VISOKA TEHNIČKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA „NOVI BEOGRAD“
Seminarski rad - TOPLOTNA PUMPA -
Student: Sandić Nenad br. indeksa: 210/2010
Profesor: Raković dr Aleksandar
Decembar, 2013.
SADRŽAJ
Strana
1.
UVOD .......................................................................................................................1
2.
ISTORIJSKI RAZVOJ ..............................................................................................2
3.
DEFINICIJA I PRINCIP RADA TOPLOTNE PUMPE...........................................3
3.1.
Definicija toplotne pumpe...........................................................................................3
3.2.
Princip rada toplotne pumpe.......................................................................................4
4
IZVORI TOPLOTE......................................................................................................7
4.1. Izvor toplote - vazduh...................................................................................................7 4.2. Izvor toplote - podzemna voda.....................................................................................8 4.3. Izvor toplote zemlja - kolektori.....................................................................................9 4.4. Ostali izvori toplote.....................................................................................................11 5.
RADNI FLUIDI..........................................................................................................12
5.1. Veštački radni fluidi.....................................................................................................12 5.2. Prirodni radni fluidi......................................................................................................12 6.
PRORAČUN CILKUSA TOPLOTNE PUMPE.........................................................13
7.
PRIMERI TOPLOTNIH PUMPI „geoTHERM VAILLANT”..................................17
7.1. Toplotna pumpa zemlja/voda......................................................................................17 7.2. Toplotna pumpa voda/voda.........................................................................................18 7.3. Toplotna pumpa vazduh/voda.....................................................................................19 8.
ZAKLJUČAK..............................................................................................................21
9.
LITERATURA............................................................................................................22
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA
Sandić
VTŠ Novi Beograd
1
Strana
3
UVOD
Geotermalne toplotne pumpe (GTP) jedna su od najbrže rastućih aplikacija obnovljivih izvora energije, s godišnjim prirastom od 10 % u otprilike 30 zemalja sveta u posljednjih 10 godina. Njihova glavna prednost je u tome što koriste uobičajene temperature tla i podzemnih voda (između 5 i 30 ºC), koje su dostupne u svim zemljama sveta. Većina tog rasta odnosi se uglavnom na Sjedinjene Američke Države i Evropu, iako interes značajno raste i u državama poput Japana i Turske. Trenutni svetski ugrađeni kapacitet procenjuje se na skoro 12.000 MWt (toplotne) energije, a godišnja potrošnja iznosi oko 72.000 TJ (20 000 GWh). Broj ugranđenih jedinica iznosi oko 1.000.000, ali podaci nisu potpuni. Tabela 1. prikazuje vodeće zemlje po pitanju upotrebe geotermalnih toplotnih pumpi (GTP). Država
MWt
GWh/god
Broj jedinica
Austrija
275
370
23 000
Kanada
435
600
36 000
Nemačka
640
930
46 400
2 300
9 200
230 000
525
780
30 000
6 300
6 300
600 000
Švedska Švajcarska SAD
Tabela 1.1. Vode će ze mlje u upotr e bi GTP (Lund, Sann er, Rybach, Curtis, Hellströ m , 2004) U Islandu, Turskoj, Kini i Francuskoj primjenjuje se centralizovano grejanje (npr. grejanje čitavih gradskih četvrti), gde se geotermalnim fluidom koristi više zgrada za potrebe grejanja prostora i dobijanja tople vode. Grejanje geotermalnom energijom pogodno je za grejanje različitih javnih ustanova kao npr. škole, bolnice, sportske dvorane, poslovne zgrade itd...
Cilj ovog rada je da prikaže način rada i primere toplotnih pumpi.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
2
Sandić Strana
4
ISTORIJSKI RAZVOJ
Princip rada toplotnih pumpi zasnovan je na Karnoovom ciklusu. Prva toplotnu pumpu na ovom principu uradio je Vilijam Tomson (Lord Kelvin) 1849. godine. Ona je predstavljala otvoren sistem i koristila je okolni vazduh kao toplotni izvor i kao radni fluid. Princip rada Tomsonove “toplotne mašine” predstavljen je na slici 2.1., dok je na slici 2.2. predstavljen princip rada toplotne pumpe.
Slika 2.1. “Toplotna” mašina
Slika 2.2. Princip rada Tomsonove toplotne pumpe Ovi su se sistemi razvili u zatvorene sisteme sa kružnim ciklusima koji koriste različite izvore toplote. Apsorpcione toplotne pumpe su poznate od ranije i datiraju još iz 1777. Tada su kao radne fluide koristile vodu i sumpornu kiselinu.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
3.
DEFINICIJA I PRINCIP RADA TOPLOTNE PUMPE
3.1.
Definicija toplotne pumpe
Sandić Strana
5
Toplotna pumpa je uređaj pomoću koga se toplotna energija iz jedne sredine prenosi u drugu. Za taj prenos toplotne energije troši se određena energija koja je nekoliko puta manja od prenete. Tako se za utrošeni 1 kWh električne energije na izlazu dobija ukupna toplotna energija 3 do 4 kWh. Energija dobijena na ovaj način naziva se geotermalna energija. U tehničkoj praksi toplotne pumpe se najčešće koriste za grejanje i hlađenje prostora i rekuperaciju toplotne energije.
Slika 3.1. Odnos potrošene električne energije i dobijene toplotne energije Toplotna pumpa je uređaj koji može toplotnu energiju da trasportuje iz spoljašnje okoline u zgradu ili iz zgrade u spoljašnju okolinu, tako da se u zimskom periodu koristi za grejanje, a u letnjem periodu za hlađenje prostora. Toplotna energija iz toplih otpadnih voda može da se pomoću toplotne pumpe vrati i ponovo iskoristi za zagrevanje prostora ili zagrevanje vode. Najčešće primene su u industrijskim procesima kao i u hotelskim i banjskim primenama. Ovaj proces zove se:rekuperacija energije. U zavisnosti od sredine iz koje se preuzima toplotna energija i sredine u koju se ona prenosi postoje više tipova toplotnih pumpi. Najčešća su dva osnovna tipa: vazduh – vazduh i voda – voda kao i njihove kombinacije. Glavne vrste toplotnih pumpi su: • kompresione (zasnivaju na kompresiji pare), • apsorpcione toplotne pumpe, • adsorpcione, • RV toplotne pumpe, • termolektrične i • zvučne toplotne pumpe.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
3.2.
Sandić Strana
6
Princip rada toplotne pumpe
Način rada toplotnih pumpi sličan je tehnologiji rada frižidera, samo obrnutim principom. U kružnom procesu (Carnot proces) toplota preuzeta od okoline (zemlja, vazduh, podzemna voda) predaje se radnom medijumu (najčešće gas) koji se komprimuje i dovodi na višu temperaturu. Na taj način se neprimetna toplota zemlje ili vazduha pretvara u korisnu energiju u svrhu grejanja. Toplotna pumpa je uređaj koji transformiše toplotu za grejanje, hlađenje i sušenje. Toplota prirodno ide od tela više ka telu niže temperature. Toplotne pumpe međutim uspevaju da uz pomoć male količine energije prinudno izmene prirodan smer toplotnog protoka. Zato što troše manje primarne energije u odnosu na druge konvencionalne sisteme one predstavljaju važnu tehnologiju za smanjenje emisije gasova koji negativno utiču na životnu sredinu, kao što su ugljen dioksid CO2, sumpor dioksid SO2 i oksidi azota NOX. Međutim, sveobuhvatni uticaj na zaštitu životne sredine zavisi od načina na koji je električna energija proizvedena.
Slika 3.2. Način rada toplotne pumpe firme „Vaillant“ Proces rada toplotne pumpe može se podeliti u četiri osnovna koraka: 1. U isparivaču se radnom medijumu, dovodi toplota zemlje, podzemne vode ili vazduha, gas se zagreva na 3 do 7 ºC, isprava i prelazi iz tečnog u gasovito agregatno stanje.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
7
2. Radni medijum se potom komprimuje u kompresoru usled čega mu raste pritisak, a sa porastom pritiska, raste i temperatura (65 ºC). Za taj proces potrebno je 25% dodatne (električne) energije za rad kompresora. 3. Toplotna energija dobijena komprimovanjem radnog medijuma direktno se prosleđuje polaznom vodu našeg sistema grejanja. Radni medijum se na taj način pothlađuje, kondenzuje i pretvara ponovo u tečno agregatno stanje. 4. Dekomprimovanjem radnog medijuma u ekspanzionom ventilu, usled naglog pada pritiska, radni medijum se ponovo pothlađuje i ponovo je u stanju da primi dovedenu toplotu okoline. Dve glavne vrste toplotnih pumpi su: • koje se zasnivaju na kompresiji pare i • apsorpcione toplotne pumpe Na slici 3.3. prikazan je način rada toplotne pumpe zasnovane na kompresiji pare. Na levoj slici koristi se električni motor, dok na desnoj slici motor SUS.
Slika 3.3. Način rada toplotne pumpe zasnovane na kompresiji pare Kompresor se najčešće snabdeva električnom energijom ili ga pokreće motor sa unutrašnjim sagorevanjem. Ukupan stepen korisnosti toplotne pumpe u mnogome zavisi od načina na koji se proizvodi električna energija.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
8
Kada se kompresor pokreće sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem, uz toplotu kondenzacije koristi se toplota produkata sagorevanja i toplota rashladne vode. Industrijske toplotne pumpe koje koriste kompresiju pare koriste fluid koji se procesuira kao radni fluid u otvorenom ciklusu. Na slici 3.4. prikazan je način rada apsorpcione toplotne pumpe. Ciklusu se dovodi toplota pre nego mehanička energija. Apsorpcione toplotne pumpe koje se koriste u postrojenjima za klimatizaciju najčešće koriste sagorevanje gasa, dok apsorpcione toplotne pumpe koje se koriste u industriji koriste otpadnu toplostu ili paru visokog pritiska.
Slika 3.4. Način rada apsorpcione toplotne pumpe Apsorpcioni sistemi se zasnivaju na sposobnosti tečnosti ili soli da apsorbuju paru radnog fluida. Najčešći parovi radnih fluida kod apsorpcionih sistema su: • voda (radni fluid) i litijum bromid (apsorbent), i • amonijak (radni fluid) i voda (apsorbent). Kod apsorpcionih sistema, kompresija radnog fluida se ostvaruju termički u krugu rastvora koji se sastoji iz apsorbera, pumpe za rastvor, generatora i jednog ekspanzionog ventila. U generatoru se dovodi toplota visoke temperature da bi vodila proces. U industriji se koriste tzv. transformatori toplote koji koriste iste ove apsorpcione procese a kao izvor toplote koriste otpadnu toplotu.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
4.
Sandić Strana
9
IZVORI TOPLOTE
Za rad toplotne pumpe na raspolaganju su izvori toplote iz zemlje, podzemnih voda i okolnog vazduha. U zavisnosti od lokalnih uslova, vrste zemljišta i klimatskih uslova bira se najprikladniji izvor toplote. Što je odabrani izvor toplote izdašniji, to kompresor toplotne pumpe manje radi i koeficjent efikasnosti je veći. U tabeli 4.1. prikazani su temperaturni opsezi za pojedine toplotne izvore.
Okolini vazduh
Temperaturni opseg u 0oC -10 – 15
Izduvni gasovi
15 – 25
Podzemne vode
4 – 10
Jezerska voda
0 – 10
Rečna voda
0 – 10
Morska voda
3–8
Stene
0–5
Zemlja
0 – 10
Toplotni izvor
Otpadne vode >10 Tabela 4.1. Temperaturni opsezi toplotnih izvora
4.1.
Izvor toplote - vazduh
Vazduh se najčešće koristi kao izvor toplote. Mada toplotne pumpe koje koriste vazduh imaju po sezoni 10-30% manji stepen korisnosti od toplotnih pumpi koje kao izvor toplote koriste vodu. Uzrok ovome su nagli padovi temperatura okolnog vazduha, velike temperaturske razlike i potreba da se spoljne cevi na kojima je došlo do rošenja ili mržnjenja vode iz vazduha osuše. Sušenje isparivača sa spoljne strane ostvaruje se kratkotrajnim okretanjem ciklusa ili drugim manje efikasnim energetskim načinima. Osnovna prednost ovog izvora je izuzetna raspoloživost, dok je nedostatak što efikasnost pumpe zavisi od temperature spoljašnjeg vazduha, pa je nepohodna podrška električnog grejača pri niskim spoljašnjim temperaturama.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
10
Slika 4.1. Način rada i postavljanje toplotne pumpe za izvor toplote - vazduh Izduvni (ventilacioni) vazduh je čest izvor toplote u stambenim i javnim zgradama. Ova se toplota koristi za grejanje prostora ili napojne sanitarne vode.
4.2.
Izvor toplote - podzemna voda
Toplotna pumpa koja koristi vodu kao toplotni izvor i vodu kao toplotni ponor uzima energiju iz vode i prenosi je takođe u vodu u drugom prostoru. Kada se kao toplotni izvor koristi podzemna voda koja je cele godine na temperaturi od 14 do 16 °C optimizacijom parametara toplotne pumpe postiže se maksimalni koeficijent korisnog dejstva u toku celog perioda upotrebe. Ovaj tip toplotne pumpe u kombinaciji sa podnim sistemom grejanja i hlađenja daje najpogodnije rezultate.
Slika 4.2. Otvoreni i zatvoreni sistem koji koristi podzemnu vodu
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
11
Toplotna energija može da se uzme iz podzemnih voda koje su na temperaturi od oko 14°C tokom cele godine. Iz izbušenog bunara voda se vodi u razmenjivač toplote u kome se deo toplote iz podzemne vode prenosi u freon koji tada isparava. Delimično ohlađena voda vraća se u drugi bunar koji je iste dubine kao i prvi tako da se tokovi podzemnih voda ne remete. Freon koji je sada u gasovitom stanju sabija se kompresorom i tada otpušta latentnu prenetu toplotu i predaje je vodi koja cirkuliše kroz kondenzator i podni sistem cevi u zgradi. Podzemna voda je dostupna sa stabilnim temperaturama od 4 - 100C. Za korišćenje ovih izvora koriste se otvoreni i zatvoreni sistemi. Kod otvorenih sistema mogući su zamrzavanje, korozija i zaprljanje. Zatvoreni sistemi mogu biti sa direktnom ekspanzijom radnog fluida pod vodom, ili sistemi sa rasolinom. Sistemi sa rasolinom imaju manji stepen korisnosti, ali su lakši za korišćenje. Cena ovih sistema je njihova slabija strana. Ukoliko je zemljište pogodno za tu svrhu, korišćenje podzemnih voda putem usisnog i apsorpcionog bunara podzemne vode može biti vrlo efikasno. Podzemna voda je vrlo dobar rezervoar za dozračenu Sunčevu energiju, čak i u toku zimskih dana održava konstantnu temperaturu između +7 °C i +12 °C. Podzemne vode nema svuda u dovoljnoj količini i odgovarajućeg kvaliteta, međutim, tamo gde su uslovi ispunjeni, iskoristivost je velika.
Slika 4.3. Način rada i postavljanje toplotne pumpe za izvor toplote – podzemna voda
4.3.
Izvor toplote zemlja - kolektori
Sistemi koji koriste toplotu zemlje imaju relativno visoke godišnje temperature. Toplota se uzima tako što radni fluid u vertikalnim i horizontalnim sistemima direktno isparava ili se koristi rasolina. Toplotni kapacitet zemljišta se menja zavisno od godišnjeg doba i sadržaja vlage u njemu. Temperatura zemlje zemljišta zimi opada zbog uzimanja toplote od nje.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
12
Slika 4.4. Vertikalni i horizontalni sistem za izvor toplote - zemlja Zemni kolektor se sastoji od sistema cevi koji se polaže oko 20 cm ispod granice smrzavanja zemljišta, na dubinu od 1,2 m do 1,5 m. Na toj dubini tokom cele godine temperatura se kreće od 5 °C do 15 °C. Zemni kolektor je pogodan za kuće sa velikim dvorištem. Učinak eksploatacije toplote zavisi od vrste zemljišta. Što je zemljište vlažnije, to je učinak veći.
Slika 4.5. Način rada i postavljanje toplotne pumpe za izvor toplote – zemlja Ukoliko površina dvorišta nije dovoljno velika za postavljanje površinskih kolektora, moguće je primeniti dubinsku sondu.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
13
Slika 4.6. Način rada i postavljanje toplotne pumpe za izvor toplote – zemlja – dubinska sonda
4.4.
Ostali izvori toplote
Geotermalna toplota stena koristi se gde podzemne vode nisu dostupne. Dubina kopanja rupa je obično od 100 do 200m. Kod ovih sistema se najčešće koristi rasolina koja se kreće u zavarenim plastičnim cevima. Neki sistemi sa stenama koji se koriste kod komercijalnih zgrada koriste ove stene za skladištenje toplote i hladnoće. Nisu ekonomski poželjni. Rečna i jezerska voda su dobri izvori međutim problem može nastati kod smrzavanja zimi. Morska voda je dobar izvor i koristi se kod srednjih i velikih instalacija. Otpadne i rashladne vode. Primeri su kanalizacione vode, industrijske otpadne vode, rashladna voda iz industrije i proizvodnje električne energije kondenzaciona toplota kod rashladnih postrojenja. Mnogo ih je lakše primeniti u industriji neko kod stambenih jedinica.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
5.
RADNI FLUIDI
5.1.
Veštački radni fluidi
Sandić Strana
14
Najčešće korišćeni radni fluidi kod toplotnih pumpi su: • CFC-12 - niske i srednje temperature (max. 800C), • CFC-14 - visoke temperature (max. 1200C), • R-500 - srednje temperature (max. 800C), • R-502 - niske i srednje temperature (max. 550C), • HCFC-22 - kod svih toplotnih pumpi za grejanje i hlađenje (max.550C). CFC su jedinjenja hlora i fluora sa ugljenikom su štetni za životnu sredinu. Doprinose globalnom zagrevanju. Spadaju u grupu zabranjenih rashladnih sredstava. U njih spadaju R-11 (CCl3F), R-12 (CCl2F2), R-13 itd. HCFC su jedinjenja vodonika, hlora, fluora i ugljenika. Manje su štetni po atmosferu. HFC su jedinjenja vodonika, fluora i ugljenika. Oni ne narušavaju ozonski omotač, ali doprinose globalnom zagrevanju. Mešavine dva i više čistih radnih fluida predstavljaju moguće rešenje. Mogu biti azeotropske(kondenzuju i isparavaju na istoj temperaturi) zeotropske mešavine isparavaju i kondenzuju se u temperaturskom intervalu.
5.2.
Prirodni radni fluidi
Prirodni radni fluidi su supstance koje u slobodnoj formi postoje u biosferi. One u globalu zanemarljivo mogu štetiti atmosferi. Primeri su amonijak, ugljovodonici (npr. propan), voda, vazduh i ugljen dioksid. Neki od ovih fluida su toksični i zapaljivi i radi toga zahtevaju posebne konstrukcione zahteve. Neki su u kontaktu sa drugima korozivni, primer je NH3 koji korodira bakar, što znači da se bakar ne može koristiti za izradu izmenjivača toplote. Oni se koriste sve više mada treba reći da u termodinamičkim osobinama zaostaju za veštačkim materijalima. Voda je odličan radni fluid za industrijske toplotne pumpe koje rade na visokim temperaturama. Nedostatak vode je mali zapremniski toplotni kapacitet (kJ/m3). Zbog ovoga ona zahteva velike i skupe kompresore naročito na malim temperaturama. Drugi nedostatak je tačka smrzavanja vode, što znači da kod ovih sistema isparivač ne može biti na temperaturama nižim od 00C.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
6.
Sandić Strana
15
PRORAČUN CIKLUSA TOPLOTNE PUMPE
Naredni primer proračuna izveden je metodom analogije, iz sledećih pravila: 1. Za objekte – zgrade prosečne veličine (186 do 223 m2) potrebno je (10,6 do11,4 kW) toplotne snage, u zavisnosti od klimatskih uvuslova. 2. Za vertikalne izmenjivače uzima se (13 do 17 m/kW), a horizontalni moraju biti otprilike 30% do 50% duži. 3. Dubina ugradnje horizontalnih izmenjivača je (1,2 do 1,8 m). Ulazni podaci za proračun su: • površina objekta A = 150 m2 • visina zidova h = 3m Iz prethodno navedenog pravila (br. 1) odabran je najnepovoljniji slučaj (P0 =11,4 kW za A0=186 m2) iz kojeg proizlazi da je za zagrejavanje prostora površne 186 m2 potrebna toplotna snaga od 11,4 kW. Iz gornjih podataka računa se zapremina objekta prema obrascu: V = A ⋅h V =150 ⋅3 V =450 m 3
Metodom analogije za odabrani slučaj (P0 = 11,4 kW za A0 = 186 m2) odredićemo zapreminu objekta: V = A0 ⋅ h V =186 ⋅3 V =558 m 3
Izračunavanje ogrevnog faktora f =
Pt0 V0
11,4 558 f = 0,02kW / m 2 f =
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
16
Iako se u poslednje vreme, kao medijumi, koriste medijumi manje štetni za okolinu, u konkretnom proračunu uzet je freon 12 zbog dostupnosti faznog dijagrama potrebnog za očitavanje entalpija. Određivanje entalpija U procesu grejanja temperatura kondenzatora je 60 ºC, a u isparivaču -3 ºC. Iz faznog dijagrama (freon 12) CF2Cl2 očitavaju se vrednosti entalpija. Fazni dijagram prikazan je na sledećoj slici.
Slika 6.1. Fazni dijagram freon 12 (CF2Cl2) Očitane vrednosti entalpija su kako sledi: i1 = 574 kJ / kg i2 = 606 kJ / kg i3 = i4 = 480 kJ / kg
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Strana
Kondenzator (toplota koja se oslobađa u kondenzatoru) q• = i2 −i3 q• = 606 −480 q• =126 kJ / kg
Isparivač (rashladni učinak) q0 = i1 − i4 q0 = 574 − 480 q0 = 94 kJ / kg
Kompresor (utrošeni rad kompresora) j
e = i2 − i1
j
e = 606 − 574
j
e = 32 kJ / kg
Kontrola izračunavanja q0 +j e = q• 94 +32 =126 126 kJ / kg =126 kJ / kg
Ogrevna toplota Q• =V ⋅ f Q• = 450 ⋅ 0,02 Q• =9kW
Dopremanje freona Q• q 9 Df = 126 D f = 0,071429 kg / s Df =
D f = 257,1429 kg / h
Snaga kompresora
Sandić 17
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
Pkom =j e ⋅ D f Pkom = 32 ⋅ 257,1429 D f = 8228,571 kJ / h D f = 2,29 kW
Toplina isparavanja Q0 = q0 ⋅ D f Q0 = 94 ⋅ 257,1429 Q0 = 24171,43 kJ / h Q0 = 6,71 kW
Koeficijent korisnog dejstva η=
Q• Pkom
9 2,29 η = 3,93
η=
18
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
7.
PRIMERI TOPLOTNIH PUMPI „geoTHERM VAILLANT”
7.1.
Toplotna pumpa zemlja/voda
19
Toplotna pumpa zemlja/voda (VWS) za svoj rad koristi toplotu zemlje. Zemlja je vrlo dobar rezervoar Sunčeve energije, obzirom da su temperature na dubini od oko 1,2- 1,5 metara tokom čitave godine relativno stalne i kreću se između 5°C i 15°C. Putem vodoravno postavljenih zemljanih kolektora ili putem vertikalno ukopanih dubinskih sondi, akumulirana toplota zemlje tečnim hemijskim sredstvom (propilen-glikol) se prenosi do isparivača toplotne pumpe. Količina akumulirane i predane toplote u najvećoj meri zavisi od termofizičkih svojstava zemljišta. Nazivna efikasnost pumpe je 5,9 kW do 45,9 kW (temperaturni proračun B0W35 dT5) Postavka podzemnih kolektora: • sistem cevi položenih na dubini od oko 1,5 m • što je zemljište vlažnije, apsorpcija toplote je bolja • pogodno za kuće sa velikim dvorištem, na kojem ništa nije sagrađeno • ukupna površina položenih kolektora mora biti u proseku barem 1,5 puta veća od stambene površine.
Slika 7.1. Primer postavljanja podzemnih kolektora
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
20
Postavka dubinskih sondi: •
sistem cevi položenih u bušotini u zemlji dubine oko 100 m
•
bušotina se potom ispunjava suspenzijom dobre toplotne provodljivosti
•
ako struktura zemljišta ne dozvoljava bušenje dubokih bušotina, moguće je izvesti nekoliko plićih bušotina
•
postavljanje i izradu instalacije sonde potrebno je izvesti u skladu sa zakonom (u Nemačkoj, termička eksploatacija podzemlja, smernica „VDI“ 4640).
Rad toplotne pumpe nezamisliv je bez kompresora koji podiže pritisak radnog medijuma (gas R-407 C), a time povećava i temperaturu radnog gasa. Novi tip kompresora u toplotnoj pumpi geoTHERM VWS omogućava visok stepen efikasnosti pri niskim temperaturama toplotnog izvora, a postiže maksimalnu temperaturu polaznog voda sistema grejanja od 62°C. Integrisani atmosferski regulator, unutar toplotne pumpe, prilagođava rad pumpe prema aktuelnim spoljašnjim vremenskim prilikama. Pored grafičkog prikaza besplatno dobijene energije, posebno za svaki mesec, na displeju regulatora prikazane su i informacije o temperaturi polaznog voda, temperturi potrošne vode u rezervoaru i ulaznoj temperaturi izvora toplote (toplota zemlje).
7.2.
Toplotna pumpa voda/voda
Toplotna pumpa geoTHERM VWW iskorišćava akumuliranu energiju podzemnih voda i pretvara je u toplotnu energiju za sistem grejanja. Podzemne vode su najizdašniji izvor akumulirane toplote budući da zadržavaju stalnu temperaturu od 8°C do 10°C, ali moraju biti odgovarajućeg kvaliteta i u dovoljnoj količini. Kako bi se navedena toplota mogla iskoristiti, neophodno je imati eksploatacioni izvor podzemne vode iz kojeg se voda transportuje do izmenjivača toplotne pumpe i apsorpcionu bušotinu/bunar u koji se ohlađena voda vraća i odlazi u podzemni tok. Postavljanje usisnog i apsorpcionog bunara: • na razmaku od minimalno 15 m, u smeru toka podzemne vode • potrebna je odgovarajuća količina podzemnih voda (odgovarajući protok litara/sat) • potreban je odgovarajući kvalitet podzemne vode • eksploataciju toplote podzemnih voda mora odobriti za to nadležna služba
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
21
Slika 7.2. Primer korišćenja podzemnih voda kao izvora toplote Funkcionalno i prema tehničkim karakteristikama ova toplotna pumpa je jednaka kao i model zemlja/voda. Razlika je jedino što model voda/voda poseduje uređaj za praćenje protoka vode i potrebno je dodatno ugraditi potapajuću pumpu. Uređaj za praćenje protoka blokira rad toplotne pumpe ukoliko protok podzemne vode nije dovoljan. Toplotne pumpe voda/voda odlikuju se izuzetno kompaktnim dimenzijama, pa je tako, na vrlo malom prostoru u kotlarnici moguće postići veliku efikasnost.
7.3.
Toplotna pumpa vazduh/voda
Toplotu spoljašnjeg vazduha, takođe, možemo koristiti kao izvor toplote za rad toplotne pumpe. Posebnost sistema geoTHERM VWL S je novo razvijena „split tehnologija“ sa spoljašnjom jedinicom u kojoj je integrisan izmenjivač toplote vazduh/etilen-glikol i ventilator sa promenljivim brojem obrtaja, tipa EC, sa visokom efikasnošću i niskim nivoom buke. Osnovna prednost ovakvog sistema je, naravno, jednostavna eksploatacija izvora toplote (vazduha) i jednostavna ugradnja koja ne zahteva postavljanje vazdušnih kanala. Spoljašnja jedinica sastoji se od izmenjivača toplote u kombinaciji sa fluidom (etilenglikolom), koji je otporan na smrzavanje, a koji se zagreva toplotom spoljašnjeg vazduha i koji dalje tu toplotu prenosi, putem cevi, na unutrašnju jedinicu u objektu. Zavisno od snage
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
Sandić Strana
22
toplotne pumpe geoTHERM VWL S, van objekta je potrebno postaviti jednu do dve spoljašnje jedinice. Unutrašnja jedinica sistema geoTHERM VWL S je nadogradnja dobro poznate toplotne pumpe geoTHERM plus, koja je dobila najvišu ocenu u ispitivanju nezavisne nemačke potrošačke organizacije „Stifftung Warentest“. Mogućim kombinovanjem toplotne pumpe geoTHERM VWL S sa solarnim sistemom, obezbeđuje se efikasno korišćenje obnovljivih izvora energije.
Slika 7.3. Primer korišćenja toplotne pumpe
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
8.
ZAKLJUČAK
8.1.
Prednosti korištenja geotermalnih toplinskih pumpi
• • • •
• • •
8.2.
Sandić Strana
23
Ekonomičnost. Smanjeni troškovi grejanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima za 50%. Trajnost. Trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je u proseku 20 godina, a trajnost cevi geotermalnog izmenjivača je određena garancijom na 25-50 godina. Niski troškovi održavanja. Ako je sistem ugrađen na propisan način ne zahteva gotovo nikakvo održavanje (U.S. DOE 1998.) Ekologija. Geotermalne toplotne pumpe gotovo ne zagađuju okolinu, pa su važan činilac u smanjenju zagađenja atmosfere. Opasnost po okolinu predstavljaju radni fluidi koji se koriste CO2. Hlorofluorougljenici CFC (freoni) najviše doprinose uništavanju troposferskog ozona, hidrofluorougljenici HFC R134a sa vremenom zadržavanja u atmosferi od 13,8 godina, HFC-23 nastaje kao nusprodukt poizvodnje hidroklorofluorougljenika HCFC R22 sa vremenom zadržavanja u atmosferi od 260 godina. Tihi rad. Kod ovakvih sisema nema delova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domaćinstvima ili u poslovnim prostorima. Prilagodljivost. Koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Leti za hlanenje, a zimi za grejanje. Fleksibilnost. Ovakvi geotermalni sistemi mogu snabdevati toplotnom energijom razne vrste potrošača. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mrežu.
Troškovi ugradnje toplotne pumpe za potrebe domaćinstva
Troškovi ugradnje toplotne pumpe zavise o brojnim činiocima od lokacije, veličine i izolovanosti kuće, do geološkog sastava zemljišta. Dosadašnja Nemačka iskustva na osnovu godišnjeg proseka od 30.000 do 40.000 ugrađenih toplotnih pumpi pokazuju da cela instalacija grejanja toplotnom pumpom košta više od konvencionalnog centralnog grejanja. Tokom upotrebe nema dodatnih troškova (npr. ugalj, gas, drva) osim struje za pogon kompresora i cirkulacijske pumpe. Troškovima treba pridodati rezervoar tople vode od oko 1.500 litara, uređaje za automatsku regulaciju, senzore i pripremu zemljišta za ugradnju sonde ili podzemnog kolektora. Uz realizaciju podnog grejanja prosečni sistem s toplotnom pumpom košta od 10.000 do 20.000 EUR. Pritom je struktura troškova bitno drukčija , nema radijatora, priključenja na gasnu mrežu i sl.
Uradio:
Nenad
TOPLOTNA PUMPA VTŠ Novi Beograd
9.
LITERATURA
[1]
Bjelaković Radivoje, Primena toplotne pumpe u sistemima grejanja, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2008.
[2]
Budin Rajka i Mihelić-Bogdanić Alka, Osnove tehničke termodinamike, Školska knjiga, Zagreb, 2002.
[3]
U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE), Geothermal Heat Pumps for Federal Buildings, 1999.
[4]
Toplotne pumpe, Katalog, Vaillant – Predstavništvo u Srbiji
[5]
http://sr.wikipedia.org/sr/Geotermalna_energija
[6]
http://www.eren.doe.gov/geothermal/
[7]
www.rgf.bg.ac.rs/predmet/RO/V%20semestar/.../Predavanje6.pdf
Sandić Strana
24
