obnovitelné zdroje energie - cvut.cz
TRANSCRIPT
1
1
Obnovitelné zdroje energie
doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Pracovní materiály pro výuku předmětu.
ČVUT v Praze
Fakulta stavební
Katedra Technických zařízení budov
2
Tepelná čerpadla
2
Tepelné čerpadlo
• Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné vynaložením vnější práce. Obvykle je to z chladnějšího místa na teplejší.
• Použití:– Chladící stroje
– Zdroje tepla
• Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov.
• 2. termodynamický zákon– Určuje směr, kterým probíhají přirozené procesy
– Žádný tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami nemůže mít vyšší účinnost než Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami.
– Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.
3
Tepelné čerpadlo
• Typy tepelných čerpadel
– Absorpční tepelná čerpadla• pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla
(spalování paliva, solární energie)
• Sorpční oběh (absorpce = pohlcování uvnitř dané látky např. plynů v kapalině, adsorpce = pohlcování na povrchu látky)
– Kompresorová tepelná čerpadla • Parní oběh – nejběžnější systém
• pohon zajišťuje kompresor
– Elektrická – elektrický motor – oddělený - kompaktní
– Plynová –plynový motor - turbína
4
3
Kompresorové tepelné čerpadlo Základní části tepelného čerpadla
• výparník – kompresor –kondenzátor – expanzní ventil
• teploty a tlaky primárního okruhu
Vlastnosti:
• Kompresor
• Výparník
• Kondenzátor
• Expanzní ventil (elektronický, termostatický)
5
http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
Tepelné čerpadlo
• Pracovní diagramy tepelného čerpadla
• P-V diagram (tlak-objem)
• T-S diagram (teplota-entropie)
6
http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm
http://www.calorex.com/
4
Kompresorové tepelné čerpadlo • TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší
topný faktor. Životnost 15 let.
• TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let.
• TČ se šroubovými kompresory
7
www.viessmann.cz www.eccb.cz
Absorpční tepelné čerpadlo• V absorpčním oběhu koluje
chladivo a absorpční látka
• Páry chladiva odcházející z výparníku jsou absorbovány v absorbéru do kapalné absorpční látky za současného uvolnění absorpčního tepla.
• Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Po zvýšení teploty směsi jsou páry chladiva v desorbéruvypuzeny z absorpční kapaliny.
8
http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/6519-systemy-spolecne-vyroby-
elektricke-energie-tepla-a-chladu
5
Chladiva• Chladiva
– Čisté kapaliny • jedno nebo vícesložkové
• např. R22 (chlorodifluormethan), R21, R123, R124
• Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon)-1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a servis, 1.1.2015 zákaz používání zařízení)
– Směsi 2-4 chladiv• Nestejnoměrné vypařování a kondenzace
• Např. R407
9
www.pentabell.cz
Carnotův cyklus
• Teoretický nereálný cyklus
• Nezohledňuje řadu důležitých vlastností – pracovní látku, teplosměnné plochy, tepelné ztráty…
• Skutečný topný faktor je nižší řádově
o 50-60%
Reálný provoz tepelného čerpadla
Podchlazení chladiva- Výhodné pro správnou funkci
expanzního ventilu- Zvyšuje se topný faktor
10
http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
6
Předávání tepla
• Tepelné výměníky
– Kapalinový výměník• Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček
• Trubkový žebrovaný výměník
– zásobníky
– Vzduchový výměník• Trubkový výměník
11
http://www.alfalaval.com/
Tepelné čerpadlo Topný faktor• Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5).
Q množství tepla, které TČ vyrobí (kWh)
E množství energie spotřebované na provoz TČ (kWh)
12
www.ekowatt.cz
7
Trocha teorie..• COP - Coefficient of Performance
– Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel
– Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek
• EER-Energy Efficiency Ratio
• Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu – charakteristika chladícího stroje– Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel
𝐸𝐸𝑅 =𝑃
𝐸
13
Regulace výkonu
• Inverter – frekvenční měnič otáček– Regulace výkonu kompresoru (40-100%)
– Pozvolný rozběh kompresoru
• Pulsní regulace –regulace komprese– Regulace výkonu 10-100%
– Speciální solenoidový ventil umožňuje měnit tlak v horní části kompresoru (Scroll) – přepínání-pulsy – digital scroll
• Regulace obtokem kompresoru– Regulace množstvím nasátého chladiva
14
8
Pracovní teploty
• Max. teplota získaná z běžného TČ 55°C
• Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení
– Více okruhový systém (např.2 kompresory)
– Vstřikování páry do kompresoru (EVI)
15
http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html
Vysokoteplotní aplikace
• EVI – enhanced vapourinjection
• Až 65°C i při nízkých venkovních teplotách
• Vhodné pro rekonstrukce
16
9
Tepelné čerpadlo
Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ:
• dostupnost
• kapacita
• vyšší teplota
Zdroj tepla Teploty
Vzduch +25 až -18°C
Země 2-10°C
Spodní voda (studny) 8-12°C
Povrchová voda (vodoteč) +18 až 0°C
17
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
• Nižší cena
• Provozně horší COP
• Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku
• Provedení
– Samostatná venkovní a vnitřní jednotka
– Kompaktní provedení vnitřní
– Kompaktní provedení venkovní
• Zdroj tepla– Okolní vzduch – Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř
objektu, nutné velké množství vzduchu – vyšší hlučnost-nároky na umístění, funkce do cca -12°C, nebezpečí namrzání výměníku.
– Odpadní vzduch – Výhodný zdroj tepla pokud je v dostatečném množství.
18
10
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Samostatná venkovní jednotka
• Výparník musí být umístěn na betonovém bloku či loži poblíž venkovní stěny budovy
• Vzdálenost mezi stěnou a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm)
• Výfuk vzduchu alespoň 1m
• Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu - pod venkovní jednotkou kamenný obrubník, 50-100 cm vyplněno štěrkem
19
Tepelné čerpadlo vzduch-vodaKompaktní provedení vnitřní
• Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností.
20
www.topeni-chlazeni.cz
11
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Kompaktní provedení venkovní
• Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan.
21
www.nibe.cz www.energiehome.eu
Tepelné čerpadlo země-voda
• Zdroj tepla
– soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální)
– plošný zemní výměník
– energetické piloty
22
12
Tepelné čerpadlo země-voda• Vrty
– Nutná schopnost uvrtat danou hloubku vrtu– V CZ cca 20 profi firem– Vývrt zeminy cca 1m3– Vrty běžně do hloubky 100m(zvládnutelné 130-150m)
duplexy– rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku
vrtů např. 2x70m– Cena vrtu cca 1000Kč/m– Zkouška vrtu – tlaková, průtoková
23
Zemské teplo
• Solární energie má rozhodující vliv na teplotu zeminy do hloubky cca 15 m
• Pod touto hloubkou se již neprojevuje vliv ročních období –určující je dodávka tepla ze země
• Teplota v hloubce 20 m je cca 10°C
– každých 30m stoupá o cca 1°C (geotermický gradient 3K/100m)
– Tepelná vodivost země průměrně 2W/m.K
24
13
Hlubinné vrty
• v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu
• závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu
25
Způsob vrtání – Vrtání s vodním výplachem
• např. Tč voda-voda, průměr 160mm
– Rotačně příklepová technologie
• Nejběžnější způsob vrtání se vzduchovým výplachem
• Pro TČ země-voda, průměr 120-200 mm
• Při tlaku 20-24 barů je vytlačována rozvrtaná hornina a podzemní voda na povrch
• Ovlivněna je přívrtová zóna (desítky až výjiměčně stovky metrů)
• Dochází k turbulentnímu proudění v okolí vrtu – zákal vody
• V případě podzemních trhlin se výplach může šířit mimo vrtný stvol - ztráta výplachu – dlouhodobý zákal vody
26
14
Hlubinné vrty– výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy
– průměrně lze počítat s chladícím výkonem 50 W.m-1 délky vrtu při ročním době provozu 2400h
– vrty běžně do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m – nižší tlakové ztráty
– důležitý vliv má voda
– teploty primárního okruhu -4 až 4°C (střed 0°C)
Hlubinný vrt Měrný tepelný tok (W/m)
Suché podloží (sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K)
20
Normální podložíPevné skalní podložíVodou nasycené sedimenty
50 (max. „bezpečná
hodnota“)
Pevné skalní podloží(skála s vodivostí nad 3 W/m.K)
70
Hornina s výskytem podzemní vody až 100
27
• Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy• Nutné zajistit vodivé spojení vrtu a okolí
– Jílocementy (vodivost 0,6-0,8)– Termosměsi (vodivost 2,1-2,5)
• Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle.
• Záruka na vrt 10let• Životnost vrtů dle materiálů 50 let• Legislativa:
– Územní řízení – projekt na vrt– Hydrogeologický posudek
• Nad 30kW udělat průzkumný vrt– (TRT thermal response test)
Hlubinné vrty
28
15
Hlubinné vrty
• výstroj vrtu
• tvarové uspořádání výměníku– Jednoduché
– Duplexní (o cca 12% lepší)
• řešení spodní části výměníku
• kvalitní plasty (PE)-RC materiál
• zhlaví vrtu
29
• Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m• Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm)• Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové
vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově.• Výkon 400-700 W/m (1,4kW chladícího výkonu pro 2400h)• Pomalejší reakce na solární energii
Povrchové vrty-Energetické koše
30
www.rehau.cz
16
Koaxiální sondy
• Technologie trubka v trubce
• Pro vytápění i chlazení
• Doplňkový systém
• Délky: 20, 30, 40 a 50 m
31
Tepelné čerpadlo země-voda
Plošné výměníky• Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí
plněného nemrznoucí směsí• Ochlazování půdy• Výkopové práce a plocha pozemku
32
17
Výkonové charakteristiky plošného výměníku
• Dimenzování velikosti výměníku provádět podle doby provozu ne podle maximálního výkonu TČ.
Standardní plošný zemní kolektor –výkony pro odběr tepla
(W/m2)
Suchá písčitá půda 8-15
Vlhká písčitá půda 15-20
Suchá jílovitá půda 20-25
Vlhká jílovitá půda 25-30
Půda s protékající spodní vodou 30-35
33
Dimenzování TČ
• Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj (běžně 0 až -7°C)
• Monovalentní zdroj
• Vícevalentní zdroj
– Bivalentní
– Alternativně bivalentníTČ zcela vypne pod určitou
teplotou
35
18
Doba provozu TČ
• Optimálně 1800-2400h/rok (má vliv na živostnost zařízení)
• Životnost 30tis.h (50)
• Výpočet:
Potřeba tepla 15000kWh/rok
Výkon TČ 15000/2400=6,25kW
V podkladech výrobce pro A2W35 TČ o výkonu 8kW
15000/8=1875h OK
36
Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla
Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10°C
37
19
Chlazení pomocí TČ
Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní.
Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou energie.
38
Reverzní tepelné čerpadlo
• Schéma provozu
• Využití dvou expanzních ventilů a 4 cestné armatury
39
20
Energetické piloty
• Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu nebo tepla.
• Využití stavebních pilot.
• Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m.
• Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ).
• Min. teplota-2°C (nebezpečí promrzání zeminy)
40