.1 Návrhy fyzikálních model Pro realizaci pokusu je nutné navrhnout tyto fyzikální modely a postupy: • model objektu • systém tepelného erpadla s rekuperací • porovnávací systém tepelného erpadla • sekundární okruh pro systémy tepelných erpadel • primární okruh pro systém tepelného erpadla s rekuperací • volba regulace a ízení systém s tepelnými erpadly • návrh metodiky m ení pokusu a zpracování nam ených hodnot

3.2 Požadavky na návrhy fyzikálních model a postup Návrh modelu objektu: dostate né tepelné ztráty vedením, dostate ná plocha st n, vhodný materiál st n modelu. Návrh systému tepelného erpadla s rekuperací: provoz v bivalentním režimu, zdroj nízkopotenciálního tepla bude rekuperované teplo z rekupera ního vým níku. Návrh systému porovnávacího tepelného erpadla: provoz v bivalentním režimu, zdroj nízkopotenciálního tepla bude okolního vzduchu – tepelné erpadlo typu vzduch/voda, systém ízení odtávání námrazy. Návrh sekundárných okruh systém tepelných erpadel: zapojení akumula ní nádrže, nastavení konstantního pr toku v sekundárním okruhu, vhodný topný systém, totožné zapojení pro oba systémy tepelných erpadel. Návrh primárního okruhu tepelného erpadla s rekuperací: vhodný rekupera ní vým ník, vhodná regulace teploty teplonosné kapaliny na vstupu do rekupera ního vým níku, vhodný výb r regulátoru primárního okruhu. Návrh regulace a ízení systém s tepelnými erpadly: regulace na pevnou hodnotu v akumula ní nádrži a uvnit modelu objektu, vhodná pro oba systémy. Návrh metodiky m ení pokusu a zpracování nam ených hodnot: volba m ených veli in, stanovení postupu m ení veli in, volba m ících p ístroj , volba softwaru pro zpracování nam ených hodnot

strana 32

3. Metodika návrhu fyzikálních model

3.3 Blokové schéma fyzikální model

Obr. 8 BLOKOVÉ SCHÉMA FYZIKÁLNÍHO MODELU S REKUPERACÍ

Obr. 9 BLOKOVÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ POROVNÁVACÍHO FYZIKÁLNÍHO MODELU

strana 33

4

Návrh fyzikálního modelu objektu

Návrh fyzikálního modelu objektu vychází z p edb žného výpo tu minimální tepelné ztráty. Ta je stanovena z d vodu návrhu komponent systém tepelných erpadel. Výb r komponent je omezen nejmenším vn jším pr m rem potrubí 6 mm, od n hož je zp tn odvozen minimální chladící výkon a minimální celkový výkon tepelného erpadla. Výpo et minimální hodnoty tepelných ztrát Qztrátmin je uveden v P íloze .1. Qztrát min = 1850W

(4.1)

4.1 Volba materiálu fyzikálního modelu objektu Fyzikální model objektu bude p estavovat krychle o objemu 1m3. Ztrátová plocha fyzikálního modelu objektu je 5m2. Spodní strana modelu bude zaizolována vhodným izola ním materiálem. Rozm ry i materiál fyzikálního modelu musí být voleny tak, aby tepelné ztráty odpovídaly topnému výkonu použitých tepelných erpadel. Vhodný materiál pro výrobu modelu je vybírán s katalogu stavebních materiál uvedených P íloze .2. P i volb materiálu rozhodují tyto parametry:

• •

sou initel teplotní vodivosti [W/m.K] tlouš ka materiálu d [mm]

Za materiál vhodný na výrobu st n fyzikálního modelu jsou vybrány sádrokartonové desky o parametrech: • • •

výrobní rozm ry 1200 x 2000-3000 mm. sou initel tepelné vodivost sádrokarton = 0,225 W/m.K. tlouš ka sádrokartonové desky d = 18 mm.

4.2 Kontrolní výpo et tepelné ztráty modelu Tepelné ztráty modelu stanovíme podle vztahu:

Q =λ⋅

S ⋅ ∆t d

(4.2)

strana 34

sádrokarton

4. Návrh fyzikálního modelu objektu

= 0,225 W/m.K

2

S=5m

t = 32 °C d = 18 mm = 0,018 m

Q =λ⋅

S ⋅ ∆t 5 ⋅ 32 = 0, 225 ⋅ = 2000W d 0, 018

Q > Qztrát min

(4.3)

Podmínka minimální hodnoty tepelných ztrát je spln na. Navrhnutý materiál a rozm ry modelu jsou vhodné pro realizaci fyzikálního modelu objektu.

strana 35

5

Návrh systém tepelných erpadel

5.1 Stanovení pot ebného výkonu tepelného erpadla Systém tepelného erpadla je navrhován pro bivalentním provoz (viz. literatura [2], [6], [17]). Výkon tepelného erpadla budeme dimenzovat na 65% tepelných ztrát modelu. Q = 2000W.

POUT = Q ⋅

65 65 = 2000 ⋅ = 1300W 100 100

(5.1)

Pot ebný výkon tepelného erpadla POUT = 1,3 kW. 5.1.1

Stanovení teoretického topného faktoru

Stanovení teoretického topného faktoru: Pro stanovení hodnoty teoretického topného faktoru p edpokládáme teplotu TO = -10 °C a teplotu TK = 55°C. TO = -10°C TK = +55°C

eteoret =

TOUT (55 + 273,15) =6 (TOUT − TIN ) ((55 + 273,15) − (−10 + 273,15))

(5.2)

Výpo tová hodnota topného faktoru je pouze informativní. Skute ná hodnota topného faktoru se b hem topné sezóny výrazn m ní, proto musíme hodnotu eteoret snížit. Pro další výpo et volím hodnotu teoretického topného faktoru COP e = 3.

strana 36

5. Návrh systém tepelných erpadel

Stanoveni velikosti nízkopotenciálního zdroje tepla:

PIN =

POUT ⋅ (e − 1) 1300 ⋅ (3 − 2) = = 867W e 3

(5.3)

POUT 1300 = = 650W (e − 1) (3 − 1)

(5.4)

Stanovení p íkonu kompresoru

PEL =

5.2 Stanovení pr m ru potrubí a výkonu kompresoru Výpo ty pro z porovnávací chladivo R22 vypa ovací teplota kondenza ní teplota

tO = -10 °C tK = 55 °C

m rná entalpie chladiva

h1 = 402 kJ/kg h2 = 270 kJ/kg

m rný objem chladiva

v1 = 0,065 m3/kg v2 = 0,0102 m3/kg v3 = 0,952 dm3/kg

m rná chladivost

q = h1 − h3 = 402 − 250 = 132kJ / kg

(5.5)

hmotnostní pr tok

m=

(Q ⋅ 3, 6) (867 ⋅ 3, 6) = = 23, 65kg / h q 132

(5.6)


strana 37

objemové pr toky a výkon kompresoru

V1 = m ⋅ v1 = 23, 65 ⋅ 0, 065 = 1,53725m3 / h

(5.7)

V2 = m ⋅ v2 = 23, 65 ⋅ 0, 0102 = 0, 25m3 / h

(5.8)

V3 = m ⋅ v3 = 23, 65 ⋅ 0,952 ⋅10−3 = 0, 0225m3 / h

(5.9)

doporu ené rychlosti proud ní chladiva v chladivovém potrubí w1 = 10 m/s w2 = 12m/s w3 = 0,6 m/s stanovení obsahu potrubí: V1 1,537 = = 0, 000042694m2 ( w1 ⋅ 3600) (10 ⋅ 3600) V2 0, 25 S2 = = = 0, 00000587m 2 ( w2 ⋅ 3600) (12 ⋅ 3600) V3 0, 0225 S3 = = = 0, 00001042m 2 ( w3 ⋅ 3600) (0, 6 ⋅ 3600) S1 =

(5.10) (5.11) (5.12)

výpo et pr m r potrubí

d1 = d2 = d3 =

4 ⋅ S1

π

4 ⋅ S2

π 4 ⋅ S3

π

4 ⋅ 0, 000042694

=

π =

=

4 ⋅ 0, 00000578

π 4 ⋅ 0, 00001042

π

= 0, 0074m = 6,9mm

(5.13)

= 0, 003m = 3, 0mm

(5.14)

= 0, 0037 m = 3, 7 mm

(5.15)

Z vypo tených hodnot a p i tení dvou 2 mm za tlouš ku st n trubek pak volíme pr m ry potrubí:

strana 38


D1 = 10mm D2 = 6mm D3 = 6mm 5.2.1

M d né potrubí

Trubky pro chladící techniku se liší od jiných, nap . topená ských, p edevším istotou m di a tím, že jsou zhotoveny z bezkyslíkaté m di. Vn jší pr m ry trubek jsou obvykle v ad 6, 8, 10, 12, 16, 18, 22, 24, 28 mm, tlouš ka st ny je 1mm. Tyto trubky snesou velmi vysoké tlaky. M d né trubky pro chladící techniku se dodávají jako tvrdé nebo m kké. Tvrdé jsou dodávány v délkách 5m. Tyto trubky jsou u eny jen pro rovné úseky potrubí, ohýbat se dají jen po vyžíhání. M kké trubky jsou dodávány v délkách 50m nebo 25m a jsou svinuté v kolech. Lze je snadno ohýbat a upravovat pro daný typ spojení. 5.2.2

Chladivo

Chladivo je nositelem energie v tepelném erpadle, bez n j by systém nemohl fungovat. Je celá ada druh chladiv, ale pro použití v tepelném erpadle se hodí je n která z nich. Mohou to být ist jednosložkové slou eniny, nebo sm si dvou i více slou enin. Chladiva se dají rozd lit podle r zných charakteristických vlastnosti. 5.2.2.1 Ozna ování chladiv

Písmeno R je první písmeno anglického slova ,,refrigerant“, chladivo. Písmeno C u n kterých chladiv má význam ,,vycliv“, cyklický. V tabulce jsou popsány jednotlivé skupiny podle íselného ozna ení. R10 až R50 R110 až R170 R216 až R290 RC316 až RC318 R400 až R411 B R500 až R509 R600 až R620 R630 až R631 R702 až R764 R1112 až R1270

Skupina na bázi metanu Skupina na bázi etanu Propanová skupina Skupina cyklických uhlovodík Zeotropní sm si chladiv Azeotropní sm si chladiv Ostatní organické slou eniny Slou eniny dusíku Anorganická chladiva Nenasycené uhlovodíky

Tab. 2 ROZD LENÍ SKUPIN CHLADIV PODLE ÍSELNÉHO OZNA ENÍ


strana 39

5.2.2.2 Rozd lení chladiv podle fyzikálních vlastností

Podle teplotních vlastností a pom ru složek lze chladiva rozd lit na azeotropní a zeotropní. Azeotropní chladiva jsou taková chladiva, která se chovají jako isté kapaliny. B hem fázové p em ny z páry na kapalinu se složení par a kapaliny nem ní. Mohou to být chladiva jednosložková, ale i více složková. Azeotropní chladivo je nap . R22, R290, azeotropní sm s je nap . R502 i R507. Zeotropní chladiva jsou sm si obvykle 2 až 4 druh chladiv, která mají b hem fázové p em ny páry na kapalinu prom nné složení. Pokud je rozdíl teplot nasycených par složek velmi malý, nazývají se blízce azeotropními. Zeotropní chladivo je nap . R407a, zatímco sm s R404a je sm s blízce azeotropní. U zeotropních chladiv se udává tzv. teplotní zklus (glide), což je rozdíl teplot varu p i stejném tlaku. Bývá to n kolik K, ale mohou to být i desítky K.

CHLADIVO R22 Pat í do skupiny tzv. m kkých freon HCFC. Je to chlordifluormetan, CHCIF2. Používá se s oleji M, AB i POE. Obchodní název je Forane 22. Slouží jako referen ní chladivo pro srovnávání. Chladivo R22 je bezbarvá kapalina i plyn. Je neho lavé a nevýbušné. Není jedovaté a nenapadá žádné b žn užívané konstruk ní prvky. Má velice výhodné termodynamické vlastnosti. Jeho použití sahá do vypa ovacích teplot až -70°C. Má vyšší kompresní tlaky než nap . R12. P i teplotách nad 330°C se rozkládá na chlorovodík, fluorovodík a stopy fosgenu.

5.3 Prvky chladivového okruhu 5.3.1

Vým níky tepla

Vým ník tepla je konstruk ní prvek, který zprost edkovává p enos, neboli vým nu tepla mezi médii tak, aby nedošlo k jejich fyzickému kontaktu. Pro vým nu tepla platí druhá v ta zákona termodynamiky, která íká, že teplo se p edává pouze z prost edí s vyšší teplotou do prost edí s nižší teplotou. V tepelném erpadle slouží vým níky k p edávání tepla z vn jšího prost edí, tedy ze zdroje tepla, do chladiva v chladivovém okruhu a z n j pak do vody topného systému. Podle požití se nazývají výparníky nebo kondenzátory. Každý vým ník je charakterizován celou adou parametr . Jedním z parametr je plocha, p es kterou se ob média stýkají. Dalším d ležitým parametrem je závislost

strana 40


tlakových ztrát na pr toku média. Tato závislost není lineární a vyjad uje se obvykle graficky. P enesený výkon závisí mimo jiné na množstevním pr toku za jednotku asu a teplotním spádu. Existuje celá ada r zných typ vým ník . Pro p enos tepla mezi médii kapalina/chladivo se v tepelných erpadlech obvykle používají deskové vým níky, pro p enos tepla vzduch/chladivo trubkové lamelové, dopln né ventilátorem. 5.3.2

Kompresor

Kompresor slouží v tepelném erpadle ke stla ování par chladiva, které vznikají ve výparníku. Stla ené páry se siln zah ejí a vedou se do kondenzátoru, kde zkapalní a p edají teplo do topné vody. Tlaky v sacím a výtla ném potrubí závisejí na použitém chladivu na nastavených pracovních podmínkách. Obvykle se pohybují v t chto mezích: sací tlak 0,1 - 0,5 MPa, výtlak 0,5 -2,5 MPa. Samotné kompresory jsou schopné dosahovat tlak p es 3 MPa. Proto v nich bývají vestav ny ochranné prvky proti nár stu tlaku, obvykle p etlakové ventily. Pom r výtla ného a sacího tlaku se nazývá kompresní pom r. Teploty nasávaných par se pohybují obvykle v mezích -20 – 10 °C, výtla né teploty se pohybují v mezích 60 - 100 °C. D ležitým parametrem kompresor bez ohledu na typ je sací výkon. Udává se v m3/hod p e erpaného plynu. Jde o objem nasávaných par vztažených k tlaku v sacím hrdle. Z vlastnosti chladiva, z jeho tzv. objemové chladivosti v J/m3K, se pak dá stanovit celkový chladící výkon kompresoru a tím množství p e erpaného tepla. Druh podle provedení

Druh podle principu

hermetický hermetický hermetický polohermetický polohermetický otev ené provedení otev ené provedení

pístový 1 až 8 válcový spirálový (scroll) rota ní pístový 1 až 8 válcový šroubový pístový šroubový

Obvyklý topný výkon [kW] do 50 do 50 do 10 do 200 do 300 do 100 stovky kW

Tab. 3 DRUHY KOMPRESOR PRO TEPELNÁ ERPADLA

HERMETICKÉ provedení kompresoru má ve spole né nádob a na spole né h ídeli elektromotor i kompresor. Olejová nápl je také spole ná. Výhodou je naprostá t snost, z nádoby vede jen sací a výtla né porubí. Nem žeme tedy docházet k únik m chladiva.


strana 41

POLOHERMETICKÉ provedení kompresoru má elektromotor i kompresor na jedné h ídeli v hermetické sk íni, takže mezi sebou nepot ebují žádná t sn ní. Elektromotor, ventilová deska kompresoru i kliková sk í jsou ale p ístupné pomocí demontovatelných vík. Tyto kompresory bývají obvykle pístové a používají se pro v tší chladící za ízení. OTEV ENÉ provedení p edstavuje pouze samotný kompresor. Jeho h ídel je ut sn na ucpávkou proto úniku chladiva a vychází ven ze sk ín . Pohon m že zajiš ovat nejen elektromotor, ale také spalovací nebo jiný motor. 5.3.3

TEV- Termostatický expanzní ventil

Jeho p esný název je termostatický expanzní ventil (dále jen TEV), n kdy nazývaný vst ikovací ventil. Jeho úkolem v chladícím okruhu je vst ikovat do výparníku správné množství kapalného chladiva tak, aby byl výparník správn pln n a m l optimální provozní režim. Konstruk ní provedení je vícemén ustálené a u r zných výrobc se liší je detaily. Hlavní ásti termostatického expanzního ventilu je tryska, která je otevírána silou, vytvo enou vzájemným p sobením n kolika veli in. Tyto síly jsou vytvá eny tlakem plyn na membránu ventilu a pružinou regula ního šroubu. D ležitou ástí termostatického expanzního ventilu je teplotní idlo, nazývané tykavka. Je to malá nádobka napln ná vhodným médiem, u kterého se p i zvyšování teploty zvyšuje tlak. Tlak se p enáší pomocí kapiláry na membránu termostatického expanzního ventilu. Tlak nad membránou roste s vypa ovací teplotou tykavky, tlak pod membránou roste s vypa ovací teplotou chladiva. Rozdíl t chto tlak odpovídá p eh átí chladiva a vytvá í sílu, která p sobí proti síle pružiny ventilu a otevírá i zavírá trysku ventilu.

Obr. 10 PRICIPIÁLNÍ SCHÉMA TERMOSTATICKÉHO EXPANZNÍHO VENTILU

strana 42


5.3.3.1 Vn jší vyrovnání tlaku

Pro použití TEV v p ípadech, kdy je tlaková ztráta výparníku vysoká, nap íklad u výparník vzduch/chladivo u tepelného erpadla vzduch/voda s rozd lova em chladiva, se používá TEV s tzv. vn jším vyrovnáním tlaku. Místo kde se snímá tlak, pak není p ímo za tryskou jako v oby ejném TEV, ale na výstupu výparníku. Informace o tlaku je do TEV p ivedena kapilárou . Tímto zp sobem se eliminuje vliv pom rn velké tlakové ztráty výparníku. 5.3.4

Presostaty

Presostaty jsou nastavitelné tlakové spína e. Podle použití se d lí na sací a výtla né, které se vzájemn liší jen rozsahem možného nastavení vypínacích tlak . Mívají nastavitelnou hysterezi, což rozdíl mezi tlakem vypnutí a zapnutí. Havarijní vysokotlaký presostat se po aktivaci musí zapnout ru n tla ítkem. Tato funkce se dá ešit i elektricky použitím malého relé a b žného presostatu. Presostat pro vysoký tlak se aktivuje tehdy, p eruší-li se odvád ní tepla z kondenzátoru tepelného erpadla vinou poruchy ob hového erpadla nebo i jiné p í iny, která zp sobí omezení pr toku topné vody. Teplota v kondenzátoru se za ne zvyšovat a bude nar stat i kondenza ní tlak. Ten m že p ekro it povolenou hranici danou vlastností vybraného chladiva. Kompresory jsou sice vybaveny p etlakovou pojistkou, ale tento režim innosti jim nesv d í a vždy znamená závadu systému. N která za ízení mohou mít provozní vysokotlaký presostat a sou asn i vysokotlaký havarijní presostat, který je nastaven na vyšší tlak. Presostat pro nízký tlak plní pojistnou funkci na primární stran tepelného erpadla. Pokles sacího tlaku je zavin n poklesem teploty vstupního média a to je op t havarijní stav. Dojde-li nap . k p erušení nebo omezení ob hu primární vody (solanky) v tepelném erpadle, teplota ve výparníku siln poklesne. Pokles teploty je provázen poklesem sacího tlaku a nízkotlaký presostat vypne kompresor. Extrémním p ípadem by mohl být i únik chladiva ze systému. V tomto p ípad by se sací tlak snížil až po odpa ení celého objemu kapalné fáze chladiva. P í inou poklesu sacího tlaku m že být i porucha elektromagnetického ventilu.

Obr. 11 JEDNODUCHÝ PRESOSTAT, STUPNICE VLEVO PRO NASTVANÝ VYPÍNACÍ TLAK, STUPNICE VPRAVO VELIKOST HYSTEREZE


strana 43

Elektrické kontakty presostat bývají dimenzovány na provozní proudy malých jednofázových kompresor . Po stránce konstrukce bývají presostaty ešeny jako samostatné p ístroje pro sání a výtlak, nebo jako sdružené. V sériov vyráb ných tepelných erpadlech bývají p ímo na potrubí montovány malé tlakové sníma e s pevným nastavením tlak z d vod levn jší výroby. Mívají však omezený rozsah zm n nastavení tlaku. 5.3.5

Sb ra kapalného chladiva

Sb ra je tlaková nádoba, která slouží jako zásobník celého množství kapalného chladiva v tepelném erpadle a odlu ova bublin. Zajiš uje, aby do TEV p icházela pouze kapalina. Výstup isté kapaliny tvo í trubka, která sahá až ke dnu. Na výstupu bývá p iva en trojcestný ventil se servisním vývodem. U v tších typ tam je obvykle závitový vývod a na n m je pomocí p evle né matky upevn n ventil Rotalock. Sb ra má objem n kolika litr . Bývá konstruován na výšku, ale m že to být také vodorovná válcová nádoba bez ventil . Sb ra musí být dimenzován na maximální provozní tlak v systému.

Obr. 12 PRINCIP SB RA E KAPALNÉHO CHLADIVA

5.3.6

Filtrdehydrátor

Filtrdehydrátor slouží k pohlcování škodlivin z okruhu chladiva, vody a také drobných pevných ástic. Od výrobce je na obalu šipkou ozna en sm r pr toku kapalného chladiva a ten se musí striktn dodržet. Montuje se ve svislé poloze z d vodu rovnom rn jšího pr toku kapalného chladiva tak, aby p ívod kapaliny byl naho e. Dodávají se pro p ipojení pájením nebo kalíškovými spoji. Pokud se v systému objeví vlhkost, musí se filtrdehydrátor co nejd íve vym nit. V t chto p ípadech je vhodn jší volit filtrdehydrátor s kalíškovým p ipojením. Vn jší pr m r p ipojovacího potrubí se volí podle pr m ru kapalinového potrubí. Je lepší osadit objemov v tší typ.

strana 44


Obr. 13 PRINCIP FILTRDEHYDRÁTORU

5.3.7

EMV – Elektromagnetický ventil

Do kapalinového potrubí se p ed TEV za azuje elektromagnetický ventil, který po odstavení kompresoru uzav e p ívod kapalného chladiva. Ventil se znovu otev e až p i spušt ní kompresoru. Cívky elektromagnet ventil mívají obvykle provozní nap tí 24VAC, 24-DC nebo 230-AC. P ipojení potrubí bývá pájecí nebo kalíškové. Ventily se rozd lují podle funkce do dvou skupin. Malé ventily jsou ovládány p ímo elektromagnety, v tší pot ebují ke své správné innosti malý rozdíl tlak . Nazývají se servoventily a velikost minimálního tlakového rozdílu udává výrobce. 5.3.8

Pr hledítko

Obr. 14 PR HLEDÍTKO S KALÍŠKOVÝM P IPOJENÍM K POTRUBÍ

Slouží ke sledování toku kapaliny v potrubí. Mívá také indikátor vlhkosti. P ítomnost vlhkosti se projeví zm nou barvy mezikruží, nap íklad ze zelené na žlutou. Po vysušení chladiva se barva indikátoru vrátí na p vodní. Pr hledítko se za azuje za sb ra chladiva a filtrdehydrátor blízko vstupu do TEV. V tomto míst už nesmí být v chladivu bublinky. Jejich p ítomnost signalizuje závadu - málo chladiva nebo zúžení potrubí n jakou p ekážkou. Pr hledítka mívají vývody na p ipájení nebo kalíškové p ipojení. Pr m r p ívodního potrubí se volí podle dimenze celého kapalinového potrubí,


strana 45

stejn jako u filtrdehydrátoru. Ví ko s okénkem se obvykle dá odšroubovat a bývá ut sn no pryžovým O-kroužkem. 5.3.9

Rozd lova chladiva

Je to malé t leso ve tvaru kužele s jedním centrálním vstupním otvorem o velikosti p ívodní Cu trubky a více výstupními otvory s úm rn menšími pr m ry. Výstupy mohou bát jen dva, ale m že jich být také 8, podle po tu sekcí výparníku, ke kterému je p ipojen. Typické použití rozd lova e je u lamelových trubkových výparníku vzduch/voda. Aby se chladivo dokonale rozd lilo, je t eba dbát na správnou polohu rozd lova e. Musí se umístit tak, aby využíval vliv gravitace. Jeho osa proto musí být svislá a chladivo se p ivede shora nebo zdola. Všechny vývody z rozd lova e do jednotlivých sekcí výparníku musí být stejn dlouhé.

5.4 Chladící okruhy tepelných erpadel 5.4.1

Funkce chladivového okruhu rekuperace/voda

Výtla né potrubí kompresoru vede do horního vývodu kondenzátoru. Zde chladivo zkapalní a p edá své teplo do vody v topném okruhu. Chladivo se již jako kapalina shromaž uje ve sb ra i kapalného chladiva, kde se zbaví bublinek. Trubkou vedenou ode dna sb ra e je kapalina vedena p es filtrdehydrátor, elektromagnetický uzavírací ventil a pr hledítko do trysky TEV. Výstup TEV je veden do dolní ásti výparníku. Zde se chladivo odpa í a jako plyn se siln podchladí. Odebere teplo z primární strany a takto oh áté je nasáváno kompresorem. 5.4.2

Funkce chladivového okruhu tepelného erpadla vzduch/voda

Zapojení chladivového okruhu tepelného erpadla vzduch/voda je totožné jako zapojení chladivového okruhu tepelného erpadla rekuperace/voda. P i poklesu venkovní teploty pod 0 °C se na výparníku tepelného erpadla tvo í námraza. To m že ohrozit správný chod tepelného erpadla a zap í init poškození jeho komponent . Pro odstran ní problému námrazy existují dva druhy zapojení chladivového okruhu tepelného erpadla vzduch/voda. V prvním zp sobu zapojení je použit výparník s elektrickým odtávání námrazy jednotlivých ástí výparníku. Tyto výparníky jsou sice dražší, ale tato cena je kompenzována jednoduchým zapojením.

strana 46


V druhém zp sobu zapojení je použit ty cestný ventil pro obrácení chodu tepelného erpadla a tím do asnému vyh ívání výparníku a odtáním námrazy. Zapojení tohoto typu má nevýhodu ve složitosti konstrukce chladivového okruhu. Režim odtávání námrazy ídí regulátor tepelného erpadla. V p ípad námrazy sepne regulátor elektrický výh ev výparníku a bude ho držet zapnut než námraza odtaje. Popis principu odtávání se zapojení ty cestného ventilu

ty cestný reverzní ventil slouží k p epnutí funkce tepelného erpadla. V nakresleném stavu je tepelné erpadlo v normálním režimu, tj. kompresor vhání stla ený plyn do kondenzátoru a nasává plynné chladivo z výparníku s ventilátorem. V innosti je TEV 1. Kondenzující kapalné chladivo protéká otev eným zp tným ventilem ZV 2 do sb ra e a postupuje p es filtrdehydrátor, elektromagnetický ventil a pr hledítko do TEV 1. Zp tný ventil ZV 1 je tlakem této kapaliny uzav en a umož uje TEV 1 správnou funkci. V p ípad námrazy, kterou je pot eba odstranit odtáním se p epne funkce tepelného erpadla pomocí ty cestného ventilu. Kompresor te bude tla it horký plyn do výparníku. Tam odevzdá své teplo a tím zp sobí odtátí nežádoucího ledu. Kapalné chladivo pote e obrácen otev eným zp tným ventilem ZV 1, pr hledítkem, EMV a filtrdehydrátorem do sb ra e kapalného chladiva a odtud do TEV 2. Zp tný ventil ZV 2 se uzav e. Do kondenzátoru bude vst ikováno kapalné chladivo, které se v n m odpa í a bude odebírat teplo z topné vody. Takto oh átí plyn bude nasáván kompresorem. Tento režim je pouze krátkodobý a trvá jen do doby odstran ní námrazy. Pak se ty cestný ventil vrátí do p vodní polohy. 5.4.3

Vybrané prvky chladících okruh tepelných erpadel (více literatura [11])

VÝPARNÍKY ECO-EP pro tepelná erpadla vzduch/voda

EP 100 ED

890W El. Odtávání 300W

A=460

HERMETICKÝ PÍSTOVÝ KOMPRESOR ACC S12TN Pro chladivo R 22 Výkon 862 W pro TO = -10 °C a TK= 55 °C, HP 5/8,

B= 310

5200K

2800K


strana 47

KOMBINOVANÝ PRESOSTAT P736LCA-9300 FAVOR COOL 230/50Hz rozsah leva -0,5 až 7 bar, rozsah pravá 3-30 bar, spád 0,5 -3, automatický reset 680K ELEKTROMAGNETICKÝ VENTIL CASTEL 1028/2 P ipojení ODF, pro trubku 6mm

352K

PR HLEDÍTKO 3740/2 Letovací 6mm

261K

FILTRDEHYDRÁTOR – PÁJECÍ Typ 32 pro 6mm, objem 80cm3, délka 99mm, ší ka 52mm

125K

SB RA KAPALNÉHO CHLADIVA CR 101 Objem 1,3l, vstup 3/8´´ SAE, výstup 1/4´´ SAE

550K

EXPANZNÍ VENTIL HONEYWELL TMV X Pro chladivo 22, rozsah -45°C - 15°C Tryska VD 0,5 jmenovitý výkon 0,9kW

1040K 228K

DESKOVÝ KONDENZÁTOR 115x520mm, doporu eno 30 desek DESKOVÝ VÝPARNÍK 115x520mm, doporu eno 40 desek M D NÉ TRUBKY

Kat. íslo

Název

Množství Hmotnost Maximální Délka na palet Vnit ní Forma svitku / provozní trubky / svarzku objem dodání ty e tlak* na litr (velký svazek) ks v m

kg

bar

Cu trubka 11M00610 m kká 6x1x50m

50

7,0

229


50

12,6

127

l/m

m/l

Množství na palet / svazku (malý svazek)

m

m

0,013 79,62

1500

50

0,050 19,90

1500

50

strana 48


Schémata zapojení chladivových okruh tepelných erpadel

Obr. 15 SCHÉMA ZAPOJENÍ KOMPONET CHLADIVOVÉHO OKRUHU TEPELNÉHO ERPADLA S REKUPERACÍ


Obr. 156 ZAPOJENÍ CHLADIVOVÉHO OKRUHU TEPELNÉHO ERALDA S ELEKTRICKÝM ODTÁVÁNÍM NÁMRAZY

strana 49

strana 50


Obr. 17 ZAPOJENÍ CHLADIVOVÉHO OKRUHU VZDUCH/VODA S REŽIMEM ODTÁVANÍ NÁMRAZY OBRÁCENÍM CHODU POMOCÍ TY CESTNÉHO VENTILU

strana 51


5.5 Návrh sekundárního okruhu tepelných erpadel s topným okruhem fyzikálního modelu objektu Oba modely tepelných erpadel jsou navrženy pro naprosto shodný model reálného objektu s naprosto stejnými tepelnými ztrátami. Proto bude tento návrh shodný pro oba sekundární okruhy. 5.5.1

Sekundární okruh tepelných erpadel s topným okruhem

Sekundární okruh tepelných erpadel se bude skládat z ob hového erpadla, kondenzátoru, filtru a potrubí. Pro následné m ení je do sekundárním okruhu zapojen vhodný pr tokom r.

Obr. 16 SCHÉMA SEKUNDÁNÍHO OKRUHU S TOPNÝM SYSTÉM

5.5.2

Volba topného systému

Pro návrh topného systému volíme teplotní spád 60/50. Jako topné t leso je nejvhodn jší vytáp ní pomocí teplovodního trubkového konvektoru, který konstruk n podobný konvektoru podlahového vytáp ní. Návrh plochy konvektoru pak dle podobnosti bude vycházet z návrhu pro plošná vytáp ní dle normy SN EN 1264 - 1 až 3 (viz. literatura [2], [6], [7], [8], [14]). Pro materiál trubek bude použito m d né potrubí o vn jším pr m ru 10mm (více literatura [27]). Tento pr m r je vhodný zejména pro jeho mechanické vlastnosti a snadné tvarování do pot ebného tvaru. Vinutí je voleno podobným zp sobem jako u podlahových systému.

strana 52

5.5.3


Návrh topného t lesa

Obr. 17 SCHÉMA VINUTÍ TOPNÉHO KONVEKTORU

Stanovení tepelného výkonu otopné plochy:

q = α P ⋅ (tm − ti ) kde:

P

tm ti

10 W/m2.K 60°C 20°C

(5.16)

sou initel p estupu tepla potrubí - vzduch teplota topné vody vnit ní teplota modelu objektu

q = α P ⋅ (tm − ti ) = 10 ⋅ (60 − 20) = 10 ⋅ 40 = 400W ⋅ m −2

(5.17)

Stanovení celkové otopné plochy:

SP =

QC q

QC q

2000 W celková tepelná ztráta objektu -2 400 W.m tepelný výkon otopné plochy

(5.18)


SP =

strana 53

QC 2000 = = 5m 2 q 400

(5.19)

Z d vod malé plochy uvnit modelu objektu volíme plochu topného konvektoru 5x1m2. Topné konvektory budou umíst ny podél obvodových st n a na podlaze uvnit fyzikálního modelu objektu P ibližné ur ení délky topného hadu:

L=

5.5.4

SP 5 = = 34m l 0,15

(5.20)

Stanovení pr toku teplonosné látky v sekundárním okruhu tepelných erpadel s topným okruhem

POUT = 2 kW dt = 10 °C

m=

5.5.5

POUT 2 = = 0,19m3 / h (dt ⋅1,163) 10 ⋅1,163

(5.21)

Bivalentní zdroj

Cílem experimentu je porovnání spot eby energie pro udržování teploty 20 stup uvnit obou model po dobu topné sezóny. K tomu je nutná výkonová rezerva pro období nižších teplot. Bivalentní zdroj slouží pouze k dodání chyb jícího tepelného výkonu p i nižších teplotách a náklady na jeho energii nejsou pro experiment podstatné. Proto je voleno technicky nejjednodušší ešení a tím je p ímotopný elektrický teplovzdušný ventilátor umíst ný uvnit každého z model .

strana 54

5.5.6


Vybrané prvky sekundárního okruhu tepelných erpadel s topným okruhem

WPX - HADICE PRO TEPELNÁ ERPADLA Teplotní rozsah: od -45°C do +100°C Maximální tlak: 15 bar Provozní tlak: 10 bar Maximální podtlak: 0,6 bar Drsnost potrubí k = 0,01 mm Vnit ní st na: EPDM, bezešvá (více literatura [28]) OB HOVÉ ERPADLO WILO RS 25/4 230V Max. výkon 2,8 m3/hod. max. dopr. výška 4,3 m nastavitelné 3 stupn regulace p ípustný teplotní rozsah -10°C - +110°C p íkon 65 W cena 1956 K (viz. literatura [29]) FILTR AQUA Y Jemnost filtrace 130 mikron Provozní tlak 6 bar Jmenovitý pr tok 3,5 m3/h Maximální provozní teplota 60 °C (více literatura [31])

SESTAVA R1 S KONCOVKOU 3/4" EK P ticestné provedení cena 1990 K (viz. literatura [21]) TEPLOVZDUŠNÝ VENTILÁTOR LUXTRONIC TV 03 T •

teplovzdušný ventilátor


• • • • • • • •

strana 55

3 provozní funkce teplý vzduch 2000W nastavitelná teplota pomocí termostatu ochrana proti p eh átí kontrolka provozu p íkon 2000W nap tí 230 V ~ 50 Hz rozm ry 22 x 26,5 x 14 cm

(viz. literatura [32]) M D NÉ POTRUBÍ

Kat. íslo

Název


Množství Hmotnost Maximální Délka na palet Vnit ní Forma svitku / provozní trubky / svarzku objem dodání ty e tlak* na litr (velký svazek) ks v m

kg

bar

50

12,6

127

l/m

m/l

0,050 19,90

Množství na palet / svazku (malý svazek)

m

m

1500

50

strana 56

strana 57

6

ízení a regulace tepelných erpadel

6.1 Požadavky na regulaci a ízení model P i návrhu regulace systému s tepelným erpadlem je d ležité rozhodnout v jakém provozu bude tepelné erpadlo zapojeno. P i monovalentním provozu se regulace navrhuje pouze pro tepelné erpadlo. P i bivalentním provozu tepelného erpadla je nutné navrhnout regulaci tak, aby oba zdroje mohly navzájem spolupracovat. Regulátoru je volem pro oba typy tepelných erpadel. Požadavky na regulátor:

•

možnost ízení v bivalentním provozu tepelného erpadla.

•

zapnutí bivalentního zdroje p i nedostatku výkonu tepelného erpadla

•

možnost na stavení asu do zapnutí bivalentního zdroje

•

regulace dle nastavitelné hodnoty teploty uvnit fyzikálního modelu objektu

•

možnost ízení režimu odtávaní námrazy

•

ízení ob hového erpadla v sekundárním okruhu tepelného erpadla

•

ízení ventilátoru výparníku tepelného erpadla vzduch/voda

6.2 Regulátor pro ízení modelu UNIVERZÁLNÍ REGULÁTOR PRO TEPELNÁ ERPADLA Elektronický regulátor pro ovládání tepelných erpadel vzduch/voda s automatickým odtávacím cyklem, pro tepelná erpadla zem /voda a voda/voda s ochranou proti zamrznutí výparníku. Provedení pro uchycení na lištu DIN35, ší ka 4 moduly (více literatura [22]). VŠEOBECNÉ VLASTNOSTI

Regulátor je ur en pro ízení tepelných erpadel vzduch/voda, zem /voda i voda/voda. Tepelné erpadlo je spoušt no podle nastaveného algoritmu na základ teploty v referen ní místnosti. Regulovaná teplota a její hystereze (rozdíl mezi teplotou vypnutí a

strana 58

6. ízení a regulace systém tepelných erpadel

op tovného zapnutí) se dá nastavit manuáln na pevnou hodnotu, nebo ji regulátor m ní podle venkovní teploty. Regulátor má vstupy pro presostaty vysokého i nízkého tlaku a blokování provozu v dob trvání vysokého tarifu elektrické energie. V dob trvání vysokého tarifu je volitelná možnost ponechat v innosti tepelné erpadlo a blokovat p ídavný zdroj tepla, nebo lze blokovat vše. Regulátor má nastavitelné intervaly mezi opakovanými starty tak, aby nedocházelo k astému zapínání kompresoru. Pokud se na sekundární stran použije elektricky ovládaný servoventil pro uzav ení okruhu vody p i vypnutém tepelném erpadle (motoricky ovládaný nebo ovládaný termohlavicí), regulátor nejd íve zapne otevírání tohoto ventilu, zkontroluje pr tok vody a pak zapne kompresor. Pokud by b hem provozu došlo k omezení pr toku, poklesu i nár stu tlaku mimo nastavené meze, systém se vypne. Obnovení provozu vyžaduje zásah obsluhy. Regulátor umož uje zapnutí p ídavného topení po nastaveném ase v p ípad , že by výkon tepelného erpadla p i nízkých venkovních teplotách nesta il. Spušt ní tepelného erpadla je možné blokovat nastavením minimální venkovní teploty. Všechny parametry je možné m nit v uživatelsky p ístupném menu, nebo v servisním menu, které je p ístupné p es heslo.

Obr. 18 UNIVERSÁLNÍ REGULÁTOR PRO TEPELNÁ ERPADLA

Specifické vlastnosti pro r zné druhy tepelných erpadel Tepelné erpadlo vzduch/voda: Regulátor ovládá ventilátor výparníku, ob hové erpadlo sekundárního okruhu spole n s uzavíracím ventilem, kompresor, ty cestný ventil a p ídavný zdroj tepla. Odtávání námrazy je automatické, ídí se pomocí rozdílu venkovní teploty a teploty výparníku. Podmínky pro start odtávání a jeho pr b h lze programov nastavit, nebo je možno zvolit mén výhodné asové odtávání.

6. ízení a regulace systém tepelných erpadel

strana 59

Tepelné erpadlo s rekuperací: Regulátor ovládá ob hové erpadlo sekundárního okruhu, elektromagnetický ventil chladiva, kompresor a dopl kový zdroj tepla.

Obr. 19 SCHÉMA ZAPOJENÍ REGULÁTORU

strana 60

strana 61

7

Návrh primárního okruhu tepelného erpadla s rekuperací

Návrh primárního okruhu tepelného erpadla je nejd ležit jším bodem návrhu model a prvk pro realizaci pokusu rekuperace tepla z venkovních zdí. Proto tomuto problému je v nována celá jedna kapitola.

7.1 Schéma zapojení primárního okruhu

Obr. 20 BLOKOVÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ PRIMÁRNÍHO OKRUHU TEPELNÉHO ERPADLA REKUPERACE/VODA

7.2 P edb žný návrh a požadavky na rekupera ní vým ník Tento návrh je pouze p edb žný a slouží jako orienta ní. Podrobný návrh rekupera ního vým níku je p edm tem dalšího díl ího výzkumu. Rekupera ní vým ník je za ízení, které slouží k zachycení ztrátového tepla a tím umožní rekuperaci t chto ztrát. Materiál rekupera ního vým níku je volen tak, aby nedošlo

strana 62

7. Návrh primárního okruhu tepelného erpadla s rekuperací

ke zvyšování tepelných ztrát, proto volíme materiál dle hodnoty sou initele teplotní vodivost. Volíme plastické hmoty hPS ( = 0,16 W/m.K). Všechny spoje na rekupera ním vým níku jsou lepené. Parametry rekupera ního vým níku

• • • • • •

Po et desek = 1 Ší ka kanálk 10 mm Vzdálenost mezi kanálky = 5 mm Po et kanálk = 66 Teplosm nná plocha = 1 m2 Profil kanálk dle desky SN1 (viz. Obr. 24)

Obr. 21 PROFIL KANÁLK SN1

Obr. 22 P EDB ŽNÝ NÁVRH KONSTRUKCE REKUPERA NÍHO VÝM NÍKU


strana 63

7.3 P ticestné rozd lova e Rekupera ní vým níky primárního okruhu tepelného erpadla s rekuperací budou do primárního okruhu zapojeny pomocí soustavy p ticestných rozd lova , které umožní rovnom rné rozd lení teplonosné kapaliny do rekupera ních vým ník umíst ných na venkovních stranách modelu objektu.

Obr. 23 BLOKOVÉ SCHÉMA P TICESTNÉHO ROZD LOVA E

SESTAVA R1 S KONCOVKOU 3/4" EK P ticestné provedení cena 2150 K (viz. literatura [20])

7.4 Regulace primárního okruhu Regulace primárního kruhu tepelného erpadla rekuperace voda je nejd ležit jší regulací pokusného modelu pro zjiš ování možností rekuperace ztrátového tepla venkovní zdí. Pot ebnou vlastností primárního okruhu je, aby teplonosná kapalina vstupující do rekupera ních vým ník m la stejnou teplotu jako teplota venkovního vzduchu. Stejná teplota teplonosné kapaliny a teplota venkovního vzduchu je volena proto, abychom mohli porovnat chod tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla vzduch/voda a abychom zárove zabránili dalšímu nár stu tepelné ztráty fyzikálního modelu objektu.

strana 64


P i návrhu regulace budeme vycházet ze vztahu

P = dt ⋅ m ⋅ k

P dt m k

(7.1)

pot ebný výkon teplotní rozdíl ( ochlazení ) pr tok teplonosné kapaliny teplotní koeficient teplonosné kapaliny ( 1,163 voda, 1,022 solanka )

Z p edchozího vztahu vyplývá možnost regulovat teplotu teplonosné kapaliny pomocí vhodné zm ny velikosti pr toku tak, aby dostate n ovlivnila velikost ochlazení teplonosné kapaliny. Zm nou pr toku teplonosné kapaliny ovlivníme velikost ochlazení a pomocí vhodné regula ní jednotky jsme schopni tuto hodnotu ochlazení p izp sobit velikosti venkovní teploty. Tyto vlastnosti umož uje ídit a regulovat tzv. erpadlová jednotka. Vypo tené hodnoty pr toku pro regulaci primárního okruhu jsou uvedeny v P íloze 3. 7.4.1

erpadlová jednotka

erpadlová skupina FlowCon S Jednotrubková erpadlová skupina, s integrovaným regulátorem DeltaSol BS Pro. Obsahuje hydraulické komponenty nutné k provozu solárního systému a primárního systému tepelného erpadla (viz. literatura [24]).

Obr. 24 ERPADLOVÁ JEDNOTKA FLOWCON S


Vybavení: • Integrovaný regulátor DeltaSol BS Pro • 3 ks idel Pt1000 • erpadlo WILO Star ST20/6 • Tlakom r • Solární pojistný ventil 6 bar • Napoušt cí a vypoušt cí ventily • Uzavírací kulový ventil • Odvzduš ovací ventil • Zp tná klapka • Regulátor pr toku s pr tokom rem • Montážní sada na st nu v etn držáku expanzní nádoby • Flexibilní p ipojovací potrubí expanzní nádoby 0,5 m • Automatický ventil pro p ipojení expanzní nádoby • Tepelná izolace Expanzní nádrž je volena v pom ru objem 2l na 100l teplonosné kapaliny

Obr. 25 SLOŽENÍ KOMPONENT

ERPADLOVÉ JEDNOTKY

strana 65

strana 66


Regulátor DeltaSol Pro P i použití regulace Delta Sol BSpro regulujeme pr tok na základ venkovní teploty pomocí ob hového erpadla. Maximální pr tok je nastaven škrtícím ventilem na pr tokom ru a p i zm n venkovní teploty je redukován výkon ob hového erpadla.

Obr. 26 REGULÁTOR DELTASOL PRO UŽITÝ V ERPADLOVÉ JEDNOTCE PRIMÁRNÍHO OKRUHU

• • • • • •

Podsv tlený displej se schématickým zobrazením systému a teploty Až 4 teplotní idla Pt1000 2 polovodi ová relé pro ízení rychlosti erpadla Funkce m ení dodaného tepla Snadná obsluha 2x teplotní idlo FRP6, kabel z PUR 2,5 m

WPX - HADICE PRO TEPELNÁ ERPADLA Teplotní rozsah: od -45°C do +100°C Maximální tlak: 15 bar Provozní tlak: 10 bar Maximální podtlak: 0,6 bar Drsnost potrubí k = 0,01 mm Vnit ní st na: EPDM, bezešvá (více literatura [28]) SOLANKA Alkohol a voda: sm s 25% etanolu (etylalkoholu) a 75% vody). Vyšší viskozita, nižší teplotní vodivost než u vody

strana 67

8

Metodika m ení a zpracování dat

8.1 Metodika m ení P edm tem metodiky pokusu Rekuperace tepla z venkovních zdí je objektivní stanovení fyzikálních veli in charakterizující možnosti rekuperace ztrátového tepla vedením konstrukcí, pro ov ení chodu tepelných erpadel a jejich porovnání, stanovení topného výkonu tepelný erpadel a stanovení topného faktoru COP tepelných erpadel. Metodika bude používána jako universální postup pro m ení pokusu a ov ení možnosti rekuperace tepla z venkovních zdí.

8.2 M ené a stanovené veli iny Výkon rekupera ního vým níku Prekup (W): tepelný výkon získaný z rekupera ního vým níku rekuperací ztrátového tepla vedením st ny modelu, veli ina stanovená. Celkový výkon tepelného erpadla POUT (W): tepelný výkon na výstupu tepelných erpadel, veli ina stanovená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Topný faktor tepelného erpadla COP: bezrozm rné íslo, udávající pom r tepelného výkonu a sou tu p íkon všech prvk topné soustavy, veli ina stanovená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Elektrický p íkon tepelného erpadla PEL (W): elektrický p íkon motoru kompresoru tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na výstupu výparníku t1 (°C): teplota chladiva na výstupu z výparníku chladivového okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na vstupu do kondenzátoru t2 (°C): teplota chladiva na vstupu do kondenzátoru chladivového okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda.

strana 68

8. Metodika m ení a zpracování dat

Teplota na výstupu kondenzátoru t3 (°C): teplota chladiva na výstupu z kondenzátoru chladivového okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na vstupu do výparníku t4 (°C): teplota chladiva na vstupu do výparníku chladivového okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na výstupu kondenzátoru t5 (°C): teplota teplonosné kapaliny na výstupu kondenzátoru v sekundárním okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na vstupu kondenzátoru t6 (°C): teplota teplonosné kapaliny na vstupu do kondenzátoru v sekundárním okruhu tepelného erpadla, veli ina m ená, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda. Teplota na vstupu rekupera ního vým níku t7 (°C): teplota teplonosné kapaliny na vstupu do rekupera ního vým níku v primárním okruhu tepelného erpadla s rekuperací, m ená veli ina. Teplota na výstupu rekupera ního vým níku t8 (°C): teplota teplonosné kapaliny na výstupu rekupera ního vým níku v primárním okruhu tepelného erpadla s rekuperací, m ená veli ina. Pr tok m1 (m3/h): pr tok teplonosné kapaliny v primárním okruhu tepelného erpadla s rekuperací, m ená veli ina. Pr tok m2 (m3/h): pr tok teplonosné kapaliny v sekundárním okruhu tepelného erpadla, m ená veli ina, ur ujeme u tepelného erpadla s rekuperací a tepelného erpadla porovnávacího vzduch/voda.


strana 69

8.3 Metody m ení a volba m ících p ístroj 8.3.1

M ení teploty t1 – t8

8.3.1.1 Definice teploty

Teplota je jednou z nejd ležit jších stavových veli in ovliv ující tém všechny stavy a procesy v p írod . Teplota je mírou kinetické energie pohybujících se ástic látky (molekul, atom , …). Za nejnižší teplotu, kterou nazýváme absolutní teplotní nulou, je považován takový stav hmoty, kdy v ní ustane jakýkoliv pohyb ástic. Základní jednotkou termodynamické teploty T je kelvin [K]. Jeden kelvin (1 K) je 273,16-tý díl termodynamické teploty trojného bodu varu. Krom termodynamické teploty T (K) se používá také Celsiova teplota t (°C), vyjad ovaná v Celsiových stupních, platí: 1K = 1°C a T0 = 273,16K (viz. literatura [3]).

8.3.1.2 M ení teploty na pokusném modelu (viz. literatura []).

Obr. 27 ROZMÍST NÍ JÍMEK PRO UMÍST NÍ TEPLOTNÍCH IDEL

strana 70

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8


teplota na výstupu výparníku chladícího okruhu teplota na vstupu kondenzátoru chladícího okruhu teplota na výstupu kondenzátoru chladícího okruhu teplota na vstupu do výparníku chladícího okruhu teplota na výstupu kondenzátoru sekundárního okruhu teplota na vstupu kondenzátoru sekundárního okruhu teplota na vstupu rekupera ního vým níku teplota na výstupu rekupera ního vým níku

8.3.1.3 Za ízení pro m ení teploty

Systém m ení teploty pro PC, 20-kanál , USB Popis: Jako idla m ení teploty se používají idla DALLAS typu DS1820, které mohou být p ipojeny rozd len až do vzdálenosti 60 m. Mezi po íta (PC) a senzory je zapojen mikroprocesorový ídící modul pro sériový interface. Identifikace (p i azení) jednotlivých senzor se provádí pomocí sériového ísla. V adaptéru integrovaný mikroprocesor ídí sériovou sb rnici dat (bus), provádí p i azení sériových ísel a eviduje cyklicky nam ené teploty ze všech p ipojených senzor . Aktuální hodnoty nam ených teplot jsou p evád ny do po íta e v kódu ASCII p es interface USB. Záznam nam ených hodnot v PC je uskute ován formou „online“. K systému je dodáván jednoduchý software pro Windows s kompatibilitou Excel pro záznam nam ených hodnot teploty do souboru. Všechny komponenty lze jednoduchým zp sobem propojit. Napájení modulu se uskute uje pomocí USB (viz. literatura [19]). Typické oblasti použití: Kontrola a monitorování chladírenských nebo skladovacích prostor, skleník , využití v potraviná ském pr myslu, m ení teploty v budovách, klimatiza ní technika, regulace vytáp ní, solární za ízení, meteorologie. Technická data: Po et kanál : 1 až 20 (automatická konfigurace), m ící rozsah teploty: - 55 °C až + 125 °C, p esnost: 0,5 °K v rozsahu 0 až 70 °C, sériový interface 4800 BD8N1. P íslušenství: Pro napájení m ící úst edny (loggeru) se používá sí ový napájecí adaptér. Pr myslov vyráb ná idla m ení teploty jsou opat ena propojovacími kabely a konektory


strana 71

pro p ipojení. P i použití více idel, je pot eba vždy pro 8 senzor rozd lova . Reléová karta umož uje ovládání spot ebi regula ními funkcemi.

Obr. 28 ZA ÍZENÍ PRO M

8.3.2

ENÍ TEPLOTY PRO PC, 20 KANÁL

M ení pr toku

8.3.2.1 Definice pr toku

Objemový pr tok (objemový tok) je objem kapaliny, který prote e jedním místem (celým pr ezem v jednom míst trubice) za jednotku asu. Zna ka: Základní jednotka SI:

QV m3.s-1

Podle definice objemového toku se jedná o množství kapaliny procházející za asový interval daným pr ezem, tzn.

QV =

dV dt

(8.1)

Má-li proudové vlákno pr ez o obsahu S a kapalina v míst pr ezu má rychlost v, postoupí ástice v pr ezu za dobu t o dráhu s = v.t. Trubicí prote e kapalina o objemu V = Ss = Svt.

QV = S ⋅ v

(8.2)

strana 72


kde v je okamžitá rychlost proud ní (viz. literatura [30]). 8.3.2.2 M ení pr toku na pokusném modelu

Pr toky budeme m it jak v primárním okruhu tepelného erpadla, tak i v sekundárním okruhu tepelného erpadla. V primárním okruhu je pr tokom r již sou ástí erpadlové jednotky. V sekundárním okruhu pak volíme vhodný pr tokom r s pulzním výstupem.

Obr. 29 BLOKOVÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ PR TOKOM RU DO SEKUNDÁRNÍHO OKRUHU TEPELNÉHO ERPADLA

8.3.2.3 Za ízení pro m ení pr toku na pokusném modelu

Malý vodom r Pr tokom ry konstruované pro dlouhodobé m ení pr toku vody, vhodné pro m ení pr tok na tepelných erpadlech. Mají pulzní výstup, který umož uje p enos informací o okamžitém pr toku na vyhodnocovací jednotku pro sumarizaci nebo zobrazení okamžitého pr toku. Pr tokom ry nemají lokální indikaci (viz. literatura [23]). Technická data: Maximální pr tok Qmax.=2,5m3/h 1 impuls/litr p ipojení závity 1" • rozte 130mm

• • •


strana 73

Obr. 30 PR TOKOM R FTB 4605 S PULZNÍM VÝSTUPEM

Nam ené hodnoty z pr tokom r budou zpracovávané pomocí vhodné m ící karty.

Multifunk ní karta AD25PCI s vysokým rozlišením pro sb r dat pro sb rnici PCI.

Obr. 31 M

ÍCÍ KARTA AD25PCI

AD ást -galvanicky odd lený integra ní p evodník s programovatelným rozlišením 18 až 24 bit , 8 differenciálních vstup nebo 16 SE, vst. rozsah 0-10 V/ +-5 V, programovatelné zesílení 1 až 128, expandery pro p ipojení termo lánk nebo Pt100. DA ást - rozlišení 14 bit , rozsahy 0-5 V(10 V) nebo jako zdroj proudu 0-20 mA (100 mA). íslicové vstupy/výstupy - 8 dig. vstup /8 dig. výstup (více literatura [26]).

strana 74

8.3.3


M ení p íkonu

8.3.3.1 Definice p íkonu

Elektrický p íkon je fyzikální veli ina, která vyjad uje elektrickou energii spot ebovanou elektrickým spot ebi em za jednotku asu (1 s). Spot ebuje-li se za as t elektrická energie E, je p íkon P:

P=

E t

(8.3)

Jestliže spot ebi em protéká proud I p i nap tí U na svorkách spot ebi e, pak velikost elektrického p íkonu P je: P = U ⋅ I ⋅ cos ϕ

(8.4)

Jednotkou elektrického p íkonu je watt, zna ka jednotky W (viz. literatura [30]). 8.3.3.2 M ení p íkonu na tepelném erpadle

P íkon elektromotoru kompresoru tepelného erpadla se dá stanovit jako sou in nap tí, proudu a ú iníku. Jedná-li se o trojfázový motor, p edpokládáme symetrii všech fázi. Pro m ení elektrického p íkonu se použije vhodný wattmetr. Je t eba m it inný výkon a ú iník. 8.3.3.3 Za ízení pro m ení p íkonu kompresoru tepelného erpadla

C.A 8220 - Digitální wattmetr

• •

Monochromatický LCD M ení st ídavého a stejnosm rného proudu a nap tí až do 6500 A/600 V (TRMS, PEAK), frekvence


• • • • • •

strana 75

Výpo et pr m rné hodnoty, minima, maxima, THD, PST, KF, FC Analýza harmonické složky proudu, nap tí a výkonu do 50. harmonické Umož uje m ení inného, zdánlivého a jalového výkonu a cos Umož uje zaznamenat 1/2T RMS, PEAK,dobu trvání. Vzorkovací kmito et je 12,8 kHz M ení sledu fází USB rozhranní umož uje komunikaci s PC (viz. literatura [25]).

Technické údaje: M ení stejnosm rného a st ídavého proudu TRMS 0,05...5 A / Ø20 mm Kleš ový p evodník MN 93A 0,1...100 A/ Ø20 mm 2...240 A / Ø20 mm Kleš ový p evodník MN 93 3...1200 A/ Kleš ový p evodník C 193 Ø20 mm 10...1000 A(AC) Ø42 mm Kleš ový p evodník PAC 93 10...1400 A(DC) Ø42 mm Pružný p evodník AmpFlex A193 10...6500 A / 45 nebo 80 cm ±(0,5 .h. + 2 dig.) P esnost (bez p evodníku) M ení stejnosm rného a st ídavého nap tí TRMS 0...600 V DC nebo AC RMS Rozsah ±(0,5 .h. + 2 dig.) P esnost 40...70 Hz Kmito et M ení zdánlivého, inného a jalového výkonu 0...9999 kW, kVA, kVAr Rozsah Ostatní m ení 6...120 000 ot/min Otá ky -200...850 °C, Pt100 Teplota 0,0...2000 , ±(1,5 % .h. + 2 dig.) Odpor Obecná specifikace: Monochromatický LCD, 173 segment Zobrazení z elektrické sít 230/110 V Napájení z baterií 6× 1,5 V AA SN EN 61010 - CAT III-1/600 V Elektrická bezpe nost SN 61557 IP 54 Stupe krytí 0,9 kg Hmotnost 211×108×60 mm Rozm ry Tab. 4 TABULKA TECHNICKÝCH PARAMETR DIGITÁLNÍHO WATTMETRU C.A 8220

strana 76


Obr. 32 DIGITÁLNÍ WATTMETR C.A 8220

8.3.4

Tepelný výkon z rekupera ního vým níku

Je veli inou stanovenou dle vztahu: P = (t8 − t7 ) ⋅ m1 ⋅ k

• • • • 8.3.5

(8.5)

t7 teplota teplonosné kapaliny na výstupu z rekupera ního vým níku (°C) t8 t eplota teplonosné kapaliny na vstupu do rekupera ního vým níku (°C) m1 hmotnostní pr tok teplonosné kapaliny v primárním okruhu tepelného erpadla s rekuperací (m3/h) teplotní konstanta teplonosné kapaliny kvody = 1,163 (ksolanky = 1,023) Výkon tepelného erpadla

Je veli inou stanovenou dle vztahu:

POUT = (t6 − t5 ) ⋅ m 2 ⋅ k

• •

(8.6)

t5 teplota teplonosné kapaliny na vstupu kondenzátoru sekundárního okruhu tepelného erpadla (°C) t6 teplota teplonosné kapaliny na výstupu kondenzátoru sekundárního okruhu tepelného erpadla (°C)


• • 8.3.6

strana 77

m2 hmotnostní pr tok teplonosné kapaliny sekundárním okruhu tepelného erpadla teplotní konstanta teplonosné kapaliny kvody = 1,163 Skute ný topný faktor COP

Je veli inou stanovenou dle vztahu:

COP =

• •

POUT PEL

POUT PEL

(8.7)

výkon tepelného erpadla (W) elektrický p íkon tepelného erpadla (W)

8.4 Vyhodnocování a zpracování nam ených hodnot Vyhodnocování a další zpracování nam ených hodnot bude provád no pomocí softwaru virtuální m ící stanice pro PC LabVieW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). LabView je vývojové prost edí od firmy National Instruments pracující s grafickým programovacím jazykem G (více literatura [33]). • • •

Programový kód v podob blokového schématu Zpracovávání programu na základ toku dat (namísto vykonávání instrukcí) Programy = Virtuální m icí p ístroje (Virtual Instruments, VI´s)

Aplika ní možnosti LabView • • •

Získávání dat – Hardware, Simulace Analýza dat – zpracování nam ených nebo nasimulovaných signál Prezentace dat – Export dat pro prezenta ní využití

Získávání dat

•

Data Acquisition Device (DAQ) pomocí USB, PCI nebo PXI za ízení Konfigurovatelné skrz MAX

strana 78

•


Simulated Data Acquisition Device (DAQ) Softwarová simulace na bázi ovlada Konfigurovatelné skrz MAX

Obr. 33 BLOKOVÉ SCHÉMA ZPRACOVANÍ A VYHODNOCENÍ NAM

ENÝCH HODNOT

strana 79

9

Záv r

Úkolem této diplomové práce byl teoretický rozbor problematiky a návrh vhodných fyzikálních model , jejich komponent pro možnost realizace pokusu Rekuperace tepelných ztrát venkovními zdmi. Celkový návrh se skládal: • • • • • • •

návrh modelu objektu návrh tepelného erpadla rekuperace/voda návrh porovnávacího tepelného erpadla vzduch/voda návrh sekundárního okruhu tepelných erpadel návrh primárního okruhu tepelného erpadla s vhodnou regulací návrh a volba regulace pokusu návrh metodiky m ení a zpracování dat

Pro všechny uvedené fyzikální modely byly navrženy vhodné zp soby realizace, jejich zapojení a vhodný výb r jejich komponent . P i návrhu realizace a zapojení fyzikálních model pro pokus jsem postupoval dle platných postup pro dané systémy Všechny zvolené a vybrané prvky ve fyzikálních modelech objektu, tepelného erpadla s rekuperací a porovnávacího tepelného erpadla vzduch/voda jsou normované chladírenské komponenty vyskytující se v b žném chladírenském za ízení. P i volb komponent fyzikálních model jsou voleny nové prvky z d vod kvality návrh . P edb žný cenový odhad na realizaci všech fyzikálních model je 52 tisíc K . Výše této ástky je dána použitím nových komponent , regula ních a ídících prvk . Tuto ástku lze snížit vhodným výb rem již použitých komponent a materiál .

strana 80

strana 81

Literatura [1]

PAVELEK, M. a kolektiv.: Termomechanika. 1.vyd. Brno: AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM s.r.o., 2003. 284 s. ISBN 80-214-2409-5

[2]

ŽERAVÍK, Antonín.: Stavíme tepelné erpadlo. 1.vyd. P erov : vlastním nákladem, 2003. 312 s. ISBN 80-239-0275-X

[3]

VDOLE EK, František.: Technická m ení. BRNO 2002. Dostupné na WWW:http://www.uai.fme.vutbr.cz

[4]

CIHELKA, J. a kolektiv.: Vytáp ní, v trání a klimatizace. PRAHA: SNTL, 1985

[5]

VAVERKA, J: Stavební technika a energetika budov. VUTIUM, 2006

[6]

SRDE NÍ, K., TRUXA, J.: Tepelná erpadla. BRNO: ERA spol. s.r.o., 2005. 68 s. ISBN 80-7366-031-8

[7]

BAŠTA, J.: Podlahové vytáp ní. tzbinfo [online]. 2006, b ezen [cit. 19.b ezna 2006]. Dostupné na WWW: http://www.tzbinfo.cz/t.py?t=2&i=3449&h=210&pl=39

[8]

KOPECKÝ, P.: Kombinovaný zdroj tepla a stanovení jeho výkonu. tzbinfo [online]. 2007, leden [cit. 19.1. 2007]. Dostupné na WWW: http://vytapeni.tzbinfo.cz/t.py?t=2&i=3831&h=204&pl=49

[9]

RYŠAVÝ, P. Výpo et tepelných ztrát budov podle SN EN 12831 a SN 060210. Stavebnictví a interiér. [online]. 2006, zá í [cit. 1.9. 2006]. Dostupné na WWW: http://si.vega.cz/clanky/vypocet-tepelnych-ztrat-budov-podle-csn-en-12831-a/

[10]

Postup pro výb r vhodného tepelného erpadla http://vx067700.server1.viwefix.cz/index.php?option=com_content&task=view&id =13&Itemid=27

[11]

Ceník 2006/07. Lázn Bohdane (CZ): M-klima s.r.o., 2006. Dostupný na WWW: http://www.m-klima.cz

[12]

Výpo et tepelné ztráty objektu http://www.e-c.cz/tm_texty_vypocetztraty.php

[13]

Tepelná erpadla http://www.energ.cz/index.phtml?page=/uspory/cerpadla.html&undefined

[14]

Podlahové vytáp ní http://www.evector.cz/cs/info/podlahove-vytapeni

strana 82

7. Literatura

[15]

ízení zdroj a spot eby tepla http://www.solary.cz/technologie/inteligentni-rizeni/

[16]

Rekuperace tepla http://www.atrea.cz/?page=rkup_intro_cz

[17]

Energie prost edí, geotermální energie, tepelná erpadla http://www.i-ekis.cz/?page=prostredi

[18]

Bilance a výpo ty http://hestia.energetika.cz/encyklopedie/11.htm

[19]

Systém m ení teploty pro PC. Dostupné na WWW: http://www.elektroraj.cz

[20]

5-cestný rozd lova . Dostupný na WWW: http://www.hst-zichlinek.cz

[21]

4-cestný rozd lova . Dostupný na WWW: http://www.hst-zichlinek.cz

[22]

Universální regulátor pro tepelná erpadla. Dostupný na WWW: http://www.eltexkm.cz

[23]

Malý vodom r. Dostupný na WWW: http://www.eltex-km.cz

[24]

erpadlová jednotka FlowCon S. Dostupný na WWW: http://www.regulus.cz

[25]

Digitální wattmetr C.A 8220. Dostupný na WWW: http://www.ghvtrading.cz

[26]

M ící karta pro PCI sb rnici AD25PCI. Dostupný na WWW: http://www.papouch.com

[27]

M d né potrubí. Dostupný na WWW: http://www.hetcu.cz

[28]

WPX - hadice pro tepelná erpadla a horkou vodu. Dostupný na WWW: http://www.phgia.cz

[29]

Ob hové erpadlo WILO RS 25/4 230V. Dostupný na WWW: http://www.wilo.cz

[30]

Wikipedie, otev ená encyklopedie http://cs.wikipedia.org

[29]

Filtr Aqua Y. Dostupný na WWW: www.aquaproduct.cz

[32]

Teplovzdušný ventilátor Luxtronix TV03T. Dostupný na WWW: http://www.elektro-kuchyne.cz

[33]

LabView http://www.ni.com

strana 83

Seznam p íloh

1. Stanovení minimální výkonu tepelného erpadla a minimálních tepelných ztrát fyzikálního modelu objektu

2. P ehled stavebních materiál s ohledem na sou initel teplotní vodivosti 3. Zm na pr toku teplonosné kapaliny v závislosti na venkovní teplot

strana 84

strana 85

P íloha . 1 Stanovení minimální výkonu tepelného erpadla a minimálních tepelných ztrát fyzikálního modelu objektu Pro stanovení minimálního výkonu tepelného erpadla použijeme obrácený výpo et pro stanovení pr m ru potrubí tepelného erpadla s minimálním dovoleným pr m rem potrubí d3, protože v tomto míst potrubí jsou nejmenší tolerance na rychlost proud ní. Zvolený pr m r potrubí d3 má pak hodnotu d3min = 3,5 mm pro st ední rychlost proud ní v3 = 0,6 m/s Výpo ty pro z porovnávací chladivo R22 teplota vypa ovací teplota kondenza ní

tO = -10 °C tK = 55 °C

m rná entalpie chladiva

h1 = 402 kJ/kg h2 = 270 kJ/kg

m rný objem chladiva

v1 = 0,065 m3/kg v2 = 0,0102 m3/kg v3 = 0,952 dm3/kg

stanovení obsahu potrubí: 4 ⋅ S3

d3 = S3 =

S=

π π ⋅ 0, 0032 4

π ⋅ d32 4

2

= 0, 000009621m

(11.1) 2

rychlosti proud ní v potrubí w3 = 0,6m/s objemový pr tok chladiva se stanoví: S3 =

V3 w3 ⋅ 3600

V3 = S3 ⋅ w ⋅ 3600

(11.2) 3

V3 = 0, 000009621⋅ 0, 6 ⋅ 3600 = 0, 02078m ⋅ h dále stanovíme hmotnostní pr tok:

−1

strana 86

V3 = m ⋅ v3

m=

V3 v3

0, 02078 m= = 21,83kg ⋅ h −1 −3 0,952 ⋅10

(11.3)

výpo et chladícího výkonu kompresoru: q = h1 − h3 = 132kJ ⋅ kg −1

(11.4)

Q ⋅ 3, 6 m⋅q Q= q 3, 6 18, 25 ⋅132 Q= = 800W 3, 6

(11.5)

m=

Dále platí Q = PIN =

POUT ⋅ (e − 1) e

POUT =

PIN ⋅ e 800 ⋅ 3 = = 1200W (e − 1) (3 − 1)

(11.6)

Tepelné erpadlo pracuje v bivalentním režimu. POUT je volen jako 65% tepelných ztrát. Výpo et minimální hodnoty tepelných zrát

Qztrát mim =

POUT ⋅100 1200 ⋅100 = = 1850W 65 65

(11.7)

strana 87

P íloha . 2 P ehled vybraných stavebních materiálu s ohledem na sou initel teplotní vodivosti D evo, materiály z aglomerovaného d eva a korku Sou initel tepelné vodivosti Materiál [W/m.K]

M rná tepelná kapacita Hustota c [J/kg.K] [kg/m3]

Desky d evovláknité, lisované

0.075

1630.0

200.0


0.098

1630.0

400.0


0.130

1630.0

600.0


0.150

1630.0

800.0


0.170

1630.0

1000.0

Desky z d evitého odpadu s cementem

0.110

1580.0

300.0


0.150

1580.0

400.0


0.170

1580.0

500.0


0.190

1580.0

600.0


0.240

1580.0

800.0


0.290

1580.0

1000.0


0.350

1580.0

1200.0

Desky z korku, lisované

0.064

1880.0

150.0

D evo m kké, tepelný tok // s vlákny

0.410

2510.0

400.0

D evo m kké, tepelný tok kolmo k vlákn m

0.180

2510.0

400.0

D evo tvrdé, tepelný tok // s vlákny

0.490

2510.0

600.0

D evo tvrdé, tepelný tok kolmo k vlákn m

0.220

2510.0

600.0

D evot ískové desky

0.110

1500.0

800.0

D evovláknité desky, m kké

0.046

1380.0

230.0

Deskové materiály ostatní Sou initel tepelné vodivosti Materiál [W/m.K]

M rná tepelná kapacita c [J/kg.K]

Hustota [kg/m3]

Azbestocementové desky

0.450

960.0

1800.0

Desky z PE

0.340

1470.0

930.0

Desky z polyesterového skelného laminátu

0.210

1050.0

1600.0

Desky z PVC

0.160

1100.0

1400.0

Sádrokarton

0.225

1060.0

750.0

strana 89

P íloha . 3 Zm na pr toku teplonosné kapaliny v závislosti na venkovní teplot tvstup

tvýstup

PIN

k

Pot ený pr tok m3/h

Pot ebný pr tok l/min

17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5

-5 -4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15

0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666 0,8666

1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344 1,02344

0,037633428 0,038488733 0,03938382 0,04032153 0,041304982 0,042337607 0,043423186 0,044565902 0,045770385 0,047041785 0,048385836 0,049808949 0,051318311 0,052922008 0,05462917 0,056450142 0,058396699 0,060482295 0,06272238 0,065134779 0,06774017 0,070562678 0,07363062 0,076977466 0,08064306 0,084675213 0,089131803 0,09408357 0,099617898 0,105844016 0,112900284 0,12096459 0,130269558 0,141125355 0,153954933 0,169350426 0,18816714 0,211688033 0,24192918 0,28225071 0,338700852

0,6272238 0,641478886 0,656397 0,6720255 0,688416366 0,705626775 0,723719769 0,742765026 0,762839757 0,78402975 0,8064306 0,830149147 0,855305182 0,882033469 0,910486161 0,9408357 0,97327831 1,00803825 1,045373 1,085579654 1,12900284 1,176044625 1,227177 1,282957773 1,344051 1,41125355 1,485530053 1,5680595 1,660298294 1,764066938 1,8816714 2,0160765 2,171159308 2,35208925 2,565915546 2,8225071 3,136119 3,528133875 4,032153 4,7041785 5,6450142

VYPO TENÉ HODNOTY ZM NY PR TOKU TEPLONOSNÉ KAPALINY V ZÁVISLOSTI NA VENKOVNÍ TEPLOT

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY REKUPERACE TEPELNÝCH ZTRÁT VENKOVNÍMI ZDMI

Recommend Documents