SADRAJ:POPIS SLIKA.........................................................................................................................IIIPOPIS TABLICA ....................................................................................................................IV1UVOD.................................................................................................................................12DEFINICIJA I OSNOVNI PRINCIP RADA TOPLINSKIH PUMPI ...........................43GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE .......................................................................83.1Mogui izvori toplinske energije za dizalice topline..........................................................83.2Sustavi iskoritavanja geotermalne energije toplins kim pumpama ..............................103.2.1GTP-sustav sa zatvorenim krugom ...............................................................................................113.2.2GTP-sustav sa otvorenim krugom.................................................................................................123.2.3Tip i duina cijevi kruga.......................... ......................................................................................123.3Trokovi ugradnje toplinske pumpe za potrebe doma instva........................................133.3.1Potrebna ogrijevna snaga ..............................................................................................................133.3.2Kapitalni trokovi................................. .........................................................................................133.3.3Operativni trokovi................................ ........................................................................................143.3.4Uinkovitost toplinske pumpe.......................................................................................................143.3.5Temperaturne razlike ....................................................................................................................154PRIMJER PRORAUNA SUSTAVA GRIJANJA ZGRADE GEOTERMALNOMTOPLINSKOM PUMPOM .....................................................................................................164.1Dimenzioniranje buotinskog izmjenjiva a topline.........................................................164.1.1Proraun jedinine kvadrature prema ROT ...................................................................................164.1.2Proraun snage kondenzatora........................................................................................................164.1.3Odabir kompresora........................................................................................................................17Odreivanje snage isparivaa, potrebne povrine zemljita za GT izmjenjiva i duljine izmjenjivaa.................................................................................................................................................184.1.4.1................................................................Postupakodreivanjaparametaraiznomograma184.1.4.2...............................................................................Provjeratonostiodreenihparametara194.2Proraun ciklusa toplinske pumpe ...................................................................................204.2.1Izraun volumena objekta .............................................................................................................204.2.2Izraun ogrijevnog faktora ............................................................................................................204.2.2.1Odreivanje volumena za ROT ...........................................................................................204.2.2.2Izraunavanje ogrjevnog faktora .........................................................................................204.2.3Odreivanje entalpija ....................................................................................................................214.2.4Kondenzator (Toplina koja se oslobaa u kondenzatoru) .............................................................21I4.2.5Ispariva (Rashladni uin).............................................................................................................214.2.6Kompresor (Utroeni rad kompresora)................ ..........................................................................224.2.6.1Kontrola. ..............................................................................................................................224.2.7Ogrjevna toplina............................................................................................................................224.2.8Dobava freona ...............................................................................................................................224.2.9Snaga kompresora .........................................................................................................................224.2.10Toplina isparavanja ..................................................................................................................234.2.11Stupanj djelovanja ....................................................................................................................235ZAKLJUAK...................................................................................................................246LITERATURA.................................................................................................................26IIPOPIS SLIKASlika 1: Satelitske slike ote enja ozonskog omotaa2Slika 2: Temperaturna podruja u pretvaraima topline (Budin, Miheli-Bogdani 2002)4Slika 3: Podjela radnih tvari koja se koriste u krunim procesima toplinskih pumpi5Slika 4: Shema kompresijske toplinske pumpe s vanjskim GT izmjenjivaem i unutarnjimsustavom grijanja objekta (Geothermal brochure 2004)6Slika 5: Idealizirani termodinamiki proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi (Budin,Miheli-Bogdani 2002)7Slika 6: Usporedba uinkovitosti razliitih sustava grijanja14Slika 7: Nomogram za dimenzioniranje horizontalnog geotermalnog izmjenjivaa topline(Reu , Sanner 2001)18Slika 8: Fazni dijagram freon 12 (CF2Cl2)21IIIPOPIS TABLICATablica 1: Vodee zemlje u upotrebi GTP (Lund,Sanner,Rybach,Curtis,Hellstrm 2004) 1Tablica 2: Kriteriji za odabir najpogodnijeg izvora GT energije za dizalice topline9Tablica 3: Orijentacijske vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tlu12Tablica 4: Rezultati dimenzioniranja GT izmjenjivaa19IV1UVODGeotermalne toplinske pumpe(GTP)su jedna od najbre rastuih aplikacija obnovljivih izvora energije, s godinjim prirastom od 10 % u otprilike 30 zemalja svijeta u posljednjih 10 godina. Njihova glavna prednost je u tome to koris te uobiajene temperature tla i podzemnih voda (izmeu 5 i 30 C), koje su dostupne u svim zemljama svijeta. Veina tog rasta uglavnom se odnosi na Sjedinjene Amerike Drave i Europu iako interes zna ajno raste i u dravama poput Japana i Turske.Trenutni svjetski ugraeni kapacitet procijenjen je na skoro 12 000 MWt (toplinske) energije, a godinja potronja iznosi oko 72 000 TJ (20 000 G Wh). Broj ugraenih jedinica iznosi oko 1 000 000, ali podaci nisu potpuni. Tablica 1 prikazuje vodee zemlje po pitanju upotrebe geotermalnih toplinskih pumpi (GTP).Tablica 1: Vodee zemlje u upotrebi GTP (Lund,Sanner,Rybach,Curtis,Hellstrm2004)DravaMWtGWh/godBroj jedinicaAustrija27537023 000Kanada43560036 000Njemaka64093046 400vedska2 3009 200230 000vicarska52578030 000SAD6 3006 300600 000U Islandu, Turskoj, Kini i Francuskoj primjenjuje se centralizirano grijanje (npr. grijanje gradskih etvrti), gdje se geotermalnim fluidom koristi vie zgrada za potrebe grijanja prostora i dobivanja tople vode. Grijanje geotermalnom energijom pogodno je za grijanje razliitih javnih ustanova kao npr. kole, bolnice, port ske dvorane,poslovne zgrade itd..Slijedei trendove razvijenih zemalja Republika Hrvatska e svoj energetski sektor zasnivati na racionalnoj potronji energije te na proizvodnji energije iz ekoloki prihvatljivih energenata. Stoga su, prihvativi koncept odrivog razvoja kao nain koji vodi gospodarskom napretku, a uz odranje stanja ravnotee u okoliu ( strategije odrivog razvoja ), Zakonom o energiji (lanak 5., Strategija energetskog razvitka) odreene i temeljne smjernice energetskog razvitka koje se oituju kroz:1poveanje energetske uinkovitosti, smanjenje emisija, prvenstveno CO2, SO2 i NOx, iz postojeih energetskih objekata, smanjenje uporabe fosilnih goriva, promicanje koritenja ekoloki prihvatljivih energe nata te obnovljivih izvora energije, uvoenje i poticanje drugaijeg naina ponaanja konkretnim mjerama ekonomske politike. Ozonski omota se posljednjih desetljea sve ozbiljnije ote uje to ilustrira Slika 1.Listopad 1979Listopad 1986Listopad 1993100200300400500 Dobson jed.Slika 1: Satelitske slike ote enja ozonskog omotaaGlavnu ulogu u unitenju ozonskog sloja imaju stakl eniki plinovi plinovi koji dolaze u atmosferu preko slijedeih izvora:Aerosoli Proizvodnja odreenih plastinih materijala Odreeni plinovi za gaenje poara Izgaranje fosilnih goriva (ugljen, nafta najvie, plin najmanje) Isputanje radnih tvari (freoni) koritenih u topli nskim ureajima Prednosti koritenja geotermalnih toplinskih pumpi :EKONOMINOST. Smanjeni trokovi grijanja i hla enja u stambenim i poslovnim objektima za 50%. TRAJNOST. Trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je u prosijeku 20 godina, a trajnost cijevi geotermalnog izmjenjivaa je odreena garancijom na 25-50 godina ( U.S. DOE 1998 ) NISKI TROKOVI ODRAVANJA.. Ako je sistem ugra en na propisan nain ne zahtijeva gotovo nikakvo odravanje (U.S. DOE 1998 ) 2EKOLOGIJA. Geotermalne toplinske pumpe gotovo ne zagauju okolinu, pa su vaan imbenik u smanjenju onei enja atmosfere. Opasnost po okoli predstavljaju ra dni mediji koji se koriste, od kojih su mnogi stakleniki plinovi poput Ugljik dioksida CO2, Klorofluorougljici CFC (freoni) koji najvie pridon ose unitavanju troposferskog ozona, Hidrofluorougljici HFC R134a sa vremenom zadravanja u atmosferi od 13,8 godina, HFC-23 nastaje kao nusprodukt poizvodnje Hidroklorofluorougljika HCFC R22 sa vremenom zadravanja u atmosferi od 260 godi na. TIHI RAD. Kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domainstvima ili u poslovnim prostorima. PRILAGODBA. Koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Ljeti za hlaenje, a zimi za grijanje. FLEKSIBILNOST. Ovakvi geotermalni sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne vrste potroa a. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mreu. 3DEFINICIJA I OSNOVNI PRINCIP RADA TOPLINSKIH PUMPI Toplinske pumpe ili dizalice topline pretvarai su topline u kojima je Tmin. To, a Tmax. > To(Slika 2)Ovisno o odnosu maksimalne Tmax. i minimalne Tmin. temperature prema temperaturi okoline To, pretvarai topline obino se dijele (Slika 2) na:Nisko temperaturne, gdje je Tmin. < To, a Tmax. = To, koji se opet prema razini Tmin. dijeli na Rashladne ureaje Tmin. > 120 K Kriogene ureaje Tmin. To Kombinirane ureaje, koji imaju funkciju rashladnog ureaja i toplinske pumpe, gdje je Tmin. < To, a Tmax. > To TSlika 2: Temperaturna podruja u pretvaraima topline (Budin, Miheli-Bogdani 2002)Jedna od daljnjih podjela pretvaraa topline moe biti prema na inu rada i obuhvaa dvije grupe: termomehanike i elektromagnetske. Procesi u termotehnikim sustavima zasnivaju se na povienju tlaka bilo kojeg rashladnog medija. Ra d elektromagnetskih sustava temelji se na primjeni konstantnog ili promjenljivog magnetskog ili elektrinog polja.U tehnikoj praksi najrasprostranjeniji su termomehaniki sustavi, koji se ovisno o nainu povienja tlaka, naj e e dijele na kompresijske i apsorpcijske.4Rad kompresijskih ureaja zasniva se na povienju tlaka, a rashladni proc es kompenzira se energijom u obliku mehanikog rada. Prema vrsti i agregatnom stanju rashladnog medija dijele se na parne i plinske. U parnim rashladnim ureajima radni medij mijenja agregatno stanje tokom procesa kompresije, kondenzacije i isparavanja nakon ekspanzije (priguivanja). Primjenjuju se one radne tvari koje se lako ukapljuju (Slika 3), a proces kompresije odvija se do temperatura bliskih kritinoj temperaturi ili niih od kriti ne temperature.U apsorpcijskim ureajima proces se kompenzira potronjom energije u ob liku topline, koja se tokom procesa pretvara u mehaniki rad. Do povienja tlaka dolazi termokemijskom reakcijom sorpcije (upijanja) i desorpcije (odvajanja) radnog medija,. Sorpcija, uz odgovarajui sorbent odvija se uz odvoenje topline, a desorpcija radnog medija iz sorbenta popraena je dovodom topline. Radni su medij binarne smjese, koje u toku procesa obino mijenjaju agregatno stanje.RADNE TVARIP R IR O D N A S IN T E T IC K AA m o n ija k - N H 3U g ljic n i d io k s id - C O 2 P r o p a n -C 3 H 8V o d a H 2 O C F CH C F CH F CR 1 2R 2 2R 4 0 7 cR 1 1R 1 2 4R 1 3 4 aSlika 3: Podjela radnih tvari koja se koriste u krunim procesima toplinskih pumpiU procesu rada toplinske pumpe tijelu s niom tempe raturom oduzima se energija i predaje tijelu vie temperature, uz utroak rada. Za rad ur eaja potreban je davalac topline, koji se moe ohladiti na zadovoljavaju u temperaturu, i potroa tako dobivene topline. Primjena toplinske pumpe omoguuje iskoritavanje energije tijela s relativno nisk om temperaturom (npr. Okolni zrak, morska voda, voda nakon hlaenja hidrogeneratora). Kao toplinske pumpe mogu se koristiti sve vrste rashladnuh ureaja, pa prema tome i svi radni mediji koji se u njima upotrebljavaju (NH3, freoni, smjesa NH3/H2O, zrak). Toplinske pumpe su posebno vane u kombiniranom sustavu za grijanje i hla enje. Danas se naje e primjenjuju za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju.Osnovni su elementi ureaja kompresor, kondenzator, priguni ventil i ispariva (Slika 4). Vrsta kompresora odreena je veliinom toplinske pumpe, pa se kod rashladne, tj. toplinske vrijednosti do 450 kW po jedinici koriste klipni kompresori. Centrifugalni (turbo) kompresori5upotrebljavaju se u rasponu od 450 do 550 kW. Proces u kondenzatoru moe se odvijati u dva (Slika 4 i Slika 5) ili u tri stupnja, tj. hlaenje, kondenzacija i pothlaivanje rashladnog sredstva. U isparivau se konvekcijom prenosi toplina sa povrine cijevi kroz koju struji radni medij geotermalnog izmjenjivaa na radni medij dizalice topline, a toplinska mo isparivaa ovisi o rashladnoj snazi kompresora. Izvori topline mogu biti : rijeke, jezera , podzemne vode, okolni zrak, zemlja, Suneva energija, otpadni zrak industrijskih procesa, ventilacijskih i klimatizacijskih ureaja, otpadne vode, plinovi izgaranja itd.. Izvori topline moraju imati zadovoljavajuu raspoloivost te konstantnu temperaturu tokom cij ele godine, moraju bitiisti i inertni prema materijalu od kojega su izraeni ureaji.INTERIJERTOPLINSKA PUMPAEKSTERIJERRadijatorKondenzatorKompresorIsparivaIzlaz vrele2vodeBojlerUlaz hladne vode3Prihvata tekuine 1Horizontalni geotermalniizmjenjiva topline4Voda i antifrizEkspanzijskiCirkulacijska pumpaventilPodno grijanjeRasored temperatura tekuine - medijaSlika 4: Shema kompresijske toplinske pumpe s vanjskim GT izmjenjivaem i unutarnjim sustavom grijanja objekta (Geothermal brochure 2004)6Temperatura, T (K)Entropija, s (kJ/kgK)Slika 5: Idealizirani termodinamiki proces u parno kompresijskoj toplinskoj pumpi (Budin, Miheli-Bogdani 2002)U jednostavnoj parno kompresijskoj pumpi (Slika 4) protjee proces (Slika 5) na sljedei nain: rashladni medij se komprimira uz potronju meha nikog rada (1 do 2). Sljedi hlaenje i kondenzacija (2 do 3), pri emu osloboenu toplinu preuzima rashladna voda ili zrak kojim se kondenzator hladi. Pomou topline rashladnog medija, zrak ili rashladna voda se zagrijavaju do temperature na kojoj se mogu primijeniti u razliite svrhe, npr. za zagrijavanje. Nakon kondenzacije rashladni se medij priguuje do tlaka i temperature u isparivau (3 do 4). Mokra para sada ulazi u ispariva, oduzima toplinu tijelu koje se hladi (npr. zrak), isparava i vraa se u kompresor. Promjena stanja u isparivau prikazana je linijom 4 do 1.Prema tome, kod svake toplinske pumpe potrebna su dva osnovna izmjenjivaa topline, kondenzator i ispariva. U kondenzatoru se hladi rashladni medij nakon kompresije. Voda za hlaenje kondenzatora se zagrijava te koristi za grijanje prostora, bazena i slino. U ispariva ulazi rashladni medij nakon priguivanja. Vanjski zrak ili voda za grijanje isparivaa, tj. izvor topline se pri tome hladi i primjenjuje za npr. klimatizaciju.Toplinske pumpe se opisuju medijem koji se ohlauje, odnosno toplinskim izvorom i medijem koji se zagrijava (npr. zrak - voda, tlo - voda, voda - voda itd.).Toplinske pumpe koje koriste zrak kao toplinski izvor imaju zadovoljavajuu uinkovitost, ali u velikoj mjeri ovisi o promjenama godinjih doba. Stoga su uinkovitije geotermalne toplinske pumpe, koje za izvor topline koriste zemlju ili podzemnu vodu ija pak temperatura znaajno ne ovisi o godinjem dobu i uglavnom je konsta ntna. Prema tome zimi su temperature tla i podzemnih voda vie od temperatur e zraka, a ljeti su nie.73GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE3.1 Mogui izvori toplinske energije za dizalice toplineNa toplinski izvor se postavlja niz zahtjeva da bi se osigurao ekonomian rad dizalice topline.Meu najvanijima su sljede i:toplinski izvor treba osigurati potrebnu koliinu topline na vioj temperaturi i u svako doba trokovi za priklju enje toplinskog izvora na dizalicu topline trebaju biti mali potreba energije za transport topline od izvora do isparivaa dizalice topline treba biti mala Mogui izvori energije za dizalice topline su slijedei:Zrak Zemlja Voda Sunce Kriteriji za ocjenu najpogodnijeg izvora su sljedei:Nivo temperature Raspoloivost na lokaciji i u vremenu Vremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloivosti izvora Mogunost samostalnog koritenja Utroak energije za dovo enje topline do isparivaa Kemijska i fizikalna svojstva no izvora topline Trokovi izvedbe postrojenja Utjecaj na ravnoteu okoline i zaga enje okoline Pogodnost za masovnu proizvodnju Vrednovanje kriterija po pojedinim izvorima prikazano je u narednoj tablici (Tablica 2)8Tablica 2: Kriteriji za odabir najpogodnijeg izvora GT energije za dizalice toplineZrakZemljaVodaSunceZrak u klimatehnici kaoAkumuliranaPodzemnaPovrinskaPovrinskaPovrinskaEnergijaKriterij za koritenjeVanjski zrakizvorSunevasunevogvodavoda - rijekevoda - jezeravoda - moretopline, rasvjete,energijazraenjaljudi, Sunca0 - 300 Wm2-25 do +40 CTemperaturni ili8 -15 w/m 2- 25 do +20 C>22 C5 15 C2 11 CMin. 4 CMin. 0 CTijekom 90 %energetski nivoperioda grijanja =0 CMjestoPosvudaKod grijanja iPonegdje, ovisnoPonegdjePonegdjePonegdjePonegdjePosvudahlaenja zrakomod terenaNe uvijek, zbogNe uvijek, zbogPonekad, ovisnosue iPromjenljivo iVrijemeUvijekUvijekUvijekniskihUvijeko reimu radatemperatura niihnepredvidivotemperaturaod 2 CDjelominoNekoherentno:koherentno:Jo koherentno:VremenskaKoherentno:DjelominoNekoherentno:kad je najviaraspoloivakonstantnapodudarnostnajvia potreba,DjelominoDjelominopotreba, imaenergija seraspoloivakoherentno ilinajvia potreba,potronje inajvie energijekoherentnokoherentnonajmanje energijesmanjuje premaenergija tijekomnekoherentnonajmanje energijeraspoloive energijena raspolaganjuna raspolaganjukraju sezonegodinegrijanjaMogunostsamostalnogDaDjelominoDaDaDjelominoDjelominoDaJedva moguekoritenjaKemijska ili fizikalnaKorozija,KorozijaKorozija,Prljavtina, soli,svojstva kojaStvaranje leda-CO2Prljavtina, soli-stvaranje ledaprljavtina, solialgeoteavaju koritenjaFe2O3Utroak energije zaRaznolik, eetransport izvoraVelik-VelikUglavnom velikRaznolikRaznolikRaznolikveliktoplineTrokovi izvedbeMali ili srednjiMaliVelikiVelikiVeliki ili srednjiVeliki ili srednjiVeliki ili srednjiVelikipostrojenjaUtjecaj naNema znatnogUglavnomUglavnomUglavnomUglavnomenergetskuNema utjecajaNije zanemarivNema utjecajautjecajazanemarivzanemarivzanemarivzanemarivravnoteu okolineUsklaenost izvora sokolinom (ne-DaDaNeutralnoNeDjelominoDjelominoNeutralnoDazagadljivost)Pogodnost zamasovnuDobraDobraUmjerenaDobraDobraDobraDobraUmjerenaproizvodnju9Sustavi iskoritavanja geotermalne energije top linskim pumpama Postoje dva osnovna sustava iskoritavanja geoterma lne energije s toplinskim pumpama. Prvi sustav ne koristi izravno geotermalni fluid nego sustavom s ukopanim izmjenjivaem topline iskoritava toplinu zemljine kore ili geotermalnog fluida iz buotine takozvanim buotinskim izmjenjivaem topline (sustav sa zatvorenim krugom).Horizontalni sustav sa zatvorenim krugomOvaj sustav esto je najekonominiji za ugradnju na mjestima gdje ima dovoljno prostora i gdje je tlo pogodno za izvoenje graevinskih radova. Snop cijevi polae se paralelno u tlo ispod granice smrzavanja, tj. 1,4 do 2 metra ispod povrineVertikalni sustav sa zatvorenim krugomOvaj sustav primjenjuje se kod objekata s potrebama za velikim koliinama ogrjevne i rashladne energije, kad je tlo blizu povrine stjenovito ili na povrin ski skuenim prostorima. Potrebno je izbuiti buotine odreene dubine Svaka buotina opremljena je jednim snopom polietilenskih cijevi spojenih na dnu U-spojnicom velike vrstoe.Jezerski sustav sa zatvorenim krugomUkoliko su zgrade u blizini jezera ili vodotokova, uronjeni snop cijevi pod povrinu vode esto je najjeftinije rjeenje. Rjeenje zahtijeva minimum iskopa, postavljanje cijevne konfiguracije je jednostavno, ali jezero ili vodotok mora biti dostatne dubine i povrine. U raspoloivi prostor potrebno j e ugraditi to vie cijevne zavojnice.10Drugi sustav iskoritava geotermalnu vodu koja se p roizvodi iz buotine, a nakon predaje topline sekundarnom krugu ili se utiskuje nazad u sloj, ili isputa u vodotoke ili kanalizacijske sustave (sustav sa otvorenim krugom).Vertikalni sustav s otvorenim krugomIako se rijetko ugrauje, moe biti u inkovit i isplativ u sluaju prisutnosti izdanih podzemnih voda. Podzemna voda izravno se crpi iz jedne buotine, dovodi cijevima do objekta gdje predaje svoju toplinu geotermalnoj toplinskoj pumpi. Po izlasku iz nje voda se odvodi u drugu, utisnu, buotinu istog podzemnog sloja (akvifera) na dostatnoj udaljenosti od prve (proizvodne). Odvod se moe sprovesti i u tlo, rijeku ili jezero ukoliko ne postoji opasnost po okoli.3.2.1 GTP-sustav sa zatvorenim krugomGTP-sustav sa zatvorenim krugom oslanja se na tlo,stijene, podzemnu vodu,ili povrinsku vodu kako bi osigurao ili preuzeo toplinu. Kondukcijom ili konvekcijom provodi se toplina iz okoline (tlo,podzemna voda) na cijev geotermalnog izmjenjivaa sa koje se zatim konvekcijom odvija prijelaz topline sa povrine sti jenke cijevi na radni medij unutar cijevi fluidi ( voda, glikol ili antifriz ) koji cirkuliraju unutar izmjenjivaa uz pomo elektrine pumpe. Pri tome okolna voda ne ulazi u sustav.Uobiajeni vanjski sustav sa zatvorenim krugom sadri po lietilensku cijev ,koja se polae horizontalno u iskopani rov ili okomito u buotinu. Ta polietilenska cijev je izmjenjiva topline koji prenosi toplinu tla na fluid unutar sustava ,a prema isparivau toplinske pumpe.Veliina prijenosa topline ( konduktivitet-provodljivost ) izmeu vanjskog dijela cijevi i okolnog tla odreena je toplinskom provodljivo u tla. Ta se vrijednost koristi u jednadama za odreivanje duljine cijevi potrebne za postizanje adekvatnog prijenosa topline za ostvarivanje potrebne toplinske snage.Termiki karakter stijena prvenstveno ovisi o sastavu stijene, vlanosti tla, vegetaciji i lokalnim klimatskim uvjetima. Vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tlu prikazuje Tablica 3.11Tablica 3: Orijentacijske vrijednosti specifine topline koja se moe oduzeti tluVrsta tlaToplina koja se oduzima tlu, W/m2Suha pje ana tla10 - 15Vlana pje ana tla15 - 20Suha ilovaa20 - 25Vlana ilova a25 - 30Vrlo vlana ilova a, vodom natopljen pijesak30 - 403.2.2 GTP-sustav sa otvorenim krugomGTP-sustav sa otvorenim krugom ovisi o prisutnosti izvora podzemne vode koja bi omoguila izmjenu topline. Ovaj sustav ne sadri zasebno izol iran radni fluid kao to je to slu aj kod sustava sa zatvorenim krugom, ve kroz sustav uz pomo pumpe cirkulira voda. Kao izvor koriste se rijeke, jezera ili bunari. Veina sustava sa otvorenim krugom crpe vodu iz vlastitog bunara zbog zadovoljavajue kvalitete vode. Pri crpljenju vode iz rijeke i jezera problem predstavljaju neistoe koje se nakupljaju na situ usisa. Za sustav ove vrste koristi se pumpa veeg kapaciteta kako bi omoguila dovoljnu koliinu vode za potrebe toplinske pumpe. Nedostatak koritenja sustava sa otvorenim krugom j e mogunost kemijskih reakcija ( stvaranje kamenca ) to utje e na prijenos topline. Ako sustav koristi tvrdu vodu nuan je tretman omekavanja vode.Kod otvorenih sustava problem se javlja nakon prolaska vode kroz toplinsku pumpu tj.,da li vodu isputati u rijeku ili jezero ili je utiskivat i u drugi bunar to iziskuje dodatne trokove..3.2.3 Tip i duina cijevi krugaPolietilenske cijevi su jedini tip koji se preporuuje za vanjske krugove. Taj materijal je savitljiv,izrazito otporan na uvjete u okolini i ima zadovoljavajui prijenos topline. Trajnost polietilenskih cijevi garancijom je odreena na 30 godina. Cijevi se spajaju termikim procesom koji osigurava vrstu vezu.Duina cijevi ovisi o nekoliko bitnih faktora uklju ujui nain postavljanja cijevi, potrebnu energiju, klimatske uvjete, smjetaj kruga i toplin sku provodljivost tla.Prema Amerikim iskustvima duina za kW toplinske energije za p olietilensku cijev promjera 25mm pri normalnim uvjetima tla iznosi36 m za kW, ako se postavlja jednoslojno 55 m za kW, ako se postavlja dvoslojno 70 m za kW u promjerima krugova od po 1m, ako se postavlja zavojito 12Gdje zimi nema opasnosti od smrzavanja jezera i rijenih tokova polietilenska cijev uronjenau vodu bi bila vrlo uinkovit sustav sa zatvorenim krugom.3.3 Trokovi ugradnje toplinske pumpe za potrebe do mainstvaTrokovi ugradnje toplinske pumpe. ovise obrojnim imbenicima od lokacije,veliine iizoliranosti kue, do geolokog sastava tla.Dosadanja Njema ka iskustvana osnovigodinjeg prosjeka od 30 000 do 40 000 ugra enih toplinskih pumpi pokazuju da cijela instalacija grijanja toplinskom pumpom kota vie o d konvencionalnog centralnog grijanja.Tijekom uporabe nema dodatnih trokova (npr. plin,d rva,lo ulje) osim struje za pogon kompresora i cirkulacijske pumpe. Trokovima treba pribrojiti spremnik tople vode od oko 1500 litara, pufer ( spremnik s izmjenjivaem i dodatnim elektrinim grijaem ), ureaje za automatsku regulaciju, senzore, PE-X-cijevi i pripremu tla za ugradnju sonde ili podzemnog kolektora. Uz izvedbu podnog grijanja prosjeni sustav s toplinskom pumpom kota od 10 000 do 20 000 EUR. Pritom je struktura trokova bit no drukija , nema radijatora, prikljuenja na plinsku mreu i sl.(u nastavku je prikazana procjena trokova ugradnje toplinske pumpe u kuu povrine 60m 2).3.3.1 Potrebna ogrijevna snagaZa potrebe grijanja tipine nove kue na Novom Zelandu graene po propisanim standardima za to podneblje i ivotnim prostorom od 60 m 2 uzima se da je za ostvarivanje potrebne temperature u kui za vrijeme najhladnijih dana potrebna ogrijevna snaga od 1 kW na 10 m2 podnog prostora. Iz toga proizlazi da je za kuu od 60 m2 maksimalna potrebna ogrijevna snaga 6 kW.3.3.2 Kapitalni trokoviProcjena cijene geotermalne toplinske pumpe snage 6 kW,namijenjene samo za grijanje,iznosit e izmeu 6 000 $ i 7 500 $, ugradnja geotermalnog izmjenjivaa u lako obradivo pje ano tlo oko 2 300 $ i sustav podnog grijanja oko 2 500 $, to sveukupno iznosi oko 12 000 $ za cijeli sustav. Usporedbe radi instalacija plinskog sustava slinog kapaciteta iznosi 5 800 $.133.3.3 Operativni trokoviUteda grijanjem ku e povrine 60 m 2 geotermalnom toplinskom pumpom u usporedbi sa grijanjem na plin iznosi 797 $/god. Uz ovu sadanju godinju utedu tijekom 20 godina uz vrijednost diskontne stope od 8 % uteda bi iznosil a oko 7 825 $.3.3.4 Uinkovitost toplinske pumpeMjera energetske uinkovitosti sistema geotermalne toplinske pumpe ovisi o njenom koeficijentu uinkovitosti (COP-Coefficient of Performance). To je koliina toplinske energije koju isporuuje toplinska pumpa s obzirom na koliinu struje potrebne za rad toplinske pumpe. Ako topliska pumpa isporuuje 6 kW toplinske energije,a za to joj je potrebno 1,5 kW elektrine energije, tada ima koeficijent uinkovitosti (COP) = 4.COP=toplinski kapacitet(kW)/Potrebna elektrina energija(kW)Rad sustava geotermalne toplinske pumpe ovisi o uinkovitosti toplinske i cirkulacijske pumpe, o prijenosu topline u zemlji te o karakteristikama podzemne vode. Koeficijent uinkovitosti za geotermalnu toplinsku pumpu raste s porastom temperature tla. Uinkovitost sustava geotermalne toplinske pumpe u usporedbi sa ostali sistemima grijanja prikazana je na slici.KOEFICIJENT UINKOVITOSTIToplinska pumpa (izvor tlo)Toplinska pumpa (izvor podzemna voda)Toplinska pumpa (izvor zrak)Grijanje elektrinom energijomPlinsko centralno grijanje ili bojlerUljno centralno grijanje ili bojlerSlika 6: Usporedba uinkovitosti razliitih sustava grijanja14Za proizvodnju topline pomou kompresora s elektromotorom, pumpi treba elektrina energija. Meutim, u ukupnoj energetskoj bilanci, ova elektrina energija ini tek manji dio . Pumpe se razlikuju po uinkovitosti. (COP) 5 oznauje da toplinska pumpa proizvodi pet puta vie toplinske energije nego to je utroeno za pog on kompresora tj., da smo s jednim kilovatsatom elektrine energije proizveli pet kilovatsati iskoristive toplinske energije. Uinak ovisi o vrsti toplinskog izvora (tlo, voda, zrak) i snazi pumpe. Jaim kompresorima ili stupnjevanjem nekoliko krugova postiu se i vrlo vi soke temperature no ukljuivanjem takvih kompresora ili kombiniranjem nekoliko kompresorskih elektromotora smanjuje se ukupni uinak. Toplinskom pumpom lako je dosei temperaturu od +65C pa se mogu primjeniti i na starijim zgradama. Najekonominije su u dobro izoliranim kuama s niskotemperaturnim podnim grijanjem ( 22-25C ) gdje temperature od 35C omoguuju visoku ekonominost i potpunu udobnost. Za sluaj vrlo hladne i duge zime u spremnik se moe ugrad iti dodatni elektrini grija koji e povremeno dogrijavati vodu. U tom sluaju struja e u godinjim toplinskim potrebama sudjelovati s 5 do 10 posto.3.3.5 Temperaturne razlikeSustav toplinske pumpe funkcionira iskljuivo na osnovi temperaturnih razlika . to su temperaturne razlike vee, bri je i djelotvorniji prijenos topline. Pojedi ni tipovi klima ureaja rade kao toplinska pumpa koja zagrijava prostor oduzimanjem topline vanjskom zraku. U zimskim uvjetima brzo se postigne granica kada je vanjski zrak hladniji od medija u isparivau i ne moe mu prenijeti nikakvu toplinu. Ovo ogran ienje je glavna prednost geotermalnih toplinskih pumpi koje za izvor topline koriste tlo ili podzemne vode s malim temperaturnim oscilacijama.15PRIMJER PRORAUNA SUSTAVA GRIJANJA ZGRADE GEOTERMALNOM TOPLINSKOM PUMPOM Naredni primjer prorauna izveden je metodom analogije, iz slijedeih pravila:Za objekte zgrade prosje ne veliine (186 do 223 m2) potrebno je (10,6 do11,4 kW) toplinske snage, ovisno o klimatskim uvjetima Za vertikalne izmjenjivae uzima se (13 do 17 m/kW), a horizontalni moraju biti otprilike 30 % do 50 % dui Dubina ugradnje horizontalnih izmjenjivaa je (1,2 do 1,8 m) U primjeru koji sljedi izvest e se proraun duljine geotermalnog izmjenjivaa topline zagrijanje objekta povrine 150 m 2 i visine zidova 3 m.4.1 Dimenzioniranje buotinskog izmjenjiva a topline4.1.1 Proraun jedinine kvadrature prema ROTIz prethodno navedenog pravila (br- 1) odabran je najnepovoljniji sluaj (P0 = 11,4 kW za A0= 186 m2) iz kojeg proizlazi da je za zagrijavanje prostora povrne 186 m 2 potrebna toplinska snaga od 11,4 kW.Jedinina povrina za koju je potreban 1 kW toplinske snag e dobit e se putem obrasca (1)a =A0(1)P0a = 186 11,4= 16,32 m2/kW Proraun snage kondenzatora Proraun snage kondenzatora svodi se na proporcionalno odreivanje iste iz gore navedenih pravila za zadanu kvadraturu konkretnog objekta putem obrasca (2).Qkon =A(2)aA1 - povrina objekta od 150 m 216Uvrtavanjem poznatih vrijednosti o obrazac (2) izr aunat e se snaga kondenzatora kako slijedi;Qkon = 15016,32Qkon = 9,19 kW 9 kWPotrebna toplinska snaga za grijanje objekta povri ne 150 m2 iznosi dakle 9 kW.4.1.3 Odabir kompresoraZa konkretan sluaj odabran je kompresor stupnja iskoristivosti (COP Coefficient of Performance) kako slijedi;COP(a) = 3,5to drugim rije ima znai da za 1 kW ulazne snage kompresor daje 3,5 kW izlazne snage17Odreivanje snage isparivaa, potrebne povrine zemljita za GT izmjenjiva i duljine izmjenjivaa Traeni parametri o itavaju se iz posebnog nomograma prikazanog na slijedeoj slici priemu je potrebna toplinska snaga izraunata u poglavlju 4.1.2 ulazni parametar.snagaisparivaau kWIzlazpovrina tla u m 2toplinska snaga u kW3279Legenda vrijednosti koje ovise660o vrsti tla(1)Tlo visoke provodljivosti(2)Tlo srednje provodljivosti idobre ekspozicijeDuljina cijeviizmjenjivaa u m(3)Tlo srednje provodljivosti i(4)srednje ekspozicijeSuho tlo slabe provodljivostiSlika 7: Nomogram za dimenzioniranje horizontalnog geotermalnog izmjenjivaa topline (Reu , Sanner 2001)4.1.4.1Postupak odreivanja parametara iz nomogramaU nomogram se unosi vrijednost toplinske snage kondenzatora (Qkon = 9 kW) kao ulazni parametar Tragom crvene linije koja se povlai uspravno do vrijednosti stupnja iskoristivosti kompresora - COP(a) = 3,5, a zatim vodoravno do odabrane topline koja se oduzima tlu. Ista se moe uzeti iz tablica (primjer Tabli ca 3), a za konkretan sluaj vodi se do linije (2) - Tlo srednje provodljivosti i dobre ekspozicije na nomogramu i iznosi 20 W/m2. Pri tome se na presjecitu vodoravne crvene linije i ordinate oitava vrijednost snage isparivaa, a ista za konkretan sluaj iznosi (Qisp = 6,5 kW). 18Na daljnjem, okomitom putu crvene linije do linije (2) - Tlo srednje provodljivosti i dobre ekspozicije. Ista sjee apscisu na kojoj se oitava potrebna povrina tla za postavu geotermalnog izmjenjivaa. Potrebna povrina tla za konkretan slu aj iznosi 327 m2. Konano, crvena linija vodi se od presjecita s linijom (2) vodoravno na ordinatu, gdje se oitava potrebna duljina cijevi izmjenjivaa. Za konkretan sluaj ista iznosi 660 m. U narednoj tablici (Tablica 2) pregledno su prikazane oitane vrijednosti dimenzioniranjageotermalnog izmjenjivaa.Tablica 4: Rezultati dimenzioniranja GT izmjenjivaaUlazni podaciIzlazni podaci (iz nomograma)OpisVrijednost i jedinicaOpisVrijednost i jedinicaQkon9 kWQisp6,5 kW3,5327 m2COP(a)Potrebna povrina tlaToplina koja se20 W/m2Potrebna duljina660 moduzima tlucijevi izmjenjivaa4.1.4.2Provjera tonosti odreenih parametaraSnagu kondenzatora predstavlja zbroj snaga kompresora i isparivaa to pokazuje slijede i obrazac:Qisp + Pkomp = Qkon(3)Snagu kompresora mogue je izraunati po slijedeem obrascu:Pkomp =Qkon(4)COP(ba)a uvrtavanjem poznatih vrijednosti u gornji obraza c izraunata je snaga kompresora i iznosi kako slijedi9Pkomp =3,5Pkomp = 2,57 kWUvrtavanje196,5 + 2,57 = 9,07 9 kW4.2 Proraun ciklusa toplinske pumpe4.2.1 Izraun volumena objektaUlazni podaci za proraunPovrina objekta A = 150 m 2Visina zidova h = 3mIz gornjih podataka rauna se volumen objekta prema obrascuV = A h(5)V = 150 3V = 450 m34.2.2 Izraun ogrijevnog faktoraMetodom analogije za odabrani sluaj (P0 = 11,4 kW za A0 = 186 m2) slijedi4.2.2.1 Odreivanje volumenaV0 = A0 h(6)V0 = 186 3V0 = 558 m34.2.2.2 Izraunavanje ogrjevnog faktoraf =Pt0(7)V 0f = 11,4 558f = 0,02 kW/m2Iako se u novije vrijeme, kao medij, koriste mediji manje tetni za okoli, u konkretnom proraunu uzet je freon 12 zbog dostupnosti faznog dijagrama potrebnog za oitavanjeentalpija.204.2.3 Odreivanje entalpijaU procesu grijanja temperatura kondenzatora je 60 C, a u isparivau -3 C.Iz faznog dijagrama (freon 12) CF2Cl2 oitavaju se vrijednosti entalpija. Fazni dijagram prikazan je na slijedeoj slici (Slika 8).2314Slika 8: Fazni dijagram freon 12 (CF2Cl2)Oitane vrijednosti entalpija su kako slijedi:i1 = 574 kJ/kgi2 = 606 kJ/kgi3 = i4 = 480 kJ/kg4.2.4 Kondenzator (Toplina koja se oslobaa u kondenzatoru)q = i2 i 3(8)q = 606 480q = 126 kJ/kg4.2.5 Ispariva (Rashladni uin)q0 = i1 i 4(9)21q0 = 574 480q0 = 94 kJ/kg4.2.6 Kompresor (Utroeni rad kompresora)je = i2 i 1(10)je = 606 -574e = 32 kJ/kg4.2.6.1Kontrola.q0 + je = q(11)94 + 32 = 126126 kJ/kg = 126 kJ/kg4.2.7 Ogrjevna toplinaQ = V f(12)Q = 450 0,02Q = 9 kW4.2.8 Dobava freonaDf =Q(13)q9Df =126Df = 0,071429 kg/sDf = 257,1429 kg/h4.2.9 Snaga kompresoraPkom = e Df(14)Pkom = 32 257,1429Pkom = 8228,571 kJ/hPkom = 2,29 kW22Toplina isparavanja Q0 = q0 Df(15)Q0 = 94 257,1429Q0 = 24171,43kJ/hQ0 = 6,71 kWStupanj djelovanja =Q (16)Pkom9 =2,29 = 3,93235ZAKLJUAKRaspoloivost fosilnih goriva, plina i nafte, vreme nski je ograniena. Izgaranjem fosilnih goriva dolazi do emisije staklenikih plinova u atmosferu i do nepovoljnih klimatskih promjena. Zbog toga se u energetskom sektoru sve vie razmatraju mogu nosti primjene obnovljivih izvora energije to, donoenjem zakona iz podruja proizvodnje i potronje energije te iz podruja zatite okolia, stimuliraju i pojedine drave.Ovu problematiku u RH tretiraju Zakon o energiji i Zakon o zatiti okolia. U Zakonu o energiji donesena je Strategija energetskog razvitka kojom se odreuju temeljne smjernice energetskog razvitka Republike Hrvatske. Strategija se oituje kroz poveanje energetske uinkovitosti, sigurnu dobavu i opskrbu, diverzifikaciju energenata i izvora, koritenje obnovljivih izvora energije, realne cijene energije i razvitak energetskog trita i poduzetnitva, zatitu okolia (smanjenje uporabe f osilnih goriva, smanjenje emisija staklenikih plinova). Zakonom o zatiti okolia osigurava s e racionalno koritenje prirodnih izvora i energije na najpovoljniji nain za okoli, kao osnovni uvjet zdravog i odrivog razvoja. Zakonom je predvieno poticanje koritenja obnovljivih prirodnih izvo ra i energije, pa se tako posebnim zakonom mogu odrediti olakice i oslobaanje plaanja poreza, carina i drugih javnih prihoda za koritenje obnovljivih izv ora energije, opreme i ureaja koji pridonose zatiti okolia.Razvijene evropske zemlje (primjer Njemaka) donesle su stimulativne mjere u obliku kredita s povoljnim kamatama i vladinih donacija za ugradnju tedljivih tehnologija (solarni kolektori i toplinske pumpe), a distributeri elektrine energije nude potpore za pogon toplinske pumpe u obliku povoljnih tarifa za struju.Geotermalne toplinske pumpe predstavljaju jedan od naina koritenja geotermalne energije, kao obnovljivog izvora, za proizvodnju toplinske energije. Nakon otklanjanja poetnih tehnikih nedostataka, toplinske pumpe danas predstavljaju energetski uinkovit, pouzdan ekonomian i ekoloki prihvatljiv sustav grijanja. Zna ajno je produljen vijek trajanja svih elemenata sustava, tako da su neki od ureaja u uporabi vie od 25 godina.Razvoj novih tehnologija, stjecanje novih znanja i sve ira primjena, raznolikih izvedbi i konfiguracija geotermalnih izmjenjivaa, zajedno s razliitim moguim izvedbama sustava grijanja unutar zgrada (radijatori, podno grijanje) omoguuju primjenu istih u objektima raznih namjena i veliina.24Iz svega navedenog proizlazi da postoje neki od preduvjeta (tehniko-tehnoloki, geoloki, klimatski pa i legislativni) za iru primjenu geote rmalnih toplinskih pumpi u Republici Hrvatskoj, dok konkretni programi i mjere potpore jo nedostaju.25LITERATURA BUDIN, R., MIHELI-BOGDANI, A. 2002. Osnove tehnike termodinamike. 2 dopunj. i izmijenj. Izd. Zagreb: kolska knjiga REU , M., SANNER, B., 2001. Design of Closed-Loop Heat Exchangers. U: International summer school On Direct application of Geothermal energy, 17.-22.09.2001.: chapter 2.5, str.147-156. LUND, W., J., 2001. Design of Closed-Loop Geothermal Heat Exchangers in the U.S.. U:International summer school On Direct application of Geothermal energy,17.-22-09.2001.: chapter 2.4, str. 134-146. THAIN, I., REYES, A.G., HUNT,T., 2006. A Practical Guide to Exploiting Low Temperature Geothermal Resources, Lower Hutt: GNS Science Report, 2006. GEOTHERMALSYSTEMS IRELAND LTD., 2004., Geothermal brochure URL: http://www.earthwisescotland.co.uk/Tech/Downloads/brochure. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE), 1999.Geothermal Heat Pumps for Federal Buildings. URL: http://www.eren.doe.gov/geothermal/ LUND, J., SANNER, B., RYBACH, L., CURTIS, R., HELLSTR M, G., 2004. Geothermal (Ground-Source) Heat Pumps a World Overview U: Geothermal Heating Convention Bulletin, September 2004, str. 1-10. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE), 1998. Geothermal Heat Pumps Make Sense For Homeowners. URL: http://www.eren.doe.gov/geothermal/ HRVATSKI SABOR., 19.07.2001. Zakon o energiji. URL: http://ops.hep.hr/ops/dokument/zakoni/zakon_o_energiji. (01.06.2007). HRVATSKI SABOR, 27.10.1994. Zakon o zatiti okolia . URL: http://wmd.hr/zakoni-narodne-novine/zakon o zatiti okolia/ 26