obnovitelné zdroje energietzb.fsv.cvut.cz/vyucujici/16/oze/oze_07_tisk.pdf · – v cz cca 20...
Post on 08-Mar-2020
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Obnovitelné zdroje energie
Verze 2.17
doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZEFakulta stavební
Katedra technických zařízení budov
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.
2
2
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
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)
4
http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
3
Tepelné čerpadlo
• Pracovní diagramy tepelného čerpadla
• P-V diagram (tlak-objem)• T-S diagram (teplota-entropie)
5
http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm
http://www.calorex.com/
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
6www.viessmann.cz www.eccb.cz
4
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.
7
http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/6519-systemy-spolecne-vyroby-elektricke-energie-tepla-a-chladu
Chladiva• HFC - (fluorované uhlovodíky)
nazývané také jako F-plyny byly vyvinuty jako náhrada za chladiva poškozující ozonovou vrstvu.
• CFC - (tvrdé freony) - R12, R502,• HCFC –
(hydrochlorofluorouhlovodíky)-tzv. měkké freony – 1.1.2010 zákaz používání pro
údržbu a servis– 1.1.2015 zákaz používání
zařízení)
8
http://www.jdk.cz/cs/produkty/chladivo
5
Carnotův cyklus a účinnost
Chladící faktor pro chladící zařízení
Topný faktor pro tepelná čerpadla
9
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
10http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
6
R407c T-h diagram
11
Předávání tepla• Tepelné výměníky
– Kapalinový výměník• Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček• Trubkový žebrovaný výměník
– zásobníky
– Vzduchový výměník• Trubkový výměník
12
http://www.alfalaval.com/
7
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)
13
www.ekowatt.cz
Trocha teorie..• COSP - Coefficient of System Performance• SEER-System Energy Efficiency Ratio
– Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému§ SPF – Seasonal Parformance Factor
• Provozní topný faktor (reálný, vhodný pro výpočet ekonomiky provozu) – Dle podmínek na primární i sekundární straně TČ. Čím vyšší je teplota
prostředí, ze kterého je teplo odebíráno a čím nižší je teplota soustavy, do které je teplo odevzdáváno, tím vyšší má TČ topný faktor.
• Díky vyššímu topnému faktoru u TČ země-voda než vzduch-voda má toto řešení cca o 20% nižší spotřebu elektrické energie.
SPF pro RD (Německo):Země – voda SPF=3,9Vzduch – voda SPF=2,8
14
8
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
15
Pracovní teploty• Max. teplota získaná z TČ 55°C• Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení
– Více okruhový systém (např.2 kompresory)– Vstřikování páry do kompresoru (EVI)
16
http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html
9
Tepelné čerpadloZákladní 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°C17
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• Venkovní jednotka s ventilátorem je
propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, délka bývá do 10 m.
• Jednotka umístění– střecha – venkovní stěna– země
• Umístění venkovní jednotky musí být zvoleno tak, aby hluk kompresoru a ventilátoru byl co nejmenší.
• Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana• Průtok vzduchu dle výkonu (např. 2000m3/h
pro 6kW, 5000 pro 12kW)19
http://www.kodek.cz/kategorie/vzduch-voda.aspx
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
21
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
22
12
Tepelné čerpadlo vzduch-vodaKompaktní 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.
23
www.nibe.cz www.energiehome.eu
Tepelné čerpadlo země-voda
• Zdroj tepla– soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální)– plošný zemní výměník– energetické piloty
24
13
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
25
Hlubinné vrty• v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu• závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu
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
Hlubinné vrty• výstroj vrtu• tvarové uspořádání výměníku
– Jednoduché– Duplexní (o cca 12% lepší)
• řešení spodní části výměníku• kvalitní plasty (PE)-RC materiál• zhlaví vrtu
28
15
• 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
29
www.rehau.cz
Koaxiální sondy• Technologie trubka v trubce• Pro vytápění i chlazení• Doplňkový systém• Délky: 20, 30, 40 a 50 m
30
16
Tepelné čerpadlo země-vodaPlošné výměníky• Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí
plněného nemrznoucí směsí• Ochlazování půdy• Výkopové práce a plocha pozemku
31
Plošné výměníky• orientační chladící výkon 20W.m-2 plochy kolektoru při běžné
hloubce uložení zemního výměníku 1,5m, výskyt spodní vody až 40W.m-2, velmi suchá zem 8W.m-2 nutné udělat sondu
• smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-2m, délka 150-200m (při větší dimenzi 40 až 350m)
• Dimenze potrubí 25,32(Ger,Aus.), 32,40(Cz)• Odstup 0,5m (dům, strom), hloubka min. 1m• pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač
32
cz.complexenergy.cz
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
Výkopové provedení plošného výměníku• Plošný výměník hloubka 1,2-1,5m• Velký zábor plochy, omezení z pohledu zeleně• Nutné spádování pro odvzdušňování v šachtě• Materiály odolné vůči poškození – kvalitní PE• Písek na obsyp do vlhka - suchý písek izoluje• Frakce kameniva vhodné pro zásyp nelze jednoduše určit na
stavbě – nutné speciální potrubí
34www.regulus.cz
18
Tepelné čerpadlo voda-voda• Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě,
na břehu. Pozor na teploty v zimním období. Teplota 0-18°C.• Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny (10-15m) a po
ochlazení se vypouští do vsakovací studny (20 m) nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně 15 - 25 l/min pro TČ s výkonem 10 kW) –zkoušeno i déle než 20 dnů. Teplota 8-10°C. Ochlazení vody 4°C.
• Hlubinná voda, geotermální voda – teploty >40°C (Teplice)• Odpadní voda – čistírny odpadních vod – teplota 20-30°C• Je vodní dílo.
35
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 bivalentní
TČ zcela vypne pod určitou teplotou
36
19
Dimenzování velikosti tepelného čerpadla• Souvisí s typem čerpadla, dobou provozu, ekonomikou provozu• Energetické parametry TČ• A2W35 vzduch-voda (pro nízkoteplotní OS, pro vysokoteplotní pro -5 až -7°C)• B0W35 země-voda• Pozn. ČSN EN 14511 – výstupní voda 35°C, vstupní voda 30°C
37
Doba provozu TČ• Optimálně 1800-2400h/rok (má vliv na živostnost
zařízení)• Životnost 30tis.h (50)• Výpočet:Potřeba tepla 15000kWh/rokVýkon TČ 15000/2400=6,25kWV podkladech výrobce pro A2W35 TČ o výkonu 8kW15000/8=1875h OK
38
20
Běžný objem 15-30l/kW akumulátor teplaMin. doba provozu 10 min, zvýšení teploty v zásobníku o 10°C
39
Reverzní tepelné čerpadlo• Schéma provozu• Využití dvou expanzních ventilů a 4 cestné armatury
40
21
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)
41
www.ge-tra.cz
42
Geotermální energie
22
Geotermální energie• Historie• starověcí přírodovědci a filozofové psali o podzemním ohni• Využití teplé vody pro termální lázně (starověký Řím, území
Itálie, Německa, Turecka, Číny, Indonésie,..)• V příbramském dole Vojtěch se poprvé na světě v roce 1873
prorubali hlouběji než 1000 m pod povrch dosahovaly teploty 50°C
• 1904-první využití pro výrobu elektrické energie v Itálii
43
http://petrkrejci.bigbloger.lidovky.cz/
Teplota 38 stupňů Celsia, vydatnost pramene 800 l/s.
Geotermální energieZdroj tepla:• vznik planety + rozpad radioaktivních látekVyužití:• zásobování teplem• výroba elektřiny (ohřev >150°C)• zásobníky tepla, chladu
44www.carbonneutral.com
23
Geotermální energie• energie z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>200 °C)
pro výrobu elektrické energie – vulkanicky aktivní oblasti
• energie tepla hornin („suché zemské teplo“) vysoké teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie (HDR hot dry rock) – vhánění a čerpání vody
• energie z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<150 °C) pro výrobu tepla (vulkanicky aktivní i sedimentární oblasti) – nejběžnější zdroje
• geotermální energie pro nízkoteplotní systémy (tepelná čerpadla)
45
Geotermální energie• Postup využití geotermální energie• Vytvoření fyzikálního/matematického modelu
využívané oblasti• Vytvořit předpověď využití na základě modelů a
měření• Stanovit správné řešení vrtů a provést jeho realizaci• Čerpání energie řídit podle její dodávky (nevyčerpat
geotermální reservoár)
46
24
Geotermální energie
• Hlavní sledované fyzikální veličiny – tepelný tok
• Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mWm-2.
– tepelná vodivost hornin– hydrogeologické parametry lokality
47
http://www.mzp.cz/cz/geotermalni_energie
Přímé využití geotermální energie
1. Vrt 2. Hlava vrtu3. Přívodní potrubí geotermální energie4. Průtočný bazén5. Vypuštění bazénu6. Přepad
48
25
Nepřímé využití geotermální energie
1. Vrt 2. Hlava vrtu3. Výměník tepla4. Ochlazená geotermální voda
pro další použití5. Odpadní geotermální voda6. Recipient7. až 10 Vytápěcí systém
49
Nepřímé uzavřené využití geotermální energie
1. a 11. Vrt 2. a 10. Hlava vrtu3. Výměník tepla4. a 7. Odběrná místa5. a 9. Čerpadlo6. Výměník tepla7. až 10 Vytápěcí systém
50
26
Přímé využití horké páry
1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu3. Parní turbína4. Generátor
51
Přímé využití horké páry s kondenzátorem
1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu3. Parní turbína4. Generátor5. Kondenzátor6. a 8. čerpadla chladícího okruhu7. Chladící věž9. Reinjektážní čerpadlo
52
27
Geotermální elektrárna• Principem je využití energie páry pro výrobu
elektrické energie v generátoru.
53
www.energybandgap.comhttp://visual.merriam-webster.com/energy/geothermal-fossil-energy/production-electricity-from-geothermal-energy.php
Geotermální energie v ČR• Ústí nad Labem - využité energie pro vytápění plaveckého
bazénu a zoologické zahrady (2006)
• Děčín – výtopna pro vytápění části města (2002)• Dokončeno v roce 2002• geotermální energii z vody o teplotě cca 30 °C z podzemního jezera,
které se nachází pod Děčínem. Geotermální voda vyvěrá přirozeným tlakem z vrtu o hloubce 545 m a v technologii tepelných čerpadel se tepelný potenciál této geotermální vody využívá pro ohřátí otopné vody až na 72 °C. Při maximálním výkonu je vydatnost vrtu 54 l/s.
• Celkové náklady 531mil. Kč– vybudování centrálního kogeneračního zdroje, teplovodní sítě a předávacích stanic
u připojených odběratelů tepla
• - tepelná čerpadla 2x 3,28 MWt- kogenerační plynový motor 0,8 MWe/1,01 MWt- kogenerační plynový motor 1,94 MWe/2,09 MWt- plynové kotle 2x 16,5 MWt 54
28
Využití geotermální energie• Teplejší oblasti – výroba elektřiny• Chladnější oblasti – výroba tepla + (elektřiny)• Island – vytápění domů, skleníků (např. pěstování
jižního ovoce), veřejných budov, bazénů, pro vyhřívání chodníků
• Další země, které geotermální energii ve větším využívají, jsou USA, Velká Británie, Francie, Švýcarsko, Německo a Nový Zéland.
55
56
Kogenerace
29
Kogenerace• Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (KVET, CHP)• Jedná se zpravidla o přeměnu primární energie na energii
elektrickou tak, aby bylo možné využít odpadní teplo.• Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru
tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie,vytápění).
Umístění zdrojů:teplárny v blízkosti městelektrárny v blízkosti zdroje paliva
Trigenerace - výroba tepla, chladu a el. energie
57
KogeneracePorovnání spotřeb energie
58
30
KogeneraceTechnologie zdrojů KVET:• Parní protitlaková turbína• Parní odběrová turbína• Plynová turbína s rekuperací tepla• Paroplynové zařízení s dodávkou tepla• Spalovací pístový motor• Další technologie – mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní
stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení
59
www.allforpower.cz
KogeneraceParní odběrová turbínaMezi první a druhým stupněm turbíny se část páry využívá pro
teplárenské účely. Neodebraná pára kondenzuje.
Plynová turbína s rekuperací teplaV podstatě proudový motor s využíváním energie spalin.
Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevuspalinami a k expanzi v prostoru turbíny.
60
31
KogeneraceSpalovací pístové motory• Motor spalující levné palivo s přeměnou mechanické práce
na elektrickou energii v generátoru a s využitím vznikajícíhotepla.
• Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkách-nemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní aadministrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskovékotelny.
• Provedení od malých 2 válcových kompaktních motorů až pooddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku vsamostatných prostorách.
61
62www.tzbinfo.cz
Organický Rankinův cyklus
- nižší otáčky turbíny umožňují přímý pohon generátoru bez převodovkyminimální eroze lopatek turbíny vlivem absence kapiček pracovní látky- možnost využití energie ze zdrojů s relativně nízkou teplotou- nižší tlak a teplota v celém oběhu- vyšší životnost- nenáročnost na obsluhu- odpadá nutnost doplňování a úpravy vody (úniky a doplňování organické pracovní látky v sekundárním okruhu jsou minimální)- celkem vysoká účinnost při nižších teplotních spádech- nižší provozní náklady
32
Mikrokogenerace• Kogenerace
– současná výroba tepla a elektřiny při vysoké účinnosti
• Mikrokogenerace– výroba elektřiny a tepla pro oblast malých výkonů
(rodinné domy,..) při nízkých emisích
• Technologie– Stirlingův motor– Motor s vnitřním spalováním– Palivový článek
63
63
top related