05 Geotermalna Handbook

Priručnik

Zvonimir Guzović

Geotermalna energija i dizalice topline

Ovaj projekt fnancira Europska unija

Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Za sadržaj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odražava stavove Europske unije.

IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoći – Obnovljivi izvori energije Project fnanced by the European Union IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and inormation on Renewables Projekt je fnanciran sredstvima Europske unije IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA: Povećanje znanja i inormacija o obnovljivim izvorima energije Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO Nositelj projekta: Srednja škola Oroslavje Partneri na projektu: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Grad Oroslavje Stručni suradnici: Darko Cobović, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing. Damir Čukman, dipl. ing. Autor: Pro. dr. sc. Zvonimir Guzović Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu Suautor: Doc. dr. sc. Vladimir Soldo [FSB, Zagreb] – velika hvala na volonterskom radu pri izradi nastavnih materijala Izdavač: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Srednja škola Oroslavje Tehnički urednik: Mario Lesar, gra. ing. Dizajn i promocija: Culmena d.o.o. Web adresa: www.ipa-oie.com

Sadržaj 1. Uvod

............................................................. ............................. ................................................................. .................................

1.1

Geologija Zemlje i geotermalna energija

1.2

Tipovi geotermalnih ležišta

1.3

Klasifikacija geotermalnih izvora

1.4

Svjetski resursi i naini korištenja geotermalne energije

2. Tipovi geotermalnih elektrana

.................................................

3

................................................................

4

.........................................................

Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem

2.2

Geotermalne elektrane s binarnim ciklusom

6

10 10

............................................

12

.................................................................................

Openito o dizalicama topline

3.2

Princip rada dizalica topline

3.3

Split klima ureaj za hlaenje i grijanje zraka

14

...........................................................

14

.............................................................

16

..........................................

19

Radne tvari kompresijskih dizalica topline ............................................. 3.4.1 Sintetike radne tvari ............................................................... 3.4.2 Utjecaj radnih tvari na okoliš ...................................................... 3.4.3 Radne tvari i njihove ekološki prihvatljive zamjene ..............................

20 21 21 22

3.5 Naini rada dizalice topline

..............................................................

3.6

Dizalica topline za zagrijavanje PTV-a

3.7

Apsorpcijske dizalice topline

3.8

6

...................................

3.1

3.4

.................................

...............................................................

2.1

3. Dizalice topline

3

.................................................

25

............................................................

26

Izvori topline za toplinske dizalice ...................................................... 3.8.1 Okolišni zrak kao izvor topline .................................................... 3.8.2 Direktno sunevo zraenje kao izvor topline za dizalicu topline – Solarna dizalica topline .................................................. 3.8.3 Vode potoka, rijeka, jezera i mora kao izvor topline ............................. 3.8.4 Podzemne vode kao izvor topline ................................................. 3.8.5 Tlo kao izvor topline ...............................................................

Literatura

23

................................................................. ................................. ......................................................... .........................

27 27 30 31 32 33 36

Zvonimir Guzović, Vladimir Soldo: Geotermalna energija i dizalice topline [Priručnik]

1. Uvod 1.1 Geologija Zemlje i geotermalna energija Rije geotermalna dolazi od gr kih rijei gea (zemlja) i therme (toplina). U biti to je rezidualna (preostala) toplinska energija u Zemlji, nastala tijekom geoloških procesa prije 4,5 bilijuna godina. Veina te topline nastaje polaganim raspadanjem radioaktivnih izotopa koji se nalaze u Zemljinoj unutrašnjosti. Sadržana je, kako u vrstim stijenama tako i u unutarnjim fluidima, koji popunjavaju šupljine i procijepe unutar stijena u Zemljinoj unutrašnjosti. Snaga kondukcijskog toka iz Zemljine unutrašnjosti je 42 × 1012 W, a procjenjuje se da je cjelokupna toplinska energija Zemlje 12,6 × 1024 MJ. Geotermalna energija je izvor "iste energije", pošto za današnje vrijeme ispunjava dva znaajna imbenika pri iskorištavanju energetskih izvora: obnovljivost i održivost. Može se prona i posvuda u svijetu, no visokotemperaturna energija koja je potrebna za pogon geotermalnih elektrana, pronaena je na relativno malom broju mjesta. Da bi se shvatilo što su to visokotemperaturni geotermalni izvori, potrebno se upoznati s odre enim geološkim spoznajama o Zemlji. Kako se vidi na slici 1., Zemlja se sastoji od nekoliko razli itih slojeva. Ti su slojevi obi no nacrtani kao niz koncentri nih sferinih ljuski. No, granice su vjerojatno nepravilne i nisu tako izrazite, tako da je takav prikaz dosta pojednostavljen.

Slika 1. Unutarnja struktura Zemlje

Vjerojatni model temperaturne raspodjele unutar Zemlje prikazan je na slici 2. Sadašnja temperaturna raspodjela unutar Zemlje zavisi o temperaturnoj raspodjeli i intenzitetu toplinskih izvora nakon Zemljina nastanka, o mehanizmu unutarnjeg prijelaza topline, njenom provo enju i konvekciji.

Slika 2. Temperaturna raspodjela unutar Zemlje

3

4

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Temperatura Zemljine unutrašnjosti raste s pove anjem dubine, tako da temperatura na dubini od 6000 km iznosi oko 5000 °C. Porast temperature po jedinici dubine naziva se geotermalni (temperaturni) gradijent. Prosjeni geotermalni gradijent za Europu iznosi 0,03 °C/m. Na samom poetku nastanka Zemlje sve kopnene mase su bile spojene u jedan gigantski kontinent nazvan Pangaea, koji je, gledano u geološkom vremenu, postojao samo jedan trenutak. Nakon njegova raspada Zemljina kora se razdvojila na velike tektonske plo e, kao što se vidi na slici 3. Kontinenti su dio kore i nalaze se u neprekidnom gibanju, a svaka plo a je u relativnom gibanju s obzirom na druge plo e. Znaajne deformacije se javljaju samo na rubovima plo a, tako da su granice ploa obino oznaene kao uski pojasevi seizmikih aktivnosti.

Slik a 3. Tektonske ploe koje ine Zemljinu koru

Kao što se može vidjeti iz slike 3., granice plo a, a time i zemljotresi, vulkani i podru ja visokih toplinskih tokova na kojima su smještena geotermalna polja, meusobno su povezani. S gledišta iskorištenosti geotermalne energije, najznaajnija svjetska geotermalna polja se o ekuju duž rubova velike Pacifike ploe, tzv. "Pacific Ring of Fire" ("Pacifi ki plameni prsten"). Ako se ukljue dvije susjedne istone ploe, Cocos i Nazca, i jedna zapadna, Filipinska ploa, na tom su podru ju smještene sljedee zemlje: SAD, Meksiko, Gvatemala, El Salvador, Honduras, Nikaragva, Costa Rica, Panama, Kolumbija, Ekvador, Peru, Bolivija, ile, Novi Zeland, Mikronezija, Papua Nova Gvineja, Indonezija, Filipini, Kina, Japan i Rusija. Sve od tih nabrojenih zemalja imaju geotermalne resurse pogodne za eksploataciju, a 12 od njih ima od 2004. godine geotermalne elektrane.

1.2 Tipovi geotermalnih ležišta Geotermalno ležište može se jednostavno definirati kao spremnik unutar zemlje, iz kojega se na ekonomian nain može dobiti toplina (uz cijenu koja je niža ili usporediva s ostalim konvencionalnim izvorima energije, poput hidroenergije ili fosilnih goriva), a ta se toplina koristi za proizvodnju elektrine energije i ostalu prikladnu industrijsku, poljoprivrednu i kuansku primjenu. Geotermalno ležište može sadržavati toplinu u vrstim stijenama, kao i u fluidima koji popunjavaju raspukline i prostor pora u stijenama. Tipovi geotermalnih ležišta su: a) hidrotermalni, b) suhe tople stijene, c) geotlani i d) magma. Postoji pet karakteristika koje su bitne da bi hidrotermalni geotermalni izvor (tj. topla voda) bio komercijalno isplativ. Treba postojati: 1) veliki toplinski izvor, 2) propustan spremnik, 3) do-


vod vode, 4) pokrovni sloj od nepropusne stijene i 5) pouzdan mehanizam obnavljanja. Jednostavni shematski prikaz takvog izvora je prikazan na slici 4.

Slika 4. Shematski prikaz hidrotermalnog geotermalnog izvora

U ovom trenutku su hidrotermalni izvori jedini geotermalni sustavi koji su r azvijeni za komercijalnu proizvodnju elektrine energije. Ostala tri oblika geotermalnih resursa mogla bi se, prije ili kasnije, tako er komercijalizirati. Postoji dosta geotermalnih pozicija koje imaju visoku temperaturu (suhe tople stijene STS ili napredni geotermalni sustavi NGS) ali su u ležištu siromašna fluidom, ili je propusnost tako niska da onemoguava komercijalizaciju. Idealno gledano, zatvorena petlja se formira tako da se hladna voda upumpava u utisnu bušotinu i vra a na površinu kroz proizvodnu bušotinu, nakon prolaska kroz toplu, umjetno nastalu formaciju. (Slika 5.)

Slika 5. Shematski prikaz geotermalnog resursa STS

5

6


Duž zapadne i sjeverne obale Meksi kog zaljeva postoji znaajan energetski resurs koji se naziva geotlani, tj. ležišta tople vode pod visokim su tlakom. Geotla na ležišta duž Meksikog zaljeva su nastala stalnim taloženjem sedimenata koji su stvorili optere ene i razdvojene slojeve. (Slika 6.)

Slika 6. Shematski prikaz geotlanog geotermalnog sustava

Toplina magme – taj geotermalni resurs potjee direktno iz magme, koja je u tom sluaju relativno blizu površine zemlje.

1.3 Klasifikacija geotermalnih izvora Mogua podjela geotermalnih ležišta je prema termodinamikim i hidrološkim osobinama te s obzirom na nain ulaska i izlaska vode iz ležišta. Jedna od najvažnijih i naj eših klasifikacija geotermalnih izvora se temelji na temperaturi geotermalnog fluida, koji služi kao prijenosnik topline s vru e stijene na površinu, tako da se geotermalni izvori dijele na: niskotemperaturne, srednjotemperaturne i visokotemperaturne, kako se vidi iz tablice 1. Tablica 1: Kategorizacija geotermalnih izvora prema

temperaturi ležišnog fluida

(a)

(b)

(c)

(d)

<90

<125

<100

≤150

Srednjetemperaturni resursi

90-150

125-225

100-200

-

Visokotemperaturni resursi

>150

>225

>200

150

Niskotemperaturni resursi

Izvori: a- Muffler i Cataldi, 1978.; b- Hochstein, 1990.; c- Benderitter and Cormy, 1990.; d- Haenel i dr.

1.4 Svjetski resursi i naini korištenja geotermalne energije Današnje procjene dostupnih, sveukupnih zaliha geotermalne energije, variraju izme u 140 000 000 i 117 000 000 EJ. Tablica 2 pokazuje njihovu rasp rostranjenost diljem svijeta. No, samo oko 4 ‰ od tih ukupnih zaliha se smatra korisnim i dostupnim, a od toga samo 1 ‰ smatramo resursima. Na kraju se tek 10 % od tih resursa, tj. njihov najdostupniji dio, smatra geotermalnim rezervama. Pa ma kako se malenom inila, ta koliina ipak nadvisuje svjetsku godišnju potrošnju primarne energije od 420 EJ u 2001. godini. Stoga, a i zbog njene široke rasprostranjenosti diljem svijeta, te dostupnosti u bilo koje vrijeme, tehnološke mogu nosti korištenja geotermalne energije, a ne njena koliina, odredit e njen budui udio u ukupnoj energetskoj potrošnji.

7


Geotermalna energija se može koristiti izravno, kao toplina, tj. bez daljnjih pretvorbi, što se naziva izravnim korištenjem, ili se uz odre ene gubitke može pretvoriti u neke druge oblike energije. Za proiz vodnju elektrine energije potr ebno je prvo toplinsku energiju pret voriti u mehani ku, a nakon toga u elektrinu. Izravnim korištenjem se resursi koriste efikasnije nego pri proizvodnji elektrine energije, jer nema znatnih gubitaka kao kod pretvorbe toplinske energije u elektrinu. Tablica 2 prikazuje procjenu svjetskog geotermalnog potencijala za proizvodnju elektri ne energije i za izravno korištenje toplinske energije geotermalnog fluida: Azija i Europa imaju najvee razvojne subjekte za izravno korištenje toplinske e nergije; Azija i Amerika ostvaruju najve u proizvodnju elektrine energije iz geotermaln ih ležišta; Azija je danas najvei korisnik geotermalne energije, ako se promatra proizvodnja elektrine energije i izravno korištenje. 











Tablica 2: Geotermalni resursi po pojedinim regijama svijeta

Područje

Europa Azija Afrika Sjeverna Amerika Latinska Amerika Oceanija SVIJET UKUPNO

Visokotemperaturni izvori (proizvodnja električne energije) Konvencionalna Konvencionalna tehnologija tehnologija, i binarna tehnologija, TWh/god TWh/god 1 830 3 700 2 970 5 900 1 220 2 400 1 330 2 700 2 800 5 600 1 050 2 100 11 200 22 400

Niskotemperaturni izvori (izravno korištenje) EJ/god (donja granica) > 370 > 320 > 240 > 120 > 240 > 110 > 1 400

Na slici 7. i u tablici 3 su prikazani razliiti naini izravnog korištenja geotermalne energije, odnosno za to potrebne temperature geotermalnog fluida, tzv. Lindalov dijagram.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Slika 7. Mogunosti izravnog korištenja geotermalne energije: a) za kupanje i medicinske svrhe; b) zagrija-

vanje staklenika; c) uzgajanje riba; d) za zaštitu od poledice; e) zagrijavanje zgrada; f) toplinske pumpe

8


Tablica 3: Razliiti naini izravnog korištenja geotermalne energije

i za to potrebne temperature geotermalnog fluida 0

Temperatura, C

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

Proces Isparavanje visoko koncentriranih otopina Hlaenje apsorpcijom amonijaka Vrenje pulpe papira Proizvodnja teške vode procesom vodik-sulfid Sušenje dijatomejske i infuzorijske zemlje Vrenje pulpe papira Sušenje ribe u prehrmbenoj industriji Sušenje drva Proizvodnja aluminija Bayerovim procesom Sušenje poljoprivrednih proizvoda u velikim koliinama Konzerviranje hrane Isparavanje vode u še eranama Izluivanje soli isparavanjem i kristalizacijom Dobivanje pitke vode destilacijom Veina kombiniranih isparavanja Koncentracija slanih otopina Sušenje i stvrdnjavanje cementnih blokova Sušenje organskih materijala (morskog raslinja, trave, povr a, itd.) Pranje i sušenje vune Sušenje bakalara Procesi brzog odleivanja Grijanje prostora (zgrada i staklenika) Hlaenje (niska temperaturna granica) Stoarstvo Staklenici s kombiniranim grijanjem prostora i zemlje Uzgoj gljiva Balneoologija Grijanje tla Bazeni, biorazgradnja, fermentacija Topla voda za grijanje rudnika u hladnim krajevima Odleivanje Uzgoj riblje mlai i kornjaa Uzgoj riba

Iz dijagrama se može vidjeti da primjena u poljoprivredi i za uzgoj riba, zahtijeva najniže temperature, a slijedi grijanje prostora i industrijska primjena. Geotermalne elektrane, koje se danas nalaze u radu, mogu se podijeliti na tri osnovna tipa: postrojenja sa suhom parom, postrojenja s isparavanjem (jednostrukim i dvostrukim) te binarna postrojenja. Koji e tip postrojenja biti instaliran, zavisi o vrsti ležišta. Slika 8. prikazuje podru  ja primjene osnovnih tipova geotermalnih elektrana, zavisno o jedini noj snazi i temperaturi ležišta.

Slika 8. Podru ja primjene osnovnih tipova

geotermalnih elektrana


Proizvodnja mehanikog rada pomou geotermalne energije zahtijeva paru za pogon turbina. Suha se para direktno odvodi u geotermalnu elektranu sa suhom parom, gdje ekspandira u turbini, obavljajui koristan mehaniki rad za pogon elektri nog generatora (slika 9.a). Za proizvodnju elektrine energije iz toplom vodom dominantnih geotermalnih ležišta, koriste se geotermalne elektrane s jednostrukim ili dvostrukim isparavanjem (slika 9.b). Topla voda isparava u jednom ili dva separatora (isparivaa) a nastala para se odvodi na ekspanziju u jednu ili dvije turbine. Ako ne postoje prirodna ležišta pare, ona se može proizvesti u vru im suhim stijenama ili tzv. naprednim geotermalnim sustavima. Na nižim temperaturnim razinama para za pogon turbina može se dobiti posredno, isparavanjem fluida koji imaju nižu to ku kljuanja od vode. Ciklus je poznat kao Organski Rankineov ciklus (ORC) pošto su na samom po etku korištene organske tvari kao toluol (C 7H8), pentan (C5H12), propan (C3H8) te ostali ugljikovodici (slika 9.c). Odnedavno je u probnom pogonu i tzv. Kalina ciklus, koji kao radni fluid koristi mješavinu vode i amonijaka (NH3).

a)

b)

c) Slika 9. Geotermalna elektrana sa suhom parom (a),

s dvostrukim isparavanjem (b) i s binarnim ciklusom (c)

9

10


Geotermalne elektrane danas proizvode preko 9730 MW elektri ne energije u preko 20 zemalja svijeta, opskrbljujui oko 60 milijuna ljudi, uglavnom u zemljama u razvoju. (Slika 10.) Više o naješe korištenim tipovima geotermalnih elektrana u poglavlju 2.

Slika 10. Instalirana snaga geotermalnih elektrana u svijetu, 2007.godine

2. Tipovi geotermalnih elektrana 2.1 Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem Geotermalne elektrane s isparavanjem koriste vodom dominantna ležišta vlaž ne pare, kod kojih veinu visokotemperaturnog geotermalnog resursa ini voda pod tlakom. Proizvodnja elektrine energije iz takvih polja se ostvaruje pomo u isparavanja kapljevitog geotermalnog fluida, u jednom ili nekoliko isparivaa na površini. Koriste se postrojenja s jednostrukim, dvostrukim i trostrukim isparavanjem. Geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem su glavni oslonac geotermalne proizvodnje. Postrojenja s jednostrukim isparavanjem ine 29 % svih geotermalnih postrojenja i približno 40 % ukupno instaliranih geotermalnih kapaciteta u svijetu. Jedini ne snage se kreu od 3 do 90 MW, dok je prosjena snaga 28,1 MW po jedinici. Pod terminom "sustav s jednostrukim isparavanjem" podrazumijevamo da je geotermalni fluid podvrgnut jednostrukom procesu isparavanja, tj. procesu prijelaza iz kapljevine pod tlakom u mješavinu kapljevine i pare, kao rezultat pada tlaka geotermalnog fluida ispod tlaka zasienja koji odgovara temperaturi fluida. Na slici 11. je prikazana toplinska shema s glavnim komponentama postrojenja s jednostrukim isparavanjem, koje izvodi prethodno opisani ciklus. Na svakoj proizvodnoj bušotini (PW) je spojena oprema za regulaciju i nadzor toka geotermalnog fluida od bušotine prema elektrani. Ta oprema sadrži: nekoliko ventila (W V), napravu za prigušenje zvuk a (S), cjevovod i instrumentaciju (mjerni ure aji za tlak i temper aturu). Ako se koriste separatori na ušu bušotine, ciklonski separator (CS) bit e smješten tik do uša na istoj ploi. Para se odvodi iz središta posude pomo u vertikalne cijevi koja izlazi van na dnu. Para tada prolazi kroz kuglasti kontrolni ventil (BCV) i odvodi se prema strojarnici.


Slika 11. Toplinska shema geotermalne elektrane s

jednostrukim isparavanjem:

PW-proizvodna bušotina; WV-ventil proizvodne bušotine; PR- separator estica; SP-parovod; MR-separator vlage; CSV-brzozatvarajui i regulacijski ventili; SE/C-ejektor pare s kondenzatorom; T/G-turbina s generatorom; C-kondenzator; CP-pumpa kondenzata; CT-rashladni toranj; CWP-pumpa rashladne vode; IW-utisna bušotina

Prije nego je para uvedena u turbinu, iz pare moraju biti odstranjene i najfinije kapljice vlage koje mogu nastati u parovodu, a uspjele su pro i kroz odstranjivae vlage. Separator vlage (MR) je esto smješten izvan strojarnice. Para iz turbine se kondenzira pomou površinskog tipa kondenzatora (C) kakav je prikazan na slici 11., ili u kondenzatoru, miješanjem s atmosferskim tlakom ili tlakom nižim od atmosferskog. Danas veina postrojenja koristi površinske kondenzatore u kojima geotermalni fluid struji oko cijevi sa strane plašta, dok rashladna voda struji kroz cijevi. To omogu ava da geotermalni fluid i rashladna voda budu i fizi ki i kemijski odvojeni, te uinkovitije udaljavanje i tretman nekondenzirajuih plinova. Za tu se svrhu koriste parni mlazni ejektori s naknadnim hla dnjakom (SE/C). Rashladna voda se obi no dovodi iz rashladnog tornja koji recirkulira dio kondenzirane pare koja se ohladi parcijalnim isparavanjem uslijed strujanja zraka (oznake CT i CWP). To zna i da geotermalne elektrane s jednostrukim isparavanjem ne trebaju zna ajne zalihe rashladne vode, što je velika prednost u sušnim podru jima. Potrebna je mala koliina svježe vode, tek da bi se nadoknadilo ono što je isparilo iz rashladnog tornja. Procesi koje izvodi geotermalni fluid mogu se najbolje prikazati u T-s dijagramu. T-s dijagram za geotermalnu elektranu s jednostrukim isparavanjem prikazan je na slici 12 .

Slika 12. T-s dijagram ciklusa geotermalne elektrane s

jednostrukim isparavanjem

Postrojenje s dvostrukim isparavanjem predstavlja poboljšanje u odnosu na postrojenje s jednostrukim isparavanjem jer daje 15-25 % više izlazne snage za iste uvjete geotermalnog fluida.

11

12


2.2 Geotermalne elektrane s binarnim ciklusom Geotermalne elektrane koje izvode binarni ciklus su najbliže po termodinami kom principu termoelektranama na fosilna goriva ili nuklearnim elektranama kod kojih radni fluid izvodi stvarni zatvoreni ciklus. Radni fluid, odabran prema povoljnim termodinami kim svojstvima, prima toplinu od geotermalnog fluida, isparava, ekspandira u turbini, kondenzira se, te se vra a u ispariva pomou napojne pumpe. Prva binarna geotermalna elektrana stavljena je u pogon u malom selu Paratunka nedaleko mjesta Petropavlovsk na ruskom otoku Kamatka 1967. godine. Imala je snagu 670 kW, te je opsluživala malo selo i nekoliko farmi, kako elektri nom energijom tako i toplinom za potreb e staklenika. Radila je uspješno niz godina, dokazujui koncept binarnih postrojenja kakva se koriste i danas. Binarna postrojenja su naješe korišten tip geotermalnih elektrana. ine oko 33 % svih geotermalnih elektrana u radu, ali proizvode samo 3 % od ukupne snage. O igledno, prosjena snaga po jedinici je mala, samo 1,8 MW, iako se koriste i jedinice sa snagama 7-10 MW s tzv. naprednim ciklusom. Binarna postrojenja omoguavaju pretvorbu geotermalne topline iz niskotemperaturnih ležišta tople vode (tzv. vodom dominantnih ležišta) s temperaturom preko 85 °C u elektri nu energiju. Takoer, ta je tehnologija pogodna i za eksploataciju srednjotemperaturnih izvora s vlažnom parom, s visokim omjerom voda/para, kod temperatura koje su preniske za prakti nu primjenu sustava s isparavanjem. Binarna postrojenja pretvaraju toplinu srednjotemperaturnih izvora u elektrinu energiju efikasnije nego ostale tehnologije. Kod binarnih postrojenja izmjenjiva  topline prenosi toplinu s geotermalnog fluida dobavljenog iz proizvodne bušotine u primarni krug, na lako hlapljivi radni fluid u sekundarn om krugu, kao što su halogeni ugljikovodici (npr. freon, frigen), propan (C 3H8), izobutan (C4H10), pentan (C5H12), amonijak (NH3). Taj je termodinamiki ciklus poznat kao Organski Rankineov ciklus (ORC) pošto su se na poetku kao radni fluidi koristile organske tvari. Radni fluid u sekundarnom krugu isparava u ispariva u pomou geotermalne topline iz primarnog kruga. Para ekspandira prolaskom kroz turbinu (u ovom se slu aju esto naziva "organska turbina"), koja je spojena s elektrinim generatorom. Ispušna para se kondenzira u vodom ili zrakom hla enom kondenzatoru, a kondenzat se napojnom pumpom vra a u ispariva. Tehnologija binarnih postrojenja se pojavljuje kao najisplativiji, najefikasniji i najpouzdaniji nain za pretvorbu velikog broja niskotemperaturnih izvora u elektri nu energiju. Njih ima dosta u svijetu, pa su stoga postrojenja s ORC u posljednjih 30 godina instalirana u zna ajnom broju. To znaajno proširuje spektar lokacija pogodnih za proizvodnju elektri ne energije iz geotermalne energije. Izvodljiva je decentralizirana proizvodnja elektri ne energije iz geotermalne energije s jedinicama ija snaga varira od 0,1 do ak 100 MW i ini je ekonomski atraktivnom u mnogim udaljenim ili manje razvijenim podru jima svijeta. Takoer se potie proizvodnja iz nisk otemperaturnih izvora i u razvijenim zemljama, gdje financijske inicijative promoviraju tehnologije za proizvodnju elektri ne energije uz nisku emisiju CO2. Ako je temperatura geotermalnog fluida 150 °C ili niže, postaje teško, ali ne i nemogu e, izvesti postrojenje s isparavanjem koje može efikasno i ekonomino pretvarati geotermalnu energiju u elektrinu. Niže temperature geotermalne vode stavljaju u još teži položaj postrojenje s isparavanjem. Kod tako niskih temperatura malo je vjerojatno da bušotine budu samoizljevne, a ako jesu, postoji velika vjerojatnost nastajanja kalcijevog karbonata u bušotinama. U najjednostavnijem obliku, binarno se postrojenje može prikazati pomo u toplinske sheme prikazane na slici 13. Proizvodna bušotina (PW) je opremljena pumpom (P) koja je prema karakteristikama ležišta i zahtijevanog protoka ugr aena na potrebnu dubinu, zbog sprje avanja isparavanja. Separator pijeska (SR) sprjeava eroziju cjevovoda i cijevi izmjenjiva a topline. Ovdje je proces zagrijavanja i isparavanja u dva koraka, i provodi se prvo u predgrija u (PH)

13


gdje se radni fluid dovodi do stanja vrele kapljevine i iz ispariva a (E) se odvodi kao suhozasiena para. Geotermalni fluid se cijelo vrijeme drži pri tlaku iznad to ke njegova isparavanja, kako bi se sprijeilo nastajanja pare i nekondenzirajuih plinova koji mogu dovesti do izlu ivanja kalcijeva karbonata u cijevima. Štoviše, temperaturi fluida se ne dozvoljava da padne do toke na kojoj izlu ivanje kalcijeva karbonata postaje zna ajan problem u predgrijau, te u cjevovodima i nizvodno u utisnoj bušotini. Ovakvom se regulacijom mogu eliminirati mogu i kemijski problemi.

Slika 13. Geotermalna elektrana s binarnim ciklusom (oznake kao na slici

11.)

Termodinamiki ciklus koji izvodi radni fluid je prikazan na slici 14., u tlak-entalpija dijagramu, tj. u p-h dijagramu. Taj se dijagram naješe koristi kod rashladnih i klimatizacijskih ciklusa, ali takoer i za geotermalne binarne cikluse.

Slika 14. p – h

dijagram za geotermalnu elektranu s osnovnim binarnim ciklusom

Retrogradni oblik linije suhozasiene pare ima pozitivan zna aj za Rankineov ciklus. Proces ekspanzije u turbini u potpunosti se odvija u podru  ju pregrijane pare, pa ne postoji problem sa stru janjem vlažne pare i njome povezane erozije lopatica i smanjenja izentropske iskoristivosti turbine. Nedavno je iskoristivost binarnih postrojenja dalje poboljšana uvo enjem Kalina tehnologije. Mješavina vode i amonijaka ve  se dugo vremena koristi kod apsorpcijskih rashladnih ciklusa, no sve dok A. Kalina nije patentirao Kalina ciklus, taj postupak nije korišten za cikluse koji daju korisni mehaniki rad, odnosno snagu. Zna ajke po kojima se Kalina ciklus (postoji nekoliko vari janti) razlikuje od ostalih binarnih ciklusa su sljedee: 1. Radni fluid je binarna m ješavina H2O i NH3 2. Isparavanje i kondenzacija se ostvaruju uz promjenjivu temperaturu 3. Ciklus sadrži rekuperaciju topline ispušne pare iz turbine 4. Kod nekih varijanti sastav mješavine može biti promjenjiv tijekom ciklusa

14


Kao rezultat, Kalina ciklus pokazuje poboljšane termodinami ke karakteristike izmjenjivaa topline, smanjujui gubitke povezane s prijelazom topline uz kona ne temperaturne razlike. Izmjenjivai su namješteni tako da se ostvaruje bolje sparivanje izmeu geotermalnog fluida i mješavine na hladnom kraju procesa prijelaza topline, gdje su poboljšanja o uvanja energije i najvrjednija. Postrojenje je složenije nego osnovno binarno postrojenje, posebice kada se koristi destilacijska kolona za promjenu sastava (koncentracije) mješavine. Najjednostavnija konfiguracija Kalina ciklusa s promjenjivim sastavom radnog fluida je prikazana na slici 15. Separator (S) generira suhozasienu paru koja je bogata amonijakom i koja se odvodi u turbinu, što omogu ava korištenje manje i jeftinije turbine nego u sluaju kada je radni fluid ugljikovodik. Siromašna otopina, kapljevina bogata vodom, koristi se za predgrija i nakon toga prigušuje do tlaka na izlasku iz turbine prije miješanja s bogatom otopinom, zbog uspostavljanja primarnog sastava. Mješavina se tada koristi u rekuperativnom predgrijau (RPH) prije nego je u potpunosti ukapljena.

Slika 15. Kalina ciklus s

promjenjivim sastavom voda-amonijak radnog fluida (oznake kao na slici 11.)

Mogua poteškoa kod Kalina ciklusa, koja je uobi ajena i kod svih ostalih ciklusa koji teže visokoj iskoristivosti, je postizanje jako male temperaturne razlike u "pinch" to ki kod izmjenjivaa topline. Prednost promjenjive temperature kondenzacije je umanjena, jer su izobare, pri ko ndenzaciji amonijakom bogate NH3 –H2O mješavinom, korištene kod ciklusa za dobivanje korisne snage, konkavne prema gore, što dovodi do "pinch" to ke. Stoga su ovdje relativno velike temperaturne razlike na poetku i na kraju procesa kondenzacije.

3. Dizalice topline 3.1 Openito o dizalicama topline Dizalice topline smatraju se visokouinkovitim sustavima za proizvodnju toplinske energije. Primjenjuju se u svim veliinama, od onih najmanjih za grijanje stanova, pa sve do sustava koji služe za grijanje itavih naselja. Koriste se za niskotemperaturne sustave grijanja, s temperaturom polaznog voda ve od 35 °C u slu aju površinskog grijanja, te s temperaturom polaznog voda do 55 °C kod zagrijavanja PTV-a. Dizalica topline posreduje u prijenosu topline izme u dva toplinska spremnika: niskotemperaturnog spremnika u koji se odvodi toplina i pritom se hladi, te visokotemperaturnog toplinskog spremnika u koji se ta toplina uveana za energiju kompresije dovodi i pritom se grije. Sustav dizalice topline sastoji se od tri kruga:


kruga izvora topline kruga radne tvari i kruga ponora topline Sluaj grijanja objekta prikazan je na slici 16. Kod otvorenih sustava podzemna voda struji neposredno preko isparivaa dizalice topline. Kod sustava s izmjenjivaem topline, u tlu, kao posrednik u prijenosu topline u zatvorenom krugu struji glikolna smjesa, povezuju i izmjenjiva topline u tlu s isparivaem radne tvari. Ogrjevni mediji sustava grijanja, koji u ovom slu aju za dizalicu topline predstavljaju ponor topline, mogu biti voda ili zrak. Voda se koristi u slu aju primjene površinskih sustava grijanja, ventilokonvektora ili radijatora. U nekim sluajevima um jesto vode se zagrijava zrak, neposredno na kondenzatoru dizalice topline i razvodi po objektu putem kanala za zrak. 





kond

isp

Pkomp

Slika 16. Shematski prikaz dizalice topline u režimu grijanja

Dizalica topline može raditi u režimu hlaenja i režimu grijanja. Ugradnjom etveroputnog ventila isti se ureaj može prilagoditi i za rad u režimu hla enja. U tom sluaju ponor topline postaju tlo, podzemna voda ili okolišni zrak, dok se toplina hla enog prostora odvodi na ispariva u dizalice topline posredstvom zraka ili vode/glikolne smjese. Uinkovitost dizalica topline znaajno ovisi o vrsti izvora topline. Kao niskot emperaturni toplinski spremnici koriste se voda (rije na, jezersk a, morska i podzemna), zrak, otpadna toplina, suneva toplina, ili se toplina isparivau dovodi posredstvom izmjenjivaa topline koji se polaže u zemlju, pri emu tlo predstavlja toplinski spremnik. Mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu, korištenje dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline (plitkih geotermalnih potencijala) bilježi jedan od najbržih porasta u podru  ju primjene obnovljivih izvora energije. Procjenjuje se da je u svijetu instalirano 1,7 milijuna geotermalnih dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline, u inka grijanja 18 GW, J. Spitler, 2008. Ovakvi su sustavi široko prihva eni u tehnološki razvijenom svijetu, primjerice u Švedskoj, SAD-u, Njemakoj, Švicarskoj, Austriji i Francuskoj. Dizalice topline povezane s tlom plitkih geotermalnih potencijala koriste toplinu zemljine kore, u veini sluajeva do 200 m dubine. Najve i broj izvedenih sustava s dizalicom topline je s bušotinskim izmjenjivaima topline (BIT) u vertikalnoj izvedbi. Procjenjuje se da je u Europskoj uniji krajem 2008. godine bilo ugra eno više od 800 000 BIT ukupne snage 8,92 GW.

15

16


3.2 Princip rada dizalice topline Dizalice topline se dijele prema vrsti kompenzacijske energije na: kompresijske dizalice topline -koriste mehaniki rad za pogon ureaja sorpcijske dizalice topline- koriste toplinsku energiju za pogon ure aja (apsorpcijske i adsorpcijske dizalice topline) Budui da su u praksi veim dijelom u primjeni kompresijske dizalice topline, one e stoga biti zastupljenije u nastavku ovog priru nika. Dizalica topline (heat pump, Wärmepumpe) je svaki ureaj koji podiže toplinsku energiju s niže na višu energetsku razinu (temperaturu) uz privedeni vanjski rad, s ciljem korištenja toplinske energije više razine. Primarni cilj je korištenje toplinske energije izmijenjene na visokotemperaturnom izmjenjivau (kondenzatoru), npr. za grijanje. Suprotmo tome rashladni ure aj koristi toplinsku energiju izmijenjenu na niskotemperaturnom izmjenjivau (isparivau). Dakle, svaki rashladni ureaj istovremeno je i dizalica topline, jer bitno je koji je primarni cilj, korištenje rashladne ili ogrjevne energije. Svaka kompresijska dizalica topline (rashladni ureaj) sastoji se od etiri osnovne komponente unutar kojih struji radna tvar (slika 17.a): kompresor kondenzator prigušni ventil ispariva 











T

k

2

Tgr

Tk ,p k

T p 3

To 4

b)

a)

Ti ,p i

1

qo s

log p Tgr To

p k ,Tk

3 3'

2''

2 Tkomp

Tgr To 4

t s n o k = s

pi ,Ti

Tk

1 Ti

c)

qo

q k

w

Promjene stanja u ljevokretnom kružnom procesu: – isparivanje: promjena 4 -1 (T i , pi) – kompresija: promjena 1- 2 ( pi  pk ) – kondenzacija: promjena 2-3 (T k , pk ) – prigušenje: promjena 3-4 p( k  pi)

h

Slika 17. a) Shematski prikaz kompresijske dizalice topline s tijekom energije b) Proces prikazan u T-s dijagramu c) Proces prikazan u log p-h dijagramu

17


U isparivau radna tvar isparava pri tlaku isparavanja ( promjena stanja 4-1, slika 17.) naješe pri konstantnoj temperaturi, primajui toplinu s medija-izvora topline (zraka, vode ili tla) ko jeg hladi. Temperatura isparavanja je uvijek niža od temperature izvora topline kojemu se oduzima toplina. Radna tvar na ulazu u ispariva je pretežno u kapljevitom stanju (stanje 4), dok je r adna tvar na izlasku iz isparivaa u suho zasienom ili blago pregrijanom stanju (stanje 1). Kompresor je onaj element dizalice topline koji omoguuje prijenos topline s izvora topline (niže temperature) na ponor topline (više temperature) i zato se njemu mora dovoditi rad. Toplinu nije mogue prirodnim putem prenositi s tijela niže temperature na tijelo više temperature. Kom presor isisavanjem par e radnoj tvari snižava tlak i na taj na in umjetno ostvaruje nižu temperaturu radne tvari od temperature medija od kojeg se preuzima toplina i koji se hladi. Kompresor usisava suhozasienu paru radne tvari s tlaka isparavanja i komprimira je na tlak kondenzacije ( promjena stanja 1-2), odnosno na temperaturu koja je viša od temperature ogrjevnog medija. Kompresor ne smije usisavati kapljevinu, jer bi moglo doi do hidraulikog udara. Toplinu, koju je radna tvar u isparivau preuzela na sebe, uve anu za energiju privedenu u kompresoru, potrebno je u kondenzatoru predati ogrjevnom mediju. Da bi to bilo mogu e temperatura radne tvari u kondenzatoru mora biti viša od temperature ogrjevnog medija koji preuzima toplinu kondenzacije (voda ili zrak). U kondenzator radna tvar ulazi kao pregrijana para (stanje 2), predajui toplinu ogrjevnom mediju. Prvo se ohladi do temperature kondenzacije, pri emu se daljnjim odvoenjem topline radna tvar kondenzira. Predavanjem topline vodi ili zraku kondenzacija napreduje, sadržaj pare u kondenzatoru sve se više smanjuje, a udio kapljevine raste. Radna tvar na izlazu iz kondenzatora je sva u kapljevitom stanju. Za bolju u inkovitost ureaja poželjno je da se radna tvar na izlazu kondenzato ra ohladi za nek oliko stupnjeva, odnosno da temperatura radne tvari na izlazu iz kondenzatora bude za 3 do 5 °C niža od temperature kondenzacije. Najvei dio izmijenjene topline u kondenzatoru se ostvari prilikom promjene agregatnog stanja iz parne u kapljevitu fazu (izmjena latentne topline), dok se manji dio izmijeni hla enjem pregrijanih para i hlaenjem kondenzata. Toplina kondenzacije (promjena stanja 2-3 ) koju je potrebno predati ogrjevnom mediju sustava grijanja jednaka je toplini (energiji) izmijenjeno j u isparivau, i uveanoj za energiju koja je dovedena kompresoru: qkond = qisp + wkomp,  kJ/kg , qkond qisp wkomp

odnosno  kond =  isp + P komp, W,

– specifini uinak kondenzatora, kJ/kg – specifini uinak isparivaa, kJ/kg – rad kompresora, kJ/kg

(1)

 kond – uinak kondenzatora, W  isp – uinak isparivaa, W P komp – snaga kompresora, W

Nakon što je radna tvar toplinsku energiju predala ogrjevnom mediju sustava grijanja i kondenzirala, sve se odvija pri visokom tlaku. U kapljevitom stanju ulazi u prigušni ventil koji služi za snižavanje tlaka radne tvari, s tlaka kondenzacije na tlak isparavanja, pri emu pada i temperatura radne tvari, promjena stanja 3-4 . Prilikom prigušenja radne tvari dolazi do ekspanzije radne tvari pa je na ulazu u ispariva još uvijek radna tvar najve im dijelom u kapljevitom stanju, ali sadrži i parnu fazu. Ovim je kružni proces zatvoren. Uinkovitost kompresijske dizalice topline iskazuje se faktorom grijanja (toplinski množitelj). Faktor grijanja  gr (engl. coefficiente of performance – COP ) definiran je kao omjer u inka kondenzatora i kompresoru privedene snage :  gr 

qkond

w komp



 kond P komp

Faktor hlaenja  hl (engl. energy efficiency ratio – EER ) rashladnog ureaja definiran je kao omjer uinka isparivaa i kompresoru privedene snage:

18


 hl  EER  

qisp wkomp



 isp P komp

Prosjeni toplinski množitelj, ovisno o temperaturama toplinskog izvora i ponora, naješe doseže vrijednosti od 2,5 do 5. To npr. zna i da za 1 kW elektrine snage privedene dizalici topline, ostvareni toplinski uinak dizalice topline može biti i nekoliko puta vei, odnosno 2,5 do 5 kW. Uinkovitost dizalice topline smanjuje se s padom temperature toplinskog izvora, ali i s porastom temperature ogrjevnog medija na izlazu iz kondenzatora. Naj eše su sustavi za grijanje s dizalicom topline namijenjeni za niskotemperaturno grijanje prostora (ako se radi o vodi, temperaturni režim npr. 45/35 °C) te za zagrijavanje potrošne tople vode. Pravilo koje vrijedi je: što je manja temperaturna razlika izmeu temperature toplinskog izvora (zrak, voda, tlo) i temperature toplinskog ponora (zraka ili vode koja se grije), to e vei biti uinak grijanja i manja snaga kompresora, odnosno bit e vei toplinski množitelj. (Slika 18.) Od toplinskog množitelja dizalice topline u standardnim ili aplikacijskim tokama, relevantniji je godišnji toplinski množitelj  gr,G (engl. Sesonal performance factor – SPF) koji se koristi za potrebe odreivanja energetske uinkovitosti dizalice topline:  gr ,G 

QDT  E

a definiran je kao omjer stvarno dobavljene toplinske energije tijekom godine (QDT) i tijekom godine ukupno utrošene energije ( E ) za pogon kompresora, pum pi, ventilatora te sustava za odleivanje isparivaa. 





  

Slika 18. Ovisnost toplinskog množitelja o temperaturama isparivanja i kondenzacije 5

Proraun uinkovitosti dizalice topline dan je u normi HRN EN 15316-4-2. Norma odre uje metode prorauna pogonske energije i godišnjeg toplinskog množitelja dizalica topline koji se koriste u sustavima grijanja prostora, dizalicama topline za zagrijavanje potrošne tople vode, te dizalicama topline za kombinirano grijanje prostora i zagrijavanje PTV-a. Preporu ena metoda prorauna je bin metoda. Proraun prema bin metodi podrazumijeva podjelu sezone grijanja na temperaturne intervale (razrede). Za odreivanje trajanja pojedinih temperaturnih intervala koriste


se ulazni podaci o satnoj vanjskoj temperaturi zraka (ispitne referentne godine) za promatranu geografsku lokaciju Metoda uz rezultate ispitivanja za standardne ispitne uvjete dizalice topline prema HRN EN 14511, uzima u prora un i specifine radne uvjete za svaku pojedinu instalaciju.

3.3 Split klima ureaj za hlaenje i grijanje zraka Svaki rashladni ureaj je istodobno i dizalica topline, a bitno je što je primarni cilj, korištenje rashladne ili ogrjevne energije. Preokretanjem procesa, tj. zamjenom uloga ispariva a i kondenzatora, isti ureaj može se koristiti za grijanje ili hlaenje. Slika 19. prikazuje shemu split klima ure aja koji ima mogunost rada u režimu hlaenja i režimu grijanja. kondenzator (isparivac)

prigušni ventil

prekretni ventil grijanje

komp resor

hladenje

isparivac (kondenzator)

prigušni ventil

Slika 19. a) Mogunost rada ureaja u režimu hlaenja, odnosno grijanja b) vanjska i unutarnja jedinica split klima ureaja

Energetska uinkovitost split klima ureaja za hlaenje ocjenjuje se faktorom hla enja  hl za uvjete koji su dani u normi HRN EN 14511 (hl = 27 °C, ok = 35 °C). Primjer:  isp = 3500 W; P EL = 1084 W  hl 

3500  3,23 1084

Valjanost ogrjevnog procesa sa split klima ureajem za grijanje ocjenjuje se faktorom grijanja gr za uvjete koji su dani u normi HRN EN 14511 ( gr = 20 °C, ok = 7 °C). Primjer:  kond = 3850 W; P EL = 1067 W  gr 

3850  3,21 1067

Razvrstavanje split klima ureaja prema energetskoj u inkovitosti Split klima ureaji se razvrstavaju u energetske razrede prema namjeni, ovisno o tome da li se ureaj koristi za hlaenje ili za grijanje. Ako se split klima ure aj koristi u režimu hlaenja, razred njegove energetske uinkovitosti odreuje faktor hlaenja  hl (EER). Npr. ureaj s faktorom hlaenja veim od 3,2 svrstava se u energetski razred A (tablica 4).

19

20


Kada se ureaj koristi za grijanje, relevantan je njegov toplinski množitelj  gr (COP). Npr. ureaj s faktorom grijanja veim od 3,6 svrstava se u energetski razred A u režimu grijanja. Tablica 4: Razredi energetske uinkovitosti split klima ureaja

HLAĐENJE,  hl (EER) Razred energetske učinkovitosti A 3,20 < EER Razred energetske učinkovitosti B 3,20 > EER > 3,00 Razred energetske učinkovitosti C 3,00 > EER > 2,80 Razred energetske učinkovitosti D 2,80 > EER > 2,60 Razred energetske učinkovitosti E 2,60 > EER > 2,40 Razred energetske učinkovitosti F 2,40 > EER > 2,20 Razred energetske učinkovitosti G 2,20 > EER GRIJANJE,  gr (COP) Razred energetske učinkovitosti A 3,60 < COP Razred energetske učinkovitosti B 3,60 > COP > 3,40 Razred energetske učinkovitosti C 3,40 > COP > 3,20 Razred energetske učinkovitosti D 3,20 > COP > 2,80 Razred energetske učinkovitosti E 2,80 > COP > 2,60 Razred energetske učinkovitosti F 2,60 > COP > 2,40 Razred energetske učinkovitosti G 2,40 > COP

Može se zakljuiti da uinkovitost dizalice topline bitno ovisi o temperaturama toplinskih spremnika. Temperatura izvora topline definira temperaturu isparavanja (T i < T o), a temperatura ogrjevnog medija sustava grijanja definira tem peraturu kondenzacije ( T k > T gr ).

3.4 Radne tvari kompresijskih dizalica topline Unutar rashladnog ureaja, odnosno dizalice topline (rashladno-ogrjevni procesi) struji radna tvar, prijenosnik energije. Naješi prijenosnici energije su halogenirani ugljikovodici – "freoni" (R22, R134a, R404a, R407C, R410A, itd.). Radne tvari takoer mogu biti prirodne tvari poput amonijaka, izo-butana, CO2. Odnos tlaka i temperature zasi enja pare radnih tvari, prikazan je krivuljom napetosti na slici 20. Zbog puno nižih pripadnih tlakova zasi enja, radna tvar R134a ima prednost pred ostalim radnim tvarima. Neka druga svojstva ne idu joj u prilog. Toplina isparavanja radne tvari pri karakteristinim temperaturama isparavanja treba biti što vea, da bi za isti uinak isparivaa protona masa radne tvari bila manja. 24

R410A R404a

21

R407C, kapljevita RT 18 r a b , k a l T

R22 NH3

15

R134a

12 9 6 3 0 -40

-30

-20

-10

0

10

20

Temperatura, °C

Slika 20. Krivulja napetosti radnih tvari

30

40

21


3.4.1 Sintetike radne tvari

Halogenirani ugljikovodici dijele se u tri skupine: CFC, HCFC i HFC, a esto im je zajedniki naziv freoni, premda su samo radne tvari iz skupine CFC-a nosile tvorniki naziv "freoni". CFC – klorofluorougljici (engl. chlorofluorocarbons) su potpuno halogenirani derivati zasi enih ugl jikovodika (R11, R12), HCFC – klorofluorougljikovodici (engl. hydrochlor ofluorocarbons) su djelomino halogenirani derivati zasienih ugljikovodika koji sadrže vodik i klor (R22), HFC – fluorirani ugljikovodici (engl. hydrofluorocarbons) su djelomino halogenirani derivati zasienih ugljikovodika koji sadrže vodik, a ne sadrže klor (R134a). Navedene ra dne tvari su halogenirani derivati metana i etana, a dobiju se zamjenom atoma vodika u molekulama metana ili etana s atomima fluora, klora i broma (halogeni elementi). Osim jednokomponentnih radnih tvari u posljedn jih petnaestak godina sve se više koriste smjese od dvije ili tri jednokomponentne radne tvari. Smjese radnih tvari mogu biti zeotropske i azeotro pske. Radne tvari reda 400 su zeotropske smjes e, dok su radne tvari reda 500 azeotropske smjese. Kod radnih tvari reda 400 (npr. R407C) priliko m isparavanja/kondenzacije radna tvar mi jenja temperaturu (klizanje temperature). U nastavku slijedi primjer ozna avanja jednokomponentnih radnih tvari:

Radne tvari koje su štetne za ozonski omotač (R-11, R-12, R-502,…)

Radne tvari (R-22, R-141b) manje štetne za ozonski omotač u odnosu na CFC skupinu.

Nove, ekološki prihvatljive radne tvari koje ne utječu na ozonski omotač (R-134a, R-404a, R-407C, R410A).

3.4.2 Utjecaj radnih tvari na okoliš Brojne tvari koje je proizveo ovjek štetno djeluju na razgradnju ozonskog sloja. Ozonski je sloj važan jer upija ultraljubiasto (UV) sunevo zraenje, sprjeavajui da veina UV-B zraka dopre do zemljine površine (slika 21). Stratosferski je ozon tako er znaajan i za atmosfersku raspodjelu temperatura, jer utjee na klimatske promjene na zemlji. (Slika 22.)

Najvei utjecaj na razgradnju ozonskog sloja imaju ugljikovodici halogenirani s klorom i bromom (CFC-i). Svi oni imaju sljedee znaajke: u donjim slojevima atmosfere jako su postojani, uglavnom netopivi u vodi i otporni na fizi ke i biološke utjecaje, a sadrže klor ili brom (elemente izuzetno reaktivne u slobodnom stanju), te stoga mogu katalitiki razgraivati ozon. Te tvari su poznatije kao tvari koje ošteuju ozonski sloj (TOOS). CFC su se od vremena njihove sinteze (1928. godine) koristili na razli ite naine: kao radna tvar u hladnjacima i klimatizacijsk im ureajima, kao potisni plin u limenkama aerosola, kao sredstvo za ekspandiranje u proizvodnji fleksibilnih pjena za jastuke i madrace, te kao sredstvo za išenje u elektronikoj industriji.

22


Slika 21. UV zaštita ozonskim slojem

Slika 22. Promjena koncentracije ozona s visinom

HCFC-i manje uništavaju ozon od CFC-a, jer ih atom vodika ini manje sta bilnim i podložni jim razgradnji u donjim slojevima atmosfere, sprjeavajui da veina njihova klora do pre do stratosfere. Fluorirani ugljikovodici (HFC) ne sadrže klor i nemaju štetan utjecaj na razgradnju ozonskog sloja. Potencijal razgradnje ozona ODP = 0 (engl. Ozone Depletion Potential ). Iako radne tvari iz skupine HFC-a nemaju utjecaja na razgradnju ozonskog sloja (ODP = 0), svi halogenirani ugljikovodici, pa tako i radne tvari iz skupine HFC-a su stakleni ki plinovi s velikim GWP potencijalom (Potencijal globalnog zagrijavanja GWP engl. Global Warming Potential ). Radna tvar

ODP

R-11 R-12 R-502 R-22 R-134a R-404a R-407C R410A R-717

1 1 0.34 0.055 0 0 0 0 0

20 g.

GWP 100 g.

500 g.

4500 7100 4200 3100 0

3400 7100 4300 1700 1300 3800 1600 1725 0

1400 4100 540 0

3.4.3 Radne tvari i njihove ekološki prihvatljive zamjene Radne tvari CFC (karakteristian predstavnik R12) i HCFC (karakteristi an predstavnik R22) u rashladnim ureajima i dizalicama topline zamjenjuju se tvarima koje ne sadrže po ozon štetan

klor, a u skladu s odrednicama Montrealskog protokola iz 1987. koji je nametnuo primjenu zam jenskih radnih tvari. Osim eksplozivnih ugljikovodika HC (butan, propan) na tržištu se pojavljuju HFC i njihove mješavine. Najpoznatija radna tvar iz HFC sk upine je jednokomponentna radna tvar R134a, koja se uglavnom koristi kao zamjena za R12. Zamjenske radne tvari za R22 u komercijalnim dizalicama topline su zeotropske radne tvari R407C i R410A. S obzirom da radne tvari iz skupine HFC-a imaju zna ajan utjecaj na efekt staklenika, F-gas regulativa (EU 842/2006) današ nja istraživanja u rashladnoj i klima tehnici te dizalicama topline sve više usmjerava na primjenu prirodnih radnih tvari kao što su amonijak, uglji ni dioksid, ugljikovodici, te R1234yf. F-gas regulativa donosi novine u istraživanju i primjeni radnih tvari, a one trebaju imati što manji potencijal globalnog zagrijavanja (mali GWP). (Tablica 5)

23


Tablica 5: Ekološki prihvatljive radne tvari

Radna tvar

Sastav

Zamjena za

R134a

R12, R22

R1234yf

R134a

R600a

R12, R134a 143a/125/134a 52/44/4 % 32/125/134a 23/25/52 % 32/125 (50/50 %)

R404a R407C R410A

GWP100 1300 4 20

Napomena

Kućanski aparati i mali komercijalni rashladni uređaji Automobilski rashladni uređaji

Prikladna za retrofiting U istraživanju Zapaljiva, eksplozivna Pseudo azeotropska RT Klizanje temperature

Kućanski aparati

R502, R22

3800

Pokretne hladnjače za smrznutu robu

R22

1600

Klimatizacija, dizalice topline

-

1725

R744

1

R717

Primjena

R22

0

Split sustavi za hlađenje, dizalice topline Kaskadni rashladni uređaji, dizalice topline Industrijsko hlađenje

Visok tlak Previsok tlak, T kr -niska

Otrovna

3.5 Naini rada dizalice topline Sustavi grijanja s dizalicom topline mogu biti izvedeni tako da dizalica topline bude jedini izvor topline, a može se koristiti i s nekim drugim izvorima topline. Razlikujemo sljedee naine rada dizalica topline: a) monovalentni nain rada b) bivalentno-paralelni nain r ada c) bivalentno-alternativni na in rada Monovalentni nain rada dizalice to pline

Sve toplinske gubitke zgrade (toplinsko optere enje) koj e se izra unava prema normi HRN EN 12831 pokriva iskljuivo dizalica topline. Uinak dizalica topline se projektira prema vanjskoj projektnoj tem peraturi zraka. (Slika 23.) Dizalice topline koje su povezane s tlom (podzemnom vodom ili tlom kao izvorom topline) rade kao monovalentni sustavi grijanja. Ucinak kW projektna tocka

DIZALICA TOPLINE

 DT-15°C

potrebni ucinak grijanja

DIZALICA TOPLINE

-15 °C

20 °C

ok

Slika 23. Monovalentni rad dizalice topline

Trošilo

24


Bivalentno-paralelni nain rada dizalice topline Do odreene vrijednosti vanjske temperature zraka

dizalica topline radi kao jedini izvor topline (slika 24.), a s padom vanjske tem per ature zraka (npr. -3 °C ili niže) ukljuuje se paralelno još j edan topl inski izvor (npr. plinski bojler) . Prikljuenje drugog toplinskog izvora ovisi o vanjskoj temperaturi zraka i potrebnom uinku grijanja. Ova j nain rada koristi se kod dizalica topline kojima je izvor topline zrak. Ucinak kW Pomocni gr ijac

 PG

DIZALICA TOPLINE

projektna tocka

Trošilo


DIZALICA TOPLINE  DT-3°C  DT-15°C

-15 °C

-3 °C

20 °C

ok

Slika 24. Bivalentno-paralelni rad dizalice topline

Bivalentno-alternativni nain rada dizalice topline Do odreene vrijednosti vanjske temperature zraka dizalica topline e biti jedini izvor topline, ko-

ja, ovisno o karakteristici grijanja, odgovar a maksimalnoj temperaturi polaznog voda od 55 °C (slika 25.). Daljnjim padom vanjske temperature zraka uklju uje se drugi izvor topline, koji dalje ostaje jedini u radu (npr. plinski bojler). Toka za promjenu sustava grijanja u ovom primjeru iznosi -1 °C. Ovaj nain rada sustava grijanja koristi se za zgrade s radijatorima kao ogrjevnim tijelima, temperaturnog režima 90/70 °C ili 80/60 °C. Ucinak kW

projektna tocka

 PG

DIZALICA TOPLINE

Pomocni grijac


 DT-1°C DIZALICA TOPLINE -15 °C

-1 °C

20 °C

ok

Slika 25. Bivalentno- alternativni rad dizalice topline

Trošilo


3.6 Dizalica topline za zagrijavanje PTV-a Dizalice topline koje rade s jednostupanjskom kompresijom i u današnje vrijeme uobi ajenim radnim tvarima, mogu ostvariti temperaturu vode oko 50-55 °C. Dizalice topline s dvostupanjskom kom presijom, ili one koje rade po transkritinom procesu s radnom tvari CO2, mogu postii znaajno višu temperaturu potrošne vode. Na slici 26. prikazan je primjer zagrijavanja PTV-a putem kondenzatora smještenog u spremnik PTV-a. izlaz tople vode regulator spremnik kompresor

kondenzator isparivač

prigušni ventil ulaz hladne vode

Slika 26. Dizalica topline zrak voda za zagrijavanje PTV-a

Korištenje topline kondenzacije na rashladnicima vode

Rashladnici kapljevine ("chilleri") koriste se za posredne sustave hla enja. U veini sluajeva u rashladniku kapljevine – rashladnom agregatu, hladi se voda u temperaturnom režimu 12/7 °C. Ohlaena voda cirkulira pomo u pumpi kroz ventilokonvektore koji su postavljeni po prostorijama zgrade i na njima se hladi zrak, ili voda cirkulira kroz hladnjake zraka koji su smješteni u centralnim jedinicama za pripremu zraka, klima-k omorama. Osnovna podjela rashladnika kapljevine prema na inu hlaenja njihovih kondenzatora je na: vodom hlaene kondenzatore zrakom hlaene kondenzatore Ako je kondenzator rashladnog agregata hla en zrakom, agregat se postavlja u slobodnu okolinu, naješe na krovove zgrada. Ako je kondenzator rashladnog agregata hla en vodom, ureaj se instalira u prostoru strojarnice zgrade, a rashladni toranj za vodom hla eni kondenzator nalazi se u slobodnoj okolini. Rashladnici vode koriste se u razli itim industrijskim postrojenjima. Glavnu ulogu imaju u veim klimatizacijskim sustavima za hlaenje zraka, kao što su poslovni objekti, bolnice, ustanove, trgovaki centri. Na slici 27. prikazan je primjer rekuperacije topline pregrijanih para radne tvari i rashladnik vode sa zrakom hla enim kondenzatorom. Toplina pregrijanih para radne tvari na izlazu iz kom presora koristi se za zagrijavanje potrošne tople vode. U praksi je sve ve i broj jedinica koje djelomino ili potpuno koriste toplinu kondenzacije za zagrijavanje potrošne t ople vode. Najviše su u primjeni radne tvari R407C i R410A. 



25

26


Rekuperator

m

Slika 27. Rashladnik vode sa zrakom hla enim kondenzatorom i rekuperatorom topline

3.7 Apsorpcijske dizalice topline Za prijenos topline izmeu dva toplinska spremnika, kao pogonska energija kod apsorpcijskih rashladnih ureaja/dizalica topline koristi se toplinska energija. Umjesto mehanikog kompresora koji se primjenjuje u kompresijskim ureajima, ovdje se kao pogonski stroj koristi tzv. "termiki kompresor", pokretan npr. plinom ili vodenom parom. (Slika 28.) Kao prijenosnik energije u apsorpcijskim dizalicama topline, uz radnu tvar dolazi još i apsorpcijsko sredstvo. Oni zajedno ine radnu smjesu apsorpcijskih ureaja. U praksi se najviše koriste parovi radnih smjesa voda/litijbromid (H2 O/LiBr) i amonijak/voda (NH3/H2O). Kod prvog para smjese primjena je ograniena najnižom dozvoljenom radnom temperaturom koja mora biti viša od 0 °C.

Slika 28. Shematski prikaz apsorpcijske dizalice topline

Toplinski odnos (gr ) jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline definiran je kao:  gr 

a  k a   k   1, 2  1,5  g  P p g

27


Toplinski odnos jednostupanjske apsorpcijske dizalice topline predstavlja omjer toplinskog uinka apsorbera i kondenzatora, u odnosu na toplinski u inak generatora (kuhala). Vrijednosti se kreu od 1,2 do 1,5. Slika 29. daje energetsku usporedbu kompresijske i apsorpcijske dizalice topline, promatraju i lanac pretvorbe energije od primarne do korisne energije (primarni energent je plin).

Slika 29. Energetska usporedba kompresijske i

apsorpcijske dizalice topline 3

3.8 Izvori topline za dizalice topline Za postrojenje dizalice topline od najve eg su znaaja svojstva toplinskog izvora. Može se re i da je postrojenje za grijanje dizalicom topline onoliko dobro, koliko je dobar njegov toplinski izvor. Kao niskotemperaturni toplinski spremnici koriste se voda (rije na, jezerska, morska i podzemna) zrak, otpadna toplina, sunce, a ispariva se može zakopati i u zemlju. U tom sluaju tlo predstavlja toplinski spremnik. Da bi se osigurao ekonomian rad dizalice topline, pred izvor topline se postavlja niz zahtjeva, meu kojima su najvažniji sljedei: toplinski izvor treba osigurati potrebnu koli inu topline u svako doba i na što višoj temperaturi, (slika 30.) troškovi prikljuenja toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti što manji energija za transport topline od izvora do isparivaa dizalice topline treba biti što manja 





Slika 30. Kvalitativan prikaz djelotvornosti i raspoloživosti izvora

topline

3.8.1 Okolišni zrak kao izvor topline Najvei i najpristupaniji ogrjevni spremnik topline za dizalice topline predstavlja okolišni zrak. Orebreni izmjenjiva to pline s prisilnom cirkulacijom zraka koristi se za izmjenu topline izmeu

zraka i radne tvari (slika 31.). Razlika temperature okolišnog zraka, kao izvora toplin e, i radne tvari koja isparuje, kree se od 6 do 10 °C. Kod izbora ovakve izvedbe dizalice topline potrebno je voditi rauna o sljedeem: temperaturi okolišnog zraka za danu lokaciju i stvaranju inja i leda na orebrenim sekcijama isparivaa.

28


Slika 31. Dizalica topline zrak-voda

Loša strana zraka kao izvora topline su promjen e njegove temperature, što znatno utje e na toplinski množitelj dizalice topline. Smanjivanjem temperature okoline smanjuje se i ogrjevni uinak dizalice topline. Ove dizalice topline se ne dimenzioniraju na puno optere enje, odnosno za najnepovoljniju radnu toku, jer bi u najveem dijelu godine sustav bio predimenzioniran. Ovisno o temperaturi vanjskog zraka, toplinski množitelj dizalice topline kree se od 2,5 do 3,5. Za stvaranje leda na la melama i cijevima isparivaa najkritinije su temperature vanjskog zraka od –3 do +2 °C, jer kod tih temperatura vanjski zrak sadrži prili no veliku koliinu vlage, pa je koliina nastalog leda dovoljno velik a da zatvori kanale za prolaze zraka u ispariva u. Niže vanjske temperature nisu toliko kritine, budui da je sadržaj vlage u zraku veoma malen, pa je i koliina nastalog leda mala. Neželjeni utjecaj leda i odle ivanje isparivaa treba uzeti u obzir pri dimenzioniranju dizalice topline. Na temelju dosadašnjeg iskustva s dizalicama topline za grijanje zgrada, koje koriste van jski zrak kao izvor topline, može se re i da se do -5 °C vanjske temperature (u specijalnim slu ajevima do -15 °C) može ekonomski i pogonski opravdano upotrijebiti, a za temperature ispod -5 °C bit e potrebno dodatno grijanje na ulje, plin ili elektrinu energiju. Nedostatak dizalica topline koje rade s vanjskim zrakom kao izvorom topline su jaka buka i velika koliina zraka koja je potrebna zbog njegove male specifi ne topline. Hlaenjem zraka za 6 do 8 °C dobivaju se optimalni odnosi izme u: koliine zraka, veliine ventilatora, veliine isparivaa i toplinskog množitelja. Važno je napomenuti da ugradnjom etveroputnog prekretnog ventila ure aj u ljetno doba može raditi kao rashladni. Dizalica topline zrak-voda s tem peraturama i tlakovima radne tvari u radnoj toki A7/W50 (HRN EN 14511). Na slici 32. prikazani su parametri rada dizalice topline sa zrakom kao izvorom topline temperature +7 °C i temperaturnim režimom vode na kondenzatoru 45/50 °C. Za navedene uvjete dizalica topline s toplinskim u inkom od 10 kW, postiže normirani toplinski množitelj 2,8, pri emu elektrina snaga dizalice topline (kompresor, ventilator ispariva , sustav za odleivanje) iznosi 3,6 kW. Primjer:

29


Tkond=53°C

Tpoth=50°C

Tkomp=73°C

(pothladenje 3°C)

Kapljevinski vod

Tlacni vod

Kondenzator TW1=45°C

TW2=50°C p=14.2 bar

p=14.2 bar

R134a

Prigušni ventil

Kompresor

p=2.6 bar

p=2.6 bar Zrak T=7°C

Usisni vod

Isparivac Tisp=-3°C

Tpr =2°C (pregrijanje 5°C)

Slika 32. Shematski prikaz dizalice topline

zrak-voda s parametrima procesa

Neophodni podaci za proraun dizalice topline su standardni podaci u više radnih toaka o uinku i COP prema normi HRN EN 14511 (tablica 6, slika 33. i sl ika 34.). Tablica 6: Radne toke dizalice topline zrak-voda

Radna točka

Učinak, kW

COP, -

A-7/W35 A2/W35 A7/W35 A20/W35 A-7/W45 A2/W45 A7/W45 A20/W45

8,7 10,6 12,7 15,8 9,1 11 13,2 16,1

3 3,5 4 4,9 2,55 3 3,4 4,1

Dizalica topline zrak-voda

16

W k , e n i l p o 14 t e c i l a z i d a 12 j n a j i r g k a 10 n i U

 pol = 45 °C

 pol = 35 °C



8 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Temperatura okoline, °C

Slika 33. Uinak dizalice topline zrak-voda za temperature polaza 35 °C i 45 °C

30


5

Dizalica topline zrak-voda 4

P O C , a j n a j i 3 r g r o t k a F

 pol = 35 °C  pol = 45 °C

2

1 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Temperatura okoline, °C

Slika 34. Faktor grijanja dizalice topline

zrak-voda za temperature polaza 35 °C i 45 °C

3.8.2 Direktno sunevo zraenje kao izvor topline za dizalicu topline – Solarna dizalica topline

Energija sunca može se koristiti kao izravni izvor topline, ili u kombinaciji s drugim izvorima topline. Zrak, površinske vode i tlo kao izvor topline posredno koriste sun evu energiju. Osnovna prednost izravnog korištenja sun eve energije kao izvora topline je viša tem peratura isparavanja, a time je vei i u inak isparivaa nego kod drugih izvora topline. Rezulta t je vei toplinski množitelj. U usporedbi s klasinim kolektorskim sustavom, kod sustava koji ukljuuju dizalicu topline su uinkovitost kolektora i kapacitet ureaja vei, zahvaljujui nižoj temperaturi medija u solarnom kolektoru (najviše +25 °C).

Slika 35. Shematski prikaz solarne dizalice topline

U Laboratoriju za toplinu i toplinske ure aje na Fakulteta strojarstva i brodogradnje projektiran je i izveden ispitni sustav sa solarnom dizalicom topline (slika 35.). Osim osnovnih komponenti kompresijske dizalice topline, ureaj je opremljen i mjerilima relevantnih veli ina, koje se preko prihv atnog sustava i razvijenog programskog paketa pohranjuju na ra unalu.a N ispitnom sustavu provedena su mjerenja s ostakljenim i neostakljenim izvedbama kolektora. Rezultati po-

31


kazuju velik utjecaj ozraenja, temperature okoline i brzine vrtnje kompresora na karakteristike sustava. Toplinski množitelj, ovisno o temperaturnim uvjetima, doseže vrijednosti od 3 do 7, a nerijetko i više. Parametri sustava pokazuju visoku razinu ustaljenosti u mjernom vremenu, te time prakti ki omoguuju zapis parametara procesa u vremenu od 10 do 15 minuta. Uzimaju i prosjeke prikupljenih podataka, dobiju se stacionarne to ke procesa. Jedan takav zapis rezultata prikazan je u mjernom protokolu u sljedeoj tablici (tablica 7): Tablica 7: Mjerene vrijednosti parametara solarne dizalice topline na dan 23.5.2006. (FSB, Zagreb)

Mjerene veličine Oznaka Temperatura isparavanja  i Temperatura kondenzacije  K Temperatura vode na ulazu u kondenzator  w ul Temperatura vode na izlazu iz kondenzatora  w iz Temperatura okoline  ok pi Tlak isparavanja pK Tlak kondenzacije qmRT Maseni protok radne tvari R134a qmw Maseni protok vode Električna snaga kompresora P EL f Frekvencija EM kompresora Ozračenje I T Proračunske veličine UčINAK ISPARIVAčA  o Na strani radne tvari:  i = qmRT(h1 – h4) UčINAK KONDENZATORA  K Na strani radne tvari:  K = qmRT(h2 – h3)  K Na strani vode:  K = qmw c pw w Toplinski množitelj  g Učinkovitost kolektora  kol

Vrijednost 46 31,6 43,1 31 5,12 11,9 66,9 0,0705 623,3 45 804,4

Jedinica °C °C °C °C °C bar bar kg/h kg/s W Hz W/m2

2881

W

3441 3386 5,43 0,94

W W -

16,9

U usporedbi s klasinim solarnim sustavom, gdje postoje konvektivni gubici kolektora, u slu aju primjene solarnog kolektora u dizalicama topline s izravnom ekspanzijom radne tvari, ti su gubici znatno smanjeni, ili ak postanu prednost kada je temperatura radne tvari, kao u navedenom prim jeru, niža od temperature okoline (ili tonije reeno, ako je temperatura apsorberske plo e niža od temperature okoline). 3.8.3 Vode potoka, rijeka, jezera i mora kao izvori topline Naselja uz potoke, rijeke, jezera i mora imaju esto pristupaan i jeftin izvor topline (slika 36.). Takve se vode mogu obi no koristiti pri temperaturama višim od +4 °C. Niske temperature izvora topline smanjuju toplinski množitelj i ekonominost dizalice topline. Na temelju iskustva i prorauna, temperaturna razlika vode ohla ene u isparivau ne bi trebala biti manja od 4 °C (npr. od 4

do 6 °C). Korištenje dizalica topline s ovakvim izvorima topline ekonomski je opravdano kad je vanjska tem peratura iznad granice od 0 °C. Pri tome veliku ulogu imaju položaj i veliina rijeke ili jezera. Jezera su, zbog ve e akumulacije u pogledu temperature vode, obi no povoljnija od rijeka. Kod dovoljno velikih jezera i na dovoljno velikim dubinama (oko 20 do 30 m), temperatura vode zimi ne pada ispod 5 °C. Nedostatak ovog izvora je ograni enost njegove primjene samo na mali broj potrošaa koji leže uz samo jezero. Za udaljenije potroša e investicijski i pogonski troškovi za crpljenje i povratak vode u jezero su preveliki.

32


Slika 36. Dizalica topline voda-voda

3.8.4 Podzemne vode kao izvor topline Temperatura podzemne vode iznosi u veini sluajeva od 8 do 12 ° C i ovisi o dubini iz koje se

voda crpi. Ova se temperatura tijekom godine tek neznatno mijenja, pa je podzemna voda najpovoljniji izvor topline za pogon dizalice topline. Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i ponorni, a prikazani su na slici 37. Razmak izmeu ovih bunara treba biti što je mogue vei, a po mogunosti ne manji od 10 m. Cr pni bunar treba u svim eta pama pogona imati dovoljnu koliinu vode, odnosno izdašnost crpnog bunara je najvažnija za projektiranje ove dizalice topline.

Slika 37. Dizalica topline voda-voda

Potopljena crpka ugra uje se obino do dubine 15 m, kako bi se smanjili pogonski troškovi pumpe. Ispod pumpe se ostavlja slobodna visina bunara koja omoguava nakupljanje pijeska i neistoa. Promjer bunara je obi no 220 mm ili vei. Protok pumpe za vodu prora unava se na temperaturnu razliku vode na ispariva u od 4 do 5 °C. Za dizalice topline koje koriste vodu kao toplinski izvor, norma HRN EN 14511 odre uje radnu toku W10/W35, pri emu je temperaturni režim vode na isparivau 10/5 °C, a na kondenzato-

33


ru 30/35 °C. Manja temperaturna razlika izme u toplinskih spremnika kao posljedicu ima porast vrijednosti toplinskog množitelja, koji iznosi za komercijalne dizalice topline približno 5,5. (Tablica 8) Za radnu toku W10/W55 toplinski množitelj iznosi približno 3,5. Tablica 8: Radne toke komercijalnih dizalica topline voda-voda prema HRN EN

Parametri / Temperaturni režimi Učinak grijanja, kW El. snaga privedena sustavu, kW Faktor grijanja

W10/W35* 11,6 10,9 2,1 1,9 5,5 5,7

14511

W10/W55** 10,2 9,6 3,0 2,7 3,5 3,6

* Temperaturni režim vode na isparivau: 10/5 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru: 30/35 °C ** Temperaturni režim vode na isparivau: 10/5 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru: 50/55 °C Primjer:

U primorskom dijelu Hrvatske, 80 m od mora, izveden je crpni bunar dizalice topline voda-voda. Na udaljenosti 15 m od crpnog bunara, ugra en je ponorni bunar. Shematski prikaz sustava prikazan je na shemi danoj na slici 38.

Slika 38. Nain spajanja crpnog i ponornog bunara s dizalicom topline

Nakon dvije godine korištenja sustava za grijanje obiteljske kue, temperatura podzemne vode na dubini 22 m iznosi 13,5 °C. U krug podzemne vode ugra en je meuizmjenjiva topline, izraen od titana, kako bi se ispariva zaštitio od korozivnog djelovanja podzemne vode (morska voda). Parametri za dizalicu topline voda-voda, u inka 14,4 kW (VWS 101/2) su sljede i: Temperaturni režim na meuizmjenjivau: – primar 13,5/10 °C – sekundar 6/10 °C Snaga potopljene dobavne pumpe 0,5 kW Dubina bunara 28 m (pumpa postavljena na dubini 22 m) Ispusna cijev u izljevnom bunaru na visini 18 m Ukupni toplinski množitelj za temperaturni reži m ogrjevne vode 35/30 °C iznosi 5,1. 









3.8.5 Tlo kao izvor topline

Tlo predstavlja ogroman toplinski spremnik koji se može koristiti za grijanje i hlaenje prostora. Iako se hlaenje može ostvariti neposrednim korištenjem izmjenjivaa topline u tlu, za grijanje je

34


u pravilu potrebno upotrijebiti dizalicu topline. Ugradnjom prekretnog ventila, dizalica topline se zimi može koristiti za grijanje, a ljeti za hlaenje. Glavna prednost zemlje kao izvora ili ponora topline je u njezinoj rel ativno konstantnoj temperaturi ve timalnoj op  na dubini od 2 m (od 7 do 13 °C), koja omogu uje rad dizalice topline u projektnoj toci, bez dnevnih i sezonskih varijacija. Norm a HRN EN 14511 definiranu radto ku dizalice topline tlo-voda B0/W35 za temperaturni režim glikolne smjese na isparivau 0/-3 °C i temper aturni ežim r vode na kondenzatoru 30/35 °C. Komercijalne dizalice t opline za navedene uvjete im aju faktor g rijanja oko 4,5. (Tablica 9) Faktor grijanja za radnu toku B0/W55 i temperaturni režim vode na kondenzatoru 50/55 °C je zna ajno manji i iznosi oko 3,0. Tablica 9: Radne toke komercijalnih dizalica topline tlo-voda prema HRN EN

Parametri / Temperaturni režimi Učinak grijanja, kW El. Snaga privedena sustavu, kW Faktor grijanja

B0/W35* 10,4 10,8 2,4 2,4 4,4 4,5

14511

B0/W55** 9,5 9,8 3,3 3,3 2,9 3,0

* Temperaturni režim glikolne smjese na isparivau: 0/-3 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru: 30/35 °C ** Temperaturni režim glikolne smjese na isparivau: 0/-3 °C; Temperaturni režim vode na kondenzatoru: 50/55 °C Horizontalna izvedba izmjenjiva a Horizontalna izvedba izmjenjivaa topline

(slika 39.) zahtijeva nešto niže investicijske troškove, ali zbog nedostatka potrebne slobodne površine esto je primjenjiva samo u ruralnim podru jima.

Slika 39. Dizalica topline tlo-voda (horizontalna izvedba izmjenjivaa u tlu)

Potrebna slobodna površina je otprilike dvostruko vea od grijane površine objekta. Naj eše se izmjen jiva topline polaže u tlo u obliku snopa vodoravnih cijevi, na dubini od 1,2 do 1,5 m, s meusobnim razmakom cijevi od 0,5 do 1 m, ov isno o sastavu i vrsti tla. Približno na svaki m2 grijanog prostora treba u zemlju položiti 1,5 do 2 m cijevi. Izmjenjiva ke sekcije, koje se paralelno spajaju, trebaju biti podjednake dužine radi lakšeg balansiranja izmjenjivaa. Dužina jedne izmjenjivake sekcije iznosi do 100 m. Promjer polietilenske cijevi ve inom iznosi 25 ili 32 mm. Uinak izmjenjivaa, ovisno o svojstvima tla, kre e se u granicama od 15 do 35 W/m2 (tablica 10), pri emu se najbolja uinkovitost dobiva za glineno tlo i tlo s podzemnim vodama. Toplinski izvor se regenerira, zahvaljujui sunevom zraenju, kiši ili rosi. Izmjenjivake sekcije se mogu postavljati i u kanale (rovove), a time su potrebe za slobodnom površinom smanjene.


Tablica 10: Specifini uinak horizontalnog izmjenjivaa u tlu, ovisno o sastavu tla

Vrsta tla Suho pješčano tlo Mokro pješčano tlo Suho glinasto tlo Mokro glinasto tlo Tlo s podzemnom vodom

Specifični učinak, W/m2 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35

Vertikalna izvedba izmjenjivaa

Vertikalna izvedba bušotine (slika 41.) u koju se ulaže izmjenjiva  od 60 do 150 m ili 200 m du bine, esto je prihvatljiva u gusto naseljenim podru  jima, pogotovo na mjestima gdje je okoliš ureen, pri emu dolazi do minimalnih promjena vanjskog izgleda okoline.

Jednostruka U-cijev

Dvostruka U-cijev

Koaksijalna cijev

Slika 40. Naini izvedbe bušotinskog izmjenjivaa topline

Slika 41. Dizalica topline tlo-voda (vertikalna izvedba izmjenjivaa u tlu)

Ovakvi su sustavi široko prihvaeni u razvijenom svijetu, u emu prednjae Švedska, SAD, Austrija, Njemaka, Švicarska i Francuska. Koliko se topline može oduzeti tlu ovisi o njegovom sastavu i vlažnosti, te mjestu polaganja izmjenjivaa topline, (tablica 11). Do sada provedena istraživanja, kao i u praksi instalirani sustavi, pokazuju da je temperatura tla na dubini od 2 m otprilike 7 do 10 °C, a na dubini do 100 m izmeu 12 i 15 °C. Izmjenjiva (prethodno tvorniki montiran) u tlo se polaže u tri osnovne izvedbe: kao jednostruka U cijev kao dvostruka U cijev kao koaksijalna cijev, pri emu kroz unutarnju PE cijev struji hladni medij (voda + glikol), dok se kroz vanjsku metalnu cijev zagrijani medij vraa na ispariva. 





Tablica 11: Parametri dizalice topline s vertikalnim bušotinama

Učinak vertikalnog izmjenjivača Promjer PE cijevi Promjer bušotine Ispuna bušotine Toplinska vodljivost tla

20-85 W/m 25, 32, 40 mm 80-150 mm (250 mm) smjesa bentonita i cementa 1-3 W/(m K)

35

36


Kod instalacija s izmjenjivaem u vertikalnoj bušotini, kod normalnih hidrogeološk ih uvjeta, uzima se da je srednji uinak izmjenjivaa s dvostrukom U cijevi 50 W/m (prema VDI 4640). Pouzdaniji rezultati dobiju se na licu mjesta , mjerenjima svojstava tla. Protok pumpe za glikolnu smjesu proraunava se na temperaturnu razliku glikola na isparivau od približno 3 °C. Tablica 12: Specifini uinak bušotinskog izmjenjivaa

topline (BIT) u izvedbi dvostruke U cijevi (VDI 4640) Vrsta tla Šljunak, pijesak( suh) Šljunak, pijesak( provodi vodu) Glina, ilovača( vlažno) Vapnenac (masivni) Pješčenjak Kiseli magmatiti (npr. granit) Bazični magmatiti (npr. bazalt) Gnajs

Specifični učinak, W/m < 20 55-65 30-40 45-60 55-65 55-70 35-55 60-70

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

ASHRAE Handbook, Refrigeration, Atlanta, 2006. T. urko: Radni udžbenik: Hla enje i dizalice topline, FSB, Zagreb, 2008. O. Fabris: Kompresijske ili apsorpcijske dizalice topline, Klima forum 2009., Zadar E. Granryd: Introduction to refrigerating engineering , Part I, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2005. E. Granryd: Introduction to refrigerating engineering , Part II, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2005. V. Soldo: Teorijska i eksperimentalna analiza dizalice topline sa solarnim kolektorima, Doktorski rad, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2004. V. Soldo, V. Zanki, M. Grozdek, T. urko: Svojstva zamjenskih radnih tvari, 18. meunarodni simpozij o grijanju, hlaen ju i klimatizaciji – Interklima 2005, Zbornik radova, str. 109-119, Zagreb, 2005. V. Soldo, T. urko, M. Grozdek: Konvencionalno grijanje ili grijanje dizalicom topline , Interklima 2009., Z bornik radova, str. 51 -58, Zagreb, 2009. V. Soldo, M. Ruševljan, T. urko: Ispitna dizalica topline sa sondom dubine 100 metara , Klima forum Zadar 2009. J. Spitler, J. Cullin: Misconceptions regard ing design of ground-source heat pump systems , Proceedings of the World Renewable Energy Congress, Glasgow, 2008. S.K. Wang: Handbook of air conditioning and refrigeration, McGraw-Hill, 2000. Hrvatska norma HRN EN 14511: Klimatizacijski ureaji, rashladnici kapljevina i dizalice topline s kompresorima na elektrini pogon za grijanje i hlaenje prostora VDI Richtlinien, Ground source heat pump systems , VDI 4640, Part 2, Berlin, 2001. Tehnika dokumentacija, Vaillant, Viessmann R. DiPippo: Geothermal Power Plants – Principles, Applications and Case Studies. Oxford: Elsevier Ltd, 2005. R. Bertani: World Geothermal Generation in 2007. Proceedings of the European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 2007. H. Gupta, S. Roy: Geothermal Energy: An Alternative Resource for the 21stCentury. Amsterdam: Elsevier B.V., 2007. R. Bošnjak, S. ubri, M. Golub, K. Grabovski, K. Jeli, I. Kolin, S. Košak, I. Kulenovi, D. Mioev, Z. Pravica, D. Rajkovi, B. Salopek, J. Seen, L. Stanii : A Program of geoth ermal energy usage in the Republic of Croatia. Zagreb, Croatia: Energy Institute "Hrvoje Požar", 1998 . Takoer: www.eihp.hr C. Clauser: Geothermal Energy., Heinloth K, editor. Group VIII: Advanced Materials and Technologies. Heidelberg-Berlin: Springer Verlag , 2006. p. 493-604.

05 Geotermalna Handbook

Recommend Documents