Zprávy z tisku

Tepelná čerpadla

Prezentace 4. přednášky z komplexního vzdělávacího programu pro podporu environmentálně šetrných technologií ve výstavbě a provozování budov.

 
 

1/143




Komplexní vzdělávací program pro
podporu environmentálně šetrných
technologií ve výstavbě a
provozování budov
2/143




Tepelná čerpadla

Tomáš Matuška
Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní
ČVUT v Praze
3/143




Základy přečerpávání tepla

princip přečerpávání tepla
základní oběhy
hlavní součásti tepelných
čerpadel
4/143


Tepelná čerpadla

zařízení, která umožňují:
cíleně čerpat tepelnou energii z prostředí A o nízké
(= nevyužitelné) teplotě (anergie)
a zároveň
předávat ji do prostředí B při vyšší (=využitelné) teplotě
t1 t4
ochlazování ohřev
A B
odebírání předávání

tepelné tepelné
energie energie
t2 t3
5/143


Tepelná čerpadla – základní principy

2. zákon termodynamiky (růst entropie, nevratnost tepelných
pochodů):
„tepelná energie nemůže samovolně přecházet z prostředí o nižší
teplotě do prostředí o vyšší teplotě“
děj lze uskutečnit pouze za přívodu vnější energie o vyšší kvalitě
(potenciálu, teplotě)


vysokopotenciální energie
elektrická (elektromotor)
mechanická (hřídel motoru, převod)
tepelná o vyšší teplotě než je teplota, na kterou se přečerpává
(plynový hořák)
6/143


Tepelná čerpadla – základní principy

přečerpávání tepla:
pohonná vysokopotenciální energie W degraduje a přechází s
přečerpávanou energií do prostředí B


W (práce)
t1 t4


QA QB = QA + W

odebrané teplo předané teplo
t2 t3
7/143


Zařízení pro přečerpávání tepla

chladicí zařízení
využívají primárně chladicího jevu
užitečným teplem je teplo odebírané prostředí A (snižuje jeho teplotu)
nevyužitým teplem je teplo odváděné do prostředí B (odpadní teplo)
tepelné čerpadlo
účelně využívá teplo předávané do prostředí B


rozdíl není v principu, ale v charakteru využití tepla
nelze však jednoduše směšovat s ohledem na odlišnosti v konstrukci
prvků obou zařízení
8/143


Náročnost přečerpávání tepla


topný faktor chladicí faktor
coefficient of performance energy efficiency ratio
COP EER


QA
QB
ε ch
ε t = COP = = EER =
W
W
9/143


Carnotův oběh

teoretický oběh
vratný (ideální)
tepelně nejúčinnější typ oběhu
nelze jej v reálném zařízení uskutečnit

izoentropické změny (s = konst.)
komprese, expanze

qB T
COPC = =2
izotermické změny (T = konst.)
w T2 â’ T1
přívod tepla, odvod tepla
qA T
EERC = = 1 = COPC â’ 1
w T2 â’ T1
10/143


Carnotův oběh

nereálný oběh – nezohledňuje:
konečnou velikost teplosměnných ploch
reálné vlastnosti pracovních látek (chladiv)
skutečnou účinnost zdroje pohonné energie (neizoentropický zdroj)
tepelné ztráty do okolí
potřebu pohonné energie pro pomocná zařízení


skutečný topný faktor – srovnání s Carnotem

T2 srovnávací účinnost ηTČ = 0,4 až 0,6
COPTČ = ηTČ
T2 â’ T1
malé výkony velké výkony
11/143


Parní oběh
Qv P Qk
Qk = Qv + P




4-1: vypařování při nízkém vypařovacím tlaku pv a teplotě tv < tv2,
ochlazení
1-2: komprese na vyšší kondenzační tlak pk
2-3: ochlazení par a kondenzace při tlaku pk a teplotě tk > tk2,
odvedení přečerpaného tepla z kondenzátoru, ohřev
3-4: škrticí ventil pro udržení rozdílu tlaků mezi V a K
12/143


Pracovní látka – reálné chladivo
13/143


Pracovní látka – reálné chladivo

p [MPa]




h [J/kg]
14/143


Rankinův oběh

parní oběh s reálnou pracovní látkou (chladivem) – idealizovaný
Rankinův oběh

4-1: izobarické vypařování na mez syté páry
1-2: izoentropická komprese syté páry na
přehřátou páru
2-3: izobarické ochlazení přehřátých par na
mez sytosti a následná kondenzace na mez
syté kapaliny
3-4: izoentalpické škrcení na mokrou páru,
snížení tlaku škrcením, nekoná se práce,
nepřivádí se teplo = nemění se entalpie
(adiabatické škrcení)
15/143


Rankinův oběh




sytá pára přehřátá pára
350 kPa 2.4 MPa
-3 °C +70 °C



mokrá pára sytá kapalina
350 kPa 2.4 MPa
-10 °C +42 °C
16/143


Skutečný oběh x Rankinův oběh

idealizovaný Rankinův oběh předpokládá:
žádné podchlazení nebo přehřátí chladiva, stavy chladiva na mezi
sytosti
nulové tlakové ztráty v oběhu chladiva (potrubí, výměníky)
dokonale tepelně izolované tepelné čerpadlo, eliminace sdílení tepla s
okolím
izoentropická = bezztrátová komprese

Rankinův oběh není technicky zcela realizovatelný, odchylky od
skutečného oběhu jsou malé
17/143


Bilance Rankinova oběhu


Qv = M ch â‹… (h1 â’ h4 )
& &


Qk = M ch â‹… (h2 â’ h4 )
& &


Pie = M ch â‹… (h2 â’ h1 )
&



Qv h1 â’ h4
&
Q k h2 â’ h 4
&
EERR = =
COPR = =
Pie h2 â’ h1
Pie h2 â’ h1
18/143


Topný faktor závislý na teplotách

tk - dána okruhem spotřeby
- otopnou soustavou
(tělesa, podlahové vytápění,
VZT, TV)
tv - dána teplotou
ochlazovaného prostředí
(země, vzduch, povrch. 12


voda, podzemní voda) 10


typ chladiva 8

6.0
COP 6
typ kompresoru
4
3.0
2

â†t
0
10 20 30 40 50
19/143


Skutečný oběh

odchyluje se od Rankinova oběhu v:
přehřívání par chladiva
podchlazení kapalného chladiva
kompresi par chladiva
20/143


Reálná komprese

h2 â’ h1
η ie =
h2' â’ h1
21/143


Reálná komprese

h2 â’ h1
η ie =
h2' â’ h1
22/143


Prvky tepelného čerpadla

kondenzátor
výparník


kompresor
expanzní
ventil
23/143


Kompresor - provedení

nasává přehřáté páry z výparníku při tlaku na sání pv a stlačuje je na
kondenzační tlak pk

oddělené
pohonný motor je od kompresoru oddělen převodem
hřídel je v kompresorové skříni těsněna ucpávkou, velká zařízení
tepelné ztráty motoru se nepodílí na oběhu
K M
hermetické
motor a kompresor v hermeticky uzavřené tlakové nádobě
ztráty (elektro)motoru se podílí na bilanci oběhu
K M
vinutí je chlazeno nasávanými parami chladiva
přehřívání par na sání kompresoru
24/143


Kompresor - konstrukce

rotační spirálové kompresory (scroll)
pracovní cyklus nasávání, stlačování a výtlaku
par chladiva je realizován pohybem pohyblivé
spirály vůči statické spirále
plynulá změna kompresního prostoru
sání je na obvodu, výtlak ve středu
menší množství pohybujících se částí = vyšší
životnost, spolehlivost, menší vibrace, nižší
hlučnost
eliminace škodlivého prostoru
25/143


Kompresor - funkce


Vstup (sání)


Stlačované chladivo
v postupně se
zmenšujícím prostoru
Vstup
(sání)
Výstup (výtlak)
26/143


Kompresor - konstrukce

rotační spirálový kompresor
27/143


Výparník

odebírá teplo nízkopotenciálnímu zdroji tepla (chlazenému prostředí)
vypařováním chladiva za nízkého tlaku při teplotě nižší než je
výstupní teplota teplonosné látky tv2

ochlazování teplonosné látky:
nemrznoucí směs (TČ země-voda)
voda (TČ voda-voda)
vzduch (TČ vzduch-voda)

výměníky:
kapaliny: letovaný deskový výměník
vzduch: trubkový žebrový výměník
28/143


Výparník

tv1 - tv2

kapaliny 3-5 K
vzduch 10 K



1’

1

přehřátí par chladiva
nad mez sytosti
chladivo je na vstupu z EV
již částečně odpařeno
29/143


Kondenzátor

předává teplo pro využití do teplonosné látky (ohřívanému prostředí)
kondenzací chladiva za vysokého tlaku při teplotě vyšší než je
výstupní teplota teplonosné látky tk2

ohřívání teplonosné látky:
otopná voda (běžná TČ)
teplá voda (TČ ohřívače)

výměníky:
letovaný deskový výměník
trubkový žebrový výměník (uvnitř zásobníku)
30/143


Kondenzátor
tk1 - tk2 = 5-10 K
podchlazení
předchlazení
kapaliny
přehřátých par záleží na
výkonu TČ a
průtoku
31/143


Expanzní (škrticí) ventil

udržuje tlakový rozdíl mezi vysokotlakou a nízkotlakou stranou
chladicího oběhu

reguluje průtok chladiva z kondenzátoru do výparníku v závislosti
na výstupní teplotě z výparníku

udržuje přehřátí chladiva za výparníkem â†tp = 4 až 8 K

průchodem kapalného chladiva EV se poklesem tlaku část chladiva
odpaří a do výparníku vstupuje jako směs páry a kapaliny při
výparné teplotě (mokrá pára)

elektronicky řízené EV
32/143


Chladiva
Chladivo (složení) Faktor poškození Faktor vlivu na
ozónové vrstvy globální oteplování
RODP HGWP
plně halogenované uhlovodíky (CFC)
zakázaná chladiva bez
R11 (CFCl3) - reference 1 1
možnosti servisu
R12 (CF2Cl2) 1 3
částečně halogenované uhlovodíky (HCFC)
R22 (CHF2Cl) 0,06 0,34 přechodná do 2015
(pouze servis, nesmí do
R401 (R22+R152a+R124) 0,03 0,22
nových zařízení)
R402 (R22+R290+R125) 0,02 0,64
fluorované uhlovodíky (HFC) a jejich směsi (bez chloru)
R134a (C2H2F4) 0 0,27 dlouhodobá alternativní
bezchlorová chladiva
R507 (C2HF5+C2H3F3) 0 0,98
nahrazující CFC, bez vlivu
na ozónovou vrstvu
R410a (CH2F2+C2HF5) 0 0,41
R407c (CH2F2+C2HF5+C2H2F4) 0 0,39
33/143




Navrhování tepelných čerpadel

parametry tepelného čerpadla
provozní režimy, navrhování
akumulace tepla
bilancování – intervalová metoda
sezónní topný faktor
34/143


Parametry tepelného čerpadla

topný výkon Qk [kW] – výkon odebíraný z kondenzátoru
topný faktor COP [-]


při jasně definovaných podmínkách tv1 a tk2


elektrický příkon Pel [kW]
výkon zdroje NPT Qv [kW] – výkon přiváděný do výparníku
35/143


Topný faktor – zkušební normy

ČSN EN 14511 - Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení
kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro
ohřívání a chlazení prostoru
ČSN EN 14511-1: dtto - Termíny a definice
ČSN EN 14511-2: dtto - Zkušební podmínky
ČSN EN 14511-3: dtto - Zkušební metody
ČSN EN 14511-4: dtto - Požadavky



EN 14511 v současné době nahradila EN 255
řada výrobců má platné certifikáty z měření podle EN 255
36/143


Topný faktor – zkušební podmínky

ČSN EN 14511: voda-voda
jmenovité: 10/35 °C 10/45 °C
provozní: 15/45 °C 10/55 °C
ČSN EN 14511: nemrznoucí směs-voda (země-voda)
jmenovité: 0/35 °C 0/45 °C
provozní: 5/35 °C 5/45 °C 0/55 °C
-5/45 °C
ČSN EN 14511: vzduch-voda (venkovní vzduch)
jmenovité: 7/35 °C 7/45 °C
provozní: 2/45 °C 7/55 °C
2/35 °C
-7/35 °C -7/45 °C -7/55 °C
-15/35 °C -15/45 °C
37/143


Topný faktor EN 14511 x EN 255

Značení:
země-voda S0/W35, vzduch-voda A2/W35, voda-voda W10/W35


podle ČSN EN 14511:
otopná voda vstupující do tepelného čerpadla daná 30 °C, vystupující 35 °C,
teplotní spád 5 K

podle ČSN EN 255:
otopná voda vstupující do tepelného čerpadla neurčena (25 °C), vystupující
35 °C, výrobci mohli udávat teplotní spád 10 K


podle EN 255 lepší topné faktory od několik desetin !!!
38/143


Parametry tepelného čerpadla

tepelné čerpadlo vzduch - voda
39/143


Topný faktor EN 14511




zkušební sekvence tepelného čerpadla musí odpovídat jeho funkci v
provozu
tepelná čerpadla vzduch-voda: včetně odmrazovacího cyklu
40/143


Parametry tepelného čerpadla

tepelné čerpadlo země - voda
41/143


Parametry tepelného čerpadla

tepelné čerpadlo voda - voda
42/143


Minimální topný faktor TČ

minimální topný faktor tepelného čerpadla pro nahrazení primárního
paliva
tepelné zařízení: přeměna primárního paliva s účinností ηk
(např. plynový kotel)
Qd
Q p1 =
ηk
tepelné čerpadlo: přeměna primárního paliva na elektrickou energii s
účinností ηe – přeměna elektrické energie (mechanická práce) na teplo z
tepelného čerpadla (využití obnovitelné části z prostředí) s topným
faktorem COP
Pe Qd 1
Qp2 = = â‹…
ηe COP ηe
43/143


Minimální topný faktor TČ

minimální topný faktor tepelného čerpadla pro nahrazení primárního paliva
(včetně ztrát akumulace)
ηk
COP >
Q p 2 < Q p1
ηe
plynový kotel ηk = 0.92 (provozní účinnost ???), účinnost elektrárny (0.35) +
ztráty v rozvodech ηe = 0.30
minimální sezónní topný faktor COP > 3,1
plynový kondenzační kotel ηk = 1.04, účinnost produkce el. energie ηe = 0.30
minimální sezónní topný faktor COP > 3.5


uspoří tepelná čerpadla primární energii?
jsou obnovitelnými zdroji tepla?
44/143


Tepelná čerpadla s plynovými motory

minimální topný faktor tepelného čerpadla pro nahrazení primárního paliva
(včetně ztrát akumulace)
ηk ⒠q
Q p 2 < Q p1 COP >
ηm

plynový kotel ηk = 0.92, účinnost motoru pohánějícího kompresor ηm = 0.30, podíl
využité energie ze spalin a chlazení motoru q = 0.50
minimální sezónní topný faktor COP > 1.4
plynový kondenzační kotel ηk = 1.04, účinnost motoru pohánějícího kompresor
ηm = 0.30, podíl využité energie ze spalin a chlazení motoru q = 0.50
minimální sezónní topný faktor COP > 1.8


tepelná čerpadla s plynovými motory – vyšší využití primárního paliva
45/143


Provozní režimy tepelných čerpadel

monovalentní provoz
tepelné čerpadlo je jediným
vytápěcím zařízením –
nízkoteplotní vytápění do teploty
otopné vody 55 °C


paralelně bivalentní provoz
pod teplotou bivalence se připíná
další zdroj, tepelné čerpadlo
pracuje i pod bodem bivalence.
Nízkoteplotní otopná soustava
(velkoplošná otopná tělesa,
podlahové vytápění) s teplotou do
55 °C
46/143


Provozní režimy tepelných čerpadel

alternativně bivalentní provoz
při poklesu pod stanovenou teplotu
bivalence a vytápění zajišťuje jiný
zdroj. Vhodné pro otopné soustavy s
teplotou otopné vody do 90 °C




částečně paralelně bivalentní provoz
pod teplotou bivalence (od výkonu)
se připíná další zdroj tepla, a dále při
nedosažení potřebné výstupní teploty
otopné vody se čerpadlo vypíná.
47/143


Navrhování tepelných čerpadel

návrh typu tepelného čerpadla
dostupný zdroj NPT


návrh topného = kondenzačního výkonu Qk (pro vytápění)
tepelná ztráta objektu
výkon pro přípravu teplé vody
návrhová teplota otopné vody: teplotní spád
návrhová teplota zdroje NPT
48/143


Navrhování tepelných čerpadel

návrh zdroje tepla (výkon nezávislý na venkovních podmínkách)
50 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 85 % potřeby tepla
60 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 93 % potřeby tepla
70 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 97 % potřeby tepla

voda-voda
49/143


Navrhování tepelných čerpadel

návrh zdroje tepla (výkon závislý na venkovních podmínkách)
50 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 75 % potřeby tepla
60 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 85 % potřeby tepla
70 % tepelné ztráty objektu - pokrytí 92 % potřeby tepla

vzduch-voda
50/143


Navrhování tepelných čerpadel

monovalentní (100 %) x bivalentní provoz (např. 70 %)
monovalentní provoz země-voda: pro pokrytí potřeby tepla o 3 %
vyšší (97 % na 100 %) je nutné:
zvýšit výkon TČ na cca 140 %
zvýšit ve stejném poměru zdroj NPT na 140 % (hloubka vrtů)

monovalentní provoz vzduch-voda
vysoké výkony v letním období, výměník v zásobníku TV nepředá
výkon

monovalentní řešení je ekonomicky neefektivní
zvýšení investice není vyváženo malým navýšením úspory energie
51/143


Regulace výkonu

běžná tepelná čerpadla
start-stop režim
cyklování = snížení životnosti kompresoru
zamezení cyklování
poddimenzování
akumulace tepla – návrh akumulátoru pro minimální dobu chodu
tepelného čerpadla
tepelná čerpadla s regulací výkonu
inverter - frekvenční měnič
digital scroll
vliv na úsporu: řádově procenta (!)
52/143


Akumulace tepla pro TČ

předimenzovaný zdroj po většinu otopného období
vyrovnání souladu mezi výkonem TČ a potřebou vytápění

snížení četnosti spínání kompresoru (1 x 10 min)
prodloužení životnosti kompresoru

překlenutí doby blokace chodu (22 + 2 hod/den)

zdroj tepla pro venkovní jednotky (vzduch-voda)
ochrana proti zamrznutí
53/143


Akumulace tepla pro TČ

hydraulické oddělení okruhu zdroje tepla od okruhu spotřeby
hydraulický zkrat
otopná soustava neovlivňuje okruh TČ
zajištění požadovaných průtoků na kondenzátoru TČ
54/143


Bilancování provozu TČ

účel bilancování
provozní (sezónní) topný faktor tepelného čerpadla εt
skutečná spotřeba el. energie tepelným čerpadlem
skutečná spotřeba energie dodatkovým zdrojem tepla


jednoduchý výpočtový postup
jednoduchý výpočet s použitím tabulkového procesoru (Excel)
standardizované klimatické parametry (křivka trvání teplot pro
danou lokalitu)
55/143


Bilancování provozu TČ

nelze použít měsíční metodu (!)
průměrné měsíční teploty zřídka pod teplotou bivalence
12
České Hradec
Praha Brno
Budějovice Králové
I -1,5 -2 -2,1 -2 10
II 0 -0,9 -1 -0,6
III 3,2 3 2,7 3,7 8
IV 8,8 7,4 7,4 8,7




Q [kW]
V 13,6 12,7 12,8 14,1
6
VI 17,3 15,7 15,6 16,9
VII 19,2 17,5 17,4 18,8
4
VIII 18,6 16,6 16,8 17,8
IX 14,9 12,9 13,5 14
2
X 9,4 7,7 8,3 8,7
XI 3,2 2,8 3,1 3,6
0
XII -0,2 -0,4 -0,4 -0,2
-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24
t e [°C]
56/143


Bilancování provozu TČ

25°
C



45°
C




podzim: tepelný výkon 10 500 W
zima: tepelný výkonříkon W
p 8 700 2 000 W
příkon 3 500 W
COP = 5,25
COP = 2,5
45°
C



25°
C
57/143


Bilancování provozu TČ

metoda teplotních intervalů, intervalová metoda, bin-metoda
metoda je standardizovaná v ČSN EN 15316-4-2
využívá křivky trvání teplot pro otopné období, případně celý rok
rozdělení křivky trvání teplot na rovnoměrné teplotní intervaly s
odpovídajícími dobami trvání teploty
pro střední teplotu intervalu se stanoví:
potřeba tepla objektu
teplo dodané tepelným čerpadlem
el. energie spotřebovaná kompresorem
teplo dodané dodatkovým zdrojem
58/143


Intervalová metoda: výpočet

rozdělení křivky na teplotní intervaly
59/143


Intervalová metoda: vstupy

teplota zdroje NPT = teplota na vstupu do výparníku tv1
vzduch-voda: tv1 = te 5


voda-voda: tv1 = 10 °C 4


země-voda. tv1 = f (te) 3




t v1 [°C]
EN 15316-4-2: 2



t v 1 = max(0 °C; min(0,15 â‹… t e + 1,5 °C; 4,5 °C) )
1


0


-1
-10 0 10 20 30
t e [°C]
60/143


Intervalová metoda: výpočet



37




25°
C

Qk,TČ = 9,3 kW
45°
C

QZ = 3,1 kW


45°
C



25°
C



zdroj: R. Krainer
61/143


Intervalová metoda: výstupy


QTČ = â‘ min(Qk ,TČ ;Q p ,c ) j
energie dodaná tepelným čerpadlem
j




min(Qk ,TČ ;Q p ,c ) j
E el,TČ = â‘
spotřeba el. energie tepelného čerpadla
εt j
j




E el,dod = â‘ [Q p,c , j â’ min(Qk ,TČ ;Q p ,c ) j ]
spotřeba el. energie dodatkového zdroje:
j
elektrokotle (EK)
62/143


Intervalová metoda: výstupy

min(Qk,TČ ;Qp,c ) j
=â‘
Ď„ TČ
doba chodu tepelného čerpadla &
Q
j k,TČ




spotřeba provozní energie
E el,pom = Ppom â‹…Ď„ TČ
(čerpadla, pohony ventilů)


QTČ
COProk =
skutečný topný faktor
E el,TČ + E el,pom


pro přesnější analýzu bivalentního zdroje – vhodné teplotní
intervaly po kroku 1 K
63/143


Sezónní topný faktor




COP




SPF




QTČ â’ Qz,aku
SPF =
sezónní topný faktor (soustavy s TČ)
E el,TČ + E el,pom + E el,dod
64/143

Provozní měření tepelných čerpadel (OPŽP)




měření dodaného tepla z čistě tepelného čerpadla do aplikace:
jednoduché a levné měření, jediný kalorimetr s pamětí (průtokoměr)
vestavěný dodatkový zdroj: nutné měření příkonu
65/143

Provozní měření tepelných čerpadel (OPŽP)




měření pomocné el. energie tepelného čerpadla:
skutečný přínos v úspoře primární energie
stanovení využitého obnovitelného tepla přivedeného na výparník
skutečný topný faktor tepelného čerpadla
66/143


Otopná soustava

nízkoteplotní vytápění < 55 °C
podlahové vytápění
stěnové vytápění
otopná tělesa s větší teplosměnnou plochou
vzduchotechnika


ohřev bazénové vody
příprava teplé vody
vzduch-voda: výhodné parametry v letním období
země-voda: snížení možnosti regenerace vrtů (!)
67/143


Analýza provozu TČ země-voda

tepelné čerpadlo země - voda
vliv teploty otopné vody, vliv pomocné energie
12
oběhová čerpadla
rodinný dům 10 kW
primární okruh 30 W
10


sekundární okruh:
8
35 °C
vytápění 30 W
Q [kW]




6
50 °C
teplá voda: 30 W
4



2



0
-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24
t e [°C]
68/143


Analýza provozu TČ země-voda

4500

potřeba tepla na přípravu TV
4000
potřeba tepla na vytápění
3500

3000
Q [kWh]




2500

2000

1500

1000

500

0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
69/143


Analýza provozu TČ země-voda

4500

dodatkový zdroj tepla
4000
tepelné čerpadlo
3500


pokrytí 96 %
3000
Q [kWh]




2500

2000

1500

1000

500

0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
70/143


Analýza provozu TČ 55/45 °C

roční topný faktor TČ (bez pomocné energie): 3,38
roční topný faktor TČ (s pomocnou energií): 3,27
6,0




5,0




4,0




3,0




2,0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
71/143


Analýza provozu TČ 35/25 °C
roční topný faktor TČ (bez pomocné energie): 4,04
roční topný faktor TČ (s pomocnou energií): 3,88
6,0




5,0




4,0




3,0




2,0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
72/143


Analýza provozu TČ voda-voda

tepelné čerpadlo voda - voda
vliv teploty otopné vody, vliv pomocné energie
12
oběhová čerpadla
rodinný dům 10 kW
primární okruh 370 W
10


sekundární okruh:
8
35 °C
vytápění 30 W
Q [kW]




50 °C
6
teplá voda: 30 W
4



2



0
-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24
t e [°C]
73/143


Analýza provozu TČ voda-voda

4500

potřeba tepla na přípravu TV
4000
potřeba tepla na vytápění
3500

3000
Q [kWh]




2500

2000

1500

1000

500

0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
74/143


Analýza provozu TČ voda-voda

4500

dodatkový zdroj tepla
4000
tepelné čerpadlo
3500

pokrytí 99 %
3000
Q [kWh]




2500

2000

1500

1000

500

0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
75/143


Analýza provozu TČ 55/45 °C

roční topný faktor TČ (bez pomocné energie): 4,21
roční topný faktor TČ (s pomocnou energií): 3,34
6,0




5,0




4,0




3,0




2,0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
76/143


Analýza provozu TČ 35/25 °C
roční topný faktor TČ (bez pomocné energie): 4,97
roční topný faktor TČ (s pomocnou energií): 3,83
6,0




5,0




4,0




3,0




2,0
leden unor brezen duben kveten cerven cervenec srpen zari rijen listopad prosinec
77/143




Nízkopotenciální zdroje tepla

zemský masiv – vrty, kolektory
voda – spodní, povrchová
vzduch – venkovní, odpadní
sluneční záření
78/143


Přírodní a druhotné zdroje tepla

energie pocházející ze slunečního záření = energie okolního
prostředí
sluneční záření: 200 až 1000 W/m2
vzduch
srážky, povrchová voda, studniční voda
země
geotermální voda v několika oblastech (KV, Teplice, jižní Morava)
odpadní energie
technologické procesy, prádelny, mycí linky, větrání budov
79/143


Zdroje tepla pro tepelná čerpadla

země
energie zemského masivu
voda
energie spodní, povrchové nebo odpadní vody
vzduch
energie okolního nebo odpadního vzduchu
reverzní klimatizační jednotky – vytápění/chlazení
80/143


Energie zemského masivu

měrný výkon
tok z povrchu 10 až 40 W/m2 (v nejchladnějších dnech)
tok ze zemské kůry 0,04 až 0,06 W/m2
teplota
pod 2-5 m trvalá teplota > 10 °C
geotermální teplotní gradient 3 K/100 m
tepelná vodivost
suchá písčitá půda 1,1 W/m.K
průměr 2 W/m.K
mokrá žula 3,3 W/m.K
81/143


Teplota zeminy

od cca 15-20 m
geotermální teplotní
gradient 3 K/100 m


relativně stálá teplota


podpovrchová vrstva
výrazně ovlivňována
klimatickými
podmínkami
82/143


Energie zemského masivu

svislé zemní vrty
suché vrty – sondy


horizontální zemní kolektory
podpovrchové výměníky


studny
čerpání spodní vody – odlišná technologie využití
83/143


Svislé zemní vrty (sondy)

čerpání tepla ze zemského
masivu suchými vrty do 200 m
běžně do 100 m
není náročné na prostor
1-2 smyčky PE hadic
teploty primárního okruhu:
od -4 °C do +4 °C
84/143


Znalost geologie !

návrh hloubky a počtu vrtů
znalost tepelných vlastností masivu
riziko poddimenzování – pozná se po několika letech
klesá výkon a topný faktor, vrt se nestačí zregenerovat


ekologie
narušení a propojení zvodní
spojení hlubokých vrstev s kvalitní vodou s méně hlubokými
znečištěnými
85/143


Zemní vrty – tepelný odpor

průměr ovlivněné oblasti
Dz = 2 až 5 m

průměr vrtu
dv = 100 až 150 mm

HDPE DN25, DN32

tepelná vodivost zeminy
λz = 1,5 až 3,0 W/m.K



1 Dz
Rz = ln [m.K/W ]
2π ⋅ λz d v
86/143


Zemní vrty – měrný výkon

teplota ve vrtu
t z â’ tv 12
q z ,l = [ W/m] tv12 = okolo 0 °C (+4 až – 4°C)
Rz
teplota zeminy v neovliněné oblasti
tz = 12 °C (+3 K/100 m)


Vlastnosti podloží měrný tepelný tok
qz,l [W/m]
hornina s velkým výskytem spodních vod 100
pevná hornina s vysokou tepelnou vodivostí 80
normální pevná hornina, průměr 55
vrt v suchých nánosech, nízká tepelná vodivost 30
87/143


Hloubka vrtu

běžné dimenzování, topný faktor 3
průměrné podloží
Qv Qk â’ Pel
&
&
lv = = pro Qv = 1 kW ~ 18 m vrtu
[ m]
qz qz
pro Qk = 1 kW ~ 12 m vrtu




hloubka podle možnosti vrtné soupravy - vrtací technologie běžná pro
studny
hloubky < 100 m s ohledem na tlakové ztráty a související spotřebu el.
energie, speciální povolení (báňský úřad)
více vrtů = rozdělení průtoků = nižší tlakové ztráty
88/143


Provedení vrtů

vhodné potrubí: HD-PE, PE-RC (crack resistant), PN16 (100m)
minimální vzdálenost > 5 m, aby nedocházelo k propojení
ovlivněných oblastí
> 10 m: vrtání nemusí být zcela svislé (výchylka až 2 m)
pohyb spodních vod: vhodná poloha vrtů (eliminace ochlazení
jednoho vrtu druhým)
výplň vrtu bentonitem (tekutá cementová směs)
nelze vytěženou půdou ! = izolant
pažení, utěsnění vrtu
oddělení dvou úrovní spodní vody s různou kvalitou
zabránit průniku povrchových vod do spodních vod
89/143


Provedení vrtů
injekční trubka –tlakové vyplnění vrtu tepelně
vodivou směsí (bentonit), kontakt podloží s vrtem

redukce – snížení počtu větví přivedených na
rozdělovač při větším počtu vrtů
vymezovací vložka – vymezení rozteče trubek ve
vrtu pro správné zatečení směsi a rovnoměrné
rozložení teploty
pevný bod – ve zhoršených geologických
poměrech jako opěrný bod pro zatlačování potrubí
do vrtu injekční trubkou

vratné koleno – spojení přívodního a vratného
potrubí v nejnižší části vrtu

závaží – pro snadnější zavádění potrubí do vrtu a
jako ochrana vratného kolena
90/143


Provedení vrtů
91/143


Zemní vrty – zapojení
rozdělovač-sběrač
vyvažovací ventily
izolace proti rosení
stěnové průchodky




nemrznoucí směs (tt < -10°C): propylenglykol-voda (30 / 70 %): viskozita (!)
líh-voda (40 / 60 %)
92/143


Zemní vrty – zapojení, rozdělovač




umístění rozdělovače ve
venkovním prostoru:
v plastové šachtě
v betonové skruži
93/143


Připojení

rozvod vrtů se spádem od rozdělovače – snadné odvzdušnění
rovnoměrné délky vrtů – hydraulické zaregulování
prostupy do budovy v nenasákavé izolaci a chráničce
bezpečnostní odstupy od konstrukcí budovy (rozvody pod
bodem mrazu)
pozornost při křížení rozvodů vrtů s jinými rozvody (studená
voda)
rozvody v izolaci – kondenzace a namrzání
94/143


Zkouška tepelné odezvy

mobilní měřicí aparatura
vystrojený vrt napojený na zdroj
tepla (elektrokotel)
cirkulace vody, měření příkonu a
teplot
nepřetržité snímání cca 2,5 dne
odpojení, vyhodnocení:
tepelná vodivost
tepelný odpor vrtu
teplota neovlivněného masivu
95/143


Zkouška tepelné odezvy – VŠB Ostrava
96/143


Pole vrtů – VŠB Ostrava




700 kW (10 TČ)
110 vrtů, hloubka 140 m
podlahové vytápění, VZT
příprava TV
pasivní chlazení v létě




zdroj: IVT
97/143


Pasivní chlazení vrty




chladicí režim



topný režim




zdroj: Stiebel-Eltron
98/143


Aktivní chlazení vrty




chladicí režim
z výparníku



topný režim




z kondenzátoru
zdroj: Stiebel-Eltron
99/143


Energetické piloty
100/143


Zemní podpovrchové kolektory

čerpání tepla z podpovrchové
vrstvy (do 1,5 m hloubky)
možnost ovlivnění vegetace
rozsáhlé výkopové práce
nutná velká plocha pozemku
teploty v kolektoru okolo 0 °C
101/143


Zemní podpovrchové kolektory

hloubka uložení min. 0,2 m pod
nezámrznou hloubkou
h = 0,6 až 1,5 m

rozteč trubek
s = min. 0,8 m až 2 m

HDPE trubky DN20 – DN40

tepelná vodivost zeminy
λz = 1,5 až 3,0 W/m.K


 2⋅s  h 
1
sinh 2π  [m.K/W ]
Rz = ln
2π ⋅ λz  π ⋅ d  s 
102/143


Zemní podpovrchové kolektory

teplota ve vrtu
tv12 = okolo 0 °C (+4 až – 4°C)
t z â’ t v 12
q z ,l = [ W/m]
Rz teplota zeminy
tz = 10 °C


Vlastnosti podloží měrný tepelný tok
qz,l [W/m]
suché nesoudržné půdy 10 – 15
vlhké soudržné půdy 15 – 20
velmi vlhké, soudržné půdy 20 – 25
půdy pod hladinou spodní vody nebo značně vlhké 25 – 30
půdy s pohybem spodní vody 35 – 40
103/143


Délka a plocha zemního kolektoru

běžné dimenzování, topný faktor 3
Qv Qk â’ Pel
& &
lv = = [ m] průměrné podloží, rozteč 1 m
qz qz
pro Qv = 1 kW ~ 40 m2 pozemku
Qv â‹… s
&
S= [ m2 ] pro Qk = 1 kW ~ 25 m2 pozemku
q z ,l

Vlastnosti podloží měrný tepelný tok
qz,l [W/m2]
suché nesoudržné půdy 10 – 15
vlhké soudržné půdy 15 – 20
velmi vlhké, soudržné půdy 20 – 25
půdy pod hladinou spodní vody nebo značně vlhké 25 – 30
půdy s pohybem spodní vody 35 – 40
104/143


Provedení zemních kolektorů

potrubí do rýhy výkopu, ne hlouběji než 2 m
délka okruhů by neměla přesáhnout 100 m (DN25), resp. 400 m
(DN40) z ohledem na tlakové ztráty
rozdělení okruhů do více větví
smyčka bez spojek, eliminace netěsností
meandr se střídání trubek: přívod / vratná
plocha nad kolektorem – propustná pro srážky (vyhnout se
asfaltovým nebo betonovým plochám) – regenerace
vyhnout se kořenovým systémům
dokumentace polohy potrubí
105/143


Provedení zemních kolektorů
106/143


Zapojení zemních kolektorů
rozdělovač-sběrač
vyvažovací ventily
izolace proti rosení
(nenasákavá)
stěnové průchodky




nemrznoucí směs (tt < -10°C): propylenglykol-voda (30 / 70 %): viskozita (!)
líh-voda (40 / 60 %)
107/143


Připojení zemních kolektorů

rozvod kolektoru se spádem od rozdělovače – snadné
odvzdušnění
rovnoměrné délky větví – hydraulické zaregulování
prostupy do budovy v nenasákavé izolaci a chráničce
bezpečnostní odstupy od konstrukcí budovy (rozvody pod
bodem mrazu)
pozornost při křížení rozvodů kolektoru s jinými rozvody
(studená voda)
rozvody v izolaci – kondenzace a namrzání
108/143


Voda

teplá odpadní voda: čističky odpadních vod, chladicí procesy,
t = 20 až 25 °C

povrchová voda: říční toky, rybníky, jezera, nádrže
t = 0 až 18 °C, teplota ovlivněna venkovními klimatickými
podmínkami

podpovrchová voda: studny, zvodněné vrty
t = 7 až 10 °C, tzv. spodní voda, celoročně rovnoměrná teplota

hlubinná voda: vrty,
t = 10 až 13 °C, teplotní gradient 3 K/100 m
t > 25 °C, geotermální voda
109/143


Spodní voda

chemická kvalita vody
vydatnost čerpací studny
stálá teplota vody
5 až 15 °C
podléhá povolení
vodohospodářského úřadu
110/143


Spodní voda

čerpací studna (max. 15 m
hluboká: příkon čerpadla)
vsakovací studna (15 m od sebe)
ochlazení cca o 3 až 4 K
pro Qv = 1 kW ~ 200 l/h (0,06 kg/s)
pro Qk = 1 kW ~ 150 l/h (0,04 kg/s)


&
Qv
Mv =
& [kg/s]
cv (t v 1 â’ t v 2 )
Potřebná vydatnost studny


Nutné podložit dlouhodobou čerpací zkouškou: 30 dní, a déle !
111/143


Čerpací a vsakovací studna
112/143


Kvalita spodní vody

chemické složení vody
koroze (nerezové oceli)
usazeniny (zanášení výměníku – výparník)
použití filtrů s automatickým čištěním


chemická analýza
chloridy < 500 mg/l, volné chloridy < 0,5 mg/l
železo, mangan < 1,0 mg/l
kyslík, sírany
113/143


Spodní voda – zapojení

izolace potrubí proti rosení (nenasákavá)
114/143


Geotermální voda

Karlovy Vary: 72 °C; Teplice 42°C; Jáchymov, Janské lázně, ...
lázeňské oblasti – velmi problematické využití
důlní vody – čerpané z uhelných či rudných dolů, využití
geotermického stupně
teplé vody: přímé využití rekuperací tepla
značná mineralizace – předřazené čistitelné výměníky
115/143


Geotermální voda - ZOO Ústí nad Labem




30 budov v areálu
rozvod primární strany do jednotlivých
strojoven
dodávka tepla 99,5 %
topný faktor > 6
zdroj: IVT
116/143


Geotermální voda - ZOO Ústí nad Labem




zdroj: IVT
117/143


Geotermální voda - CZT Děčín
kogenerace 2,7 MWe/ /MW, MWt3,4
tepelná čerpadla 30 3,1 ε =
geotermální voda3,28 10 °C v TČ
čpavekTČ + čerpadla sítě
pohonCZT z 55 na 72 °C
ohřev
118/143


Povrchová voda

jezera, rybníky, řeky = akumulace
sluneční energie
topný výkon závislý na vnějších
klimatických podmínkách
nízká teplota v otopném období
20 až 30 W/m při DN40
omezené instalace - přístupnost
uložení v dostatečné hloubce na dně
jezera, řeky, náhonu
kotvení (tvorba ledu – vztlak)
Herbertov, FS ČVUT
119/143


Herbertov – výukové a rekreační středisko
chladiče vody 12 CJ 50 a CJ 70 (ČKD
Choceň, 1982)
výměník - ocelový chladič z lihovaru
120/143


Herbertov – výukové a rekreační středisko



TČ: 68 + 50 kW
výměník: 1600 m HDPE
121/143


Odpadní voda

z průmyslu, technologických zařízení, obytných budov, ...
nestabilní dodávka – akumulace odpadní vody v jímkách
využitelný výkon z ochlazení
trvale zajištěného průtoku
akumulovaného množství

& = VĎc (t â’ t ) = V Ďc (t â’ t )
Qv &
Ď„
v1 v2 v1 v2
122/143


Venkovní vzduch

využití tepla okolního vzduchu
topný výkon závislý na vnějších
klimatických podmínkách
zima: topné faktory < 3
léto: topné faktory > 4
zásadně bivalentní provoz
odvod kondenzátu
hlučnost (velké průtoky)
123/143


Venkovní vzduch

800 20


700
te 15
600

500
Qp [kWh]




10




te [°C]
v době největší potřeby tepla je teplota
400
vzduchu nejnižší
PAS: otopné období XI - III 5
300

200
0
100

0 -5

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
124/143


Venkovní vzduch – entalpie, výkon

( )
h = c a â‹… t + (l 0 + c D â‹… t ) â‹… x = 1010 â‹… t + 2,5.10 + 1840 â‹… t â‹… x
6



měrná tepelná kapacita suchého vzduchu, v J/(kg.K);
ca
teplota vzduchu, v °C;
t
výparné teplo vody, v J/kg;
l0
měrná tepelná kapacita vodní páry, v J/(kg.K);
cD
měrná vlhkost vzduchu, v kgvv/kgsv.
x


&
Qv
Vv =
&
Ď â‹… (hv 1 â’ hv 2 )
125/143


Venkovní vzduch - dimenzování
126/143


Venkovní vzduch - dimenzování
127/143


Provedení
vnitřní provedení venkovní provedení
128/143


Vnitřní provedení
129/143


Vnitřní provedení

dostatečná vzájemná vzdálenost otvorů pro nasávání venkovního
vzduchu a výfuk ochlazeného vzduchu
... umístit ve směru převládajících větrů, přes roh, oddělit přepážkou
strojovna pod úrovní terénu – anglické dvorky, VZT šachty
umisťování spolu se spalovacími zařízeními – odsávání vzduchu
netěsnými vzduchovody – problémy s tahem
... větrací mřížka do venkovního prostoru
dimenzování vzduchovodů a mřížek (zúžení průřezu) na < 3 m/s
odvod kondenzátu (sklepy – přečerpávání do kanalizace)
130/143


Venkovní provedení
131/143


Kondenzát

kondenzace vlhkosti obsažené ve vzduchu na výparníku TČ
odvod kondenzátu
zasakování do podloží (venkovní)
odvod do kanalizace (vnitřní)
přečerpávací čerpadlo
132/143


Námraza

namrzání plochy výparníku
snižování prostupu tepla
snižování vypařovacího tlaku a teploty, výkonu, topného faktoru
zmenšení průřezu výměníku, zvýšení tlakové ztráty, zvýšení příkonu
ventilátoru, omezení funkce TČ
odtávání
vnitřním chodem TČ (nejčastěji, nejúspornější): horkými parami,
reverzní chod
vnějším ohřevem: elektrické topné tyče mezi výparníkovým potrubím
vnějším ohřevem: vzduchem nad +3 °C, TČ vypne, ventilátor běží
133/143


Vnitřní odmrazování




přepouštění horkých reverzní chod
par chladiva (EMV) čtyřcestný ventil
134/143


Ochrana proti hluku

zohlednění hlučnosti zařízení (ventilátor, velké průtoky na výparníku)
trávníky, výsadba rostlin
NE odrazové plochy – zvýšení hluku
hlukové bariéry, přepážky
(stěny, ohrady, oplocení)
ochrana vzdáleností
tlumicí základ pod tepelné čerpadlo
tlumiče na vedení (voda, vzduch)
návrh vzduchovodů, mřížek < 3 m/s
135/143


Odpadní vzduch

čerpání tepla z odpadního
vzduchu z:
technologických procesů
větrání RD
20-25 °C
ohřev čerstvého vzduchu
rekuperace tepla
ohřev vody
136/143


Odpadní vzduch – návrh průtoku
&
Qv
Objemový průtok vzduchu na
Vv =
&
Ď â‹… (hv 1 â’ hv 2 )
výparníku

Příklad: TČ s výkonem Qk = 2 kW pro RD běžné velikosti 150 m2
výparník: tv = 5 °C, kondenzátor tk = 55 °C
odpadní vzduch: t1 = 24 °C, Ď•1 = 60 %, x1 = 11,2 g/kg s.v.
ochlazení v TČ: t2 = 12 °C, Ď•2 = 85 %, x2 = 7,3 g/kg s.v.
potřeba odpadního vzduchu: 230 m3/h
běžné nucené větrání v RD: 100 m3/h !
problematika nízké vnitřní vlhkosti v zimním období < 30 %
137/143


Zdroje tepla – tepelné čerpadlo

kompaktní centrální jednotky




zdroj: Stiebel-Eltron
138/143


Sluneční záření

energetické stěny, střechy
využití slunečního záření,
energie vzduchu, kondenzace
vlhkosti




Herbertov, FS ČVUT
139/143


Trh tepelných čerpadel zdroj: Bufka, MPO



Zelená úsporám
8 000
6564
35% nárůst v roce 2010
(v porovnání s rokem 2009)
ks tepelných čerpadel




6 000
4845
4000
3615
4 000
2500
1800
2 000


0
2005 2006 2007 2008 2009 2010
140/143


Trh tepelných čerpadel zdroj: Bufka, MPO



8 000
vzduch/voda: 39 až 64 % 82 MW
ks tepelných čerpadel




země/voda: 54 až 33 %
6 000
64 MW 33%

55 MW
49 MW
4 000

40 MW
25 MW 64%
2 000
54%

39%
0
2005 2006 2007 2008 2009 2010
141/143


Tepelná čerpadla - statistika 2010 zdroj: Bufka, MPO


Trh počet výkon
vzduch/vzduch 118 ks 621 kW
vzduch/voda 4212 ks 52 282 kW
země/voda 2150 ks 27 078 kW
voda/voda 74 ks 1 898 kW
jiné 10 ks 17 kW


Odběratelé provozující tepelná čerpadla (tarify C55, D55, C56, D56)
domácnosti 23 500 ks
firmy 1260 ks

Celkem instalováno 350 MWt , tj. cca 1900 TJ (odhad)
142/143


Tepelná čerpadla - výhled

8000
produkce tepla tepelnými čerpadly [TJ]




6510 TJ
Pačesova komise
(Zpráva NEK, 2008)
6000

4961 TJ

4000
NAP-OZE (2010)


2000




0
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
143/143




Tomáš Matuška
Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze
Technická 4, Praha 6
tomas.matuska@fs.cvut.cz
http://www.fsid.cvut.cz/~matustom

 

Příloha: 4. přednáška


Datum uveřejnění: 7.11.12
Poslední změna: 7.11.2012
Počet shlédnutí: 644