1. No category

UČINKOVITOST TOPLOTNE ČRPALKE V PRAKSI – SMISELNE REŠITVE
Z meritvami obratovalnih parametrov lahko v praksi preverimo učinkovitost
(grelno število) toplotne črpalke. Pri tem moramo biti pozorni, po katerih
standardih so navedena grelna števila. Določeni proizvajalci namreč navajajo
grelna števila še po starem standardu EN 255, ki upošteva na strani ogrevne
vode temperaturno razliko 10 K, med tem ko standard EN 14511 upošteva
temperaturni razliko 5 K. Pri tej primerjavi tega parametra je razlika pri grelnih
številih do 10 odstotna.
1. Standardni izračun COP in SPF
Učinkovitost toplotne črpalke (COP) v določeni obratovalni točki določimo glede na
temperaturo vira toplote in ponora toplote ocenjujemo z grelnim številom. Tako glede
na EN 255 in D - A - CH velja:
TČ zemlja/voda: B0/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP
4,0
TČ voda/voda: W10/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP
4,5
TČ zrak/voda: A2/W35 …temperatura vira/temperatura ogrevne vode COP 3,0
TČ direktni uparjalnik/voda: E4/W35 temperatura vira/temperatura ogrevne
vode COP 4,0
Testne metode za toplotne črpalke so določene v EU standardu 14511.
V skladu z EN 14511 se vrednost COP določa kot delež grelne moči glede na
celotno dovedeno električno moč naprave in deleže moči za prenos toplote znotraj
naprave (električna) moč za pogon kompresorja, moč za odmrznitev uparjalnika,
regulacijske naprave, črpalke, ventilatorje).
Standard EN 14511 ne določa minimalnega kriterija učinkovitosti toplotnih črpalk,
temveč samo opredeljuje standardne pogoje za testiranje (temperatura vira in ponora
toplote) za različne tipe toplotnih črpalk (zrak/voda, raztopina(zemlja)/voda,
voda/voda itd).
Primerjavo je možno izvesti na podlagi skladnih testnih pogojev ter uporabe
standardiziranih temperaturnih virov in ponorov toplote, pri čemer je potrebno
upoštevati, da je novi standard EN 14511 ob zamenjavi standarda EN 255 prinesel
tudi spremembe pri določenih testnih pogojih. Iz tega razloga je primerjava naprav
testirana po stari metodologiji (EN 255) z napravami po novi metodologiji (EN 14511)
zahtevna.
Slika 1: Grelna števila TČ zrak/voda različnih proizvajalcev (Vir: gradivo firme
CLIVET).
Slika 1 prikazuje grelna števila toplotnih črpalk različnih moči pri zunanji temperaturi
+ 2 °C, temperaturni režim 35/30 °C. Spodnja meja za grelna števila (glede na EN
255) za TČ zrak - voda, ki imajo certifikat kvalitete ( D - A - CH) je 3.
1.2. Letno grelno število - SPF
Učinkovitost toplotne črpalke preko celega leta označujemo z letnim grelnim številom
(SPF - Seasonal Performance Factor). Izračunamo ga iz razmerja med toploto, ki jo
dovedemo grelnemu mediju in celotno porabljeno električno energijo preko cele
sezone. Poleg porabe električne energije za pogon kompresorja moramo upoštevati
še porabo električne energije pomožnih komponent sistema (črpalke, odmrznitev
uparjalnika, regulacija itd). Na letno grelno število TČ vplivajo naslednji faktorji:
•
•
•
•
•
•
potrebe po toploti in hlajenje glede na lokacijo objekta,
temperatura vira toplote in temperature predtoka ogrevne vode,
ali je optimalno določena obratovalna karakteristika TČ glede na potrebe
po toploti,
dodatna poraba električne energije pomožnih komponent sistema,
sistem regulacije TČ in ogrevalnega sistema, pravilno dimenzioniran hranilnik
toplote.
Predpogoj, da lahko dosežemo zadovoljiva letna grelna števila je, da izberemo
učinkovito TČ (primeren COP) že pri nazivnih parametrih. Delež električne energije
za pogon pomožnih naprav lahko znaša približno 10% pri kvalitetnih TČ in do 15%
pri manj kvalitetnih.
Ogrevalni sistem pri novogradnji je potrebno načrtovati tako, da je temperatura
dovoda ogrevnega medija (predtoka) čim nižja (najbolje 35 °C). Temperature dovoda
naj bodo nižje od 55 °C, kar omogoča vgradnjo običajnih izvedb toplotnih črpalk.
1.3. Letno delovno število JAZ
Oceno učinkovitost toplotne črpalke lahko izrazimo tudi z letnim delovnim številom
(JAZ - Jaresarbeitszahl) - VDI 4650. Podlaga je grelno število COP glede na DIN EN
255 za nazivne parametre B0/B35 in W0/W35, kjer upoštevamo tri korekturne
faktorje:
JAZ = COP x Fkondenzator x Fpogon/Fpomožni pogon
•
•
•
•
COP BO/W35 - grelno število glede na EN 255 pri Tsv = 0°C, THV = 35 °C
(BO/W35),
Fkondenzator - temperaturna razlika pri testiranju in v pogonu ,
Fpogon - faktor pogojen glede na temp. mešanice voda/glikol in temp. predtoka
v ogrevalni sezoni,
Fpomožni pogon - pomožna energija za črpalko mešanice voda/glikol, potopne
črpalke, ventilatorja (glede na vir toplote).
Primer:
•
•
•
•
•
•
Ogrevalni režim 35/30°C - talno ogrevanje
COP BO/W35 = 4,5
∆Ttest = TVH – TRH = 10 K
Fkondenzator = 0,949
Fpogon = 1,087
Fpomožni pogon = 1,075
JAZ = COP x Fkondenzator x Fpogon/Fpomožni pogon = 4,4 x 0,949 x1,087/1,075 = 4,3
Izračun velja za zemeljski kolektor. V primeri zemeljske sonde, se vrednost JAZ
poveča za 0,05/1 °C in pri podtalnici za 0,1/1 °C. V primeru radiatorskega ogrevanja
je vrednost JAZ nižja za 0,5.
2. Meritev obratovalnih parametrov TČ
Za določanje obratovalnih parametrov potrebujemo naslednje podatke:
• tlak uparjanja,
• tlak kondenzacije,
• pregretje v vstopu v kompresor,
• temperaturo vročih par na izstopu iz kompresorja,
• podhladitev za kondenzatorjem,
• temperaturo vira in ogrevnega medija,
•
2.1. Princip delovanja v log p - h diagramu
Princip delovanja toplotne črpalke je prikazan v log p - h diagramu. Z njim lahko
določimo pregretje, podhladitev in izstopno temperaturo iz kompresorja. Posamezne
faze procesa v toplotni črpalki vrišemo v diagram, kar je prikazano na sliki 2. Vsako
hladivo ima svoj diagram.
s = konst.
IV.
p (bar)
3
3'
2
2'
III.
I uparjanje
II kompresija
III kondenzacija
IV podhladitev
V pregretje
x = konst.
II.
I.
I.
4
1"
V.
1'
1
h (kJ/kg)
1 - 2: Neizentropna kompresija
2 - 2': Hlajenje hladiva pri konstantnem tlaku do rosilne krivulje
2' - 3': Kondenzacija pri konstantnem tlaku
3' - 3 : Podhladitev pri konstantnem tlaku
3 - 4 : Ekspanzija pri konstantni entalpiji
4 - 1": Uparjanje pri konstantem tlaku
1" - 1': Pregretje v uparjalniku pri konstantnem tlaku
Slika 2: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu
Slika 2: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu
Termodinamičen krožni proces v kompresorskih toplotnih črpalkah delimo na štiri
faze:
1. UPARJANJE: Hladivo uparjamo pri nizkem tlaku in temperaturi, z dovodom
energije vira toplote.
2. KOMPRESIJA: Paro hladiva komprimiramo na višji tlak z uporabo
mehanskega kompresorja in s tem povečamo tlak in temperaturo pare hladiva.
3. KONDENZACIJA: Pare hladiva pri visokem tlaku ohladimo in kondenziramo, z
odvodom toplote iz kondenzatorja.
4. EKSPANZIJA: Hladivo v kapljevitem stanju ekspandira iz visokega na nizek
tlak. S tem dosežemo padec temperature. Krožno proces je zaključen.
Za preračun procesa so potrebne so potrebne naslednje entalpijske razlike:
h2 - h1: specifična moč potrebna za pogon kompresorja (kJ/kg)
h2 - h3: specifična toplota, potrebna za kondenzacijo (kJ/kg)
h1 - h4: specifična toplota, potrebna za uparjanje (kJ/kg)
Iz entalpijskih razlik, k jih odčitamo iz diagrama, lahko izračunamo grelno število
(COP) procesa v toplotni črpalki:
ε = Qtč/Ptč (COP)
Qtč - grelna moč toplotne črpalke (kW)
Ptč - pogonska moč TČ - dovedena električna moč (kW)
COP = Qtč/Ptč = grelna moč/električna moč = (h2 - h3) / h2 - h1)
Grelno moč toplotne črpalke lahko enostavno določimo z merjenjem električnega
toka na kompresorju:
Qtč = Ptč x COP x faktor moči
2.2. Pregretje in podhladitev
Razliko med temperaturo pare v sesalni cevi kompresorja temperature uparjanja
imenujemo pregretje. Za poenostavite lahko temperaturi merimo na površini sesalne
cevi. Temperaturo uparjanja lahko odčitamo s temperaturne skale na manometru ali
pa odčitamo iz tabel lastnosti hladiv na podlagi tlaka uparjanja.
Pregretje določa pregretost par hladiva pred vstopom v kompresor, v primerjavi s
temperaturo uparjanja. Razlika je običajno 4 - 8 °C. Če je pregretje prenizko, lahko
pride do vstopa kapljic hladiva v kompresor. Rezultat je nižja učinkovitost toplotne
črpalkar. Previsoka pregretost tudi ni primerna, kar vodo k neučinkoviti uporabi
uparjalnika kot prenosnika in s tem nižje grelno število. Z uporabo nastavitvenega
vijaka, ki stiska vzmet v ekspanzijskem ventilu, vzdržujemo nivo pregretja
ekspanzijskih par. Ekspanzijski ventil je prednastavljen na 4 - 8 °C pregretja med
delovanjem
Podhladitev pomeni, koliko je kondenzirana kapljevina hladiva ohlajena pod
temperaturo kondenzacije. Običajno je ta razlika 2 - 5 °C. Prenizka podhladite lahko
pomeni primanjkljaj hladiva, kar vodi k nižjemu grelnemu številu. Prevelika
podhladitev pomeni preveč hladiva v tokokrogu toplotne črpalke in s ten nižje grelno
število (prenosne površine kondenzatorja ne moremo v celoti izkoristiti). Obstaja tudi
nevarnost, da visokotlačni presostat izklopi sistem, ker se je taka kondenzacije
povišal preko nastavljen vrednosti. Podhladite lahko ocenimo tako, da od
kondenzacijske temperature(odčitane na manometru ali iz tabel lastnosti hladiv)
odštejemo od temperature, ki jo izmerimo na površini cevi, kjer izstopa hladivo iz
kondenzatorja. Temperatura površine izstopne cevi iz kompresorja, kjer izstopa
vroča para hladiva, približno kaže na dejansko temperaturo hladiva, ki izstopa iz
kompresorja.
3. Kontrola grelne moči toplotne črpalke v praksi
V tabeli 1 so prikazani rezultati meritev parametrov toplotne črpalke zemlja /voda v
praksi. Meritev je bila izvedena v januarju 2009. Vrednosti označene rdeče so
izmerjene, ostale delovne točke so izračunane s programom SELECT 7 proizvajalca
kompresorjev Copeland.
Tabela 1: Toplotna črpalka zemlja/voda
Ogrevalni sistem - nazivni parametri
Predtok (°C)
35 43,5*
55
Povratek (°C )
30 39,5*
50
Meritve
Grelna moč
8,7 7,7
8,1
električna moč
2,2 2,4*
3,2
COP
3,9 3,2
2,5
* izmerjeno:
- Tc = 44,5 °C, To = - 6,3 °C (R 407 C)
- temperatura vira toplote + 1,3 °C (povratek –
2,3 °C, zemeljski kolektor),
Slika 3: Merjenje parametrov
Iz meritev je razvidno, da znaša grelno število 3,2 pri izmerjenih parametrih (B1,3/W
43,5). Pri B1,3/W35 znaša COP 3,9. Iz tega lahko zaključimo, da pri temperaturi vira
B0/W35 (EN 255) ne bi dosegli predpisane minimalne vrednosti COP 4. Za dodatno
analizo je potrebno preveriti še način vgradnje in dimenzioniranje horizontalnega
zemeljskega kolektorja, glede na izmerjeno vrednost temperaturne razlike med
virom na vstopu in uparjanjem (7,6 °C). Za B0/W35 bi moral biti ta razlika med 4 in 5
°C. Določeni proizvajalci zagotavljajo pri nazivnih pogojih B0/W35, pri čemer
predstavlja vir temperatura raztopine, COP tudi preko 4,6, kar predstavlja le 2 °C
razlike med kondenzacijo / uparjanjem in ogrevalnim sistemom / virom.
5. Zaključek
Za zaščito kupcev bi bilo smiselno uvesti določene zahteve tako glede doseganja
vsaj minimalnih vrednosti (COP) same naprave in tudi zahteve glede letnega
grelnega števila (SPF).
REVERZIBILNE KOMPRESORSKE TOPLOTNE ČRPALKE ZA IZKORIŠČANJE
TOPLOTE ZUNANJEGA ZRAKA
Povprečna zunanja temperatura v ogrevalni sezoni 2007/2008 je bila za področje
Maribora + 7,8 °C. Za primerjavo, pred 10 leti je bila približno + 4 °C. V lanski kurilni
sezoni je bilo le nekaj dni s temperaturo pod - 10 °C. Kvalitetne toplotne črpalke zrak
- voda, z povečanim uparjalnikom, optimiranim in izboljšanim Scroll kompresorji in
učinkovitim sistemom odtaljevanja, omogočajo praktično celo kurilno sezono
obratovanje z visokimi letnimi grelnimi števili , brez vključevanja dodatnega vira
toplote. V primeru ogrevanja TČ odvzema toploto okolici toploto okolici in jo na
višjem temperaturnem nivoju oddaja v prostor. V primeru hlajenja prostora pa se
proces obrne. Toplotna črpalka ohlaja prostor, prevzeto toploto pa oddaja v okolico
ali pa jo deloma koristimo za segrevanje sanitarne vode.
1. Izvedbe toplotne črpalke
Toplotna črpalke so lahko izvedene kot kompaktne naprave za zunanjo in notranjo
postavitev in ločene ali split izvedbe. Pri kompaktnih napravah so vse elementi
črpalke vgrajeni v ohišje. Potreben pretok zraka skozi zračne kanale in
premagovanje padca tlaka dosežemo s centrifugalnimi ventilatorji.
1.1. Kompaktne TČ - notranja postavitev
Postavitev toplotne črpalke je mogoče v vseh suhih in dobro izoliranih prostorih (ni
možnosti zamrznitve). Ustreznost prostora naj pregleda strokovna oseba oziroma
proizvajalec TČ. Upoštevani morajo biti predpisi in predpisana razdalje za
namestitev. Zaradi preprečevanja hrupa mora biti toplotna črpalka nameščena na
trdno konstrukcijo (betonska tla) s podlago iz umetne mase (guma). Pri tem mora biti
toplotna črpalka nameščena tako, da ima od spredaj in vsaj ene strani 60 cm
prehoda, s katerim omogočamo lažji dostop serviserjev. Preprečevanje širitev hrupa
zmanjšamo s fleksibilno napeljavo na priključkih toplotne črpalke. V bližini naprave je
potrebno namestiti posodo za kondenzat, ki ga speljemo v odtok.
Posebej moramo biti pozorni, če toplotno črpalko inštaliramo v prostoru, da v primeru
poškodb na zračnih kanalih toplotne črpalke ne vplivamo na vlek kotla (bivalentni
način obratovanja, dodatni vir toplote je ogrevalni kote). Zajem in izpust zraka iz TČ
mora biti zunaj objekta in na zadostni medsebojni razdalji, da ni vpliva med tokoma
zraka (slika 1 in 2). Minimalni premer in dolžino kanalov za zrak določi proizvajalec.
Hitrost zraka v kanalih je pod 3 m/s, v povezovalnih gibljivih ceveh pa pod 4 m/s, da
se izognemo hrupu iz zračnih kanalov.
Pri kompaktnih TČ so kanali narejeni iz pocinkanih cevi ali gibljivih izoliranih cevi. Če
so TČ večjih moči, je potrebno vgraditi ustrezne dušilnike zvoka in zvočno izolirati
kanale. Varnostne rešetke na kanalih morajo biti pravilni dimenzionirane, da preveč
ne zmanjšamo izstopnih površin. Kanale izoliramo za vodno paro neprepustno
izolacijo.
kanal za odtočni zrak
min. 1 m
izstop
zraka
R 150 mm - min.
0,7 m
jadrovina
vstop
zraka
R 150 mm - min.
0,85 m
filter
0,85 m
kanal za
odtočni zrak
minimalno 2 m
filter
vstop zraka
izstop zraka
Slika 1: Način vgradnje TČ - notranja postavitev
Instalacijo za zrak je potrebno vgraditi tako, da se izognemo kratkemu stiku med
svežim in odtočnim - odpadnim zrakom (slika1).
1.2. Kompaktne TČ - zunanja postavitev
Pri namestitvi zunanje enote moramo biti pozorni na naslednje zahteve:
•
•
•
zagotovljen neoviran dotok in odtok zraka,
postavljena mora biti tako, da oddaja čim manj hrupa okolici (ne v bližini
spalnice, razdalja do sosedov),
napeljava kondenzata, ki je speljan v odtok, mora biti zaščitena pred
zamrznitvijo,
Pri zunanji postavitvi TČ prihranimo prostor, ni potrebno izvesti preboja ovoja stavbe.
Postavite ima tudi nekaj slabosti. Zagotoviti moramo, da hrup TČ ne bodo vplivala
naše ugodje in motil okolice.
toplotna črpalka
cca 120 - 150 cm
odvod kondenzasta
betonska plošča 10 cm
gramozno nasutje
Slika 2: Priprava temelja in odvod kondenzata
1.2.1. Ukrepi za manjšanje hrupa
Velika večina toplotnih črpalk ima visok nivo hrupa, posebej črpalke zrak - zrak. Tudi
odboj zvoka na samem mestu vgradnje lahko spremeni nivo.Nivo hrupa zunanje
enote lahko zmanjšamo, da enote ne postavimo na gladka, za zvok odbojna tla,
primernejša je trata. Če je TČ postavljena na odbojna tla, je lahko nivo hrupa tudi do
3 dB /A) višji kot v primerjavi z postavitvijo na travo. Direktno širjenje zvoka
preprečimo tudi z raznimi konstrukcijskimi ovirami kot na primer stene, ograje ipd.
Zmanjšanje hrupa lahko do 6 dB (A) dosežemo z vgradnjo odbojne plošče, ki obrne
tok zraka navzdol.
LwA = 65 dB (A) - nivo zvočne moči
LpA1 (razdalja 5 m) = 43 dB(A) - nivo zvočnega tlaka
LpA2 (razdalja 10 m) = 37 dB(A) - nivo zvočnega tlaka
LpA2 (razdalja 10 m) = 37 dB(A)
M2
LpA1 (razdalja 5 m)= 43 dB(A)
M2
LwA = 65 dB (A)
5m
5m
Slika 3: Nivo zvočnega tlaka na razdalji 5 in 10 m od izvora hrupa
1.2.2. Odtaljevanje uparjalnika
Voda, ki nastaja pri odtaljevanju uparjalnika ali kondenzaciji (pri zunanji enoti) naj
prosto odteka v zemljo pod nivojem zmrzovanje zemlje oziroma v odtok v kurilnici
(notranja postavitev). Količina vodne pare v zraku je odvisna od temperature in tlaka.
Ko vlažen zrak postopoma ohlajamo, enkrat dosežemo temperaturo, pri kateri je zrak
nasičen. Pri nadaljnjem ohlajanju dosežemo kondenzacijo vodne pare iz nasičenega
zraka in pri temperaturah pod lediščem kondenzat zmrzne in tvori led ali srež. To se
dogaja, ko preko uparjalnika vodimo vlažen zrak, in se tako na rebrih uparjalnika tvori
led. Zaradi tvorbe sreža se površina uparjalnika nekaj časa povečuje in s tem
njegova moč. Led kot izolator pri prenosu toplote ima večji vpliv kot površina
uparjalnika, zato se toplotna moč TČ zmanjša. Z znižanjem temperature uparjanja se
zniža pretok hladiva. Prav tako se poveča padec tlaka na zračni strani, kar vodi k
zmanjšanju pretoka zraka. V se to povzroči zmanjšano učinkovitost toplotne črpalke,
zato je potrebno vgraditi sistem za odtaljevanje uparjalnika. Odtaljevanje se lahko
izvede z električnim gretjem, uporabo obvoda vročih par ali z obrnitvijo procesa, kjer
zamrzjen uparjalnik in kondenzator zamenjata svoji vlogi (uporaba štiripotnih
ventilov). Pri majhnih količinah ledu je najučinkovitejše odtaljevanje z vročimi parami.
Odtaljevanje z električnim gretjem je enostavno vendar imamo dodatno porabo
električne energije. Odtaljevanje z obrnitvijo procesa je hitro in učinkovito, vendar je
potrebno vgraditi dodatno opremo, kar poveča materialne stroške.
1.3. Split izvedbe
Dvodelne črpalke združujejo prednosti zunanje in notranje postavitve. Ne
potrebujemo zračnih kanalov, notranja in zunanja enota sta povezani s cevmi, po
kateri kroži hladivo. Pri reverzibilnih TČ zunanjo in notranjo enoto izmenično
uporabljamo kot uparjalnik in kondenzator, kar omogoča hlajenje poleti. Vgraditi je
potrebno zbirne posode , ki odvajajo kondenzat v odtok, Pri zunanji enoti mora biti
odvod kondenzata ogrevan, da ne prihaja do zmrzovanja. V primeru hlajenja,
moramo pri notranji enoti prav tako odvajati kondenzat.
Na sliki 4 in 5 je prikazan način vgradnje split izvedbe toplotne črpalke zrak - voda.
Pri tem je potrebno upoštevati dolžino sesalne cevi in cevi za tekočo fazo ( skupna
dolžina maksimalno 20 m), odmike od zidu, globino polaganja in način prehoda skozi
zid - steno.
Odmik od zidu 1 m, mimimalno do strehe 1,5 m !
min.0,5 m - tri strani
proste**
mim.3 m do strehe**
tesnjenom v zaščitni cevi
prehod skozi zidi
skupna dolžina
maks. 20 m
uparjalnik
izolacija
ARMAFLEX
cevi (plinske in tekoče faze)
zemlja
maks. 10 m
toplotna
črpalka
Slika 4: Split izvedba toplotne črpalke zrak – voda (direktna povezava uparjalnik –
TČ)
izolacija sesalne in tlačne cev (plinska in tekoča faza)
(ARMAFLEX)
uparjalnik
zatesniti
Rmin = 1 m
zemlja
skupna dolžina
cevi - maksimalno 20 m !
toplotna
črpalka
gramoz
drenaža
40 - 50 cm
zaščitna cev, tesnjeno,
povezava s T - kosom
Slika 5: Split izvedba toplotne črpalke zrak - voda (povezava uparjalnik – TČ,
Instalacija v zemlji)
2. Hlajenje s toplotno črpalko
Hlajenje prostorov s TČ je lahko glede na vrsto grelnih teles »mirno« in dinamično.
Mirno hlajenje preko tal, stropa ali sten se izvaja s hladilno vodo s temperaturo nad
rosiščem. Dinamično hlajenje se izvaja z ventilatorskim konvektorji. Temperatura
hladilne vode je lahko tudi nižja od temperature rosišča. Pri tem načinu se
temperatura hlajenemu zraku zniža zaradi senzibilnega in latentnega prenosa
toplote, kar pomeni tudi sočasno razvlaževanje zraka.
2.1. Regulacija
Regulacijo ogrevanja in hlajenja uravnava elektronski regulator. Na osnovi izmerjene
zunanje temperature, se dovaja v ogrevala v vsakem trenutku toliko toplote, kot jo
zgradba potrebuje za nadomeščanje toplotnih izgub in pri tem vzdržujemo želeno
sobno temperaturo. Pogosto uporabljamo kombinacijo obeh hidravličnih povezav.
Tak primer je na primer ogrevanja in hlajenja, segrevanje sanitarne vode in krmiljenje
toplotne črpalke, ki ga skupno uravnava regulator.
Regulacijo površinskega hlajenja lahko izvedemo s konstantno temperaturo predtoka
ali s konstantnim masnim pretokom. Pri tem je potrebno omejiti spodnjo temperaturo,
da ne pride do kondenzacije na hladilnih površinah. Hladilni krog se izključi, ko se v
prostoru doseže želena temperatura. Pri manjših sistemih površinskega hlajenja,
sobni termostat deluje preko regulatorja in tropotnega ventila na korekcijo
temperature hladilne vode, kar pomeni, da se hladilni krog izključi, ko se v prostoru
doseže želena temperatura. Morebitni pojav kondenzata preprečimo:
-
z zvišanjem površinske temperature hladnega zidu, stropa ali tal,
da preprečimo nadaljnjo cirkulacijo hladilne vode,
z znižanjem vlažnosti zraka v prostoru.
Način delovanja TČ zavisi od ogrevalnega sistema. Toplotna črpa lahko zagotovi
temperaturi predtoka v odvisnosti od zunanje temperature. Če je potrebna
temperatura višja, jo moramo zagotoviti z drugim virom toplote.
Temperatura dvižnega voda - predtoka je odvisna od naslednjih parametrov:
•
•
•
•
•
zunanje temperature,
strmine ogrevalne krivulje,
nastavljene sobne temperature,
maksimalne. in minimalne omejitve temperature,
vpliva drugih grelnih teles (npr. kamina).
Vhodna temperatura medija proti zamrznitvi se za vsak ogrevalni krog nastavlja:
navzgor z nastavljeno maksimalno temperaturo ter navzdol z minimalno nastavljeno
temperaturo. Temperaturni režimi ogrevanja in hlajenja so prikazani na sliki 6.
1
dvižni vod s temp. 55 °C, pri zun.temp. - 15 °C
1
2
paralelni premok ogrevalne krivulje je 0 °C
2
najnižja dovoljena temperatura 6 °C
3
hlajenje (OFF) pri mak. zun.temp.
3 ogrevanje (OFF) pri zun.temp. + 20 °C
4
najnižja temperatura ogrevanja 37 °C
dvižni vod s temp. +25 °C, pri zun.temp. +17 °C
OGREVANJE
HLAJENJE
+35
+90
temp. TČ
temp. TČ
+30
temp. MV - mešalni vntil
temperatura hranilnika hladu (°C)
temperatura hranilnika toplote (°C)
+80
+70
+60
1
+50
2
5 °C
+40
4
temp. MV - mešalni vntil
+25
1
+20
+15
5 °C
+10
2
+5
+30
3
+20
- 30
-25
-20
-15
-10
-5
0
+5
+10
+15
+20
+25
0
+10
3
+15
+20
+25
+30
+35
+40
+45
+50
+55
zunanja temperatura (° C)
+60
zunanja temperatura (° C)
Slika 6: Ogrevanje in hlajenje s TČ - temperaturni režimi
3. Grelna števila TČ
Brez upoštevanje energije za odtaljevanje uparjalnika in pogona ventilatorja,
kvalitetne toplotne črpalke dosegajo grelna števila pri zunanjih temperaturah med
minus 10 °C in minus 15 °C ter temperaturi predtoka 35 °C (∆T = 5 K) že približno 3.
16
režim 35/30 °C
hladivo R 407 C
TČ OLW18 pri W35 - Ochsner
14
4,5
grelna moč
10
DT
3,5
3
8
3
6
2,5
4
3
2
-25
2
pogonska moč
-20
-15
-10
4,2
4
COP
moč (kW)
12
-5
0
+5
+10
+15
zunanja temperatura (°C)
-10
+2
zunanja temperatura (°C)
+7
+20
Vir: tehnični listi firme Ochsner
Primer: TČ IDESTA POLAR 16 (Vir: www.knut.si)
COP = 9,2/2,8 = 3,1 - pri zunanji temperaturi - 16 °C
(brez upoštevanja energije za odtaljevanje uparjalnika in pogon ventilatorja)
Slika 7: Delovni diagram TČ zrak - voda za režim 35/30°C, hladivo R407 C
Na sliki 7 je prikazan delovni diagram za TČ zrak - voda IDESTA POLAR. Grelno
število določimo iz razmerja ogrevalne in pogonske moči. Prikazan je diagram
odvisnosti COP od zunanje temperature toplotne črpalke Ocshner OLW 18.
+10
Slika 8 prikazuje grelna števila toplotnih črpalk različnih moči pri zunanji temperaturi
+ 2 °C, temperaturni režim 35/30 °C. Spodnja meja za grelna števila (glede na EN
255) za TČ zrak - voda, ki imajo certifikat kvalitete ( D - A - CH) je 3.
Slika 8: Grelna števila TČ različnih proizvajalcev (Vir: gradivo firme CLIVET).
4. Zaključek
Vse več proizvajalcev pospešeno razvija in izpopolnjuje toplotne črpalke, ki kot vir
toplote koristijo zunanji zrak. Rezultat tega je, da se je učinkovitost novejših toplotnih
črpalk, ki lahko obratujejo z visokimi grelnimi števili tudi pri zelo nizkih zunanjih
temperaturah, zelo povečala. Reverzibilne črpalk omogočajo tudi učinkovito hlajenje.
Sodobna regulacija pa omogoča kondenzirajoče in ne kondenzirajoče hlajenje.
OGREVANJE NEH S TOPLOTNO ČRPALKO ALI ZEMELJSKIM PLINOM ?
V sestavku so prikazane smernice za načrtovanje 3 litrske hiše in narejena
primerjava stroškov ogrevanja s toplotno črpalko in zemeljskim plinom.
PRAVILNIK O TOPLOTNI ZAŠČITI
Trenutno veljavni pravilnik o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije (Ur. list
42/2002) predpisuje, da je mora biti letna raba energije za ogrevanje manjša od 45 +
40 . fo, kjer pomeni »fo« faktor oblike objekta (fo = A/Ve in predstavlja razmerje med
celotno zunanjo površino stavbe A in ogrevano prostornino stavbe). Za stavbe to
pomeni med 60 in 80 kWh/m2leto oziroma preračunano na porabo goriva med 6 in 8
litri ekstra lahkega kurilnega olja na kvadratni mater stanovanjske površine na leto.
STROŠKI OGREVANJA
800 evrov
STROŠKI OGREVANJA
300 evrov
odtočni
zrak
Značilnosti:
- povečana toplotna izolacija
30kWh/m2leto - kontrolirano prezračevanje
60 - 80 kWh/ /m2 leto
Pravilnik o toplotni zaščiti št. 42/2002
Značilnosti:
- naravno prezračevanje
- velike toplotne izgube
- radiatorsko ali talno ogrevanje
- ni hlajenja prostorov v letnem času
zavrženi zrak
toplotni
prenosnik
zrak/zrak
z rekuperacijo toplote do 95 %
- toplozračno ogrevanje ali stensko/talno
- hlajenje s stenskim ogrevanjem v letnem času
površin
sveži zrak
OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO ZRAK/VODA
ki omogoča tudi hlajenje v letnem času
kotel
Standardni ogrevalni sistem
Ogrevanje NEH - 3 litrska hiša
Z dobro izolacijo lahko občutno zmanjšamo toplotne izgube in se tako približamo
razredu energijsko varčnih hiš, pri katerih letna rabe energije za ogrevanje in pripravo
tople vode ne presega 60 kWh/m2leto.
Nizko energijske 3 litrske hiše je potrebno načrtovati tako, da znaša energijsko
število ogrevanja 30 kWh/m2leto. To pomeni, da porabimo za ogrevanje prostorov
največ 30 kilovatnih ur na kvadratni meter uporabne površine na leto.
OSNOVNE ZNAČILNOSTI NEH
Za t.i. 3 - litrsko nizko energijsko hišo, to je s porabo 3 litrov ekstra kurilnega olja na
kvadratni meter uporabne stanovanjske površine na leto, veljajo sledeče vrednosti:
Tabela 1
Raba energije za ogrevanje
Vrednost
30
Enota
kWh/m2leto
Da dosežemo te vrednosti, so bile potrebne naslednje vrednosti za toplotno
prehodnost Umak posameznih gradbenih konstrukcij in oken:
Tabela 2
Gradbena konstrukcija
Zunanje stene in stene
Zunanje stene in strop proti terenu
Poševna streha nad ogrevanim podstrešjem
Tla na terenu pri talnem ogrevanju
Zasteklitev
Umak
W/(m2K)
< 0,2
< 0,3
< 0,2
< 0,3
0,8
Osnovne smernice za gradnjo NEH:
•
•
•
•
•
kompaktna gradnja, zagotovljena zrakotesnost ovoja,
zadostna toplotna izolacija,
kontrolirano prezračevanje,
izkoriščanje toplote odtočnega - izrabljenega zraka,
optimalna izbira ogrevalnega sistema, priprava tople sanitarne vode in
prezračevanja.
a. Sestava konstrukcije
zunanja stena: 25 cm opečni blok, 18 cm toplotne izolacije,
streha: 30 cm toplotne izolacije
tla na terenu pri talnem ogrevanju: 12 cm toplotne izolacije
b. U - vrednost
zunanje stene: 0,18 W/(m2K)
streha: 0,12 W/(m2K)
zasteklitev: 0,8 W/(m2K)
tla na terenu: 0,25 W/(m2K)
OGREVANJE IN PREZRAČEVANJE
Specifične toplotne izgube so sestavljene iz toplote potrebne za pokrivanje
transmisijskih in prezračevalnih izgub. Zmanjšanje transmisijskih toplotnih izgub
dosežemo z primerno toplotno izolacijo ovoja stavbe. Z zmanjšanjem transmisijskih
izgub narašča delež prezračevalnih izgub. Te izgube je možno zmanjšati z boljšo
zatesnitvijo zgradbe. To pomeni, da več ni možno zagotoviti naravno izmenjavo
zraka, potrebno za zdravje in prijetno počutje stanovalcev, temveč lahko optimalno
izmenjavo zraka in s tem minimalne prezračevalne izgube, dosežemo le z
mehanskim prezračevanjem. S sodobnim prezračevalnim sistemom se tako
odpovemo prezračevanju skozi okna in nekontroliranim toplotnim izgubam.
Specifične toplotne izgube za NEH so prikazane v tabeli 3.
Tabela 3
Vrsta hiše
3 - litrska hiša
Specifične
toplotne
izgube
(W/m2)
20
Izmenjava
zraka
n50 < 1,5 h-1
Ciljna izmenjava zraka v NEH znaša n50 < 1,5 h-1. Tesnost zgradbe se dokazuje z
»Blower - Door« testom, kjer se z ventilatorjem ustvarja nadtlak/podtlak 50 Pa
med notranjostjo stavbe in okolico. Pri uporabi prezračevalnih naprav z
rekuperacijo toplote je potrebna izmenjava zraka n50 < 1,5 h-1.
OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO ZRAK/VODA
Za toplozračno ogrevanje in hlajenje ogrevanje hiš uporabimo reverzibilno toplotna
črpalka zrak - voda v povezavi s hidravličnim setom. Toplotna moč znaša 8kW,
grelna števila od 4 do 4,5 (za parametre zrak + 7 °C, predtok + 35 °C). Maksimalna
temperatura ogrevne vode, s katero grejemo zrak za toplozračno ogrevanje znaša do
55 °C. Področje delovanja TČ je do zunanje temperature – 20 °C. Reverzibilna
izvedba TČ omogoča tudi hlajenje. Način delovanje je lahko monovalenten za
področja z milo klimo, medtem ko za osrednjo Slovenijo pride v poštev
monoenergetski način. Za pripravo tople sanitarne vode je priključen hranilnik s
prostornino 200 litrov. Vgrajen ima dodatni elektro grelnik moči 3 kW, ki omogoča v
zelo hitro času segretje sanitarne vode do 70 °C.
Zunanja stenska enota, črpa toploto iz zunanjega zraka in jo v notranji enoti
(hidravlični set) preko hladiva (R 410 a) prenaša na ogrevno vodo za toplozračno
ogrevanje in hlajenje in radiatorskega ogrevanja v kopalnicah ter gretje sanitarne
vode. Kompaktna notranja enota ne potrebuje posebnega prostora, namestimo jo na
steno in vsebuje vse potrebne elemente za upravljanje in povezavo na ogrevalni
sistem. Hranilnik toplote ima prostornino 200 l, ki obenem služi tudi kot hranilnik
hladne vode za hlajenje v letnem času.
V hidravličnem setu je za podporo ogrevanju vgrajen elektro grelnik za
monoenergetski način obratovanja toplotne črpalke.
10
toplotna kapaciteta TČ
10 %
BT
toplotna moč (kW)
toplotne potrebe
najhladnejši dan v kurilni sezoni
Ogrevalni režim 35/30 °C
toplotna karakteristika TČ
5
90 %
-20
ure
- 15
- 10
-5
0
+7
zunanja temperatura, ° C
podporno elektro ogrevanje
rezervna toplotna kapaciteta TČ
pokritje s TČ
BT - bivalentna točka
Delovni diagram in toplotna karakteristika toplotne črpalke
KONTROLIRANO PREZRAČEVANJE, POTREBNA IZMENJAVA ZRAKA, REKUPERACIJA
TOPLOTE
Primerno kakovost zraka dosežemo z prezračevanjem, ki je potrebno predvsem
zaradi odstranjevanja škodljivih snovi in različnih vonjav. Z povečevanjem izolacije
lahko zmanjšamo “U” - vrednost na minimum, želenih vrednosti porabljene energije
za ogrevanje (30 kWh/m2a) pa ne dosežemo. Šele z uporabo kontroliranega
prezračevanja, dosežemo želene vrednosti glede rabe energije za ogrevanje
prostorov. Kontrolirano prezračevanje ponuja še sledeče prednosti:
- prijetno in zdravo klimo (vedno sveži zrak tudi pri zaprtih oknih),
- primerno zvočna izolacijo, ker se okna lahko zaprta,
- preprečevanje nastanka plesni,
- odvod vodne pare in neprijetnih vonjav iz kuhinje in sanitarij,
- prihranek energije pri napravah z rekuperacijo toplote.
Da zmanjšamo izgube zaradi prezračevanja je potrebno samo izrabiti toplotno
energijo, ki jo vsebuje že segreti zrak v prostoru in ga moramo zaradi
izrabljenosti odvajati. Z realizacijo kontroliranega prezračevanja dovajamo v
prostor sveži zrak, ki ga pred vstopom v bivalni prostor segrejemo s toploto
izrabljenega zraka in ga nato segretega dovajamo nazaj v prostor. Že ohlajen
izrabljen zrak pa odvajamo iz objekta
V napravi pripravljen zrak se po kanalskem razvodu vodi do bivalnih prostorov
(dnevna soba, spalnica) v katere vstopa skozi prezračevalne odprtine. Iz teh
prostorov se zrak prosto giblje skozi hodnike do prostorov, kjer je potrebno zračenje
(npr. kuhinja, sanitarije, Od tod sesalni ventilator sesa zrak skozi izstopne sesalne
odprtine nazaj v napravo (toplotni prenosnik), kjer svojo toploto odda svežemu zraku.
Na strani vstopnega zraka je vgrajen tudi sistem zaščite pred zmrzovanjem, na poti
ohlajenega zraka pa je nameščen lovilec izločene vodne pare. Delovanje naprave
oziroma ventilatorjev ureja regulacijska enota.
STROŠKI OGREVANJA
Narejena je približna primerjava stroškov ogrevanja z zemeljskim plinom in
toplotno črpalko zrak/voda.
a. Zemeljski plin
Za stanovanje s 180 m2 in rabo energije 70 kWh/m2 znašajo letni stroški za
ogrevanje:
-
kurilnost zemeljskega plina: 9,5 kWh/m3
raba energije: 12600 kWh na leto
izkoristek kotla: 0,85
Stroški ogrevanja: 800 evrov z vzdrževanjem
b. Toplotna črpalka
Za stanovanje s 180 m2 in rabo energije 30 kWh/m2 znašajo letni stroški za
ogrevanje:
Letno grelno število vzamemo 2,7 (zaradi morebitnega dogrevanje z električno
energijo v dneh, ko pade temperatura pod – 15 °C)
-
raba toplotne energije: 5400 kWh na leto
Raba električne energije kompresorja toplotne črpalke: 5400/2,7 = 2000 kWh
Stroški ogrevanja: 300 evrov z vzdrževanjem
STROŠKI ZA SANITARNO VODO
Za 4. člansko družini porabimo za segrevanje vode 5000 kWh ali 526 m3
zemeljskega plina na leto kar znaša 350 evrov. Ogrevanje sanitarne vode s
toplotno črpalko je 60 % ceneje in znaša letno 140 evrov.
ZAKLJUČEK
Enostaven izračun stroškov ogrevanja pokaže, da je pri trenutnih cenah energentov
ogrevanje s toplotno črpalko v primerjavi z ogrevanjem na zemeljski plin 60% ceneje,
DIMENZIONIRANJE TČ VODA – VODA ALI ZEMELJSKE SONDE
Potrebno je pripraviti izračun toplotne moči objekta glede na podane podatke
in dimenzionirati toplotno črpalko ter določiti vir toplote glede na stanje na
terenu.
1. Dani podatki
•
•
•
•
•
•
•
Neto površina znaša 308 m2.
Podlaga je delno rdeča ilovica, sicer pa le kalcit – dolomit (osamelec). Hiša na
polovici stoji na kamniti podlagi.
Pred hišo je za vozilo dostopen vrt, delno nasut z ilovico, dimenzij 10 x 20 m,
primeren za vrtanje.
Na razpolago je tudi parkirišče 5 x 20 m.
Hiša ima dve etaži in delno podkletena. Skupen uporaben prostor ca 308 m2.
Fasada je iz 12 cm polistirena streha ima 25 cm izolacija iz mineralne volne
Okna so troslojna m2 s U stekla = 0,7 W/(m2K).
Plošča proti kleti je izolirana z 8 cm polistirena.
Pripraviti je:
•
•
predloge rešitve za ogrevanje s toplotno črpalko na geosondo/alternativa je
toplotna črpalka voda/voda in ceno investicije,
ceno ogrevanja s toplotna črpalko v primerjavi z ogrevanjem na LKO.
A. Dimenzioniranje toplotne črpalke NA ZEMELJSKO SONDO
Dejanska toplotna moč objekta na osnovi transmisijskih izgub znaša 10,0 kW.
Slika1: Grelna moč pri temperaturi vira 0 stopinj Celzija
Ker je temperatura vira na globini 100 m 10 stopinj Celzija, da naša črpalka grelno
moč 12,5 kW ( tabela 1)
Tabela 1: Grelno število v odvisnosti od tem.vira in moči
2. Dimenzioniranje toplotne sonde
Določim toplotni odvzem iz zemlje qE = 40 W/m
Temperaturo predtoka določim 45 °C.
Skupna globina vrtin:
L = Qk /qE = 7700/40 = 192,5 m
Določimo 2 sonde - dvojne U cevi (PE Φ 32 x 2,9 mm) 2 x 100 m ali 3 x 62 m = 186
metrov,
ODLOČIMO SE ZA SKUPNO GLOBINO 2 x 100m = 2000 m.
Na sliki 2 je prikazana tabela toplotne črpalke zemlja/voda, kjer se kot vir toplote
koristi globinska sonda.
Iz priložene karte (slika št.3) je razvidno, da gostota toplotnega toka za območje
vgradnje znaša 0,70 W/m2. Povprečno toplotna prevodnost snovi znaša 1,8 W/(mK).
Za takšne kamenine je za pričakovati specifični odvzem 40 W/m in sicer za 1.800 ur
obratovanja:
P = 200 . 40 = 8 kW – hladilne moči.
Ogrevalna moč znaša 9,5 kW pri temperaturi vira 0° C . Običajna temp.vira je na
globini 100 m približno 10 °C,zato toplotna črpalka WPF 10 zadošča.
Slika 3: Geološka karta gostote toplotnega toka
3. Specifikacija opreme – Shema 2
a.
b.
c.
d.
Toplotna črpalka WPF10
Hranilnik toplote 100 litrov – SBP 100
Hranilnik sanitarne vode 200 litrov – SBB 200 ali 300 litrov
Vsa ostala oprema, obtočna črpalka, armature, ekspanzijske posode,
regulacija, v kompletu opreme
Slika 4: Vezava na hranilnik toplote in grelnik sanitarne vode
4. CENA OGREVANJA IN INVESTICIJE
Kurilnost LKO znaša 10 KWh/l.
a. Cena ogrevanja
9500 kWh = 665 evrov (950 l LKO)
b. Cena s toplotno črpalko:
Letno grelno število je 4,5
9500 x 0,8/4,5 = 1520 kWh - poraba elek. moči kompresorja….200 evrov
Letni prihranek je cca 445 evrov. Skupaj s sanitarno vodo 600 evrov.
Investicija se povrne v 4 – 5 letih v primeru, da vgradimo kondenzacijski kotel.
5. CENA INVESTICIJE
Cena investicije:
1. toplotna črpalka z opremo: 11.000 evrov
2. GEOSONDE - vrtanje SKUPNO 200 m po ceni 45 evrov na meter:
9000 evrov
Skupna investicija cca 20.000 evrov.
B. Dimenzioniranje toplotne črpalke
Toplotna moč objekta znaša 12 kW. Izberemo za 2 kW manjšo grelno moč TČ.
Podatki za TČ:
•
•
•
•
•
•
potrebna toplotna moč za ogrevanje: 10 kW (10/35 °C)
temp.podtalnice 10 °C, minimalna dovoljena + 7 °C.
temperatura predtoka 35 °C
električna moč: 2,35 kW
grelno število 5,1
hladilna moč 9,65 kW
1. Vir toplote podtalnica
Dimenzioniranje TČ voda/voda
Za ogrevanje je potrebno pripraviti projekt vgradnje toplotne črpalke voda/voda
toplotne moči 10 kW. Višina podtalnice od spodnjega nivoja znaša cca 25- 30 m.
Toplotna črpalka:
- grelna moč 10 kW
- hladilna moč 8 KW
- grelno število = 5
- električna moč 2kW
- ogrevalna voda režim 35 /30 °C talno ogrevanje
- temperatura podtalnice 10 °C, ohlajena na 6 °C…… ∆t = 4 K
Način vgradnje TČ voda/voda:
Osnovne smernice:
-
podtalnica v samem kroženju ne sme priti v stikom z zrakom,
podtalnica se mora čim manj ohladiti na poti do toplotne črpalke,
v posebnih primerih (kakovost vode ni ustrezna) je mogoča tudi uporaba
ploščnega uparjalnika narejenega iz legiranega jekla.
Za zaščito uparjalnika moramo vgraditi tlačno stikalo prav tako pa moramo paziti na
minimalno temperaturo. Za pravilo uporabo tlačnega stikala mora biti na izhodu
podtalnice vgrajen dušilni ventil. Pri vgradnji je potrebno upoštevati:
•
•
•
•
•
•
•
pri zvišanem deležu trdnih delcev v podtalni vodi (pesek, mulj) mora biti
zagotovljen ustrezen usedalni kanal, s katerim se izognemo zamašitev
uparjalnika,
dvižni in povratni vod moramo položiti tako, da jih zavarujemo pred zamrznitvijo
vodnjaka,
cevi v hiši morajo biti izolirani da se prepreči rosenje,
od odvzemnega vodnjaka do toplotne črpalke mora biti napeljana zaščitna cev z
električnim kablom za vodno črpalko,
pokrov vodnjaka mora takšen, da onemogoča zračnost in prehod svetlobe s
katerim preprečimo nastajanje alg in mulja,
za črpanje podtalne vode uporabimo potopno črpalko,
po dokončanju vodnjaka se ga mora izpirati cca 48 ur, da preprečimo vhod
nečistoče v sistem.
0prema, ki je potrebna pri vgradnji:
•
•
•
•
potopna črpalka z ustrezno močjo,
varnostno stikalo za potopno črpalko,
vodomer z zapornim ventilom,
termometer, dovodna in odvodna napeljava.
Slika 5: Vezava vodnjakov
Hladilno moč izračunamo:
Qk = QTČ - PTČ = 10 – 2,0 = 8 kW
ε = QTČ/PTČ = 10/2,0 = 5,0 (COP)
Qk = m . cp . (tw1 - tw2) = V . ρ . ∆t
V enačbi pomeni:
V - pretok vode (m3/h)
ρ - gostota vode (1000 kg/m3)
cp = 1,163 . 10 -3 kWh/kg - specifična toplota vode
∆t - temperaturna razlika med vstopno in izstopno vodo iz vodnjaka (običajno 4 K).
V primeru, da imamo pretok cca 200 l/KW in ∆t = 4 K, mora znašati pretok
podtalnice minimlano 2,0 m3/h. Vgradi se PLOŠČNI prenosnik za ∆t = 4 K (12/8° C)
za podtalnico moči 8 kW.
Predvidena je TČ
obratovanje z hranilnikom toplote za TČ 100 litrov in
akumulacijskim grelnikom 300 litrov.
V primeru, da ne upoštevamo zapornega časa, lahko prostornino HT izračunamo:
VHT = Qg . (20 do 25 litrov) oz. minimalno 10 litrov/kW
Določimo hranilnik prostornine minimalno 100 litrov.
Glede na predvideni premer vrtine 3 do 4 cole, je možno vgradnja primarne potopne
črpalke Grundffos 2- 2,5 m3/h s kablom – nivojskim.
2. Popis opreme in cena investicije za toplotno črpalko voda/voda
-
toplotna črpalka voda/voda moči 10 kW,
hranilnik toplote za TČ - 100 L,
grelnik sanitarne vode: 200 – 300 L,
(ali HT Higyenik 500 s ploščnim prenosnikom za toplo vodo),
potopna črpalka Grundfoss 2,5 m3/h, H = do 30 m (3 bar)……zavisi od globine
vodnjaka oz.nivoja vode, DN 32,
obtočna črpalka UP 20 – 15 Grundfoss,
ploščni prenosnik za potopno črpalko 8 KW, ∆t = 4 K (12/8 °C),
armatura, filter povezave,
izvedba vrtine do 2 x 30 m globine (sesalne in ponorne),
tlačno stikalo ali varovalo pretoka .
Cena investicije ocenjena pri globini vodnjakov 2 x 30 na 18.000 evrov.
ZAPRTI KOLEKTORSKI SISTEMI V PRAKSI PRI OGREVANJU S TOPLOTNO
ČRPALKO
POVZETEK
Nizkotemperaturne sisteme ogrevanja in hlajenja s toplotno črpalko vse več
uporabljamo tudi za manjše individualne zgradbe. Vgradnja toplotnih črpalk za
ogrevanje, v Sloveniji bliskovito narašča, saj je bilo v zadnjih dveh letih za ogrevanje
družinskih hiš instaliranih približno 400 toplotnih črpalk. Skoraj 80 odstotkov vseh
vgrajenih toplotnih črpalk, kot vir toplote, koristi toploto površinske zemlje. Za prenos
nizkotemperaturne energije do toplotne črpalke uporabljamo zaprte kolektorske
zemeljske sisteme, napolnjene z nestrupenim medijem. V prispevku so predstavljene
različne izvedbe zaprtih kolektorskih sistemov. Prikazane so težave, s katerimi se
soočajo investitorji pri načrtovanju in vgradnji ogrevalnega sistema s toplotno črpalko.
1. OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO IN KORIŠČENJE ZAPRTEGA
ZEMELJSKEGA KOLEKTORSKEGA SISTEMA
V Sloveniji, se število toplotnih črpalk za ogrevanje, hlajenje in pripravo sanitarne
vode nenehno povečuje.
Skoraj 80 odstotkov vseh vgrajenih toplotnih črpalk, koristi zaprte kolektorske
sisteme za izkoriščanje površinske toplote zemlje .
Pri zaprtih sistemih je položen v zemljo kolektorski sistem, v katerem kroži medij, ki
ohlaja okolico kolektorja. Dolžina kolektorskih cevi je odvisna od toplotne prevodnosti
tal, temperature tal, specifičnega odvzema energije iz tal, lokalnega podnebja,
hladilne moči črpalke in letnih potreb objekta.
Kolektorje lahko razdelimo na:
-
klasične talne (horizontalni) kolektorje,
kompaktne in zelo kompatne vertikalne in horizontalne kolektorje,
spiralne (»Slinky« in »Svec« izvedba),
kolektorje v zbiralnem jarku - kompaktna izvedba (razširjeni predvsem v
Avstriji, t.i.»graben kollektor«),
spiralne kompaktne kolektorje za globine 2 do 5 m (oberflächennahe Sonden),
vertikalne toplotne prenosnike (geosonde).
Toplotni odvzem horizontalnega zemeljskega kolektorja (temperatura vira toplote - 5
do + 15 °C) znaša 15 - 40 W/m2, vertikalne izvedbe kolektorjev dosegajo 30 - 100
W/m2 pri temperaturi vira toplote - 2 do + 10 °C. Največji odvzem toplote imajo
kompaktni vertikalni kolektorji v kombinaciji z rekuperacijo toplote prezračevanja in
sicer do 130 W/m2 (povprečna temperatura vira v zimskem času + 2 °C). Toplotni
odvzem t.i.“graben kolektorja” (temperatura vira toplote - 5 do + 10 °C) znaša 10 - 15
W/m2.
Naštete vrednosti toplotnega odvzema zelo nihajo v odvisnosti od specifične toplotne
kapacitivnosti zemlje, toplotne prevodnosti, vsebnosti vode in vodne pare ter količine
sončnega obsevanja. Odvzem zmernih količin toplote zemlji ni škodljiv, ker se
temperaturni profil s sončnim obsevanjem in dovodom toplote s toplim zrakom in
dežjem preko poletja obnovi.
V Sloveniji se v večini primerov (75 %) za ogrevanje družinskih hiš s toplotno črpalko
vgrajujejo horizontalni kolektorji (Slika 2).
Slika 2 Horizontalni zemeljski kolektor
Sestavljeni so iz cevi iz PE, dimenzij 25 x 2,3 oz. 32 x 2,9 mm. Cevi se položijo v
posteljico iz peska, da se preprečijo poškodbe.
Razširjene so predvsem izvedbe, kjer se PE cevi povežejo med seboj, tako da
nastane spiralno oblikovan kompaktni kolektor (Slinky, Svec - kolektor). Slika 3
prikazuje izvedbo v praksi.
Slika 3 Kompaktni zemeljski kolektor
Nizkoenergijske hiše s kontroliranim prezračevanjem in rekuperacijo toplote so zelo
primerne za uporabo t.i. »VBX« kolektorjev (Slika 4), kjer toploto vračamo v zemljo, iz
katere jo črpa toplotna črpalka. Zemlje tako ne moremo podhladiti.
SLIKA 4 Kompaktni kolektor VBX
Primerjava med različnimi sistemi zemeljskih kolektorjev pokaže, da pri določeni
hladilni moči toplotne črpalke potrebujemo: pri klasično položenem kolektorju 500 m2,
pri kompaktnem 200 m2 in pri »VBX« kolektorjih 30 m2 površin.
Računski postopki za izračun horizontalnih kolektorjev niso znani, čeprav se v
principu lahko uporablja metoda za dimenzioniranje zemeljskih sond. Kolektorje je
možno dimenzionirati glede na izkušnje iz prakse. Orientacijske vrednosti (glede na
VDI 4640) za specifični odvzem toplote so podane v tabeli 1.
Tabela 1: Orientacijske vrednosti za specifični odvzem toplote
Vrsta zemlje
odvzem energije
W/m2
suha, peščena tla
10 - 15
vlažna, peščena tla
15 - 20
suha, ilovnata tla
20 - 25
vlažna, ilovnata tla
25 - 30
zelo mokra ilovnata tla, z vodo
30 - 40
prepojen pesek/prod
Orientacijske vrednosti za razdalje med cevmi in toplotni odvzem pri horizontalnih
kolektorjih so prikazane v spodnjem diagramu (Slika 5).
1,2
rrazmik med cevmi (m)
1,0
0,9
0,8
0,7
vlažna tla
0,6
3,0
pesek
0,5
2,5
0,4
2,0
0,3
1,5
ilovica
3,0
0,2
10
20
30
40
50
70
100
moč W/m2
Slika 5 Razdalja med cevmi in toplotni odvzem za horizontalne kolektorje
Če je razdalja med cevmi premajhna, lahko celotna površina zmrzuje. Če ima
zmrznjeno območje okoli cevi premer 0,5 m, le - to povzroči dvig zemlje nad cevjo za
približno 2 cm. Če so cevi položene preveč globoko, bo vpliv sončnega obsevanja
zelo majhen. V splošnem se priporoča, da se cevi položijo na globino 1,20 do 1,50
m.
2. VGRADNJA ZEMELJSKIH KOLEKTORJEV - PRIMERI IZ PRAKSE
V primeru uporabe toplotne črpalke z horizontalnim kolektorjem lahko napačno
dimenzioniranje kolektorja povzroči poškodbe vegetacije in tudi nižje letno grelno
število. Pri izvedbi so najpogostejše sledeče napake
-
kolektorji so položeni preplitko in v neprimerna tla (mulj, blato), zato lahko
pride do dvigovanja tal zaradi zmrzovanja,
do dvigovanja tal lahko pride tudi pri kvalitetni zemlji, če je specifična
odvedena količina toplote presežena zaradi premajhne površine
oz.pregostega polaganja cevi horizontalnega kolektorja,
-
nasutje finega materiala okoli kolektorskih cevi ni izvedeno strokovno (kar je
posebej pomembno, če se predvideva, da je v sestavi tal tudi blato oz.mulj),
-
cevi dovoda in povratka od toplotne črpalke niso dovolj razmaknjene
(minimalno 70cm) in so preblizu vodovodne instalacije in kanalizacijskih cevi,
-
varnostne razdalje do vodovodnih in kanalizacijskih cevi zaradi varnosti pred
zmrzovanjem (minimalno 1,5 m) niso v predpisanih mejah,
-
površina kjer je položen kolektor je asfaltirna in položeni tlakovci,
-
shema vgradnje - natančna lokacija kolektorja po končanju vgradnje, ni
narejena,
-
tlačni padci v ceveh kolektorja in ostale opreme so določeni izkustveno in ne
računsko, prav tako količina sredstva proti zmrzovanju,
-
preizkus tesnosti (tlačno testiranje kolektorja) ni izveden,
-
težave pri zagonu sistema, zaradi zraka v raztopini voda/glikol,
-
tehnična dokumentacija za kolektorski sistem je zelo pomanjkljiva ali je sploh
ni,
-
atesti vgrajene opreme niso priloženi tehnični dokumentaciji,
-
jaški niso pravilnih dimenzij, kar ima za posledico nepravilno vgrajene zbiralnik
in razdelilec,
-
vgradnja povezovalnih cevi je ni izvedena korektno, tako da lahko nastopijo
problemi z odzračevanjem zank,
-
cevi, ki vstopajo v jašek oziroma prečkajo stene objekta, niso dodatno
zavarovane pred mehanskimi poškodbami.
Slika 6 Neprimerna vgradnja razdelilnika in zbiralnika
Slika 7 Korektna izvedba razdelilnika in zbiralnika
Slika 8 Površno položen horizontalni kolektor
Slika 9 Pravilno izvedena zaščita cevne povezave do TČ pri prehodu skozi zid
Ni tudi priporočljivo, da opremo v vgrajuje dvoje ali troje izvajalcev, vsak za svoje
področje (talno/stensko ogrevanje posebej, kolektor in priklop toplotne črpalke dva
izvajalca, vsak za svoj del). Če se temu ne moremo izogniti, je potrebno narediti
skupen zapisnik vseh izvajalcev del o prevzemu celotnega sistema oziroma dati
pismeno jamstvo za funkcionalno delovanje celotnega sistema.
ZAKLJUČEK
Toplota površinske zemlje je pri nas najbolj uporabljen vir toplote. Toplotna črpalka
obratuje monovalentno in pokriva celotne potrebe po ogrevalni toploti. Skoraj preko
90 odstotkov vgrajenih kolektorskih sistemov horizontalne izvedbe, samo 10
odstotkov je vgrajenih kompaktnih kolektorjev. Horizontalni kolektorji se uporabni za
toplotne črpalke majhnih moči, pri večji moči toplotne črpalke pa so primernejši
kompaktni kolektorji. Ti zavzamejo manjšo površino zemlje. Vertikalne zemeljske
sonde, ki segajo v globino 50 do 150 m so za družinske hiše predrage (približno 50 –
60 EUR/m), zato bi bila smiselna uporaba spiralnih kompaktnih kolektorjev, ki jih
vgrajujem na globino 3 do 5 m. Takšne izvedbe bi bile predvsem primerne za
področja, kjer je podtalnica že na globini nekaj metrov (www.gi-zrmk.si/ensvet.htm Spiralni kompaktni kolektorji v vrtini).
Bojan Grobovšek, univ.dipl.ing.str.
Vir:
•
B.Grobovšek, Praktična uporaba toplotnih črpalk (knjigo izdala ENERGETIKA
MARKETING 12/2009).