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