suncokret

Obnovljivi izvori energije

PRIMENA TOPLOTNIH PUMPI U POVRTARSTVU I DOMAĆINSTVU

Dr Miladin Brkić, red. prof. Poljoprivredni fakultet, Novi Sad

Toplotna "pumpa", "termopumpa" ili "dizalica toplote", kao uređaj,  obezbeđuje prenos toplote sa tela niže na telo više temperature, pri malom utrošku rada.  Kao izvor toplotne energije toplotne pumpe mogu da koriste: spoljni okolni vazduh, geotermalne vode, otpadne vode, reke, jezera, mora, zemljište, sunčevu energiju i druge izvore toplote.
Toplotne pumpe predstavljaju radne rashladne mašine kod kojih se dovođenjem rada nekoj materiji u termodinamičkom ciklusu obezbeđuje prenos toplote sa tela niže na telo više temperature. Za razliku od klasičnih rashladnih uređaja (hladnjaka, zamrzivača), toplotne pumpe služe, osim za hlađenje, i za grejanje nekog prostora – materije (vazduha ili vode) na račun odvođenja toplote iz okoline. Ta okolina predstavlja toplotni izvor koji se nalazi na nižoj temperaturi od temperature grejanog prostora. Taj prostor može da bude: plastenik, staklenik, štala, radionica, hala, kuća ili zgrada. Ovaj prenos toplote ostvaruje se uz određen utrošak rada, koji je niži od utroška rada na klasičan način. Praktično, rad toplotnih pumpi u tehnici bazira se na mogućnosti korišćenja dela toplote toplotnog izvora, koji ima nižu temperaturu od one koja je potrebna korisniku toplote. Ovaj uređaj za sredstvo grejanja ne koristi električne grejače, nego paru rashladnog sredstva koja se nalazi unutar same instalacije i obavlja kružni proces.

U toplotnoj pumpi nalazi se rashladna instalacija koja najčešće koristi pare rashladnih sredstava R 407C, R 410 A ili R 134 A, sa rashladnim kapacitetom od 5 - 183 kW i sa grejnim kapacitetom od 5,5 - 204 kW. Rashladno sredstvo u tečnom stanju na pritisku okoline prolazi kroz isparivač (zmijastu cev), prima toplotu od toplotnog izvora (materija niže temperature od grejanog prostora), isparava, kompresor tu paru sabija, troši izvesnu količinu rada i podiže temperaturu pare na temperaturu okoline, istovremeno podiže se i pritisak pare, para prolazi kroz kondenzator (zmijasta cev-rešetka iza frižidera), toplota prelazi sa pare na okolni vazduh (ili vodu), para se kondenzuje (utečnjava), a pritisak rashladnog sredstva ostaje povišen. Da bi grejni ciklus mogao da se zatvori, tečno rashladno sredstvo se prigušuje u prigušnom ventilu ili u kapilarnoj cevi, do postizanja pritiska okoline. Ovo prigušivanje zove se "adijabatsko prigušivanje", tj. bez dovođenja i odvođenja toplote. Prigušena tečnost ekspandira, širi se izentalpski i smanjuje joj se pritisak na pritisak okoline. Kondenzovana i prigušena rashladna tečnost odvodi se u isparivač i na taj način zatvara se grejni ciklus. Na ovaj način "pumpa" (prebacuje) toplotnu energiju sa tela niže temperature (voda, zemljište, vazduh) u prostor koji se zagreva (vazduh, voda, zemljište, sušara i dr.).
    Za spoljnju temperaturu vazduha veću od +5°C utrošak električne energije je tri puta manji za grejanje sa toplotnom pumpom.
    Na sl. 1 šematski je prikazan proces grejanja prostora. Ovakav kružni proces (ciklus) koristi toplotna pumpa koja ima prevashodni zadatak da obezbedi grejanje u zimskom periodu, a hlađenje u letnjem i da održava određenu temperaturu u prostoru. Dakle, toplotna pumpa može da se iskoristi i za hlađenje nekog prostora (klima komora), ako se isparivač postavi u taj prostor. U tom slučaju "pumpanje" toplote obavlja se u suprotnom smeru, tj. iz prostora za hlađenje u prostor za grejanje. U letnjem periodu toplotna pumpa može da služi za rashlađivanje prostora (štale, staklenika, plastenika, itd).
    Toplotne pumpe proizvođača "Alfa klima", Knjaževac, su tipa AK TP "voda-voda" ili "vazduh-voda" (oznaka VW). Rashladno sredstvo (fluid) je: R 407C i R 410 A. Kompresor je hermetički zatvoren. Isparivač i kondenzator su koaksijalni. Regulacija rada uređaja je automatska.

 
Slika 1. Toplotna pumpa u procesu grejanja

    Voda sa temperaturom višom od 8°C je veoma pogodan izvor toplotne energije za stabilan rad agregata preko cele godine, bez obzira na spoljašnje temperature vazduha. Kao odličan izvor toplotne energije pokazala se geotermalna ili podzemna voda, koja ima višu temperaturu od 8°C. Za geotermalnu ili podzemnu vodu potrebno je iskopati 2 ili 4 bunara, jedan ili dva za izvor vode, a jedan ili dva za vraćanje iskorišćene vode u zemlju. Dubina bunara za podzemnu vodu treba da je preko 15 m, zavisno od mesta i fizičkih karakteristika zemljišta. U zavisnosti od temperature i izdašnosti toplotnog izvora (vode) ovim uređajima može da se ostvari visok stepen grejanja i hlađenja (leti). Transformacijom energije iz toplotnog izvora u sekundarnom kolu instalacije za klimatizaciju obezbeđuje se realni stepen grejanja (od 3,2 do 4 puta jeftiniji od kWh električne energije). Instalacije s ovim tipom toplotnih pumpi obezbeđuju ekonomičnije zagrevanje objekata i veću ispravnost investicije.
    Toplotnom pumpom zagreva se voda: za podno i vazdušno centralno grejanje prostora, pripremu sanitarne tople vode i za tehnološke procese grejanja i hlađenja proizvoda. Potiskivanje okolnog vazduha preko isparivača u primarnom kolu obavlja se ventilatorom ili ventilatorima, zavisno od kapaciteta toplotne pumpe. Zagrejana voda u sekundarnom krugu potiskuje se cirkulacionom pumpom.
    Uređaj toplotne pumpe ima oblik sanduka. Dimenzije toplotnih pumpi, kao kompaktnih uređaja, iznose: širina 0,6 do 2,3 m, debljina (dužina) 0,6 do 1,0 m i visina 1,1 do 1,2 m.
    U prodaji se nalaze rešenja toplotnih pumpi s oznakama VW: 40, 50, 64, 80, 100, 125, 160, 200, 320, 480 i 640. Rashladni kapacitet toplotnih pumpi iznosi od 11,7 do 182,4 kW, grejni kapacitet od 13,4 do 203,2 kW, apsorbovana snaga 6,6 do 50 kW protok fluida kroz sekundarno kolo 2,5 do 64,8 m3/h, a kroz primar 1,7 do 13,28 m3/h. U uređaj može biti instalisano više kompresora što zavisi od rashladnog kapaciteta. Električne karakteristike toplotne pumpe su: jačina električne energije 7 do 90 A, napon 380 V i frekvencija 50 Hz. Na slici 2 prikazan je spoljašnji izgled toplotne pumpe tipa AK TP – "voda – voda", "Alfa klima" u Knjaževcu.

 
Slika 2. Spoljašnji izgled toplotne pumpe tipa AK TP – "voda – voda", "Alfa klima"

Na slici 3 i 4 šematski je prikazana instalacija toplotne pumpe sa dva  ili četiri bunara.

Slika 3. Šematski prikaz toplotne pumpe tipa "voda – voda"
sa četiri bunara podzemne vode
Slika 4. Šematski prikaz toplotne pumpe sa dva ili četiri bunara


    Toplotne pumpe "Atlas termal" firme "Lumen" iz Slovenije su tipa "voda-voda" ili "vazduh-voda". Toplotne pumpe ovog proizvođača su najefikasnije ukoliko se koriste na objektima sa podnim grejanjem, a mogu da se koriste i na sistemima grejanja sa radijatorima ili grejnim registrima iznad poda, dok neki modeli toplotnih pumpi imaju mogućnost da greju sanitarnu vodu za domaćinstvo. Prednost ovih toplotnih pumpi jeste ta što ima odnos uložene i dobijene energije, koji se naziva koeficijent iskorišćenja ili na engleskom skraćeno C.O.P. i kreće se od 1:3 pa čak i do 1:5, tako da, na primer, za uloženih 1 kWh električne energije može da se dobije 3-5 kWh toplotne energije, u zavisnosti od vrste toplotne pumpe, vrste sistema grejanja i izvora toplote iz prirode. Na sl. 5 šematski je prikazana primena toplotne pumpe "Atlas termal", firme "Lumen" u Sloveniji.

 


Slici 5. Šematski prikaz primene toplotne pumpe "Atlas termal"
(1 - jedan bunar, 2 – dva bunara, 3 – vazduh-voda, 4 – ukopana "zmijasta cev" u zemljište)


    Toplotna pumpa firme "Tera term" u Subotici funkcioniše kao rashladni uredjaj koji je u stanju da eksploatiše toplotnu energiju zemlje. 65-75 % od stvorene toplotne energije za grejanje, toplotna pumpa crpi iz zemlje, a ostatak toplote 35-25 % se stvara korišćenjem električne energije za pokretanje elektromotora kompresora, bunarske i cirkulacione pumpe. Iz bunara u toplotnu pumpu bunarska pumpa transportuje toplotnu energiju posredstvom podzemne vode. Podzemna voda stalno ima temperaturu od 13-14°C, toplotna pumpa je u stanju da od ove relativno hladne vode oduzima toplotnu energiju, ohladivši je na 6-10°C. S ovog relativno hladnog nivoa, korišćenjem električne energije kompresor podiže nivo toplotne energije na željeni stepen, od 25-50°C. Tako stvorenu toplotnu energiju kružno strujeća voda transportuje u grejna tela. Cirkulaciona pumpa vrti grejnu vodu. Veća je ušteda ako grejna tela imaju veću površinu, tada i sa hladnijom grejnom vodom se postiže željena temperatura u prostoru koji se greje, a toplotna pumpa ekonomičnije radi. Primena radijatora je moguća, ali zahteva ugradnju više rebara. Postoje celishodna rešenje za primenu podnog, visinskog, plafonskog ili zidnog grejanja. Kod dobro izvedenog podnog grejanja temperatura polazne grejne vode nikada ne prelazi 35°C. Na slici 6 prikazana je blok šema geotermalne toplotne pumpe firme "Tera term" u Subotici.

 

 Sl. 6 Blok šema geotermalne toplotne pumpe "Tera term"

    Toplotne pumpe tipa PHRV, PMHRV, PMERV/PMHRV – "voda – voda", proizvođača "Technibel", Francuska su sličnih tehničkih karakteristika kao pumpe "Alfa klima" u Knjaževcu. Toplotna pumpa je izgrađena u obliku sanduka. Dimenzije toplotne pumpe su: širina 0,975 do 2 m, debljina (dužina) 1,05 do 2,2 m i visina 1,175 do 2 m.
Oznake pumpe tipa PHRV su: VW22, 25, 32 i 36, tipa PMHRV su: VW2044, 2050, 2064 i 2072 i PMERV/PMHRV su: VW2088, 2100, 2128 i 2144. Rashladni kapacitet toplotnih pumpi iznosi od 20,8 do 139,3 kW, grejni kapacitet od 24 do 163 kW, protok fluida kroz sekundarno kolo 4,21 do 27,0 m3/h, maksimalni pritisak grejanja  25 do 185 kPa. U uređaj može biti instalisano više kompresora, što zavisi od rashladnog kapaciteta. Električne karakteristike toplotne pumpe su: maksimalna snaga 11,8 do 66 kW, jačina električne energije 22,7 do 108 A, napon 440 V i frekvencija 50 Hz. Delovi pumpe su slični s ostalim pumpama. Regulacija rada pumpe je automatska. Na slici 7 prikazan je izgled toplotne pumpe proizvođača "Technibel" u Francuskoj.
Toplotne pumpe "Standard" i "Standard plus", tip EARW "voda-voda" i "vazduh-voda", proizvođača "Aros Umwelttechnik" iz Berlina, Nemačka, imaju slične tehničke karakteristike, kao i ostale toplotne pumpe.

Slika 7. Spoljašnji izgled toplotne pumpe tipa PMERV/PMHRV – "voda – voda"
(tipa 2088; 2100; 2128; 2144)

Faktor grejanja toplotne pumpe:
Faktor grejanja pokazuje koliko puta više energije se dobija iz uređaja od električne
energije, koju uređaj troši za svoj pogon. Faktor grejanja zavisi od vrednosti temperature
prostorije T, koja se greje i razlike temperature prostorije T od temperature okoline To.

ηg = Qod/Lk = (Qd + Lk)/Lk = T/(T – To) > 1

gde su:
Qod – odvedena količina toplote od pare rashladnog fluida , ,
Lk – rad kompresora  , ,
Qd – dovedena količina toplote rashladnom fluidu od toplotnog izvora , ,
T – temperatura prostorije koja se greje [°C],
To – temperatura okolnog vazduha [°C],

Faktor hlađenja toplotne pumpe
Faktor hlađenja pokazuje koliko puta više energije se dobija iz uređaja od električne
energije, koju uređaj troši za svoj pogon. Faktor hlađenja zavisi od vrednosti temperature
okoline To i razlike temperature T postorije koja se hladi od temperature okoline To.

ηh= Qd/Lk = Qd/(Qod + Qd) = To/(T – To) <=> 1  

Postupak određivanja veličine površine za grejanje
Ako se pretpostavi da je za grejanje 1 m2 površine plastenika potrebno obezbediti 250 W/m2, onda
može da se izračuna potrebna snaga  toplotne pumpe, ukoliko je poznata ukupna vrednost zagrevne površine. Na primer, ako je površina koju obuhvataju plastenici 800 m2, onda je potrebno nabaviti toplotnu pumpu za grejanje plastenika termičke snage od 200 kW, ili za površinu od 400 m2, potrebna je dvostruko manja snaga, toplotna pumpa od 100 kW.

:: Obnovljivi izvori energije :: PRIMENA TOPLOTNIH PUMPI U POVRTARSTVU I DOMAĆINSTVU ::