STRUČNO USAVRŠAVANJE

OVLAŠTENIH ARHITEKATA I OVLAŠTENIH INŽENJERA

XI. tečaj 11. i 12. studenog 2011.

TEMA:

„ NISKOTEMPERATURNO GRIJANJE DIZALICAMA TOPLINE ZA MALE OBITELJSKE KUĆE S

ANALIZOM ISPLATIVOSTI “

Autori: Prof.dr.sc. Igor BALEN, dis Fakultet strojarstva i brodogradnje

Predavanje: NISKOTEMPERATURNO GRIJANJE DIZALICAMA TOPLINE ZA MALE OBITELJSKE KUĆE S ANALIZOM ISPLATIVOSTI Predavač: Prof.dr.sc. Igor BALEN, Fakultet strojarstva i brodogradnje UVOD Racionalno korištenje energije te korištenje obnovljivih izvora energije važan su dio svih energetskih strategija na globalnoj i nacionalnoj razini. Cijene energije i energenata će, zbog globalnih i lokanih razloga, u narednom razdoblju rasti, što će utjecati na porast troškova stanovanja i poslovanja. Zato je potrebno dobro poznavati vlastitu energetiku u smislu tehničkih mogućnosti i troškova te biti u stanju njome upravljati. Zbog velike potrošnje energije u zgradama, koja konstantno raste, a istovremeno i velikog potencijala energetskih i ekoloških ušteda, energetska učinkovitost danas postaje prioritet. Područje graditeljstva prepoznato je kao područje koje ima potencijal za smanjenje ukupne potrošnje energije na nacionalnoj razini. S obzirom na relativno veliki ukupni broj obiteljskih kuća u Republici Hrvatskoj, uz veliku potrošnju energije za grijanje u kućanstvima u usporedbi s ostalim trošilima, predmet analize je ocjena učinkovitosti i isplativosti toplinskih sustava s dizalicama topline. Hrvatska ima dobre preduvjete za primjenu te tehnologije s obzirom na svoj geografski položaj. Toplinski sustavi s dizalicama topline koriste se za potrebe grijanja i hlañenja prostora te za pripremu potrošne tople vode (PTV). Provedena analiza pokazuje mogućnosti primjene dizalica topline za grijanje i pripremu PTV u obiteljskim kućama (mali korisnici), u odnosu na troškove investicije i ostvarene uštede u troškovima energije u usporedbi s plinskim kondenzacijskim kotlom. Za potrebe analize odabrani su slijedeći tipovi dizalica topline: 1. dizalica topline sa zrakom kao toplinskim izvorom 2. dizalica topline s vodom kao toplinskim izvorom 3. dizalica topline s tlom kao toplinskim izvorom Sve analizirane dizalice topline su u izvedbi s kompresorom pogonjenim elektromotorom. PRORAČUNSKI MODEL Za analizu je odabran model obiteljske kuće neto korisne površine 150 m2 (tip 150) - prizemna kuća s jednim stanom. Toplinske karakteristike grañevnih dijelova za proračun uzete su prema.dozvoljenim vrijednostima iz Tehničkog propisa o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama (NN 110/2008), a površine prozora i vrata su odabrane na razini 15% površine vanjskih zidova, dok vanjska vrata na južnom zidu imaju površinu Ad=2 m2. Model kuće ima krov pod nagibom 30°, orijentacije sjever-jug, a izmeñu krova i stropa grijanog dijela zgrade nalazi se negrijano potkrovlje. Godišnja potrebna toplinska energija za grijanje proračunata je prema normi HRN EN ISO 13790:2008. Proračuni su provedeni za stvarne klimatske podatke za dvije karakteristične geografske lokacije u Hrvatskoj, grad Zagreb (kontinentalna RH) i grad Split (primorska RH). Proračun godišnje potrebne toplinske energije za pripremu PTV proveden je prema normi HRN EN 15316-3-1:2008. TABLICA 1. Osnovne značajke obiteljske kuće tip 150

Tip zgrade (m2)

Korisna površina Ak (m

2)

Površina oplošja

grijanog dijela A (m2)

Obujam grijanog dijela zgrade Ve (m

3)

Obujam grijanog

zraka V (m3)

Faktor oblika zgrade fo = A/Ve

Tip 150 150,0 450,0 450,0 342,0 1,000 Za kuću na obje lokacije napravljene su simulacije pogona dizalica topline, kao alternativnog izvora energije s tri navedena toplinska izvora i usporeñene su s energetskom bilancom pogona plinskog kondenzacijskog kotla, kao konvencionalnog izvora topline. Analiza potrebne energije za pogon dizalica topline u režimu niskotemperaturnog grijanja i pripreme PTV provodi se detaljnim postupkom proračuna (bin - metoda) prema normi HRN EN 15316-4-2:2008. Parametri koji se promatraju u ovoj analizi proračunavaju se na mjesečnoj bazi te je moguće vidjeti kako i koliko oni variraju tijekom sezone grijanja. To su sezonski (u ovom slučaju mjesečni) toplinski množitelj (SPF), vrijeme trajanja pogona dizalice topline, potrošnja električne energije te ekvivalentna potrošnja prirodnog plina. Proračun potrebne energije za pogon kotla loženog na plin provodi se metodom specifične korisnosti kotla prema normi HRN EN 15316-4-1:2008. Kod dizalica topline razlikuju se dva glavna načina pogona: • monovalentni • bivalentni. Pogon dizalice topline u kojem se pokrivaju cjelokupne potrebe za toplinskom energijom zgrade za grijanje i pripremu PTV naziva se monovalentni (slika 1). To znači da dizalica topline potpuno zamjenjuje plinski, uljni ili električni kotao, odnosno neki drugi konvencionalni toplinski izvor.

-15°C 20°C

učinak

[kW]

ϑok

projektna točka

potrebni učinak grijanja

DIZALICA TOPLINE

SLIKA 1. Ilustracija monovalentnog načina rada

θ

Kada dizalica topline ne pokriva cjelokupne potrebe za toplinskom energijom zgrade, potrebno je predvidjeti neki pomoćni/dodatni toplinski izvor (kotao, električni grijač i sl.). U tom slučaju se govori o bivalentnom pogonu. Pri tome pomoćni izvor može raditi paralelno s dizalicom topline pokrivajući samo dio gubitaka kojeg ne pokriva dizalica topline. Takav način naziva se bivalentno – paralelni pogon. Dodatni izvor topline uključuje se u tzv. bivalentnoj projektnoj točki (slika 2), proizvoljno odabranoj s obzirom na temperature toplinskog izvora i ogrjevnog medija.

-15°C 20°C

učinak

[kW]

ϑok

projektna točka

potrebni učinak grijanja

-3°C

DIZALICA TOPLINE

SLIKA 2. Ilustracija bivalentno-paralelnog načina rada

Detaljna metoda proračuna, tzv. bin - metoda uzima u obzir specifične pogonske uvjete pojedinog tipa dizalice topline. Bin-ovi opisuju učestalost pojavljivanja vanjske temperature na promatranoj geografskoj lokaciji te se proračun provodi za svaki raspon bin –a (temperaturni interval) čime se odreñuje odgovarajuća toplinska energija za grijanje. Radne točke bin-ova su ''odreñene'' radnim točkama u središtu svakog raspona te se u proračunu pretpostavlja da ta točka predstavlja radnu točku za cijeli raspon bin-a.

θ

bivalentna

SLIKA 3. Primjer bin - raspona s radnim točkama OP1 i OP2

U tu su svrhu korištene mjesečne kumulativne vanjske temperature suhog termometra te je po mjesecima izvršena podjela na 4 proračunska bin-a (primjer u tablici 2). Pri tome je za donju temperaturnu granicu pogona sustava grijanja postavljena vanjska projektna temperatura, a za gornju temperaturnu granicu pogona postavljena je temperatura vanjskog zraka od 12°C. Budući da ogrjevni učinak i faktor grijanja dizalice topline variraju u ovisnosti o radnim uvjetima, tj. temperaturama toplinskog ponora i izvora, proračun se provodi za j perioda koji su odreñeni temperaturama toplinskog ponora i izvora te se dobiveni rezultati zbrajaju prema sljedećem izrazu:

gdje su:

- [J] električna energija potrebna za pokrivanje toplinskih potreba za grijanje

- [J] potrebna toplinska energija podsustava u binu j

- [J] toplinski gubitci podsustava u binu j

- [W/W] faktor grijanja dizalice topline za period konstantnih radnih uvjeta

TABLICA 2. Obiteljska kuća tip 150, proračunski bin-ovi za Zagreb u siječnju

Bin 1 Bin 2 Bin 3 Bin 4 Suma

Radne točke, °C -7 2 7 20

Donja granica, °C -10 -3 5 12

Gornja granica, °C -3 5 12 32

-2 4 12 32

Težinski faktor - grijanje 0,325 0,557 0,118 1,00

Potrebna toplina-

grijanje, kWh 911,98 1564,69 332,63 2809,3

Trajanje bin-a, h 185 421 138 0 744

Težinski faktor - PTV 0,25 0,57 0,19 0,00 1,00

Potrebna toplina - PTV,

kWh 64,55 146,89 48,15 0,00 259,58

Norma HRN EN 15316-4-2 dijeli proračun dizelice topline u 10 koraka navedenih kako slijedi: 1.korak: Odreñivanje energetskih zahtjeva za pojedine bin-ove 2.korak: Korekcija ogrjevnog učinka i faktora grijanja za različite temperaturne uvjete pogona 3.korak: Korekcija faktora grijanja za rad pri djelomičnom opterećenju 4. korak: Proračun toplinskih gubitaka podsustava (meñuspremnik/spremnik topline) 5. korak: Proračun potrebne dodatne energije za pojedine bin-ove (pomoćni grijač) 6. korak: Proračun trajanja pogona dizalice topline pri različitim režimima 7. korak: Proračun pomoćne energije za rad dizalice topline 8. korak: Proračun ukupnih i povratnih toplinskih gubitaka podsustava u režimu grijanja 9. korak:Proračun ukupno potrebne energije za pokrivanje svih zahtjeva 10. korak: Prikaz rezultata REZULTATI PRORAČUNA Veličine koje se proračunavaju metodologijom prema normi HRN EN 15316-4-2 su: mjesečni SPF te vrijeme trajanja pogona i potrošnja električne energije dizalice topline za grijanje i pripremu PTV. Rezultati su prikazani u dijagramima kako bi se jednostavnije usporedile karakteristike pogona dizalica topline s različitim toplinskim izvorima. Budući da su te vrijednosti izračunate na mjesečnoj razini, moguće je vidjeti njihove varijacije u jednoj godini dana. Nadalje, treba napomenuti da u ljetnim mjesecima, kada nema grijanja, dizalice topline rade u režimu pripreme PTV. Lokacija Zagreb

SPF - kuća tip 150 ZG

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

voda/voda zrak/voda tlo/voda

SLIKA 4. SPF, Zagreb

Vrijednosti mjesečnog toplinskog množitelja su niže u ljeti, osim za dizalicu topline zrak/voda, gdje se mjesečni SPF zadržava na vrijednostima oko 4, dok mjesečne vrijednosti SPF-a za druge dizalice topline variraju u nešto većoj mjeri (slika 4). U mjesecima u kojima je potrebno grijanje i zagrijavanje PTV najveće vrijednosti SPF-a postižu se dizalicom topline voda/voda (do 5,14 u siječnju). Za dizalicu topline tlo/voda najveći SPF iznosi 3,94 u prosincu. S druge strane, u ljetnim mjesecima, u kojima grijanje nije potrebno, dizalica topline zrak/voda se pokazala energetski najučinkovitijom o čemu govori najviša vrijednost SPF-a (4,09 u srpnju). Na slici 5. prikazano je vrijeme trajanja pogona dizalica topline po mjesecima. Vidljivo je da je za sve dizalice topline prisutan isti trend skraćenja vremena rada u ljetnim mjesecima, što je i logično jer je tada potreba za toplinskom energijom najmanja. Vidljivo je da na godišnjoj razini najdulje radi dizalica topline tlo/voda.

Trajanje pogona [h]- kuća tip 150 ZG

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

voda/voda zrak/voda tlo/voda

SLIKA 5. Vrijeme trajanja pogona, Zagreb

Analogno vremenu trajanja pogona, ponaša se i bilanca potrošnje električne energije. Ovdje treba istaknuti kako na te rezultate utječu odabrani tipovi i kapaciteti ureñaja i nazivne snage odabranih elektromotora za pogon kompresora. Vidi se da je najveći potrošač električne energije dizalica topline sa zrakom kao toplinskim spremnikom (bez obzira na relativno visoke mjesečne SPF), a najmanji potrošač je dizalica topline tlo/voda. Potrošnja električne energije dizalice topline zrak/voda je najveća, jer je energetska potreba najveća zimi za grijanje, kada učinkovitost tog tipa dizalice topline značajno opada.

Potrošnja el. en. [kWh]- kuća tip 150 ZG

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

voda/voda zrak/voda tlo/voda

SLIKA 6. Potrošnja električne energije, Zagreb

Na kraju se u tablici 3. daju ukupne godišnje vrijednosti trajanja pogona i potrošnje električne energije dizalica topline za kuću tip 150, kao i prosječni godišnji SPF. TABLICA 3. Obiteljska kuća tip 150 Zagreb, godišnje vrijednosti parametara pogona dizalice topline

Kuća tip 150 ZG – potrebna toplina za grijanje i pripremu PTV = 13847 kWh/god zrak/voda tlo/voda voda/voda

Godišnji SPF 3,77 3,12 3,63

Vrijeme trajanja pogona [h/god] 1711,24 2124,94 1725,95

Potrošnja elektr. energije [kWh/god] 4583,39 3836,73 3329,08 Lokacija Split

SPF- kuća tip 150 ST

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

voda/voda zrak/voda tlo/voda

SLIKA 7. SPF, Split

Trend kretanja vrijednosti mjesečnih SPF sličan je kao za kontinentalnu Hrvatsku, samo su vrijednosti nešto više. U sezoni grijanja dizalica topline voda/voda ima najveći SPF (4,89 - siječanj), dok je u ljetnom periodu, kada je potrebna samo priprema PTV-a najučinkovitija dizalica topline zrak/voda i njen SPF za srpanj iznosi 3,77. Povišeni mjesečni SPF u zimi za dizalicu topline zrak/voda posljedica su povišenih temperatura vanjskog zraka u odnosu na kontinent. Slika 8. prikazuje mjesečna vremena trajanja pogona dizalica topline. Vidljivi su isti trendovi kao i u kontinentalnoj Hrvatskoj: najdulje radi dizalica topline tlo/voda, a najkraće ona s vodom kao toplinskim spremnikom. Prema već utvrñenoj analogiji, vremena trajanja pogona su kraća u ljetnim, a duža u zimskim mjesecima.

Trajanje pogona [h]- kuća tip 150 ST

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

tlo/voda zrak/voda voda/voda

SLIKA 8. Vrijeme trajanja pogona, Split

Potrošnja električne energije sustava s dizalicama topline u u Splitu prikazana je na slici 9. Ukupno najviše električne energije troši sustav s dizalicom topline zrak/voda (tablica 4). U zimskim mjesecima razlika u potrošnji dizalice topline zrak/voda u odnosu na ostala dva sustava je izraženija, dok u ljetnim mjesecima taj ureñaj troši najmanje električne energije.

Potrošnja el. en. [kWh]- kuća tip 150 ST

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

voda/voda zrak/voda tlo/voda

SLIKA 9. Potrošnja električne energije, Split

Godišnji rezultati za kuću u Splitu dani su u slijedećoj tablici: TABLICA 4. Obiteljska kuća tip 150 Split, godišnje vrijednosti parametara pogona dizalice topline

Kuća tip 150 ST – potrebna toplina za grijanje i pripremu PTV = 8259 kWh/god zrak/voda tlo/voda voda/voda

Godišnji SPF 3,86 3,32 3,57

Vrijeme trajanja pogona [h/god] 1110,36 1703,05 1071,63

Potrošnja elektr. energije [kWh/god] 2831,30 2363,87 2393,98

FINANCIJSKA ISPLATIVOST Analiza isplativosti provodi se odreñivanjem troškova investicije, pogona i održavanja podsustava dizalice topline koji se usporeñuju s troškovima konvencionalnog sustava s plinskim kondenzacijskim kotlom kao izvorom topline. Troškovi investicije uključuju nabavu i montažu opreme. Paušalno se uzima da troškovi montaže iznose 20% nabavne cijene opreme. Za dizalicu topline tlo/voda dodatno se uzimaju i troškovi bušenja koji se procjenjuju na 50 € po metru dubine bušenja. Pri tom se podrazumijeva kako se radi o dizalicama topline s bušotinskim izmjenjivačima topline (vertikalnim sondama).

Pogonski troškovi obuhvaćaju potrošnju električne energije dizalice topline te potrošnju prirodnog plina za pogon kondenzacijskog kotla. Investicijski troškovi nabave i montaže za analizirane podsustave su:

• dizalica topline sa zrak/voda za kuću tip 150 UKUPNO 83480 kn (ZG/ST)

• dizalica topline sa voda/voda za kuću tip 150 UKUPNO 59682 kn (ZG/ST)

• dizalica topline sa tlo/voda za kuću tip 150 UKUPNO 103053 kn (ZG), 85043 kn (ST)

• kondenzacijski kotao na prirodni plin za kuću tip 150 UKUPNO 12725 kn (ZG), 11066 kn (ST)

Ukupni troškovi odreñenog podsustava u promatranom vremenskom periodu računaju se prema slijedećoj jednadžbi:

[kn]

gdje su: C – ukupni troškovi za promatrani period [kn], I – investicijski troškovi [kn], n – broj godina koji je protekao od ugradnje sustava [-], P- godišnji troškovi pogona [kn], O – godišnji troškovi održavanja [kn]

SLIKA 10. Period povrata investicije za kuću u Zagrebu

Najkraći period povrata investicije za kuću u Zagrebu ima dizalica topline voda/voda (oko 35 godina), dok dizalice topline zrak/voda i tlo/voda nisu isplative u prikazanom periodu na slici 10 (40 godina). Za manju kuću u Zagrebu praktički je neisplativa ugradnja dizalice topline bez obzira na tip, jer je period povrata investicije predugačak s obzirom na predviñeni vijek trajanja opreme od 25 godina. Razlike u investicijskim troškovima izmeñu dizalica topline i kondenzacijskog kotla veće su u Splitu zbog manjih potrebnih toplinskih kapaciteta opreme. Stoga niži troškovi pogona kondenzacijskog kotla pridonose produljenju perioda povrata investicije. Najkraći period iznosi skoro 60 godina za dizalicu topline voda/voda (slika 11). Dakle, niti u ovom slučaju dizalice topline nisu financijski isplative.

SLIKA 11. Period povrata investicije za kuću u Splitu

ZAKLJUČAK Analiza je pokazala kako se upotrebom dizalica topline svih tipova smanjuje potrošnja energije za grijanje i pripremu PTV u odnosu na konvencionalne sustave, što za posljedicu ima i smanjenje emisija CO2 (stakleničkih plinova). Najučinkovitiji tip dizalice topline je voda/voda. Uz trenutačne cijene energenata, pogonski troškovi svih tipova dizalica toplina su manji od pogonskih troškova kondenzacijskog kotla loženog na prirodni plin. Ipak, zbog višestruko većih investicijskih troškova u odnosu na kondenzacijski kotao, upitna je isplativost dizalica topline za grijanje manjih obiteljskih kuća. Da bi dizalice topline konkurirale konvencionalnim sustavima potrebno je povećati apsolutnu uštedu na pogonskim troškovima, tj. povećati potrebe za toplinskom energijom, a veće zgrade uglavnom imaju i veće potrebe za toplinskom energijom.

Kada bi se s grijanjem i pripremom PTV-a kombiniralo i hlañenje, tada bi veće razlike u pogonskim troškovima dizalica toplina i konvencionalnih sustava grijanja i hlañenja vjerojatno utjecale na smanjenje perioda povrata investicije. Usprkos visokim investicijskim troškovima i dugim periodima povrata investicije, dizalice topline predstavljaju tehnologiju koja u budućnosti može osigurati značajnije smanjenje emisija CO2, a samim tim i financijske uštede zbog sustava oporezivanja emisija koji će se vjerojatno uvesti u EU. Pri tom se ne smije zanemariti niti marketinški dobitak za tvrtke i nacionalna gospodarstva koja promoviraju korištenje "zelene" tehnologije.