AVTONOMNI SISTEM ZA OSKRBO TOPLOTNE ČRPALKE Z ELEKTRIČNO ENERGIJO

AVTONOMNI SISTEM ZA OSKRBO TOPLOTNE ČRPALKE Z ELEKTRIČNO ENERGIJO diplomsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Somentorica: Lektorica: Klemen Žveglič visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika red. prof. dr. Jurij Avsec Urška Novosel, mag. inž. energ. Alenka Cizel, prof. Krško, september 2017 I

II

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Juriju Avscu za pomoč in vodenje pri izdelavi diplomske naloge. Zahvaljujem se vsem, ki so mi v času študija pomagali in me spodbujali, še posebej pa se zahvaljujem družini, da so mi omogočili študij in mi ves čas stali ob strani. III

AVTONOMNI SISTEM ZA OSKRBO TOPLOTNE ČRPALKE Z ELEKTRIČNO ENERGIJO Ključne besede: toplotne izgube, toplotna črpalka, hidroelektrarna, samooskrba z električno energijo UDK: 621.577:621.311.68(043.2) Povzetek V diplomskem delu so narejeni izračuni toplotnih izgub slabše izolirane stanovanjske hiše, na podlagi katerih je izbrana primerna toplotna črpalka. Poleg tega je predstavljeno tudi njeno delovanje. Na podlagi potrebne električne energije za ogrevanje s toplotno črpalko je v delu predstavljena samooskrba z električno energijo, proizvedeno s hidroelektrarno, in prikazano njeno dimenzioniranje. Na koncu je izveden ekonomski izračun investicije v ogrevanje s toplotno črpalko in samooskrbo z električno energijo, proizvedeno s hidroelektrarno. IV

AUTONOMOUS SYSTEM FOR SUPPLY OF HEAT PUMP WITH ELECTRICITY Key words: heat loss, heat pump, hydroelectric power plant, self-supply with electricity UDK: 621.577:621.311.68(043.2) Abstract This graduation thesis presents calculation of heat losses in a residential house with poor insulation. Based on these informations, a suitable heat pump is selected. Its operation is presented in addition. On the basis of electricity needed for heating with a heat pump, selfsupply of electricity produced by hydroelectric power and its dimensioning are presented. In the end I made an economical calculation of investment in heating with heat pump and self-supply with electricity produced by hydroelectric power plant. V

KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 TOPLOTNE IZGUBE... 2 2.1 TOPLOTNA PREHODNOST... 3 2.2 OPIS HIŠE... 3 2.3 IZRAČUN TOPLOTNIH IZGUB... 4 2.3.1 Podatki za izračun... 4 2.3.2 Izračun toplotne prehodnosti... 6 2.3.2.1 Plašč stavbe v pritličju... 6 2.3.2.2 Plašč stavbe v nadstropju... 7 2.3.2.3 Strop... 7 2.3.2.4 Tla v hodniku, kopalnici in delavnici... 8 2.3.2.5 Tla v sobah... 8 2.3.2.6 Tla v kuhinji in shrambi... 9 2.3.2.7 Okna v nadstropju... 9 2.3.2.8 Okna v pritličju... 10 2.3.2.9 Vrata... 10 2.3.3 Toplotne izgube stavbe... 10 2.3.3.1 Izračun letnih toplotnih izgub... 12 2.4 IZGUBE ZARADI PREZRAČEVANJA... 12 2.4.1 Koeficient prezračevalnih izgub... 12 2.4.2 Prezračevalne izgube stavbe... 13 2.4.2.1 Letne prezračevalne izgube stavbe... 13 3 POTREBNA MOČ ZA OGREVANJE... 15 3.1 SANITARNA VODA... 15 3.2 POTREBNA TOPLOTNA MOČ... 15 4 TOPLOTNE ČRPALKE... 17 4.1 DELOVANJE... 17 4.2 VRSTE TOPLOTNIH ČRPALK... 18 4.3 IZVEDBE... 19 4.3.1 Toplotna črpalka zrak/voda... 20 4.3.2 Toplotna črpalka voda/voda... 20 4.3.3 Toplotna črpalka zemlja/voda... 21 4.4 GRELNO ŠTEVILO... 23 VI

4.5 HRANILNIK TOPLOTE ZA OGREVANJE... 24 4.6 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE... 24 4.6.1 Tehnični podatki toplotne črpalke... 25 4.6.2 Vezalna shema ogrevalnega sistema... 26 5 SAMOOSKRBA Z ELEKTRIČNO ENERGIJO ZA OGREVANJE... 27 5.1 HIDROELEKTRARNA... 27 5.1.1 Mala hidroelektrarna... 28 5.2 VODNE TURBINE... 28 5.2.1 Peltonova vodna turbina... 29 5.2.2 Kaplanova vodna turbina... 30 5.2.2.1 Propelerska vodna turbina... 31 5.2.2.2 Cevne turbine... 31 5.2.3 Bankijeva vodna turbina... 32 5.3 ELEKTRIČNI GENERATOR... 33 5.4 DIMENZIONIRANJE HIDROELEKTRARNE... 33 5.4.1 Pretok in padec vode... 33 5.4.2 Moč hidroelektrarne... 35 5.5 POVEZAVA HIDROELEKTRARNE S TOPLOTNO ČRPALKO... 37 6 STROŠKOVNA ANALIZA IN EKONOMSKI VIDIK... 38 6.1 CENA INVESTICIJE OGREVANJA S TOPLOTNO ČRPALKO... 38 6.2 EKONOMSKI VIDIK OGREVANJA... 38 6.3 OKVIRNA CENA INVESTICIJE MALE HIDROELEKTRARNE... 40 6.4 PRODAJA PRESEŽKA PROIZVEDENE ELEKTRIČNE ENERGIJE... 41 6.5 POVRNITEV STROŠKOV... 44 7 SKLEP... 45 VIRI IN LITERATURA... 46 PRILOGE... 49 PRILOGA A: IZJAVA O AVTORSTVU IN ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE OBLIKE ZAKLJUČNEGA DELA... 49 VII

KAZALO SLIK SLIKA 1.1: PRIKAZ AVTONOMNEGA SISTEMA OGREVANJA S TOPLOTNO ČRPALKO... 1 SLIKA 2.1: TOPLOTNE IZGUBE STAVBE [2]... 2 SLIKA 2.2: OBRAVNAVANA STANOVANJSKA HIŠA... 3 SLIKA 2.3: PODATKI IZ ATLASA OKOLJA AGENCIJE REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE [5]... 5 SLIKA 2.4: PODATKI IZ AGENCIJE REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE [4]... 5 SLIKA 4.1: DELOVANJE TOPLOTNE ČRPALKE [9]... 18 SLIKA 4.2: OGREVANJE VODE PRI RAZLIČNIH VRSTAH TOPLOTNE ČRPALKE [9]... 19 SLIKA 4.3: TOPLOTNA ČRPALKA Z VIROM TOPLOTE IZ PODTALNICE [10]... 21 SLIKA 4.4: HORIZONTALNI ZEMELJSKI KOLEKTOR [10]... 22 SLIKA 4.5: VERTIKALNI PRENOSNIK TOPLOTNA SONDA [10]... 22 SLIKA 4.6: HRANILNIK TOPLOTE [11]... 24 SLIKA 4.7: TOPLOTNA ČRPALKA KRONOTERM WPL-18-K1 HT [13]... 25 SLIKA 4.8: VEZALNA SHEMA OGREVALNEGA SISTEMA [13]... 26 SLIKA 5.1: SISTEM POGONA TOPLOTNE ČRPALKE Z VODNO TURBINO... 27 SLIKA 5.2: PELTONOVA TURBINA [19]... 30 SLIKA 5.3: KAPLANOVA TURBINA [20]... 31 SLIKA 5.4: BANKIJEVA TURBINA [19]... 32 SLIKA 5.5: PRETOK POTOKA SEVNIČNA V LETIH 2014 IN 2015... 33 SLIKA 5.6: DIAGRAM DEJANSKIH PRETOKOV POTOKA SEVNIČNA IN NJEGOV UREJENI DIAGRAM... 34 SLIKA 5.7: DIAGRAM ZA IZBIRO USTREZNE VODNE TURBINE [15]... 35 SLIKA 5.8: PRIMER VEZAVE MALE HIDROELEKTRARNE S TOPLOTNO ČRPALKO... 37 SLIKA 6.1: DIAGRAM LETNE PROIZVEDENE IN POTREBNE ELEKTRIČNE ENERGIJE... 43 VIII

KAZALO TABEL TABELA 2.1: PODATKI ZA PLAŠČ STAVBE V PRITLIČJU [6]... 6 TABELA 2.2: PODATKI ZA PLAŠČ STAVBE V NADSTROPJU [6]... 7 TABELA 2.3: PODATKI ZA STROP [6]... 7 TABELA 2.4: PODATKI ZA TLA V KOPALNICI, HODNIKU, DELAVNICA [6]... 8 TABELA 2.5: PODATKI ZA TLA V SOBAH [6]... 8 TABELA 2.6: PODATKI ZA TLA V KUHINJI, SHRAMBI [6]... 9 TABELA 2.7: PODATKI ZA OKNA V NADSTROPJU [6]... 9 TABELA 2.8: PODATKI ZA OKNA V PRITLIČJU [6]... 10 TABELA 2.9: PODATKI ZA VRATA [6]... 10 TABELA 2.10: PODATKI ZA IZRAČUN TOPLOTNIH IZGUB... 11 TABELA 2.11: TOPLOTNE IZGUBE STAVBE... 11 TABELA 4.1: TEHNIČNI PODATKI TOPLOTNE ČRPALKE [13]... 25 TABELA 5.1: POVPREČNI PRETOK POTOKA SEVNIČNA V POSAMEZNIH MESECIH LETA 2015 [20]... 34 TABELA 6.1: CENIK TOPLOTNE ČRPALKE IN PRIPADAJOČE OPREME... 38 TABELA 6.2: CENA INVESTICIJE MALE HIDROELEKTRARNE [21]... 40 TABELA 6.3: POTREBNA TOPLOTA ZA OGREVANJE V POSAMEZNIH MESECIH... 41 TABELA 6.4: POTREBNA ELEKTRIČNA ENERGIJA ZA DELOVANJE TOPLOTNE ČRPALKE V POSAMEZNEM MESECU... 42 IX

UPORABLJENI SIMBOLI A - površina d - debelina f - faktor potrebne toplote na osebo g - težnostni pospešek H - višinska razlika HZ - koeficient prezračevalnih izgub n - število izmenjav zraka P - moč vodnega toka Pdej - moč hidroelektrarne - toplotne izgube - letne transmisijske toplotne izgube - prezračevalne izgube - letne prezračevalne izgube - toplota za ogrevanje sanitarne vode - toplotna moč za ogrevanje QE - toplotna energija stavbe - inštalirani pretok r - število ur obratovanja kurilne naprave SPF - letno grelno število t - čas U - toplotna prehodnost Vi - neto ogrevani volumen Č - poraba električne energije toplotne črpalke - poraba električne energije grelca EmHE - letna proizvedena električna energija E - presežek električne energije T - temperaturna razlika ηt - izkoristek vodne turbine ηg - izkoristek električnega generatorja X

λ - toplotna prevodnost ρ - gostota XI

UPORABLJENE KRATICE COP - grelno število CT - cevna turbina XII

1 UVOD V današnjem času, ko se ljudje vse bolj zavedamo problema onesnaževanja okolja, skušamo nadomestiti klasične načine ogrevanja (ogrevanje na drva, kurilno olje) z ogrevanjem na obnovljive vire energije, kamor sodi tudi toplotna črpalka. Rabo obnovljivih virov energije pa nam narekuje tudi Evropska unija, ki zavezuje članice, da povečajo delež obnovljivih virov energije. V prvem delu bo predstavljen izračun toplotnih izgub slabše izolirane stanovanjske hiše, zgrajene leta 1980, in določitev potrebne toplote za ogrevanje sanitarne vode. Na podlagi izvedenega izračuna toplotnih izgub bomo določili primerno moč toplotne črpalke. Ker se stanovanjska hiša nahaja v bližini potoka Sevnična in je možnost izkoriščanja vodne energije, bo v drugem delu diplomske naloge predstavljena uporaba male hidroelektrarne za pridobivanje električne energije, ki jo potrebuje toplotna črpalka za svoje delovanje (slika 1.1), saj v zimskem času, ko so nizke temperature, deluje s slabim izkoristkom, in je zato velik potrošnik elektrike. Predstavljeno bo dimenzioniranje male hidroelektrarne glede na pretok potoka Sevnična in izračun njene inštalirane moči. Slika 1.1: Prikaz avtonomnega sistema ogrevanja s toplotno črpalko V zadnjem delu bo izvedena stroškovna analiza vgradnje toplotne črpalke in investicije v malo hidroelektrarno. Namen diplomske naloge bo ugotoviti, ali se avtonomni sistem za oskrbo toplotne črpalke z električno energijo kljub velikim začetnim finančnim vložkom na daljše časovno obdobje izplača. 1

2 TOPLOTNE IZGUBE Toplotna energija vedno prehaja iz toplejšega v hladnejši prostor. Zato v poletnem času prehaja toplota v stavbe iz okolice, v zimskem času pa iz ogrevanih stavb v okolico. Toplotne izgube stavb (slika 2.1) so odvisne od temperaturne razlike med temperaturo v prostoru in okolico ter od koeficienta prehoda toplote. Izgubljeno toplotno energijo pa je potrebno nadomestiti z ogrevalnimi sistemi. [1] Slika 2.1: Toplotne izgube stavbe [2] Zmanjšanje toplotnih izgub ter posledično nižji strošek ogrevanja dosežemo [2]: - s toplotno izolacijo stropne plošče, - s toplotno izolacijo zunanjih sten, - s toplotno izolacijo talne plošče, - z vgradnjo energetsko učinkovitega stavbnega pohištva (okna in vrata) in - s primernim sistemom ogrevanja. 2

2.1 TOPLOTNA PREHODNOST Toplota prehaja iz stavbe v okolico s prevodom toplote skozi toplotni ovoj stavbe, okna, tla in strope ter s prestopom toplote, ki je posledica prezračevanja stavb, ki je potrebno za dosego bivalnega udobja. Toplotna prevodnost (W/mK) je snovna lastnost materiala, ki nam pove, koliko toplotnega toka prevaja material s površino 1 m 2 in debelino 1 m pri spremembi temperature za eno stopinjo Celzija. Materiali, ki se uporabljajo za toplotno izolacijo, imajo toplotno prevodnost manjšo od 0,1 W/mK. [3] 2.2 OPIS HIŠE Enodružinska hiša, prikazana na sliki 2.2, se nahaja v Sevnici. Zgrajena je bila leta 1980. Stanovanjski objekt ima dolžino 11,15 m in širino 9,56 m ter 2 nadstropji. Obe nadstropji sta namenjeni bivanju in sta ogrevani, razen garaže in kotlovnice, ki se nahajata v pritličju. Slika 2.2: Obravnavana stanovanjska hiša 3

Zunanji zidovi v pritličju so narejeni iz naravnega kamna in so debeline 60 cm. Na notranji in zunanji strani je omet debeline 3 cm. Okna v pritličju so dvoslojna in so narejena iz smrekovega lesa. V nadstropju so zunanji zidovi narejeni iz opečnih zidakov, debeline 29 cm. Zidovi so toplotno izolirani s stiroporjem, debeline 5 cm. Okna v nadstropju so 3-slojna in narejena iz PVC. Prostor med stekli je polnjen z argonom (termopan). Stropna plošča je narejena z AB-ploščami, med njimi pa je kot polnilo opeka, debeline 15 cm. Nad AB-ploščami je beton, debeline 15 cm. Dodatno pa je izolirana s stekleno volno, debeline 10 cm. Tla so narejena iz betona, debeline 15 cm, in izolirana s stiroporjem, debeline 5 cm. Nad izolacijo je estrih, debeline 5 cm. 2.3 IZRAČUN TOPLOTNIH IZGUB Za določitev potrebne energije za ogrevanje in za izbiro primerne toplotne črpalke moramo izračunati toplotne izgube objekta. Izračun toplotnih izgub stavbe se izvede na podlagi opisa objekta. 2.3.1 Podatki za izračun Za izračun toplotnih izgub so potrebni naslednji podatki: - začetek kurilne sezone - konec kurilne sezone - zunanja projektna temperatura - notranja temperatura stavbe Začetek ter konec kurilne sezone, ki sta podana kot zaporedni dan v letu, ter zunanjo projektno temperaturo dobimo na Agenciji republike Slovenije za okolje [4] (slika 2.4). Da lahko pridobimo te podatke, potrebujemo koordinate stanovanjske hiše. Le-te dobimo v 4

Atlasu okolja Agencije republike Slovenije za okolje [5] (slika 2.3). Notranjo temperaturo določimo po svoji želji. Slika 2.3: Podatki iz Atlasa okolja Agencije republike Slovenije za okolje [5] Koordinate stanovanjske hiše, ki jih potrebujemo, so: - Y: 523583 - X: 96841 Slika 2.4: Podatki iz Agencije republike Slovenije za okolje [4] Podatki, ki so potrebni za določitev toplotnih izgub, so: - začetek kurilne sezone: 270. zaporedni dan v letu - konec kurilne sezone: 135. zaporedni dan v letu - zunanja projektna temperatura: -13 C 5

2.3.2 Izračun toplotne prehodnosti Za določitev toplotne prehodnosti, ki se izračuna po enačbi (2.1), moramo poznati debelino posameznega materiala ter njegovo toplotno prevodnost. Toplotno prevodnost posameznih materialov dobimo iz strojniškega priročnika [6]. Enačba za izračun toplotne prehodnosti: = (2.1) kjer je: U toplotna prehodnost (W/m 2 K) d debelina (m) λ toplotna prevodnost (W/mK) 2.3.2.1 Plašč stavbe v pritličju Podatki, potrebni za izračun toplotne prehodnosti plašča stavbe v pritličju, se nahajajo v tabeli 2.1. Tabela 2.1: Podatki za plašč stavbe v pritličju [6] Plašč stavbe pritličje Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Omet 0,80 0,03 Naravni kamen 1,16 0,60 Omet 0,80 0,03 Toplotna prehodnost plašča stavbe v pritličju se izračuna po enačbi (2.2): =,,,,,, =1,689 (2.2) 6

2.3.2.2 Plašč stavbe v nadstropju Podatki, potrebni za izračun toplotne prehodnosti plašča stavbe v nadstropju, se nahajajo v tabeli 2.2. Tabela 2.2: Podatki za plašč stavbe v nadstropju [6] Plašč stavbe nadstropje Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Omet 0,80 0,03 Opečni zid 0,75 0,29 Stiropor 0,041 0,05 Omet 0,80 0,03 Toplotna prehodnost plašča stavbe v nadstropju se izračuna po enačbi (2.3): =,,,!,"#,#,,=0,595, (2.3) 2.3.2.3 Strop Podatki, potrebni za izračun toplotne prehodnosti stropa stavbe, se nahajajo v tabeli 2.3. Tabela 2.3: Podatki za strop [6] Strop Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Omet 0,80 0,02 Opeka 0,46 0,15 Beton 1,10 0,15 Steklena volna 0,036 0,10 Toplotna prehodnost stropa stavbe se izračuna po enačbi (2.4): =,,,#,,#,, =0,306, (2.4) 7

2.3.2.4 Tla v hodniku, kopalnici in delavnici Podatki, potrebni za izračun prehodnosti tal v kopalnici, hodniku in delavnici, se nahajajo v tabeli 2.4. Tabela 2.4: Podatki za tla v kopalnici, hodniku, delavnica [6] Tla kopalnica, hodnik, delavnica Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Beton 1,10 0,15 Stiropor 0,041 0,05 Estrih 1,10 0,05 Keramične ploščice 1,28 0,08 Toplotna prehodnost tal v kopalnici, hodniku in delavnici se izračuna po enačbi (2.5): =,#,,#,,#,,, =0,71 (2.5) 2.3.2.5 Tla v sobah Podatki za izračun toplotne prehodnosti tal v sobah se nahajajo v tabeli 2.5. Tabela 2.5: Podatki za tla v sobah [6] Tla sobe Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Beton 1,10 0,15 Stiropor 0,041 0,05 Estrih 1,10 0,05 Parket (hrast) 0,21 0,01 Toplotna prehodnost tal v sobah se izračuna po enačbi (2.6): =,#,,#,,#,,=0,69, (2.6) 8

2.3.2.6 Tla v kuhinji in shrambi Podatki za izračun toplotne prehodnosti tal v kuhinji in shrambi se nahajajo v tabeli 2.6. Tabela 2.6: Podatki za tla v kuhinji, shrambi [6] Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Beton 1,10 0,15 Stiropor 0,041 0,05 Tla kuhinja, shramba Estrih 1,10 0,05 Linolej 0,19 0,01 Toplotna prehodnost tal v kuhinji in kopalnici se izračuna po enačbi (2.7): =,#,,#,,#,,=0,688,! (2.7) 2.3.2.7 Okna v nadstropju Podatki za izračun toplotne prehodnosti oken v zgornjem nadstropju se nahajajo v tabeli 2.7. Tabela 2.7: Podatki za okna v nadstropju [6] Okna nadstropje Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Steklo 0,76 0,008 Plin (argon) 0,018 0,01 Steklo 0,76 0,008 Plin (argon) 0,018 0,01 Steklo 0,76 0,008 Toplotna prehodnost oken v zgornjem nadstropju se izračuna po enačbi (2.8): =,,",,,,",,,," =0,875 (2.8) 9

2.3.2.8 Okna v pritličju Podatki za izračun toplotne prehodnosti oken v pritličju se nahajajo v tabeli 2.8. Tabela 2.8: Podatki za okna v pritličju [6] Okna pritličje Material Toplotna prevodnost (W/mK) Debelina sloja (m) Steklo 0,76 0,008 Zrak 0,025 0,01 Steklo 0,76 0,008 Toplotno prehodnost oken v pritličju se izračuna po enačbi (2.9): =,,",,#,," =2,38 (2.9) 2.3.2.9 Vrata Podatki za izračun toplotne prehodnosti vrat se nahajajo v tabeli 2.9. Tabela 2.9: Podatki za vrata [6] Material Toplotna prevodnost Debelina sloja (W/mK) (m) Vrata Les (smreka) 0,14 0,07 Toplotna prehodnost vrat se izračuna po enačbi (2.10): =," =2, (2.10) 2.3.3 Toplotne izgube stavbe Da lahko določimo toplotne izgube objekta, ki se izračunajo po enačbi (2.11), moramo poznati koeficient toplotne prehodnosti, površino ter temperaturno razliko med željeno notranjo temperaturo ter temperaturo okolice. Za temperaturo okolice uporabimo zunanjo 10

projektno temperaturo, ki smo jo pridobili iz Agencije republike Slovenije za okolje. [4] Potrebni podatki za izračun so prikazani v tabeli 2.10. Toplotne izgube so prikazane v tabeli 2.11. Tabela 2.10: Podatki za izračun toplotnih izgub Površina Koeficient prehoda toplote (W/m 2 K) Notranja temperatura ( C) Projektna temperatura ( C) (m 2 ) Stene pritličje 91,01 1,689 21-13 Stene nadstropje 93,78 0,595 21-13 Strop 106,59 0,306 21-13 Tla keramika 71,21 0,71 21-13 Tla linolej 21,66 0,688 21-13 Tla parket 13,72 0,69 21-13 Okna pritličje 9,72 2,375 21-13 Okna nadstropje 19,4 0,875 21-13 Vrata 9,1 2 21-13 Osnovna enačba za izračun toplotnih izgub: = (,.) (2.11) kjer je: toplotne izgube (W) U toplotna prehodnost (W/m 2 K) A površina (m 2 ) T razlika med notranjo in zunanjo temperaturo ( C) Tabela 2.11: Toplotne izgube stavbe Toplotne izgube (W) Stene pritličje 5226,34 Stene nadstropje 1897,17 Strop 1108,96 Tla keramika 1719,01 Tla linolej 506,67 Tla parket 321,87»se nadaljuje«11

»nadaljevanje«okna pritličje 784,89 Okna nadstropje 577,15 Vrata 618,80 SKUPAJ 12760,86 2.3.3.1 Izračun letnih toplotnih izgub Letne toplotne izgube stavbe, se izračunajo po enačbi (2.12) [9]. Izračun je prikazan v enačbi (2.13). Letne transmisijske toplotne izgube: = 0 1 2 444 (2.12) kjer je: QT letne transmisijske toplotne izgube stavbe (kwh) toplotne izgube stavbe (W) N število zaporednih dni ogrevanja (225 dni) r dnevno število ur obratovanja kurilne naprave (24 ur) = 5674,87 559 5: 444 =68908,64 <=h (2.13) 2.4 IZGUBE ZARADI PREZRAČEVANJA 2.4.1 Koeficient prezračevalnih izgub Koeficient izgub zaradi prezračevanja se izračuna po enačbi (2.14). Prezračevalni koeficient toplotnih izgub za stanovanjski objekt pa se nahaja v enačbi (2.15). Neto ogrevani volumen stavbe, ki je potreben za izračun koeficienta prezračevalnih izgub, znaša 482,39 m 3. 12

Osnovna enačba koeficienta prezračevalni toplotnih izgub:? =0,34 @ A B (2.14) kjer je: HZ koeficient prezračevalnih toplotnih izgub (W/K) n število zamenjav zraka Vi neto ogrevani volumen stavbe (m 3 )? =0,34 0,5 482,39=82,01 (2.15) 2.4.2 Prezračevalne izgube stavbe Prezračevalne izgube se izračunajo po enačbi (2.16). Izračunane prezračevalne toplotne izgube hiše pa se nahajajo v enačbi (2.17). Osnovna enačba prezračevalnih izgub: =?. (2.16) kjer je: prezračevalne toplotne izgube stavbe (W) HZ koeficient prezračevalnih toplotnih izgub (W/K) T razlika med notranjo in zunanjo temperaturo =82,01 C21 ( 13)E=2788,34= (2.17) 2.4.2.1 Letne prezračevalne izgube stavbe Letne prezračevalne izgube stavbe se izračunajo po enačbi (2.18). Izračun je prikazan v enačbi (2.19). 13

Letne prezračevalne izgube stavbe: = 0 F 1 2 444 (2.18) kjer je: QZT letne prezračevalne izgube stavbe (kwh) prezračevalne izgube stavbe (W) N število zaporednih dni ogrevanja (225 dni) r dnevno število ur obratovanja kurilne naprave (24 ur) = 5688,G: 559 5: 444 =15057,04 <=h (2.19) 14

3 POTREBNA MOČ ZA OGREVANJE Pri izračunu moči, ki je potrebna za ogrevanje, je potrebno upoštevati toplotne izgube stavbe, prezračevalne izgube stavbe in potrebno toploto za ogrevanje sanitarne vode. 3.1 SANITARNA VODA Poraba sanitarne vode v gospodinjstvu je odvisna od števila članov ter njihovih osebnih potreb. Poraba sanitarne tople vode se izračuna po enačbi (3.1), izračun pa je prikazan v enačbi (3.2). Pri izračunu potrebne toplote za ogrevanje sanitarne vode se upošteva, da je faktor potrebne toplote 250 W/osebo [7]. Osnovna enačba za izračun potrebne toplote za ogrevanje sanitarne vode: =H I (3.1) kjer je: toplota za ogrevanje sanitarne vode (W) f faktor potrebne toplote na osebo (W/osebo) O število oseb =250 5=1250 = (3.2) 3.2 POTREBNA TOPLOTNA MOČ Potrebna moč za ogrevanje se izračuna po enačbi (3.3). Potrebna moč kurilne naprave za ogrevanje stavbe je prikazana v enačbi (3.4). Podatek o toplotni izgubi stavbe se nahaja v 15

tabeli 2.11, prezračevalne izgube se nahajajo v enačbi (2.15), potrebna toplota za ogrevanje sanitarne vode pa v enačbi (3.2). Osnovna enačba moči: =++ (3.3) kjer je: potrebna moč za ogrevanje (W) toplotne izgube stavbe (W) prezračevalne izgube stavbe (W) toplota za ogrevanje sanitarne vode (W) =12760,86+2788,34+1250=16799,2 = (3.4) Za nadomestitev toplotnih izgub stavbe in za ogrevanje sanitarne tople vode je potrebna v vgradnja toplotne črpalke s toplotno močjo približno 17 kw. 16

4 TOPLOTNE ČRPALKE Toplotne črpalke so ekološko najprijaznejši in energetsko najbolj učinkovit način ogrevanja, hlajenja in priprave sanitarne tople vode, saj za delovanje uporabljajo energijo iz obnovljivih virov. Toplotna črpalka je naprava, ki prenaša toploto iz sistema z nižjo temperaturo na sistem z višjo temperaturo. Sistem z nižjo temperaturo je vir toplote, ki ga s pomočjo vloženega dela dvignemo na višji nivo in ga oddamo mediju, ki je največkrat voda, v sistemu z višjo temperaturo, ki se uporablja v ogrevalnem sistemu. [8] 4.1 DELOVANJE Toplotna energija, pridobljena iz toplotne črpalke, je posledica termodinamičnega procesa in ne izgorevanja kot pri klasičnih kurilnih napravah. Toplotna črpalka pridobiva toploto iz zraka, vode ali zemlje. [8] Dovedena toplota iz okolice se prenese na hladilni medij v uparjalniku, ki deluje kot toplotni prenosnik, kjer pride do popolnega izparevanja hladiva pri nizki temperaturi. Hladivo v parnem stanju se nato vodi v kompresor, kjer z dovajanjem električne energije dosežemo zvišanje tlaka in temperature. Temperatura hladiva mora doseči tak temperaturni nivo, da lahko pride kasneje do kondenzacije v kondenzatorju. To pomeni, da mora biti temperatura hladiva višja od temperature ogrevalnega medija. V kondenzatorju hladilni medij kondenzira in ob tem odda toploto na ogrevalni medij. Hladivu, ki je v kapljevitem stanju, se nato v ekspanzijskem ventilu zmanjša energetski nivo (tlak in temperatura) do vrednosti, ki omogoča njegovo ponovno izparevanje v uparjalniku. Delovanje toplotne črpalke je prikazano na sliki 4.1. [9] 17

Slika 4.1: Delovanje toplotne črpalke [9] 4.2 VRSTE TOPLOTNIH ČRPALK Glede na temperaturo ogrevalnega medija ločimo naslednje toplotne črpalke [9]: - nizkotemperaturne, - srednjetemperaturne, - in visokotemperaturne. Pri nizkotemperaturnih toplotnih črpalkah se medij za ogrevanje stavbe ogreje do temperature 55 C. Te vrste toplotnih črpalk so primerne za dobro izolirane stavbe in za ogrevanje s talnim gretjem. Pri srednjetemperaturnih je temperatura medija med 55 C in 60 C, visokotemperaturne pa ogrejejo medij na temperaturo, ki je višja od 60 C. Srednjetemperaturne in visokotemperaturne toplotne črpalke so primerne za ogrevanje stavbe s klasičnim radiatorskim ogrevanjem. Ogrevanje medija s toplotno črpalko pri različnih zunanjih temperaturah je prikazano na sliki 4.2. 18

Slika 4.2: Ogrevanje vode pri različnih vrstah toplotne črpalke [9] 4.3 IZVEDBE Pri načrtovanju toplotne črpalke je najpomembneje izbrati vir toplote. Pri izbiri je potrebno upoštevati, da je omogočena zadostna razpoložljivost vira, velika akumulacija toplote in dovolj visok temperaturni nivo. [9] Glede na vir toplote iz okolice in medij, ki se uporablja za ogrevanje stavbe, poznamo tri osnovne tipe toplotnih črpalk, in sicer [9]: - zrak/voda, - voda/voda, - in zemlja/voda. 19

4.3.1 Toplotna črpalka zrak/voda S toplotnimi črpalkami zrak/voda je možno ogrevanje do temperature -20 C. Slabost toplotnih črpalk, ki izkoriščajo toploto zraka, je, da se moč toplotne črpalke z upadanjem zunanje temperature znižuje. Zato so te toplotne črpalke kot samostojni vir ogrevanja primerne do temperature -5 C, za nižje temperature pa v kombinaciji z dodatnim virom ogrevanja oziroma v bivalentnem delovanju. Za ogrevanje sanitarne vode so možne tudi izvedbe toplotnih črpalk zrak/voda, ki izkoriščajo toploto notranjega zraka in so nameščene v kleti, kjer želimo vzdrževati konstantno temperaturo (3 C), ali na podstrešju, kjer pade temperatura redko pod 0 C. Z njimi lahko ogrejemo 1400 litrov sanitarne vode. [9] 4.3.2 Toplotna črpalka voda/voda Pri toplotnih črpalka voda/voda se kot vir toplote lahko uporablja toplota podtalne ali površinske vode. Izkoriščanje podtalne vode (slika 4.3) je najbolj zanesljiv in energetsko najbolj učinkovit vir toplote, saj je tudi v najhladnejši zimi temperatura podtalne vode med 8 12 C in ima toplotno moč približno 6,5 kw/m 3. Slabost podtalnice je, da se ne nahaja povsod v zadostnih količinah in kakovosti. Za izvedbo je potrebno izvrtati dve vrtini. Podtalnico črpamo v sesalni vrtini in jo ohlajeno za 5 C vračamo po ponorni vrtini, ki je od sesalne oddaljena za 15 m. Te toplotne črpalke so primerne za ogrevanje, kjer je potrebna večja toplotna moč (do 40 kw). [9] 20

Slika 4.3: Toplotna črpalka z virom toplote iz podtalnice [10] Poleg podtalne vode je možno izkoriščati tudi površinsko vodo, saj sončno energijo preko površine absorbirajo tudi jezera, reke in morja in tako delujejo kot naravni hranilnik. Ogrevanje s površinsko vodo ne predstavlja velikega posega v okolje. Uporablja se zaprt sistem odvzema toplote, kjer se na dno vodne površine položi kolektor, v katerem se nahaja nestrupeno sredstvo, ki se za nekaj stopinj ogreje in se ga vodi do toplotne črpalke. Glede zanesljivosti je ogrevanje s površinsko vodo manj zanesljivo od ogrevanja s podtalnico ali ogrevanja s toplotno sondo, saj je kolektor nezaščiten in v primeru, da pride do poškodbe, je zelo težavna njegova zamenjava. [9] 4.3.3 Toplotna črpalka zemlja/voda Zemlja akumulira sončno toploto skozi celo leto. Toploto zemlje se najbolj pogosto črpa iz površinskih slojev. Odvzem toplote je odvisen od zemljine toplotne prevodnosti, gostote in specifične toplotne kapacitete tal. Za črpanje toplote iz zemlje se najpogosteje uporablja horizontalni kolektor (slika 4.4), ki je položen na globini 1,5 2 m. V njem se nahaja mešanica vode in etanola, ki se v cevi uparja. Uporabljajo se tudi drugačne izvedbe kolektorjev, kot sta kolektor v jarku in spiralni kolektor. [9] 21

Slika 4.4: Horizontalni zemeljski kolektor [10] V gosto naseljenih področjih, kjer ni dovolj prostora za vgradnjo horizontalnega kolektorja, se vgrajujejo vertikalni prenosniki oz. toplotne sonde za izkoriščanje toplote iz kamnin (slika 4.5). V velike globine dovajamo vodo, ki se uporablja za prenos toplote. V notranjosti se voda ogreje ter se vrača na površje po vzporedni cevi. Sonde so položene v globino med 30 150 m. [9] Slika 4.5: Vertikalni prenosnik toplotna sonda [10] 22

4.4 GRELNO ŠTEVILO Za primerjavo učinkovitosti toplotnih črpalk se uporablja grelno število (COP), ki je podano kot razmerje med toploto, ki jo pridobimo s toplotno črpalko in električno močjo, ki je potrebna za delovanje kompresorja. [9]. Grelno število se izračuna po enačbi (4.1). Enačba za izračun grelnega števila: KIL= 0 M N OP (4.1) kjer je: COP grelno število Q R grelna moč toplotne črpalke (kw) Pel dovedena električna moč (kw) Grelno število je višje pri toplotnih črpalkah, kjer ima vir toplote čim višjo temperaturo in je čim nižja temperatura ogrevalnega medija. Učinkovite toplotne črpalke imajo grelno število, večje od 3,4. [11] Za primerjavo učinkovitosti toplotnih črpalk skozi celo leto pa se uporablja letno grelno število (SPF), ki je podano kot razmerje med toploto, ki jo pridobimo s toplotno črpalko v kurilni sezoni in električno energijo, ki smo jo potrebovali za delovanje kompresorja skozi celotno kurilno sezono. [9] Letno grelno število se izračuna po enačbi (4.2). Enačba za izračun letnega grelnega števila: SLT= 0 UVČ W OP (4.2) kjer je: SPF letno grelno število Q XYČ letna pridobljena toplota s toplotno črpalko (kwh) Eel potrebna električna energija v kurilni sezoni (kwh) 23

Pri učinkovitih toplotnih črpalkah je vrednost letnega grelnega števila višja od 3. [11] 4.5 HRANILNIK TOPLOTE ZA OGREVANJE Poleg toplotne črpalke je potrebna tudi vgradnja hranilnika toplote (slika 4.6), s katerim dosežemo učinkovitejše izkoriščanje pridobljene toplote, hidravlično ločitev toplotne črpalke od ogrevalnega kroga in daljše neprekinjeno delovanje kompresorja, kar podaljša njegovo življenjsko dobo. Pri toplotnih črpalkah zrak/voda je vgradnja hranilnika toplote obvezna, saj se iz njega pridobi potrebna energija za odtaljevanje uparjalnika. [9] Slika 4.6: Hranilnik toplote [11] 4.6 IZBIRA TOPLOTNE ČRPALKE Ker poleg hiše ni dovolj prostora za vgradnjo zemeljskega kolektorja in ker ni na voljo dovolj podtalnice, sem se odločil za toplotno črpalko zrak/voda. Glede na izračunano potrebno moč za ogrevanje, ki je prikazano v enačbi (3.4), sem se odločil za toplotno črpalko podjetja Kronoterm WPL-18-K1 HT (slika 4.7). [13] 24

Slika 4.7: Toplotna črpalka Kronoterm WPL-18-K1 HT [13] 4.6.1 Tehnični podatki toplotne črpalke Osnovni tehnični podatki o izbrani toplotni črpalki WPL-18-K1 HT so prikazani v tabeli 4.1. Tabela 4.1: Tehnični podatki toplotne črpalke [14] PODATKI WPL-18-K1 HT Vir toplote Zunanji zrak Grelna moč 17,2 kw Električna moč (A2/W30 35) 4,4 kw Električna moč (A2/W47 55) 5,9 kw COP (A2/W30 35) 3,91 COP (A2/W47 55) 2,79 Električni grelnik 3 X 2 kw Priključni kabel 5 X 4 mm 2 Hladivo R407C Količina hladiva 16 kg Nominalni pretok zraka 5300 m 3 /h Območje delovanja temperatura zraka -25/40 C Dimenzije (širina/višina/globina) 1450/1900/650 mm Masa 345 kg 25

Kjer pomeni: A2 podatki veljajo pri standardni temperaturi zraka 2 C W30 35 temperatura ogrevalne vode pri 30 35 C W47 55 temperatura ogrevalne vode pri 47 55 C 4.6.2 Vezalna shema ogrevalnega sistema Primer vezalne sheme toplotne črpalke z radiatorji, v kombinaciji s hranilnikom toplote, je prikazan na sliki 4.8. Slika 4.8: Vezalna shema ogrevalnega sistema [13] 26

5 SAMOOSKRBA Z ELEKTRIČNO ENERGIJO ZA OGREVANJE Električno energijo, ki je potrebna za delovanje toplotne črpalke, bi proizvedli s hidroelektrarno, ki bi izkoriščala energijo vode potoka Sevnična. Sistem pogona toplotne črpalke z vodno turbino je prikazan na sliki 5.1. Slika 5.1: Sistem pogona toplotne črpalke z vodno turbino 5.1 HIDROELEKTRARNA Hidroelektrarna je energetski objekt, ki pretvarja kinetično energijo vode v električno energijo. Razpoložljiva vodna energija je odvisna od pretoka vode in padca. Voda prihaja do turbine po tlačnem cevovodu ali kanalu in iz nje izteka po sesalnem kanalu. V vodni turbini voda odda delo, ki se nato v generatorju pretvori v električno energijo. [15] Glede na način izkoriščanja vodne energije za pogon turbin ločimo [16]: - pretočne hidroelektrarne, - akumulacijske hidroelektrarne, - pretočno-akumulacijske hidroelektrarne, - in črpalno-akumulacijske hidroelektrarne. Pretočne hidroelektrarne sproti izkoriščajo velik pretok vode in so na ustreznem mestu zajezene le zato, da se lahko ustvari višinska razlika, potrebna za pogon turbine. 27

Akumulacijske hidroelektrarne izkoriščajo vodo iz akumulacijskih jezer, ki so ustvarjena z zajezitvijo globokih gorskih sotesk in kanjonov ter so zaradi tega neobčutljive na nihanje oskrbovalnih vodotokov. Pretočno-akumulacijske hidroelektrarne so kombinacija pretočnih in akumulacijskih hidroelektrarn. Zgrajene so v verigi, kjer ima prva elektrarna možnost akumulacije. Črpalno-akumulacijske hidroelektrarne so namenjene shranjevanju električne energije v obliki potencialne energije vode in ko je potreba, jo ponovno pretvorijo v električno energijo. Takšne hidroelektrarne imajo dva vodna hranilnika, ki se nahajata na različnih višinah. [16] 5.1.1 Mala hidroelektrarna Mala hidroelektrarna je manjši energetski objekt, ki izkorišča vodno energijo manjših vodotokov in predstavlja manjši poseg v okolje. Pod male hidroelektrarne uvrščamo hidroelektrarne z močjo do 10 MW. Zaradi zelo različnih moči male hidroelektrarne delimo na [16]: - male elektrarne, ki imajo inštalirane moči od 1 MW do 10 MW, - mini elektrarne, ki imajo inštalirane moči od 100 kw do 1 MW, - mikro elektrarne, ki imajo inštalirane moči manj kot 100 kw. Male hidroelektrarne so praviloma namenjene pridobivanju električne energije, ki se jo oddaja v električno omrežje. Medtem ko mini in mikro hidroelektrarne lahko delujejo tudi kot samostojne elektrarne. [16] 5.2 VODNE TURBINE Glavni del hidroelektrarne je vodna turbina. Vodna turbina je naprava, ki pretvarja potencialno in kinetično energijo vodnega toka v mehansko energijo. Energijski potencial vode, in posledično tudi izbira vodne turbine, se ocenjuje na podlagi pretoka vodnega vira in višinske razlike pred elektrarno in za njo. [17] 28

Glede na način pretvarjanja energije vodne turbine delimo na [18]: - enakotlačne ali akcijske, v katerih se vsa potencialna energija spremeni v kinetično v vodilniku, - nadtlačne ali reakcijske, v katerih se del potencialne energije spremeni v kinetično v vodilniku, del pa v gonilniku. Glede na smer pretoka vode vodne turbine delimo na [18]: - radialne, - aksialne, - diagonalne - in tangencialne. Glede na lego osi pa jih delimo na [17]: - vodoravne (vertikalne), - navpične (horizontalne) - in poševne. Najpomembnejše in največkrat uporabljene turbine danes so Peltonova, Francisova, Kaplanova in Bankijeva turbina. 5.2.1 Peltonova vodna turbina Peltonova turbina, prikazana na sliki 5.2, je enakotlačna turbina z delnim natokom vode, namenjena za majhne pretoke in velike padce (od 50 m do 2000 m višinske razlike). Na obodu gonilnika so nameščene šobe, ki vbrizgavajo vodo nanj. Na šobi se tlačna energija spremeni v kinetično energijo. Peltonove turbine imajo lahko eno ali več šob (največ 6), odvisno od pretoka vode. Curek vode je usmerjen tangencialno na lopatice gonilnika, ki imajo skledasto obliko (obliko korcev). Na sredini lopatice je izrezan del, ki je namenjen pravilnemu odboju curka od lopatice nazaj. Krmiljenje Peltonove turbine je izvedeno količinsko s premikom igle v šobi, ki ima hruškasto obliko. Iglo premika vreteno, ki se pomika v šobi. Poleg šobe je nameščeno tudi odklonilo (odrezalo), ki odkloni curek iz 29

gonilnika za toliko časa, da igla pripre šobo. Peltonove turbine so namenjene za vodotoke, kjer se količina vode močno spreminja, saj omogočajo delovanje z visokim izkoristkom tudi pri 25 % obremenitvi. Občutljive pa so na spremembo višinske razlike vode, saj ta vpliva na hitrost toka vode iz šobe. Peltonove turbine, ki imajo do 2 šobi, so izvedene v vertikalni smeri, medtem ko so turbine, ki imajo 4 ali 6 šob, izvedene v horizontalni smeri, zaradi boljšega odvoda iztečene vode. Peltonove turbine se uporabljajo do moči 250 MW in imajo visok izkoristek, ki je med 85 90 %. Vrtilne hitrosti gonilnika so 10 40 obratov na minuto. [15, 17] Slika 5.2: Peltonova turbina [19] 5.2.2 Kaplanova vodna turbina Kaplanova turbina, prikazana na sliki 5.3, je reakcijska turbina, ki ima dvojno krmiljenje, saj ima nastavljive vodilne in gonilne lopatice. Kaplanova turbina je vodna turbina, ki se uporablja za velike pretoke in manjše padce (od 10 m do 50 m). Dotok vode poteka skozi tlačni cevovod v spiralno ohišje skozi vodilne lopatice. Nato voda zavije navzdol, še preden pride do gonilnika, in izteka skozi sesalno cev. Torej je Kaplanova turbina v aksialnoaksialni izvedbi, saj sta tako vtok v turbino kot tudi iztok v aksialni smeri. Gonilnik ima obliko ladijskega vijaka in 2 do 7 lopatic z nastavljivim kotom, ki se jih krmili hidravlično. [15] 30

Dvojno krmiljenje turbine omogoča delovanje v širšem območju delovanja. Izkoristki teh turbin so tudi 92 %, vendar izkoristek pada z manjšanjem padca ali pretoka vode. Uporablja se za moči do 200 MW. [15, 17] Slika 5.3: Kaplanova turbina [20] 5.2.2.1 Propelerska vodna turbina Propelerska vodna turbina je posebna izvedba Kaplanove turbine, ki ima nepremično vpete gonilne lopatice in je krmiljena le z vodilnimi lopaticami. Z njimi nadomeščamo stare Francisove turbine v območju, kjer je padec manjši od 10 m, saj je preprostejše zasnove in ima višje vrtilne frekvence, kar pomeni, da potrebujemo manjši in cenejši generator. Propelerske turbine imajo dober izkoristek na ozkem delovnem področju, zato se jih uporablja na vodotokih s konstantnim pretokom vode skozi vse leto. [15] 5.2.2.2 Cevne turbine Posebna vrsta Kaplanove turbine je tudi cevna turbina, kamor spadajo CT s hruško, CT v jašku, cevna turbina S in Saxo turbina. Primerne so za vodotoke, kjer je padec manjši od 30 m in ni veliko nihanja pretoka vode. Prednosti teh turbin v primerjavi s Kaplanovo turbino 31

sta večji izkoristek in nižji strošek gradnje. Slabosti pa sta krajša življenjska doba in težje servisiranje. [15] 5.2.3 Bankijeva vodna turbina Za izrabljanje vodne energije na vodotokih, ki imajo manjši pretok vode in manjši padec (od 2 m do 100 m), se uporabljajo Bankijeve turbine (slika 5.4). Bankijeva turbina je enakotlačna turbina, ki je lahko izvedena v vertikalni ali horizontalni smeri, vendar se večina uporablja v horizontalni smeri. Voda vstopa v turbino skozi šobo, ki je nameščena nad gonilnikom, v kateri se ustvari pravokotni presek vodnega curka, ki poševno vstopa na zunanji strani lopatja gonilnika in ga zapusti na notranjem obodu. Pri tem odda voda gonilniku 70 do 80 % energije. Nato voda ponovno vstopi v lopatje gonilnika, le da tokrat z notranje strani, in pri tem odda še preostalo kinetično energijo. Regulacija turbine je izvedena s spreminjanje debeline vodnega curka, najbolj pogosto z vrtilnimi regulacijskimi jeziki. Uporablja se jih za moči do 35 kw. Izkoristek Bankijeve turbine je nekoliko nižji kot pri ostalih vrstah turbin (do 85 %), vendar se jih uporablja za male hidroelektrarne, zaradi nižjega stroška investicije, enostavne izvedbe, hkrati imajo ugoden izkoristek tudi pri nižjih obremenitvah turbine. Poleg tega ima Bankijeva turbina tudi samočistilno lastnost, saj pritekajoča voda s seboj odnaša listje in travo, ki se je nabralo na gonilniku turbine. [16, 18] Slika 5.4: Bankijeva turbina [19] 32

5.3 ELEKTRIČNI GENERATOR Za pretvorbo mehanske energije, ki jo proizvede turbina, v električno energijo se uporabljajo generatorji. Električni generator je sestavljen iz rotorskega in statorskega navitja in deluje na principu električne indukcije. Električna napetost nastaja, ko vodnik prehaja preko silnic magnetnega polja. Za zagotavljanje magnetnega polja se pri manjših generatorjih uporabljajo trajni magneti, pri večjih enotah pa elektromagneti, ki pa za vzbujanje potrebujejo dodatni vir električnega toka. V elektrarnah se največkrat uporabljajo trifazni sinhronski generatorji. Za male hidroelektrarne pa se zaradi nižjih stroškov uporabljajo tudi asinhronski generatorji. [18] 5.4 DIMENZIONIRANJE HIDROELEKTRARNE 5.4.1 Pretok in padec vode Sevnična je potok, ki izvira na severnih pobočjih Bohorja in se nato kot levi pritok izliva v reko Savo. Diagram pretoka (slika 5.5) prikazuje povprečni mesečni pretok v letih 2014 in 2015. Za določitev inštaliranega pretoka hidroelektrarne bomo uporabili podatke za leto 2015, ki so prikazani v tabeli 5.1. Povprečni pretok potoka Sevnična v posameznih mesecih za leto 2014 in 2015 Pretok (m3/s) 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 2014 2015 Mesec Slika 5.5: Pretok potoka Sevnična v letih 2014 in 2015 33

Tabela 5.1: Povprečni pretok potoka Sevnična v posameznih mesecih leta 2015 [21] Mesec Povprečni pretok (m 3 /s) Januar 0,868 Februar 0,945 Marec 0,523 April 0,289 Maj 0,488 Junij 0,339 Julij 0,244 Avgust 0,215 September 0,209 Oktober 0,946 November 0,339 December 0,255 Inštalirani pretok male hidroelektrarne bomo določili s pomočjo programskega paketa Matlab, kje smo določili urejeni diagram pretoka, ki je prikazan na sliki 5.6. 2 Dejanski diagram pretokov 2 Urejen diagram pretokov 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 Q (m 3 /s) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t (mesec) Q (m 3 /s) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t (mesec) Slika 5.6: Diagram dejanskih pretokov potoka Sevnična in njegov urejeni diagram 34

Iz urejenega diagrama pretoka smo določili, da znaša inštalirani pretok male hidroelektrarne 0,25 m 3 /s. Potencialna razlika med zgornjo in spodnjo vodo znaša 3,5 m. Glede na inštalirani pretok male hidroelektrarne in potencialne razlike med spodnjo in zgornjo vodo smo iz diagrama (slika 5.7) določili, da je v našem primeru najbolj primerna Bankijeva turbina, ki je namenjena majhnim pretokom in nizkim padcem. Slika 5.7: Diagram za izbiro ustrezne vodne turbine [15] 5.4.2 Moč hidroelektrarne Na podlagi inštaliranega pretoka vode in poznane potencialne razlike lahko določimo moč vodnega toka, ki se izračuna po enačbi (5.1). Moč vodnega toka: L= Z [? (5.1) kjer je: P moč vodnega toka (W) inštalirani pretok (m 3 /s) 35

ρ gostota vode (kg/m 3 ) H potencialna razlika (m) g težnostni pospešek (9,81 m/s 2 ) Moč vodnega toka za malo hidroelektrarno je prikazana v enačbi (5.2). Pri izračunu bomo upoštevali, da je gostota vode 1000 kg/m 3. L=0,25 1000 9,81 3,5=8583,75 ==8,58375 <= (5.2) Za določitev dejanske moči hidroelektrarne je potrebno upoštevati tudi izkoristek turbine in generatorja. Dejanska moč hidroelektrarne se izračuna po enačbi (5.3). Dejanska moč hidroelektrarne: L \]^ =L _` _ a (5.3) kjer je: Pdej moč hidroelektrarne (W) P moč vodnega toka (W) _` izkoristek turbine _ a izkoristek generatorja Pri izračunu dejanske moč bomo upoštevali, da je izkoristek Bankijeve vodne turbine 0,81 in izkoristek generator 0,9. Dejanska moč elektrarne je prikazana v enačbi (5.4). L \]^ =8583,75 0,81 0,9=6257,6 ==6,2576 <= (5.4) Iz male hidroelektrarne bomo pridobili 6,26 kw električne moči, kar je dovolj, da bo toplotna črpalka delovala samooskrbno z električno energijo, pridobljeno iz hidroelektrarne, saj kompresor za delovanje potrebuje 5,9 kw moči. 36

5.5 POVEZAVA HIDROELEKTRARNE S TOPLOTNO ČRPALKO Mala hidroelektrarna proizvaja električno energijo za delovanje toplotne črpalke. V času, ko le-ta ne obratuje, pa proizvedeno električno energijo oddajamo v omrežje. Primer vezave hidroelektrarne je prikazan na sliki 5.8. Slika 5.8: Primer vezave male hidroelektrarne s toplotno črpalko 37

6 STROŠKOVNA ANALIZA IN EKONOMSKI VIDIK 6.1 CENA INVESTICIJE OGREVANJA S TOPLOTNO ČRPALKO Cenik investicije v ogrevanje s toplotno črpalko je prikazan v tabeli 6.1. V investicijo je vključena toplotna črpalka podjetja Kronoterm WPL-18-K1 HT, notranja krmilna enota, hranilnik vode z bojlerjem in obtočnima črpalkama. V ceni je upoštevana tudi montaža, nastavitev parametrov toplotne črpalke in njen zagon. Tabela 6.1: Cenik toplotne črpalke in pripadajoče opreme Naziv Količina Cena (EUR) 1. Toplotna črpalka WPL-18-K1 HT 1 kos 8616,56 2. Notranja krmilna enota TT3000 1 kos 836,58 3. Hranilnik vode in bojler WPS 1 komplet 1324,95 150/304 TT 4. Obtočna črpalka WILO STRATOS 2 kosa 571,59 PARA 25/1-8 T1 5. Montaža (ocena) 1 kos 1500 6. Nastavitev parametrov, testiranje in 1 kos 284,70 zagon SKUPAJ 13134,38 6.2 EKONOMSKI VIDIK OGREVANJA Za določitev letnih stroškov električne energije, ki je potrebna za delovanje toplotne črpalke, moramo poznati porabljeno toplotno energijo, ki se izračuna po enačbi (6.3). Za določitev porabljene topotne energije moramo poznati potrebno toplotno energijo stavbe, ki se izračuna po enačbi (6.1). Izračun potrebne toplotne energije enodružinske hiše je prikazan v enačbi (6.2). 38

Potrebna toplotna energija stavbe: W = + + 0 bc ` 444 (6.1) kjer je: QE toplotna energija stavbe (kwh) QT letne toplotne izgube stavbe (kwh) QVT letne prezračevalne izgube (kwh) toplota za ogrevanje sanitarne vode (W) t čas (3600 s) W =68908,64+15057,04+ 594 G744 444 =88465,68 <=h (6.2) Električna poraba toplotne črpalke se izračuna po enačbi (6.3). Izračun porabe električne energije toplotne črpalke je prikazan v enačbi (6.4), kjer smo pri izračunu upoštevali, da znaša letno grelno število 3. Električna poraba toplotne črpalke: Č = 4,d8 0 e Nf (6.3) kjer je: ETČ poraba električne energije toplotne črpalke (kwh) QE toplotna energija stavbe (kwh) SPF letno grelno število Č = 4,d8 88:79,78 G =28898,79 <=h (6.4) Električna energija, ki jo porabi električni grelec, se izračuna po enačbi (6.5). Izračun je prikazan v enačbi (6.6). 39

Električna poraba grelca: =(1 0,98) W (6.5) kjer je: EG poraba električne energije grelca (kwh) QE toplotna energija stavbe (kwh) =(1 0,98) 88465,68=1769,31 <=h (6.6) Strošek porabe električne energije se izračuna po enačbi (6.7). Strošek električne energije je prikazan v enačbi (6.8). Pri izračunu smo upoštevali trenutno ceno električne energije, ki znaša 0,073 EUR/kWh. Strošek električne energije: S.gIŠ i.kglmn=( Č + ) op@q pr.p@ps[tup (6.7) S.gIŠ i.kglmn=(28898,79+1769,31) 0,073=2238,77 g (6.8) 6.3 OKVIRNA CENA INVESTICIJE MALE HIDROELEKTRARNE Strošek investicije v malo hidroelektrarno je odvisen od inštalirane moči. Cene investicije malih hidroelektrarn so prikazane v tabeli 6.2. Cena male hidroelektrarne se izračuna po enačbi (6.9). Izračun je prikazan v enačbi (6.10). Tabela 6.2: Cena investicije male hidroelektrarne [22] Inštalirana moč Do 50 kw Do 1 MW Do 10 MW Cena investicije (EUR/kW) 2300 1700 1500 Cena male hidroelektrarne: Kk, v?=2300 L \]^ (6.9) 40

kjer je: CENA MHE cena investicije male hidroelektrarne Pdej inštalirana moč male hidroelektrarne Kk, v?=2300 6,2576=14392,48 g (6.10) 6.4 PRODAJA PRESEŽKA PROIZVEDENE ELEKTRIČNE ENERGIJE Delovanje toplotne črpalke je odvisno od zunanje temperature, kar pomeni, da se potrebna električna energija za njeno delovanje spreminja. Potrebna toplotna energija stavbe v posameznih mesecih je prikazana v tabeli 6.3. Tabela 6.3: Potrebna toplota za ogrevanje v posameznih mesecih Mesec Toplota za ogrevanje (kwh) Januar 17856,38 Februar 14128,09 Marec 11430,43 April 6723,38 Maj 1117,10 Junij 0 Julij 0 Avgust 0 September 183,30 Oktober 7674,47 November 12436,87 December 16915,66 Ob upoštevanju letnega grelnega števila (SPF) toplotne črpalke je v tabeli 6.4 prikazana potrebna električna energija za njeno delovanje v posameznem mesecu. Pri izračunu bomo upoštevali, da znaša letno grelno število 3. 41

Tabela 6.4: Potrebna električna energija za delovanje toplotne črpalke v posameznem mesecu Mesec Potrebna električna energija (kwh) Januar 5952,13 Februar 4709,36 Marec 3810,14 April 2241,13 Maj 372,37 Junij 0 Julij 0 Avgust 0 September 61,1 Oktober 2558,16 November 4145,62 December 5638,55 Letna proizvedena električna energija male hidroelektrarna se izračuna po enačbi (6.11). Letna proizvedena električna energija male hidroelektrarne je prikazana v enačbi (6.12). Pri izračunu bomo upoštevali konstantno proizvodnjo električne energije skozi celo leto. Letna proizvedena električna energija: ww =L \]^ x (6.11) kjer je: EmHE letna proizvedena električna energija (kwh) Pdej moč hidroelektrarne (kw) t čas (8760 h) ww =6,2576 8760=54816,58 <=h (6.12) Na sliki 6.1 je prikazan diagram letne proizvedene električne energije z malo hidroelektrarno in potrebno električno energijo toplotne črpalke. 42

Diagram letne proizvedene in potrebne električne energije 60000 Električna energija (kwh) 50000 40000 30000 20000 10000 Proizvedena ele. energija Potrebna ele. energija 0 Slika 6.1: Diagram letne proizvedene in potrebne električne energije Presežek proizvedene električne energije, ki ga je potrebno oddati v omrežje, se izračuna po enačbi (6.13) in je prikazan v enačbi (6.14). Presežek električne energije: Δ= ww Č (6.13) kjer je: E presežek električne energije (kwh) EmHE letna proizvedena električna energija (kwh) ETČ letna poraba električne energije toplotne črpalke (kwh) EG letna poraba grelca (kwh) Δ=54816,58 28898,79 1769,31=24148,48 <=h (6.14) Prihodek od prodaje električne energije se izračuna po enačbi (6.15) in je prikazan v enačbi (6.16). Pri izračunu bomo upoštevali, da je zagotovljena odkupna cena električne energije, proizvedene z malo hidroelektrarno, 105,47 EUR/MWh [23]. 43

Prihodek od prodaje presežka električne energije: Lgm?Iz=105,47 Δ (6.15) Lgm?Iz=105,47 24,14848=2546,94 g (6.16) 6.5 POVRNITEV STROŠKOV Letni strošek ogrevanja s toplotno črpalko, ki je prikazan v enačbi (6.8), ob trenutni ceni električne energije (0,073 EUR/kWh) znaša 2238,77 EUR. Cena izgradnje male hidroelektrarne znaša 14392,48 EUR (enačba 6.10). Strošek izgradnje hidroelektrarne bi se nam torej povrnil v 6,4 letu in glede na to, da je življenjska doba hidroelektrarn okrog 30 let, bi se več kot 20 let ogrevali brezplačno. Če pa upoštevamo tudi prihodek od prodaje presežka električne energije v omrežje, se nam investicija v malo hidroelektrarno povrne že v 3 letih. 44

7 SKLEP Cilj diplomskega dela je bil konstruiranje avtonomnega sistema za oskrbo toplotne črpalke z električno energijo, ki bi jo pridobili z malo hidroelektrarno. Za določitev primerne toplotne črpalke je bilo potrebno izračunati toplotne izgube enodružinske hiše in določiti potrebno toploto za ogrevanje sanitarne vode. V diplomskem delu je izvedeno dimenzioniranje male hidroelektrarne, s katero bi pridobili potrebno električno energijo za delovanje toplotne črpalke. Ker je postavitev male hidroelektrarne za investitorja na začetku veliko finančno breme, smo z ekonomsko analizo investicije ugotovili, da bi se nam izgradnja hidroelektrarne na dolgi rok izplačala, saj bi se nam investicija povrnila v treh letih. Tako bi se več kot 25 let ogrevali brezplačno, saj je življenjska doba hidroelektrarne 30 let. V tem času bi se nam povrnila tudi investicija v ogrevanje s toplotno črpalko. 45