HIDROS toplotne pumpe - Delta Term

TOPLOTNI IZVOR, KORISNIKToplotni izvorSpoljašnji izvor energije od koga seona oduzima zove se toplotni izvor.Rashladni fluid toplotne pumpe uzimatoplotu preko isparivača. Toplotnepumpe tipa LZT, WZT i LPHproizvođača HIDROS koristespoljašnji vazduh kao toplotni izvor izato ih zovemo toplotnim pumpamatipa vazduh – voda.HIDROS-ove toplotne pumpe tipaWZH i DWH koriste vodu kao toplotniizvor i zovu se toplotnim pumpamatipa voda – voda.Korisnik (Toplotni ponor)Voda koja se greje zove sekorisnikom (toplotnim ponorom).U toplotnoj pumpi korisnik jekondenzator u kome rashladni fluidpredaje toplotu preuzetu od toplotnogizvora.Ovako dobijena toplotnaenergija se može predati objektustandardnim sistemima grejanja:- fan coil-ima-podnim , zidnim, plafonskim grejanjem- radijatorskim grejanjemTIPOVI TOPLOTNIH PUMPIPostoje različiti tipovi toplotnih pumpi, podeljenih prema vrsti toplotnog izvora. Glavni tipovi su :- TOPLOTNE PUMPE VAZDUH – VODA- TOPLOTNE PUMPE VODA – VODA- GEOTERMALNE TOPLOTNE PUMPE- HIBRIDNE TOPLOTNE PUMPE2

TOPLOTNE PUMPE VAZDUH - VODAVazduh se koristi kao izvor toplote; imaprednost što je dostupan sve vreme, alikada je spoljašnja temperatura blizu iliispod 0°C, neophodno je uvesti i sistemodleđivanja na strani izmenjivača izvoratoplote.Ovaj problem pojave leda na izmenjivačuizvora toplote pri niskim temperaturamarešava se uvođenjem tzv. ciklusaodleđivanja (defrost cycle) koji zahtevapromenu smera strujanja rashladnog fluidapomoću 4-krakog ventila. Nakon topljenjanaslaga leda na izmenjivaču izvora toplote,toplotna pumpa vraća prvobitni smerstrujanja rashladnog fluida . U normalnomrežimu grejanja, unutrašnji izmenjivač jetopao (rashladni fluid – voda), a spoljašnjihladan (vazduh – rashladni fluid). Ciklusodleđivanja oduzima energiju toplotnepumpe, ona se gubi i ne odlazi u kruggrejanja vode, privremeno umanjujućiodavanje toplote toplotne pumpe. U većinislučajeva može se uzeti da, u većiniEvropskih zemalja gubitak energije usledciklusa odleđivanja varira između 5 i 13%.TOPLOTNE PUMPE VODA - VODAVoda se koristi kao izvor toplote; ovorešenje pruža najbolje karakteristike nakoje ne utiču spoljašnji klimatski uslovi(karakteristični za toplotne pumpe tipavazduh – voda). Međutim, voda nije uvekdostupna u dovoljnoj količini i zahtevadodatne troškove zbog spoljnih hidrauličkihveza.3

GEOTERMALNE TOPLOTNE PUMPEKao toplotni izvor koristi se energijaakumulirana u zemlji. Energija se izzemlje apsorbuje pomoću cevi koje senalaze u tzv. sondama. Kroz cevicirkuliše mešavina glikola i vode. Sondemogu biti vertikalne ili horizontalne,projektovane i izvedene na način koji imomogućuje maksimalnu apsorpcijuenergije iz zemlje.Horizontalne cevi se obično postavljajuna dubini od 1 – 1.5 metara kako bi seizbegao uticaj promenljivih spoljašnjihtemperaturskih uslova, a iskoristilaprednost sunčevog zračenja.Uprosečeno gledano, za ovu primenupotrebno je cevima pokriti površinu tlakoja je 2 – 3 puta veća od površineobjekta koji se greje.U slučaju vertikalnih cevi (2 para – 4cevi po sondi), standardno se projektujudo 100 m dubine i uprosečeno se posondi dobija 4 – 6 kW.Geotermalna toplotna pumpa imaprednost konstantnog COP-a i toplotnikapacitet bez varijacija uzrokovanihspoljašnjim klimatskim uslovima, alipredstavljaju i veliku investiciju kojuuzrokuje bušenje i postavljanje sondi.HIBRIDNE TOPLOTNE PUMPEU ovoj varijanti koriste se prednostitoplotnih pumpi vazduh – voda(jednostavna i jeftina montaža) i voda –voda (poboljšane karakteristike iiskorišćenje).Ovi uređaji uvek rade kao toplotnepumpe vazduh – voda, koristećiizmenjivače vazduh – rashladni fluid iventilatore.U slučaju niskih spoljašnjih temperatura( npr. ispod 0°C), ova toplotna pumpakoristi i drugi izmenjivač toplote tipavoda – rashladni fluid. Voda seobezbeđuje iz nekog manjeg bunara ilimanjeg broja sondi.Na ovaj način se i pri niskim spoljašnjimtemperaturama održava visoki COPtoplotne pumpe. Ovaj sistem karakterišeizuzetno dobar odnos cene iperformansi.4

KORIŠĆENJE PRIMARNE ENERGIJEDijagram prikazan na ovoj strani pokazuje utrošak primarne energije kod različitih sistema grejanja koji su u upotrebi.Električno grejanjeLako lož uljePrirodni gasToplotna pumpavazduh – voda COP 3Toplotna pumpavoda – voda COP 46

Korišćenjem toplotnih pumpi umanjuje se utrošak primarne energije u poređenju sa drugim sistemima grejanja, čime sedrastično smanjuje emisija CO2 u atmosferu.SISTEM GREJANJAPROCENTUALNI UTROŠAK PRIMARNE ENERGIJEElektrično grejanje 297%Lako lož ulje 125%Prirodni gas 120%Toplotna pumpa vazduh - voda 100%Toplotna pumpa voda - voda 76%- Toplotne pumpe su sistem grejanja budućnosti (lako održavanje, efikasne, nema zagađenjaokoline)- Toplotne pumpe se mogu koristiti za grejanje, hlađenje i proizvodnju sanitarne tople vode- Zbog efikasnosti i isplativosti toplote pumpe već imaju veliku primenu u mnogim evropskimzemljama- Cena električne energije je relativno stabilna, za razliku od drugih energenata (gas, lako ložulje...). Ovo omogućuje pravilno kalkulisanje investicije.- Jednom instalirana, toplotna pumpa ne zahteva održavanje.PRIMENA TOPLOTNIH PUMPIToplotne pumpe se koriste u stambenim, poslovnim objektima i u industrijskim postrojenjima kao alternativa standardnimsistemima grejanja i hlađenja uz pomoć kotlova i čilera. U suštini, isti uređaj se koristi i za grejanje i za hlađenjezahvaljujući ventilu koji menja funkcije isparivača i kondenzatora (obrnuti proces). Primena toplotnih pumpi za grejanje ihlađenje je isplativija od korišćenja samo u režimu grejanja, čime se skraćuje i period za koji se vrati investicija. Poredovih primena, postoji mogućnost upotrebe toplotnih pumpi i samo za zagrevanje sanitarne tople vode.SANITARNA TOPLA VODAHIDROS toplotne pumpe mogu proizvesti sanitarnu toplu vodu temperature do 55 – 63 °C (zavisno od tipa) štoomogućava instalaciju uređaja u svim sistemima gde se zahteva zagrevanje sanitarne tople vode. U ovom slučajuneophodna je ugradnja većeg bojlera sanitarne tople vode nego u sistemima koji rade sa drugim energentima, pošto sepostižu manje temperature. Potrebna količina sanitarne tople vode temperature 45°C je data u tabeli.brojkorisnikakoličina STV(lit/24h)brojkorisnikakoličina STV(lit/24h)brojkorisnikakoličina STV(lit/24h)brojkorisnikakoličina STV(lit/24h)1 70 2 140 3 190 5 2707

DIMENZIONISANJEPUMPETOPLOTNEPravilno dimenzionisanje toplotnihpumpi je od izuzetnog značaja zaukupnu iskorišćenost sistema grejanja.Predimenzionisana toplotna pumpamože umanjiti komfor u prostorijamausled velikih razlika temperaturepolaznog voda ( i uvećati finansijskeizdatke), dok poddimenzionisanatoplotna pumpa može umanjitiisplativost sistema usled neophodnostikorišćenja dodatnih izvora energije(električni grejači, kotlovi...).Takođe, odlična toplotna pumpapovezana na loš sistem grejanja dajeloše rezultate.Uprosečeno gledano, svaki °C nižetemperature polaznog voda izazivaprosečno uvećanje COP-a od 2-2,5%(čak i više kod toplotnih pumpi vodavoda),što bitno utiče na povećanjeiskorišćenja celog sistema i ušteduenergije.Sistemi podnog grejanja su, sa ovetačke gledanja izuzetno interesantnipošto su polazne temperature vode30-38°C, dok fan coili i radijatorizahtevaju više temperature (oko 50°C)što automatski umanjuje COP.U principu, toplotne pumpe seprojektuju da rade sa maksimalnompolaznom temperaturom od 55°C.U slučaju potrebe za višomtemperaturom (npr. rekonstrukcijastarih zgrada gde nije moguće zamenitigrejna tela ) mora se razmatratipovezivanje toplotne pumpe sa drugimizvorima toplote (električni grejači ilikotlovi) posebno pri niskim spoljnimtemperaturama.U slučaju temperature polaznog vodaispod 55°C toplotnim pumpama nijeneophodno dodavati druge izvoreenergije, već se to može činiti samo izfinansijskih razloga o kojima će biti rečiu nastavku.Neki primeri:Toplotna pumpa vazduh - vodaTOPLOTNA PUMPA LZT 14T Spoljašnja temperatura: 2°CTemperatura polaznog voda 35°C COP : 3.8Temperatura polaznog voda 45°C COP : 3.3Temperatura polaznog voda 55°C COP : 2.8Toplotna pumpa voda - vodaTOPLOTNA PUMPA WDH 50 Temperatura vodenog izvora: 10°CTemperatura polaznog voda 35°C COP : 5.3Temperatura polaznog voda 45°C COP : 4.0Temperatura polaznog voda 55°C COP : 3.1Najčešća rešenja grejanja toplotnim pumpama danas su:· Monovalentni sistemi· Monovalentni sistemi sa grejačima· Bivalentni sistemiU ovom tekstu nećemo obraditi bivalentne sisteme koji predviđaju upotrebu drugih izvora energije (kotlova), već ćemo sefokusirati na prva dva.8

MONOVALENTNI SISTEMIKod ovog sistema toplotni gubici objekta u potpunosti se podmiruju toplotnom pumpom i nema potrebe dodavati neke drugeizvore energije. U ovom slučaju izbor toplotne pumpe se vrši prema potrebnom kapacitetu za najniže spoljašnje uslove itemperature.Primer:Lokacija : Štutgart (Nemačka)Ova lokacija ima sledeće klimatske karakteristike:satiUčestanost pojave spoljašnje temperature izražene u satima godišnjeIz dijagrama se vidi da je najniža spoljašnja temperatura ove lokacije -14°C u trajanju od 6 sati godišnje. U slučaju da imamoobjekat u Štutgartu čiji su toplotni gubici 9 kW pri spoljašnjoj temperaturi -5°C, sa sobnom temperaturom od 20°C, toplotnigubici sračunati prema UNI12813 prikazani su sledećim dijagramima.9

REŠENJE SA GEOTERMALNOM TOPLOTNOM PUMPOMNajvažnija karakteristika geotermalne i/ili voda-voda toplotne pumpe je da ima konstantan toplotni kapacitet i COP prirazličitim spoljašnjim uslovima. Ovo omogućava optimalno dimenzionisanje uređaja i visoki COP pošto nema uticajaspoljašnje temperature.Toplotni kapacitet WZH 09Toplotni gubici objektaU ovom slučaju geotermalna toplotna pumpa WZH09 u potpunosti zadovoljava potrebe za toplotom navedenog objekta.Spoljašnja temperatura Gubici toplote objekta toplotni kapacitet WZH 090°C 7 kW 12.2 kW-5°C 9 kW 12.2 kW-14°C 12.2 kW 12.2 kWREŠENJE SA TOPLOTNOM PUMPOM VAZDUH-VODA TIPA LZTUkoliko za isti objekat ugradimo toplotnu pumpu vazduh-voda (tip LZT ili WZT) dijagram odnosa toplotnog kapaciteta pumpei gubitaka objekta ima sledeći izgled:Toplotni kapacitet LZT 21Toplotni gubici objektaSpoljašnja temperatura Temperatura polaznog voda Gubici toplote objekta toplotni kapacitet LZT 210°C 35°C 7 kW 17.8 kW-5°C 35°C 9 kW 16.0 kW-14°C 35°C 12.2 kW 12.9 kW10

U ovom slučaju, ukoliko idemo namonovalentni sistem, moramo izabratiLZT21, koja na -14°C ima toplotnikapacitet 12.9kW.Izbor ove toplotne pumpe, iako tehničkiispravan, nije ekonomski i energetskiopravdan, pošto je uređajpredimenzionisan za veći deo godine.Upotreba LZT 21 takođe uključujeupotrebu jače cirkulacione pumpe,veće prečnike cevi, i rezultuje većombukom i gabaritima.Ovaj primer pokazuje glavnu razlikuizmeđu geotermalnih i toplotnih pumpivazduh – voda.Dok geotermalne toplotne pumpeimaju konstantnu temperaturu izvoratoplote i stoga konstantan toplotnikapacitet, toplotne pumpe vazduh –voda imaju značajno variranjetoplotnog kapaciteta u zavisnosti odpromene spoljašnje temperature.Ova osobina može imati negativanuticaj ukoliko se uređaj instalira uoblastima sa jako hladnim zimama,dok u toplijim regijama dolazi dopovećanja efikasnosti u odnosu nageotermalne toplotne pumpe.Generalno, za toplotne pumpe tipavazduh – voda najčešće se ne korističisto monovalentni sistem većkombinacija sa električnim grejačem.MONOVALENTNI SISTEM SA ELEKTRIČNIM GREJAČEMPod ovim nazivom podrazumeva sesistem kod kojeg se toplotni kapacitettoplotne pumpe u kratkomvremenskom periodu dopunjujeelektričnim grejačem. U ovom slučajutoplotna pumpa pokriva samo deotoplotnih gubitaka objekta. Najčešće setoplotna pumpa dimenzioniše dazadovoljava 90 -95% vremena grejanjau zimskoj sezoni.Kod monovalentnog sistema saelektričnim grejačem dimenzionisanjese radi prema minimalnoj temperaturikoja se javlja 5-10% vremena u tokuzimskog perioda.Za prethodno obrađenu lokaciju(Štutgart) važe sledeći uslovi:spoljašnja temperatura broj sati godišnje zimska sezona-14°C do +20°C 8219 cela zima-14°C do +5°C 3162 38.4%-14°C do 0°C 1161 14.0%-14°C do -5°C 223 2.7%-14°C do -10°C 64 0.77%-14°C 6 0.07%Ukoliko razmatramo korišćenjetoplotne pumpe vazduh – voda zazgradu iz prethodnog primera,postupićemo na sledeći način:Treba utvrditi za koju najnižuspoljašnju temperaturu toplotna pumpatreba da zadovolji gubitke toploteobjekta. Ovo se radi iz razloga štotoplotna pumpa ne sme da budepoddimenzionisana za više od 5 do10%.Grafik prikazan na sledećoj stranipokazuje da se spoljašnja temperaturaod -14°C (minimalna zimska spoljašnjatemperatura) do -5°C javlja 223 satagodišnje, što čini 2.7% ukupnogzimskog perioda.Na isti način vidimo da se za isti periodspoljašnja temperatura ispod 0°Cjavlja 1161 sat, što čini 14% ukupnogzimskog perioda.Ukoliko dijagramom prikažemotoplotne kapacitete toplotnih pumpivazduh-voda LZT10T, LZT14T iLZT21, dobijamo sledeće:11

toplotni kapacitet LZT21toplotni kapacitet LZT14Ttoplotni gubici objektatoplotni kapacitet LZT10TTačke preseka krivih toplotnih kapaciteta pumpi i toplotnih gubitaka objekta definišu najnižu spoljašnju temperaturu na kojojta toplotna pumpa može da pokrije gubitke objekta. Za niže spoljašnje temperature neophodno je dodati električni grejač kojibi dopunio toplotni kapacitet toplotne pumpe.Za toplotnu pumpu:- LZT 21 toplotni kapacitet pokriva gubitke objekta do -14°C- LZT 14T toplotni kapacitet pokriva gubitke objekta do -8°C- LZT 10T toplotni kapacitet pokriva gubitke objekta do -2°CPravilan izbor bi, u ovom slučaju, bila toplotna pumpa LZT14T koja pokriva gubitke do -8°C i predstavlja najbolji odnos cene iperfomansi.12

PROGRAM ZA IZBOR OPREMEZa pravilan izbor toplotnih pumpi HIDROS je razvio program koji omogućuje proračun svih parametara sistema:- tačku preseka toplotnih kapaciteta toplotnih pumpi i gubitaka objekta- količinu toplotne energije proizvedene toplotnom pumpom po sezoni- proračun predate toplote sanitarnoj toploj vodi- gubitak energije za odleđivanje kod toplotnih pumpi vazduh voda.13

- dimenzionisanje električnog grejača koji se dodaje toplotnoj pumpi- radne troškove- sezonski COP instalacije14

ŠTA JE EVI TEHNOLOGIJAHIDROS-ove toplotne pumpe LZT iWZT počev od modela 10 opremljenesu kompresorima EVI tehnologije,metodom poboljšanja kapaciteta iefikasnosti sistema. Tehnologijaubrizgavanja pare sastoji se odubrizgavanja pare rashladnog fluida usredinu procesa komprimovanja, čimese značajno povećavaju kapacitet iefikasnost. Svaki scroll kompresorupotrebljen u LZT i WZT uređaj je sličandvostepenom kompresoru, ali saugrađenim međustepenom hlađenja. Udijagramu su prikazane glavne fazerashladnog procesa kod EVI uređaja.Gornji stepen se sastoji od izdvajanjadela kondenzovane tečnosti, njeneekspanzije u ekspanzionom ventilu ivođenja kroz izmenjivač toplote kojipredstavlja dodatni hladnjak(isparivač). Pregrejana para se potomubrizgava u središnji deo scrollkompresora.Dodatni hladnjak uvećava kapacitetisparivača. Što je veći odnos pritisakakondenzacije i isparavanja, bolje su iradne karakteristike u poređenju sadrugim kompresorskim tehnologijama.Ova tehnologija omogućava uređajimaLZT i WZT da proizvode sanitarnutoplu vodu temperature do 63°C, saMogućnošću da rade do spoljašnjetemperature od -15°C.15

Grafici prikazani na ovoj strani pokazuju zavisnost COP od spoljašnje temperature za temperature polaznog voda 40°C i55°C. Dijagrami se odnose na različite tipove scroll kompresora dostupnih na tržištu koji koriste različite rashladne fluide:R407C, R410A. Očigledno je da je radni opseg R407C veći od R410A, posebno pri niskim spoljašnjim temperaturama.COP temp. polaznog voda 40°C COP temp. polaznog voda 55°CSpoljašnja temperatura (°C)Spoljašnja temperatura (°C)Iskorišćenje EVI kompresora priniskim spoljašnjim temperaturamaje veća za cca 25% u odnosu nastandardne kompresore. Ovarazlika je još veća kada sezahtevaju veće temperature vode(npr. proizvodnja sanitarne toplevode). U ovom slučajuprimećujemoda maksimalni radni parametristandardnih scroll kompresora neomogućavaju proizvodnju vodetemperature 55°C pri spoljašnjojtemperaturi ispod +5°C.Donji dijagram pokazuje opsegradaEVI scroll kompresora kojim suopremljene LZT i WZT toplotnepumpe. Pri spoljašnjoj temperaturi -15°C temperatura polaznog voda idalje je 55°C, što toplotnoj pumpiomogućava ugradnju u najrazličitijimspoljašnjim uslovima.Uređaji opremljeni scroll kompresorimasa EVI tehnologijom ubrizgavanja pare sarashladnim fluidom R407CUređaji opremljeni scroll kompresorimaHP (high perfomance) bez EVItehnologije, rashladni fluid R407CUređaji opremljeni standardnim scrollkompresorima sa rashladnim fluidomR407CUređaji opremljeni standardnim scrollkompresorima sa rashladnim fluidomR410A16