UVOD

Diplomsko delo IZBIRA NAJPRIMERNEJŠEGA HLADIVA ENOSTOPENJSE ALI DVOSTOPENJSE VISOOTEMPERATURNE TOPLOTNE ČRPALE Marec, 2016 Simon Ceglar

Simon Ceglar Izbira najprimernejšega hladiva enostopenjske ali dvostopenjske visokotemperaturne toplotne črpalke Diplomsko delo Maribor, 2016

Izbira najprimernejšega hladiva enostopenjske ali dvostopenjske visokotemperaturne toplotne črpalke Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa Študent: Študijski program: Predvideni strokovni naslov: Mentor: omentor: Simon Ceglar univerzitetni, kemijska tehnologija univerzitetni inženir kemijske tehnologije izr. prof. dr. Darko Goričanec dr. Peter Trop Maribor, 2016

azalo Izjava... II Zahvala... III Povzetek... IV Abstract... V 1 Uvod... 1 2 Teoretični del... 2 2.1 Toplotna Črpalka... 2 2.1.1 ompresijske toplotne črpalke... 2 2.1.2 Toplotni prenosnik... 4 2.1.3 Ekspanzijski ventil... 4 2.2 ompresor... 4 2.2.1 Batni kompresor... 4 2.2.2 Rotacijski kompresor... 5 2.3 Hladila... 6 2.4 Plinski motor... 7 2.5 ogeneracija... 10 3 Opis procesa... 12 4 Matematični model... 13 4.1 Matematični model enostopenjske toplotne črpalke... 14 4.1.1 Matematični model batnega kompresorja... 16 4.1.2 Matematični model rotacijskega kompresorja... 17 4.1.3 Matematični model dvostopenjske toplotne črpalke z razpenjalnikom... 18 4.1.4 Matematični model dvostopenjske toplotne črpalke z prenosnikom toplote.. 19 5 Rezultati in diskusija... 20 5.1 Zaporedna vezava... 20 5.1.1 Enostopenjska toplotna črpalka... 20 5.1.2 Dvostopenjska toplotna črpalka z razpenjalnikom... 22 5.1.3 Dvostopenjska toplotna črpalka s toplotnim prenosnikom... 24 5.2 Vzporedna vezava... 26 5.2.1 Uporaba različnih toplotnih črpalk z enim hladilom... 26 5.2.2 Dvostopenjska toplotna črpalka s toplotnim prenosnikom in z različnimi hladili 27 5.3 Ekonomska analiza... 27 6 Sklep... 29 7 Literatura... 30 8 PRILOGE... 32 8.1 Enostopenjska toplotna črpalka z batnim kompresorjem hladilo R 717... 32 8.2 Enostopenjska toplotna črpalka z rotacijskim kompresorjem hladilo R 717... 37 8.3 Dvostopenjska toplotna črpalka z razpenjalnikom hladilo R 718... 41 8.4 Dvostopenjska toplotna črpalka hladilo R 600a... 47 9 Življenjepis... 53 I

Izjava Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal/a sam/a, prispevki drugih so posebej označeni. Pregledal/a sem literaturo s področja magistrskega dela po naslednjih geslih: Vir: ScienceDirect (http://www.sciencedirect.com/) Gesla: Število referenc Renewable and Sustainable Energy production 3201 Renewable and Sustainable Energy Heat pump 879 Compressor Heat pump 820 Vir: DUM (http://dk.um.si) Gesla: Število referenc hladilna sredstva 3 grelno število 14 plinski motor 7 toplotna črpalka 62 Skupno število pregledanih člankov: 17 Skupno število pregledanih knjig: 7 Maribor, April 2016 Simon Ceglar II

Zahvala Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Darku Goričancu za vse nasvete, pomoč in potrpljenje pri pisanju diplomskega dela. Prav tako bi se rad zahvalil komentorju, družini in prijateljem za podporo, ki ste mi jo izkazovali ves ta čas. III

Izbira najprimernejšega hladila enostopenjske ali dvostopenjske visokotemperaturne toplotne črpalke Povzetek Energetske in ekološke krize ter omejenost zalog fosilnih goriv so pripeljale do svetovnega trenda iskanja obnovljivih virov energije, pri čemer je geotermalna energija ena najpomembnejših. Hkrati pa nas k temu zavezujejo tudi evropske direktive, ki smo jih sprejeli v obliki novega Energetskega zakona (EZ-1), z namenom zagotavljanja zanesljive oskrbe z energijo in energetskimi storitvami ob upoštevanju trajnostnega razvoja. Namen diplomske naloge je preučiti možnost uporabe visokotemperaturnih toplotnih črpalk, ki bi se uporabljale za visokotemperaturno ogrevanje večjega števila uporabnikov. Visokotemperaturne toplotne črpalke tip voda-voda, bi kot nizkotemperaturni vir izkoriščale geotermalno vodo, lahko pa tudi kak drug neizkoriščen toplotni vir, z zadostno kapaciteto in konstantnim pretokom. Za naš primer smo uporabili visokotemperaturne toplotne črpalke v povezavi s plinskim motorjem, ki ustvarja dodatno toploto in električno energijo, s katero pokrivamo svoje potrebe, višek električne energije pa prodajamo distribucijskemu omrežju v cilju znižanja proizvodnih stroškov. Cilj diplomske naloge je s teoretičnimi izračuni priti do čim boljšega grelnega števila ob uporabi različnih hladil, visokotemperaturnih toplotnih črpalk, spreminjanju vhodnih parametrov glede na vzporedno ali zaporedno vezavo visokotemperaturnih toplotnih črpalk. Opazili smo, da je zaporedna vezava toplotnih črpalk, ob postopnem vključevanju posameznih črpalk najprimernejša, saj tako z izbiro ustreznih visokotemperaturnih toplotnih črpalk ohranjamo najvišje možno grelno število pri vsaki stopnji, ob najnižji porabi električne energije in obratovalnih stroškov. ljučne besede: toplotna omrežja, visokotemperaturne toplotne črpalke, grelno število, hladila, geotermalna energija, kogeneracija, plinski motor UD: 621.57:662.99(043.2) IV

Choosing the most appropriate refrigerant for single-stage or two-stage high temperature heat pump Abstract Crisis and decreasing supplies of fossil fuels have led to the global trend towards the search of renewable energy sources, with geothermal energy as one of the most important. At the same time we are committed to follow European directives, which were adopted last year in the form of a new Energy Act (EZ-1), with a view to ensuring security of energy supply and energy services taking into account sustainable development. The purpose of this thesis is to explore the use of high-temperature heat-pumps, which are used for heating for the increased number of users. High-temperature heat-pumps (type waterwater) would exploit geothermal water as a low-temperature heat-source or any other untapped low-temperature source with suitable capacity and constant flow. For our example, we used high temperature heat pump together with a gas engine that generates extra heat and electricity, which covers own consumption and the surplus is sold to distribution network in the target to reduce production costs. The aim of this thesis is the theoretical calculations to get the best possible heating performance using different refrigerants, heat pumps, changing the input parameters depending on the parallel or series connection of high-temperature heat-pumps. It was observed that the most appropriate connection of heat pumps is in series with a gradual starting of each individual heat pump. In this way, by selecting the appropriate hightemperature heat-pumps, the maximum coefficient of performance is maintained at each stage with the lowest power consumption and operating costs. ey words: heat networks, high temperature heat pumps, heating performance, refrigerant, geothermal energy, cogeneration, gas engine UD: 621.57:662.99(043.2) V

Seznam tabel Tabela 3-1: Termodinamične lastnosti uporabljenih hladil... 13 Tabela 3-2: onstante za izračun parnega tlaka hladila... 13 Tabela 3-3: oeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete par... 13 Tabela 3-4: oeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete kapljevine... 13 Tabela 5-1: Grelno število pri enostopenjski črpalki - batni kompresor... 20 Tabela 5-2: Grelno število pri enostopenjski črpalki - rotacijski kompresor... 21 Tabela 5-3: Toplotni tok pri enostopenjski toplotni črpalki (kw)... 22 Tabela 5-4: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom... 22 Tabela 5-5: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom (kw)... 23 Tabela 5-6: Grelno število dvostopenjski toplotni črpalki... 25 Tabela 5-7: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki (kw)... 25 Tabela 5-8: Grelno število pri vzporedni vezavi toplotnih črpalk isto hladilo... 26 Tabela 5-9: Toplotni tok pri vzporedni vezavi toplotnih črpalk isto hladilo (kw)... 27 Tabela 5-10: Dvostopenjska toplotna črpalka z različnimi hladili... 27 Tabela 5-11: Obratovalni parametri SPTE in cene energentov... 27 Seznam slik Slika 2-1: Shema delovanja toplotne črpalke [13]... 3 Slika 2-2: T,s diagram poteka hlajenja pri kompresorski toplotni črpalki [13]... 3 Slika 2-3: Diagram log p,h kompresorske toplotne črpalke [14]... 3 Slika 2-4: Prerez Batnega kompresorja [16]... 5 Slika 2-5: Prerez rotacijskega kompresorja [19]... 6 Slika 2-6: Plinski motor prednji pogled [21]... 8 Slika 2-7: Plinski motor stranski pogled [21]... 9 Slika 3-1: Shema zaporedne vezave toplotnih črpalk... 12 Slika 3-2: Shema vzporedne vezave toplotnih črpalk... 12 Slika: 5-1: Grelno število pri enostopenjski črpalki - batni kompresor... 21 Slika 5-2: Grelno število pri enostopenjski črpalki - rotacijski kompresor... 22 Slika: 5-3: Toplotni tok pri enostopenjski toplotni črpalki... 22 Slika 5-4: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom... 23 Slika 5-5: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom... 24 Slika 5-6: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki... 25 Slika 5-7: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki... 26 VI

Uporabljeni simboli in kratice Simboli Ap, Bp, Cp, Dp koeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete par (-) At, Bt, Ct koeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete tekočine (-) A,B,C konstante za izračun parnega tlaka (-) C p specifična toplotna kapaciteta (J/kg ) C eo odkupna cena elektrike (EUR/kWh) C ep prodajna cena elektrike (EUR/kWh) C p cena plina (EUR/ m 3 ) C ps cena proizvodnih stroškov (EUR) h specifična entalpija (J/kg) M molska masa (kg/mol) n politropski eksponent (-) P moč kompresorja (W) P e moč elektromotorja (W) Pe moč elektromotorja (W) p u,p k tlak (Pa) q m masni pretok (kg/s) q v volumski pretok (m 3 /s) q zp poraba zemeljskega plina (m 3 /h) R plinska konstanta (J/mol ) r k tlačno razmerje kompresorja (-) T temperatura () t čas (s) W p teoretično delo kompresorja (J/kg) Grški simboli χ faktor stisljivosti (-) Φ toplotni tok (W) ε grelno število (-) ρ gostota (kg/m 3 ) η izkoristek kompresorja (-) μ delovni koeficient rotorja (-) ratice SPTE EZ-1 VTČ kogeneracijska naprava energetski zakon visokotemperaturna toplotna črpalka VII

1 Uvod Svetovni trend se nagiba k trajnostni izrabi obnovljivih virov. Tako je tudi na področju energije. Iz objave ministrstva za infrastrukturo in prostor je razvidno, da je bilo v prvih devetih mesecih lanskega leta za prijazno proizvodnjo energije iz obnovljivih virov in visoko učinkovite soproizvodnje toplote in električne energije v naši državi izplačanih za 101,5 milijona subvencij, kar je za enajst odstotkov več kot v enakem obdobju lani. Proizvodnja energije iz obnovljivih virov se izplača, kar je potrdilo tudi 155 novih elektrarn [1]. Energija je temeljna pri nujnem prizadevanju za trajnostni razvoj. Sedanji izziv je zagotoviti trajnostne energetske rešitve za vse ob sočasnem povečanju dostopa do energije in izboljšanju njene učinkovitost. Znotraj tega vidika prihodnosti, morajo biti visokošolske ustanove sposobne usposobiti študente s široko bazo znanja, kot tudi učinkovitimi metodami in orodji tako, da lahko igrajo nove generacije študentov (in njihovih profesorjev) aktivno vlogo pri razvoju in širjenju trajnostnih energetskih sistemov [2]. Rezultati iz tuje raziskave jasno kažejo, da je energetski sistem, ki temelji na 100% obnovljivih virih energije, izvedljiv in cenejši od jedrske energije ter alternativnih fosilnih goriv [3]. Z vključitvijo evropskih direktiv v naš pravni red je bil lani sprejet nov Energetski zakon (EZ-1) z namenom zagotoviti konkurenčno, varno, zanesljivo in dostopno oskrbo z energijo in energetskimi storitvami ob upoštevanju načel trajnostnega razvoja. V energetskem zakonu je energetska zasnova opredeljena kot zasnova razvoja lokalne skupnosti na področju oskrbe in rabe energije, ki poleg načinov oskrbe z energijo vključuje tudi ukrepe za učinkovito rabo energije, soproizvodnjo toplote in električne energije, uporabo obnovljivih virov energije in odpadkov ter trajnostni razvoj [4]. Izvajalci energetskih dejavnosti in lokalne skupnosti so dolžni v svojih razvojnih dokumentih načrtovati obseg porabe in način oskrbe z energijo ter te dokumente usklajevati z nacionalnim energetskim. Energetski zakon navaja energetsko zasnovo tudi kot osnovo za pridobitev državnih spodbud za izvajanje programov učinkovite rabe energije in izrabe obnovljivih virov. Naloga države in lokalnih skupnosti je, da tam kjer okoliščine to dopuščajo in omogočajo, ustvarjajo pogoje in spodbujajo izgradnjo postrojenj za soproizvodnjo toplotne in električne energije [5]. Občinska energetska politika mora omogočiti maksimalno učinkovitost energetskih sistemov z izvajanjem prilagojenih ciljev in ukrepov [6]. ot vir toplote lahko zraven geotermalne vode izkoristimo tudi druge vire toplote, na primer toploto iz kogeneracijskih naprav. Na njih temelji dober del pridobljene domače energije iz obnovljivih virov, saj lahko za obratovanje uporabljajo ogromno različnih energentov od biomase do zemeljskega plina. Področje toplotnih sistemov z uporabo visokotemperaturnih toplotnih črpalk je obravnaval dr. Bojan ulčar z analizo enostavnih sistemov toplotnih črpalk [7] in tu smo njegovo delo nadaljevali mi z analizo obširnejših sistemov visokotemperaturnih toplotnih črpalk z dodatno kogeneracijo s plinskim motorjem za zmanjšanje proizvodnih stroškov. Zanimalo nas je katera vezava visokotemperaturnih toplotnih črpalk bi bila najboljša za znižanje stroškov proizvodnje toplote, opisali smo uporabljene procesne naprave ter predstavili rezultate v obliki tabel in diagramov. 1

2 Teoretični del Za seznanitev s termodinamičnimi procesi, ki potekajo v visokotemperaturni toplotni črpalki, smo uporabili Perry's Chemical Engineers' Handbook [8], ki se objavlja že dobrih 70 let. Za razumevanje delovanja kompresorjev smo preučili osnove kompresorjev od Adam Davisa [9] in Bloch, H.P. and Hoefner, J.J [10] o delovanju in vzdrževanju kompresorjev. ot dober vir znanja o visokotemperaturnih toplotnih črpalkah se je izkazala tudi publikacija organizacije ASHRAE [11], ki se ukvarja s praktičnim pristopom k znanju z različnih področij, ki so za nas aktualna od segrevanja, hladil, ventilacije in podobno. 2.1 Toplotna Črpalka Ogrevanje z VTČ spada med enega od energetsko najbolj učinkovitih in okolju prijaznih načinov ogrevanja. er za obratovanje lahko uporablja obnovljivo električno energijo, ga zato tudi uvrščamo med alternativne načine ogrevanja. Uporaba VTČ s sistemom zemlja-voda je bila široko sprejeta v zadnjih desetletjih zaradi svojih potencialov za zagotavljanje obnovljivih virov in nizkega ogljičnega odtisa, kot vir energije za ogrevanje in klimatske potrebe stavb [12]. Zaradi visokega izkoristka in uporabe električne energije, ki nima neposrednih škodljivih emisij toplogrednih plinov in delcev, je še posebej uporabna v naseljih s problematično onesnaženostjo zraka. Vkljub večjim stroškom investicije se nam le ta povrne že v nekaj letih, kar ob dolgi življenjski dobi do 30 let, nizkih stroških vzdrževanja ter državnih subvencijah pomeni dodatno ekonomsko motivacijo za bodoče investitorje. Visokotemperaturna toplotna črpalka je stroj ali naprava, ki črpa toplotno energijo iz enega na drug temperaturni nivo s pomočjo mehanskega dela (slika 2-1). Večina visokotemperaturnih toplotnih črpalk črpa toploto iz nizko temperaturnega vira toplote, na višji temperaturni nivo [13]. Običajni primeri so hladilniki in zamrzovalniki, klimatske naprave in reverzibilne ciklične toplotne črpalke za ogrevanje stanovanj. Visokotemperaturne toplotne črpalke se lahko smatrajo kot toplotni stroji, ki delujejo v obratnem vrstnem redu. Razlikujejo se po izvedbi, okolju, ki ga hladimo, prostoru, ki ga grejemo, po velikosti, namenu itd. Pri tem izkoriščajo energijo uparjanja in kondenzacije hladilnega sredstva ter najpogosteje črpajo toploto iz zraka ali iz zemlje. Pri označevanju tipa VTČ je na prvem mestu okolje, ki ga hladimo, na drugem pa prostor, ki ga grejemo. Njihovo učinkovitost izrazimo z grelnim številom, ki običajno znaša okrog 3-5 odvisno od delovnih parametrov. Poznamo absorpcijske visokotemperaturne toplotne črpalke, ki se pogosto uporabljajo v industrijskih procesih, kjer potrebujejo velike kapacitete hlajenja in kompresijske visokotemperaturne toplotne črpalke, ki jih bomo opisali v nadaljevanju. 2.1.1 ompresijske toplotne črpalke Sestavljene so odvisno od tipa toplotne črpalke iz kompresorjev, toplotnih izmenjevalcev, ekspanzijskih ventilov ter razpenjalnikov. V uparjalniku tekoča hladilna snov, po redukciji tlaka na ventilu, pri nizki temperaturi in tlaku nasičenja izpareva in prejema toplotni tok Φ R iz okolice, ki jo hladi. Pare hladilne snovi se nato vodijo v kompresor, kjer se komprimirajo na tlak pri katerem se lahko pare hladilne snovi kondenzirajo v kondenzatorju. V kondenzatorju se pare hladilne snovi hladijo do temperature kondenzacije, kondenzirajo ter oddajo ogrevalni 2

toplotni tok Φ C. Tekoča hladilna snov se nato iz kondenzatorja vodi preko redukcijskega ventila, kjer znižamo tlak, nazaj v uparjalnik. Termodinamične lastnosti hladila so pri tem odvisne od delovnih pogojev v procesu (sliki 2-2 in 2-3). Slika 2-1: Shema delovanja toplotne črpalke [13] Slika 2-2: T,s diagram poteka hlajenja pri kompresorski toplotni črpalki [13] Slika 2-3: Diagram log p,h kompresorske toplotne črpalke [14] 3

2.1.2 Toplotni prenosnik Toplotni prenosniki so naprave, ki se uporabljajo za izmenjavo toplotnega toka med hladnejšim in toplejšim fluidom. Za potrebe črpanja in sproščanja toplotne energije v toplotni črpalki uporabljamo toplotne prenosnike, ki delujejo v dvojni vlogi, kot kondenzator in uparjalnik. V kondenzatorju se stisnjeni plini hladila po komprimiranju v kompresorju utekočinjajo in oddajajo toploto, ki se uporablja za ogrevanje vode v toplovodnem sistemu. V uparjalniku se hladilo uplinja za ekspanzijskim ventilom, potrebna toplota se črpa iz zunanjega vira energije. Za optimalno delovanje visokotemperaturne toplotne črpalke je med drugim pomembna tudi izbira dovolj velikih prenosnikov toplote in kompresorja, ki ustreza delovnim parametrom [15]. 2.1.3 Ekspanzijski ventil ot vsi ventili se tudi ekspanzijski ventil uporablja za reguliranje pretoka fluida. Z njim reguliramo pretok hladila iz kondenzatorja v uparjalnik in s tem vplivamo na samo kapaciteto toplotne črpalke saj s tem spreminjamo njene obratovalne parametre. 2.2 ompresor ompresor je ena glavnih komponent visokotemperaturne toplotne črpalke, saj predstavljajo stroški njegovega obratovanja največji delež vseh stroškov, zato ga bomo še posebej predstavili. ompresor je mehanska naprava, ki poveča plinski tlak z zmanjševanjem njegovega volumna. ompresorji so turbo stroji podobni črpalkam, s katerimi lahko povečamo tlak plina in omogočajo transport plina po ceveh. er s kompresorji pline komprimiramo oziroma stisnemo, z njimi tudi zmanjšujemo njihov volumen. apljevine so relativno nestisljive, zato se za povečanje tlaka potrebnega za njihov transport uporabljajo črpalke. Glede na način kompresije poznamo batne, vijačne, rotacijske in turbo kompresorje. 2.2.1 Batni kompresor Batni kompresorji uporabljajo za stiskanje plinov bat, ki ga poganja ročična gred (slika 2-4). Lahko so nepremični ali prenosni, eno ali več stopenjski. V vsaki stopnji se doseže tlačno razmerje 3 do 4. Za prihranek energije komprimiran plin pred naslednjo stopnjo komprimiranja ohladimo. Na ceno investicije vpliva število stopenj kompresorja, torej se trudimo, da njihovo število čim bolj zmanjšamo. Poganjajo jih električni motorji ali motorji z notranjim zgorevanjem. Mali batni kompresorji 5 do 30 kw se običajno uporabljajo v avtomobilski industriji in so tipični za občasno uporabo. Batni kompresorji večji od 750 kw se pogosto uporabljajo v velikih industrijskih in naftnih obratih in lahko dosegajo tlake do 180 MPa [9]. 4

Slika 2-4: Prerez Batnega kompresorja [16] 2.2.2 Rotacijski kompresor Rotacijski kompresor je kompresor ki uporablja rotacijski izpodrivni mehanizem (slika 2-5). Rotacijski kompresor uporablja 2 vijaka ki se sinhronizirano vrtita, kar se vidi na prerezu kompresorja na sliki 2-5. Učinkovitost tega mehanizma je odvisna od natančnosti prileganja razdalje med rotorji in komoro. V kompresorju se z dodanim oljem zapolnijo vrzeli in s tem zagotovi hidravlična zapora. Rotacijsko vijačni kompresorji so običajno kompaktni in delujejo nemoteno z omejenimi vibracijami in tako ne potrebujejo vzmeti. V mnoge kompresorje so vgrajene tudi vibracijske izolacije za absorpcijo visoko frekvenčnih vibracij, še posebej za kompresorje, ki delujejo pri visokih vrtilnih hitrostih. Običajno se uporabljajo za proizvodnjo stisnjenega zraka v industriji [9]. Po novejših raziskavah se je rotacijski kompresor s parnim injiciranjem izkazal z boljšimi rezultati, kot dvostopenjski batni kompresor, pri razmerju tlaka pod 7,5 [17]. Za uporabo pri nižjih temperaturah, na primer toplotni črpalki za ogrevanje gospodinjstev, lahko uporabimo novo razvit dvojni rotacijski kompresor z spremenljivo hitrostjo vrtenja vijakov. Primerjalna raziskava pri ciklih z in brez injiciranja je pokazala, da bi lahko na novo zasnovani kompresor izboljšal učinkovitost ogrevanja pri nizkih temperaturah okolja za 5,6 do 14,4% [18]. 5

Slika 2-5: Prerez rotacijskega kompresorja [19] 2.3 Hladila Ob upoštevanju obratovalnih parametrov visokotemperaturne toplotne črpalke je izbira hladila vitalnega pomena. Velikost kompresorja, ki ga potrebujemo in z njim povezani stroški obratovanja so odvisni od količine hladilne snovi, ki jo potrebujemo, hkrati pa je s tem povezano grelno število. V preteklosti je bilo na trgu najbolj razširjeno hladilno sredstvo freon R22, ki ga v sedanjem času zamenjujejo razna sintetična hladila brez fluoriranih in kloriranih ogljikovodikov. Stara hladilna sredstva so vsebovala ozonu škodljive snovi in prav zato so svetovne institucije vpeljale zelo stroge okoljevarstvene normative, ter s tem privedle k uporabi hladilnih sredstev, ki so bolj prijazna do okolja. Strokovnjaki že dolga leta razvijajo in izboljšujejo hladilna sredstva oz. fluide s posebnimi fizikalnimi lastnostmi, ki omogočajo uparjanje pri zelo nizkih temperaturah in kondenziranje pri visokih temperaturah. Zaradi velikih sprememb tlakov in temperatur med obratovalnim postopkom so zahteve, ki jih mora hladilo izpolnjevati zelo visoke, od kemijskih in fizikalnih do ekoloških, zato jih tudi delimo glede na: - tlak (nizko, srednje, visoko tlačna), - na temperaturni zdrs (čist fluid, zmes), - vsebnosti elementov in - vsebnost škodljivih elementov. Označujemo jih po mednarodnem standardu ISO 1152, kjer vsako hladilo dobi razpoznavno število, ki mu je spredaj dodana črka R za Refrigerant - hladilo. Podrobnejša analiza hladil je prav tako na voljo v doktorskem delu dr. Bojana ulčarja [20]. 6

2.4 Plinski motor Plinski motor uporablja kot gorivo zemeljski plin, poznamo pa tudi motorje, ki uporabljajo druga goriva(trdna, tekoča, plinasta). Dobljeno energijo dobimo v dveh oblikah, električno iz generatorja in toplotno, ki nastaja pri izgorevanju goriva in delovanja motorja. Primernost plinskega motorja se še posebej kaže v tem, da ima najmanj škodljivih emisij toplogrednih plinov in delcev, zato je plin tudi najbolj razširjeno gorivo v sodobni soproizvodnji. Plinski motorji so bili v zadnjih letih deležni številnih tehnoloških in tehničnih izboljšav, predvsem zaradi visokega električnega in skupnega izkoristka ter zaradi manjšega padca električnega izkoristka pri zmanjšanju nazivne moči, za večino energetskih sistemov najprimernejša izbira tehnologije SPTE. Podrobnejši opis procesa in elementov naprave (sliki 2-5 in 2-6) v kogeneracijske namene je naredil Pinter Uroš v obliki diplomskega dela [21]. 7

Slika 2-6: Plinski motor prednji pogled [21] 8

Slika 2-7: Plinski motor stranski pogled [21] 9

2.5 ogeneracija ot vir toplote lahko zraven geotermalne vode izkoristimo tudi druge vire toplote, kot recimo toploto iz kogeneracijskih naprav. Na njih temelji dober del pridobljene toplotne energije za potrebe visokotemperaturnega ogrevanja. Za obratovanje lahko uporabljajo različne energente od biomase do zemeljskega plina. Osnovni cilj kogeneracijske naprave je posodobitev procesa pridobivanja toplotne energije s ciljem znižanja končne cene toplotne energije. Gorivo, ki se najpogosteje uporablja v sodobni soproizvodnji, je zemeljski plin, zaradi najmanjših emisij trdnih delcev. ogeneracija ali soproizvodnja se imenuje tudi SPTE oziroma samostojna enota za proizvodnjo električne energije in toplotne energije. Uporablja sistem prenosnikov toplote in plinskega motorja z generatorjem ob skupnem izkoristku čez 80 %. Manjše kogeneracijske naprave z električno močjo do 5 MW imajo tudi zagotovljeno odkupno ceno električne energije (električna energija + subvencija), večje naprave pa za proizvedeno električno energijo prejmejo obratovalno podporo, električno energijo, ki jo proizvedejo, pa porabijo za lastne potrebe oziroma prodajo višek v distribucijsko omrežje [22]. Sistem soproizvodnje pretvarja energijo goriva v električno energijo preko plinskih turbin, ki poganjajo električni generator. Pri tem nastaja veliko toplotne energije, ki jo lahko uporabimo za ogrevanje. S tem se pokaže prednost kogeneracije pred ločeno proizvodnjo. Goriva so lahko fosilnega izvora ali iz obnovljivih virov. Z sodobnimi sistemi SPTE dosegamo izredno visoke izkoristke, čez 90 %. Pri ločenih sistemih so izgube vhodnih energentov čez 60%, pri SPTE pa zajeto toploto uporabimo za lastne potrebe. S tem načinom bolje izkoristimo vhodno energijo in dosegamo višji prihranek okoli 30%. Pri SPTE večinoma dosegamo manjše obremenitve okolja kot pri klasičnih ločenih proizvodnjah. Proizvodnja električne energije na mestu uporabe poveča zanesljivost z električno energijo in zmanjša vpliv zunanjih dejavnikov. Z gradnjo in delovanjem večjega števila lokalnih SPTE enot, je to pomembno tudi iz vidika zaposlovanja. Za investitorje v SPTE naprave pa so glavni motivi nizki stroški energetske oskrbe ob večji zanesljivosti in fleksibilnosti. SPTE naprave lahko razdelimo v štiri skupine: SPTE za industrijske namene, SPTE za sisteme daljinskega ogrevanja, SPTE v poslovnih zgradbah ter javnih stavbah, mikro SPTE. Večina SPTE v Evropi spada med prvi dvi skupini. SPTE v tretji skupini se razvija, tudi z uporabo novih tehnologij, omenimo trigeneracijo, kjer se pridobiva tudi hladilna energija, mikro SPTE pa še ni dosegla dovolj nizkih cen, zato obratujejo samo pilotni procesi. Delež slovenske električne energije, proizvedene v SPTE trenutno znaša malo manj kot 3 % v industriji, 4,5% pa v SPTE sistemih daljinskega ogrevanja vse porabljene električne energije. SPTE tehnologija je bila proglašena za najboljšo v Evropi pri izkoriščanju fosilnih goriv in zmanjšanju emisij toplogrednih plinov. Napovedi za prihodnosti so 23% zmanjšanje izpustov CO 2 [23]. Po svetu obstajajo različne interpretacije soproizvodnje, pri nas imamo določeno dobro soproizvodnjo, za tiste SPTE naprave, ki so kvalificirane za produkcijo električne energije. 10

Ustrezna delovna moč SPTE sistema se praviloma dimenzionira glede na toplotne potrebe načrtovanega energetskega sistema, saj dosežemo visoko učinkovitost sistema šele takrat, kadar se proizvedeni toplotni in električni energiji v celoti porabita. Višek električne energije se enostavno preda v distribucijsko električno omrežje, medtem ko višek toplotne energije lahko le začasno shranimo v toplotnem zalogovniku. Glede na karakteristike toplotnih potreb lahko namestimo manjšo SPTE napravo za pokrivanje sanitarne tople vode čez celo leto, čas obratovanja okoli 8000 ur, večjo SPTE napravo pa za ogrevanje s časom obratovanja okoli 3500 ur ter kombinacijo dveh ali več SPTE naprav. Naslednja stopnja pri razvoju kogeneracije je poligeneracija, ki je energijsko učinkovita tehnologija za hkratno proizvajanje toplote in električne energije in tudi drugih energetskih proizvodov v enem integriranem procesu [24]. Hlajenje, ki je sočasen proces pri poligeneraciji, bi lahko potem nadalje uporabili za shranjevanje hladu, ki bi se uporabljala poleti za hlajenje stanovanj, hladilnic itd. [25]. 11

3 Opis procesa Namen diplomskega dela je preračun različnih kombinacij vezav visokotemperaturnih toplotnih črpalk, hladil in temperatur geotermalne vode, da se poišče čim višje grelno število. Grelno število nam podaja razmerje med količino dobljene toplotne energije in vloženo električno energijo. Prav tako smo izračunali toplotni tok, ki nam kaže koliko toplote bi bilo pridobljene pri danih podatkih. ombinacija hladil, ki smo jo izbrali, nam je pokazala kako termodinamične lastnosti hladil vplivajo na izkoristek oziroma na delovanje VTČ. Pri zaporedni vezavi vežemo zaporedno tri visokotemperaturne toplotne črpalke (slika 3-1) in postopoma izkoriščamo geotermalno vodo. Zanimajo nas izkoristki visokotemperaturnih toplotnih črpalk pri vsaki stopnji in njihovo obnašanje pri nižanju vhodnih parametrov. Uporabili smo pretok geotermalne vode 16 kg/s in padec temperature pri vsaki dodatni stopnji za 10 C. 42 C 30 C 20 C 10 C VTČ1 VTČ2 VTČ3 Slika 3-1: Shema zaporedne vezave toplotnih črpalk Pri vzporedni vezavi (slika 3-2) smo uporabili enakomerno porazdelitev vhodnega toka geotermalne vode s pretokom 5,33 kg/s skozi vsako VTČ in padcem temperature na 10 o C, kjer se je izkoristilo 32 o C temperaturne razlike. Zanimal nas je izkoristek toplotnih črpalk pri večjih temperaturnih razlikah in primerjava z vzporedno vezavo. Zaradi večje temperaturne razlike smo poizkusili tudi z uporabo različnih vrst hladil pri dvostopenjski VTČ s toplotnim prenosnikom, saj je vsaka stopnja ločena od druge in ne pride do mešanja hladil. 10 C 10 C 10 C VTČ1 VTČ2 VTČ3 42 C Slika 3-2: Shema vzporedne vezave toplotnih črpalk 12

4 Matematični model Za izračune smo uporabili računalniški program Mathcad 11. Primeri izračunov različnih tipov toplotnih črpalk so podani v prilogah. Uporabili smo različna hladila za primerjavo kako vplivajo termodinamične lastnosti na delovanje procesa (tabela 3-1). Tabela 3-1: Termodinamične lastnosti uporabljenih hladil Hladilo emijska formula M (g/mol) T k ( C) T z ( C) h u (kj/kg) R717 NH3 17-33.6-77.7 1371 R718 H2O 18 100.0 0.0 2500 R245fa CF3CH2CHF2 134.05 14.9-73.15 159.7 R236ea CF3CHFCHF2 152.04 6.19-31.15 420 R600a i-c4h10 58.1-12.3-159.4 355.4 S pomočjo računalniškega programa Refprop 7 smo pridobili fizikalne podatke odvisnosti parnega tlaka in specifične toplotne kapacitete hladil od temperature (tabele 3-2, 3-3, 3-4). Tabela 3-2: onstante za izračun parnega tlaka hladila Hladilo A B C R717-31661 -989,07 4,6764 R718-97110 -1640,6 5,0971 R245fa -71164-952,82 3,1685 R236ea -56583-974,14 3,2157 R600a 0-1126,2 4,3171 Tabela 3-3: oeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete par Hladilo Ap Bp Cp Dp R717 3,578 3,020 0-0,186 R718 3,47 1,450 0 1,121 R245fa 0,142-0,853 1,429 0 R236ea 0,172-1,100 1,940 0 R600a 3,470 1,450 0 0,121 Tabela 3-4: oeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete kapljevine Hladilo At Bt Ct R717 22,626-100,75 192,71 R718 8,712 1,250-0,180 R245fa 0,115-0,612 1,004 R236ea 0,142-0,790 1,310 R600a 0 0,006 0,581 13

4.1 Matematični model enostopenjske toplotne črpalke Izračun uparjalnega tlaka hladila pri temperaturi uparjanja določimo z enačbo p 2 A +B +C Tu Tu u 10 p0 (4.1) kjer je: p u tlak uparjanja (Pa) T u temperatura uparjanja () p 0 atmosferski tlak (Pa) A, B, C konstante za izračun parnega tlaka Izračun specifične toplotne kapacitete pare pri temperaturi uparjanja določimo z enačbo C pp 2 2 3 Tu 6 Tu 5 Tu R Ap Bp 10 Cp 10 Dp 10 M (4.2) kjer je: C pp specifična toplotna kapaciteta pare (J/kg ) R splošna plinska konstanta (J/mol ) M molska masa hladila (g/mol) A p, B p, C p, D p koeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete pare Izračun specifične entalpije pare hladila pri temperaturi uparjanja določimo z enačbo kjer je: h pu h p298 T 0 h h C ( T T ) (4.3) pu p298 pp u 0 specifična entalpija pare (J/kg) specifična entalpija par pri standardnih pogojih (J/kg) standardna temperatura () Izračun tlaka hladila pri temperaturi kondenzacije določimo z enačbo p 2 A +B +C T k Tk k 10 p0 (4.4) kjer je: p k T k tlak kondenzacije (Pa) temperatura kondenzacije () Izračun specifične toplotne kapacitete tekočega hladila določimo z enačbo C pt T T R M 2 3 k 6 k At Bt10 Ct10 (4.5) 14

kjer je: C pt A t, B t, C t specifična toplotna kapaciteta tekočine (J/kg) koeficienti za izračun specifične toplotne kapacitete tekočine Izračun specifične entalpije tekočega hladila pri temperaturi kondenzacije določimo z enačbo h ht C ( T T ) (4.6) tk 298 pt k 0 kjer je: h tk specifična entalpija tekočine (J/kg) specifična entalpija tekočine pri standardnih pogojih (J/kg) ht 298 Izračun toplotnega toka uparjalnika, oziroma toploto, ki jo pridobimo iz zunanjega vira, na primer geotermalne energije, kogeneracijske naprave izračunamo z enačbo C q ( T T ) (4.7) u pg mg g1 g2 kjer je: Φ u toplotni tok uparjalnika (kw) C pg specifična toplotna kapaciteta vode (J/kg) q mg masni pretok vode (kg/s) T g1 vstopna temperatura vode () izstopna temperatura vode () T g2 Izračun pretoka hladilnega sredstva določimo z enačbo u qmh h h pu tk (4.8) kjer je: q mh masni pretok hladila (kg/s) Izračun temperature na tlačni strani kompresorja določimo z enačbo (4.9), pri čemer se χ določi iz termodinamskih tabel. Pri tem je potrebno postopek izračuna specifične toplotne kapacitete in specifične entalpije ponoviti za T 2. ( 1) p k T2 Tu pu kjer je: T 2 temperatura na tlačni strani kompresorja () χ faktor stisljivosti (-) Tlačno razmerje kompresorja se določi z enačbo r p (4.9) k k (4.10) pu kjer je: r k tlačno razmerje kompresorja (-) 15

V primeru prevelikega tlačnega razmerja (r k1 >5) uporabimo 2 stopnji komprimiranja po enačbi (4.11) r k r (4.11) k1 Izračun grelnega števila se določi z enačbo (4.12), pri čemer uporabimo enačbe (4.2) do (4.7). ompresorji imajo različne izračune moči zato jih bomo opisali v naslednjih podpoglavjih. P k (4.12) Pri čemer je: ε grelno število (-) Φ k toplotni tok kondenzatorja (W) P moč kompresorja (W) 4.1.1 Matematični model batnega kompresorja Pri uporabi različnih tipov kompresorjev za iste tipe toplotnih črpalk se enačbe razlikujejo le pri izračunu moči kompresorja. Izračun gostote hladila pri uparjanju se določi z enačbo pu M RT u (4.13) kjer je: ρ gostota (kg/m 3 ) Izračun volumskega pretoka hladila se določi z enačbo q vh q mh (4.13) kjer je: q vh volumski pretok (m 3 /s) Izračun potrebne moči kompresorja za adiabatno komprimiranje se določi z enačbo ( 1) Pa d qvh pu rk 1 1 (4.14) kjer je: P ad adiabatna moč kompresorja (W) 16

Izračun potrebne moči kompresorja, pri čemer je izkoristek η pridobljen iz tabel [13] se določi z enačbo P ad P (4.15) kjer je: η izkoristek kompresorja (-) 4.1.2 Matematični model rotacijskega kompresorja Na začetku poteka izračun vseh toplotnih črpalk po enačbah (4.1) do (4.11), potrebna moč kompresorja pa se določi z enačbo (4.12). Politropski eksponent se lahko odčita iz tabele [13] ali pa izračuna z enačbo (4.16). iz tabele se odčita tudi delovni koeficient rotorja μ in faktor stisljivosti χ. Iz tega sledi 1 n 1 (4.16) 1 kjer je: n politropski eksponent (-) μ delovni koeficient rotorja (-) χ faktor stisljivosti (-) Teoretično delo kompresorja določimo z enačbo ( n1) T n k ) u Wp n R( r 1 M ( n1 ) (4.17) kjer je: W p teoretično delo kompresorja (J/kg) Izračun dejanske moči kompresorja se določi z enačbo P W p qmh (4.18) 17

4.1.3 Matematični model dvostopenjske toplotne črpalke z razpenjalnikom Dvostopenjske toplotne črpalke so v praksi dve enostopenjski toplotni črpalki povezani preko razpenjalnika. Izračun se izvede s pomočjo enačb (4.1) do (4.11), pri tem se dodatno izračuna še vmesni tlak in odčita vmesna temperatura iz tabele ali diagrama glede na izračunan vmesni tlak. Vmesni tlak po prvi stopnji komprimiranja se določi z enačbo pm p1u pk (4.19) kjer je: p m vmesni tlak (Pa) p 1u tlak uparjanja v prvi stopnji (Pa) kondenzacijski tlak (Pa) p k Moč kompresorja po prvi stopnji komprimiranja in za drugo stopnjo komprimiranja se določi z enačbo (4.20), izkoristek pa se odčita iz tabel. P h h p2 pu 1 qmh 1 (4.20) jer je: P 1 q mh1 moč kompresorja v prvi stopnji (W) masni pretok hladila v prvi stopnji (kg(s) η izkoristek kompresorja (-) h p specifična entalpija pare (J/kg)) Pri izračunu grelnega števila je potrebno upoštevati potrebno moč obeh kompresorjev zato se izračun izvede z enačbo k P P 1 2 (4.21) kjer je: ε grelno število (-) Φ k toplotni tok kondenzatorja (W) P 1,P 2 moči obeh kompresorjev (W) 18

4.1.4 Matematični model dvostopenjske toplotne črpalke z prenosnikom toplote Pri tem modelu sta v praksi povezani dve enostopenjski toplotni črpalki preko prenosnika toplote, vsaka s svojim tokokrogom hladila, ki se med seboj ne mešata. Izračun poteka podobno kot pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom, pri čemer vmesne temperature ne izračunamo temveč jo sami poljubno določimo. Uporabljamo enačbe (4.1) do (4.11) ter enačbo (4.20) za izračun moči kompresorja v prvi stopnji. Z enačbo (4.8) izračunamo toplotni tok v kondenzacijskem delu toplotnega prenosnika, ki je enak toplotnemu toku v uparjalnem delu toplotnega prenosnika in ponovimo cel postopek še za drug del. ončni izkoristek izračunamo z enačbo (4.21). Na podlagi spreminjanja vmesne temperature lahko izberemo najprimernejšo hladilo, glede na zahtevane temperature in najboljši izkoristek. 19

5 Rezultati in diskusija Rezultati so podani v obliki tabel s toplotnim tokom in grelnim številom v odvisnosti od tipa toplotne črpalke in izbranega hladila. Grelno število nam kaže izkoristek med vloženo in dobljeno energijo, kjer večje grelno število pomeni boljši izkoristek in s tem manjšo porabo električne energije. Toplotni tok nam kaže količino toplote, ki jo naprava proizvede, pri pretvorbi električne v toplotno energijo. Za lažjo primerjavo so vsi rezultati podani še z diagrami. V primeru da rezultati niso podani, izbrano hladilo ne ustreza delovnim parametrom visokotemperaturne toplotne črpalke. To pomeni, da je hladilo med samim procesom v kritičnih območjih in bi bili za normalno delovanje potrebni dodatni ukrepi, kar pa ne bi bilo več optimalno iz vidika ekonomičnosti. 5.1 Zaporedna vezava V prejšnjem poglavju je opisana zaporedna vezava visokotemperaturnih toplotnih črpalk in vpliv nižanja vhodne temperature vira energije na obratovalne parametre in z njimi povezan izkoristek delovanja. Uporabili smo tudi različne tipe toplotnih črpalk in različna hladila za čim bolj optimalno delovanje v posameznih stopnjah komprimiranja. 5.1.1 Enostopenjska toplotna črpalka Uporabili smo visokotemperaturno enostopenjsko črpalko s toplotnim prenosnikom in različna kompresorja. Grelno število se spreminja, pri čemer se je uporaba različnih kompresorjev izkazala za pravilno (tabeli 5-1 in 5-2 in sliki 5-1, 5-2), toplotni tok pa je enak pri različnih kompresorjih (tabela 5-3, slika 5-3). Hladila R236ea in R245fa pri tem tipu črpalk nista primerna, ker termodinamični parametri delovanja presežejo njihova kritična območja. Hladilo R718 ali voda se izkaže z najboljšimi rezultati glede grelnega števila, vendar pa je potrebno paziti na parni tlak, ki hitro narašča, zato je kot hladilo primerno le v primerih ko razlika med vstopno in želeno temperaturo ni prevelika, oziroma v primeru zaporedne vezave za prvo stopnjo komprimiranja. Hladilo R717 ali amonijak je, čeprav z nekoliko nižjim izkoristkom, primerno za vse stopnje in glede na svoje termodinamične lastnosti primerno tudi za še za bolj zahtevne pogoje obratovanja. Uporaba različnih kompresorjev se je izkazala z boljšimi rezultati pri hladilu R717 z uporabo batnega kompresorja in hladilu R718 z uporabo centrifugalnega kompresorja. S hladilom R600a ali iso-butanom dobimo sicer nekoliko slabše rezultate kot z R717, vendar se redko uporablja, ker je zmes z zrakom eksplozivna. Tabela 5-1: Grelno število pri enostopenjski črpalki odvisno od vstopne temperature geotermalne vode - batni kompresor Hladila 30 C 20 C 10 C R717 4,396 3,538 2,781 R718 4,886 3,814 - R600a 3,465 2,708 1,838 20

Grelno število Grelno število 5 4,5 4 3,5 3 R 717 R 718 R 600a 2,5 2 1,5 1 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) Slika: 5-1: Grelno število pri enostopenjski črpalki - batni kompresor Tabela 5-2: Grelno število pri enostopenjski črpalki - rotacijski kompresor Hladila 30 C 20 C 10 C R717 3,918 3,098 2,978 R718 5,199 4,154 - R600a 3,185 2,351 1,978 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) R 717 R 718 R 600a 21

Toplotni tok (kw) Slika 5-2: Grelno število pri enostopenjski črpalki - rotacijski kompresor Tabela 5-3: Toplotni tok pri enostopenjski toplotni črpalki (kw) Hladila 30 C 20 C 10 C R717 817,4 864,5 918,8 R718 793,5 837,5 - R600a 795,6 797,6 760,2 950 900 850 800 R 717 R 718 R 600a 750 700 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) Slika: 5-3: Toplotni tok pri enostopenjski toplotni črpalki 5.1.2 Dvostopenjska toplotna črpalka z razpenjalnikom Pri tej varianti toplotne črpalke smo uporabili razpenjalnik in kombinirali z različnimi hladili pri različnih vstopnih temperaturah vira toplote. ot v prejšnjem podpoglavju se je izkazalo hladilo R718 kot najboljše glede grelnega števila (tabela 5-4, slika 5-4)), vendar so pa so se spet pojavili problemi z visokimi parnimi tlaki in je posledično hladilo neprimerno pri višjih temperaturnih razlikah. V vseh stopnjah je najprimernejše spet hladilo R717 in tudi hladilo R600a. Pri uporabi razpenjalnika sta bila hladili R245fa in R236ea zaradi visokega toplotnega toka (tabela 5-5, slika 5-5) blizu kritičnega območja, vendar so grelna števila tako nizka, da iz vidika ekonomičnosti nista primerni. Tabela 5-4: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom Hladila 30 C 20 C 10 C R717 4,081 3,289 2,748 R718 5,163 4,034 - R600a 2,877 2,418 2,160 R245fa 1,643 1,344 1,214 R236ea 1,520 1,225 1,100 22

Grelno število 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 R 717 R 718 R 600a R 245fa R 236ea 2 1,5 1 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) Slika 5-4: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom Tabela 5-5: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom (kw) Hladila 30 C 20 C 10 C R717 713,4 726,4 741,1 R718 749,9 775,7 - R600a 595,6 625,7 647,8 R245fa 886,6 969,1 1024,0 R236ea 864,0 957,1 1018,0 23

Toplotni tok (kw 1100 1000 900 800 700 R 717 R 718 R 600a R 245fa R 236ea 600 500 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) Slika 5-5: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki z razpenjalnikom 5.1.3 Dvostopenjska toplotna črpalka s toplotnim prenosnikom Dvostopenjska visokotemperaturna toplotna črpalka s toplotnim prenosnikom v praksi predstavljata dve enostopenjski toplotni črpalki povezani druga z drugo preko toplotnega prenosnika, pri čemer se hladila pri posamezni toplotni črpalki ne mešajo in lahko dodatno eksperimentiramo z kombinacijami različnih hladil. Tu smo uporabili pridobljene izkušnje iz prejšnjih izračunov in kombinirali hladila, ki so se najbolj izkazala. Najboljše rezultate grelnega števila od vseh variant nam je dala kombinacija hladil R717 in R718, uporaba hladila R600a v obeh stopnjah se je izkazala kot malo slabša (tabela 5-6, slika 5-7). ot v prejšnjih primerih so tudi tokrat parni tlaki hladila R718 pri tretji stopnji previsoki in zato dimenzioniranje take črpalke ni mogoče. Zaradi delovanja na meji kritičnosti so prav tako visoki toplotni tokovi pri hladilih R236ea in R245fa (tabela 5-7, slika 5-7), kar ob nizkih grelnih številih nakazuje na neekonomičnost uporabe teh hladil. Na podlagi vseh izvedenih izračunov lahko sklepamo, da sta glede na podane podatke najboljši kombinaciji dvostopenjska toplotna črpalka z mešanico hladil R717 in R718 ali R600a in R600a, vendar pa moramo pri tem upoštevati, da so dvostopenjske toplotne črpalke tudi dražje. Za ekonomski izračun je potrebno poznati razliko v investiciji in obratovalne stroške obeh izbranih toplotnih črpalk. V tem primeru se priporoča zaporedna vezava enostopenjskih toplotnih črpalk s hladili R718 in R717, če je tlačno razmerje previsoko. 24

Grelno število Tabela 5-6: Grelna števila dvostopenjskih toplotnih črpalk Hladila 30 C 20 C 10 C R717 4,642 3,730 3,119 R718 4,904 3,925 / R600a 4,175 3,859 3,479 R245fa 1,819 1,534 1,381 R236ea 1,727 1,458 1,303 R717-R718 5,477 4,278 3,485 R718-R600a 5,146 3,898 3,242 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne energije ( C) R 717 R 718 R 600a R 245fa Slika 5-6: Grelno število pri dvostopenjski toplotni črpalki Tabela 5-7: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki (kw) Hladila 30 C 20 C 10 C R717 795,4 832,7 873,7 R718 787,6 823,0 / R600a 812,0 826,1 847,4 R245fa 1092,0 1255,0 1425,0 R236ea 1130,0 1292,0 1527,0 R717-R600a 790,9 813,7 835,2 R717-R718 773,7 808,0 847,0 R718-R600a 781,3 824,2 863,8 25

Toplotni tok (kw) 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 10 15 20 25 30 Izhodna temperatura geotermalne vode ( C) R 717 R 718 R 600a R 245fa R 236ea R 717-R 600a R 717-R 718 R 718-R 600a Slika 5-7: Toplotni tok pri dvostopenjski toplotni črpalki 5.2 Vzporedna vezava Pri vzporedni vezavi smo razdelili tok vira toplote na tri enake dele. Zanimala nas je primerjava z zaporedno vezavo in katera vezava bi bila boljša za praktično uporabo. ot pri zaporedni vezavi se tudi tukaj pojavili isti problemi. Za praktično izvedbo se zato priporoča zaporedna vezava, kjer so tudi boljši izkoristki. 5.2.1 Uporaba različnih toplotnih črpalk z enim hladilom Hladilo R717 ima srednje rezultate v vseh variantah toplotnih črpalk, glede na prejšnje zaporedne vezave. Znova se izkaže kombinacija R600a kot hladila v obeh stopnjah dvostopenjske toplotne črpalke s prenosnikom, potrebno pa je tudi upoštevati ceno investicije v primerjavi z nižjim izkoristkom enostopenjske toplotne črpalke s hladilom R717 (tabela 5-8). Dimenzioniranje visokotemperaturne toplotne črpalke s hladilom R718 ni bilo mogoče zaradi previsokega parnega tlaka. Hladili R245fa in R236ea sta izven območja delovanja enostopenjske toplotne črpalke in na meji delovanja obeh dvostopenjskih, zaradi tega je tudi toplotni tok višji od povprečja (tabela 5-9). Tabela 5-8: Grelno število pri vzporedni vezavi toplotnih črpalk isto hladilo Hladilo Enostopenjska VTČ Dvostopenjska VTČ z razpenjalnikom Dvostopenjska VTČ s toplotnim prenosnikom R717 2,978 2,748 2,969 R600a 1,978 2,183 3,479 R245fa / 1,643 1,381 R236ea / 1,13 1,303 26

Tabela 5-9: Toplotni tok pri vzporedni vezavi toplotnih črpalk isto hladilo (kw) Hladilo Enostopenjska VTČ Dvostopenjska VTČ z razpenjalnikom Dvostopenjska VTČ s toplotnim prenosnikom R717 918,8 740,6 886,5 R600a 760,2 651,0 861,6 R245fa / 886,1 1424 R236ea / 1027 1526 5.2.2 Dvostopenjska toplotna črpalka s toplotnim prenosnikom in z različnimi hladili Uporaba različnih hladil v posamezni stopnji dvostopenjske toplotne črpalke so se izkazala že v zaporedni vezavi, zato ne preseneča, da so tudi v tem primeru rezultati mnogo boljši od večine ostalih variant z enim samim hladilom. Rezultati preračuna so dokaj podobni kot pri dvostopenjski toplotni črpalki z R600a v obeh stopnjah, zaradi tega ni nobene variante, ki bi posebej izstopala (tabela 5-10). Izbira ustrezne toplotne črpalke v tem primeru temelji na investicijskih stroških. Tabela 5-10: Dvostopenjska toplotna črpalka z različnimi hladili Hladila Grelno število Toplotni tok (kw) R717-R718 3,485 846,5 R718-R600a 3,242 863,3 R717-R600a 3,359 854,8 5.3 Ekonomska analiza Ob predvidenih obratovalnih parametrih smo izbrali naključni model SPTE naprave in uporabili tovarniške podatke (tabela 5-11) [26]. Primerjali smo stroške obratovanja pri uporabi električne energije iz omrežja in kogeneracije plinskega motorja s toplotno črpalko. Cene energentov so pridobljene iz uradnih statističnih podatkov [27]. Tabela 5-11: Obratovalni parametri SPTE in cene energentov t (h) 3600 P (kw) 250 C eo (EUR/kWh) 0,149 C ep (EUR/kWh) 0,11 C p (EUR/m 3 ) 0,43 P e (kw) 999 Q zp (m 3 /h) 251,15 Izračun približnih stroškov proizvodnje toplote, pri uporabi električne energije iz omrežja se določi z enačbo Cps1 Cep P t (5.1) kjer je: C ps1 cena proizvodnih stroškov (EUR) P moč kompresorja (W) 27

t C ep čas (h) prodajna cena elektrike (EUR/kWh) Cps1 ~ 100 000 EUR/leto Pri uporabi SPTE se lahko dobi obratovalna podpora v obliki zagotovljenega odkupa električne energije ali subvencije za obratovalne stroške. Potrebno toploto za ogrevanje bi zagotovili s proizvedeno toploto SPTE, električna energija pa se v celoti proda za sofinanciranje stroškov. Izračun proizvodnih stroškov SPTE se določi z enačbo C Q t C P t C (5.2) ps2 zp p e eo kjer je: Q zp poraba plina (m 3 /h) C p cena plina (EUR/m 3 ) P e moč elektromotorja (W) odkupna cena elektrike (EUR/kWh) C eo Cps2 ~ -140 000 EUR/leto Negativni predznak pomeni da imamo ob popolnem pokritju potreb po toplotni energiji hkrati tudi dobiček iz prodane električne energije. 28

6 Sklep Izbira ustrezne visokotemperaturne toplotne črpalke je odvisna od razlike izhodne temperature vira in temperature, ki jo želimo doseči. Glede na temperaturno razliko izberemo ustrezno hladilo, ki še ustreza delovnim parametrom visokotemperaturne toplotne črpalke. Pri nižjih temperaturnih razlikah se je izkazala enostopenjska toplotna črpalka s hladilom R718 z najboljšim grelnim številom, pri višjih pa enostopenjska toplotna črpalka z hladilom R717 ali dvostopenjska toplotna črpalka z hladilom R600a. Zaporedna vezava visokotemperaturnih toplotnih črpalk se je izkazala za najboljšo, saj lahko izberemo najbolj učinkovite toplotne črpalke glede na vstopne parametre. Vključevanje posameznih toplotnih črpalk poteka postopoma glede na potrebe po toplotni energiji in so hkrati tudi rezervni sistem v primeru okvare katere od njih. Pri kombinaciji kogeneracijske enote s toplotnimi črpalkami je proizvodnja toplote bolj varna v primeru neugodnih zunanjih faktorjev kot so naravne in druge nesreče ali nestabilno električno omrežje. Plinski motor proizvaja toplotno in električno energijo, katero izkoriščamo za nižje proizvodnje stroške toplote, s toplotno črpalko pa se zagotovi dodatni vir toplote pri povečani porabi. Možna je tudi uporaba drugih kogeneracijskih motorjev, vendar je plinski motor za naše potrebe najprimernejši zaradi najmanjših emisij trdnih delcev, kar predstavlja problem v zimskih mesecih pri uporabi drugih proizvodnih virov toplote. Z obratovalnimi podporami za uporabo obnovljivih virov in soproizvodnjo z visokim izkoristkom lahko investicijo povrnemo že v nekaj letih. Nadaljnji razvoj toplotnih črpalk je možen v raziskavah novih hladil z visoko izparilno toploto. Njihova uporaba je smiselna z uvajanjem v naseljih, kjer je problem zimska onesnaženost zraka s trdimi delci. 29