kako do “skoraj ni - slovenija-co2.sipasivni solarni sistemi srednjetemperaturni ali aktivni...
TRANSCRIPT
Slovenija znižuje CO2: dobre prakse Kako do “ skoraj nič energijskih stavb” Prof.dr. Sašo Medved Laboratorij za okoljske tehnologije v zgradbah Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 20.3.2012
1
Projekt »Slovenija znižuje CO 2 : dobre prakse« izvaja Umanotera, Slovenska fundacija za trajnostni razvoj. Projekt je ena izmed akcij partnerstva na področju komuniciranja evropskih vsebin med Evropsko komisijo, Vlado Republike Slovenije in Evropskim parlamentom. Vsebine, objavljene v zvezi s projektom, ne predstavljajo uradnega stališča Evropske komisije,Vlade Republike Slovenije ali Evropskega parlamenta.
Oskrba energijsko varčnih stavb z energijo za ogrevanje, hlajenje, prezračevanje, TSV in osvetlitev pretežno s pretvarjanjem obnovljivih virov energije na stavbi sami ali v bližini stavbe (daljinski sistemi).
Sončna energija Ogrevanje Hlajenje TSV PV
Biomasa Ogrevanje Hlajenje TSV CHP/
soproizvodnja
Geotermalna energija Ogrevanje TSV
Toplota okolja Ogrevanje
TSV
Hlajenje
Ogrevanje Toplota okolja/TČ
Vetrna energija µvetrnice
Direktiva EPBD (Energy performance of building directive) 2010
Tehnologije URE
Tehnologije OVE
Kako do skoraj nič energijskih stavb – izobraževalni projekti
Vsebina
60 60
0 0
15 15
30 30
kWh kWh/m /m 2 2 a a
180 + 180 +
120 120
“ “Pasivne stavbe Pasivne stavbe” ”
Stavbe z nizko rabo toplote Stavbe z nizko rabo toplote
Kvalitetno toplotno izolirane stavbe Kvalitetno toplotno izolirane stavbe
v v
“ “Zero Zero energy energy” ”
“ “Energie Energie + +” ” ‐ ‐ stavbe s prese stavbe s presež žkom energije kom energije
v v
Toplotna Zaščita stavbe
Sončna energija, OVE
+ Mehansko prezračevanje
Ozadje
Ozadje
0 300
600 900 1200 1500
1800 2100
Danes TRL
Sc.A Sc.B Sc.C Sc.D Leto 2003
Število
ur v NE stavbian
d 25
°C (h
/a)
Pričakovane podnebne spremembe
Staranje prebivalstva v EU
Več električnih naprav, večji notranji toplotni viri
Raba električne energije narašča bolj kot raba drugih energentov
Vršna električna moč, premaknitev vrha iz zimskega dneva ob 19 uri na poletni dan ob 15 uri.
Raba električne energije za hlajenje sovpada s sončnim sevanjem ‐> glajenje vrha rabe električne energije s PV sistemi.
Sončno obsevanje Ogrevanje
TSV
Toplotne prehodnosti U gradbenih konstrukcij nižje za 4 do 5 x!
< 0,15 W/m < 0,15 W/m 2 2 K K
2009
2002
pasivne stavbe
URE v stavbah
Konvektivni in sevalni prestop toplote na notranji strani zasteklitve
Konvektivni in sevalni prestop toplote med stekli
Prevod toplote v steklu
Toplotne prehodnosti zasteklitve so večje kot toplotna prehodnost kvalitetno toplotno izoliranega zidu !
Toplotna prehodnost zasteklitve zmanjšamo s povečanjem uporov konvektivnemu in sevalnemu prestopu med stekli !
večjim številom stekel (2 -> 3 -> 4) zamenjavo zraka med stekli z žlahtnimi plini (Ar, Kr, Xe) z nizko-emisijskimi nanosom na steklu
URE v stavbah
Prehod toplote na mestu distančnika stekel merimo s toplotnim mostom.
Toplotna prehodnost okvirja Uokv je odvisna od snovi (les, PVC, Al) 0,8 – 1,3 W/m 2 K
Pri PVC in AL okvirjih navajamo število “izolacijskih komor”
V tem preseku je 5 “komor”
V najboljših primerih je Us enako Uokv !
Distančnik Al PVC Ψ (W/mK) 0,06
0,115 0,024 0,047
URE v stavbah
Razred zrakotesnosti opredeljuje količino zunanjega zraka, ki v stavbo prehaja preko pripire dolžine 1 m ali površine okna 1 m 2 . Se izmeri in navaja pri Dp 100 Pa.
Tlak (Pa)
m/h
na
m c
elot
ne p
ovrš
ine
32
m/h
na
m d
olžn
e st
ika
3
10 1
2
6
10
27 30
10
50 100 150 300 600
0,5
0,75
2,0 2,2 2,5
5,0
10
6,75
Razred 1
Razred 2
Razred 3
Razred 4
URE v stavbah
Tesnost stavbe z metodo nadtlaka, ki ga ustvarimo z ventilatorjem
Običajno namestimo na vrata stavbe ali prostora tesno oblogo z ventilatorjem (od tod ime Bloower door metoda).
Pri tlačni razliki 50 Pa pretok zraka skozi prostor/stavbo ne sme biti večji kot dve izmenjavi na uro (n=2h ‐1 ) (stavbe z mehanskim prezračevanjem) (3,5; pri stavbah z naravnim prezračevanjem)
POZOR ! POZOR !
Netesnost stavbe mora pri naravno (toplotni vzgon) prezračevanih stavbah biti taka, da je število izmenjav zraka 0,2 (0,3 h ‐1 ) in ne več kot 0,5‐0,7 h ‐1 (Vstavbe)
V nasprotnem je potrebno vgraditi sistem za mehansko prezračevanje.
∆p = 50 Pa V .
URE v stavbah
V modernih družbah ljudje preživimo več kot 90% časa v stavbah. Zato je pomembno, da poleg ostalih zahtev bivalnega in delovnega ugodja zagotovimo tudi primerno kakovost zraka.
Kakovost zraka v stavbah vzdržujemo s prezračevanjem stavb. Tako imenujemo proces redčenja onesnažil, ki nastajajo v stavbi z zrakom iz okolice.
Toda leta 1984 Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) opozorila, da je kakovost zraka v vsaj tretjini novih in obnovljenih stavb preslaba in vzrok številnih obolenj.
Razlog je v predpisih in zahtevah po večji energijski varčnosti pri ogrevanju stavb. Zato gradimo sodobne stavbe (pre)tesne.
Večina stanovalcev v tej starejši stavbi z novimi okni ima okna odprta vso noč (IR slika pri tem. 0°C)
URE v stavbah
Mehansko prezračevanje z rekuperacijo ‐ s prenosniki toplote prenašamo toploto iz toplega odpadnega zraka na sveži zrak, ki vstopa v prostore.
filter
dovod svežega zraka iz okolice
odvod odpadnega zraka
ventilator za odpadni zrak
lamelni prenosnik toplote
gumijasti podstavek preprečuje širjenje tresljajev
odvod svežega zraka v prostore
dovod odpadnega zraka iz prostorov
ventilator za sveži zrak z zaščito proti zmrzovanju
posoda za kondenzat
ohišje
2.000 do 20.000 m³/h
800 m³/h do 6000 m³/h do 350 m³/h
URE v stavbah
ovoj ovoj stavbe stavbe
prezra prezrač čevanje evanje topla topla sanitarna sanitarna
voda voda
raba energije za ogrevanje
ovoj ovoj stavbe stavbe
prezra prezrač čevanje evanje topla topla sanitarna sanitarna
voda voda
raba energije za ogrevanje
raba energije za ogrevanje
ovoj ovoj stavbe stavbe
prezra prezrač čevanje evanje topla topla sanitarna sanitarna
voda voda
Kakovost zraka v stavbah (IAQ)
V NE in PS se poleg bistvenega zmanjša rabe energije in izboljšanega bivalnega ugodja, bistveno zmanjša tudi potrebna moč ogrevalnih in hladilnih sistemov.
To pomeni, da lahko uporabimo za ogrevanje nižje (namesto 60+°C ‐>25°C), za hlajenje pa višje temperature (namesto 7°C ‐>18°C) nosilcev toplote in/ali hladu (najpogosteje voda ali zrak) t.i. nizko‐eksergijske sisteme.
Izkoriščanje OVE in toplote/hladu okolja postane veliko bolj učinkovito!
URE v stavbah
Kakovost zraka v stavbah (IAQ)
Pri gorenju (oksidaciji) vodika iz goriva nastane vodna para; če jo utekočinimo pridobimo še nekaj toplote.
Utekočinjenje je mogoče, če ima grelni medij zadosti nizko temperaturo ‐> nizko‐energijske in pasivne stavbe.
kur ilnost kur ilnost
zgorevalna zgorevalna toplota toplota
URE v stavbah
Solarne ogrevalne sisteme delimo glede na temperaturo nosilca toplote
nizkotemperaturni ali
pasivni solarni sistemi
srednjetemperaturni ali aktivni solarni sistemi
visokotemperaturni solarni
sistemi
25 °C 90 °C 250 °C
Naravno ogrevanje stavb;
integrirani v ovoj stavbe ‐okna,
stekleniki, prezračevane
konstrukcije
Pretvarjajo sončno obsevanje v toploto s pomočjo sprejemnikov sončne energije
(SSE); s prenosno tekočino prenašajo
toploto v hranilnike toplote; ti so
povezani s sistemom za ogrevanje
sanitarne vode, ogrevalnim sistemom ali
toplotno gnanim hladilnim sistemom
Visoke temperature prenosne
tekočine dosežemo z
zgoščevanjem sončnega sevanja
in sledenjem soncu; sončne elektrarne, sončni kuhalniki,
procesna toplota
OVE v stavbah ‐ >Solarni ogrevalni sistemi
Ravni
Vakuumski
Sončna energija
Ogrevanje stavb
15 30 45 60 75 90
0,6
0,5
0,4
0,3
0,7
0,8
0,9
1
deležog
revanjassolarnim
sistem
om(1)
površina SSE (m ) 2
.
2 m 3
4 m 3
7 m 3
10 m 3
20 m 3
40 m 3 NE stavba, 200 m 2 Ap
Sončna energija
Sončna energija
Solarni sistemi za ogrevanje stavb
Pri sodobni solarnih sistemih, ki so namenjeni ogrevanju in pripravi TSV v
večstanovanjskih stavbah uporabljajo dvocevni razvod toplote ter stanovanjske
toplotne postaje.
Prednosti:
manjše toplotne izgube razvodnega omrežja
pretočna priprava sanitarne tople vode
lažji obračun rabe energije po porabnikih
Sončna energija
V praksi so preizkušene 4 vrste sezonskih hranilnikov toplote v
solarnih sistemih:
vodni; zemlja/navpični prenosniki toplote;
gramoz z vodo (umetni vodonosnik);
naravni vodonosniki.
Sistem SSE Toplotna
moč
Letno proizvedena
toplota HT Vrsta HT m² MW GWh m³
Marstal 18,048 12.9 8.2 2,100 Vodni
3,500 Gramoz/voda 10,000
Kungälv 10,048 7 4.5 1,000 Vodni Brændstup 8,000 5.6 3.6 Strandby 8,000 5.6 3.6 Nykvärn 7,500 5.3 3.4 1,500 Vodni Falkenberg 5,500 3.9 2.5 1,100 Vodni Neckarsulm 5,044 3.5 2.3 25,000 Zemeljski Ulsted 5,000 3.5 2.2 1,000 Vodni Ærøskøping 4,900 3.4 2.2 1,200 Vodni Friederichshafen 4,250 3 1.9 12,000 Vodni
Sistem SSE Toplotna
moč
Letno proizvedena
toplota HT Vrsta HT m² MW GWh m³
Marstal 18,048 12.9 8.2 2,100 Vodni
3,500 Gramoz/voda 10,000
Kungälv 10,048 7 4.5 1,000 Vodni Brændstup 8,000 5.6 3.6 Strandby 8,000 5.6 3.6 Nykvärn 7,500 5.3 3.4 1,500 Vodni Falkenberg 5,500 3.9 2.5 1,100 Vodni Neckarsulm 5,044 3.5 2.3 25,000 Zemeljski Ulsted 5,000 3.5 2.2 1,000 Vodni Ærøskøping 4,900 3.4 2.2 1,200 Vodni Friederichshafen 4,250 3 1.9 12,000 Vodni
Sončna energija
Šolski center v Karlsruhe (A p 4150 m 2 ), 1600 m 2 SSE, HT 4500 m 3 ,
40% delež ogrevanja s soncem, manjše emisije CO 2 590 t/a ‐> 200 t/a
Sončna energija
“Odprt proces” ‐ zrak s katerim prezračujemo stavbo hladimo v klimatu pred vstopom v stavbo
“Zaprt proces” – produkt je hlajena voda (5°‐10°C), ki se pretaka do decentralnih enot (ventilatorskih konvektorjev, hladilnih gred, toplotno vzbujenih gradbenih konstrukcij
V obe vrsti sistemov moramo za delovanje dovajati toploto. To je naloga sprejemnikov sončne energije. Temperaturni nivo dovedene toplote je med 50°in 60°C pri odprtem procesu in 80°do 95°C+ pri zaprtem procesu.
Sončna energija – hlajenje stavb
Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih.
Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih.
Pri obratnem procesu, ki ga imenujemo sorpcija, molekule vodne pare iz zraka prehajajo v trdno snov (silikagel) ali tekočino (LiBr). Zato se zrak osuši, a tudi segreje. S segrevanjem snovi v katero so prešle molekule vodne pare dosežemo, da se ta osuši. To je naloga SSE !
Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Celotni proces sušilno/hlapilnega hlajenja (ena od izvedb)
1‐2: razvlaževanje svežega zraka v sorpcijskem prenosniku 2‐3: hlajenje svežega zraka z odsesovanim zrakom iz stavbe, ki ga ohladimo z navlaževanjem 3‐4: hlajenje svežega zraka z navlaževanjem
5‐6: hlajenje odsesovanega zraka z navlaževanjem 6‐7: hlajenje svežega zraka s prenosnikom toplote
8‐9: segrevanje zraka iz okolice v SSE na temperaturo 50°C do 70°C 9‐10: razvlaževanje sorpcijskega prenosnika s toplim zrakom iz SSE
4: stanje vpihovanega zraka v stavbo 5: stanje zraka v stavbi
Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Zaprti sistemi solarnega hlajenja so že dolgo uporabljani sistemi t.i. sorpcijskega hlajenja.
V sorpcijskem procesu sodelujeta dve snovi – hladivo in absorbent. V sistemih za hlajenje stavb se najpogosteje uporabljata voda (hladivo) in litijev bromid (absorbent).
hladilna voda
hladilna voda
topla voda (pogonska toplota)
Kondenzator
Uparjalnik Absorber
5 2
3
4
6
7 1
Generator
TOPLOTNI KOMPRESOR
hlajena voda
Odvajamo v okolico
Odvajamo v okolico
Voda s temperaturo 5°do 10°C za hlajenje
stavbe
Dobimo iz SSE (85°C+)
Potrebujemo električno energijo
Prednost: Poraba električne energije za pogon črpalke je mnogo manjša kot poraba električne energije za pogon kompresorja pri klasičnih hladilnih sistemih. Toda potrebujemo toploto na visokem temperaturnem nivoju
Absorpcijsko hlajenje
1
3 2 2
Pomembno: pri načrtovanju so pomembne vse tri temperature – temperatura grelne vode, temperatura okolice v katero prenašamo odpadno toploto in temperatura hlajene vode (Rotartica)
Absorpcijski solarni sistemi za hlajenje s hladilno močjo 5 in 15 kW
Absorpcijsko hlajenje
Če namesto absorbenta (npr. LiBr) uporabimo trdno snov (npr. silikagel) z enakim delovanjem, govorimo o adsorpcijskem hlajenju.
V primerjavi z absorpcijskimi napravami, potrebujemo vir toplote z nižjo temperaturo (65°C to 75°C), toda hlajena voda ima višje temperature.
Dva mala adsorpcijska hladilna sistema 7,5 and 70 kW
Adsorpcijsko hlajenje
15 30 45 60 75 90
0,6
0,5
0,4
0,3
0,7
0,8
0,9
1
delež hlajen
ja s son
cem (1
)
površina SSE (m ), 15 kW, 20 MWh/a 2
2 m 3 4 m 3
8 m 3
Yazaki 35kW
Proizvajalci in moči naprav za solarno podprto hlajenje
Cilj je “down sizing”
Tržni izdelki
S sončnimi celicami pretvarjamo energijo sonca neposredno v električno energijo. Večina sončnih celic je izdelana iz silicija. V sončni celici fotoni z zadostno energijo povzročijo nastanek prostih elektronov, ki jih napetostna ovira, ki nastane na spoju dveh tankih plasti Si z dodatkom P ali B (n‐tip/p‐ tip Si), usmeri na nitkasto elektrodo na površini sončne celice.
Sončna energija
Tržni deleži različnih vrst sončnih celic
Sončna energija
Integriranje v ovoj stavb/transparentni moduli
Sončna energija
PV moduli so lahko izdelani v obliki že uveljavljenih standardnih gradbenih elementov
Integriranje SSE in PV (PV‐T)
Sončna energija
Sodobne kurilne naprave / zagotovljena kakovost kuriv
Biomasa
Emisije PM zmanjšane na 5 mg/Nm3, 95% manj kot pri klasičnih kotlih na polena.
Ločena
proizvo
dnja to
plote in električne en
ergije
Soproizvod
nja
Elektrarna η = 30%
gorivo Elek. energija
Soproizvodnja ηskupno = 90%
gorivo
Toplotne izgube
30 kWh
30 kWh
60 kWh 100 kWh
100 kWh
70 kWh
Kurilna naprava η = 85%
gorivo
10,5 kWh
70,5 kWh Toplota 60 kWh
10 kWh
Elek. energija
Toplota
Toplotne izgube
Toplotne izgube
Biomasa
Soproizvodnja
Biomasa
Pilotni sistem za soproizvodnja s Stirlingovim motorjem 3 kW P e , 10,5 kW P t ; uplinjanje pelet
kompresor
kondenzator
0°C 45°C
5°C 50°C
30°C 40°C
10°C
5°C
Toplota okolja / TČ
COP = Q in /W el
Primarna energija/ emisije CO 2 : zemeljski plin:električni energije 0,2 : 0,53 kg/kWh (2,65)
Toplota okolja / TČ
Pretok zraka 0,15 m 3 /h na 1 kW; COP: 2,8 to 4,3
Pretok podtalnice 200‐300 l/h na 1 kW; COP: 5 to 6
20 to 35 W na m dolžine, 10 ‐30 W/m 2 ; COP: 4 to 4,5
Toplota okolja / TČ
Poletni teden
Tempe
ratura (°C)
Tok
Ti
Zimski teden
Tempe
rature (°C)
Toplota/hlad okolja
Toplota/hlad okolja/toplotno aktivirane gradbene konstrukcije
15
17
19
21
23
25
27
29
31
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 čas (h)
temperatura zraka (°C)
Tok
Ti
Energija vetra
Tipični faktor moči med 20 to 40%.
Izobraževalni projekti
Intense
IDES‐EDU
BUILD UP
Intense energy efficiency – Holistic approach to energy efficient planning and construction Inteligentni ukrepi za učinkovito rabo energije v stavbnem sektorju v občinah vzhodne in srednje Evrope. 13 projektov obnov javnih stavb v občinah
Izobraževalni projekti
Priročnik, iteraktivno gradivo s poglavji: zakonodaja, preverjanje kakovosti, načrtovanje naselij, nosilci energije in OVE, eco materiali, cost‐benefit presoje, gradbena fizika, konstrukcijski elementi, inženiring sistemov.
Komu ? Javne službe, gradbenim strokovnjakom, splošni javnosti
Izobraževalni projekti
IDES EDU : Učni načrt in študijska gradiva za master interdisciplinarni študijski program program (2 leti + master delo)
Osnovni predmeti
Celovito načrtovanje stavb
Kakovost v arhitekturi
Sonaravne stavbe
Koncepti URE IN OVE v stavbah
Kakovost bivanja v notranjem okolju
Ekonomske presoje
EPBD
Teoretični predmeti
Ogrevanje in hlajenje stavb
Razsvetljava stavb
Prezračevanje
Proizvodnja energije (toplota, hlad, električna energija
http://www.annex49.com/download/summary_report.pdf (page56)
District hea ting systems – modes and components
building
Heat generator (coal, gas, biomass)
heat substations with heat exchanger
nowadays steel or PVC (for lower temperature) pre‐insulated pipes are used for distribution; the size is calculated regarding ot pressure drop not to be more 50 to 100 Pa/m.
direct connection to building heating system; no additional pump in heating system is needed
Despite the case on the photo, in most cases pipes are put into the ground and buried with the soil.
Gas boiler with integrated flow‐through heat exchanger for DHW
Gas condensation boiler with integrated heat storage (86 lit). Tap water is heated in p late heat exchanger with water from heat storage.
Gas condensation boiler with integrated heat storage (130 lit) and tube heat exchanger.
Source: www.viessmann.de
Izobraževalni projekti
BUILD UP