Могућност примене топлотне пумпе за загревање школског објекта

Transcription

1 Могућност примене топлотне пумпе за загревање школског објекта Милан Јанковић 361/2012 Факултет Техничких Наука, Чачак Техника и Информатика, 2012/2013 Ментор рада: проф. др Снежана Драгићевић Апстракт У овом раду је престављена анализа система грејања основне школе помоћу топлотне пумпе. Представљена су три начина уградње ових система, кроз енергетске, еколошке и економске аспекте. Као помоћ у прорачуну коришћен је софтвер RETScreen, који служи за анализу пројекта чисте енергије. Кључне речи топлотна пумпа, грејање, енергија земље, RETScreen 1 УВОД Одржавање пријатне температуре унутар зграде може захтевати значајну количину енергије. Одвојени системи грејања и хлађења се често користе да одрже жељену темепературу ваздуха, а енергија потребна за рад ових система углавном долази из струје, фосилних горива или из биомаса. С обзиром да 46% Сунчеве енергије апсорбује земља, није много потребно да се схвати да се баш ова енергија може користити за загревање и хлађење зграда. За разлику од многих других извора енергије које је потребно транспортовати на велике удаљености, енергија земље се налази на лицу места и у веома великим количинима. Температура земље се веома полако мења током месеци, па чак и током година, зависно од дубине мерења, а разлози за то су што земља траснпортује топлоту веома полако и што поседује веома велики капацитет за складиштење топлоте. Као последица ове ниске проводљивости, земљиште може да пренесе топлоту из сезоне хлађења на сезону грејања. Топлота која је апсорбована током лета, ефикасно се може искористити током зиме. Тако овај годишњи, непрекидни циклус између ваздуха и тла резултира потенцијалом термалне енергије која помаже код грејања и хлађења. Још једна термална карактеристика тла је та да на неколико метара испод површине земље изолован слој земље и подземне воде има смањену амплитуду осцилација температуре, у односу на температуру ваздуха изнад земље. Ова топлота земље и подземне воде испод површине обезбеђују бесплатан извор обновљиве енергије која може лако да обезбеди довољно енергије током целе године за грејање и хлађење. Топлотна пумпа траснформише ову енергију земље у корисну енергију за грејање и хлађење. Она функционише на принципу фрижидера или клима уређаја и ослања се на екстерни извор енергије обично електрична енергија којим концетрише топлоту и повећава температуру. Сваки киловат (kw) електричне енергије искоришћен за рад топлотне пумпе привуче више од 3kW обновљиве енергије из земље. У овом раду ћемо уз помоћ RETScreen програма анализирати три начина за уградњу система топлотних пумпи: Топлотне пумпе које користе подземне воде као извор топлоте Топлотне пумпе које користе земљу као извор топлоте хоризонтални измењивачи топлоте Топлотне пумпе које користе земљу као извор топлоте вертикални измењивачи топлоте 2 ПРИМЕНА RETSCREEN ПРОГРАМА У АНАЛИЗИ КОРИШЋЕЊА СИСТЕМА ТОПЛОТНЕ ПУМПЕ The RETScreen Ground-Source Heat Pump Project Model се користи за процену система топлотних пумпи са земљаним извором топлоте, било да су у питању велике пословне, институционалне, индуструјске или мале стамбене зграде. Слика 1- линија менија у RETScreen програму

2 Основни елементи пројекта креирани у програму су: Почетни подаци Енергетски модел Алати 2.1 Почетак Почетак пројекта је основни лист који представља основне податке о самом пројекту. Из базе готових пројеката изабран је тип пројекта, у конкретном случају Топлотна пумпа и уносе се следећи подаци: Назив пројекта Аутор пројекта Локација пројекта Тип пројекта Технологија Језик Валута Након избора и уноса тражених података, почетна страна ће изгледати као на слици 2. Слика 2 - Почетна страна 2.2 Климатски подаци за локацију Прорачун и анализа спроведени су за Основну школу на локацији града Чачка, па су самим тим и климатски подаци подешени за ту локацију У табели 1. приказани су климатски подаци за изабрану локацију града Чачка који су коришћени у даљој анализи.

3 Јединица ТАБЕЛА I. КЛИМАТСКИ ПОДАЦИ ЗА ЛОКАЦИЈУ Локација климатских података Локација пројекта Географска ширина N Географска дужина E Елевација m Климатски подаци Месец Т. ваздуха ( С) Т. земље ( С) Г. степен дани Х. степен дани Јануар Фебруар Март Април Мај Јун Јул Август Септембар Октобар Новембар Децембар Годишње Енергетски модел Енергетски модел представља и најважнији део пројекта. Састоји се из три дела: Пројекта грејања Анализе емисије штетних гасова Анализе финансија Прва два дела су иста за сва три случаја и у следећих пар корака ћемо их приказати. Слика 3 - Основни подаци о моделу система топлотних пумпи Као што је и приказано на слици енергерког модела, величине које се уносе у сам модел су: Површина подног грејања зграде: 4236 (m 2 ) Оптерећење грејања за зграду: 90 (W/ m 2 ) Основна потреба домаћинства за загревањем топле воде: 5%

4 Након унесених података које захтева софтвер, исти нам и обрачунава потребан капацитет грејања који систем топлотне пумпе треба да задовољи, а то је и укупан капацитет грејања већ постојећег система и он износи kw са укупном достављеном топлотом од MWh. Оно што топлотним пумпама даје велику предност у односу на конвенционалне методе грејања је висока сезонска ефикасност која у овом случају износи 400% и она искључиво зависи од типа топлотне пумпе и од њеног СОР-а (две пумпе по 4.4 и једна од 4.2), на основу ње приметна је разлика у количини потрошеног горива, што се може видети и са слике. Слика 4 Основно оптерећења система за грејање Видимо да је снага грејања (капацитет) и достављена топлота у оба случаја идентична, али количина потрошеног горива како би се тај капацитет задовољио је знатно већа код већ постојећег система и за њу је потребно L нафте, док је за топлотну пумпу која задовољава 381.2kW грејног капацитета потребно само 199 MWh електричне енергије, остала достављена топлота се црпи из земље системом топлотне пумпе, што значи да извор из земље обезбеђује 292kW, a сама топлотна пумпа око 95kW. Преведено у трошкове, за већ постојећи систем грејања је потребно издвојити око на нивоу године, док је за систем грејних пумпи потребно око Снага (топлота) која се мора преузети из извора топлоте једнака је снази испаривача и износи: Снага грејања: 381kW, СОР: 4.3 Снага испаривача = Након избора свих података и приказа резултата следи анализа емисије штетних гасова на нивоу региона као и утицај на емисју стаклене баште. Може се приметити да у основном случају емисија гасова стаклене баште износи tco2 док у предложеном случају износи свега tco2. Слика 5 Емисија штетних гасова Слуачај 1 Систем топлотних пумпи подземне воде Специфични трошкови пројекта које програм рачуна укупно износе у које су укључени пумпа за бунар, циркулациона пумпа, измењивач топлоте, бушење, малтерисање, арматура, вентили, цеви итд. Када се са овим трошковима сабере и цена три топлотне пумпе које су потребне за целокупан систем, за ARTEL HP-4*26H (104kW) пумпу и за две ARTEL HP-4*36H (144kW) пумпе, укупни трошкови система износе На крају програм даје и финансијску анализу која обухвата почетне и укупне годишње трошкове и повраћај капитала за анализирани систем топлотних пумпи. Програм врши анализу на основу следећих података: Степена инфлације: 6% Века трајања пројекта: 20 година Укупних трошкова инсталације и одржавања система: Трошкова горива (топлотне пумпе): Трошкова горива (постојећи систем):

5 Слика 6 Аналииза трошкова-случај 1 Слика 7 Кумулативни прилив новца-случај 1 Са графика може се видети да је на самом почетку добит корисника у минусу због уложених средстава у изградњу система. Повраћај уложеног капитала очекује се након 3.1 годинe. У разматрање је узет период трајања пројекта од 20 година и процењено је да за тај период добит износи близу од Слуачај 2 Систем топлотних пумпи затворена вертикална петља Специфични трошкови пројекта су знатно већи у односу на претходни случај и износе , највише због компликоване уградње цеви и дубоких рупа у које се ове цеви убацују. Усвојена површина земљишта је 1600м 2, а дужина бушотине 5316м. Број рупа би требало да буде ограничен на 55, јер по правилу, рупа не би требало да премашује 100м, зависно од врсте земљишта. Свеукупни трошкови рачунајући и три топлотне пумпе (исти произвођач и тип као у претходном случају) износе Анализа финансија је слична као у преходном случају, једина разлика је почетним трошковима који износе

6 Слика 8 Кумулативни прилив новца-случај 2 Као што смо већ поменули почетни трошкови су знатно већи од претходног случаја и износе , а са графика можемо видети да је повраћај капитала очекиван за око 4.5 година. У разматрање узет је период трајања пројекта од 20 година и процењено је да за тај период добит износи нешто више од , што је нешто мање у односу на први случај Слуачај 3 Систем топлотних пумпи затворена хоризонтална петља Битна разлика овог система грејања топлотном пумпом у односу на систем вертикалне петље је у томе што захтева већу површину земље (8200м 2 ), али је неупоредиво јефтинији, скоро 5 пута. Иницијални трошкови копања, затрпавања, циркулационе пумпе и осталих трошкова пројекта износе , а укупан систем кошта Дужина петље ће износити 6707м, а самим тим дужина рова, за који смо рекли да је два пута мањи због двослојног слагања црева, ће износити 3354м. Слика 9 Кумулативни прилив новца-случај 3 Са стопом инфлације од 6% за период од 20 година, овај систем ће се исплатити за само 1.8 година, кумулативни прилив новца је велики и на крају у двадесетој години систем ће се вишеструко исплатити, тако да ће добит бити нешто више од

7 3 ЗАКЉУЧАК Резултати које смо добили током анализе сва три описана система грејања топлотном пумпом су: први случај (систем подземних вода) почетни трошкови трошкови који се односе на уградњу система износе , величина захтеваног земљишта је 1547м 2, а повраћај уложеног новца се остварује након 3.1 године; други случај (вертикално постављени измењивачи топлоте) почетни трошкови су , величина захтеваног земљишта је 1547м 2, а повраћај капитала је очекиван за око 4.5 година; трећи случај (хоризонтално постављени измењивачи топлоте) почетни трошкови , величина захтеваног земљишта је 8177м 2 очекивања су да ће се уложени новац вратити после само 1.8 година. Оно што је заједничко за сва три случаја је смањена емисија гасова стаклене баште за tco 2 као и смањење трошкова горива за Сваки од ова три случаја има своје предности и мане. Гледано са економског аспекта, најисплативији је трећи случај где имамо систем топлотне пумпе са хоризонталним измењивачима топлоте, али он захтева велику количину земљишта, па са те тачке гледишта бољи избор представљају прва два случаја, где први захтева геотермални извор воде, а други велике почетне трошкове. На основу свега приложеног можемо закључити да је систем топлотних пумпи који користи топлотну енергију земље добра алтернатива необновљивим изворима енергије. ЛИТЕРАТУРА [1] Билић, Ф., Дизалице топлине у уређајима за гријање и климатизацију, Специјано издање часописа КГХ, Zagreb, (1979) [2] Јун 2013 [3] RETScreen International Clean Energy Support Centre. ( ). Clear Energy Project Analysis: RETScreen Engineering and Cases Textbook. Retrieved from: [4] Јун 2013 [5]