UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK-ZRAK ZA OGREVANJE IN HLAJENJE ENOSTANOVANJSKE HIŠE diplomsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Lektorica: Almedin Ismić Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika red. prof. dr. Jurij Avsec Polona Hadalin Baša, univ. dipl. slov. Krško, september 2016 I
II
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Juriju Avscu za pomoč in vodenje pri nastajanju diplomskegadelain vsem, ki so mi pomagali pri izdelavi diplomskega dela. Zahvaljujem se svoji družini, ki mi je omogočila študij in mi vseskozi stala ob strani. Za spodbudne besede in razumevanje se zahvaljujem tudi ženi. Hvala. III
UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK-ZRAK ZA OGREVANJE IN HLAJENJE ENOSTANOVANJSKE HIŠE Ključne besede: toplotna črpalka, hladilna obremenitev, toplotna obremenitev, enostanovanjska hiša. UDK:621.577.6:728.37(043.2) Povzetek V diplomskem delu so narejeni preračuni toplotnih in hladilnih obremenitev, na podlagi teh podatkov pa je izbrana ustrezna toplotna črpalka zrak-zrak, prikazani pa so tudi razvodi. Poleg predstavitve razvodov je v diplomskem delu predstavljeno tudi delovanje toplotne črpalke in Pravilnik o učinkoviti rabi energije, na koncu pa je izveden tudi ekonomski izračun celotne naložbe. IV
USE OF HEAT PUMP AIR - AIR FOR HEATING AND COOLING OF FAMILY HOUSE Keywords:heat pump, thermalload, coolingload, single family home. UDK:621.577.6:728.37(043.2) Abstract This diploma workpresentscalculation of heating and coolingload in single family home. Based on theseinformations, the appropriateheat pump (air/air) is chosen, and installation of pipes is shown. Besides the installation, these are alsopresented thefunction of heat pump and policyabouteffectiveuse of energy. In the end I madeaneconomicalcallculation of the whole investment. V
KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 1.1 PRAVILNIK O UČINKOVITI RABI ENERGIJE V STAVBAH, PURES 2010 [1]... 1 1.2 PREDSTAVITEV STAVBE... 1 1.3 PREDSTAVITEV PROBLEMA... 5 2 PREDSTAVITEV TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK-ZRAK... 7 2.1 DELOVANJE TOPLOTNE ČRPALKE... 7 2.2 IZKORISTKI TOPLOTNE ČRPALKE... 8 2.3 PREDNOSTI IN SLABOSTI TOPLOTNIH ČRPALK... 9 3 OGREVANJE IN HLAJENJE S TOPLOTNO ČRPALKO... 10 3.1 OGREVANJE S TOPLOTNO ČRPALKO... 10 4 HLAJENJE S TOPLOTNO ČRPALKO... 11 4.1 NALOGA OGREVANJA SANITARNE VODE V ENOSTANOVANJSKI HIŠI... 12 5 IZOLACIJA ENOSTANOVANJSKE HIŠE... 14 5.1 NOV PROJEKT UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA 2014... 14 5.2 CONE PROJEKTA UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA 2014... 15 5.3 KONSTRUKCIJE PROJEKTA UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA 2014... 16 5.4 ANALIZA STAVBE (REZULATI)... 19 6 TOPLOTNE IZGUBE... 22 7 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE... 24 7.1 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE GLEDE NA MOČ... 25 7.2 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE GLEDE NA POSTAVITEV... 26 8 EKONOMSKI VIDIK IN IZRAČUN... 30 9 SKLEP... 32 VIRI IN LITERATURA... 33 PRILOGE... 34 PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTA... 34 PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA... 35 VI
KAZALO SLIK SLIKA 1.1: VZHODNO PROČELJE ENOSTANOVANJSKE HIŠE... 2 SLIKA 1.2: FOTOGRAFIJA VZHODNEGA PROČELJA HIŠE... 3 SLIKA 1.3: ZAHODNO PROČELJE HIŠE... 5 SLIKA 1.4: FOTOGRAFIJA ZAHODNEGA PROČELJA HIŠE... 5 SLIKA 2.1: SHEMATSKI PRIKAZ DELOVANJA TOPLOTNE ČRPALKE... 8 SLIKA 3.1: DELOVANJE TOPLOTNE ČRPALKE... 10 SLIKA 4.1: PRIKAZ DELOVANJA CELOTNEGA SISTEMA OGREVANJA OZIROMA HLAJENJA HIŠE IN SEGREVANJE SANITARNE VODE [9]... 12 SLIKA 4.2: SEGREVANJE SANITARNE VODE V ZIMSKEM ČASU [10]... 13 SLIKA 4.3: ZALOGOVNIK VODE... 13 SLIKA 5.1: NOV PROJEKT UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE V PROGRAMU KI ENERGIJA 2014... 15 SLIKA 5.2: CONE STANOVANJSKE HIŠE PROJEKTA UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA 2014... 16 SLIKA 5.3: ANALIZA CONE... 20 SLIKA 5.4: ANALIZA STAVBE... 21 SLIKA 6.1: PRIKAZ TOPLOTNIH IZGUB SKOZI OVOJ HIŠE... 23 SLIKA 7.1: PRIMER ZUNANJE ENOTE [12]... 24 SLIKA 7.2: PODATKI GLEDE NA MOČ [12]... 25 SLIKA 7.3: PRIKAZ PRETOKA ZRAKA [12]... 26 SLIKA 7.4: SHEMATSKI PRIKAZ KANALSKEGA KONVEKTORJA [12]... 27 SLIKA 7.5: KANALSKI KONVEKTOR [12]... 27 SLIKA 7.6: SHEMATSKI PREREZ NOTRANJE ENOTE [12]... 28 SLIKA 7.7: PRIKAZ RAZVODA OD ZUNANJE DO NOTRANJE ENOTE [12]... 28 SLIKA 7.8: PRIKAZ NAPELJAVE OZIROMA RAZVODOV ZA DOVAJANJE TOPLEGA IN HLADNEGA ZRAKA [12]... 29 VII
KAZALO TABEL TABELA 1.1: PRIKAZ NETO POVRŠINE KLETI... 3 TABELA 1.2: PRIKAZ NETO POVRŠINE PRITLIČJA... 4 TABELA 1.3: PRIKAZ NETO POVRŠINE MANSARDE... 4 TABELA 5.1: IZPIS KONSTRUKCIJ... 17 TABELA 5.2: IZPIS KONSTRUKCIJ NA OVOJU STAVBE... 18 TABELA 5.3: REZULTATI CONE... 20 TABELA 6.1: TOPLOTNA IN HLADILNA OBREMENITEV... 22 TABELA 8.1: PODATKI EKONOMSKEGA IZRAČUNA... 31 VIII
UPORABLJENI SIMBOLI A [m 2 ] površina A [I] tok C02 ogljikov dioksid Cp [J/Kg K] specifična toplota d (cm) debelina posameznega sloja m [kg] masa n [%] izkoristek P [Pa] tlak P [W] moč Qnc [J] toplota za gretje Q [J] energija QNC [J] toplota za gretje QR (QNC) [J] hladilna toplota t [s] čas T [K] temperatura ΔT [K] temperaturna razlika U [V] napetost V [m 3 ] volumen ρ [kg/m 3 ) gostota IX
UPORABLJENE KRATICE DDV davek na dodano vrednost EUR evro, denarna valuta PURES Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah PVC polivinilklorid X
1 UVOD V zadnjem času se vse več ljudi odloča za ogrevanje in hlajenje s toplotno črpalko. Ogrevanje in hlajenje ter seveda priprava tople sanitarne vode nam v enostanovanjskih hišah zasedejo velik del gospodinjskega proračuna. Namen diplomskega dela je predstaviti delovanje toplotne črpalke zrak-zrak, ki jo uporabljamo za segrevanje in hlajenje enostanovanjske hiše, pa tudi za segrevanje sanitarne vode. Z diplomskim delom bo ugotovljeno, katera toplotna črpalka bi bila primerna, kako bi se izvedla njena postavitev,podan pa bo tudi izračun (energetski in finančni) dela. Naložbe s področja uporabe obnovljivih virov energije v zadnjem času spodbuja tudi država prek nepovratnih sredstev za pokritje določenega deleža stroškov oziroma z ugodnimi kreditnimi pogoji, zaradi tega se na trgu pojavlja vse več različnih ponudnikov toplotnih črpalk. Uporaba raznih fosilnih goriv nam predstavlja zelo veliko finančno breme in še večji ekološki problem. Fosilna goriva so neobnovljiv vir energije, zato bo treba v prihodnosti preiti na obnovljive vire energije. Uporaba toplotnih črpalk je v zadnjih letih v velikem porastu, kar je tudi dober pokazatelj, da smo ekološko osveščeni in se nagibamo v pravo smer. 1.1 PRAVILNIK O UČINKOVITI RABI ENERGIJE V STAVBAH, PURES 2010 [1] Pravilnik določa tehnične zahteve, ki morajo biti izpolnjene, da bi dosegli učinkovito rabo energije v stavbah. Pokriva področja toplotne zaščite, ogrevanja, hlajenja, prezračevanja ali njihove kombinacije, pripravo tople vode in razsvetljave v stavbah, zagotavljanje lastnih obnovljivih virov energije za delovanje sistemov v stavbi in metodologijo za izračun energijskih lastnosti stavbe. 1.2 PREDSTAVITEV STAVBE V nadaljevanju je predstavljena enostanovanjska hiša, slika 1.1, ki je že zgrajena. Hiša je bila dokončno zgrajena leta 2010 na območju Upravne enote Krško. Gre za tri etažno 1
enostanovanjsko hišo (klet, pritličje, mansarda).skupna ogrevalna površina (uporabnega prostora) je Au=221,5m 2. Neto površina kleti je 68,24 m 2 in zajema garažo, stranišče, kurilnico, hodnik, kuhinjo z jedilnico in dnevno sobo, tabela 1.1, pritličje pa je neto površine 66,85 m 2 in zajema hodnik, stranišče in kopalnico, spalnico, otroško sobo, dnevno sobo in kuhinjo z jedilnico, tabela 1.2. Mansarda je enaka kot pritličje z neto površino 66,85 m 2, tabela 1.3. Objekt je lociran vzporedno z obstoječimi objekti v bližini. Sleme je orientirano v smeri S-J z rahlim odklonom (SZ-JV). Osnovni tloris objekta je 10,80m 7,60m. Objekt se v celoti podkleti s tem, da je klet na vzhodni strani v celoti vkopana v teren. Okoli hiše je dovolj prostora za morebitno izvedbo zemeljskega kolektorja, kar je zelo pomemben podatek pri izbiri toplotne črpalke (slike 1.2, 1.3 in 1.4). Slika 1.1: Vzhodno pročelje enostanovanjske hiše 2
Slika 1.2: Fotografija vzhodnega pročelja hiše Tabela 1.1: Prikaz neto površine kleti Prostor Površina v [m 2 ] Garaža 25,65 Kurilnica 4,14 Stranišče 2,7 Hodnik 1,3 Stopnišče 8,8 Kuhinja 5,4 Dnevna soba + jedilnica 21,15 Skupaj 69,14 3
Tabela 1.2: Prikaz neto površine pritličja Prostor Površina v [m 2 ] Kuhinja + jedilnica 14,6 Dnevna soba 18,18 Hodnik 4,9 Otroška soba 7,76 Spalnica 7,41 Kopalnica + stranišče 6,12 Stopnišče 8,8 Skupaj 67,77 Tabela 1.3:Prikaz neto površine mansarde Prostor Površina v [m 2 ] Kuhinja + jedilnica 14,6 Dnevna soba 18,18 Hodnik 4,9 Otroška soba 7,76 Spalnica 7,41 Kopalnica + stranišče 6,12 Stopnišče 8,8 Skupaj 67,77 4
Slika 1.3: Zahodno pročelje hiše Slika 1.4: Fotografija zahodnega pročelja hiše 1.3 PREDSTAVITEV PROBLEMA V današnjem času, ko so stroški ogrevanja zelo visoki, se je zelo težko odločiti, na kakšen način bi se ogrevali, da bi čim manj onesnaževali okolje. 5
Toplotna črpalka nam poleg ogrevanja v zimski sezoni ponuja tudi toplo sanitarno vodo in hlajenje prostorov v poletni sezoni, obenem pa je sodobna naprava, ki nam bo služila tudi v prihodnosti. Poleg ustrezne izbire toplotne črpalke je treba poskrbeti tudi za ustrezno toplotno izolacijo hiše in stavbnega pohištva, saj bo toplotna ter hladilna moč toplotne črpalke čim nižja in s tem nižji stroški obratovanja. V nadaljevanju diplomskega dela bo predstavljen celovit prikaz izračuna toplotnih izgub hiše in izgub zaradi hlajenja, predstavljena pa bo tudi primerna izbira toplotne črpalke za obravnavo enostanovanjske hiše. Poleg tega bomo predstavili tudi ekonomičnost čas povrnitve naložbe. 6
2 PREDSTAVITEV TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK-ZRAK Toplotna črpalka deluje na principu odvzemanja toplote zunanjemu zraku, prek zunanje enote in jo s pomočjo kompresorja hladilnih snovi in izmenjevalca, ki je v notranji enoti, odda mediju (zrak). Toplotna črpalka od okolice sprejema toplotno energijo in jo oddaja v ogrevanih prostorih. Kot energetski vir se uporablja zunanji zrak. Njena življenjska doba z rednim vzdrževanjem je več kot20 let. V našem primeru bomo uporabili kanalske toplotne črpalke oziroma kanalske klimatske naprave, saj s pomočjo kanalskih konvektorjev v vse prostore s pomočjo potisnega plina vpihujejo topel ali hladen zrak. Vse to dovajanje toplega ali hladnega zraka upravljamo s pomočjo elektronskih naprav[2]. 2.1 DELOVANJE TOPLOTNE ČRPALKE Toplotna energija se prenaša s hladilnim sredstvom. Hladilno sredstvo v uparjalniku sprejema toplotno energijo in izpareva. Para se v kompresorju stisne (komprimira), zaradi česar se močno ogreje. Ta vroča para prenaša toplotno energijo v kondenzatorju na grelno vodo in se utekočinja. V dušilniku se hladilno sredstvo razširi (tlak se zniža na začetnega, od tam gre v uparjalnik in krožni proces se ponovi). Shematski prikaz delovanja toplotne črpalke je viden iz slike 2.1. Toplotna črpalka vedno premika toplotno energijo v nasprotno smer od začetne temperature, vendar je toplotna črpalka, ki ohranja toploto klimatiziranega prostora, lahko uporabljena tako za hlajenje kot ogrevanje, odvisno od tega, ali je okolica (prostor) hladnejši ali toplejši od klimatiziranega prostora. Kadar je črpalka uporabljena v namene segrevanja, se uporablja zato, ker je manj vhodnih gospodarskih virov energije, kot jih je po navadi potrebnih za ustvarjanje toplotne energije. Treba je preoblikovati vire, ki dejansko nimajo in ne oddajajo toplote brez drugih dejavnikov [3]. 7
Slika 2.1: Shematski prikaz delovanja toplotne črpalke 2.2 IZKORISTKI TOPLOTNE ČRPALKE Toplotne črpalke po vsem svetu predstavljajo zelo velik potencial, saj je z njimi mogoče ogrevati prostore, sanitarno vodo in hladiti vse tipe gradnje in zgradb. Toplotne črpalke imajo velik izkoristek, sposobne pa so pridobiti okoli 75% zahtevane energije iz obnovljivih virov (zrak, voda, sonce in zemlja), ravno zaradi tega pa imajo manjšo količino emisij CO2 kot ostala naprave, ki delujejo na fosilna goriva. Pri nizkih temperaturah greje, pri visokih pa ohlaja in gre za ekološko usmerjeno rešitev, ki ne obremenjuje okolja. Najpomembnejši dejavnik pa je seveda izbira toplotne črpalke glede na velikosti. Če je toplotna črpalka premajhna oziroma premalo zmogljiva, vašemu domu ne more zagotavljati dovolj toplote pozimi, s tem pa tudi ne bo dovolj ohladila prostorov poleti. Če pa izberemo preveliko toplotno črpalko,se bo prepogosto vklapljala in izklapljala, zaradi tega pa se ne da izkoristiti celotnega potenciala toplotne črpalke same, s tem pa se bo povečala tudi obraba mehanskih delov, kar seveda zmanjšuje njeno življenjsko dobo. Življenjska doba toplotnih črpalk je več kot20 let, z menjavo vitalnih delov (kompresor) pa 8
jo lahko še povečamo. Povračilo naložbe je odvisno od porabe energije za ogrevanje objekta. Čim večja je poraba energije, prej se bo naložba povrnila. Če pa sledimo samo kakovosti in visokemu izkoristku in s tem nismo previdni pri kalkulaciji glede povračila naložbe, se nam lahko zgodi, da se naložba ne povrne v življenjski dobi toplotne črpalke [5]. 2.3 PREDNOSTI IN SLABOSTI TOPLOTNIH ČRPALK V zadnjih letih se je uporaba toplotnih črpalk zelo povečala, ne samo zaradi energetske učinkovitosti, temveč tudi zato, ker so zelo praktične. Lahko se uporabljajo za ogrevanje, hlajenje, ogrevanje sanitarne vode, so zelo varne, ne uporabljajo kisika in celo izboljšujejo kakovost zraka. So okolju prijazne in zmanjšujejo kondenzacijo. Seveda pa imajo toplotne črpalke poleg prednosti tudi svoje slabosti. Ena izmed njih je glasno delovanje kompresorja, ves čas potrebujemo zanesljiv naravni vir (voda, zrak, zemlja). Na vse skupaj vpliva tudi visoka cena toplotnih črpalk. Same so manj učinkovite v toplotnih pasovih, kjer je temperatura blizu ledišča. Na koncu, ko premislimo, vidimo, da imajo toplotne črpalke veliko več prednosti kot slabosti, zato se uporaba toplotnih črpalk povečuje iz leta v leto. Res je, da je potrebna malce večja investicija, a se ta investicija čez nekoliko let, seveda ob pravilni izbiri toplotne črpalke povrne. Na ekonomičnost pa ne vpliva zgolj toplotna črpalka,ampak tudi izolacija stavbe[6]. 9
3 OGREVANJE IN HLAJENJE STOPLOTNO ČRPALKO TČ je najprimernejša rešitev za ogrevanje in hlajenje v današnjih časih. Po mnenju mnogih strokovnjakov je naložba v toplotno črpalko najbolj upravičena, če jo bomo uporabljali za ogrevanje in hlajenje. Pozimi se uporablja za segrevanje, poleti pa za hlajenje. 3.1 OGREVANJE STOPLOTNO ČRPALKO TČ deluje tako, da prečrpava toploto iz nižje na višjo temperaturo. Krožni proces je sestavljen iz uparjanja, komprimiranja (stiskanja), kondenzacije in ekspanzije. Toplota, ki vstopi, se prenese v uparjalnik. Po tem pri nizkem tlaku spremeni agregatno stanje iz kapljevinastega v plinasto, v naslednji točki pa kompresor začne s sesanjem hladiva iz uparjalnika in ga stisne na zelo majhno prostornino, s tem pa mu naraste temperatura, za ta celotni proces pa potrebujemo električno energijo. Kasneje se pregreta para prenese v kondenzator, tam pa se del toplote prenaša na vodo, ki nenehno kroži (med tem hladilo kondenzira). Da se celoten krožni proces sklene pa potrebujemo ekspanzijski ventil (s pomočjo ventila se plinu zniža temperatura in tlak, v uparjalnik pa zopet vrne nekaj toplote). Na vse skupaj vpliva grelno število, ki je razmerje med električno energijo, ki jo toplotna črpalka potrebuje za delovanje in toplote, ki jo toplotna črpalka dovede. Večje kot je razmerje, manj energije bomo porabili [7].Delovanje toplotne črpalke je razvidno iz slike 3.1. Slika 3.1: Delovanje toplotne črpalke 10
4 HLAJENJE STOPLOTNO ČRPALKO Hlajenje s toplotno črpalko je treba razlikovati, saj imamo pasivno in aktivno hlajenje. O aktivnem hlajenju govorimo v primeru, ko toplotna črpalka deluje reverzibilno, saj je s tem ogrevalni in hladilni sistem zajet v eni napravi, kar je zagotovo najprimernejša rešitev. V tem primeru kompresor obratuje, s tem pa porablja določeno energijo in malce poviša stroške. V poletnem času se lahko pri visoki zunanji temperaturi toplotna črpalka izkoristi tudi za pasivno oziroma naravno hlajenje. Proces je enak kot pri ogrevanju, vendar se zamenjata vlogi uparjalnika in kondenzatorja. Namesto da prostore hladimo, jih moramo ogrevati. Proces poteka tako, da po uparjalniku kroži zrak, s tem se ohladi, saj toploto odda hladivu, ki se uparja, seveda pa je treba izkoristiti toploti iz kondenzatorja in jo vrniti nazaj v hišo. Podobno kot pri ogrevanju za ohlajevanje hiše potrebujemo hladilno število. Razlika med hladilnim in grelnim številom je v tem, da je to razmerje med hladilno toploto, ki jo izčrpavamo, in električno energijo, kijo porabljamo za delovanje. Podobno kot za grelno velja tudi za hladilno število. Večje kot je hladilno število, manj električne energije bo potrebne za izčrpavanje toplote[7]. Prikaz delovanja celotnega sistema je razviden iz slike 4.1. 11
Slika 4.1: Prikaz delovanja celotnega sistema ogrevanja oziroma hlajenja hiše in segrevanje sanitarne vode [9] 4.1 NALOGA OGREVANJA SANITARNE VODEV ENOSTANOVANJSKI HIŠI S toplotno črpalko za ogrevanje in hlajenje je treba segrevati tudi sanitarno vodo. Kot smo že omenili, je toploto iz kondenzatorja treba izkoristi, jo vrniti nazaj v objekt. Na ta način pridobimo toploto, ki jo lahko uporabimo za ogrevanje sanitarne vode, v nasprotnem primeru bi za kaj podobnega potrebovali dodatno energijo. Na ta način bi lahko v zimskem času greli sanitarno vodo prek toplotne črpalke v poletnih mesecih, ko ni kurilne sezone, med aprilom in novembrom, pa bi sanitarno vodo greli s pomočjo električnega grelnika vode oziroma tako imenovanega»bojlerja«, saj ta toplotna črpalka ne omogoča gretje sanitarne vode, slika 4.3. S tem bi lahko prihranili tudi do 70 % stroškov za ogrevanje vode in zmanjšali emisije C02 za več kot 60%.Slika 4.2 prikazuje segrevanje sanitarne vode v zimskem, v poletnem času pa to počnemo z električnim grelcem. 12
Slika 4.2: Segrevanje sanitarne vode v zimskem času [10] Slika 4.3: Zalogovnik vode 13
5 IZOLACIJA ENOSTANOVANJSKE HIŠE Izolacijo enostanovanjske hiše oziroma prehodnosti gradbenih materialov smo izdelali s pomočjo programa KI Energija 2014. Program je brezplačen in je dostopen na spletni strani www.knaufinsulation.si, ki je hkrati tudi lastnik tega programa. Tematika diplomskega dela je ogrevanje in hlajenje hiše, zato potrebujemo toplotne in hladilne obremenitve hiše, ki smo jih izračunali v programu KI Energija. 5.1 NOV PROJEKT UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA2014 Na začetku je v programu, slika 5.1,treba določiti osnovne podatke, ki jih potrebujemo za izračun. Eden pomembnejših podatkov je seveda lokacija objekta, saj s tem določimo meteorološke podatke, ki so temelj za izračun toplotnih obremenitev hiše. Meteorološki podatki so vlažnost, sončno obsevanje, povprečna temperatura in tip podnebja. 14
Slika 5.1: Nov projekt Uporaba toplotne črpalkev programu KI Energija 2014 5.2 CONE PROJEKTA UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA2014 V tej točki določimo elemente hiše, v katere sodijo toplotni mostovi, okna, vrata, tla in streha. Vse elemente nato podrobno opišemo, da dobimo realne izračune, saj bomo lahko le na ta način izračunali, kakšno toplotno črpalko bomo potrebovali za ohlajanje in ogrevanja hiše. V programu so materiali, ki so standardni in dajo zelo natančne rezultate. Na sliki 5.2 vidimo dejansko stanje, kako je narejena hiša. Razberemo lahko tudi, kakšne materiale smo uporabljali za izdelavo strehe, stropa v mansardi in ostalih delov v hiši. S tem programom in realnimi vrednostmi, ki smo jih uporabljali pri gradnji objekta, lahko pridemo do zelo natančnih izračunov. 15
Slika 5.2: Cone stanovanjske hiše projekta Uporaba toplotne črpalke KI Energija 2014 5.3 KONSTRUKCIJE PROJEKTA UPORABA TOPLOTNE ČRPALKE KI ENERGIJA2014 Izbira oken in vrat velja, glede na izgube energije, za kritične cone stavb. Pri izbiri oken in vrat smo izbrali okna, ki so že vgrajena ž v obravnavani hiši. Določili smo površino, naklon in lego. V našem primeru so v hiši vsa okna površinsko in energetsko enako učinkovita, zato so tudi v tabeli 5.1 enaki rezultati za vsa okna. Vrata in garažna vrata so narejena podobno, in sicer tudi iz PVC-materialov, vse to pa prikazuje tabela 5.1. Program s pomočjo dodatnih materialov lahko izračuna tudi faktor, ki je primeren za toplotne prehodnosti U, glede na maksimalnega, kar v našem primeru ustreza. 16
Tabela 5.1: Izpis konstrukcij 17
Tabela 5.2: Izpis konstrukcij na ovoju stavbe Proti koncu pridemo do točke,kose prikažejo rezultati, ki jih je s pomočjo naših podatkov izračunal program. Lahko si ogledamo realne konstrukcije in cone, tabeli 5.2 in 5.3. Pri vseh teh rezultatih je za nas najbolj pomemben podatek, kjer so prikazani posamezni meseci v letu za celotno leto. Za vsak mesec posebej imamo podane transimijske izgube, prezračevalne izgube, toploto,porabljena za gretje, dobitke sončnega sevanja in število dni za gretje ali hlajenje. V ta del naloge spada tudi streha. Po izračunu zunanjih sten preidemo na streho. Postopek je podoben, le da je treba izbrati med ravno ali poševno streho in nato vpisati podatke o površini. Pred tempa lahko vstavimo tudi podatke za tla. Sledijo še ostali sloji konstrukcije, ki jih definiramo podobno kot pri zunanjih stenah oziroma pri strehi. Čisto na koncu določimo še toplotne mostove in notranje predele zgradb. Ker je zgradba obravnavana kot celota, pomeni, da so vsi prostori hlajeni oziroma ogrevani enakomerno, zato v tem primeru samo določimo ločitev med etažami. 18
5.4 ANALIZA STAVBE (REZULATI) V rubriki analiza stavbe lahko razberemo več podatkov uporabna površina, neto ogrevana prostornina in površina ovoja. V nadaljevanju pa lahko vidimo še ovoj stavbe po projektu ali to sploh ustreza gradbenim konstrukcijam, toplotnim in hladilnim obremenitvam in čisto na koncu ustreznost specifične letne potrebe za ogrevanje in hlajenje. Ko končamo z določanjem con in konstrukcij, nam program sam poda rezultate, ki jih je izračunal s pomočjo naših podatkov o stavbi. To si lahko ogledamo kot rezultat stavbe, cone in konstrukcije. Rezultat cone določa podatke za ogrevanje in hlajenje, ki zajemajo prezračevalne tertransmisijske izgube, vse to pa je prikazano za vsak mesec v letu posebej in tudi skupaj za celo leto, slika 5.3. V našem primeru je najbolj pomemben podatek toplotna in hladilna obremenitev, saj to potrebujemo za nadaljevanje diplomskega dela. 19
Slika 5.3: Analiza cone Tabela 5.3: Rezultati cone 20
V rubriki analiza stavbe, slika 5.4, lahko razberemo več podatkov uporabna površina, neto ogrevana prostornina in površina ovoja. V nadaljevanju pa lahko vidimo še ovoj stavbe po projektu ali to sploh ustreza gradbenim konstrukcijam, toplotnim in hladilnim obremenitvam in čisto na koncu ustreznost specifične letne potrebe za ogrevanje in hlajenje. Slika 5.4: Analiza stavbe Vidimo, da je ustreznost v vseh štirih primerih dosežena, kar pomeni, da lahko na osnovi teh podatkov, ki smo jih pridobili, izberemo ustrezno toplotno črpalko za ogrevanje in hlajenje. 21
6 TOPLOTNE IZGUBE Za preračun toplotnih izgub v našem objektu uporabimo program KI Energija, vendar pa program sam ne obravnava stavbe po posameznih sklopih, temveč jo zajema kot celoto. Da se toplotne izgube porazdelijo, smo morali stavbo razdeliti po površini prostorov, ki smo jih predstavili že v začetku diplomskega dela. Ker se to ne da točno izračunati, pride v končnem seštevku vseh hladilnih in toplotnih izgub do manjšega odstopanja, so pa ti rezultati dovolj natančni za izbiro načina ogrevanja oziroma ohlajevanja. Ti podatki so vidni iz tabele 6.1. Tabela 6.1: toplotna in hladilna obremenitev Izračun toplotnih izgub pokaže, da pri neizoliranem objektu kar 76 % toplotnih izgub odpade na zunanje zidove in streho. Okna in tla imajo v celotnih izgubah 24-% delež. Izračun toplotnih izgub izolirane zgradbe pokaže, da se po izvedenem izoliranju objekta toplotne izgube porazdelijo drugače. Toplotne izgube skozi ovoj hiše so prikazane na sliki 6.1. 22
Slika 6.1: Prikaz toplotnih izgub skozi ovoj hiše Stroški ogrevanja v povprečnem slovenskem ali srednjeevropskem gospodinjstvu zaradi visokih cen energentov dosegajo 66 %vseh stroškov za porabljeno energijo. Že minimalna debelina toplotnoizolacijskega sloja v fasadni oblogi vsaj za 40 % zniža ogrevalne stroške. 23
7 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE Glede na pridobljene rezultate, ki smo jih dobili s pomočjo programske opreme,smo izbrali toplotno črpalko, ki bi glede na moč in postavitev ustrezala objektu, in razvode. Izbrali smo napravo Mitsubishi tipa SUZ-KA50VA3, primer zunanje enote pa je prikazan na sliki 7.1. Slika 7.1: Primer zunanje enote [12] Ima inovativno značilnost zelo tihega delovanja. Notranje enote so primerne za strope, kjer je minimalno prostora za vgradnjo, saj je višina samo 250 mm in se lahko vgradi v strop. Zunanji statični tlak je nastavljiv po potrebi, energetski izkoristek je izboljšan, s tem pa je poraba električne energije in stroškov znižana. 24
7.1 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE GLEDE NA MOČ Na podlagi pridobljenih rezultatov o toplotnih obremenitvah v višini 8593 W smo izbrali toplotno črpalko Mitsubishi tipa SEZ-KD71VAQ. Iz slike 7.2 lahko razberemo vse podatke, ki jih potrebujemo glede moči toplotne črpalke. Slika 7.2: Podatki glede na moč [12] Za učinkovito delovanje toplotne črpalke je pri njenem delovanju potreben zelo natančen nadzor moči. Sistem nam mora zagotavljati primerno delovanje v zimskem času pri višjih obremenitvah toplotne in v poletnem času, ko je treba objekt primerno ohladiti. Naša toplotna črpalka za delovanje uporablja inverter, ki nam omogoča najboljše prilagajanje trenutnim potrebam v objektu. Kompresor se ves čas prilagaja regulaciji, kar omogoča nadzor porabe delovne energije. Inverter naprave najprej doseže želeno temperaturo in jo obdrži stabilno, brez neprijetnih nihanj temperature s tem se zniža poraba elektrike. Zahvaljujoč tehnološkim dosežkom sodijo v A/A energetski razred učinkovitosti. 25
Da bi kar najbolje izkoristili delovanje naprave, lahko izbiramo med tremi različnimi hitrostmi notranjega ventilatorja nizko, srednjo in visoko ter med štirimi nastavitvami statičnega tlaka 5,15, 35 in 50 Pa. Pretok zraka prikazuje slika 7.3. Slika 7.3: Prikaz pretoka zraka[12] Ta naprava bi nam v zimskem času zagotavljala dovolj toplote za ogrevanje celotnega objeta in sanitarne vode, v poletnem času pa bi nam omogočala hlajenje hiše. 7.2 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE GLEDE NA POSTAVITEV Primerne so za montažo s kanalskimi razvodi. Sama naprava zagotavlja gospodarnost in prilagodljivost pri montaži. Enote serije PEAD so zelo preproste za montažo in vsestranske. Možno je spreminjati položaj za zajem zraka, zadaj ali spodaj, da najbolje izkoristimo razpoložljiv prostor, kar je razvidno iz slike 7.4. 26
Slika 7.4: Shematski prikaz kanalskega konvektorja [12] S pomočjo stikal na elektroniki lahko tlak nastavimo največ do 150 Pa. Enota omogoča tudi široko izbiro dimenzioniranja kanalov, kar pomeni, da lahko namestimo difuzorje na najbolj racionalen način. Vgrajeno imajo tudi kondenčno črpalko z najvišjo višino črpanja 550 mm, kar tudi pri kompleksnejših montažah olajša odvod kondenzata. Slika 7.5: Kanalski konvektor[12] Takšne naprave sodijo v kanalske klime, ki prenašajo toploto s pomočjo kanalskih konvektorjev, slika 7.5. V zgornji etaži oziroma mansardi, ne bi bilo treba spustiti stropov, saj bi lahko kar direktno napeljali cevi za dovajanje zraka, saj bi bile skrite nad mansardo v 27
podstrešju. Izvesti bi bilo treba zgolj izreze za notranje enote. V drugem in prvem oziroma kletnem nadstropju, pa bi bilo treba spustiti strope za slabih 30 cm, da bi lahko normalno napeljali cevi in notranje enote, sliki 7.7 in 7.8 Vse to bi kasneje povezali v en sistem, ki bi s pomočjo ustreznega delovanja zunanje enote, pretvornikov, ventilatorjev in potisnega plina dovajal zrak. Naloga potisnih plinov in ventilatorjev je, da se topel zrak ne zadržuje pod stropom, ampak ga potiskajo proti tlom, da kroži in s tem meša topel in hladen zrak. Shematski prerez notranje enote prikazuje slika 7.6. Slika 7.6: Shematski prerez notranje enote [12] Slika 7.7: Prikaz razvoda od zunanje do notranje enote [12] 28
Slika 7.8: Prikaz napeljave oziroma razvodov za dovajanje toplega in hladnega zraka [12] 29
8 EKONOMSKI VIDIK IN IZRAČUN V tem delu naloge smo se osredotočili na ceno morebitne naložbe. Naložba montaže toplotne črpalke zrak-zrak je odvisna od izbire toplotne črpalke glede na proizvajalci in na nazivno moč. Na ceno vplivajo še načini ogrevanja in hlajenja. V mojem primeru je to izvedljivo prek tako imenovane kanalske klime oziroma s kanalskim konvektorjem. Podatke o ceni toplotne črpalke, montaži in materialu, ki ga bomo pridobili,smo pridobili na spletni stranim www.ream.si in s pomočjo njihovega operaterja v klicnem centru. Podrobno smo se pozanimali, kaj vse potrebujemo za dokončno postavitev takšnega načina ogrevanja oziroma hlajenja. Stroškov glede na druge toplotne črpalke ni tako veliko, a je slabost, da je pri tem načinu ogrevanja oziroma hlajenja več stroškov, ki so namenjeni vzdrževanju. Vzdrževanje zajema čiščenje razvodnih cevi, v katerih se čez čas nabere malce korozije, praha in bakterij. Vse vrednosti naložbe lahko izberemo iz tabele 8.1. Prednost toplotne črpalke je zagotovo tudi to, da ne potrebujemo prostora, ki bi ga v nasprotnem primeru potrebovali za skladiščenje kurilnega olja, biomase ipd. Sama naložba se po izračunih oziroma informacijah, ki smo jih prejeli, vrne v roku 5 7 let. Ta primerjava je izvedena med navadnim centralnih ogrevanjem na biomaso in toplotno črpalko zrak-zrak. Pri tem je treba upoštevati tudi to, da lahko pričakujemo subverzijo oziroma denarno povračilo s strani države, ki podpira vlaganje v takšno naložbo. V prihodnosti se bo vlaganje v takšne ali podobne zadeve še pocenilo, saj se je proizvodnja toplotnih črpalk na svetu močno povečala, s tem pa so postale ponudbe in izbira zelo konkurenčne in vsestranske. 30
Tabela 8.1: Podatki ekonomskega izračuna Enota Cena (EUR z DDV) Delež v % SUZ-KA50VA3 Zunanja enota 1970 19 Notranja enota 1380 15 Zalogovnik vode 1100 11 Oprema za razvod 2400 25 Montaža 950 10 Dodatna oprema 1700 17 Električni grelec vode 220 3 Skupaj 9720 100 31
9 SKLEP V diplomskem delu smo obravnavali ogrevanje in hlajenje enostanovanjske hiše s pomočjo toplotne črpalke zrak-zrak. Treba je bilo določiti vse konstrukcije, ki zajemajo streho, okna, vrata, stene, tla in pa tudi toplotne mostove. Ko smo analizirali pridobljene rezultate, smo preverili, če objekt ustreza zahtevam PURES, kar se tiče specifične letne potrebe za ogrevanje, gradbene ustreznosti konstrukcij in letne porabe hladu za hlajenje. Na podlagi pridobljenih rezultatov in možnosti izvedbe, je bila najprimernejša toplotna črpalka Mitsubishi tipa SEZ-KD71VAQ. Po opisu toplotne črpalke glede na moč, postavitev in določitev samih razvodov je sledil ekonomski izračun celotne naložbe. Ugotovili smo upravičenost in čas povrnitve naložbe. Menimo, da je vlaganje sredstev, ki gredo v nizko-ogljično prihodnost pametno in spodbudno, saj na ta način s pomočjo obnovljivih virov gradimo prihodnost, hkrati pa tudi zmanjšamo onesnaževanje okolja. Če gre za starejši objekt, je treba pred samo vgradnjo toplotne črpalke objekt ustrezno obnoviti, saj se le na ta način, glede na višino naložbe, lahko najbolj optimalno odločimo za izbiro toplotne črpalke. 32
VIRI IN LITERATURA [1] Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah. Ur. l. RS, št. 52/2010. [2] Klevže, I. Ogrevanje, Društvo inštalaterjev energetikov. Maribor: 2013. [3] Heap, R. D. Heatpupmsi, E. & F. N. SPON. New York: 1983. [4] Princip delovanja toplotne črpalke zrak-voda. Dostopno na: http://www.toshibaklima.at/estia/funktionsprinzip.php?l=6 [ 12. 6. 2016] [5] Grobovšek, B. Praktična uporaba toplotnih črpalk, Energetika in marketing d.o.o. Ljubljana: 2009. [6] Izbira toplotne črpalke. Dostopno na:http://toplotne-crpalke.info [27. 5. 2016] [7] O toplotnih črpalkah za ogrevanje prostorov malo drugače. Dostopno na:http://varcevanje-energije.si/toplotne-crpalke/o-toplotnih-crpalkah-za-ogrevanjeprostorov-malo-drugace.html [ 10. 6. 2016] [8]Moji članki, toplotne črpalke. Dostopno na:http://mojiclanki.com/108/toplotne-crpalke- 2 [4. 6. 2016] [9] Zmote pri hišnim prezračevanjem z rekuperacijo. Dostopno na: http://www.agregat.si/clanki/zmote-pri-hisnim-prezracevanjem-z-rekuperacijo [10. 5. 2016] [10] Vita term. Dostopno na:http://www.vita-term.si/prodajni-program/toplotnecrpalke/sinclair.aspx [30. 5. 2016] [11] Energetska izkaznica stavbe. Dostopno na:http://www.energetskaizkaznica.si/energetska-ucinkovitost/stavbni-ovoj [1. 6. 2016] [12] Mitsubishi Electric katalog. Dostopno na:http://www.ream.si [10. 6. 2016] 33
PRILOGE PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTA 34
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA 35