ENERGETSKI SUSTAVI PREDAVAČ: prof. dr. sc. Veljko Filipan, dipl. ing. stroj. 1) FKIT Sveučilište u Zagrebu Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Zavod za termodinamiku, strojarstvo i energetiku 2) Hrvatska komora inženjera strojarstva Sekcija za energetsko certificiranje
UVOD Direktiva EPBD I (2002/91/EC od 16.12.2002.) i Direktiva EPBD II (2010/31/EU od 19.05.2010.) Europskog parlamenta i Vijeća O energijskim (energetskim) značajkama (svojstvima) zgrada - promovira poboljšanje učinkovitosti korištenja energije u zgradama putem isplativih mjera uzimajući u obzir vanjske klimatske uvjete uz očuvanje zadovoljavajuće kvalitete unutarnjeg zraka Implementacija EPBD direktive u hrvatsko zakonodavstvo kroz niz zakona i tehničkih propisa te prihvaćanjem niza europskih normi. Uvode se: - energetski pregledi i energetsko certificiranje zgrada - energetski pregled kotlova za grijanje nazivne snage 20 kw i sustava za klimatizaciju nazivne snage 12 kw 2
Pravilnik o ECZ propisuje da energetski pregled zgrade: - obvezno uključuje i analize energetskih svojstava sustava grijanja i hlađenja, sustava klimatizacije i ventilacije i sustava za pripremu potrošne tople vode, - uključuje i potrebna mjerenja gdje je to nužno za ustanovljavanje energetskog stanja i/ili svojstava, Energetskim pregledom se utvrđuje: -način korištenja energije - sustavi i mjesta na kojima su prisutni veliki gubici energije. Cilj energetskih pregleda je: - utvrđivanje učinkovitosti/neučinkovitosti potrošnje energije te - donošenje zaključaka i preporuka za povećanje energetske učinkovitosti. 3
ENERGETSKI SUSTAVI U ZGRADAMA Tehnički sustavi zgrada u kojima se troši energija: - sustavi grijanja prostora - sustavi pripreme sanitarne tople vode (PTV) - sustavi hlađenja prostora - sustavi ventilacije, djelomične klimatizacije i klimatizacije - sustavi rasvjete - sustavi automatizacije i upravljanja -kućanski uređaji (štednjaci, hladnjaci, usisavači, pegle, ) - uredska i općenito ICT oprema (računala, telefoni, televizori, ) - ostala oprema zgrada (dizala, liftovi, pokretne stepenice, ) Udio potrošnje u pojedinim sustavima ovisi o vrsti zgrada, tehničkim karakteristikama, starosti zgrada, načinu gradnje, vanjskim klimatskim faktorima, 4
Zgradarstvo ogroman potrošač energije Analizama je međutim utvrđeno da postoji i veliki potencijal ušteda energije u zgradama 5
Energetski sustavi u zgradi osim osnovne namjene (održavanje temperature i ostalih parametara ugodnog i zdravog rada i boravka) trebaju ispunjavati i sljedeće zahtjeve: -sprječavanje širenje požara -sprječavanje ugrožavanja okoline - ograničenje razine buke -sprječavanje ozljeđivanja korisnika -sprječavanje prijenosa vibracija - osiguravanje racionalnog korištenja energije Da bi se očuvala potrebna svojstva tehničkih sustava tijekom čitavog životnog vijeka (vijeka trajanja sustava) oni se moraju održavati. Održavanje energetskih sustava podrazumijeva: - redovite preglede sustava, u razmacima i na način određen projektom i pisanom izjavom izvođača radova, - izvanredne preglede sustava nakon nekog izvanrednog događaja ili po inspekcijskom nadzoru. 6
Energija izvori, oblici i pretvorbe energije 7
Učinkovitost pretvorbe energije: η en η en = iskorišten a(izlazna)energija rad + = utrošena(ulazna)energija W + Q = Q ul izl iskoristiva izlazna toplina ulazna toplina primjeri moguće energetske učinkovitosti nekih realnih energetskih sustava za pretvorbu kemijske energije goriva u električnu energiju: Energetski sustav Parne elektrane (konvencionalno izgaranje) 0,25 0,40 (0,45) Plinske elektrane 0,20 0,35 (0,40) Dizelske elektrane 0,35 0,45 (0,52) Elektrane s kombiniranim procesom 0,45 0,55 (0,60) Kogeneracijske elektrane 0,50 0,80 (0,90) 8
Tijek procesa korištenja energije kod plinske i elektro peći Ukupna potrošnja energije jedne privatne kuće 9
SUSTAVI GRIJANJA Osnovne komponente sustava 10
Podjela sustava grijanja prema smještaju izvora topline: Pojedinačna (lokalna) grijanja: izvor topline u grijanoj prostoriji Centralna grijanja: izvor topline na jednom mjestu u građevini, etažno grijanje = jedan ogrjevni uređaj po stanu u građevini s više stanova Daljinska grijanja: izvor topline u centralnoj toplani iz koje se snabdijeva jedna ili više grupa građevina, stambeni blokovi ili gradske četvrti. 11
Prednosti centralnih grijanja u odnosu na lokalna: - smanjen broj ložišta i dimnjaka i smanjeno zagađivanje okoline - nema prenošenja goriva i pepela u prostorima za boravak ljudi -veća ekonomičnost iskorištenja goriva - manji potreban prostor za smještaj ogrjevnih tijela - manje posla pri opsluživanju Prednosti daljinskih grijanja u odnosu na centralna grijanja: -veći stupanj korisnosti - mogućnost korištenja jeftinijeg goriva - manje zagađenje okoliša (bolja kontrola izgaranja, pročišćavanje dimnih plinova) - manja opasnost od požara -veća sigurnost u radu -stručno rukovanje i održavanje. 12
Individualni sustavi 13
toplozračno grijanje 14
Centralni izvori kotlovi Podjela kotlova: - prema mediju koji zagrijavaju: toplovodni, vrelovodni, parni, uljni - prema materijalu izrade: lijevani, čelični, aluminijski, kombinirani - prema radnom nadtlaku: kotlovi niskog tlaka (<1,0 bar, odn. <120 o C), kotlovi visokog tlaka (>1,0 bar, odnosno >120 o C) - prema toplinskom učinku (snazi): mali, srednji, veliki (bez točno određenih granica; uobičajeno: mali do 50 kw, srednje 50 do 500 kw, a veliki iznad 500 kw) - prema konstrukciji i vrsti goriva: kotao na kruta goriva, plinski kotao (kotao na plin), uljni kotao (kotao na loživo ulje), kombinirani npr. uljno-plinski kotao, električni kotao; u novije doba razvijeni su posebno kotlovi za biomasu: kotao na sječku, pirolitički kotao za brikete ili cjepanice, kotao za pelete, itd. - prema izvedbi i načinu rada plamenika: kotao s atmosferskim plamenikom, kotao s ventilatorski plamenikom - - postoji još niz drugih mogućih podjela kotlova 15
Primjeri kotlova: kotao na pelete pirolitički kotao na biomasu 16
plinski kotao s ventilatorom 17
Prema učinkovitosti korištenja energije kotlovi se uobičajeno dijele na: standardne, niskotemperaturne, kondenzacijske Standardni kotlovi obično rade s povišenim temperaturama vode (od 70 C do 90 C); imaju manji stupanj korisnosti. Niskotemperaturni kotlovi (NT kotlovi) mogu kontinuirano raditi i s temperaturom povratne vode t 35 C. Osim u iznimnim slučajevima, ne dolazi do kondenzacije dimnih plinova na izmjenjivačkim površinama. Kod ovih se kotlova temperatura polazne vode i dimnih plinova snižavaju u skladu s krivuljom grijanja parcijalnim opterećenjem, čime se smanjuju i gubici zračenja i pogonske pripravnosti. Stupanj korisnosti je viši od standardnih k. Kondenzacijski kotlovi su kotlovi s iskorištavanjem latentne topline sadržane u plinovima izgaranja putem kondenzacije vodene pare. To su kotlovi s najvišim stupnjem korisnosti. 18
94/111=85% 108/111=97% 19
Učinkovitost novih kotlova prema normama 20
21
22
23
Daljinski sustavi grijanja - omogućuju distribuciju toplinske energije na veće udaljenosti (gradske toplane i mini toplane gradskih četvrti). Toplina se razvodi magistralnom mrežom cjevovoda do grijanih objekata (zgrada). Uobičajeni režim vrelovodnog sustava je od 70/50 C (ljeti) do 120/80 C u standardnom zimskom režimu. U zgradi se toplina transformira za potrebe sustava grijanja i PTV preko izmjenjivača topline u toplinskim podstanicama. 24
25
Ogrjevna tijela - elementi sustava grijanja za neposredan prijenos topline na zrak i održavanje željene temperatura prostora. Individualni (pojedinačni) izvori - grijanje prostora izravnom predajom topline prostoru (npr. kamini, el. radijatori, grijalice i sl.) Centralni i daljinski izvori razvod ogrjevnog medija kao prijenosnika topline do ogrjevnih tijela smještenih u grijanim prostorima. Vrste ogrjevnih tijela: - radijatori (člankasti, pločasti, posebne izvedbe) - konvektori (podni, stropni, parapetni) - kaloriferi - panelne ogrjevne površine - sustavi grijanja s grijanim plohama prostora (podne, zidne i stropne plohe) - površinski sustavi grijanja (podno, zidno i stropno grijanje) - posebne izvedbe 26
Mjesto ugradnje ogrjevnog tijela - najčešće ispod ostakljenih ploha radijatori - ispod prozora (tzv. parapet) konvektori - u pod ispod velikih ostakljenih ploha cijevi podnog grijanja (blizu ostakljenih ploha gušći raspored) površinski sustavi grijanja - kao ogrjevna tijela koriste građevne elemente plohe prostorije: pod, zidove i strop - izmjena topline zračenjem i konvekcijom - snižene temperature ogrjevnog medija (npr. 55/45 C, 40/30 C) - izvori topline: niskotemperaturni i kondenzacijski kotlovi, solarni sustavi i dizalice topline - nužna je konstrukcijska prilagodba građevnih elemenata ploha prostorije 27
Ogrjevna tijela primjeri Ogrjevna tijela za prijenos topline slobodnom konvekcijom i zračenjem (radijatori) Ogrjevna tijela za prijenos topline konvekcijom (konvektori i ventilokonvektori) 28
Elementi površinskih sustava grijanja (stropno, zidno i podno grijanje) 29
Sustavi za pripremu potrošne tople vode (PTV): 30
31
Cirkulacijska crpka se ugrađuje u svrhu trenutnog osiguranja tople vode na izljevnom mjestu (trošilu). Ona je ujedno i potrošač električne energije; sustavom automatske regulacije njezin se rad stoga treba programirati u funkciji vremena potrošnje PTV-a. Kod sustava PTV treba obratiti posebnu pažnju na sprječavanje pojave bakterija legionele, usljed ustajalosti vode u sustavu i pogodne temperature za njezin razvoj (32 i 42 C). Legionela se rješava periodičkim pregrijavanjem vode u sustavu PTV-a na ~80 C. Temperatura u svakom slučaju treba biti veća od 65 C! 32
Akumulacijski spremnici PTV s direktnim zagrijavanjem - kod manjih stambenih objekata i obiteljskih kuća; Uobičajena priprema PTV-a u sklopu izvora topline (kotlova) za grijanje Toplinski izvori za pripremu PTV-a - od klasičnih do alternativnih izvora topline (vrlo često u kombinaciji sa solarnim kolektorima). Solarni sustavi za pripremu PTV-a najčešće se koriste kao dodatni izvor topline; osnovni izvori su plinski, uljni ili električni kotlovi. Osnovni dijelovi solarnih sustava su: a) kolektor b) spremnik tople vode s izmjenjivačem topline c) solarna stanica s crpkom i regulacijom d) razvod s odgovarajućim radnim (solarnim) medijem. 33
Solarni sustavi za pripremu potrošne tople vode 1. Solarni kolektori 2. Solarni polazni vod 3. Solarni povratni vod 4. Kotao za dodatno grijanje 5. Ekspanzijska posuda 6. Crpna stanica 7. Ulaz hladne vode 8. Spremnik potrošne tople vode 9. Izlaz potrošne tople vode 34
Efikasnost solarnog sustava 35
Mogućnosti korištenja Sunčeve energije u zgradarstvu 36
Sustav regulacije i upravljanja Osnovni zadaci: pouzdan pogon sustava uz osiguravanje odgovarajućeg stupnja ugode, učinkovito gospodarenje energijom, povećanje pogonske sigurnosti i zaštite sustava od smrzavanja, pregrijavanja, prekoračenja tlaka i sl., pojednostavljenje rukovanja sustavima Osnovni principi rada: 1) regulacija toplinskog učina (Q) promjenom protoka medija (m): Q = f(m) uz θ = konst. 2) regulacija toplinskog učina(q) promjenom temperature medija (θ): Q = f( θ) uz m = konst. Općenito se za procese grijanja toplinski učin usklađuje s promjenom vanjske temperature, dok se PTV-a grije na stalnu vrijednost temperature: θ max =45 C za opću potrošnju, a za kuhinje θ max = 65 C. 37
Regulacija sustava grijanja prema mjestu zahvata može biti: 1) pojedinačna-lokalna (regulacija temperature zraka u svakoj prostoriji zgrade zasebno putem sklopa regulacijskog ventila i temperaturnog osjetnika unutar reguliranog prostora) npr. termostatski ventil na ogrjevnom tijelu 2) centralna (regulacija temperature zraka u svim prostorijama iz jednog centralnog mjesta za svaku prostoriju ili prema regulaciji temperature u referentnoj prostoriji). a) regulacija temperature ogrjevnog medija u toplinskom izvoru putem temperaturnog osjetnika koji upravlja radom plamenika kod kotlova ili radom regulacijskog ventila kod izmjenjivača topline. b) regulacija temperature vode u kotlu prema sobnoj temperaturi c) regulacija temperature polaznog voda u ovisnosti o vanjskoj temperaturi 38
Primjeri: 39
UČINKOVITOST SUSTAVA GRIJANJA Osim gubitaka topline samog izvora postoje i gubici cijevne mreže razvoda i regulacije. Ukupna učinkovitost sustava grijanja može se izraziti kao: η u = η k x η c x η r gdje su: η K učinkovitost toplinskog izvora, η C učinkovitost mreže cjevovoda, η r učinkovitost sustava regulacije. Učinkovitost pojedinih uređaja za pretvorbu energije (peći, kotlovi, grijalice) određuje se mjerenjem prema odgovarajućim normama ili se na temelju iskustva i prethodnih mjerenja određuje prema tablicama i dijagramima. dio sustava uvjeti učinkovitost, % cijevna mreža regulacija ovisno o duljini i kvaliteti izolacije te razvodu cijevi 95 do 98 centralna, automatska 95 ručna, kontrolirana 92 ručna, nekontrolirana 90 40
GORIVO VRSTA TOPLINSKOG IZVORA UČINKOVITOST, % kruto peći i štednjaci 60 do 75 kotlovi, starija izvedba 60 do 75 kotlovi, nova izvedba 80 do 90 kotlovi na različitu biomasu 82 do 92 kotlovi na pelete 87 do 92 kotlovi na sječku 85 do 90 kombinirani kotlovi 70 do 78 tekuće kombinirani kotlovi (kruto/tekuće) 65 do 75 standardni 85 do 90 niskotemperaturni 90 do 95 plinovito standardni 92 do 95 niskotemperaturni 95 do 98 kondenzacijski 100 do 108 *) 41
Dizalice topline (toplinske pumpe, toplinske crpke) 42
geotermalna dizalica topline 43
view of.exe file 44
MOGUĆNOSTI POBOLJŠANJA ENERGETSKE UČINKOVITOSTI Opća načela analize potencijala uštede energije u zgradi Grijanje prostora -najveći potencijal na strani tehničkih sustava zgrada - ogrjevna tijela - birati najučinkovitija prema vrsti grijanog prostora, te paziti na njihov optimalan raspored - posvetiti pažnju lociranju toplinske stanice obzirom na trošila i dobro izolirati razvod cjevovoda - iskorištavati otpadnu toplinu iz drugih izvora za predgrijavanje medija ili za samo grijanje - ugraditi odgovarajuću regulaciju i po mogućnosti automatizaciju - kotlovi/kotlovnice/redukcijske stanice - izvedbom, kvalitetom, odabirom goriva, eksploatacijom i održavanjem imaju odlučujući utjecaj na racionalno korištenje toplinske energije. 45
Povećanju energetske učinkovitosti mogu doprinjeti: 1) poboljšanje energetskih svojstava sustava grijanja, kao i njihovih specifičnih podsustava, kao npr.: - zamjena standardnih kotlova niskotemperaturnim ili kondenzacijskim kotlovima uz uvođenje niskotemperaturnog grijanja - ugradnja termostatskih ventila i različitih termostatskih glava - poboljšanje sustava regulacije i upravljanja - povrat toplinske energije iz otpadnog zraka u sustavima ventilacije i - uvođenje prirodnog provjetravanja 2) zamjena energenta i korištenje obnovljivih izvora energije, kao npr.: - prelazak na daljinsko/blokovsko grijanje ili hlađenje, - decentralizirani sustavi za opskrbu energijom iz obnovljivih izvora energije, - dizalice topline i korištenje okoliša kao toplinskog izvora, - kogeneracija i trigeneracija, -sunčani sustavi za grijanje, pripremu potrošne tople vode i hlađenje, - biomasa, proizvodnja bioplina. 46
Alternativni sustavi opskrbe energijom su na primjer: - decentralizirani sustavi koji koriste obnovljive izvore (sunčeva energija, geotermalna energija, okolišna i otpadna energija, energija vjetra i drugih obnovljivih izvora) - kogeneracija i trigeneracija - sustavi daljinskog ili blokovskog grijanja i hlađenja - dizalice topline - kondenzacijski i niskotemperaturni kotlovi - drugi sustavi s povratom topline Pojam alternativni sustavi terminološki se često poistovjećuje s obnovljivim izvorima energije. Međutim moguće je i šire tumačenje termina alternativni u smislu nekonvencionalni, drugi, drugačiji, koji nije u uobičajenoj primjeni. 47
Primjer: Zamjena standardnog kotla niskotemperaturnim ili kondenzacijskim Pri zamjeni starog kotla i odabiru novog izvora toplinske energije u sustavu grijanja, svakako treba razmotriti mogućnosti ugradnje niskotemperaturnog ili kondenzacijskog kotla radi što boljeg iskorištenja izvora energije. Na račun povećanog stupnja korisnosti novog izvora topline, takvom se zamjenom može postići povećanje energetske učinkovitosti (odnosno ušteda u potrošnji goriva) koje se može odrediti prema sljedećem izrazu: E = (E s E n ) / E s =1 (E n / E s ) = 1 (η s / η n ) Uz pretpostavku da je stari kotao imao korisnost η s =68%, a novi niskotemperaturni η n = 89,5% (prema normi EN303, dijagram na slajdu 30 za snagu 25 kw), ušteda goriva, odnosno povećanje energetske učinkovitosti samog toplinskog izvora će iznositi 24%. Ako se isti stari kotao zamijeni novim kondenzacijskim kotlom prosječnog stupnja korisnosti 95,4% (prema istom dijagramu na slajdu 30) ušteda goriva može iznositi čak 29%. 48
Pri uvođenju niskotemperaturnog ili kondenzacijskog kotla potrebna je i adaptacija dimnjaka. Poželjna je koaksijalna izvedba dimovodnih kanala i kanala za dovod zraka u postojeće vertikale kako bi se vanjski zrak predgrijavao izlaznim dimnim plinovima. Također, uvođenjem kondenzacijskog kotla potrebna je promjena i u sustavu grijanja odnosno uvođenje niskotemperaturnog grijanja. Naime, da bi se postigao puni kondenzacijski efekt s iskorištenjem gornje ogrjevne vrijednosti goriva, temperatura polazne vode u krugu grijanja ne smije prelaziti 55 C. Ogrjevna tijela moraju zadovoljiti potrebe grijanja uz medij niže temperature. Potrebna ogrjevna površina može se odrediti uz poznavanje temperaturne razliku površine radijatora i sobnog zraka prema izrazu Δt = [(t V + t R )/2] - t O gdje su t V temperaturu polazne, a t R povratne vode i t O temperaturu okoline. Za tipičan standardni radijator i jednaku ogrjevnu snagu pri režimu kondenzacije potrebna je 2,5 do 3 puta veća površina radijatora. Pored izmjena radijatora, preporučljivo je razmotriti i druge opcije korištenja medija niže temperature, kao što je podno grijanje, priprema dodatnih količina PTV i drugo. Uz ovaj zahvat se podrazumijeva i ugradnja kvalitetnog regulacijsko-upravljačkog sustava. 49
Ugradnja termostatskih ventila i različitih termostatskih glava Najčešći problem u sustavima grijanja je što ne postoji regulacija temperature prostora po pojedinim prostorijama. Takav sustav dovodi do toga da se zgrada jednako grije bez obzira na stvarno potrebnu temperaturu u pojedinim prostorijama. Posljedica je pregrijavanje pojedinih prostorija, a zbog nemogućnosti jednostavnog reguliranja temperature osim provjetravanjem prisutni su veliki gubici topline. Jedno od najjednostavnijih rješenja je postavljanje termostatskog ventila koji s termostatskom glavom čini termostatski set. On regulira temperaturu prostorije na način da upravlja protokom ogrjevne vode kroz dotični radijator. Ušteda u potrošnji energenta koju može ostvariti adekvatni termostatski set, prosječno iznosi oko 10 %, premda u nekim slučajevima većih pregrijavanja prostora ušteda može iznositi i do 20 %. Kako bi se postigla maksimalna učinkovitost termostatskog seta, potrebno je provjeriti ili osigurati optimalan hidraulički balans cijevne mreže koji se postiže ugradnjom ventila za hidrauličko balansiranje. 50
LITERATURA 1) Grupa autora: Predavanja za izobrazbu za energetsko certificiranje, Hrvatska komora inženjera strojarstva, Zagreb, 2010. 2) Grupa autora: Priručnik za energetsko certificiranje zgrada, UNDP, Zagreb, 2010. HVALA NA PAŽNJI! vfilipan@fkit.hr 51