Ulaz za korisnike

Električne toplinske crpke

|
Električne toplinske crpke
 
Električne toplinske crpke
Nove odredbe o uštedi energije imaju za cilj da investitori obrate pozornost na dobre i loše strane tehnike grijanja. Postupci izračunavanja koje trebaju izvesti investitor i ustanove koje to kontroliraju ne smiju biti prekomplicirani i preskupi

 Ako investitor ili projektant prate u razvojnoj fazi ideju o ugradnji toplinske crpke u koncept opskrbnih postrojenja za pripremu topline, treba izraditi razmatranje ekonomičnosti. Predstavljamo način izračunavanja, pomoću kojeg možemo napraviti prvu procjenu godišnje energetske bilance vezan uz toplinsku crpku. Nadograđujući se na to možemo provesti procjenu troškova i ispitivanja ekonomičnosti.

Pojasnit ćemo kako mogu djelovati investicije u uređaj toplinske crpke, u grijaće uređaje ili dodatno grijanje vezano na godišnju potrebu za energijom, a time i na godišnje troškove. Utjecaj godišnje potrebe za toplom vodom na energetske troškove i potrebom za primarnom energijom može se učiniti vidljivim. Postavljanje uređaja prilagođenih objektu ne može zamijeniti ovdje predstavljen postupak izračunavanja. Investitor mora biti svjestan, da je odluka za toplinskom crpkom povezana s povećanim projektantskim troškovima, jer toplinske crpke ostvaruju svoju stvarnu jačinu ne samo uslijed niskih troškova proizvodnje na bazi velikog broja komada, nego uslijed spretnog individualnog prilagođavanja stanju i korištenju.

Pozadina i motivacija

Postavljanje cilja novih odredbi o uštedi energije jest da se investitori potaknu na obraćanje pažnje energetskim efektima dobrih i loših tehnika grijanja. Postupci izračunavanja, koje trebaju izvesti investitor i ustanove koje to kontroliraju, ne smiju biti prekomplicirani i preskupi.

Propisom za izračunavanje, koji se može primijeniti i pri projektiranju, može se pridonijeti neovisno širenju tehnike toplinske crpke.

Više radova posvećuje se tom zadatku. Na prvom mjestu je VDI-smjernica 4650. Ona opisuje kratak postupak za izračunavanje pomoću električne toplinske crpke pogonjenih uređaja za grijanje prostorija. Taj postupak izračunavanja je između ostalog obilježen time, da se podaci o koeficijentu promjene snage (COP) mogu i moraju uključiti u izračun. U daljnjim listovima navedene smjernice trebaju se obraditi u budućnosti i pripremanje tople vode, te bivalentan način gibanja. Pregled za tržište spremnih sustava toplinskig crpki, uključujući kritički ogled sadašnjih, daje potreban koeficijent eficijentnosti.

Prvobitan cilj studije je bio, koji se bazira na predstavljenom postupku izračunavanja, da se razvije generalizirani postupak izračunavanja, s kojim karakteristike toplinske crpke mogu naći ulazak u propise o uštedi energije.

Predstavljeni postupak može investitoru služiti kao pomoć pri donošenju odluka u fazi, u kojoj se radi o predispitivanjima, posebno što se tiče usporedbe različitih varijanata ulaganja kapitala. Moguće je npr. da se računski procijeni eficijentnost uređaja za navedene vrste pogona (monovalentni, bivalentni, bivalentno-alternativni, bivalentno-paralelan, bivalentno-djelomično paralelan), kao i utjecaj potrebe za toplom vodom i veličina površine za grijanje. Postupak se može prikazati skalarno između najjednostavnijeg proračuna i derivacijama, koje se još uvijek mogu izvesti džepnim kalkulatorom.

Od proizvođača navedeni koeficijenti promjene snage ne ulaze u izračunavanje. Umjesto toga se prikazuje fiktivna toplinska crpka s prosječnim karakteristikama u godišnjoj energetskoj bilanci. S izostavljanjem koeficijenta promjene snage kao slobodnog parametra izračunavanja korisnik se ne prisiljava da odmah posegne za podacima proizvođača, tj. ne dolazi u iskušenje da precijeni ostvarive koeficijente promjene snage.

Osnove ovdje predočenog postupka razrađene su u studiji. Tamo su obuhvaćene grupe podataka o isporučivim, projektiranim i izvedenim uređajima i iskorištene su za kalibriranje na početku još relativno kompliciranog postupka izračunavanja. Korak po korak izfiltrirane su jednadžbe pomoću odgovarajućih postupaka regresije i približenja (aproksimacije), koje sadrže najutjecajnije parametre, te izračunavaju potrebne konstante.

Uvodni primjer

Pretpostavimo, da je za obiteljsku kuću, koju treba opremiti, izračunata potreba za toplinom od 8 kW. Procijenjena godišnja potreba za energijom bi iznosila 12 000 kWh/a za grijanje i 5 000 kWh/a za toplu vodu. Kod upotrebe npr. kondenzacijskog kotla proizašla bi potreba za primarnom energijom od preko 17 000 kWh/a. Koja se godišnja potrošnja struje WEl može očekivati kod korištenja elektro-kompresijske toplinske crpke spojene na zemlju? Da li je potreba za primarnom energijom u, a time i u svezi s emisijom CO2, manja nego kod normalnog grijanja?

Izračun koji to procjenjuje izvodi se prema dalje predstavljenoj metodi. Za to se trebaju odrediti temperatura polaznog voda mreže grijanja i osnovni način gibanja. Za primjer ćemo uzeti temperaturu polaznog voda mreže grijanja tv,N = 55°C. Toplinska crpka time može u potpunosti pokriti potrebu za toplom vodom, što jako smanjuje trošak izračunavanja postupka. Godišnja potreba za električnom energijom izračunava se na sljedeći način, pri čemu se konstante mogu uzeti iz tabele 1.,

Ako polazimo dakle, kako je uobičajeno prema DIN-u, od trostrukog troška primarne energije za proizvodnju struje, dobivamo uštedu primarne energije od 3000 kWh/a. Pođemo li jedostavnije od toga, da se primarna energija priprema u obliku metana i da se zbog njegovog sagorijevanja dobiva emisija CO2 od 0,2 kg/kWh, proizlazi smanjenje emisije CO2 za 0,6 t/a.

 Pojmovi i utanačenja

Broj godišnjeg utroška A

Proizvođači toplinskih crpki moraju navesti kao karakteristične značajke uređaja takozvane koeficijente promjene snage (COP), i to kod normiranih temperaturnih stanja sa strane izvora i snižavanja. Pri tome se radi o odnosu trenutnog korisnog učinka prema trenutnom utrošku snage, analogno uobičajenim definicijama korisnosti. Na tipskim listićima i u uspoređivanjima proizvoda većinom se navode COP-vrijednosti.

Tipične vrijednosti modernih toplinskih crpki se nalaze kako je poznato iznad 4,0. Kod sređivanja podataka uređaja treba se prilagoditi uobičajenoj bazi usporedbe. Uspoređivanje varijanata se obavlja uglavnom na bazi godišnjih utrošaka. Kod utvrđene potrebe, npr. godišnje energije u jednoj zgradi za grijanje i pripremanje tople vode, su od značenja za uspoređivanje različitih tehničkih varijanti uređaja za grijanje godišnja potreba za električnom energijom ili godišnja potreba za gorivom.

U predstojećem je izvještaju upotrijebljen broj godišnjeg utroška A. On opisuje odnos godišnjeg utroška prema godišnjem korištenju. Broj godišnjeg utroška je tako obrnuto proporcionalan inače često korištenom godišnjem koeficijentu korisnosti. Može se upotrijebiti za uređaj ili jedan njegov dio kao i broj utroška električne energije ili energije dobivene od goriva, s time da se odnosi na pripremljenu energiju za grijanje. Za ukupni procesni lanac proizvodnje i distribucije električne energije može se definirati vlastiti broj utroška, koji se odnosi na električnu energiju pripremljenu kod potrošača. Isto vrijedi i za opskrbu plinom i lož-uljem.

Brojevi utroška mogu se kod te vrste definicije međusobno pomnožiti, da bi tako dobili ukupan broj utroška jedne grane procesnog lanca. Različite varijante pripreme određene korisne energije, npr. uređaja za grijanje na struju ili plin, možemo energetski usporediti kod iste pripremljene energije za grijanje, ako možemo prikazati utrošak oba uređaja u istom energetskom obliku. Za to je posebno pogodan utrošak primarne energije.

Na simbolu broja utroška A postavljeni pokazivači grubo prikazuju na slici 1 tok energije. Gore postavljeni pokazivač broja utroška A prikazuje, koji se oblici energija postavljaju u međusobni odnos. Pri tome npr. «H» označava energiju grijanja, dakle korisnu energiju, koja se pak sastoji od grijanja prostorija («RH») i pripreme tople vode («WW»). «PE» stoji za primarnu energiu, «EL» za električnu energiju, a «B» za energiju dobivenu iz goriva. Drugi nisko postavljeni pokazivač karakterizira prostor bilance. Tako «HA» stoji za cjelokupni uređaj za grijanje, «WP» za uređaj toplinske crpke, a «Z» za dodatno grijanje.

Povezanost koeficijenta promjene snage (COP) i broja godišnjeg utroška A jako ovisi o toku dnevnih i godišnjih mijenjajućih pogonskih uvjeta. COP svih uređaja mijenjaju se sa trenutnim temperaturnim stanjima, pri čemu nije lako matematički opisati te povezanosti. Uzrok tome je između ostalog obostrano utjecanje ponašanja sastavnih dijelova toplinske crpke.

Preračunavanje koeficijenata promjene snage u broj godišnjeg utroška A je moguće jedino preko modeliranja godišnjeg toka uključujući uzimanje u obzir vanjskih temperatura i način korištenja. Ovdje postaje jasno da je broj mogućih utjecajnih veličina jako velik i da jednostavan model izračunavanja može predstavljati jedino procjenu.

Pokrivajući udio

Ako se «proizvod» energija za grijanje u tzv. bivalentnom načinu gibanja ovisno o situaciji može pripremiti pomoću dva različita djelomična uređaja, npr. pomoću toplinske crpke, ili pomoću dodatnog grijanja, karakteristike eficijentnosti oba uređaja ulaze u krajnju ukupnu eficijenciju. Veličine od pomoći su tzv. «pokrivajući udjeli». Postoje pokrivajući udjeli toplinske crpke kao dodatno grijanje, pri čemu se razlikuju grijanje prostorija (RH) i priprema tople vode (WW) (ξWP/RH ξZ/RH i ξWP/WW ξZ/WW) i udio RH i WW pomoću čega je opisan do adirajuće cifre udjela ξRH i ξWW.

Termin (ξWP/RH ξRH i ξWP/WW ξWW) opisuje onaj udio godišnje korisne energije za cjelokupni uređaj za grijanje s toplinskom crpkom, koji pokriva uređaj toplinske crpke.

 Izračunavanje godišnje potrebe za električnom i primarnom energijom

Da bi se procijenila godišnja potreba primarne energije uvjetovana grijanjem WPE ili godišnja potreba električne energije uvjetovana grijanjem Wel jedne zgrade, moraju se odrediti prije primjene postupka izračunavanja u tabeli 2 navedene veličine određivanja.

U nastavku se navode jednadžbe, koje se upotrebljavaju za izračunavanje, bez pobližeg objašnjenja kako su izvedene. Redoslijed je tako izabran, da su prvo navedene važnije jednadžbe. Nakon toga slijede jednadžbe za izračunavanje u njima sadržanih veličina.

Obje tražene veličine se izračunavaju upotrebom u tabeli 3 pojašnjenih brojeva utroška APE/HHA i AEI/H HA prema jednadžbama 2 i 3.

Utvrđivanje brojeva utroška A PE/HHA i AEI/H HA, koji se pojavljuju u ovim jednadžbama, je moguće za fiktivnu toplinsku crpku na kraju prikazanom putu izračunavanja. Fiktivna toplinska crpka u sebi ujedinjuje prosječne karakteristike. Jednadžba 4 vodi primarno energetski utrošak cjelokupnog uređaja za grijanje, dakle odnos potrebe za primarnom energijom prema ukupnoj pripremljenoj energiji za grijanje (grijanje i topla voda), nazad na utrošak u odnosu na krajnje energije – električnu energiju i gorivo. Jedino na njih investitor ima utjecaja. Stoga dalje slijedimo njegovu procjenu.

Put izračunavanja oba broja utroška grana se prema jednadžbama 5 i 6 u dijelove grijanja prostorija (RH) i pripreme tople vode (WW). U tome sadržani udjeli za pripremanje tople vode i grijanje prostorija u cjelokupnoj korisnoj energiji određeni su jednadžbama 7 i 8. U zadnje navedenim jednadžbama sadržane veličine djelomično su objašnjene u tabeli 3.

Grijanje prostorija

Pokazujemo postupak izračunavanja brojeva utroška koji se odnose na grijanje prostorija (indeks RH) na desnoj strani jednadžbe 5 (utrošak električne energije) i 6 (utrošak energije dobivene iz goriva).

Jednadžbe 9 i 10 pokazuju kako se dobivaju broj utroška električne energije i broj utroška energije dobivene iz goriva grijanja prostorija iz odgovarajućih brojeva utroška grijanja prostorija s toplinskom crpkom i grijanja prostorija s dodatnim grijanjem. Broj utroška električne energije toplinske crpke može se utvrditi iz jednadžbe 11, čiji se sumandi mogu izračunati preko jednadžbi 13, 14 i 15. Jednadžbom 17 definirani bezdimenzionalni koeficijent temperature izračunava se prema jednadžbi 16.

U njoj je tWPA,max,RH maksimalna temperatura polaznog voda mreže grijanja kod koje je toplinska crpka još u pogonu. Pomoću jednadžbe 17 se ta temperatura prevodi u bezdimenzionalnu vrijednost TWPA,RH koja može poprimiti teoretske vrijednosti između 0 i 1. Broj utroška goriva toplinske crpke A B/H WP/RH je izveden iz sistematskih razloga, iako on kod promatranih električnih kompresijskih toplinskih crpki poprima vijednost nula.

Brojevi utroška toplinske crpke i dodatnog grijanja adiraju se u jednadžbama 9 i 10, s prosječnim vrijednostima za odgovarajuće pokrivajuće udjele ξWP/RH ξZ/RH. To su udjeli toplinske crpke i dodatnog grijanja kod pripreme grijanja prostorija. Pokrivajući udio toplinske crpke u grijanju prostorija izračunava se približno iz jednadžbe 18. Ta je jednadžba razvijena obradom podataka opsežnih modeliranja (simulacija).

Ovdje se radi o aproksimaciji na izračunatim podacima. Uzimaju se u obzir različiti oblici bivalentnog načina gibanja i čak granični slučaj monovalentnog načina gibanja. Preko parametra LWP (jednadžba 20) utječe udio bivalentnog načina gibanja na račun, dok Ta,RH (jednadžba 21) utječe na udio bivalentno-alternativnog načina gibanja. Pokrivajući udio dodatnog grijanja proizlazi prinudno iz jednadžbe 19.

Sadržane veličine u navedenim jednadžbama su djelomično pojašnjene u tabeli 4.

 Priprema tople vode

Pokazujemo posupak izračunavanja za pripremu tople vode (niže postavljen indeks WW) koji se odnosi na utrošak na desnim stranama jednadžbi 5 (utrošak električne energije) i 6 (utrošak energije dobivene iz goriva). Jednadžbe 22 i 23 pokazuju, kako se dobiva broj utroška električne energije i broj utroška energije dobivene iz goriva za pripremanje tople vode iz odgovarajućih brojeva utroška pripremanja tople vode s toplinskom crpkom i pripremanja tople vode s dodatnim grijanjem. Stvarni broj utroška električne energije toplinske crpke za pripremanje tople vode dobiva se iz jednadžbe 24, čiji se sumandi mogu izračunati preko jednadžbi 25, 26 i 27.

Maksimalna temperatura tWPAmaxWW, koju toplinska crpka priprema za grijanje tople vode, može se upotrijebiti u skladu s jednadžbom 28 uzimanjem u obzir iz jednadžbe 17 izvedene jednadžbe 29. To je onda potrebno, kada usljed odgovarajuće namještenog načina gibanja uređaja, maksimalna temperatura polaznog voda vrijedi i za pripremu tople vode.

Sa stanovišta bilanciranja energije čini se povoljnijim, da se za pripremanje tople vode dozvoli viša temperatura polaznog voda toplinske crpke, umjesto da se potreba za povećanom temperaturom pokriva dodatnim grijanjem. Ali to onda opet ispada jednako predimenzioniranju. U tom se slučaju može, uz nepoštivanje potrebnih koncentracijskih stupnjeva - izračunati tWPAmaxWW u skladu s jednadžbom 30.

Brojevi utroška toplinske crpke i dodatnog grijanja adiraju se u jednadžbama 22 i 23 s odgovarajućim pokrivajućim udjelima ξWP/WW i ξZ/WW. To su udjeli toplinske crpke i dodatnog grijanja kod priprema za grijanje tople vode. Za izračunavanje pokrivajućeg dijela toplinske crpke kod priprema tople vode može se upotrijebiti približna jednadžba 31. U njoj se veličina Ta,WW izračunava iz jednadžbe 33. Udio dodatnog grijanja proizlazi iz jednadžbe 32.

 Konstante

Vrijednostima konstanti ki, izračunavaju se brojevi utroška, koji su reprezentativni za veći broj ispitanih uređaja za grijanje s toplinskom crpkom. To uključuje odstupanja prema dolje i gore u realiziranom pojedinačnom slučaju.

Daljnji razvoji

U usporedbi sa studijom djelomično je prerađena simbolika da bi se olakšao prikaz sistematike. Novo pripremljena je jednadžba 11. Pripremanje tople vode je tako preoblikovano, da postoji jaka analogija prema jednadžbama za grijanje prostorija. Time se cijeni rastući relativni udio tople vode. Na bazi, u studiji sadržane grupe podataka, koja se bazira na opširnim izračunavanjima, kompaktno je formulirana ovisnost pokrivajućeg udjela kao empirijska formula u jednadžbi 18. I jednadžba 16 je novo razvijena.

 Završni primjer

Predstavljamo primjer izračunavanja. U tabeli 5 su sastavljene analogno prema tabeli 2 ulazne veličine. Osnovna varijanta je sa zemljom spojena solarno-vodena (SW) toplinska crpka za sustav grijanja s nazivnom temperaturom polaznog voda tvN = 55°C (varijanta SW 55).

Promatrana su dva alternativna izračunavanja, oba za sustav grijanja s niskom nazivnom temperaturom polaznog voda tvN = 35°C i jedne na tu temperaturu postavljene toplinske crpke. Pripremanje tople vode mora se stoga izvesti dodatnim grijanjem, koje je jednom električno (varijanta SW 35 + EL), a jednom sa zemnim plinom (varijanta SW 35 + plin).

Završne primjedbe

Predstavljen postupak izračunavanja odražava glavne ovisnosti. Prognozirane vrijednosti predstavljaju oprezne procjene. Točnost ne može konkurirati konkretnom postupku dimenzioniranja. Ali se radi o izuzetno jednostavnom postupku, koji je pogodan za brze kalkulacije i kao kamen temeljac za procjenu ekonomičnosti. Za procjenu djelotvornosti i za zaštitu okoliša mora se dodatno uzeti u obzir energetska amortizacija dodatnog utroška uređaja. Vrijednosti toga parametara moraju se s vremena na vrijeme oprezno prilagoditi aktualnim razvojima.

Metodika postavljanja postupka izračunavanja, koja ovdje iz razloga opsežnosti prikazivanja nije objašnjena, može se primijeniti i na druge tipove uređaja.

Izvor: www.masmedia.hr

Materijali