UNIVERZITET U TUZLI FAKULTET ELEKTROTEHNIKE EiSKE SISTEMI KONVERZIJE ENERGIJE
TOPLOTNE TOPLOTNE PUMPE Seminarski rad
Husi E!mir
Tuzla, Tuzla, 2016
UVO" Toplotna pumpa je svaki uređaj koji podiže toplotnu energiju s niže na višu energetsku razinu (temperaturu) uz privedeni vanjski rad s ciljem korištenja toplotne energije više razine !rimjena toplotni" pumpi# •
•
• •
• • • • • •
$%iteljska doma&instva' !oslovni o%jekti' kole' rti&i' *olnice' +portski centri' !lastenici' +taklenici
!rednosti korištenja geotermalni" toplotni" pumpi#
•
•
•
•
•
•
Ek#n#mi$n#s% smanjeni troškovi grijanja i "lađenja u stam%enim i poslovnim o%jektima Tra&n#s% niski troškovi održavanja ako je sistem ugrađen na propisan na-in ne za"tijeva gotovo nikakvo održavanje Ti'i rad pogodna upotre%a u doma&instvu i u poslovnim prostorima s o%zirom da kod ovakvi" sistema nema dijelova koji proizvode %uku F!eksi(i!n#s% ovakvi sistemi mogu sna%dijevati toplotskom energijom razne potroša-e Pri!a)#d(a koriste se i u toplim i u "ladnim razdo%ljima .imi za grijanje,
OSNOVE RA"A TOPLOTNE PUMPE a-in rada je gotovo identi-an na-inu rada ku&nog "ladnjaka, a razlika je u tome što ras"ladni uređaj oduzima toplotu namirnicama i predaje je okolini dok toplotna pumpa uzima toplotu iz zraka, vode ili zemlje i dovodi je u prostor koji želimo zagrijati •
Toplotna pumpa je sistem koji se %azira na lijevokretnom arnotovom kružnom procesu koji toplotu u stroju pretvara u rad, pri -emu se koristi idealan plin, ovisno o željenim temperaturama •
arnotov ciklus je kružni proces kojeg je osmislio icolas eonard arnot 1324 godine, a kasnije proširio !aul 5mile laperon 1370i" i 40i" godina +istem koji radi po arnotovom kružnom ciklusu je "ipoteti-ki arnotov toplotni motor •
•
Toplotni motor prenosi energiju iz toplijeg (ogrjevnog) spremnika u "ladniji (ras"ladni) spremnik, te pritom dio te energije pretvara u me"ani-ki rad iklus se također može o%rnuti +istemu se može dovoditi rad izvana, te •
•
Prin*i+ rada %#+!#%ne +um+e
NA,INI RA"A TOPLOTNE PUMPE
!rema izved%i generatora toplote poznati su sljede&i na-ini toplotne pumpe# •
• • •
8onovalentni na-in rada' *ivalentno paralelni na-in rada' *ivalentno alternativni na-in rada
OSNOVNI "IJELOVI TOPLOTNE PUMPE
IZVORI TOPLOTE ZA TOPLOTNE PUMPE
a izvor toplote se postavlja niz za"tjeva među kojima su najvažniji sljede&i# toplotni izvor tre%a osigurati potre%nu koli-inu toplote u svako do%a dana i na što višoj temperaturi' troškovi za priklju-enje toplotnog izvora na toplotne pumpe tre%aju %iti što manji' energija za transport toplote od izvora do ispariva-a toplotne tre%a %iti što manja •
•
•
•
9zvore toplote za toplotne pumpe dijelimo na# zemlja kao izvor toplote voda kao izvor toplote zrak kao izvor toplote
•
• • •
Zrak Toplotne pumpe zrak voda, ili zrak zrak, kod koji" je izvor topline zrak, a nosilac topline u krugu grijanja voda ili zrak, široko su rasprostranjeni uređaji, z%og jednostavnosti priklju-enja na sistem grijanja i z%og prisutnosti toplotnog izvora uvijek i na svakom mjestu 5konomi-nu primjenu toplotni" pumpi zrak voda (ili zrak zrak) najviše otežava razli-ito vrijeme pojave maksimuma temperature zraka i potre%e neke grijane zgrade za toplinom :ad je temperatura vanjskog zraka najniža, potre%a topline je najviša, iako to ovisi i o vrsti potroša-a, što je prikazano na slici •
•
Zrak $dređivanje veli-ine toplotne pumpe i potrošnje energije za proizvodnju potre%ne topline, pitanje je na-ina pogona (monovalentni, %ivalentno alternativni ili %ivalentno paralelni), veli-ine i cijene dodatnog grijanja, te cijene energije a sljede&oj slici je prikazan princip rada toplotne pumpe zrak voda •
•
Zem!&a !ovršinski i podzemni dijelovi zemlje apsor%iraju toplinsku energiju koja najve&im dijelom dolazi od sun-eve energije koja je do tla došla zra-enjem ili izmjenom topline s padavinama .emlja je do%ar akumulacijski spremnik, s o%zirom da su temperature unutar zemlje tokom -itave godine u rasponu od ;< do 17<, pa ta -injenica omogu&ava iskorištavanje te energije tijekom cijele godine Temperatura zemlje kroz du%inu po mjesecima kroz godinu prikazana je na slici •
=eološkim i termodinami-kim ispitivanjima dokazano je da se temperatura do oko 10 m du%ine tla tijekom godine mijenja dok je na ve&im du%inama razmjerno stalna •
P#d-emni '#ri-#n%a!ni %#+!#%ni k#!ek%#r !odzemni toplinski kolektori služe za izmjenu topline posrednog medija i površinski" slojeva tla, do du%ine od 2 metra, kod primjene dizalica topline tlo > voda $snovne izved%e takvi" izmjenjiva-a topline su "orizontalna kolektorska polja (koja mogu imati serijski ili paralelno povezane cijevi), kanalni (kompaktni ili kolektori u jarku), te spiralni kolektori a-in izvođenja zemljani" kolektora prikazan je na slici •
•
!ažnju tre%amo o%ratiti na# sastav tla jer o njemu ovisi toplinski kapacitet, mogu&nost regeneracije tla, te izmjene topline raspoloživost tla kao toplinskog izvora (da li ga možemo koristiti cijelu godinu ili samo dio godine)' na-in rada sustava grijanja s dizalicom topline (monovalentan ili %ivalentan)' •
•
P#d-emne %#+!#%ne s#nde !odzemne toplinske sonde služe za izmjenu topline posrednog medija i du%oki" slojeva tla kod primjene dizalica topline tlo > voda To su okomiti izmjenjiva-i topline koji se koriste kada na raspolaganju nisu ve&e slo%odne površine zemljišta ?u%ina, promjer i %roj %ušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjiva-a ovisit &e o potre%ama zgrade za grijanje ili "lađenje aj-eš&a izved%a podzemne toplinske sonde je dvostruka @ > cijev od polietilena, kod koje kroz jedan krak ulazi o"lađeni posredni medij iz dizalice topline, a kroz drugi se vra&a zagrijan :ao posredni medij za podzemne sonde također se koristi smjesa vode i glikola u omjeru ;0 A 70 A +liku dizalice topline s podzemnom toplinskom sondom možemo vidjeti na slici ) •
•
T#+!#%ne +um+e .#da/.#da :ada govorimo o vodi kao toplinskom izvoru za toplotne pumpe, mislimo na toplinsku energiju površinski", podzemni" ili otpadni" voda =lavna karakteristika vode je relativno stalna temperatura tokom cijele godine •
Takav sustav može %iti izveden kao izravni, kada se podzemna voda (uz Bltriranje) izravno dovodi do ispariva-a i neizravni, kada se ugrađuje dodatni izmjenjiva- topline + o%zirom na pogonsko održavanje i sigurnost, prednost ima neizravna izved%a oda se tada iz jedne %ušotine, vodene površine ili vodotoka crpi, a kroz drugu %ušotinu vra&a u podzemne slojeve •
.a instalaciju dizalice topline sistemom voda > voda potre%no je izvesti crpni (eksploatacijski) %unar i njegov parnjak u kojeg se vra&a voda iz dizalice topline oda se u %unar vra&a s nepomijenjenim kemijsko > %iološkim svojstvima, ali nešto toplija nego kada je uzeta iz %unara +istem voda > voda je zatvoren sustav i ni-im ne ugrožava %unar ažno je napomenuti da 1m7 vode može dati oko 4 > C kD toplinske ili ras"ladne energije +"emu dizalice topline voda voda možemo vidjeti na slici •
T#+!#%ne +um+e .#da/.#da
T#+!#%ne +um+e .#da/.#da .%og relativno visoke i konstantne temperature razine vode kao toplinskog izvora, /aktor grijanja toplotne pumpe voda > voda je velik ?izalice topline koje koriste podzemne vode o%i-no imaju ve&e toplinske u-inke (3 > 40 kD) i ve&i /aktor grijanja, pa možemo zaklju-iti da su sustavi dizalica toplina povezani" sa vodom naju-inkovitiji i izuzetno su pogodni za pasivno "lađenje •
!ored podzemni" voda za izvor toplote za toplotne pumpe moze se koristiti i površinska voda !rijenos topline od površinske vode na radnu tvar u pravilu se provodi preko posrednog kruga za prijenos topline @ toplinskom izmjenjiva-u površinska voda predaje toplinu vodi u posrednom krugu Tek ova voda, ili pri nižim temperaturama smjesa glikola i vode, prenosi toplinu u ispariva- To se radi z%og prisutnosti one-iš&enja, soli, i /os/ata (koji pogoduju rastu algi) u površinskim vodama @ ovu svr"u potre%no je ugraditi plo-aste izmjenjiva-e topline koji se lako -iste i predvidjeti druge mjere za spre-avanje rasta algi (npr generatori klora ako se radi o morskoj vodi) •
•
•
SISTEMI PRE"AJE TOPLOTNE ENERGIJE Toplinsku energiju koju smo do%ili upotre%om dizalice topline možemo iskoristiti pomo&u sustava za predaju topline @ sustav za predaju topline svrstavaju se radijatorsko grijanje, podno grijanje, stropno "lađenje te grijanje ili "lađenje ventilokonvektorima +like pojedinog sustava mogu se vidjeti na slikama
Fak%#r %#+!#%ne +um+e Eaktor toplotne pumpe ili $! (eng coeFcient o/ per/ormance) predstavlja odnos toplinske energije koju proizvede toplotna pumpa u odnosu na elektri-nu energiju koja je dovedena uređaju to je ve&i $! potre%no je manje elektri-ne energije da se stvori ista snaga toplinske energije te što je ve&i $! to je %olji uređaj .a $! 7,0 potre%no je u toplotnu pumpu, uređaj dovesti 1 kD elektri-ne energije da se do%iju 7 kD toplinske energije @-inkovitost toplotni" nije jednaka za sve modele i proizvođa-e te tre%a oda%irati uređaje klase G odnosno energetski u-inkovite uređaje Toplotne pumpe se ispituju prema normi *+ 5 14C112 i kroz standardne uvjete *0DC0 (eng %rine, glikol pri 0< i eng Hater, voda pri C0< ) dodatni testovi su pri *0D7C (0< I 7C< ) i *CD7C (C< I 7C< ) te se testovima pri tim uvjetima do%iva $! ispitivane toplotne pumpe
Fak%#r %#+!#%ne +um+e @kupna godišnja u-inkovitost sustava (/aktor sustava) predstavlja odnos toplinske energije koju je proizvela toplotna pumpa u odnosu na ukupnu elektri-nu energiju koja je dovedena u sustav da %i se ostvarilo grijanje građevine, priprema sanitarne vode, dodatno dogrijavanje te rad crpki i automatske regulacije •
.a /aktor sustava od 7,0 potre%no je dovesti 1kD elektri-ne energije u sustav da se do%ije 7kD toplinske energije na toplinskim panoramama# podnom grijanju, spremniku sanitarne vode ?a se ostvari ukupni /aktor sustava od 7,0 potre%no je da je $! dizalice topline ve&i i na razini od oko 7,C 4,0 da se pokriju elektri-ne potre%e na pumpama i automatskoj regulaciji Jazlika temperature toplinskog izvora (zrak, zemlja, voda) mora %iti što %liža temperaturi toplinskog ponora (podno grijanje, ventilokonvektori, radijatori, zrak) •
ailazi se -esto na preporuke da se toplotna pumpa ne dimenzionira na maksimalno optere&enje ve& na ;0 30A potre%ne maksimalne toplinske snage te da %i toplotna pumpa tim oda%irom mogla pokriti 3C KCA dana grijanja !okazati &e se da taj model oda%ira negativno djeluje na /aktor sustava !rimjena elektri-nog dogrijavanja &e se za%raniti poslije 201C godine jer elektri-ni grija-i imaju najve&u emisiju $ •
ZAKLJU,AK Toplotne pumpe smatraju se jednim od naju-inkovitiji" uređaja za do%ivanje toplotne energije, a oso%ito su -este u %ogatijim zemljama s razvijenom visokom ekološkom svijesti ažan poticaj u razvijenim zemljama je i uređeno zakonodavstvo, prije svega na podru-ju o%novljivi" izvora energije, te državne potpore za o%novljive izvore energije •
ijene sistema s toplinskim pumpama u *iL su na žalost još uvijek jako visoke Jazloga ima više, a oni najizraženiji su# nedostatak državni" poticaja za primjenu o%novljivi" izvora energije, relativno visoke cijene uređaja i radova koje su rezultat malog %roja proizvođa-a toplotni" pumpi i educirani" izvođa-a radova •
*ez o%zira na %rojne poteško&e i nelogi-nosti u sistemu, toplotne pumpe ipak i u *iL doživljavaju sve ve&u ekspanziju @ razvijenim zemljama 5urope o%novljivi izvori energije zauzimaju zna-ajno mjesto u energetskoj politici •
.a o-ekivati je da &e isto dogoditi i kod nas kod pridruživanja *iL 5uropskoj uniji ?o tada, štednja energije i zaštita okoliša primjenom o%novljivi" izvora energiji ostaje na razini razvijenosti naše savjesti i na •
