1

1

Obnovitelné zdroje energie

doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Pracovní materiály pro výuku předmětu.

ČVUT v Praze

Fakulta stavební

Katedra Technických zařízení budov

2

Tepelná čerpadla

2

Tepelné čerpadlo

• Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné vynaložením vnější práce. Obvykle je to z chladnějšího místa na teplejší.

• Použití:– Chladící stroje

– Zdroje tepla

• Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov.

• 2. termodynamický zákon– Určuje směr, kterým probíhají přirozené procesy

– Žádný tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami nemůže mít vyšší účinnost než Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami.

– Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.

3

Tepelné čerpadlo

• Typy tepelných čerpadel

– Absorpční tepelná čerpadla• pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla

(spalování paliva, solární energie)

• Sorpční oběh (absorpce = pohlcování uvnitř dané látky např. plynů v kapalině, adsorpce = pohlcování na povrchu látky)

– Kompresorová tepelná čerpadla • Parní oběh – nejběžnější systém

• pohon zajišťuje kompresor

– Elektrická – elektrický motor – oddělený - kompaktní

– Plynová –plynový motor - turbína

4

3

Kompresorové tepelné čerpadlo Základní části tepelného čerpadla

• výparník – kompresor –kondenzátor – expanzní ventil

• teploty a tlaky primárního okruhu

Vlastnosti:

• Kompresor

• Výparník

• Kondenzátor

• Expanzní ventil (elektronický, termostatický)

5

http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel

Tepelné čerpadlo

• Pracovní diagramy tepelného čerpadla

• P-V diagram (tlak-objem)

• T-S diagram (teplota-entropie)

6

http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm

http://www.calorex.com/

4

Kompresorové tepelné čerpadlo • TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší

topný faktor. Životnost 15 let.

• TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let.

• TČ se šroubovými kompresory

7

www.viessmann.cz www.eccb.cz

Absorpční tepelné čerpadlo• V absorpčním oběhu koluje

chladivo a absorpční látka

• Páry chladiva odcházející z výparníku jsou absorbovány v absorbéru do kapalné absorpční látky za současného uvolnění absorpčního tepla.

• Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Po zvýšení teploty směsi jsou páry chladiva v desorbéruvypuzeny z absorpční kapaliny.

8

http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/6519-systemy-spolecne-vyroby-

elektricke-energie-tepla-a-chladu

5

Chladiva• Chladiva

– Čisté kapaliny • jedno nebo vícesložkové

• např. R22 (chlorodifluormethan), R21, R123, R124

• Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon)-1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a servis, 1.1.2015 zákaz používání zařízení)

– Směsi 2-4 chladiv• Nestejnoměrné vypařování a kondenzace

• Např. R407

9

www.pentabell.cz

Carnotův cyklus

• Teoretický nereálný cyklus

• Nezohledňuje řadu důležitých vlastností – pracovní látku, teplosměnné plochy, tepelné ztráty…

• Skutečný topný faktor je nižší řádově

o 50-60%

Reálný provoz tepelného čerpadla

Podchlazení chladiva- Výhodné pro správnou funkci

expanzního ventilu- Zvyšuje se topný faktor

10

http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel

6

Předávání tepla

• Tepelné výměníky

– Kapalinový výměník• Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček

• Trubkový žebrovaný výměník

– zásobníky

– Vzduchový výměník• Trubkový výměník

11

http://www.alfalaval.com/

Tepelné čerpadlo Topný faktor• Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5).

Q množství tepla, které TČ vyrobí (kWh)

E množství energie spotřebované na provoz TČ (kWh)

12

www.ekowatt.cz

7

Trocha teorie..• COP - Coefficient of Performance

– Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel

– Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek

• EER-Energy Efficiency Ratio

• Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu – charakteristika chladícího stroje– Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel

𝐸𝐸𝑅 =𝑃

𝐸

13

Regulace výkonu

• Inverter – frekvenční měnič otáček– Regulace výkonu kompresoru (40-100%)

– Pozvolný rozběh kompresoru

• Pulsní regulace –regulace komprese– Regulace výkonu 10-100%

– Speciální solenoidový ventil umožňuje měnit tlak v horní části kompresoru (Scroll) – přepínání-pulsy – digital scroll

• Regulace obtokem kompresoru– Regulace množstvím nasátého chladiva

14

8

Pracovní teploty

• Max. teplota získaná z běžného TČ 55°C

• Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení

– Více okruhový systém (např.2 kompresory)

– Vstřikování páry do kompresoru (EVI)

15

http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html

Vysokoteplotní aplikace

• EVI – enhanced vapourinjection

• Až 65°C i při nízkých venkovních teplotách

• Vhodné pro rekonstrukce

16

9

Tepelné čerpadlo

Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ:

• dostupnost

• kapacita

• vyšší teplota

Zdroj tepla Teploty

Vzduch +25 až -18°C

Země 2-10°C

Spodní voda (studny) 8-12°C

Povrchová voda (vodoteč) +18 až 0°C

17

Tepelné čerpadlo vzduch-voda

• Nižší cena

• Provozně horší COP

• Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku

• Provedení

– Samostatná venkovní a vnitřní jednotka

– Kompaktní provedení vnitřní

– Kompaktní provedení venkovní

• Zdroj tepla– Okolní vzduch – Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř

objektu, nutné velké množství vzduchu – vyšší hlučnost-nároky na umístění, funkce do cca -12°C, nebezpečí namrzání výměníku.

– Odpadní vzduch – Výhodný zdroj tepla pokud je v dostatečném množství.

18

10

Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Samostatná venkovní jednotka

• Výparník musí být umístěn na betonovém bloku či loži poblíž venkovní stěny budovy

• Vzdálenost mezi stěnou a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm)

• Výfuk vzduchu alespoň 1m

• Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu - pod venkovní jednotkou kamenný obrubník, 50-100 cm vyplněno štěrkem

19

Tepelné čerpadlo vzduch-vodaKompaktní provedení vnitřní

• Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností.

20

www.topeni-chlazeni.cz

11

Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Kompaktní provedení venkovní

• Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan.

21

www.nibe.cz www.energiehome.eu

Tepelné čerpadlo země-voda

• Zdroj tepla

– soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální)

– plošný zemní výměník

– energetické piloty

22

12

Tepelné čerpadlo země-voda• Vrty

– Nutná schopnost uvrtat danou hloubku vrtu– V CZ cca 20 profi firem– Vývrt zeminy cca 1m3– Vrty běžně do hloubky 100m(zvládnutelné 130-150m)

duplexy– rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku

vrtů např. 2x70m– Cena vrtu cca 1000Kč/m– Zkouška vrtu – tlaková, průtoková

23

Zemské teplo

• Solární energie má rozhodující vliv na teplotu zeminy do hloubky cca 15 m

• Pod touto hloubkou se již neprojevuje vliv ročních období –určující je dodávka tepla ze země

• Teplota v hloubce 20 m je cca 10°C

– každých 30m stoupá o cca 1°C (geotermický gradient 3K/100m)

– Tepelná vodivost země průměrně 2W/m.K

24

13

Hlubinné vrty

• v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu

• závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu

25

Způsob vrtání – Vrtání s vodním výplachem

• např. Tč voda-voda, průměr 160mm

– Rotačně příklepová technologie

• Nejběžnější způsob vrtání se vzduchovým výplachem

• Pro TČ země-voda, průměr 120-200 mm

• Při tlaku 20-24 barů je vytlačována rozvrtaná hornina a podzemní voda na povrch

• Ovlivněna je přívrtová zóna (desítky až výjiměčně stovky metrů)

• Dochází k turbulentnímu proudění v okolí vrtu – zákal vody

• V případě podzemních trhlin se výplach může šířit mimo vrtný stvol - ztráta výplachu – dlouhodobý zákal vody

26

14

Hlubinné vrty– výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy

– průměrně lze počítat s chladícím výkonem 50 W.m-1 délky vrtu při ročním době provozu 2400h

– vrty běžně do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m – nižší tlakové ztráty

– důležitý vliv má voda

– teploty primárního okruhu -4 až 4°C (střed 0°C)

Hlubinný vrt Měrný tepelný tok (W/m)

Suché podloží (sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K)

20

Normální podložíPevné skalní podložíVodou nasycené sedimenty

50 (max. „bezpečná

hodnota“)

Pevné skalní podloží(skála s vodivostí nad 3 W/m.K)

70

Hornina s výskytem podzemní vody až 100

27

• Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy• Nutné zajistit vodivé spojení vrtu a okolí

– Jílocementy (vodivost 0,6-0,8)– Termosměsi (vodivost 2,1-2,5)

• Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle.

• Záruka na vrt 10let• Životnost vrtů dle materiálů 50 let• Legislativa:

– Územní řízení – projekt na vrt– Hydrogeologický posudek

• Nad 30kW udělat průzkumný vrt– (TRT thermal response test)

Hlubinné vrty

28

15

Hlubinné vrty

• výstroj vrtu

• tvarové uspořádání výměníku– Jednoduché

– Duplexní (o cca 12% lepší)

• řešení spodní části výměníku

• kvalitní plasty (PE)-RC materiál

• zhlaví vrtu

29

• Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m• Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm)• Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové

vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově.• Výkon 400-700 W/m (1,4kW chladícího výkonu pro 2400h)• Pomalejší reakce na solární energii

Povrchové vrty-Energetické koše

30

www.rehau.cz

16

Koaxiální sondy

• Technologie trubka v trubce

• Pro vytápění i chlazení

• Doplňkový systém

• Délky: 20, 30, 40 a 50 m

31

Tepelné čerpadlo země-voda

Plošné výměníky• Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí

plněného nemrznoucí směsí• Ochlazování půdy• Výkopové práce a plocha pozemku

32

17

Výkonové charakteristiky plošného výměníku

• Dimenzování velikosti výměníku provádět podle doby provozu ne podle maximálního výkonu TČ.

Standardní plošný zemní kolektor –výkony pro odběr tepla

(W/m2)

Suchá písčitá půda 8-15

Vlhká písčitá půda 15-20

Suchá jílovitá půda 20-25

Vlhká jílovitá půda 25-30

Půda s protékající spodní vodou 30-35

33

Dimenzování TČ

• Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj (běžně 0 až -7°C)

• Monovalentní zdroj

• Vícevalentní zdroj

– Bivalentní

– Alternativně bivalentníTČ zcela vypne pod určitou

teplotou

35

18

Doba provozu TČ

• Optimálně 1800-2400h/rok (má vliv na živostnost zařízení)

• Životnost 30tis.h (50)

• Výpočet:

Potřeba tepla 15000kWh/rok

Výkon TČ 15000/2400=6,25kW

V podkladech výrobce pro A2W35 TČ o výkonu 8kW

15000/8=1875h OK

36

Běžný objem 15-30l/kW akumulátor tepla

Min. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10°C

37

19

Chlazení pomocí TČ

Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní.

Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou energie.

38

Reverzní tepelné čerpadlo

• Schéma provozu

• Využití dvou expanzních ventilů a 4 cestné armatury

39

20

Energetické piloty

• Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu nebo tepla.

• Využití stavebních pilot.

• Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m.

• Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ).

• Min. teplota-2°C (nebezpečí promrzání zeminy)

40