Pravilno dimenzionisanje i proračun sistema toplotne pumpe su preduslovi za dugotrajan, efikasan i zadovoljavajuć rad. U vezi s tim je neophodno da sve komponente budu međusobno usklađene. Ovo se odnosi kako na izvor toplote, toplotnu pumpu ali i na toplotni ponor. Najčešći problemi koji se javljaju u vezi sa toplotnim pumpama, zasnivaju se na pogrešnom dimenzionisanju na strani izvora toplote ili na strani toplotnog ponora, odn. pogrešno hidrauličko povezivanje toplotne pumpe. Zbog toga je veoma važno, da nema ni prekomernog ni nedovoljnog dimenzionisanja sistema toplotne pumpe, kao i da bude uspostavljena odgovarajuća hidraulika. Prekomernim dimenzionisanjem nastaju nepotrebno visoki troškovi investicije. Toplotna pumpa zbog prevelike snage ne može konstantno da radi i počinje da radi u impulsima. To negativno utiče na životni vek toplotne pumpe. Nedovoljno dimenzionisanje sistema, sa druge strane, dovodi do smanjenja stepena komfora i vremenom do neefikasnog rada toplotne pumpe. |
Sve ovo se može sprečiti pravilnim dimenzionsanjem. Po potrebi se za dimenzionisanje sistema toplotne pumpe može koristiti odgovarajući softver za toplotnu pumpu. Projektovanje i dimenzionisanje sistema toplotne pumpe se u suštini sastoji od sledećih koraka:
Dimenzionisanje se načelno mora utvrditi primenom datih važećih normi za odgovarajuću državu. U daljem tekstu se izvodi približno utvrđivanje snage toplotne pumpe na osnovu specifičnih vrednosti. Imajte u vidu se zavisno od države koriste različite okvirne vrednosti. Ovo je između ostalog rezultat različitih načina gradnje u različitim klimatskim uslovima.
U svakom slučaju kod utvrđivanja potrebne snage grejanja posebnu pažnju treba obratiti na individualne navike potrošača. Ovo je utoliko značajnije ukoliko je stepen korišćenja zgrade veći. Pritom treba uzeti u obzir sve faktore kao što je broj osoba, upotreba jakuzzija, tuševa, sudopera, veće temperature prostorija i još mnogo toga.
Snaga grejanja toplotne pumpe se izračunava iz sledećih podataka:
U vezi sa tim vidi navedenu formulu za izračunavanje.
Primer za izračunavanje se nalazi na kraju objašnjenja pojedinačnih snaga.
Ovo se može izraziti sledećom formulom:
QToplotna pumpa = (QSnaga grejanja zgrade + QTopla pitka voda + QSpecijalne primene) · Faktor vremena blokade
Sledeća tabela pruža pregled specifičnih toplotnih opterećenja, zavisno od kategorizacije standarda zgrade koji su uobičajeni u Nemačkoj.
Standard zgrade | Standard izolacije | Specifična snaga grejanja |
---|---|---|
Stara zgrada | Slaba toplotna izolacija | 120 W/m² |
Zgrade pre 1980 | Slaba/jednostavna toplotna izolacija | 70 - 90 W/m² |
Godina izgradnje oko 1995 | Izolacija u skladu sa uredbom o toplotnoj zaštiti | 50 - 60 W/m² |
Novogradnja | ENEV | 40 - 60 W/m² |
Pasivna kuća | Visokoizolovana zgrada | 10 W/m² |
Tab. Toplotno opterećenje
Potrebna energija za zagrevanje pitke vode se može veoma razlikovati u zavisnosti od zahtevanog stepena komfora, kao što pokazuje sledeća tabela.
Potrebna topla voda (45°C) na dan i po osobi | Specifična korisna toplota na dan i po osobi | |
---|---|---|
Male potrebe | 15 - 30 litara | 600 - 1200 Wh |
Srednje potrebe | 30 - 60 litara | 1200 - 2400 Wh |
Velike potrebe | 60 - 120 litara | 2400 - 4800 Wh |
U skladu sa VDI 2067 - 4
Ako pođemo od srednjih potreba sa 50 litara tople pitke vode (45 °C) po osobi na dan, proističe da kod vremena zagrevanja od 8 sati treba dodatna potrebna snaga od 0,25 kW po osobi. Ovde u obzir nisu uzeti
gubici koji nastaju na eventualno neophodnim vodovima recirkulacije.
Ova potreba se mora odvojeno utvrditi. Dodatna potrebna snaga za zagrevanje pitke vode se mora uračunati
samo kada udeo toplotnog opterećenja zgrade iznosi 20%.
Specijalne primene, kao npr. ventilacioni sistemi ili bazeni, mogu svojom snagom da imaju znatan uticaj na potrebnu ukupnu snagu toplotne pumpe. Pritom i trajanje korišćenja ima velikog uticaja, pošto se npr. kod bazena pravi razlika da li se on koristi u toku cele godine ili samo izvan sezone grejanja.
Dodatna potrebna snaga se mora utvrditi odgovarajućom primenom uobičajenih postupaka proračuna i mora se uzeti u obzir zavisno od načina korišćenja (istovremeno sa grejanjem, prioritetno uključivanje itd.).
U nekim zemljama elektrodistributivna preduzeća nude posebne tarife za toplotne pumpe. Takva tarifa je povoljnija od normalne tarife. Sa druge strane, elektrodistributivna preduzeća mogu da na određeno vreme sa mreže isključe toplotnu pumpu(e), kako bi se npr. izbegli pikovi opterećenja strujne mreže u poslepodnevnim terminima. U toku ovog prekida toplotne pumpe ne mogu da rade. Količina energije koja je neophodna za grejanje zgrade u toku ovog prekida, se obično skladišti u akumulacionom rezervoaru. Kod zgrada sa podnim grejanjem obično je dovoljna akumulaciona masa estriha da bi i u toku vremena blokade na raspolaganju bilo dovoljno energije. Da bi se i posle vremena blokade posedovalo dovoljno snage, kod dimenzionisanja se u obzir mora uzeti faktor vremena blokade za snagu toplotne pumpe.
Ako elektrodistributivno preduzeće 3 x 2 sata (h) dnevno isključuje toplotnu pumpu sa strujne mreže, dobija se sledeći faktor vremena blokade f:
Faktor vremena blokade f = 24/(24h - (3 · 2h)) = 1,33
Osnove za primer proračuna su sledeće veličine:
Iz toga proističu sledeće pojedinačne vrednosti:
Toplotno opterećenje zgrade:
QSnaga grejanja zgrade = 150 m² · 50 W/m² = 7500 W
Potrebna snaga za zagrevanje pitke vode:
QTopla pitka voda = 4 osobe · 0,25 kW = 1000 W
Pošto je potrebna snaga manja od 0,2 . 7500 W, dodavanje nije potrebno.
Pošto nema specijalnih primena važi:
Potrebna snaga za specijalne primene = 0
Faktor vremena blokade = 1,33
Prema tome potrebna snaga grejanja toplotne pumpe iznosi:
QToplotna pumpa = (7500 W + 0 W + 0 W) · 1,33 = 10 kW
Toplotna pumpa radi posebno efikasno, kada na nju priključeni sistem za distribuciju toplote, koji se naziva i toplotni ponor, radi sa niskim temperaturama razvoda. Što je niža temperatura razvoda utoliko je to bolje za toplotnu pumpu. Sistemi površinskog grejanja, kao npr. REHAU površinski sistemi, su zbog toga idealni za primenu sa toplotnom pumpom.
Kao okvirna vrednost važi pravilo, da je sa jednim ušteđenim stepenom temperature razvoda moguće uštedeti do 2,5% potrošnje energije kod toplotne pumpe.
Zato treba posebno izvršiti evaluaciju primene toplotne pumpe u kombinaciji sa grejnim telima. Grejna tela treba da budu tako dimenzionisana, da tražena snaga grejanja može da bude postignuta već pri temperaturama razvoda od 45 °C.
Smanjenje temperature razvoda se načelno može izvesti primenom
sledećih mera:
Kao izvor toplote za REHAU toplotne pumpe na raspolaganju se nalaze tri izvora toplote:
Sva tri izvora toplote imaju svoje prednosti i mane i moraju se zavisno od objekta međusobno proceniti. Kao pomoć pri donošenju odluke treba da posluži sledeća tabela:
Zemlja | Spoljni vazduh | Podzemna voda | ||
---|---|---|---|---|
Sistem povezivanja | Površinski kolektori | Geotermalne sonde | - | Napojni i upojni bunari |
Nivo temperature | Dobro | Dobro | Prosečno | Vrlo dobro |
Raspoloživost | Prosečno | Dobro | Vrlo dobro | Prosečno |
Podesno za hlađenje | Prosečno | Vrlo dobro | Prosečno | Vrlo dobro |
Sposobnost regeneracije | Dobro | Dobro | Vrlo dobro | Vrlo dobro |
Troškovi povezivanja | Visoki | Vrlo visoki | Mali | Vrlo visoki |
Obavezna dozvola 1 | Obaveza prijavljivanja | Potrebna dozvola | Ne | Potrebna dozvola |
1 Odnosi se na zahteve koji važe u Nemačkoj
Koji od ova tri izvora toplote će se definitivno koristiti, određuje se između ostalih prema lokalnim okolnostima i troškovima povezivanja. U svakom slučaju prednost treba dati onom medijumu koji uz minimalne troškove povezivanja nudi najvišu temperaturu izvora toplote.
Prilikom projektovanja imajte na umu i da se kod izvođenja bušotine za geotermalnu sondu ili bunar mora obezbediti prilaz uređajima za bušenje na dato zemljište.
Kod ovih sistema se toplota uzima iz zemlje preko posrednog cirkulacionog kruga od plastičnih cevi. U ovim cevima cirkuliše rasolina kao medijum (mešavina vode i sredstva za zaštitu od zamrzavanja). Razmena toplote između rasoline i rashladnog sredstva odigrava se u isparivaču (izmenjivaču toplote sa pločama od plemenitog čelika) u toplotnoj pumpi. Polazna tačka za izbor sistema je uvek snaga isparivača, tj. toplota koja
se izvlači iz zemlje, odn. u slučaju hlađenja toplota koja se odvodi u zemlju. Kod projektovanja se mora odabrati najpovoljniji izvor toplote za datu lokaciju, a sistem grejanja kao i ostali delovi sistema se moraju prilagoditi u skladu sa tim. Dva najčešća sistema su:
Odluka o horizontalnim ili vertikalnim prenosnicima toplote tla se donosi prema geološkim karakteristikama lokacije, potrebnog prostora kao i karakteristika zgrade. Najvažniji tehnički kriterijumi sistema su:
Dobro poznavanje geologije i hidrogeologije omogućava donošenje zaključaka u pogledu termičkih i hidrauličkih karakteristika tla, a time omogućava i izbor odgovarajuće tehnike za crpljenje toplote.
Sl. Godišnji nivo temperature na različitim dubinama zemljišta
Linija 1 = 1. februar
Linija 2 = 1. maj
Linija 3 = 1. novembar
Linija 4 = 1. avgust
Dimenzionisanje geotermalnih kolektora opisano je u VDIsmernici 4640, u daljem tekstu su obuhvaćeni najvažniji aspekti.
Ulazni podaci za dimenzionisanje sistema geotermalnog kolektora u kombinaciji sa toplotnom pumpom su:
|
Snaga isparivača se dobija kao što sledi:
Snaga isparivača = (QToplotna pumpa - (COP - 1)) / COP
Da bi se nastavili na primer dimenzionisanja iz u primeru izračunavanja je uzeta REHAU toplotna pumpa GEO 10 sa snagom grejanja od 10 kW (B0/W35, EN 14511).
Snaga grejanja: 10 kW
Koeficijent učinka (COP): 4,1
Snaga isparivača = ( 10 kW · ( 4,1 - 1 ))/4,1 = 7,6 kW
Ovo je snaga koji se mora preuzeti preko geotermalnog kolektora, odn. uopšte iz izvora toplote iz okruženja.
Specifična izdašnost iz tla zavisi od godišnjeg broja radnih sati toplotne pumpe i strukture tla u skladu sa sledećom tabelom. Kada se zagrevanje pitke vode realizuje toplotnom pumpom, godišnji broj radnih sati je veći nego što je to slučaj samo kod režima rada grejanja.
Tlo | Specifična izdašnost tla | |
kod 1800 h | kod 2400 h | |
Nekoherentno zemljište | 10 W/m² | 8 W/m² |
Koherentno zemljište, vlažno | 20 - 30 W/m² | 16 - 24 W/m² |
Zemljište zasićeno vodom | 40 W/m² | 32 W/m² |
Izvor: VDI 4640
Potrebna površina kolektora se izračunava na sledeći način:
Površina kolektora =Snagaisparivača / Specifična izdašnost tla
Vlažno, koherentno zemljište
Godišnji broj radnih sati toplotne pumpe: 2400 h
Površina kolektora = 7600 W / 20 W/m²= 380 m²
Izbor dimenzije cevi zavisi od moguće toplotne snage koja bi trebalo da se dobija iz tla.
Što je izdašnost tla veća, utoliko je kod date temperaturne razlike veći zapreminski protok, a time i veća potrebna dimenzija cevi. Kao orijentacija data je sledeća tabela:
Vrsta zemljišta | Spoljni prečnik x debljina zida |
---|---|
Nekoherentno zemljište | 20 x 1,9 mm |
Koherentno zemljište, vlažno | 25 x 2,3 mm |
Zemljište zasićeno vodom | 32 x 2,9 mm |
Tab. reporučena dimenzija cevi
U normi VDI 4640 preporučeni razmak polaganja između cevi kolektora iznosi 50-80 cm. Kod odabranog razmaka polaganja od 75 cm (0,75 m) i odnosa
Dužina cevi = Površina geotermalnog kolektora / Razmak polaganja
Dobija se sa dimenzionisanim sistemom sledeća dužina cevi
Dužina cevi = 380 m ² / 0,75 m = 507 m
Krug kolektora ne bi trebalo da bude duži od 100 m iz hidrauličkih razloga. Prema tome se u primeru dobija ukupno 5 krugova od po 100 m.
Kapacitet i vreme crpljenja toplote tla ne smeju da budu prekoračeni, u suprotnom - u načelu inače poželjno - leđenje zone gde su postavljene cevi postaje preveliko i dolazi do spajanja omotača leda koji se stvara oko cevi. Kod prolećnog otapanja se usled toga u velikoj meri sprečava poniranje kišnice i otopljene vode, koja značajno doprinosi zagrevanju zemljišta.
Pošto se nivo temperature u tlu menja pod uticajem geotermalnog kolektora, cevi bi trebalo postavljati na dovoljno velikom rastojanju od drveća, grmlja i osetljivih biljaka. Razmak polaganja u odnosu na ostale vodove za napajanje i objekte iznosi 70 cm. Ukoliko je ovaj razmak manji, vodove treba zaštiti potrebnim nivoom izolacije.
Dimenzionisanje izvora toplote voda i izvora toplote vazduh kao i mnogo drugih korisnih informacija možete pronaći u PDF dokumentu
Rehau d.o.o.Batajnički drum 283 E, Beograd |