IZKORIŠČANJE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA OGREVANJE STAVB NA OBMOČJU OBČINE POLZELA

IZKORIŠČANJE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA OGREVANJE STAVB NA OBMOČJU OBČINE POLZELA magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Lektorica: Aljaž Ograjenšek magistrski študijski program 2. stopnje Energetika red. prof. dr. Jurij Avsec dipl. slov. (UN) Tina Vehovec Krško, julij 2016

II

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, red. prof. dr. Juriju Avscu, za pomoč in vodenje pri izdelavi naloge. Zahvaljujem se g. Marjanu Verdevu, ustanovitelju podjetja Tehnohlad d.o.o., za pomoč pri dimenzioniranju toplotne črpalke in nudenje vseh potrebnih informacij glede tehnologije in stroškov. Iskrena hvala vsem ostalim, ki so pripomogli k izdelavi naloge. Hvala županu občine Polzela, g. Jožetu Kužniku, ki mi je nudil vso potrebno dokumentacijo. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij in me ves čas podpirali. III

IZKORIŠČANJE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA OGREVANJE STAVB NA OBMOČJU OBČINE POLZELA Ključne besede: geotermalna energija, obnovljivi viri energije, toplotna črpalka, toplota, stroškovna analiza UDK: 697:711.4:621.577.2(497.4Polzela)(043.2) Povzetek V magistrski nalogi je predstavljena geotermalna energija in možnost izkoriščanja le-te na območju občine Polzela. Opisane so osnovne zakonitosti toplotnih črpalk, za sistem ogrevanja je obravnavana toplotna črpalka voda/voda z izkoriščanjem podtalne vode. Izveden je preračun potrebne toplotne moči toplotne črpalke glede na že znano potrebno toplotno energijo, na podlagi katerih je dimenzionirana ustrezna toplotna črpalka. Izveden je tudi preračun potrebnega vodnega vira oziroma pretoka podtalne vode in število potrebnih sesalnih in ponornih vrtin. Na podlagi dobljenih rezultatov je ekonomsko ovrednotena investicija v izgradnjo toplotnih črpalk, ovrednoteni so trenutni letni stroški ogrevanja in primerjava stroškov ogrevanja v primeru izkoriščanja geotermalne energije. IV

USING OF GEOTHERMAL ENERGY FOR URBAN HEATING IN THE MUNICIPALITY POLZELA Key words: geothermal energy, renewable energy, heat pump, heat, cost analysis UDK: 697:711.4:621.577.2(497.4Polzela)(043.2) Abstract In this master's thesis is presented the geothermal energy and the possibility of exploitation of it in the Municipality Polzela. The basic principles of heating pumps are described, for the heating system is considered heat pump water/water with groundwater exploitation. The calculation of required capacity of heat pump is performed given the already known necessary thermal energy, on the basis of which is dimensioned suitable heat pump. Performed is also calculation of necessary water source or groundwater flow and the number of required intake and drain wells. Based on the results obtained, the investment in the construction of heat pumps is economically evaluated, evaluated are the current annual heating costs and comparison of heating costs in the case of geothermal energy exploitation. V

KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 GEOTERMALNA ENERGIJA... 5 2.1 STRUKTURA ZEMLJE... 6 2.2 IZKORIŠČANJE GEOTERMALNE ENERGIJE... 7 2.3 GEOTERMALNA ENERGIJA V SLOVENIJI... 7 3 TOPLOTNA ČRPALKA... 9 3.1 SPLOŠNO O TOPLOTIH ČRPALKAH... 9 3.2 PRINCIP DELOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK... 10 3.3 GRELNO ŠTEVILO... 11 3.4 NAČINI OBRATOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK... 12 3.5 IZVEDBE TOPLOTNIH ČRPALK... 13 3.5.1 Toplotna črpalka voda/voda... 13 4 DOLOČITEV POTREBNE TOPLOTNE MOČI... 18 4.1 SPECIFIČNE TOPLOTNE POTREBE... 18 4.2 KLIMA IN PODNEBJE... 21 4.3 TRANSMISIJSKI IZRAČUNI... 24 4.3.1 Izračun toplotnih izgub... 24 4.4 DIMENZIONIRANJE TOPLOTNIH ČRPALK... 27 4.5 PRETOK PODTALNE VODE... 31 5 PRERAČUN IN STROŠKOVNA ANALIZA... 36 5.1 VREDNOST INVESTICIJE... 36 5.2 STROŠKI OBRATOVANJA TOPLOTNE ČRPALKE... 37 5.3 TRENUTNI STROŠKI OGREVANJA... 39 5.3.1 Energijsko število in kurilna vrednost... 40 VI

5.3.1.1 Ekstra lahko kurilno olje... 41 5.3.1.2 Zemeljski plin... 42 5.4 PRIMERJAVA VREDNOSTI OGREVANJA IN POVRAČLJIVOST INVESTICIJE... 42 6 SKLEP... 44 VIRI IN LITERATURA... 46 PRILOGE... 48 PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV... 48 PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA... 49 VII

KAZALO SLIK Slika 1.1: Zemljevid občine Polzela [7]... 4 Slika 2.1: Povprečna letna temperatura zraka v občini Polzela [5]... 6 Slika 2.2: Sestava Zemlje [11]... 7 Slika 2.3: Uporabniki toplote iz geotermalne energije v Sloveniji [12]... 8 Slika 3.1: Krožni proces delovanja toplotne črpalke... 11 Slika 3.2: Toplotna črpalka voda/voda... 15 Slika 3.3: Povezava TČ s sesalno in ponorno vrtino [18]... 16 Slika 4.1: Mestno jedro občine Polzela [6]... 20 Slika 4.2: Letna povprečna temperatura zraka med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5]... 22 Slika 4.3: Januarska povprečna temperatura zraka med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5]... 22 Slika 4.4: Povprečno trajanje ogrevalne sezone med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5]... 23 Slika 4.5: Povprečni temperaturni primanjkljaj med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5]... 23 Slika 4.6: Povprečna letna višina korigiranih padavin med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5]... 24 Slika 4.7: Kompresor Bitzer [21]... 28 Slika 4.8: Shema uporabljene TČ... 28 Slika 4.9: Shema posameznega postroja... 30 Slika 4.10: Predviden potek cevovodov daljinskega ogrevanja... 31 VIII

KAZALO TABEL Tabela 4.1: Povprečna letna potreba toplote za ogrevanje [20]... 19 Tabela 4.2: Predvideni vključeni objekti [19]... 21 Tabela 5.1: Investicija izgradnje toplotne črpalke [22]... 37 Tabela 5.2: Kurilne vrednosti energentov [5]... 40 Tabela 5.3: Vrednost investicije in letni stroški obratovanja... 43 IX

UPORABLJENI SIMBOLI CO 2 ogljikov dioksid grelno število P tč toplotna moč toplotne črpalke pogonska moč TČ β letno grelno število Q ltč oddana letna energija toplotne črpalke W el letno dovedena električna energija C u baker skupna potrebna toplota transmisijska toplota dodatna toplota zaradi prezračevanja U toplotna prehodnost A površina T n notranja temperatura T z zunanja temperatura pretok zraka ρ gostota zraka c specifična toplota zraka V prostornina ogrevanega prostora n predvidena stopnja izmenjave zraka toplotna moč toplotne črpalke toplotna energija t čas obratovanja toplotne črpalke sprememba temperature število sesalnih vrtin prostorninski pretok prostorninski pretok vrtine diferencial prostornine tekočine diferencial časa v hitrost tekočine X

S prerez cevi prerez 1. tokovne cevi hitrost tekočine v 1. tokovni cevi prerez 2. tokovne cevi hitrost tekočine v 2. tokovni cevi število ponornih vrtin strošek obratovanja toplotne črpalke vrednost električne energije količina energenta kurilna vrednost XI

UPORABLJENE KRATICE EU Evropska unija OVE obnovljivi viri energije GTČ geotermalna toplotna črpalka TČ toplotna črpalka COP Coefficient of Performance (grelno število TČ) SPF Seasonal Performance Factor (letno grelno število) DIN Deutsches Institut für Normung (Nemški inštitut za standardizacijo) EN European Standard (Evropski standard) DDV davek na dodano vrednost EM enota mere ELKO ekstra lahko kurilno olje UNP utekočinjen naftni plin CV Caloric Value (kurilna vrednost) XII

1 UVOD Vrednosti energentov se iz dneva v dan večajo, veča pa se tudi onesnaženost okolja zaradi množičnega izkoriščanja fosilnih goriv. Razvoj in obstoj civilizacij in človeštva je povezan z energijo, zato smo primorani v iskanje novih virov in novih tehnologij za pridobivanje energije in učinkovitejšo rabo.»vir energije mora biti ekonomsko sprejemljiv in ekološko čim manj obremenjujoč [1]«. Po izračunih in ocenah strokovnjakov se letno na svetu porabi enaka količina fosilnih goriv, ki je s pomočjo fotosinteze in sončne energije nastala v enem milijonu let. Glede na navedeno obstaja možnost, da bomo vsa fosilna goriva porabili v relativno kratkem času. Pri zgorevanju fosilnih goriv prihaja do velikega onesnaženja okolja, lahko bi rekli tudi, da so fosilna goriva osnovni vzrok za že zaznavne podnebne spremembe. Dve izmed izrazitejših sprememb sta spreminjanje koncentracije ozona v posameznih slojih ozračja in učinek tople grede, ki se povečuje. Ena izmed možnosti zmanjšanja koriščenja fosilnih goriv je uporaba obnovljivih virov energije. Tudi z razvojem novih tehnologij lahko dosežemo bistveno zmanjšanje izpustov snovi v ozračje, to pa predvsem zaradi boljše izkoriščenosti obstoječih virov oziroma optimizacije obstoječih sistemov [2]. Za zanesljivo in dolgoročno oskrbo z energijo bo v prihodnje nujno potrebno, da začnemo z intenzivnim izkoriščanjem obnovljivih virov energije, saj se zaloge primarne energije hitro manjšajo. Med obnovljive vire energije štejemo geotermalno energijo, energijo sonca, energijo vode in biomase [3]. Po definiciji, ki jo uporablja Evropska skupnost, pomeni geotermalna energija v obliki toplote shranjeno energijo pod trdnim zemeljskim površjem [4]. Ta toplota se lahko uporablja za ogrevanje, hlajenje ali za pridobivanje električne energije. V primeru uporabe toplotnih črpalk in ob koriščenju geotermalne energije bi lahko ob primerni vrednosti električne energije in primerni podpori v obliki sofinanciranja zagotovili dvig rabe obnovljivih virov energije. EU (Evropska unija) zavezuje članice, da povišajo delež rabe OVE oziroma da zagotovijo pogoje za dvig deleža rabe obnovljivih virov energije na želeno vrednost. Toplotne črpalke izkoriščajo toploto okolice, torej za delovanje ne porabljajo fosilnih goriv, s tem pa znižujejo onesnaževanje okolja in izpust CO 2 v okolje [1]. Kot smo že dejali, bi lahko ob 1

primerni podpori vgradnje toplotnih črpalk povišali rabo OVE, enakega mnenja pa so očitno tudi vodilni državni funkcionarji, saj je sistem subvencioniranega nakupa toplotnih črpalk s strani države, krepko pospešil vgradnjo le-teh in tako znižal onesnaževanje okolja. Zaradi velike onesnaženosti okolja, ki je posledica množičnega izkoriščanja fosilnih goriv in vse višjih vrednosti energentov, je nujno potrebno, da zmanjšamo porabo primarne energije. Ena izmed možnosti je uporaba obnovljivih virov energije, kamor spada tudi geotermalna energija, ki jo bomo v nalogi podrobneje proučili. V nalogi je opisana geotermalna energija in možnost izkoriščanja le-te na območju občine Polzela z uporabo toplotnih črpalk voda/voda. Glede na že znane toplotne potrebe za daljinsko ogrevanje stavb in pripravo sanitarne vode za stavbe v osrednjem delu občine Polzela bomo dimenzionirali potrebno toplotno moč toplotne črpalke, kjer bomo izgube daljinskega ogrevanja zanemarili. Glede na potrebno toplotno energijo in toplotno moč bomo izračunali potreben vodni vir oziroma pretok podtalne vode glede na že znan pretok in temperaturo podtalne vode v testni vrtini. Tu bomo predpostavili, da ima podtalnica na celotnem območju izdelave vrtin enako temperaturo in pretok, kot jo je imela v testni vrtini in na enaki globini. Glede na potreben pretok bomo določili potrebno število vrtin. Na podlagi dobljenih rezultatov bomo stroškovno ovrednotili investicijo in podali njeno opravičljivost glede na trenutno stanje. Naloga je razdeljena na naslednja poglavja: - Uvod namen naloge je predstaviti možnosti izkoriščanja geotermalne energije za ogrevanje stavb in sanitarne vode ter s tem zmanjšati uporabo fosilnih goriv. Z uporabo geotermalne energije želimo tudi znižati stroške ogrevanja; - Geotermalna energija opisana je struktura zemlje, možnosti rabe geotermalne energije in geotermalna energija v Sloveniji; - Toplotne črpalke opisane so osnovne značilnosti toplotnih črpalk, načini obratovanja in različne izvedbe toplotnih črpalk; 2

- Določitev potrebne toplotne moči podane so že znane skupne potrebe za ogrevanje stavb in sanitarne vode, dimenzionirana je potrebna moč toplotne črpalke in potreben vodni vir oziroma pretok podtalne vode in potrebno število vrtin; - Preračun in ekonomska analiza narejena je stroškovna analiza investicije, navedeno je trenutno stanje oziroma trenutni stroški ogrevanja in primerjava stroškov ogrevanja z izkoriščanjem geotermalne energije glede na trenutno stanje; - Sklep v zaključnem poglavju so povzete ugotovitve oziroma sklepi. V nalogi je obravnavano izkoriščanje geotermalne energije za ogrevanje stavb in pripravo sanitarne vode na območju občine Polzela. Občina Polzela leži v vzhodni Sloveniji in pripada Savinjski statistični regiji. Obkrožajo jo občine Braslovče, Prebold, Šmartno ob Paki, Šoštanj, Velenje in Žalec. 45,8 % površine občine prekrivajo gozdna zemljišča, s 44,6 % jim sledijo kmetijska zemljišča, 9,4 % površine občine pa predstavljajo pozidana zemljišča [5]. Območje občine je prikazano na sliki 1.1. Občina Polzela je bila ustanovljena leta 1998 in meri 3390 ha. Sestavljajo jo naselja Andraž nad Polzelo, Breg pri Polzeli, Dobrič, Ločica ob Savinji, Orova vas, Podvin pri Polzeli, Polzela in Založe. Skupno število prebivalstva v vseh osmih naseljih je 6022 prebivalcev [6]. Že naši stari starši so pripovedovali, da se nahajajo na območju nekdanjega podjetja Garant, ki leži v neposredni bližini reke Savinje, številni izviri tople vode. V preteklosti naj bi pri teh izvirih domačinke pozimi prale perilo. Glede na te informacije sta se decembra 2013, na pobudo stečajnega upravitelja podjetja Garant in občine Polzela, izdelali dve testni vrtini. Že pri prvi vrtini se je pokazalo, da so domneve o veliki količini tople vode resnične, saj je znašal maksimalni pretok črpanja 5 l/s, temperatura črpalne vode pa je znašala 21 C na globini med 60 in 70 metri. Pri drugi vrtini je bil pretok vode manjši, znašal je 2 l/s, temperatura vode pa je prav tako znašala 21 C na globini med 80 in 90 metri. Predvideva se, da je v bližini prve vrtine ogromna količina tople vode, saj je z meritvami temperature vzdolž vrtine ugotovljeno, da od globine 10 metrov do dna temperatura ostaja konstantna, in sicer 21 C. Ta vrednost je nadpovprečna in kaže na povišan geotermalni gradient v bližini, verjetno ob prelomnih conah v dolomitu. 3

To pomeni, da je na tem območju velik potencial izkoriščanja geotermalne energije za ogrevanje več deset hiš ali javnih zgradb, za katere občina išče rešitve glede ogrevanja. S tem namenom so že pridobili študijo izvedljivosti daljinskega ogrevanja na lesno biomaso, mi pa bomo raziskali možnost oziroma smotrnost izkoriščanja geotermalne energije za isti namen, ob predpostavki konstantnega pretoka črpanja podtalne vode, kakršen je bil pri prvi vrtini. Slika 1.1: Zemljevid občine Polzela [7] 4

2 GEOTERMALNA ENERGIJA Geotermalna energija je toplota, ki nastaja in je uskladiščena v zemeljski notranjosti.»izkoriščamo jo lahko neposredno z zajemom toplih vodnih ali parnih vrelcev oziroma s hlajenjem vročih kamenin [8]«. Geotermalna energija je vir energije, ki se ne obnavlja, zato bi jo lahko obravnavali tudi kot primarno energijo, vendar se pojavlja v tolikšnem obsegu, da jo običajno obravnavamo kot neizčrpen vir. Neizčrpno izkoriščanje energije je možno le z vzdrževanjem ravnotežnega stanja med iz nekega sistema odvzeto energijo in prihajajočo [9]. Nekaj energije oziroma toplote izvira iz časa nastanka Zemlje, večina pa se je sprošča pri razpadih radioaktivnih elementov, ki tvorijo zgradbo Zemlje. Majhen delež geotermalne energij nastane tudi kot posledica trenja, zaradi premikov, ki potekajo v Zemeljski skorji oziroma zaradi kemijskih reakcij, ki potekajo v notranjosti Zemlje. Toplotni tokovi, ki se pojavljajo zaradi temperaturnih razlik, prenašajo toploto iz notranjosti na površje Zemlje. Toplotna energija se prenaša iz notranjosti Zemlje proti površju na tri načine. S prevajanjem ali kondukcijo, ki je najpogostejši način, sledita prenašanje ali konvekcija in toplotno sevanje [9]. Geotermalna energija je sestavljena iz treh komponent [10]: - energetskega toka skozi Zemljino skorjo v obliki prenosa snovi (magma, voda, para in plin), - toka toplote zaradi prevodnosti in - energije, uskladiščene v kamninah in fluidih Zemljine skorje. V nalogi nas zanima energija izvirov oziroma geotermalne vode v vrtinah. Po definiciji velja, da k termalni vodi štejemo vodo, ki ima višjo temperaturo od povprečne letne temperature zraka, kjer se vrtina nahaja [9]. 5

V obravnavanem primeru za območje občine Polzela to nedvomno velja, saj kot kaže slika 2.1, je povprečna letna temperatura zraka v občini Polzela med 8 in 10 C. Slika 2.1: Povprečna letna temperatura zraka v občini Polzela [5] 2.1 STRUKTURA ZEMLJE Zemlja je sestavljena iz jedra, plašča in skorje. Jedro je prostor, ki leži med središčem in Zemeljskim plaščem in zavzema 17 % Zemljine prostornine. Premer jedra znaša 3486 km, delimo pa ga na zunanje tekoče jedro in notranje trdno jedro. Toplota prehaja iz jedra s prevodom ali konvekcijo. Zemljin plašč je sloj med jedrom in skorjo, zavzema 82 % prostornine Zemlje, sestavljen je iz spodnjega dela plašča ali astrosfere in zgornjega dela plašča, ki ga skupaj z Zemeljsko skorjo imenujemo litosfera. Zemljina skorja zavzema 0,6 % prostornine Zemlje, debelina znaša med 20 in 70 km pod celinami ter med 5 in 9 km pod oceani [9]. Sestavo Zemlje prikazuje slika 2.2, vključno z opisom slojev. 6

Slika 2.2: Sestava Zemlje [11] 2.2 IZKORIŠČANJE GEOTERMALNE ENERGIJE Možnost izkoriščanja geotermalne energije je odvisna od temperature geotermalnega vira.»ločimo nizkotemperaturne in visokotemperaturne geotermalne vire, mejno področje je približno 150 C [3]«. Nizkotemperaturne vire, ki imajo temperaturo vode pod 150 C, običajno izrabljamo za ogrevanje, visokotemperaturne vire s temperaturo vode nad 150 C, pa običajno izkoriščamo za proizvodnjo električne energije. Viri z nižjo temperaturo so uporabljeni pogosteje kot tisti z višjo [10]. 2.3 GEOTERMALNA ENERGIJA V SLOVENIJI V Sloveniji je znanih več geotermičnih območij, najbolj perspektivne regije pa so Panonski bazen, Rogaško-celjsko-šoštanjska regija, Planinsko-laško-zagorska regija, Krško-brežiška regija in Ljubljanska kotlina. Geotermično so navedena območja med seboj zelo različna, 7

večina jih je neraziskanih, v glavnem pa se izkoriščajo nizkoentalpijski viri geotermalne energije [10]. Slika 2.3 prikazuje uporabo toplote iz geotermalne energije v Sloveniji do leta 2009. Slika 2.3: Uporabniki toplote iz geotermalne energije v Sloveniji [12] Direktno izkoriščanje geotermalne energije (naravni izviri termalne vode) se trenutno odvija na 32 lokacijah po Sloveniji (stanje: december 2013), instalirana toplotna moč pa znaša 67,1 MW. Poleg naravnih izvirov je v Sloveniji tudi več lokacij, kjer se termalna voda izkorišča s pomočjo namensko izdelanih vrtin, instaliranih naj bi bilo kar 7500 enot geotermalnih toplotnih črpalk (GTČ) [13]. Skupna instalirana toplotna moč v Sloveniji znaša 153 MW (stanje: maj 2014), izkoriščena energija iz geotermalnega vira pa znaša 1137 TJ/leto. Vsa omenjena geotermalna energija se koristi za pridobivanje toplote, električne energije iz geotermalnega vira pa do danes v Sloveniji še ne pridobivamo [13]. 8

3 TOPLOTNA ČRPALKA Toplotna črpalka (TČ) je naprava, ki zajeto temperaturo okolice dvigne na višji nivo oziroma višjo temperaturo. Uporablja se za ogrevanje sanitarne vode in v zadnjem času vse pogosteje za ogrevanje stanovanjskih in drugih objektov. Toplota, ki jo zajema iz okolice, je sončna energija, akumulirana v zraku, vodi ali zemlji oziroma v različnih snoveh, zato jo uvrščamo med OVE (obnovljive vire energije) [14]. 3.1 SPLOŠNO O TOPLOTIH ČRPALKAH Z večanjem cen energije ter s povečanjem števila ekološko ozaveščenih potrošnikov postajajo toplotne črpalke vedno bolj zanimive kot okolju prijazen in energijsko učinkovit sistem za ogrevanje objektov in pripravo sanitarne vode. Z razvojem novih oziroma z optimizacijo že obstoječih tehnologij, izboljšanjem COP (grelnega števila), zmanjšanjem mase in dimenzij, je uporaba toplotnih črpalk vedno bolj priljubljena in zanimiva za potrošnika. Razmerje med porabljeno električno energijo in pridobljeno toplotno energijo je znašalo leta 1978 1 : 2, danes pa je to že 1 : 5 ali več. Predvideva se, da bodo toplotne črpalke v prihodnosti predstavljale osnovno vrsto ogrevalnih sistemov [15]. Glede na izvedene izračune in meritve pri različnih toplotnih črpalkah je znano, da porabijo toplotne črpalke glede na oljne in plinske kondenzacijske kotle približno 35 do 50 % manj primarne energije. Z uporabo TČ se prav tako manjša onesnaževanje zraka oziroma izpust CO 2 in raznih drugih škodljivih snovi v primerjavi z oljnimi in plinskimi kotli. Zmanjšanje znaša med 30 in 60 % [15]. 9

3.2 PRINCIP DELOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK Toplotne črpalke so naprave, ki odvzemajo toploto snovem iz okolice in jo oddajajo v ogrevalni sistem. Toploto odvzemajo na nižjem temperaturnem nivoju in jo oddajajo na višjem nivoju. Za izvedbo omenjenega postopka je potrebno dovesti v krožni proces pogonsko energijo. Za prenos toplote uporablja toplotna črpalka delovni medij, ki prenaša toploto s pomočjo spremembe agregatnega stanja. V toplotnih črpalkah se kot delovni medij uporabljajo hladiva oziroma snovi, ki se uparijo pri temperaturah med 0 in 35 C. Ločimo toplotne črpalke v»split«izvedbi oziroma ločeni izvedbi in kompaktne toplotne črpalke. Pri ločeni oziroma split izvedbi so uparjalnik, kondenzator, kompresor in drugi deli nameščeni na posameznih različnih lokacijah. Uparjalnik je po navadi nameščen v bližini vira toplote, kondenzator pa v kotlovnici, poleg hranilnika toplote [16]. Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, kompresorja, kondenzatorja in ekspanzijskega ventila. Uparjalnik odvzema toploto okolice, bodisi zraka, vode ali zemlje, kjer se hladivo uplini že pri nizki temperaturi in nato potuje v kompresor. Kompresor paro s pomočjo vloženega dela stisne ter ji s tem poviša temperaturo in tlak. Vroča para potem v kondenzatorju kondenzira in s tem odda toploto ogrevanemu mediju, delovna snov pa se preko ekspanzijskega ventila vrača v uparjalnik, v ekspanzijskem ventilu se ji medtem zniža še tlak. Tak krožni proces se nato ponavlja. Toplota, ki jo pridobimo iz okolice je brezplačna, za delovanje toplotne črpalke oziroma za delovanje kompresorja pa je potrebna električna energija. Razmerje med električno energijo in brezplačno pridobljeno energijo je običajno 1 : 3, pri novejših izvedbah črpalk pa tudi 1 : 5 in več. To pomeni, da plača potrošnik oziroma uporabnik za 3 kwh toplotne energije 1 kwh električne energije, razlika pa je brezplačna [15]. Razmerje med toplotno energijo, ki jo pridobimo in porabljeno električno energijo imenujemo grelno število. Vrednost grelnega števila je odvisna od vira toplote in vrste toplotne črpalke. Letna grelna števila v povprečju znašajo 3 do 4 in tudi več [15]. Slika 3.1 prikazuje krožni proces delovanja TČ. 10

Slika 3.1: Krožni proces delovanja toplotne črpalke 3.3 GRELNO ŠTEVILO»Razmerje med koristno toplotno energijo in za to porabljeno električno pogonsko energijo označujemo kot grelno število [15]«: č (3.1) kjer pomeni: P tč P e grelno število, toplotna moč toplotne črpalke, (kw), dovedena električna moč, (kw). Letno grelno število (β) je razmerje med oddano energijo toplotne črpalke skozi vse leto in porabljeno električno energijo za TČ in druge pomožne naprave skozi vse leto [15]: (3.2) 11

kjer pomeni: β Q ltč W el letno grelno število, oddana letna energija toplotne črpalke, dovedena električna energija. Višja grelna števila dosegamo v primeru sorazmerno visokih temperatur toplotnega vira in nizkih temperatur ogrevalnega medija oziroma pri nizkotemperaturnih toplotnih sistemih [15]. 3.4 NAČINI OBRATOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK Ločimo štiri različne načine oziroma režime obratovanja toplotnih črpalk, ki so odvisni od načina obratovanja TČ v ogrevalnem sistemu [16]: - monovalentno obratovanje: Toplotna črpalka samostojno zagotavlja vso potrebno toploto za ogrevanje skozi celo sezono; - bivalentno alternativno obratovanje: Toplotna črpalka zagotavlja vso potrebno toploto dokler je njeno obratovanje smiselno oziroma do določene zunanje temperature. Nato se izklopi in prepusti ogrevanje drugemu viru toplote; - bivalentno vzporedno obratovanje: Toplotna črpalka zagotavlja potrebno toploto za ogrevanje sanitarne vode in stavbe skozi celotno sezono. Ko njeno delovanje pri nizkih temperaturah ne zagotavlja potrebne toplote, se kot dodaten vir vključi dodaten toplovodni kotel, nato pa delujeta oba sistema hkrati; - bivalentno delno vzporedno delovanje: Pri tem obratovanju sta dimenzionirana dva sistema, toplotna črpalka in še en vir ogrevanja, po navadi gre za toplovodni kotel. Obratovanje enega, drugega ali obeh hkrati izbiramo in nastavljamo s pomočjo regulacije, odvisno seveda od zunanje temperature. 12

3.5 IZVEDBE TOPLOTNIH ČRPALK Toplotne črpalke se uporabljajo za ogrevanje družinskih hiš, stanovanj, poslovnih in stanovanjskih zgradb ter za ogrevanje sanitarne vode. Lahko se uporabljajo kot dodatni ogrevalni sistem oziroma vir toplote ali pa kot osnovni sistem ogrevanja [15]. Prva točka, s katero se soočimo pri načrtovanju TČ, je vir. Upoštevati moramo različne kriterije pri izbiri ustreznega vira toplote, najpomembnejši pa so čim višji temperaturni nivo vira, zadostna akumulacija toplote in sorazmerno velika razpoložljivost toplotnega vira. Pomemben dejavnik pri načrtovanju TČ je tudi ugodno izkoriščanje toplotnega vira v stroškovnem smislu in ugodno vzdrževanje. Za ogrevanje sanitarne vode se večinoma uporabljajo toplotne črpalke, ki izkoriščajo toploto zraka, za ogrevanje celotnih stanovanj ali stanovanjskih hiš pa je do danes vgrajenih sorazmerno malo toplotnih črpalk, to število pa se iz leta v leto povečuje. Te kot vir toplote izkoriščajo zunanji zrak, površinsko vodo in podtalnico ter toploto zemlje [15]. Ločimo torej tri različne izvedbe toplotnih črpalk: - toplotna črpalka zrak/voda, - toplotna črpalka voda/voda, - toplotna črpalka zemlja/voda. V nalogi se bomo osredotočili in podrobneje predstavili TČ voda/voda, ki jih bomo uporabili za izkoriščanje toplote geotermalne vode oziroma podtalnice. 3.5.1 Toplotna črpalka voda/voda Za ogrevanje s toplotno črpalko voda/voda lahko uporabljamo toploto površinskih voda, kot so jezera, počasi tekoče reke in morja. Za omenjen način ogrevanja niso potrebni veliki posegi, mora pa biti ta površinska voda primerna za ogrevanje. Gre za zaprt sistem odvzema toplote, zasnovan pa je na kroženju sredstva, ki s pomočjo obtočne črpalke potuje 13

oziroma kroži med kolektorjem in toplotno črpalko, ki mu odvzame toploto. Sistem obratuje tudi pri temperaturi ledišča oziroma okoli 0 C [17]. Drugi način ogrevanja pa je izkoriščanje podtalne vode, kjer gre za odprt sistem, zato je najnižja dovoljena temperatura podtalne vode, ki je še primerna za uporabo, 3 C. V glavnem se uporablja podtalnica s temperaturo od 8 do 12 C. Podtalno vodo vodimo skozi uparjalnik s potopno črpalko, kjer se voda hladi oziroma se ji odvzame toplota. V uparjalniku toplota prestopi na hladilno sredstvo, kompresor pa nato stisne hladivo na višji tlačni in temperaturni nivo. Za delovanje kompresorja je potrebna dodatna električna energija. Hladilno sredstvo nato v kondenzatorju odda toploto mediju ogrevalnega sistema [17]. Za izkoriščanje podtalnice potrebujemo vodno dovoljenje, izdelati pa moramo dve vrtini, eno za črpanje in drugo za ponikanje podtalnice oziroma sesalno in ponorno vrtino. Pretok podtalne vode mora biti vsaj 2 m 3 /h, v nasprotnem primeru je uporaba TČ voda/voda nesmiselna oziroma negospodarna. V vrtino vstavimo cev, v kateri je vgrajena potopna črpalka, ki je povezana s TČ. Potopna črpalka med obratovanjem potiska vodo v TČ, ki ji odvzame toploto ter jo po drugi, ponorni vrtini spusti nazaj v podtalnico, ohlajeno za nekje 5 C [17]. Podtalnica je idealen vir toplote, saj lahko zaradi majhnih nihanj in visoke temperature dosegamo sorazmerno visoka grelna števila. Največji problem, ki se pojavlja pri izkoriščanju energije podtalnice je pomanjkanje pitne vode. Svet se vse pogosteje sooča s to problematiko, zato so na primer v Skandinaviji sprejeli zakon glede podtalne vode oziroma njeni zaščiti, enako pa je tudi v Sloveniji [17]. Pri ogrevanju stanovanjske hiše ali drugega objekta s toplotno TČ voda/voda (slika 3.4) se stroški ogrevanja znižajo približno za 50 do 60 %. Za delovanje toplotne črpalke potrebujemo elektriko, to pa potrebujemo tudi za obratovanje potopne črpalke, zato znaša stalno grelno število (SPF) med 3 in 4 [17]. 14

Slika 3.2: Toplotna črpalka voda/voda Kot je bilo že povedano, je treba pred začetkom postavitve toplotne črpalke voda/voda pridobiti vodno dovoljenje za izkoriščanje energije podtalne vode. Slednje je mogoče skoraj vedno dobiti, razen v zaščitenih vodnih območjih. V določenih primerih je to pogojeno tudi z maksimalnim odvzemom podtalne vode oziroma z analizo vode. Maksimalen odvzem podtalne vode je odvisen od toplotne moči toplotne črpalke [18]. Podtalno vodo za potrebe delovanja toplotne črpalke črpamo v sesalni vrtini, količina te vode pa mora biti enaka ali večja kot znaša minimalni zahtevan pretok TČ. Količina podtalne vode v sesalni vrtini, njena kvaliteta in stalnost so odvisni od geoloških značilnosti določenega območja, zato je treba slednje pred začetkom del do potankosti 15

proučiti. Globina sesalne vrtine je odvisna od razpoložljivosti vodnega vira, glede na stroškovni vidik pa je smiselno, da je ta čim manjša [18]. Po oddani toploti v TČ se nekoliko ohlajena voda vrača oziroma odvaja nazaj v podtalnico preko ponorne ali izpustne vrtine. To vrtino je treba izdelati nekje 10 do 15 metrov za sesalno vrtino, gledano v smeri toka podtalne vode, s tem pa se izognemo mešanju tople in hladne oziroma ohlajene izstopne vode, kot prikazuje slika 3.5. Ponorna oziroma izpustna vrtina mora zagotoviti izpust enake količine vode, kot jo pridobimo v sesalni vrtini [18]. Sesalna vrtina Kurilnica Izpustna vrtina Slika 3.3: Povezava TČ s sesalno in ponorno vrtino [18] Za dolgo življenjsko dobo toplotne črpalke podtalna voda ne sme vsebovati snovi, ki bi se lahko izločale. Vsebuje lahko do 0,2 mg/l železa in 0,1 mg/l mangana. Dovoljene vsebnosti drugih snovi so odvisne od vrste toplotnega izmenjevalca, ki je lahko ploščat nerjavni toplotni izmenjevalec, varjen s Cu, ali varjen nerjavni spiralni toplotni izmenjevalec. Pri ploščatih nerjavnih toplotnih izmenjevalcih, varjenimi s Cu, običajno uporabljamo vmesni 16

toplotni izmenjevalec, vodo pa vodimo direktno na omenjeni izmenjevalec le s predhodno analizo vode, kjer se ugotovi vpliv na bakreni zvar. Pri toplotnih črpalkah voda/voda z varjenim spiralnim nerjavečim toplotnim izmenjevalcem analiza vode glede na korozijsko obstojnost izmenjevalca ni potrebna, treba je le zagotoviti zahtevane vrednosti za železo in mangan [18]. 17

4 DOLOČITEV POTREBNE TOPLOTNE MOČI Kot smo zapisali že v uvodu, bomo uporabili že znane toplotne potrebe za ogrevanje stavb in sanitarne vode, ki so bile izračunane v Študiji izvedljivosti o daljinskem ogrevanju na lesno biomaso v občini Polzela, ki jo je izvedlo podjetje Energetika Projekt d.o.o. z Vranskega. V omenjeni študiji je bilo obravnavanih več možnih variant glede trase daljinskega ogrevanja oziroma dolžine izgradnje toplovoda. Čeprav smo izgube daljinskega ogrevanja zanemarili oziroma le-tega v nalogi ne bomo obravnavali, smo za preračun izbrali najkrajšo traso toplovodnega cevovoda v skupni dolžini 784 metrov, saj bi bila odstopanja pri daljših cevovodih že prevelika glede na realno stanje. Ta trasa predvideva priključitev 18 objektov, ki so navedeni v preglednici 4.2. Večina teh objektov je v lasti občine Polzela ali pa ta z njimi upravlja, ostali vključeni objekti pa so v neposredni bližini predvidene trase toplovodnega cevovoda in je njihova priključitev smiselna oziroma gospodarna [19]. 4.1 SPECIFIČNE TOPLOTNE POTREBE Povprečna specifična raba energije za ogrevanje je v večini primerov odvisna od leta izgradnje objekta oziroma takrat veljavnih predpisov, ki določajo minimalne zahteve energetske učinkovitosti objektov. Analiza energijske bilance povprečne zgradbe kaže, da kar 82 % energije dovedemo v objekt z ogrevanjem, 12 % znašajo sončni pritoki skozi okna, 6 % pa notranji viri toplote. Če analiziramo rabo končne energije, porabimo za ogrevanje 76,5 % energije, za pripravo sanitarne vode 11 %, za hišne naprave in gospodinjske aparate 10 % in za razsvetljavo 2,5 % energije [20]. V tabeli 4.1 je povzeta povprečna letna potreba toplote za ogrevanje stavb v odvisnosti od leta njihove izgradnje. 18

Tabela 4.1: Povprečna letna potreba toplote za ogrevanje [20] Leto gradnje stavbe Enodružinska hiša (kwh/m 2 /leto) Večstanovanjska stavba (kwh/m 2 /leto) do 1960 > 200 > 180 od 1961 do 1970 150 170 od 1971 do 1980 130 130 od 1981 do 1990 120 100 od 1991 do 1995 90 90 od 1996 do 2002 90 80 po 2002 60 80 70 Nizkoenergijske stavbe < 60 < 55 Iz analiz opravljenih energetskih pregledov, ki jih je v preteklosti finančno podpirala Agencija za učinkovito rabo in obnovljive vire energije, izhaja podatek, da znaša v Sloveniji ekonomsko upravičen potencial prihrankov pri rabi energije za ogrevanje stavb približno 30 % [5]. Objekti, ki so vključeni v študijo izvedljivosti oziroma jih bomo v magistrski nalogi obravnavali, so bili zgrajeni v različnih obdobjih, zato je tudi povprečna toplotna potreba za posamezen objekt različna in je nesorazmerna glede na površino. Nekateri izmed obravnavanih objektov so že bili energetsko sanirani, kjer je mišljena predvsem energetska sanacija ovoja stavbe, podstrešja in zamenjava stavbnega pohištva. Skupna lastnost vseh obravnavanih objektov je ta, da je v bližnji prihodnosti nujno potrebno zamenjati kurilne naprave, bodisi zaradi dotrajanosti ali pa zaradi nizkih izkoristkov, ki so posledica tehnološke zastarelosti. S tem razlogom se je porodila ideja o postavitvi skupne kotlovnice in daljinskega ogrevanja stavb. V tabeli 4.2 so navedene parcelne številke predvidenih vključenih objektov, površine objektov, letna poraba toplotne energije po objektih in potrebna inštalirana toplotna moč. Nekateri najvidnejši obravnavani objekti, ki jih prikazuje slika 4.2, so Osnovna šola Polzela, Vrtec Polzela, Kulturni dom Polzela, Občinska stavba občine Polzela, Grad Komenda, Zdravstveni dom Polzela, trgovini Mercator in TUŠ. Vidimo lahko, da znaša skupna potrebna inštalirana moč 3.570 kw, potrebna toplotna energija pa 3.362.679 kwh 19

na leto. Potrebno priključno moč bomo upoštevali pri dimenzioniranju moči toplotnih črpalk, letno porabljeno toplotno energijo pa bomo uporabili pri izračunu letnih stroškov obratovanja obravnavanega sistema. Slika 4.1 prikazuje mestno jedro občine Polzela, kjer lahko vidimo nekatere izmed obravnavanih objektov, kot na primer občinsko zgradbo, šolo in zgradbo stare pošte. Dejstvo je, da gre za objekte v lasti občine Polzela oziroma ta z njimi upravlja, skupno vsem objektom pa so dotrajani in zastareli ogrevalni sistemi, ki jih je nujno potrebno nadomestiti z novimi ali enim samim sistemom z uporabo daljinskega ogrevanja. Slika 4.1: Mestno jedro občine Polzela [6] 20

Tabela 4.2: Predvideni vključeni objekti [19] Število Parcelna številka Površina (m 2 ) Poraba energije (kwh/leto) Priključna moč (kw) 1 35 1.664 179.712 200 2 *714 768 103.680 100 3 *714 454 61.290 70 4 *722 730 98.550 100 5 32/1 210 28.350 30 6 32/1 350 40.950 45 7 *77/2 683 79.911 90 8 326/407 328 38.376 40 9 779/4 8.559 1.155.465 1200 10 779/4 2.108 246.636 270 11 779/5 1.697 213.822 230 12 796/1 3.063 275.670 300 13 810/29 1.479 159.732 180 14 810/5 179 24.165 25 15 825/10 1.900 205.200 200 16 825/2 829 111.915 120 17 825/7 1.683 227.205 250 18 833/1 830 112.050 120 SKUPAJ 27.514 3.362.679 3.570 4.2 KLIMA IN PODNEBJE Vremenske razmere pomembno vplivajo na energijo, ki je potrebna za ogrevanje in hlajenje, predvsem temperatura zraka. Povprečna mesečna temperatura zraka, letni temperaturni primanjkljaj in letni temperaturni presežek predstavljajo izhodišče za določitev pričakovane rabe energije [5]. Kot lahko vidimo na sliki 4.2 znaša letna temperatura zraka v občini Polzela med 8 in 10 C, januarska temperatura zraka pa med 2 in 0 C, kar prikazuje slika 4.3. 21

Slika 4.2: Letna povprečna temperatura zraka med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5] Slika 4.3: Januarska povprečna temperatura zraka med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5] Ogrevalna sezona je v večjem delu občine v povprečju dolga med 240 in 250 dnevi, kot prikazuje slika 4.4, temperaturni primanjkljaj (za obdobje med letoma 1971 in 2000) pa znaša v večjem delu občine med 3200 in 3400 Kdan, kar prikazuje slika 4.5 [5]. 22

Slika 4.4: Povprečno trajanje ogrevalne sezone med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5] Slika 4.5: Povprečni temperaturni primanjkljaj med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5] Povprečna letna višina padavin (za obdobje med letoma 1971 in 2000) znaša v vzhodnem delu občine med 1200 in 1300 mm, v zahodnem delu pa med 1300 in 1400 mm, kot prikazuje slika 4.6 [5]. 23

Slika 4.6: Povprečna letna višina korigiranih padavin med letoma 1971 in 2000 v občini Polzela [5] 4.3 TRANSMISIJSKI IZRAČUNI Vsi transmisijski izračuni so bili izdelani skladno s Pravilnikom o učinkoviti rabi energije v stavbah. Zunanja računska temperatura znaša na območju občine Polzela 13 C in je povzeta iz osnovnih meteoroloških podatkov za območje občine Polzela. Ogrevalna sezona traja 250 dni, temperaturni primanjkljaj pa znaša na območju Polzele 3400 Kdan. Zahtevana notranja temperatura oziroma temperatura prostorov je 20 C. Maksimalna temperaturna razlika torej znaša 33 C. 4.3.1 Izračun toplotnih izgub Potrebna toplota je sestavljena iz: - transmisijske toplote, - dodatne toplote zaradi prezračevanja. 24

Transmisijske izgube se izračunajo po enačbi: (4.1) kjer je: transmisijska toplota (W), U toplotna prehodnost (W/m 2 K), A površina (m 2 ), T n T z notranja temperatura (K), zunanja temperatura (K). Dodatna toplota zaradi prezračevanja se izračuna po enačbi: (4.2) kjer je: dodatna toplota zaradi prezračevanja (W), pretok zraka (m 3 /s), ρ gostota zraka (kg/m 3 ), c specifična toplota zraka (J/kgK). T n T z temperatura notranjega zraka (K), temperatura zraka, ki vstopa v prostor (K). Prostorninska toplotna kapaciteta zraka je konstantna in znaša 1200 J/(m 3 K). Pretok zraka se izračuna po enačbi: (4.3) kjer je: V prostornina ogrevanega prostora (neto prostornina) (m 3 ), n predvidena stopnja izmenjave zraka. 25

Kot je bilo povedano, so bile toplotne potrebe posameznih stavb izračunane po predhodno navedenih enačbah oziroma so bile povzete iz zapisov o pretekli porabi različnih energentov za ogrevanje. Potrebni skupni toploti za ogrevanje stavb, kamor spadata transmisijska toplota in toplota prezračevanja, je bila dodana še toplota za ogrevanje sanitarne vode, v primeru, da je obravnavana stanovanjska stavba. Potreba po sanitarni vodi znaša 0,25 kw na osebo (po DIN 12831). Skupna potrebna energija za ogrevanje tako znaša 3.362.679 kwh/leto, potrebna toplotna moč pa 3.570 kw, na podlagi katere bomo izbrali ustrezno toplotno črpalko voda/voda oziroma več črpalk. Število ur delovanja ogrevalnega sistema znaša za območje Štajerske 1900 ur na leto. To pomeni, da moramo izbrati TČ moči minimalno 3.570 kw, v 1900 urah pa mora proizvesti 3.362.679 kwh toplotne energije. Toplotna energija TČ se izračuna po naslednji enačbi: (4.4) kjer je: toplotna moč toplotne črpalke (kw), toplotna energija (kwh/leto), čas obratovanja toplotne črpalke (h/leto). V primeru, da ima TČ toplotno moč 3.570 kw, znaša pridobljena toplotna energija na območju Štajerske: leto Vidimo lahko, da znaša pridobljena toplotna energija pri potrebni toplotni moči kar 6.783.000 kwh na leto, kar zadostuje že znanim potrebam po toplotni energiji. 26

4.4 DIMENZIONIRANJE TOPLOTNIH ČRPALK Za koriščenje geotermalne energije bomo uporabili toplotne črpalke voda/voda. Temperaturno območje podtalnice je v povprečju med 8 in 12 C, v našem primeru pa ima podtalnica kar 21 C. Delovno območje toplotnih črpalk voda/voda je nekje med 7 in 25 C. Razpoložljivost toplotnega vira je skozi vse leto enaka, toplotna črpalka pa lahko deluje v monovalentnem ali bivalentnem režimu obratovanja. Glede na visok pretok črpanja (5 l/s oziroma 18 m 3 /h v eni vrtini) in na sorazmerno visoko temperaturo črpalne vode (21 C) se je porodila ideja, da bi se izdelali štirje ločeni sistemi po 1.000 kw toplotne moči. Razlog o izdelavi več sistemov ogrevanja z izkoriščanjem podtalne vode je tudi v tem, da v pomladnih in poletnih mesecih ne bo potrebno obratovanje celotnega postroja toplotnih črpalk, ampak samo toliko, kolikor toplote bomo potrebovali za pripravo sanitarne vode. Na vsak sistem bomo pripeljali geotermalno vodo iz določenega števila vrtin, odvisno seveda, koliko pretoka bo potrebovala dimenzionirana TČ. Glede na visoko temperaturo črpalne vode predvidevamo dvostopenjsko toplotno črpalko oziroma pri vsakem izmed dveh sistemov po dvakratni odvzem toplote, torej z enim 500 kw kompresorjem za 5 C in nato še z drugim enakim kompresorjem za 5 C. Temperatura vode, ki se bo vračala v ponorno vrtino, bo znašala nekje 10 C, ohladila se bo torej za približno 11 C. Po pridobljenih ponudbah toplotnih črpalk različnih moči in karakteristik ter različnih proizvajalcev smo izbrali dvostopenjsko visokotemperaturno toplotno črpalko podjetja Tehnohlad d.o.o. iz Rečice ob Paki. Gre za toplotno črpalko voda/voda sestavljeno iz dveh vijačnih kompresorjev CSH 9563-160 Y podjetja Bitzer, ki ga prikazuje slika 4.7. 27

Slika 4.7: Kompresor Bitzer [21] Toplotno črpalko sestavljata poleg dveh omenjenih kompresorjev še dva uparjalnika, dva ekspanzijska ventila in kondenzator. Slika 4.8 prikazuje shemo dimenzionirane toplotne črpalke. Slika 4.8: Shema uporabljene TČ 28

Izbrana TČ ima sledeče karakteristike [22]: - število stopenj: 2, - ogrevna moč (W21/W65): 1.040 kw, - priključna moč (W21/W65): 254 kw, - grelno število (W21/W65): 4,1, - hladilno sredstvo R 134a: 240 kg, - napetost: 3 x 400 V, - električni tok: 460 A, - maksimalna temperatura izstopne vode: 65 ºC, - dimenzije (Š x G x V): 4,8 x 3,5 x 2,2 m, - masa: 3600 kg, - minimalni pretok primarne vode (dt=10k): 65 m³/h. Po standardu EN 14511 so dimenzionirane TČ, katerih ogrevna oziroma izstopna voda znaša do 35 C, kar v obravnavanem primeru ne pride v poštev, saj je obravnavano visokotemperaturno ogrevanje. Navedeni podatki niso povzeti po standardu, ampak gre za realne vrednosti. Karakteristike dimenzionirane TČ so bile pridobljene ob upoštevanju obeh stopenj oziroma ogrevne in priključne moči obeh kompresorjev pri različnih temperaturah uparjanja. Pri prvi stopnji smo upoštevali temperaturo primarne vode 21 C, temperaturo kondenzacije pa smo določili pri 70 C. Pri danih pogojih znaša ogrevna moč prej omenjenega kompresorja 550 kw, priključna moč pa 130 kw. Grelno število pri prvi stopnji znaša 4,2. Pri drugi stopnji znaša temperatura primarne vode 16 C, temperaturo kondenzacije pa smo prav tako kot pri prvi stopnji določili pri 70 C. Pri danih pogojih znaša ogrevna moč kompresorja 490 kw, priključna moč pa 124 kw. Grelno število pri drugi stopnji tako znaša 4,0. Za skupno potrebno toplotno moč, ki znaša 3.570 kw, bomo torej izdelali štiri ločene sisteme toplotnih črpalk, katerih skupna toplotna moč bo znašala 4.160 kw. Razlog za nekoliko predimenzionirano toploto moč toplotne črpalke je možnost priklopa dodatnih 29

porabnikov in zanesljivega delovanja TČ. Slika 4.9 prikazuje shemo posameznega postroja ali sistema, vključno z zalogovnikom za toplo vodo. Zalogovnik vode je potreben zaradi sorazmerno dolgega zagona toplotne črpalke do polnega obratovanja, ki znaša pri tako velikih TČ približno 6 minut. Kljub temu smo dimenzionirali zalogovnik velikosti le 10.000 litrov, zaradi zelo precizne regulacije prej omenjenih kompresorjev. Ko bo sistem obremenjen, bodo kompresorji delovali oziroma obratovali s polno močjo, ko pa sistem ne bo potreboval tolikšne toplotne energije, se bo moč kompresorjev zaradi regulacije ustrezno zmanjšala. Za priključitev ogrevne vode iz vseh štirih zalogovnikov na vročevod bomo uporabili cevni kolektor primernih dimenzij. Slika 4.9: Shema posameznega postroja Slika 4.10 prikazuje predvideno traso toplovoda za izvedbo daljinskega ogrevanja, ki ga v nalogi ne bomo posebej obravnavali. Glede na sorazmerno nizko temperaturo v sistemu daljinskega ogrevanja (65 C) bi verjetno prvotni porabniki dejansko pridobili vodo z omenjeno temperaturo 65 C, porabniki na koncu cevovoda pa zagotovo za nekaj stopinj Celzija manj. Večina izmed obravnavanih objektov je že bila energetsko sanirana, zato se uporablja nizkotemperaturni režim ogrevanja in bi sistem zadostoval potrebam. Objekti, ki še niso bili energetsko sanirani, pa bi morali imeti dovolj velika grelna telesa, da bi se ogreli kljub nekoliko nižji temperaturi vode. 30

Slika 4.10: Predviden potek cevovodov daljinskega ogrevanja 4.5 PRETOK PODTALNE VODE Glede na karakteristike toplotne črpalke znaša minimalni pretok podtalne vode za vsak posamezni sistem 65 m 3 /h. To pomeni, da je treba za vse štiri ločene sisteme izdelati tolikšno število sesalnih vrtin, da bomo zagotovili pretok podtalne vode vsaj 260 m 3 /h in prav toliko enako globokih ponornih vrtin. Kot je navedeno v uvodnem poglavju, sta se decembra 2013 na obravnavanem območju izdelali dve testni vrtini, da bi ugotovili izdatnost vrtine oziroma približno količino in temperaturo podtalne vode. Izdelani sta bili vrtini z vgrajenimi plastičnimi vodnjaškimi cevmi premera 114/102 mm, maksimalni pretok črpanja pa je v eni izmed vrtin znašal kar 5 l/s oziroma 18 m 3 /h [23]. V nalogi smo predpostavili, da ima podtalnica na celotnem območju izdelave vrtin enako temperaturo in pretok, kot jo je imela v omenjeni prvi testni vrtini. Glede na visok pretok črpalne vode je bilo že v Poročilu o črpalnem preizkusu, ki ga je izdelalo podjetje Iztok Palir s.p., navedeno, da bi bilo v primeru koriščenja podtalne vode smiselno izdelati vrtine premera 160 mm za večjo izdatnost [23]. 31

Že pri dimenzioniranju TČ smo povedali, da podatki niso povzeti po standardu, ampak gre za realne vrednosti. S tem razlogom bomo tudi pri izračunu potrebnih vrtin upoštevali podatke, ki smo jih pridobili s testno vrtino in ne bomo računali morebitne izdatnosti vrtine premera 160 mm, saj ne moremo z gotovostjo trditi, da bi bile izračunane vrednosti tudi realne. Za sesalne vrtine bomo tako upoštevali pretok podtalne vode v cevi premera 110 mm, ponorne vrtine pa bomo zaradi manjšega števila potrebnih vrtin povečali na premer 160 mm. Pretok podtalne vode v cevi premera 114/102 mm je znašal 18 m 3 /h. Za vsak ločen sistem toplotne moči 1.040 kw potrebujemo pretok 65 m 3 /h oziroma 0,018 m 3 /s. Število potrebnih sesalnih vrtin za posamezni sistem TČ se izračuna po naslednji enačbi: (4.5) kjer je: število potrebnih sesalnih vrtin (kos), potreben celoten prostorninski pretok (m 3 /s), prostorninski pretok posamezne vrtine (m 3 /s). Število potrebnih sesalnih vrtin za posamezni sistem znaša: o o Za vsak sistem je potrebno izdelati 4 sesalne vrtine, za štiri ločene sisteme pa torej skupno 16 vrtin. Pretok črpanja za posamezno TČ bo znašal iz vseh štirih vrtin: 32

Pretok črpanja znaša za vsako TČ 72 m 3 /h oziroma 0,02 m 3 /s. Za vse štiri sisteme toplotnih črpalk potrebujemo minimalni pretok 260 m 3 /h oziroma 0,072 m 3 /s. Iz tega sledi, da je skupno število potrebnih sesalnih vrtin sledeče: o o Skupno število potrebnih sesalnih vrtin znaša 14,44 oziroma zaokroženo 15 kosov. Glede na dejstvo, da bo vsak izmed štirih sistemov deloval popolnoma neodvisno od drugega, znaša skupno število potrebnih sesalnih vrtin 16 kosov, za vsak posamezen sistem po 4 sesale vrtine. Kot je bilo povedano, bodo imele ponorne vrtine premer 160 mm. Glede na dejstvo, da znaša pretok črpanja za posamezno TČ 72 m 3 /h, mora biti takšen tudi izpust. Prostorninski ali volumski pretok je določen s prostornino tekočine, ki steče skozi izbrani presek v neki časovni enoti. (4.6) kjer je: prostorninski ali volumski pretok (m 3 /s), diferencial prostornine tekočine (m 3 ), diferencial časa (s). Volumski pretok nestisljive snovi skozi dano tokovno cev je produkt hitrosti fluida in prereza cevi: (4.7) kjer je: 33

prostorninski ali volumski pretok (m 3 /s), hitrost tekočine (m/s), prerez cevi (m 2 ). V primeru stacionarnega gibanja nestisljive tekočine velja, da je prostorninski pretok za vsak prerez tokovne cevi enak, spremeni se le hitrost tekočine: (4.8) kjer je: prerez prve tokovne cevi (m 2 ), hitrost tekočine v prvi tokovni cevi (m/s), prerez druge tokovne cevi (m 2 ), hitrost tekočine v drugi tokovni cevi (m/s). Pri izračunu potrebnega števila ponornih vrtin premera 160 mm smo upoštevali enako hitrost tekočine kot pri sesalnih vrtinah, spremeni se le presek cevi. Hitrost tekočine v sesalni vrtini premera 110 mm, ki ima prostorninski pretok 0,005 m 3 /s, je: Prostorninski pretok v tokovni cevi premera 160 mm znaša pri enaki hitrosti tekočine kot v sesalni vrtini premera 110 mm: Prostorninski pretok v cevi premera 160 mm znaša 38 m 3 /h. Pretok črpanja za posamezno toplotno črpalko znaša 72 m 3 /h, enak mora biti tudi izpust, za kar potrebujemo naslednje število ponornih vrtin premera 160 mm: 34

o o Za izpust vode iz posamezne TČ oziroma sistema je treba izdelati 2 izpustni ali ponorni vrtini premera 160 mm. Za posamezno toplotno črpalko oziroma sistem je treba izdelati 4 sesalne vrtine premera 110 mm in 2 ponorni vrtini premera 160 mm. Skupno število vrtin za celoten postroj je: - 16 vrtin premera 110 mm, - 8 vrtin premera 160 mm. 35

5 PRERAČUN IN STROŠKOVNA ANALIZA V prejšnjem poglavju smo dimenzionirali toplotno črpalko ter potrebno število teh in potrebno število sesalnih in ponornih vrtin glede na skupne toplotne potrebe. Zasnovali smo štiri ločene sisteme TČ, pridobljeno vročo vodo iz posamezne črpalke pa bomo združili s pomočjo cevnega kolektorja, ki ni predmet magistrske naloge. Prav tako ni predmet naloge dimenzioniranje in vrednost izvedbe vročevoda za potrebe daljinskega ogrevanja, saj je ta potreben za vse vrste ogrevalnih naprav in je investicija sorazmerno enaka. Pri stroškovni analizi bomo podali stroške izgradnje obravnavanega postroja naprav in stroške obratovanja takšnih naprav. Glede na znane dosedanje stroške ogrevanja obravnavanih objektov bomo podali čas, v katerem se bo investicija povrnila. 5.1 VREDNOST INVESTICIJE V nadaljevanju so podane realne vrednosti za dobavo toplotne črpalke, zalogovnika, obtočne črpalke ter potopnih črpalk in ocene pomožnega materiala in montažnih del, saj se te postavke običajno obračunajo po dejansko vgrajenih količinah in dejansko porabljenih delovnih urah. Tabela 5.1 podaja oceno investicije za toplotno črpalko voda/voda. 36