Sustainable development and competitiveness through increase of the energy efficiency by use of solar energy

and smart system Project ref: 2007CB16IPO006-2011-2-22

The project is co-funded by EU through the Bulgaria-Serbia IPA Cross-border Programme

Solarna toplotna konverzija, instalacije i potencijali

AUTOR: Prof. Dr Staniša Stojiljković, 

Nataša Cakić, dipl. ing. arh. 

2

Februar 2014 

 

Sadržaj

1. UVOD ................................................................................................................................. 5

2. POTENCIJAL SOLARNE ENERGIJE U PREKOGRANIČNOM REGIONU ................ 6

3. TEHNOLOGIJE SOLARNE TOPLOTNE KONVERZIJE ............................................. 15

3.1. Osnovni principi solarne termalne konverzije .......................................................... 15

3.2. Kratak istorijat upotrebe solarne energije ................................................................. 20

3.3. Klasifikacija dostupnih tehnologija za solarnu toplotnu konverziju energije ........... 22

3.3.1. Instаlаcije sа tečnim rаdnim medijumom .......................................................... 24

3.3.2. Kompаktni solаrni bojleri .................................................................................. 24

3.3.3. Instаlаcije sа vаzduhom kаo rаdnim medijumom .............................................. 24

3.4. Koncentrišući solarni kolektori sa praćenjem sunca ................................................. 25

3.5. Ravni Solarni Prijemnici ........................................................................................... 26

3.6. Nezastaklјeni vodeni solarni kolektori ...................................................................... 27

3.7. Zastakljeni Ravni Solarni Kolektori .......................................................................... 27

3.7.1. Konstrukcija ravnih PSE i sistema za korišćenje sunčeve energije ................... 37

3.8. Vakuumski vodeni solarni kolektori ......................................................................... 41

3.8.1. Vakuumski vodeni solarni kolektori sa toplotnim cevima ................................ 46

3.9. Solarni koncentrišući prijemnici - koncentratori ....................................................... 48

3.9.1. Helistatorski makrokoncentrator ........................................................................ 49

3.9.2. Koncentratori sa krivim ogledalima ................................................................... 54

3.9.3. Parabolocilindrični koncentrator (PCK) ............................................................ 55

3.9.4. Koncentratorski sistemi sa ravnomernim (usaglašenim) okretanjem ka Suncu 57

3.9.5. Izgled i konstrukcija različitih tipova koncentratora ......................................... 58

4. TOPLOTNE PUMPE ....................................................................................................... 62

4.1. RASHLADNI CIKLUSI TOPLOTNIH PUMPI ...................................................... 67

4.1.1. Teoretski rashladni ciklus .................................................................................. 69

4.1.2. Koeficijent hlađenja i grejanja ........................................................................... 73

3

4.2. Komponente toplotnih pumpi .................................................................................... 74

4.2.1. Kompresori ........................................................................................................ 75

4.2.2. Razmenjivači topote ........................................................................................... 82

4.2.3. Isparivači ............................................................................................................ 85

4.2.4. Kondenzatori ...................................................................................................... 86

4.2.5. Automatika ......................................................................................................... 87

4.2.6. Rashladni fluid ................................................................................................... 88

4.3. Toplotni izvori toplotnih pumpi ................................................................................ 90

4.4. Prirodni toplotni izvori .............................................................................................. 92

4.4.1. Vazduh ............................................................................................................... 94

4.4.2. Voda ................................................................................................................... 96

4.4.3. Zemlja ................................................................................................................ 98

4.4.4. Sunčeva energija .............................................................................................. 102

4.5. Sorpcioni rashladni uređaji ...................................................................................... 102

4.5.1. Absorpcione toplotne pumpe ........................................................................... 104

4.5.2. Adsorpcioni sistemi ......................................................................................... 108

4.6. Primena toplotnih pumpi u grejanju i klimatizaciji ................................................. 114

4.6.1. Javni objekti ..................................................................................................... 115

4.6.2. Primena toplotnih pumpi u industriji ............................................................... 119

5. METODLOGIJA ZA ODABIR INTELIGENTNOG SOLARNOG SISTEMA ........... 123

5.1. Primena solarnih toplotnih kolektora u sistemima sa toplotnom pumpom ............. 123

5.2. Solarno hlađenje ...................................................................................................... 125

5.3. Integracija solarnih sistema sa inteligentnim sistemima ......................................... 126

5.4. Odabir solarne instalacije na osnovu potreba korisnika za sanitarnom toplom vodom i toplotnom energijom za grejanjem i hlađenjem ............................................................... 129

5.5. Napomene o stagnaciji kod solarnih toplotnih prijemnika ...................................... 130

6. ZAKLJUČAK ................................................................................................................. 134

4

U ovom radu prikazani su rezultati o potencijalu za upotrebu solarnih termalnih instalacija za srpski deo prekograničnog regiona Srbija-Bugarska. Obuhvaćene su osnove konverzije solarne energije u toplotnu energiju i objašnjeni osnovni principi i glavne karatkeristike dostupnih solarnih termalnih tehnologija. Posebna pažnja posvećena je inteligentnim solarnim sistemima i upotrebi tehnologija sa kojima je moguće integrisati solarne instalacije kako bi se bolje iskoristili solarni potencijali, povećao udeo upotrebe solarne energije tj. solarna pokrivenost sistema ili povećala efikasnost sistema. Na kraju, pretstavljen je metod za izbor solarnog sistema i dati su komentari za projektante za integraciju inteligentnih solarnih sistema. Ovaj tekst, ”Study of solar thermal energy installation potentials” je pripremljen na srpskom za potrebe projekta: Sustainable development and competitiveness through increase of the energy efficiency by use of solar energy and smart system, Project ref: 2007CB16IPO006-2011-2-22, The project is co-funded by EU through the Bulgaria-Serbia IPA Cross-border Programme.

5

1. UVOD Od pojave parne mašine do danas, evidentan je porast potrošnje energije. Današnja proizvodnja energije i dalje uglavnom zavisi od fosilnih goriva čije rezerve su ograničene, što je dovelo do pojava prvih energetskih kriza u XX veku. Ovaj trend se nastavlja i danas i verovatno će imati svoju kulminaciju u XXI veku. Kako savremeno društvo ima potrebe za različitim vidovima energije, za dalji razvoj i napredak ljudskog društva neophodan je tehnički i tehnološki razvoj. Nove tendencije u razvoju energetike imaju ciljeve poput racionalnog korišćenja energije, održivog razvoja, primene obnovljivih izvora energije, stabilnosti energetskog sektora i povećanja raspoloživosti energetskih sistema. Na osnovu analize mnoštva dostupnih tehnologija i istraživanja u ovoj oblasti, u budućnosti bi mogli da budu od posebnog značaja svemirski solarni sistemi za zemaljsku proizvodnju električne energije, solarne tehnologije, gorive ćelije i nuklearna energija [1]. Ipak, mnoge od ovih tehnologija su još uvek u ranim fazama razvoja te je potrebno dosta vremena i istraživanja kako bi njihov potencijal došao do izražaja na svetskom energetskom tržištu. Neke evropske zemlje, poput Nemačke, obustavile su svoje nuklearne programe nakon skorašnjih akcidenata u nuklearnoj elektrani Fokušima u Japanu, zbog katastrofalnih posledica mogućih akcidenata u ovakvim postrojenjima. U skorijoj budućnosti, ljudsko društvo će ipak zavisiti pre svega od konvencionalnih tehnologija manje energetske efikasnosti, zasnovanih uglavnom na sagorevanju fosilnih goriva sa poznatim problemima emisija gasova staklene bašte. Iz tog razloga je bitno planiranje i usavršavanje postojećih energetskih kapaciteta u skladu sa poznatim principima održivog razvoja, racionalne upotrebe primarne energije i povećanja stabilnosti na energetskom tržištu i raspoloživosti postojećih kapaciteta.

Efektivna rešenja navedenih problema ogledaju se u pažljivom planiranju i analizi potrebnih vidova i količina energije na različitim lokacijama, u pravilnoj integraciji procesa sa upotrebom mini i mikro proizvodnih kapaciteta putem pametnih mreža (SMART GRID) na liberalizovanom energetskom tržištu. Početkom 2007. godine, Savet Evrope je obelodanio svoj cilj dostizanja 20% učešća obnovljivih izvora energije u strukturi ukupne proizvodnje energije 2020. godine. Poslednjih godina u Evropskoj uniji su u primeni razni podsticajni modeli: državne subvencije, smanjenja poreza na dodatu vrednost, poreski krediti, neto-razmena, zeleno označavanje, naknada troškova.

6

2. POTENCIJAL SOLARNE ENERGIJE U PREKOGRANIČNOM REGIONU

Sektor energetike, ne samo u prekograničnom regionu Srbije sa Bugarskom (Slika 1), već i u svetu, uslovljen je ograničenim rezervama prirodnog gasa i nafte, konstantnim porastom potrošnje a samim tim i porastom cena energije. Povećanje emisija CO2 zagreva atmosveru efektom staklene bašte, što dovodi do dalekosežnih klimatskih promena. Iz navedenih razloga neophodno je odgovorno i održivo ponašanje kada se radi o energiji, što sa sobom nosi pitanja energetske stabilnosti i sigurnosti države sa ekonomskog, privrednog i društvenog aspekta. Razvijene zemlje Evropske Unije (EU) i pored visokog stadijuma razvijenosti u poređenju sa Srbijom pa čak i Bugarskom, se suočavaju sa ovim problemima. Nažalost moramo biti potpuno svesni da čak ni stari a ni novi članovi Evropske Unije (EU), iako su imali daleko više vremena, povoljnije tržišne i političke uslove za implementaciju evropske regulative u oblasti zajedničkog tržišta, promocije obnovljivih izvora energije i energetske efikasnosti, poboljšanje kompetetivnosti, sigurnosti snabdevanja i nivoa zaštite životne sredine (u energetskom sektoru), još uvek nisu uspeli da u potpunosti primene evropske zakone u ovom sektoru. Pored toga, usvajaju se evropske regulative koje nalažu ispunjavanje novih, strožih kriterijuma iz svake od navedenih oblasti.

Slika 1. Mapa prekograničnog regiona Srbije i Bugarske

Odluka Evropske unije da se do 2020. godine udeo obnovljivih izvora energije poveća na 20% ukupne proizvodnje je dobar pokazatelj situacije u kojoj se nalazimo. Struktura potrošnje primarne energije u Srbiji data je na slici 2, gde se vidi da 75% potrošnje primarne energije čine fosilna goriva- ugalj i nafta. Vađenje uglja i njegovo sagorevanje u našim sadašnjim i budućim termoelektranama je naša velika vrednost, prednost i sigurnost, ali to ne znači da je rasipanje energije opravdano.

7

Slika 2. Potrošnja primarne energije u Srbiji Srbija, kao veliki potrošač električne energije, ima šansu da samo racionalnom potrošnjom i povećanjem ukupne energetske efikasnosti dođe do viška električne energije bez gradnje novih proizvodnih elektroenergetskih kapaciteta.

Iz navedenih razloga se u svetu, pa i kod nas, velika pažnja posvećuje obnovljivim izvorima enerije [3] . Sunčeva energija može imati značajno mesto u energetici jedne zemlje jer predstavlja obnovljiv i neiscrpan energetski resurs. Ipak, ako pogledamo procenu potencijala obnovljivih izvora energije u Srbiji, vidimo da Solarna energija ima udeo od oko 15% (slika 3), što ne predstavlja najveći potencijal. Interesantno je da se energetske tehnologije bazirane na korišćenju sunčeve energije najviše razvijaju u tehnološki i ekonomski moćnijim zemljama. Za to postoji više razloga od kojih su najvažniji strateški, ekonomski i ekološki faktori.

Ogromna ušteda primarne energije bi se ostvarila kada bi svako domaćinstvo imalo bar jednu jedinicu solarnog kolektora kojim bi se grejala sanitarna potrošna voda. Kako se u Srbiji električna energija uglavnom koristi za pripremu sanitarne tople vode, ovo bi predstavljalo i rasterećenje elektro energetskog sistema. U prethodnih dvadesetak godina solarna termalna konverzija je zauzimala neznatnu ulogu u poređenju sa ostalim obsnovljivim izvorima energije [4]. Težište je bilo usmereno na razvoj oblasti u kojima se proizvodi električna energija, kao što su vetrogeneratori i fotonaponska konverzija sunčevog zračenja. Razlog naglog preokreta je donošenje planova Evropske unije za primenu obnovljivih izvora energije do 2020. godine.

8

Slika 3. Procenjeni potencijal obnovljivih izvora energije u Srbiji

Zbog zapostavljenog razvoja u prethodnom periodu niskotemperaturna primena sunčeve energije će u neposrednoj budućnosti doživeti ogroman napredak, jer 50% ukupne potrebne energije za grejanje može da se podmiri energijom Sunca. To se može ostvariti samo velikim naučnim i istraživačkim radom, proverom i primenom u praksi. Kada se zna da se preko 40% energije u Evropi i kod nas troši na zagrevanje prostora onda je jasno da u toj oblasti mogu da se ostvare najveće uštede primenom solarne energije. Ministarstvo rudarstva i energetike Vlade Republike Srbije usvojilo je strategiju razvoja energetike do 2015. godine kojim je definisala program upotrebe Novih obnovljivih izvora energije kao treći prioritet, pri čemu prva tri prioritetna programa predstavljaju osnovni predustlov ekonomski izvesnom, energetski efikasnom i ekološki prihvatljivom razvoju energetike Srbije u narednom periodu [2]. U strategiji je prikazana i analiza scenarija dinamičkog ekonomskog razvoja (DER) i usporenog ekonomskog razvoja (UER) zemlje, gde se posebno tretira probelem upotrebe obnovljivih izvora energije (slika 5). Ovde se vidi da je planirani udeo proizvodnje energije iz OIE zapravo vrlo skroman. Strategija razvoja energetike Republike Srbije predlaže intenzivnu gasifikaciju. Ovim Prioritetom je predviđen Program tzv. "gasifikacija", u okviru koga se predviđa, uvođenje gasa u oko 400 000 novih domaćinstava u Srbiji do 2015. godine sa ciljem da se u ovom sektoru, po ovoj osnovi, smanje potrebe za električnom energijom, za bar 2300 GWh, pri scenariju DER, odnosno 1500 GWh, pri scenariju UER, u kom slučaju bi gas bio obezbeđen bar za 260 000 novih stanova [2].

0.8

0.6

2.3

0.2 0.2

Vrsta OIE (Mtoe)

Hidro  19.8%

Sunce 14.8%

Biomasa 55.6%

Vetar 4.9 %

Geotermalna energija 4.9 %

9

Slika 4. Upotreba obnovljivih izvora energije u Srbiji

Naročito interesantnu grupu potrošača toplotne energije čine brojni industrijski, turistički, sportski, medicinski, vojni i drugi objekti. Poznato je da ovi objekti za grejanje sanitarne ili tehnološke vode troše značajne količine električne energije dobijene sagorevanjem čvrstih, tečnih i gasovitih goriva. To se lako može ostvariti korišćenjem veoma jednostavnih sistema za korišćenje sunčeve energije [4]. Sunčevo zračenje koje dospeva do površine Zemlje se razlikuje od spektra izvanzemaljskog solarnog zračenja. Ove promene su uzrokovane promenom rastojanja između Sunca i Zemlje, atmosferskom rasejanošću molekula vazduha, vodene pare i prašine u atmosferi, kao i atmosferskom koncentracijom kiseonika, ozona, vode i ugljen-dioksida. Analizom podataka sunčevog zračenja utvrđeno je da promena integralnog zračenja tokom vremena ne odstupa više od ±1,5%. Raspršenost, odnosno koncentracija molekula vazduha, vodene pare i čestica prašine i dima u atmosferi utiču na umanjenje propusnosti sunčevog zračenja na površinu Zemlje. Na promenu vrednosti zračenja koje dospeva do gornjih slojeva atmosfere utiče i promena rastojanja između Zemlje i Sunca tokom godine. Ova promena se nalazi u granicama odstupanja od ±3%.Iz navedenog je evidentna i naučno utvrđena činjenica, po kojoj je snaga sunčevog zračenja na Zemlji u toku zime čak veća za 5,8% od snage zračenja leti. Ovaj porast snage zračenja zasniva se na činjenici da je Sunce, za severnu poluloptu, bliže Zemlji zimi za oko 3% nego leti. Ukupni efekti zračenja energije su ipak leti veći za odgovarajuća podneblja - zbog duže putanje Sunca preko neba (dužeg vremena trajanja obdanice). Međutim, promene nastaju i u zavisnosti od meteoroloških uslova atmosfere, kao i od ugla upada zraka na Zemlju, odnosno na površinu do koje dospeva.

10

Slika 5. Intenzitet direktnog i difuznog solarnog zračenja

Atmosfersko dejstvo na Sunčevu radijaciju ogleda se u promenama koje uzrokuju refrakciju i disperziju zračenja, čime se u stvari menja smer putanje i vrši razdvajanje susednih talasnih dužina. Slabljenje sunčeve radijacije uzrokuje difuzno i apsorpciono dejstvo atmosfere. Ukupno Sunčevo zračenje koje dospeva do površine Zemlje naziva se globalnim zračenjem, a sastoji se iz dve komponente: direktnog i difuznog zračenja. Direktno zračenje predstavlja komponentu globalnog zračenja koje direktno dospeva na površinu Zemlje pri jasnom i vedrom danu. Deo ukupnog zračenja se prilikom prolaska Sunčevih zraka kroz atmosferu rasipa zbog nailaska na čestice vode, prašine i drugih oblika aerozagađenja. Pravac direktnog Sunčevog zračenja se može odrediti na svakoj tački Zemljine površine geometrijskim korelacijama, dok je pravac difuznog zračenja veoma složen i zavisi od atmosfere, a ne od Sunca.Komponenta direktnog zračenja je dominantna u potencijalu globalnog zračenja za vedre dane, dok se udeo difuznog zračenja kreće najčešće u granicama od 8 do 22% od ukupnog. Oblačnih dana je svo zračenje difuznog karaktera. U zavisnosti od doba godine i klimatskog područja difuzno zračenje premašuje i 30% od globalnog, te postaje itekako značajna komponenta Sunčevog energetskog dejstva [5]. Na slici 6, prikazana je promena dozračene energije sunčevog zračenja u jasnom danu na Horizontalnu površinu u zavisnosti od geografske širine lokacije.

11

Slika 6. Dozračena energija sunčevog zračenja u jasnom danu na Horizontalnu površinu- za

različite geografske širine [5] U zimskom periodu je, u našem podneblju, ukupno energetsko dejstvo sunčevog zračenja manje od letnjeg, ali je još uvek dovoljno efikasno za korišćenje. Tako npr. iz komercijalnih tipova solarnih kolektora, može se u grejnoj sezoni dobiti - po jednom metru kvadratnom i jednom danu - energija koja se kreće (u zavisnosti od meseca u godini i lokaciji potrošača) - od 1,2 do 3,0 kWh. To znači da pločasti solarni kolektor (PSE) za 30 dana u mesecu može predati nekom potrošaču toplote od 36 do 90 kWh sa jednog metra kvadratnog kolektora. PSE čija je površina deset puta veća, može obezbediti od 360 do 900 kWh energije mesečno, a kolektor površine od 30 m2 - od 1.080 do 2.700 kWh mesečno - što je sa aspekta potrebe grejanja već značajna količina toplote. U grejnoj sezoni je moguće dobiti od dejstva sunčevog zračenja oko 360 kWh toplotne energije sa jednog kvadratnog metra PSE, odnosno oko 11.000 kWh sa površine od 30 m2. [4] Pošto se temperatura radnog fluida u solarnom kolektoru (pri preporučenim brzinama strujanja) u zimskom periodu kreće najčešće od 40 do 60 (a maksimalno 80°C), jasno je da se kod sistema centralnog toplovodnog grejanja u periodu najnižih temperatura ne mogu se u dovoljnoj meri koristiti. Međutim, čim su spoljni uslovi povoljniji, odnosno, kada je spoljna temperatura oko 0 °C ili više, mogućnost korišćenja toplote iz pločastih solarnih kolektora je veća. Tada kotlovska instalacija najčešće radi sa temperaturama od 60/45 °C. Sunčevo zračenje na Zemlji dostiže gustinu snage od 970 do 1.030 W/m2 (obično se u inženjerskim razmatranjima uzima srednja vrednost od 1.000 W/m2) [4], pri čemu korisno dozračena količina energije na jedinicu slobodno orijentisane površine, zavisi od njene orijentacije (treba da je orijentisana prema jugu), od njenog nagiba (poželjno je da sunčevi zraci dospevaju na prijemnu površinu pod uglom što bližem - normalnom, kako bi ozračenje -gustina snage bila što veća), od konstrukcije i energijskih karakteristika prijemnika sunčeve energije, doba dana, doba godine, vremena insolacije, atmosferskih uslova, eksploatacionih

12

uslova i dr .U tom smislu, zavisno od insolacionih uslova, tipa i konstrukcije PSE - može se sa jednog metra kvadratnog PSE godišnje dobiti oko 500 do 1.200 kWh toplotne energije, što je približno ekvivalentno toplotnoj energiji koja se dobija iz 50 do 120 litara lož - ulja [4].

Slika 7. Prosečan intenzitet globalnog sunčevog zračenja na horizontalnu površinu: za Januar

(levo) i Juli (desno). Izvor: World Bank (2007): Serbia: Analysis of Policies to Increase Renewable Energy Use- Study Funded by the ESMAP

Prosečan broj sunčanih dana u prekograničnom regionu Srbije je 272 godišnje, tj. oko 2300 sunčanih sati, što je više od evropskog proseka. Prosečan intenzitet sunčevog zračenja na jugu Srbije je oko 1,7 kWh/m2 dnevno u januaru, tj oko 5,9-6,6 kWh/m2 denvno u Julu (slika 7)., što je u proseku godišnje oko 1400 kWh/m2. Kvalitetna procena potencijala Srbije kada su u pitanju instalacije solarnih kolektora i solarnih sistema još uvek nisu dostupne. Poznato je da postoji puno, uglavnom manjih, solarnih instalacij u zemlji, sli sistematizacija instalisanog potencijala nije dostupna. U pojedinim oblasitma je udeo realno dozračene energije u odnosu na moguću dozračenu približno 50%. Naravno, od posebnog je značaja raspodela zračenja u toku dana i meseca, i neophodna je upotreba rezervnih sistema za periode povećane oblačnosti. Po nekim procenama, ukupan potencijal aktivnih solarnih tehnologija iznosi oko 50-60% potreba za toplotnom energijom. Uprkos tome, nedovoljan je broj novo izgrađenih solarnih instalacija, a uzrok je najverovatnije loša ekonomska rentabilnost investiranja u ovakve instalacije za individualno grejanje u odnosu na trenutne cene drugih energenata. U tabeli 1. date su srednje dnevne sume globalnog Sunčevog zračenja za neka mesta u srpskom delu prekograničnog regiona Srbija-Bugarska.

13

Tabela 1. Srednje dnevne sume globalnog Sunčevog zračenja u kWh/m2 za neka mesta u prekograničnom regionu Mesto Mesec Uku. god. Sred. god.

J F M A M J J A C O N D

Niš 1,75 2,60 3,45 5,00 6,10 6,35 6,70 6,15 5,35 3,45 1,85 1,50 1531,40 4,20

Kuršumlija 2,15 3,00 3,60 5,05 5,85 6,05 6,55 6,10 5,30 3,50 2,00 1,75 1550,50 4,25

Vranje 1,70 2,70 3,65 5,15 6,15 6,40 6,50 6,35 5,25 3,45 1,85 1,50 1543,40 4,23

Negotin 1,35 2,05 3,25 4,85 6,05 6,60 6,95 6,25 4,75 2,90 1,45 1,20 1453,35 3,98

Zaječar 1,50 2,25 3,25 4,80 6,05 6,45 6,95 6,30 4,95 2,95 1,50 1,30 1498,05 4,02

Najveći potencijal za korišćenje solarne energije imaju gradovi u južnom delu Srbije - Niš, Kuršumlija, Vranje.

Pošto se relativan odnos Sunca prema mestu na kojem je locirana prijemna površina menja tokom dana, meseca i godine, neophodno je kod nepokretnih prijemnika obezbediti, pravilnom orijentacijom maksimalnu osunčanost prijemne površine, te time i povoljniji energetski učinak. Međutim, ukoliko smeštajne mogućnosti prijemnika Sunčeve energije ne dozvoljavaju idealnu južnu orijentaciju, a na tome se u krajnjoj liniji ne mora insistirati, moguće je isti postaviti u zakrenutom položaju (u odnosu na jug) bez velikog smanjenja energetskog priliva.Korekcioni faktor za smanjeno primljeno zračenje zbog odstupanja prijemne površine od juga - za geografske širine mesta od 41° do 47°, dat je u tabeli 2. [5]

Pošto se i ugao kojeg zaklapa Sunčev zrak sa svojom horizontalnom projekcijom menja tokom dana, meseca i godine - optimalan nagib statične prijemne površine predstavlja kompromisno rešenje po kojem taj nagib odgovara srednjem uglu za određeni period eksploatacije tokom godine. U tabeli 3 data je zavisnost ugla nagiba prijemne površine - prijemnika Sunčeve energije (u odnosu na horizontalnu ravan) od perioda u godini za dobij anje maksimalnog energetskog učinka na statičnoj prijemnoj površini u tom, određenom periodu [5].

14

Tabela 2 - Koeficijent smanjenja zračenja zbog odstupanja orijentacije prijemne prijemne površine od juga - za nekoliko gradova Geografska širina (°) Odstupanje od juga (°) Koeficijent V (-)

15 0,961

42 30 0,916

45 0,870

15 0,956

43 30 0,911

45 0,865

15 0,951

44 30 0,906

45 0,860

15 0,953

45 30 0,904

45 0,855

15 0,954

46 30 0,902

45 0,850

Tabela 3 - Optimalan nagib statične prijemne površine za ostvarenje maksimalnog energetskog učinka Sunčevog zračenja u određenim periodima tokom godine - za 45° geografske širine Mesec u godini Potreban nagib statične prijemne površine (°)

Za mesec u godini Za godišnje doba Za zimsko i letnjepolugodište

Za celu godinu

Januar 66

Februar 57 60 do 50 oko 60

Mart 45

April 34

Maj 26 30 do 20 oko 30

Juni 22 40 do 45

Juli 26

Avgust 34 30 do 40

Septembar 45

Oktobar 57

Novembar 66 60 do 70 oko 60

Decembar 70

15

Energija koju sunce tokom godine emituje na 1 m krova kuće u Srbiji je jednaka energiji koja se dobije sagorevanjem 130 litara nafte - a pri tome je potpuno besplatna [5].

Slika 8 - Godišnja suma globalnog sunčevog zračenja dospela na različito nagnute

površine

Kao neminovni preduslov razvoja iskorišćenosti solarne energije kod nas, nameće se neophodnost da se domaće znanje usmeri i finansira u oblasti toplotne konverzije sunčevog zračenja kako bi se postigli odgovarajući rezultati:

• smanjenje energetske zavisnosti • povećanje zaposlenosti stanovništva • smanjivanje porodičnih troškova za energente i time doprinos smanjenju siromaštva • smanjenje zagađenja naše okoline.

3. TEHNOLOGIJE SOLARNE TOPLOTNE KONVERZIJE

3.1. Osnovni principi solarne termalne konverzije

16

Energiju sunca je moguće koristiti aktivno ili pasivno. Kod pasivne primene, solarna radijacija se koristi direktno -bez upotrebe posebnog tehničkog sistema za solarnu konverziju. Pasivni solarni sistemi, praktično predstavlјaju sastavni deo nekog većeg sklopa, koji nije prioritetno namenjen iskorišćenju solarne energije. Pasivni solarni sistemi predstavljaju takve sisteme kod kojih se toplota Sunčevog zračenja direktno prenosi na grejni medijum - najčešće vazduh, koji je ograničen staklenim zidom objekta (staklenik aplikovan uz objekat). Toplota se, unutar grejanog objekta, prenosi prolazom kroz zid i prirodnim strujanjem zagrejanog vazduha (kroz otvore na zidu) u grejanu prostoriju. Svi ostali sistemi, kod kojih je prijemnik poseban element sistema u kojem radni medijum prinudno struji, predstavljaju aktivne solarne sisteme. Postoje i hibridna rešenja oba pomenuta sistema.

Za aktivnu upotrebu solarne energije koriste se solarni prijemnici. Objekti izloženi dejstvu Sunca koji primaju deo dozračene energije nazivaju se prijemnicima Sunčeve energije. U zavisnosti od karaktera transformacije energije Sunčevog zračenja u njima, odnosno od njenog izlaznog oblika, razlikuju se sledeće vrste prijemnika:

Toplotni prijemnici, kod kojih se energija Sunčevog zračenja transformiše u toplotu. Transformacija nastaje prilikom nailaska fotona svetlosti na prepreku sa koje se ne reflektuje, već biva apsorbovan. Pri tome se kinetička energija fotona svetlosti transformiše u toplotnu energiju čestica prepreke - apsorbera. Fotoelektrični prijemnici, kod kojih se sunčeva energija transformiše u električnu. Konverzija Sunčevog zračenja u električnu energiju vrši se (direktno u jednom fizičkom procesu) u tzv. "solarnoj ćeliji" izrađenoj od poluprovodničkog elementa. Hemijski prijemnici, kod kojih se energija Sunčevog zračenja transformiše u hemijski energetski potencijal. Ova transformacija se odvija posredstvom materije izložene dejstvu Sunčeve energije koja učestvuje u hemijskoj reakciji, čiji je krajnji ishod materija sa određenim energetskim potencijalima (na primer gorivo).

Bio (ili biohemijski) prijemnici, kod kojih se energija Sunčevog zračenja transformiše u drugi vid energije, pri čemu je intermedijalno sredstvo u kojem se ta konverzija odvija materija biološkog porekla (biljke).

17

Slika 9. Tok energije kod zastakljenog solarnog prijemnika: A- zračenje na površinu kolektora, B- Refleksija sa staklene površine, C- Absorbcija u staklu prijemnika, D -

Refleksija sa absorbera, E- Absorber, F- Kondukcija kroz kućište kolektora, G- Radijacija sa apsorbera, H- konvekcija

Bio - prijemnici Sunčeve energije egzistiraju u prirodnim (spontanim) uslovima, te se ne smatraju tehničkim sistemom za prijem zračenja. Takođe se ni sve materije, odnosno predmeti prirodnog ili veštačkog porekla koji su izloženi Sunčevoj svetlosti i kod kojih se zbog manje ili veće apsorpcije odvija transformacija u toplotu - ne mogu smatrati tehničkim prijemnicima Sunčeve energije. U izvesnoj meri se to odnosi i na hemijske prijemnike Sunčevog zračenja. Na današnjem stepenu saznanja i poznavanja problematike korišćenja energije Sunčevog zračenja, kao i dostignutog nivoa tehnologije, tehničkim sistemima se mogu smatrati samo prijemnici za toplotnu i električnu konverziju Sunčeve energije. Međutim, uvažavajući činjenicu uske uzročno - posledične povezanosti tehnološke osnove i ekonomičnosti proizvodnje ovih prijemnika, dolazi se do još preciznije identifikacije raspoloživog sistema transformacije Sunčeve energije za različite potrebe. Tehnologije za korišćenje energije sunčevog zračenja kod tehničkih sistema baziraju na dva osnovna principa, i to:

18

1) na korišćenju toplotnog dejstva sunčevog zračenja, pri čemu se energija sunčevog zračenja transformiše u toplotu na apsorberu prijemnika sunčeve energije (toplotni PSE). Kod ovih tipova PSE se ostvaruje prosečni stepen efikasnosti transformacije dozračene sunčeve energije u korisno odvedenu toplotu - od 35 do 55% i 2) na korišćenje fotoelektričnog efekta, pri čemu se sunčeva svetlost direktno transformiše u električnu energiju u fotonaponskom prijemniku sunčevog zračenja (fotoelektrični PSE). Kod ovih tipova PSE se dozračena energija pretvara u korisno odvedenu električnu energiju sa efikasnošću od 10 % do 20 % - zavisno od tipa i konstrukcije, te eksploatacionih i insolacionih uslova.

Primena sunčeve energije termalnom konverzijom u praksi se koristi za:

• Zagrevanje sanitarne vode u kućama, stanovima, hotelima, hostelima, domovima učenika i studenata, domovima za stara lica, obdaništima, restoranima i sportskim objektima • Zagrevanje sanitarne vode za naselja koja imaju distribuciju tople vode iz gradskih toplana u periodu kada toplane ne rade.

• Zagrevanje bazena u kućama i sportskorekreativnim centrima • Zagrevanje vode ili drugih fluida u industrijskim procesima • Zagrevanje staklenika i plastenika u poljoprivrednoj proizvodnji • Sušenje poljoprivrednih proizvoda • Destilaciju vode za industrijske potrebe

• Zagrevanje prostora kao dopunsko sredstvo u periodima kada ima dovoljno sunčanih dana • Proizvodnju električne energije na bazi toplotne konverzije sunčevog zračenja (parne turbine) • U procesima za hlađenje prostora

Solarni kolektori predstavljaju posebnu vrstu razmenjivača toplote koji vrše konverziju dozračene sunčeve energije u energiju radnog medijuma. Solarni kolektor apsorbuje dozračenu solarnu energiju, vrši konverziju ove energije u toplotnu i prenosi je random fluidu (vodi, vazduhu, ulju i sl.) koji struji kroz kolektor. Toplotna energija dobijena na ovaj način se koristi direktno za pripremu tople vode ili za hlađenje pomoću toplotom pogonjenih rashladnih uređaja, ili se vrši akumulacija ove energije pomoću akumulatora toplote.

U 80% slučajeva primene, sistemi za grejanje koji kao primarnu energiju koriste energiju zračenja Sunca, koriste se za zagrevanje potrošne tople vode (PTV) [3]. Razlog za to je što je potrošnu vodu potrebno zagrejati do relativno niske temperature (40-60°C), kao i što su potrebe za potrošnom toplom vodom stalne tokom cele godine, pa čak i nešto povećane

19

tokom letnjeg perioda. Niske potrebne temperature potrošne tople vode i male razlike u odnosu na temperaturu spoljašnjeg vazduha, obezbeđuju visok stepen iskorišćenja solarne energije, naročito leti kada ove energije ima najviše. Solarni sistemi za zagrevanje potrošne tople vode mogu biti sa prinudnom cirkulacijom radnog fluida i sa prirodnom cirkulacijom radnog fluida. Po pravilu, sistem za PTV sa prinudnom cirku-lacijom sastoji se od:

• prijemnika solarne energije (PSE),

• rezervoara za toplu vodu, sa predajnikom toplote,

• cevovoda,

• cirkulacione pumpe,

• ekspanzionog suda,

• pripadajuće armature i

• regulaciono-upravljačkog sistema.

• Na slici 10. prikazana je šema aktivnog sistema za zagrevanje potrošne tople vode pomoću energije zračenja Sunca.

Slika 10. Sistem za zagrevanje potrošne tople vode pomoću energije zračenja Sunca sa prinudnom cirkulacijom radnog medijuma (fluida)

Za razliku od Solarnih grejnih sistema (SGS) sa prinudnom cirkulacijom, sistemi sa prirodnom cirkulacijom radnog fluida nemaju cirkulacionu pumpu. Cirkulacija radnog fluida u ovom sistemima ostvaruje se na osnovu razlike gustina koja nastaje kao posledica razlike između temperatura zagrejanog i hladnog fluida. Relativno teško regulisanje i upravljanje

20

ovim sistemima glavni su razlozi da se oni po pravilu primenjuju kao unapred sklopljene kompaktne jedinice sa samo jednim ili dva Prijemnika Solarne Energije (PSE)(slika 10)

SGS za potrošnu toplu vodu (PTV) je optimalno dimenzionisan ako godišnji udeo iskorišćene solarne energije u ukupno potrebnoj energiji za pripremu potrošne tople vode kod manjih sistema iznosi 55-65 %, odnosno kod srednjih 35-45 %. U slučaju većih udela iskorišćenja solarne energije sistem bi bio predimenzionisan (naročito leti), a odnos investicionih troškova i energetskih dobitaka nepovoljan.

U slučaju pravilno dimenzionisanog sistema, količina toplote koju obezbeđuje SGS dovoljna je da u letnjim mesecima zadovolji ukupne potrebe za zagrevanjem potrošne tople vode. Važno je znati da se pomoću SGS energija Sunca može prikupiti i pretvoriti u toplotnu samo za vreme sunčanih dana, odnosno kada ima Sunca. U slučaju oblačnog vremena i kišnih dana SGS neće moći da obezbedi dovoljnu količinu energije za grejanje. Za velike prekide dozračivanja solarne energije, koji se obično dešavaju tokom zimskih meseci, neophodno je da svaki SGS za zagrevanje PTV bude opremljen i konvencionalnim sistemom za zagrevanje vode (električna energija, prirodni gas itd.). Da bi se premostili kraći noćni prekidi i eventualni dnevni prekidi u snabdevanju solarnom energijom, koji se javljaju i tokom letnjih meseci, kao nezaobilazan element u svaki SGS ugrađuje se i akumulacioni rezervoar za toplu vodu.

Da bi SGS za zagrevanje PTV mogao pouzdano i kvalitetno da radi, potrebno je pažljivo dimenzionisati svaku njegovu komponentu. Predimenzionisani sistemi, osim što ne mogu da opravdaju investiciona sredstva, mogu stvoriti i određene tehničke probleme u radu sistema. Najčešće su to problemi vezani za pregrevanje radnog fluida, problem njegovog preteranog širenja, ugrožavanje rada sigurnosnog ventila i trajnosti radnog fluida.

3.2. Kratak istorijat upotrebe solarne energije Solarna energija koristila se još od starih Grka [6]. Postoje pisаni podаci (grčki istoričаr Plutаrh, 46-120. godine posle Hristа) o slučаju pаljenjа brodа rimske flote nа domаku grčke obаle (212 godine pre Hristа) od strаne Arhimedа, koji je poznаvаjući optiku upotrebio mnoštvo polirаnih grčkih štitovа dа nаprаvi konkаvno ogledаlo i dа usmeri koncentrisаni Sunčev zrаk u rimski brod. Arhimed je posle togа nаvodno nаpisаo knjigu o gorećim ogledаlimа аli nemа opipljivog trаgа o tome. Mnogo vekovа kаsnije A.Kircher (1601-1680.) reаlizovаo je niz eksperimenаtа dа upаli piljevinu sа dаljine poput Arhimedа аli nemа sаčuvаnih pisаnih trаgovа o njegovim rezultаtimа.

21

Tokom 18-tog vekа u Evropi i nа Srednjem Istoku grаde se solаrne peći sаstаvljene od koncentrisаnih kolektorа (polirаni metаl, sočivа i ogledаlа), koje su mogle dа tope metаl (gvožđe, bаkаr, ...). U istom veku frаncuski nаučnik Lаvuаzije kombinаcijom primаrnog i sekundаrnog sočivа, koristeći Sunčeve zrаke dostiže temperаturuod 1750°C. U devetnаestom veku kreću pokušаji dа se pokrenu pаrne turbine koristeći koncentrisаno Sunčevo zrаčenje za proizvodnju pare niskog pritiska. Prve rzultate u ovoj oblasti dao je A. Monchot, u periodu 1864-1878. Problemi nаstаju kаdа se ispostаvi dа su tаkvi projekti vrlo neisplаtivi. Zаnimljivo je dа su ti prvi pokušаji rаzmаtrаli sisteme koncentrisаnog Sunčevog zrаčenjа, što je znаtno komplikovаnije od nekoncentrujućih sistemа, pri čemu je za refleksiju sunčevog zračenja korišćeno srebro. 1901. A.G. Enes je instalirao koncentrišući kolektor prečnika 10m, oblika koji podseća na kišobran, pri čemu se u žiži voda zagrevala u kotu za proizvodnju pare niskog pritiska, koja je korišćena za dobijanje mehaničkog rada za sistem za navodnjavanje na farmi u Kaliforniji. Godine 1912. Shuman i V.S. Voys zаpočinju grаdnju nаjvećeg solаrnog pumpnog postrojenjа u Meаdi (Egipаt). Projekаt je uspetpno reаlizovаn 1913., а rаdilo se o 1200 m2 pаrаboličnih cilindаrа (svаki 62 m dužine) fokusirаnih u prаteće аpsorpcione cevi. Ovа solаrnа „mаšinа" je svаkog dаnа u trаjаnju od 5 čаsovа dаvаlа snаgu od 37-45 kW. Prestаlа je sа rаdom 1915., а jeftinа fosilnа gorivа su bilа sigurno i veći rаzlog tome, od početkа Prvog svetskog rаtа. Tokom dvаdesetog vekа koriste se uglаvnom dvа principа zа koncentrаciju Sunčevog zrаčenjа, sа centrаlnim i distribuirаnim prijemnicimа. Sistemi postižu od 100 pа sve do 1500°C. O ovim sistemimа će više biti reči u dаljem tekstu. Idejа dа se Sunčevа energijа koristi zа zаgrevаnje niskotemperаturske vode kojа se koristi u domаćinstvimа, jаvljа se 30-ih godinа prošlog vekа (rаvni solаrni kolektori). Industrijskа proizvodnjа solаrnih vodenih grejаčа zаpočinje rаnih 60-ih godinа prošlog vekа i u stаlnom je usponu. Prvo su rаzvijeni jeftini termosifonski sistemi sа rezervoаrom iznаd kolektorа. Međutim, sistemi sа prinudnom cirkulаcijom iаko skuplji preuzimаju primаt, pre svegа, zbog аrhitektonskih i estetskih zаhtevа. Godine 1839. Bekerel otkrivа fotonаponski (FN) efekаt u selenijumu. Nove silicijumske FN ćelije, proizvedene 1958. imаle su efikаsnost od 11%, аli i cenu od 1000 dolаrа po instаlisаnom vаtu električne snаge. Kаsnije (1960.) bivаju otkriveni i drugi mаterijаli sа sličnim kаrаkteristikаmа, poput gаlijum аrsenidа. Do krаjа 2002. u svetu je instаlisаno oko 2 GWp (GWp - snаgа) kojа se dobijа pri stаndаrdizovаnim, mаksimаlno povoljnim uslovimа Sunčevog zrаčenjа) i tаj trend eksponencijаlno rаste, uz pаd cene ovаkvog nаčinа proizvodnje električne energije.

22

3.3. Klasifikacija dostupnih tehnologija za solarnu toplotnu konverziju energije

Postoji više mogućnosti za klasifikaciju solarnih sistema. Potrebno je prvo napraviti razliku između solarnih sistema i prijeminka Solarne energije. Solarni sistemi predstavljaju zaokružene instalacije za definisani vid korišćenja solarne energije i razlikuju se pasivni i aktivni sistemi. U ovom radu više pažnje će biti posvećeno aktivnim solarnim sistemima. Posebnu tehnologiju korišćenja toplotnog dejstva sunčevog zračenja, predstavljaju tzv. "pasivni solarni sistem" kojima se obezbeđuje grejanje prostora kuća i drugih objekata, pri čemu se prijemnik sunčeve energije izvodi na principu integracije dela grejanog objekta i prijemnika sunčeve energije. Klasičan primer pasivnog solarnog sistema predstavlјa Trombeov zid. Godine 1960. promovisana je ideja grejanja objekta korišćenjem masivnog zastaklјenog zida. Od prvobitne konstrukcije Trombeov zid je doživeo niz modifikacija i pobolјšanja. Prijemnici kod kojih se energija Sunčevog zračenja direktno transformiše u toplotu su danas tehnički, tehnološki i ekonomski najjednostavniji i najprimenljiviji za široku upotrebu. U ovoj grupi se razlikuju dve osnovne vrste prijemnika - u zavisnosti od temperaturnog nivoa radnog medijuma koji se u njima može dostići:

- niskotemperaturni prijemnici, i - visokotemperaturni prijemnici.

U grupu niskotemperaturnih prijemnika spadaju svi prijemnici kod kojih se radna temperatura radnog medijuma kreće najčešće do 100°C. Kod visokotemperatumih prijemnika se Sunčevi zraci, zahvaćeni sa veće površine, fokusiraju (koncentrišu) na neku manju površinu, pri čemu se, u zavisnosti od konstrukcije, ostvaruju visoke radne temperature - i do nekoliko hiljada stepeni Celzijusa (komercijalni tipovi kompaktnih prijemnika ostvaruju temperature od nekoliko stotina stepeni). Prema radnom medijumu kojim se toplota sa prijemnika odvodi prema potrošaču, ovi prijemnici se dele na:

- prijemnike sa tečnim rashladnim sredstvom, i - prijemnike sa vazduhom kao rashladnim sredstvom.

23

Kod prijemnika sa tečnim rashladnim sredstvom (nosiocem toplote), radni medijum može biti voda ili neka druga tečnost (antifriz, ulje i sl.). Kod prijemnika sa vazduhom kao radnim medijumom toplotu sa apsorbera odnosi vazduh, te mu je konstrukcija znatno jednostavnija. Druga podela se može napraviti prema mogućnosti kretanja, na stacionarne kolektore i kolektore sa sistemom za praćanje sunca u jednoj i dve ose. Postoji podela i po opsegu radnih temperature na nisko srednje i visoko temperaturne kolektore. Stacionarni kolektori se postavljaju na određenom mestu i nemaju mogućnost praćenja sunca. Postoje tri osnovne vrste ovih kolektora:

- Pločasti kolektori (FPC – flat plate collectors) - Stacionarni parabolički koncentrišući (Stacionary compound parabolic collectors –

CPC) - Vakumski (evacuated tube collectors – ETC)

Prema optičkoj metodi prijema solarne energije, postoje dve osnovne vrste solarnih kolektora: nekoncentrišući i koncentrišući. Nekoncentrišući solarni kolektor ima istu površinu za prijem i apsorpciju solarne energije, dok koncentrišući obično imaju sistem za praćanje sunca i konkavnu reflektujuću površinu za usmeravanje sunčevih zraka ka manjoj prijemnoj površini, čime se povećava toplotni radijacioni solarni fluks. U zavisnosti od konstrukcijske koncepcije prijemnika postoji niz podela prema određenim karakteristikama konstrukcije - oblika ili upotrebljenog materijala, ali u ovom kontekstu oni se dele na:

- elementarne prijemnike, i - integralne prijemnike.

Sistemi sa koncentrisanjem sunčevog zračenja baziraju na zahvatanju sunčevog zračenja sa veće površine odgovarajućim ogledalima (paraboloidnim, hiperboloidnim, parabolocilindričnim, ravnim - heliostatski sistemi i dr.) i reflektovanjem - uz značajan stepen koncentracije (povećanja gustine snage) na odgovarajući apsorber u kojem se stvaraju temperature od 200 do hiljadu i više stepeni Celzijusa. Ovakvi sistemi se takođe mogu koristiti za pripremu tople vode, sušenje i dr., ali su prevashodno namenjeni "proizvodnji" električne energije u tzv. " solarnim elektranama" koje imaju termoenergetski sistem sličan sistemu klasičnih termoelektrana (jedino što je u ovom slučaju proizvodnja pare obezbeđena dejstvom sunčevog zračenja).

24

3.3.1. Instаlаcije sа tečnim rаdnim medijumom

U prаksi nаjčešću primenu imаju solаrne instаlаcije koje kаo rаdni medijum koriste neku tečnost ili vаzduh. Ovа dvа tipа instаlаcije, u suštini funkcionišu nа sličаn nаčin, jedino se rаzlikuju komponente sistemа i rаdni medijum u njimа. Kod instаlаcijа sа tečnim rаdnim medijumom, nosilаc toplote može biti vodа, vodа pomešаnа sа nekim аntifrizom ili tečnost nа bаzi аntifrizа kojа je rаzvijenа zа primenu u solаrnim instаlаcijаmа. U ovаkvoj instаlаciji tečnost kojа se zаgrejаlа u vodenim prijemnicimа sunčeve energije se nаjčešće dejstvom centrifugаlne pumpe potiskuje kroz cevovod kа rаzmenjivаču toplote. U njemu se greje potrošnа sаnitаrnа ili tehnološkа vodа, pri čemu se rаzmenjivаč može izvesti sа većom zаpreminom, tаko dа se u njemu vrši istovremeno rаzmenа i аkumulаcijа toplote u mаsi vode (kombinovаn bojler - rаzmenjivаč toplote). Međutim, kod većih instаlаcijа, rаzmenjivаč toplote i sklаdište tople vode su obično zаsebni, tаko dа postoji potrebа prinudne cirkulаcije zаgrejаne vode iz rаzmenjivаčа toplote u sklаdište toplote - koje se odvijа dejstvom cirkulаcione pumpe - kroz cevovod tzv. sekundаrnog, odnosno potrošnog krugа instаlаcije.

3.3.2. Kompаktni solаrni bojleri

Kompаktni solаrni bojleri predstаvljаju široko primenjivаn sistem zа grejаnje vode sunčevom energijom. To su kompаktni uređаji koji se sаstoje od jednog, ili češće dvа solаrnа kolektorа i termoizolovаnog rezervoаrа - bojlerа u kojem se nаlаzi vodа kojа se greje. Zapremina bojlera se obično kreće od 200 do 300 litаrа. Opremа je smeštenа i pričvršćenа nа posebnoj nosećoj konstrukciji а međusobno je povezаnа termoizolovаnom cevnom instаlаcijom kojа omogućuje termosifonsko - prirodno strujаnje vode kroz instаlаciju. U prаksi se primenjuju i verzije kod kojih je strujаnje vode prinudno -dejstvom centrifugаlne pumpe. Zа rаzliku od prethodnog tipа, ovаkvi solаrni bojleri morаju biti priključeni nа izvor električne energije. Nekа rešenjа kompаktnih solаrnih bojlerа se izrаđuju sа dodаtnim rezervoаrom zа vodu čime je omogućeno snаbdevаnje vodom i u situаcijаmа kаdа ne funkcioniše nаpаjаnje vodom iz vodovodne instаlаcije.

3.3.3. Instаlаcije sа vаzduhom kаo rаdnim medijumom

Kod solаrnih instаlаcijа sа vаzduhom kаo rаdnim medijumom - nosiocem toplote, obično se zаgrejаn vаzduh iz vаzdušnog PSE, dejstvom centrifugаlnog ventilаtorа potiskuje kroz kаnаlski rаzvod - do grejаne prostorije. Ako ne postoji mogućnost dа u toj grejаnoj prostoriji dođe do znаčаjnijeg zаgаđenjа vаzduhа, rаshlаđen vаzduh se potiskuje ponovo u solаrni kolektor - nа dogrevаnje. Ovаkаv sistem instаlаcije se koristi kod grejаnjа prostorijа

25

kućа ili drugih objekаtа. Nаrаvno, u sistemu se tаdа obično nаlаzi filter zа odvаjаnje mehаničkih česticа nečistoće (prаšine) iz vаzduhа. Uvođenje svežeg vаzduhа iz spoljne sredine u grejаne prostorije se može ostvаriti nа klаsičаn nаčin

3.4. Koncentrišući solarni kolektori sa praćenjem sunca

Povećanje izlaznih temperatura solarnih kolektora postiže se smanjivanjem površina na kojima se javljaju gubici toplote. Daleko više temperature od onih koje se mogu postići pločastim kolektorima se dobijaju koncentrisanjem solarne radijacije na relativno malim površinama kolektora. Ovo se postiže upotrebom optičkih uređaja između izvora radijacije i površine apsorbera. Kod koncentrišućih kolektora, vrši se koncentracija solarne energije optičkim putem pre nego što dođe do procesa prenosa toplote. Koncentracija se može postići refleksijom ili prelamanjem solarnog zračenja upotrebom ogledala i sočiva. Reflektovani ili prelomljeni svetlosni zraci se koncentrišu u oblasti žiže, čime se povećava fluks na željenoj površini. Stepeni kontencratcije, tj. odnos aperture i površine apsorbera, mogu da variraju za više redova veličine, od jediničnih vrednosti pa do reda veličine od 10,000. Povećanje ovog odnosa znači povećanje temperature snabdevanja energije. Prateća posledica ovog povećanja su i dodatni zahtevi u pogledu preciznosti i kvalitetnog pozicioniranja optičkog sistema. Tabela 4. Pregled solarnih kolektora sa glavnim karakteristikama Kretanje Tip Tip

apsorbera Stepen koncentracije

Indikativni temperaturni opseg

Stacionarni Ravni pločasti (FPC)

Ravni 1 30-80

Vakumski (ETC) Ravni 1 50-200 Jedno osni sa praćenjem

Složeni parabolički (CPC)

Cevni 1-5 60-200 Cevni 5-15 80-300

Linearni Fresnel Reflektor (LFR)

Cevni 10-40 80-250

Parabolični (PTC) Cevni 15-45 80-300 Cilindrični (CTC) Cevni 10-50 80-300

Dvo osni sa praćenjem

Parabolični tanjir (PDR)

Tačkasti 100-1000 100-500

Heliostatsko polje (HFC)

Tačkasti 100-1500 150-2000

26

Usled očiglednog kretanja sunca preko neba, konvencionalni koncentrišući kolektori prate sunčevo dnevno kretanje. Postoje dve glavne metode, pomoću kojih se vrši praćenje kretanja sunca. Prva metoda je metoda azimuta koja podrazumeva praćenje po azimutu i visini, čime je omogućeno precizno praćenje sunca koncentratora. Paraboloidni solarni kolektori uglavnom koriste ovakav system. Drugi pristup je jednoosno praćenje gde kolektor prati sunce u jednom pravcu bilo od istoka ka zapadu ili od severa ka istoku. PTC kolektori obično koriste ovu metodu.

3.5. Ravni Solarni Prijemnici

Ravni, niskotemperaturni prijemnici za termalnu konverziju Sunčevog zračenja, koje danas proizvodi svetska solarna industrija (za potrebe privrede i vanprivrede uopšte), zasnivaju se na koncepciji kojom se obezbeđuje njihova univerzalna aplikacija na objekte. Zbog toga se tehnički izvode kao zasebne celine u čiji sklop ulaze neophodni elementi kao što su: transparent, apsorber, termička izolacija i odgovarajuće kućište koje hidroizoluje unutrašnjost prijemnika od dejstva spoljne sredine. Ovakva koncepcija, zbog univerzalnosti primene, zahteva složeniju tehnologiju proizvodnje i složeniju konstrukciju prijemnika, što je u direktnoj vezi sa višom cenom proizvoda, odnosno njihovom nižom ekonomičnošću. Međutim, integralni prijemnici se direktno aplikuju na južno orijentisanu površinu objekta (krovište, fasada) i ne zahtevaju posebno kućište, pošto površina objekta predstavlja zadnju graničnu površinu prijemnika. Na taj način deo objekta predstavlja prijemnik Sunčeve energije integralnog tipa.

Niskotemperaturni prijemnici Sunčeve energije zasnivaju se na koncepciji koja omogućuje njihovu aplikaciju na različite objekte i na različite noseće konstrukcije. Zbog toga se tehnički izvode kao zasebne celine u čiji sklop ulaze neophodni elementi kao što su: transparent, apsorber, termička izolacija i odgovarajuće kućište koje hidroizoluje unutrašnjost PSE od dejstva spoljne sredine. Na kućištu se nalaze cevi ili kanalski priključci za dotok (rashlađenog) i odvod (zagrejanog) radnog medij uma i - u zavisnosti od tipa konstrukcije i proizvođača -priključci za nesmetanu aplikaciju prijemnika na odgovarajuću konstrukciju. Ravni solarni kolektor se sastoji iz tri osnovna dela: upojača ili apsorbera, toplotne izolacije i zastaklenja.

27

Slika 11 Nezastaklјeni vodeni kolektori za zagrevanje bazena

3.6. Nezastaklјeni vodeni solarni kolektori

Nezastaklјeni vodeni solarni kolektori su najjednostavnije i najjeftinije konstrukcije kolektora. Praktično, sastavlјeni su samo od apsorbera kroz koji struji voda, zagrevajući se. Najčešće se izrađuju od crne plastike, otporne na starenje pod ultravioletnim zračenjem (slika 11). Kako je apsorber u direktnom kontaktu sa okolnim vazduhom, bez staklenog pokrivača, apsorpcija je maksimalna, ali i emisija takođe, kao i konvektivni gubici. Shodno tome, nezastaklјeni vodeni kolektor ima visoku početnu efikasnost koja brzo opada sa povećanjem razlike temperature radnog fluida i okoline, kao i smanjenjem insolacije. Efikasnost im naročito opada pri nižim spolјnim temperaturama i vetrovitom vremenu. Zato se ovi kolektori koriste za maksimalne temperature radnog fluida do 30°C. Zanimlјivo je da pri visokim noćnim temperaturama vazduha, ovi kolektori mogu i dalјe funkcionisati, ali sada kao konvektivni grejači.

Veliki rastur tačaka koje definišu efikasnost nezastaklјenog, gumenog, vodenog kolektora govori u prilog tome da su toplotni gubici kod ovih kolektora veoma promenjivi i strogo zavisni od brzine strujanja vetra.

Namena im je, prevashodno, grejanje vode u bazenima, za pranje vozila (predgrevanje), u uzgajalištima riba.

3.7. Zastakljeni Ravni Solarni Kolektori Ovaj tip kolektora bi se mogao nazvati klasičnim. Sastoji se (slika 12) od steklene ploče, apsorbera, izolacije i kutije kolektora. Cevni sistem je integrisan (spojen) sa telom apsorbera na različite konstruktivne načine.

Princip funkcionisanja je jednostavan. Sunčevo zračenje koje pada na kolektor, prolazi svojim najvećim delom kroz staklenu ploču i apsorbuje se, najvećim delom, na površini

28

apsorbera. Provođenjem kroz apsorber i konvekcijom u integrisanim cevima (ili kanalima) voda preuzima toplotnu energiju, na odgovarajućem temperaturskom nivou. Kao što je to pokazano u odelјku 1.5, što je radna temperatura viša, viši su i toplotni gubici u okolinu, što se delimično umanjuje. Dobrom izolacijom koja se nalazi u kutiji kolektora iza apsorberske ploče. Izolacija ne naleže sa donje strane na ploču apsorbera, već postoji dodatni izolacioni vazdušni sloj između njih. Prirodnom, ili prinudnom, cirkulacijom voda odnosi apsorbovanu količinu toplote i održava radnu temperaturu kolektora, naravno u uslovima stacionarnog zračenja. Ravni solarni kolektori (RRS) su najkorišćenija vrsta kolektora, koja je, takođe, najprisutnija na tržištu. Uobičajene radne temperature kod ovih kolektora idu do 100 °C. Kod naprednih i specijalnih konstrukcija radne temperature mogu ići i do 200 °C, ali o tome će biti više reči kasnije. Tabela 5.Karakteristike tipičnih ravnih vodenih. solarnih kolektora Karakteristika Jednostavni №S Napredni IRS Spajanje cevi i ploče apsorbera

Korišćenjem dodatnog materijala (lemlјenje)

Ultrasoničnim zavarivanjem

Prevlaka apsorbera Crna mat boja Hromna selektivna prevlaka

Zastaklјenje Staklo sa niskim sadržajem Re Staklo sa niskim sadržajem Re

1 Optička efikasnost (-) 0,79 0,80 Optimalni nagib kolektora Geografska širina + 5 do10° Geografska širina + 5 do

10°

Šema tipičnog solarnog kolektora data je na slici 12. Solarna radijacija prolazi kroz zastakljeni prozirni sloj i dolazi do površine apsorbera, gde se vrši absorpcija najvećeg dela sunčeve energije i prenosi radnom medijumu koji cirkuliše kroz metalne cevi. Apsorber je ravna ploča od materijala koji dobro absarbuje Sunčeva zračenje, premazana matcrnom bojom u kojoj protiče transportni medijum i odvodi toplotu dobijenu Sunčevim zračenjem. Toplotna izolacija sprečava gubljenje toplote iz kolektora na njegovim bočnim stranama, a naročito sa donje strane. Zastakljenje može biti jednostruko i dvostruko, a retko trostruko i ima ulogu obrazovanja u kolektoru već poznatog efekta staklene bašte, kao i zaštite od spoljnih meteroroloških promena. Postoje različite vrste apsorbera s obzirom na materijal od kojeg su napravljeni, način bojenja njegove površine, efikasnost u predaji toplote transportnom radnom fluidu i način ugradnje u solarni sistem.

29

Slika 12. Ravni solarni kolektor

Ravni kolektori se najmsovnije koriste. Obično se koriste za niskotemperaturne aplikacije sa temperaturama do 80oC. Apsorber je kod svih tipova PSE zatvoren u odgovarajućem kućištu, tako da se na određenom rastojanju sa njegove prednje - prijemne strane nalazi najčešće jedna ili dve transparentne pokrivke, a sa njegove zadnje i bočnih strana nalazi se termička izolacija. Zaptivni i spoj ni elementi obezbeđuju potrebnu hidrozaptivenost i čvrstinu sklopa svih elemenata koji sačinjavaju konstrukciju prijemnika. Posebnu grupu niskotemperaturnih PSE čine specijalne vrste prijemnika za neku posebnu namenu kao npr. u poljoprivredi (za grejanje objekata staklenika i plastenika), skladišnih prostora, za predsušenje i sušenje poljoprivrednih proizvoda), u industriji (za sušenje industrijskih proizvoda i dr.), u domaćinstvima i turizmu (za grejanje sanitarne i bazenske vode) i dr. Klasično staklo se masovno koristi pri izradi ravnih solarnih kolektora, jer poseduje visok koeficijent dijatermije (visoku transparentnost) za kratkotalasno Sunčevo zračenje. Za stakla sa malim sadržajem gvožđa, koeficijent dijatermije iznosi 0,85-0,90 pri upadnom uglu zraka od 90°.

Staklo ima i svoje loše karakteristike, kao pokrivna površina ravnih solarnih kolektora. Staklo ima veliku gustinu, što znatno uvećava ukupnu masu kolektora. Skupo je i lomlјivo, što stvara probleme pri eventualnim udarima u ploču kolektora. Apsorbujući dugotalasno

30

zračenje, staklo se zagreva i emituje isto delom u okolinu, što povećava toplotne gubitke solarnog kolektora.

U praksi se koriste i plastični materijali za porkivne površine . ravnih solarnih kolektora. Plastični materijali su znatno jeftiniji od stakla, nisu krti i lomlјivi, veoma su laki (deset puta manje gustine od stakla). Međutim, ovi materijali imaju relativno veliku propustlјivost dugotalasnog zračenja, nepostojani su pri dugom izlaganju ultravioletnom zračenju i visokim temperaturama. Antirefleksno staklo je, takođe, u upotrebi i ono može u određenoj meri povećati njegovu propustlјivost (transparentnost).

S obzirom na do sada rečeno o funkcionisanju solarnih kolektora i njihovoj efikasnosti, nameće se zaklјučak da materijal apsorbera solarnog kolektora treba da ima sledeće karakteristike: što je moguće veći koeficijent apsorpcije za kratkotalasno zračenje (Sunčevo zračenje), što je moguće manji koeficijent emisije za dugotalasno zračenje, odličnu toplotnu provodlјivost, malu masu, trajnost, otpornost na koroziju i visoke temperature i malu cenu.

Jako je teško zadovolјiti sve ove zahteve u jednom materijalu, ali se uvek pronalaze optimalna rešenja. Apsorberske ploče se najčešće dele u dve grupe: neselektivne i selektivne apsorbere. Neselektivni apsorber ima, praktično, identične vrednosti koeficijenta apsorpcije kratkotalasnog i emisije dugotalasnog zračenja. Osnovni materijal apsorbera je metal visoke toplotne provodlјivosti, bakar, aluminijum ili nerđajući čelik (koji ima značajno manju toplotnu provodlјivost u odnosu na Si i Al). Kao materijal apsorbera ređe se koriste plastični materijali i to samo za niskotemperaturne solarne kolektore. Strana apsorbera izložena Sunčevom zračenju je najčešće premazana crnom apsorbujućom bojom. Neselektivni apsorberi odlično apsorbuju Sunčevo zračenje, ali i intenzivno zrače kratkotalasno zračenje što povećava toplotne gubitke solarnog kolektora.

Da bi se ova pojava eliminisala, naročito. u solarnim kolektorima koji rade na visokim radnim temperaturama, primenjuju se selektivni apsorberi, koji su efikasniji, ali imaju i znatno višu cenu.

Klasični selektivni apsorber sastoji se od gornjeg vrlo tankog sloja, filma (koji se meri mikrometrima) materijala koji odlično apsorbuje kratkotalasno zračenje (kz), a minimalno emituje dugotalasno zračenje (dz). Ovo zračenje površinski film apsorbera propušta, najčešće, do reflektujuće metalne površine apsorbera, koja ima visok koeficijent refleksije. Moguća je i varijanta sa korišćenjem neselektivne apsorbujuće površine apsorbera i ogledala postavlјenog iznad apsorbera, koje propušta dugotalasno, a reflektuje kratkotalasno zračenje. U tabeli 6, date su najčešće korišćene prevlake selektivnih apsorbera i njihove karakteristike. Varijanta sa korišćenjem selektivnih boja je jeftinija od metalnih prevlaka nanošenih specijalnim postupcima.

31

Tabela 6 Vrste i karakteristike selektivnih prevlaka za apsorbere Prevlaka Osnova Absorbcija

Sunčevog zračenja (-)

Emisija dt. zra-čenja (-)

Maks. radna temp. (oC)

Posto-janost

CrNI NiSl Re, Si,2p/A1

0,85-0,96 0,05-0,15 288 Osrednja

Crni hrom A1, Si, Re 0,82-0,96 0,04-0,15 427 Vrlodobra Crni bakar Si 0,85-0,95 0,10-0,15 316 Bakar oksid Si, Re, A1 0,87-0,90 0,08-ODb - - Anodni aluminijum

A1 0,90-0,96 0,10-0,23 - -

Metal karbid Si, Staklo 0,82-0,93 0,02-0,05 - - Selektivna boja

Većina 0,93 0,3 -

Crna boja Bilo koja 0.95-0.97 0,95-0,97 -

Varijanta sa korišćenjem selektivnih boja je jeftinija od metalnih prevlaka nanošenih specijalnim postupcima. Položaj i način vezivanja cevi ili kanala kojim protiče radni fluid sa apsorberskom pločom je veoma važan i tehnološki zahtevan (slika 13).

Primer A prikazuje apsorber i transportne kanale izrađene izjedna. Na ovaj način je ostvaren odličan kontakt između fluida i zagrejane ploče apsorbera. Primeri B i C prikazuju apsorbersku ploču i cevi (najčešće se koriste bakarne cevi) spojene sa gornje ili donje strane ploče. Metode spajanja mogu biti različite, meko ili tvrdo lemlјenje, korišćenje termičkog cementa, metalnih spojki (radi pojeftinjenja tehnologije izrade). Primer B prikazuje pravougaone transportne kanale spojene sa apsorberom. Na ovaj način se postiže bolјi kontakt fluida i apsorbera u odnosu na prethodna dva primera. Kako apsorberi rade na visokim temperaturama, za ovaj sistem poželјno je primeniti sigurniji način vezivanja (tvrdi lem, naprimer).

32

Slika 13. Položaj i način vezivanja cevi ili kanala kojim protiče radni fluid sa apsorberskom pločom

Treba napomenuti da kada je radni fluid celom površinom apsorbera u kontaktu sa njim, toplotna provodlјivost apsorbera nije od značaja. Takav je slučaj sa apsorberom od polikarbonata u vidu šuplјe ploče, podelјene na niz pravougaonih ćelija, kroz koje protiče voda. Materijali kutije ravnog solarnog kolektora treba da poseduju određenu čvrstinu, trajnost, otpornost na koroziju i ostale vremenske uticaje, malu masu i naravno, prihvatlјivu cenu. Radi se uglavnom, o nerđajućem čeliku i aluminijumskim legurama, koje imaju zadovolјavajuću čvrstinu, a malu masu i dobru otpornost prema koroziji.

Kada se radi o specifičnim konstrukcijama ravnog kolektora kao što je vakuumski, i materijal kutije treba da odgovori na povećane zahteve za njegovim kvalitetom.

Plastični materijali su jeftiniji od aluminijuma ali postoji veliki problem sa njihovom trajnošću i postojanošću karakteristika na višim temperaturama i pod raznim meteorološkim uticajima, naročito ultravioletnim zračenjem.

Energetska efikasnost PSE, odnosno njihova efikasnost da transformisanu energiju Sunčevog zračenja u toplotu na apsorberu predaju radnom medijumu, odnosno sredstvu koje rashlađuje zagrejan apsorber (korisna energija raspoloživa za predaju "potrošaču") zavisi od veličine toplotnih gubitaka. Pri tome intenzitet toplotnih gubitaka po jedinici površine PSE zavisi od njegovih konstruktivnih karakteristika, nagiba, radnih uslova (temperature apsorbera na koju utiče temperatura i protok radnog fluida) i uslova okoline (temperature okoline, brzine strujanja vazduha - brzine vetra i dr.).

Ravni nižetemperaturni prijemnici Sunčeve energije sa tečnim radnim sredstvom - nosiocem toplote, koje danas proizvodi svetska solarna industrija za primenu u procesima grejanja vode i drugih tečnosti, imaju manje - više sličnu konstrukciju i istu toplotnu šemu, te

33

se mogu predstaviti - u zavisnosti od broja transparentnih pokrivki - odgovarajućim reprezentativnim tipovima.

Pod energetskom efikasnošću niskotemperaturnog ravnog prijemnika Sunčeve energije podrazumeva se njegova sposobnost da određenu količinu dozračene Sunčeve energije pretvori u korisnu toplotu, koja se iz njega odnosi radnim medij umom - nosiocem toplote (tečnost ili vazduh). U prijemniku se radnom fluidu podiže (za vreme prijema Sunčevog zračenja) temperatura za neku vrednost koja zavisi od projektnih parametara, njegove konstrukcije i klimatskih uslova. Od vrednosti ovog porasta temperature direktno zavisi i veličina termičke efikasnosti PSE. Sa porastom temperature radnog fluida, odnosno razlike njegove srednje temperature i temperature okoline (to podrazumeva da PSE radi sa višom temperaturom apsorbera) rastu i toplotni gubici. Istraživanja, vezana za toplotne ravne prijemnike sunčeve energije, usmerena su, pre svega, na iznalaženje novih, efikasnijih, prikladnijih materijala, konstrukcija, tehnologija i rešenja sistema za ekonomično i dugoročno korišćenje sunčeve energije, te u funkciji toga na matematički egzaktna i/ili fenomenološka opisivanja i tumačenja njihovog energetskog bilansa. Pri tome, odgovarajuće jednačine energetske, odnosno termičke efikasnosti u važećoj literaturi nisu date u funkciji vremena eksploatacije, odnosno vremena izloženosti - degradativnim dejstvima (spoljnim i unutrašnjim uticajima), što ograničava njihovu primenu samo na nove PSE. Kod većine tipova PSE koji su određeno vreme u eksploataciji, primena važećih jednačina energetske efikasnosti je neadekvatna, neprecizna, a stoje vreme eksploatacije duže - i izrazito pogrešna.

Zbog heterogenosti karaktera spoljnih uticaja na termoenergetsku efikasnost PSE, ovi uticaji su veoma složeni za neko određenije matematičko modelovanje, pa se istraživanja pada termoenergetske karakteristike i uticaj na to smanjenje određuje od slučaja do slučaja - eksperimentalnim putem. Degradacionim uticaj ima su podložne sledeće komponente ravnih niže temperaturnih prijemnika sunčeve energije:

a) transparentna pokrivka; b) apsorber; c) termička izolacija.

Transparentna pokrivka PSE je izložena sledećim degradacionim dejstvima:

l. Taloženju prašine i drugih čestica aerozagađenja na njenu spoljnu površinu; 2. Deponovanju prašine i drugih čestica aerozagađenja na njenu unutrašnju površinu;

34

3. Deponovanju prašine i drugih čestica aerozagađenja u površinskom sloju transparenta; 4. Deponovanju različitih komponenata - sastavnih elemenata iz boje apsorbera, boje drugih delova i termičke izolacije na unutrašnju površinu transparenta; 5. Hemijskim dejstvima iz atmosfere i iz komponenata PSE; 6. Ultravioletnom dejstvu sunčevog zračenja; 7. Dejstvu visokih i niskih temperatura (termička nestabilnost materijala transparenta) i 8. Druga dejstva od manjeg značaja i pod specifičnim uslovima

Apsorber je izložen sledećim degradacionim uticajima: - taloženju prašine i čestica aerozagađenja - zbog "efekta disanja" PSE, - pojavi korozije ili drugih hemijskih procesa usled dejstva vlage, - promeni apsorpcione karakteristike usled degradacije crnog premaza koja nastaje starenjem boje - dejstva sunčevog zračenja, nedovoljne termo - stabilnosti boje, i dr., - formiranja oksidacionog sloja između apsorbera i apsorberske cevi, taloženja kalcijumkarbonata ili drugih nečistoća na unutrašnju površinu apsorberske cevi, slabljenje spoja apsorberske cevi i apsorberske ploče i drugi specifični uzroci.

Termička izolacija je izložena degradacionim dejstvima usled: - deponovanja vlage, - termo-hemijske nestabilnosti i - drugih specifičnih uticaja.

Analiza energetskog bilansa i istraživanja vezana za različite tehničke sisteme za prijem energije Sunčevog zračenja i njenog pretvaranja u toplotu -pokazuju da su mogućnosti termodinamičke sprege solarnih sistema sa sistemima za korišćenje toplote u različite svrhe - dobre. Energetska koncentracija radnog medijuma predstavlja najreprezentativniji pokazatelj za utvrđivanje realnih mogućnosti veze dva sistema, odnosno primene i eksploatacije toplotnog dejstva Sunčevog zračenja u različitim toplotnim procesima. Područje primenljivosti solarnih tehničkih sistema u različitim toplotnim procesima u velikoj meri zavisi od radnih temperatura koje se u njima mogu ostvariti. U tabeli 7 dat je pregled različitih tehničkih sistema za pretvaranje energije Sunčevog zračenja u toplotu, sa naznakama približnih vrednosti maksimalnih temperatura koje se u njima mogu ostvariti. Vrednosti navedene u tabeli 4.8 predstavljaju gornje granične temperature koje se mogu ostvariti kod odgovarajućih prijemničkih sistema, zavisno od njihove konstrukcije, pri minimalnom odvođenju toplote (najčešće kod tzv. "praznog hoda"). Pri ovim temperaturnim nivoima, gubici toplote su najintenzivniji kod "praznog hoda" - kada ne postoji prinudno odvođenje toplote radnim medij umom. Jedini odvod toplote nastaje toplotnim gubicima.

35

Prijemnici toplotnog dejstva Sunčevog zračenja, u tom stanju dostižu energetsku ravnotežu sa okolinom, pri čemu se okolini vraća ista količina dozračene energije, proporcionalno srednjoj temperaturi prijemnika (razliku energije u dužem vremenskom periodu kod takvih slučajeva) predstavlja samo toplotni kapacitet prijemnika). Zbog takvih energetskih posledica ponašanja prijemnika kao toplotnog sistema neophodno je, radi dostizanja višeg termodinamičkog stepena korisnog dejstva, pri transformaciji Sunčeve energije u korisno odvedenu toplotu sniziti srednju temperaturu prijemnika na što niži mogući nivo (blizak temperaturi okoline) koji odgovara "potrošaču toplote". Ovo sniženje temperaturne razlike u odnosu na temperaturu okoline ostvaruje se, pri konstantnom intenzitetu Sunčevog zračenja, povećanjem protoka rashladnog medij uma.

Na slici 15 je prikazana zavisnost promene dobijene korisne količine toplote od razlike srednje temperature vazduha u prijemniku i temperature okoline (za prijemnik sa vazduhom kao nosiocem toplote).

Slika 14 - Zavisnost promene Qk od ΔT = Tt - Tu za ravan pločasti prijemnik sa vodom kao rashladnim medijumom pri G = 200, 500 i 800 W/m2, protoku m = 108 kg/ h

36

Tabela 7 - Maksimalne temperature kod različitih konstrukcija prijemnika Sunčevog Koncentratorski prijemnici

Tip prijemnika CR Tmax ( C)

Fokusirajuća površina dobijena translacijom krive

Fresnelovo linijsko sočivo 6 do 30 100 do 200

• Parabolocilindrično ogledalo i Fresnelovo linijsko ogledalo

15 do 50 200 do 300 300

• Koncentratori sa nepokretnim ogledalima i pokretnim apsorberom

20 do 50 (koncentratori sa vakuumom i selektivnim apsorberom do 400°)

Fokusirajuća površina dobij ena rotacijom krive

• Nepokretno ogledalo, pokretan apsorber • Fresnelovo sočivo • Paraboloidni koncentratori • Heliostatski sistem

50 do 150 100 do1000 500 do 30001000 do 3000

300 do 500 300 do 1000500 do 2000 500 do 2000(3000)

Ravni pločasti prijemnici

• Sa selektivnim i dvostrukim transparentom

• Sa selektivnim apsorberom i jednostrukim transparentom

• Sa neselektivnim apsorberom i dvostrukim transparentom

• • Sa neselektivnim apsorberom ijednostrukim transparentom

- 200 180 150 140

Prijemnici od elastičnih plastičnih materijala

• Prijemnik od prozirnog polietilenskog plastičnog mat. sa posebnim crnim apsorberom o Prijemnik od crne polietilenske plastične folije bez posebnog apsorbera

- 60 do 80 40 do 60

37

Za razmatranje sprege sistema za prijem energije Sunčevog zračenja i sistema za korišćenje toplote - od značaja je utvrđivanje zavisnosti promene AT od protoka rashladnog medijuma.

Slika 15 - Zavisnost promene ΔT od protoka radnog medijuma za ravan pločasti prijemnik sa tečnošću kao nosiocem toplote

3.7.1. Konstrukcija ravnih PSE i sistema za korišćenje sunčeve energije

Na slikama 16 do 19, prikazano je nekoliko uobičajenih tipova konstrukcija ravnih prijemnika Sunčeve energije sa tečnošću (slike 16 do 18) elementnog tipa i prijemnika koji se direktno aplikuju na grejane objekte - integralnog tipa (slika 19)

38

Slika 16 - Delimični preseci nekoliko uobičajenih varijanti konstrukcija ravnih PSE sa tečnim radnim nosiocem toplote

39

Slika 17 - Ravan prijemnik sa lamelnim apsorberom. 1- kućište, 2 - lamele apsorbera, 3 -

staklo, 4 - termoizolacija, 5 - cev, 6 - gumena zaptivka, 7 - priključak za tečnost

40

Slika 18 - Varijante kombinovanog sistema za grejanje objekata Sunčevom i

konvencionalnom energijom

41

Slika 19 - Instalacija za grejanje prostorija objekata, sanitarne i bazenske vode Sunčevom energijom(varijanta 1), 1-prijemnik, 2-izmenjivač toplote, 3-pumpa, 4-ekspanziona posuda, 5-komandni orman,6-regulator, 7-otporni termometar, 8-ventil za odzračivanje, 9-manometar,

11-električni grejač sa termostatom, 12-zasun, 13-slavina, 14-nepovratni ventil, 15-sigurnosni ventil, 16-elektromotorni ventil, 17-odzračni sud, 18-vodokazno staklo, 19-sistem podnog grejanja, 20-odvajač nečistoća, 21-akumulator toplote, 22-trokraki ventil, 23-kotao, 24-

radijatorski ventil, 25-bazen

3.8. Vakuumski vodeni solarni kolektori Vakumski kolektori se sastoje od cevi koja se greje unutar zaptivene cevi sa vakumom. Vakumski solarni kolektori pokazuju da se kombinacvijom selektivne površine i efektivnog prigušivača konvekcije dobijaju dobre performanse pri višim temperaturama.

42

Vakumski omotač smanjuje gubitke konvekcije i kondukcije, tako da ovi kolektori rad na višim temperaturama (oko 150oC). Mogu da koriste i direktno i difuzno zračenje. Vakumski kolektori koriste materije sa promenom parno-tečne faze čime se postiže bolja efikasnost. Ovi kolektori sadrži „grejne“ cevi (visokoefikasni toplotni konduktor), koji se nalazi unutar zaptivene cevi sa vakumom. „Grejna“ cev je obično od bakra, povezuje se sa crnim bakarnim rebrom koje ispunjava spoljnu cev (apsorbersku cev). Metalni vrh u vidu ispupčenja je povezan sa zaptivenom cevkom (kondenzatorom). „Grejna“ cev sadrži malu količinu fluida (npr. Metanola), koji prolazi kroz ciklus isparavanja i kondenzovanja. U ovom ciklusu tečna faza isparava zahvaljujući solarnoj energiji, a dobijena parna faza odlazi do dela sa toplotnim ponorom, gde se kondenzuje i gde se u toku procesa oslobadja latentna toplota. Kondenzovani fluid se vraca nazad do solarnog kolektora, a proces se ponavlja. Pri montaži ovih cevi, metalni vrh kondenzatora upada u razmenjivacku granu, kao sto se vidi na slici . Postoji više različitih konstrukcija vakuumskih solarnih kolektora. Zajedničko im je to da između staklene površine i apsorbera postoji bezvazdušni (vakuumski) sloj, koji je realizovan radi smanjenja gubitaka solarnog kolektora na višim radnim temperaturama. Vakuumske vodene kolektore možemo podeliti na:

- vakuumske solarne kolektore sa direktnim tokom i - vakuumske kolektore sa toplotnim cevima.

Što se tiče konstrukcije ovih kolektora, možemo ih podeliti na:

- vakuumske solarne kolektore staklog-metal sa zajedničkim ulazom i izlazom radnog fluida,

- vakuumske solarne kolektore staklo-metal sa odvojenim ulazom i izlazom radnog fluida, vakuumske kolektore staklo-staklo i ravne vakuumske solarne kolektore.

Ovde se mora naglasiti da postoji veliki broj varijacija i kombinovanih konstrukcija vodenih vakuumskih solarnih kolektora.

43

Slika 20 Vakuumski kolektor (ETS) staklo-staklo sa direktnim tokom

Kod prikazane konstrukcije kolektor se sastoji od kutije sa izolacijom i refleksnim slojem, ravnog stakla i vakuumskih cevi. Ravno zastaklјenje ima smisla ukoliko apsorber nije strogo selektivan, već emituje značajan iznos dugotalasnog zračenja. Refleksni sloj usmerava na površinu apsorbera zrake koji ne pogode direktno apsorber, kao i dugotalasno zračenje. Kod ovog sistema postoji spolјna i unutrašnja staklena cev između kojih je realizovan vakuum. Na površinu unutrašnje cevi je nanesen selektivni apsorpcioni sloj, a sa unutrašnje strane bakarni sloj u sklopu apsorbera. Na taj sloj su spojene (bakarne) cevi radnog fluida.

U slučaju sistema staklo-metal, unutar spolјne cevi nalazi se rebro metalnog absorbera fluida. Ulazi i izlazi radnog fluida kao što je rečeno prilikom razmatranja pojedinih klasa, mogu biti zajednički (obevezno u slučaju toplotne cevi) ili odvojeni.

Bez obzira na konstrukciju vakuumskog solarnog kolektora, njegova izrada zahteva visoku tehnologiju i kvalitetne materijale. Osnovni problem sa sistemima staklo-metal je njihov spoj na izlazu-ulazu radnog fluida. Zbog različitog koeficijenta zapreminskog širenja, postoji realna opasnost da vremenom, spoj popusti i kolektor izgubi vakuumski sloj. U tom slučaju njegove karakteristike su jednake ravnom solarnom kolektoru, a često i lošije. Sistem duple staklene cevi (staklo-staklo) rešava problem zaptivanja jer su cevi na kraju stoplјene jedna sa drugom. Zbog unutrašnjeg sloja stakla, kao dela apsorbera, efikasnost kolektora sa ovakvim sistemom je neznatno niža od sistema staklo-metal.

Ravan vakuumski kolektor, takođe, ima probleme sa spojem staklo-metal i veoma je komplikovan za izradu. Zato ga trenutno proizvodi samo jedna firma u svetu.

Pored jasnih prednosti nad klasičnim ravnim vodenim solarnim kolektorima, kao što su znatno viša radna temperatura i efikasnost nepovolјnim vremenskim uslovima, vakuumski kolektori pored visoke cene imaju još neke nedostatke. Naime, zbog visokih radnih

44

temperatura, u zavisnosti od radnih pritisaka fluida, može doći do klјučanja fluida u cevima i povećanja pritiska.

Izrađeni su, uglavnom, od stakla sa delikatnim spojevima i vakuumskim slojem, što ih čini veoma osetlјivim pri transportu, montaži, spolјnim oštećenjima.

Spolјna staklena cev vakuumskog kolektora je uvek hladna, za razliku od staklene ploče klasičnog kolektora koja ima znatno višu temperaturu. To znači da se sneg ne topi sa površcne vakuumskog solarnog kolektora i može veoma dugo ometati njegovo normalno funkcionisanje. Dakle, treba predvideti uklanjanje snega sa površine ovih kolektora. U tabeli 8 date su karakteristike tipičnih ravnih vakuumskih solarnih kolektora (ETS).

Kolektor je realizovan kao isparivač vode u opsegu temperatura od 100 do 150 °C. Ispod ravnog zastaklјenja postavlјen je apsorber od bakra sa visokoselektivnom prevlakom koja ima koeficijent emisije na temperaturi od 150 °C od samo 0,06. Voda isparava u cevima u sklopu apsorbera, unutrašnjeg prečnika od 8 mm. Kako je veoma teško postići vakuum u ravnom solarnom kolektoru, autori su primenili sistem povišenog pritiska u međuprostoru staklo-apsorber od 5000 Pa, ali je primenjeni gas bio kripton. Ovo zbog toga jer je poznato da inertni gasovi imaju daleko manje konvektivne toplotne gubitke od vazduha na sniženim pritiscima. Na slici 21 prikazani su eksperimentalno određeni konvektivni gubici sa apsorbera na kutiju kolektora za različite pritiske iprimenjene gasove u međuprostoru kolektora.

Tabela 8 Karakteristike tipičnih vakuumskih solarnih kolektora

Karakteristika ETS Prečnik staklene cevi (mm) 65 Deblјina stakla (mm) 1,6 Dužina kolektora mm) 1965 Ploča apsorbera (materijal) Bakar Prevlaka apsorbera Selektivna prevlaka Površina apsorbera po cevi (m2) 0,1 Optička efikasnost (-) 0,82 Koeficijent ( W/m2K) 2,19 1 Optimalni nagib kolektora Geografska širina + 5 do 10°

Zanimlјivo je da gasovi ksenon i kripton imaju na 5000 Pa konvektivne gubitke koji bi se postigli sa vazduhom tek na pritiscima ispod 1 Pa. Ova pojava je poznata u teoriji prenosa toplote i mase.

45

Problem prisutnog curenja je rešavan tako što je novostvorena mešavina kriptona i vazduha i pri mešavini 50%-50% davala vrlo dobre rezultate sa minimalnim konvektivnim gubicima.

Finalni rezultati su pokazali bolјe rezultate ovog prototipa čak i od vakuumskog solarnog kolektora sa cevima (staklo-metal). Slika 2.19 prikazuje postignute rezultate efikasnosti kolektora, pri Sunčevom zračenju od 1000 W/m2 i različitim radnim i temperaturama okoline.

Prikazani primer specifične konstrukcije vakuumskog ravnog solarnog kolektora, govori o velikom broju mogućih kombinacija, visokih tehnologija i konstruktivnih principa, da bi se dobili vrhunski rezultati u funkcionisanju solarnog kolektora.

.' Pritisak gasa (Pa)

Slika 21 Konvektivni gubici različitih gasova u međuprostoru absorbera i kutije kolektora u zavisnosti od pritiska

Top

lotn

i gu

bic

i gas

a k

onve

kcij

om (

W/K

)

46

Slika 22 Efikasnost prototipa ravnog vakuumskog kolektora sa kriptonomu poređenju sa izabranim konstrukcijamau zavisnosti od razlike temperatura apsorber-okolina, pri Sunčevom

zračenju od 1000W/m2

3.8.1. Vakuumski vodeni solarni kolektori sa toplotnim cevima

U definisanoj konstrukciji kolektora spojena je solarna i tehnologija toplotnih cevi. Toplotne cevi su efikasni prenosnici toplotne snage u aksijalnom pravcu i imaju višestruke namene (hlađenje elektronskih uređaja, opterećenih elemenata, odmrzavanje, naročito svemirska tehnika). Svaka toplotna cev (potpuno zatvorena zapremina) sastoji se od tela, radnog fluida i fitilјa. U jednom delu toplotne cevi radijalno se dovodi toplota, i radni fluid pod određenim uslovima (pritisak i temperatura) isparava. Ovo je isparivačka sekcija. Para radnog fluida struji do drugog kraja toplotne cevi (transportni deo toplotne cevi se naziva adijabatska sekcija), gde se ona radijalno hladi, a radni fluid se kondenzuje. Taj deo predstavlјa kondenzatorsku sekciju toplotne cevi. Kondenzat se vraća u isparivačku sekciju uz pomoć kapilarnih sila koje se javlјaju u fitilјu, specijalnom poroznom unutrašnjem omotaču toplotne cevi. Na ovaj način kondenzat se može slati u isparivač, bez obzira na položaj toplotne cevi (suprotno od gravitacionih sila, na primer). U slučaju da se kondenzat u isparivačku sekciju vraća samo uz pomoć gravitacione sile, položaj toplotne cevi u odnosu na smer sile zemlјine teže je ograničen i tada se radi o najjednostavnijoj konstrukciji toplotne cevi, termosifonu.

Kada se kaže vakuumski solarni kolektor sa toplotnom cevi, misli se pre svega na termosifon. Princip funkcionisanja solarnog kolektora sa termosifonom prikazan je na slici 23.

47

Slika 23. Vakumski solarni kolektor sa termosifonom

Isparivačka sekcija termosifona se postavlјa u vakuumsku (evakuisanu) staklenu cev solarnog kolektora, u jedinstvenoj konstrukciji sa lamelom visoko-selektivnog apsorbera. Kako je telo termosifona najčešće izrađeno od bakra, spojiti apsorber i cev termosifona nije posebno zahtevna tehnologija. Međutim, najveći problem kod vakuumskih kolektora je izlazni spoj spolјne staklene cevi, tela apsorbera i izlazne cevi. Potrebno je održati vakuum u međuprostoru za ceo životni vek solarnog kolektora (20-30 godina). Kondenzatorska sekcija se smešta sa kondenzatorima ostalih termosifona u zajedničku cev, sabirnik gde se radni fluid u termosifonu hladi, najčešće vodom ili glikolom (zbog povišenih radnih temperatura). Inače, radni fluid samog termosifona u ovom slučaju je najčešće voda ili etanol.

Kao što je već rečeno, vakuumski solarni kolektori sa toplotnim cevima su veoma efikasni na visokim radnim temperaturama za koje su namenjeni (ili za vrlo nepovolјne vremenske uslove, niske temperature, smanjeni nivo zračenja). Nјihove radne temperature su slične kao vakuumskih kolektora sa direktnim strujanjem (od 70 do 170 °C). Pored generalnih karakteristika vakuumskih solarnih kolektora koje važe i za ovu podgrupu, kolektori sa termosifonima imaju svojih specifičnih prednosti.

Zahvalјujući zatvorenoj konstrukciji termosifona, njegov spoj sa evakuisanom staklenom cevi je "suv" pa se zamena može vršiti pojedinačno bez pražnjenja celokupnog kolektora.

Toplotne cevi i termosifoni ne mogu raditi na proizvolјnim temperaturama u isparivaču i kondenzatoru. Svaki od ovih uređaja ima svoju radnu oblast, ograničenu minimalnim i maksimalnim radnim temperaturama i toplotnim fluksevima. Tako, ove konstrukcije kolektora poseduju i specifične sigurnosne sisteme (u vidu ventila sa oprugama,

48

na primer) koji blokiraju rad termosifona, ukoliko je na primer, došlo do pregorevanja isparivača ili plavlјenja kondenzatora.

Zbog gravitacionog vraćanja kondenzata u isparivač termosifona, minimalni nagib ovih kolektora iznosi 25°. Postoje različite konstrukcije i kombinacije vakuumskih solarnih kolektora sa toplotnim cevima.

Utvrđeno je da optimalan protok rashladne vode u sabirniku kolektora, približno odgovara ASHRAE standardu za ispitivanje ravnih vodenih solarnih kolektora (0,02 kg/s) Dalјe je pokazano da efikasnost solarnog kolektora značajno raste sa povećanjem broja termosifona (u konkretnom slučaju do 12). Dalјim povećanjem broja termosifona u kolektoru.efikasnost pada. Ova pojava je vezana samo za solarne kolektore sa toplotnim cevima jer za razliku od kolektora sa direktnim protokom, ovde dolazi do dvostruke razmene toplote, prvo u apsorberu i termosifonu, a zatim u sabirniku.

Navedena pojava može se objasniti činjenicom da postoji određena razlika temperatura rashladne vode (konstantnog protoka) i radnog fluida u termosifonu koji se kondenzuje. Kako su kondenzatori redno postavlјeni u sabirniku, raspoloživa razlika temperatura se smanjuje, jer se rashladna vodazagreva. Uodređenom momentu, dalјe, povećanje broja kondenzatora u sabirniku nema efekta, jer je temperaturska razlika postala veoma mala (na mestu dodavanja).

Kontrola i izbegavanje pregrejavanja (isušivanja) ispravača toplotne cevi u solarnom kolektoru mokse se realizovati i vrlo specifičnom konstrukcijom kolektora u vidu pokretnih žaluzina, sa promenlјivim nagibom.

3.9. Solarni koncentrišući prijemnici - koncentratori

Prijemnici sa koncentrisanjem Sunčevih zraka, u zavisnosti od načina koncentrisanja svetlosti, dele se na:

- propusne (sabirna optička sočiva), i - reflektivne prijemnike (ogledala). -

Prema mogućnosti kretanja ("praćenja" Sunca) sistemi za koncentrisanje se dele na:

- statične, i - pokretne (heliostatske).

49

Kod statičnih sistema nepokretni su i koncentrator i prijemnik - apsorber, zbog čega se tokom dana menja upadni ugao zraka na prijemni sistem. Pokretni sistemi za koncentrisanje Sunčevih zraka se dele na: - sisteme kod kojih je apsorber pokretan, a koncentrator nepokretan, - sisteme kod kojih se koncentrator i apsorber okreću ka Suncu "prateći" njegovo

"kretanje" na nebu, - sisteme kod kojih je koncentrator pokretan, a prijemnik - apsorber nepokretan.

Propusni koncentratori predstavljaju prijemnike kroz koje svetlost prolazi menjajući (manje ili više) pravac kretanja u pravcu jedne tačke ili linije (žižne tačke ili žižne linije) - fokusa. U fizici se zovu zajedničkim imenom: sabirna optička sočiva. Zbog visoke cene, trajnosti, održavanja čistoće i potrebe okretanja za Suncem, optička sočiva ne nalaze širu primenu u praksi. Izuzetak čine Frenelova sočiva koja se mogu više primenjivati zbog niže proizvodne cene. Reflektivni koncentratori (ogledala) predstavljaju prijemnike Sunčevog zračenja kod kojih se svetlost reflektuje sa njihove površine i usmerava u pravcu žiže. Koncentrišuće površine prijemnika se mogu generalno podeliti, u zavisnosti od zakrivljenosti reflektivne površine, na:

- ravne, i - krive.

Koncentratori sa ravnim ogledalima imaju više ravnih ogledala sa kojih se Sunčeva svetlost odbija ka žiži. Veličina žiže je u direktnoj funkciji od veličine elementa ogledala koji u integraciji sa drugim elementima iste veličine obrazuju koncentrator. Veličina obrazovanog lika u žiži, kod ravnih ogledala, određena je veličinom same reflektujuće površine - sve dok se ona ne smanji preko granice dejstva Sunčeve uglovne veličine od 0,5°. Dalje smanjivanje jedinične površine ogledala neće uzrokovati i smanjivanje lika Sunca. Ugao Sunčevog diska iznosi za posmatrača sa Zemlje 0,5 °, te se ne može smatrati tačkastim izvorom. Kao posledica toga, Sunčevi zraci se razilaze pod istim uglom od 0,5°, što određuje granicu mogućnosti koncentracije.

3.9.1. Helistatorski makrokoncentrator

Veličinu koncentratora ograničava noseća konstrukcija prijemnika - posebno zato što se radi postizanja energetskih efekata mora vršiti njegovo navođenje prema Suncu. Pri tome bi

50

ne manje probleme činila pokretna žiža, pošto se u njoj primljena energija mora dalje transportovati bez mogućnosti ostvarenja čvrste, nepokretne veze.

Stoga se u praksi prišlo rešenju (kada su u pitanju sistemi velikih snaga) kod kojeg je koncentrator sastavljen od međusobno odvojenih jedinica ravnih ogledala pokretnih oko dve ose, koja su locirana na posebnim nosačima na zemljištu i koja reflektuju svetlost ka žiži - apsorberu. Na slici 24 prikazan je deo jednog makrosistema za prijem Sunčevih zraka, kod kojeg su zraci koncentrisani u jednu tačku i koji stvaraju lik visoke sjajnosti. U praksi se, međutim, ne može postići taj nivo sjaja zbog toga što cela podloga nije kontinualno pokrivena ogledalima. Takva pokrivenost dala bi teoretski maksimalan sjaj, ali praktično bi bila neizvodljiva i veoma skupa. U praksi mikrokoncentrator daje žižu oblika elipsoida.

Paraboloidni makrokoncentrator ima prednost u tome što daje stalni žižni elipsoid formiran u svakoj poziciji Sunca na nebu. Međutim, za to je potrebno da se elementi ogledala pokreću za Suncem, pa to poskupljuje ceo sistem. Heliostatski makrokoncentrator, prikazan na slici 24 ima primenu u proizvodnji električne energije. Sunčevi zraci se odbijaju od velikog broja ogledala i usmeravaju se ka žiži u kojoj je smešten prijemnik gde se usled visokih temperatura stvara pregrejana para pod pritiskom, koja dalje ekspandira u turbini. Generator električne

Slika 24 ‐Makrokoncentrator. a - sa žižom visoke sjajnosti b - sa žižom u obliku elipsoida

51

energije, pogonjen parnom turbinom, transformiše mehanički rad u električnu energiju, koja se dalje predaje elektroenergetskom sistemu. Ogledala su kod ovog sistema okretna na svom nosaču, tako da mogu pratiti "kretanje" Sunca tokom dana i godine, uvek usmeravajući reflektovane zrake ka apsorberu. Svaka pokretna jedinica ogledala zasebno prati Sunce i usmerava reflektovanu svetlost na nepokretnu žižu - pošto je položaj svakog pokretnog ogledala u sistemu različit u odnosu na druga. Ovakva pokretna ogledala nazivaju se zajedničkim imenom heliostati. U Albukerku, Novi Meksiko (SAD), izgrađen je makrosolarni koncentrator snage od 5 MW, kod kojeg postoji 200 heliostata sa po 40 m2 ravnih ogledala, što čini koncentrator sa 8 000 m2 ogledala koji reflekletuju Sunčeve zrake na apsorber grejući ga do temperature od 540 °C (primena: proizvodnja električne energije). Na slikama 25 do 28 dat je izgled makrosolarne elektrane, heliostata i šeme rada solarnih elektrana.

Slika 25 - Heliostatski makrokoncentrator

52

Slika 26 - Izgled pilot makrosolarnog postrojenja snage 10 MW (Bersto-u- Kalifornija)

Slika 27 - Elementi makrosolarnog energetskog sistema: 1 - heliostat, 2 - prijemnik -isparivač, 3 - turbina sa elektrogeneratorom, 4 - polje heliostatskih ogledala, 5 - toranj sa

prijemnikom, 6 - komandno odeljenje

53

Slika 28 - Šema sistema makrosolarne elektrane: 1 - heliostati, 2 - centralni prijemnik, 3 -

toranj, 4 - turbina, 5 - generator, 6 -kondenzator, 7 - isparivač, 8 - radni medijum, 9 - toplotni akumulator

54

3.9.2. Koncentratori sa krivim ogledalima

Prema zakrivljenosti površine ogledala, odnosno prema formiranju krive površine ogledala, matematički posmatrano krive ogledala se dele na:

- ogledala čija se površina dobija translacijom krive (kružnice, parabole i dr.) uzduž posmatrane ose (slika 29) - ogledala čija površina se dobija rotacijom krive (dela kružnice, parabole ili dr.) oko posmatrane ose (slika 30).

Slika 29 - Ogledala sa cilindričnom (a) i parabolo cilindričnom (b) površinom

55

3.9.3. Parabolocilindrični koncentrator (PCK)

Slika 31 prikazuje parabolocilindričan koncentrator, koji u žižnoj zoni ima postavljen apsorber - prijemnik cilindričnog oblika i termički izolovane površine koje nisu izložene

Slika 30 - Vrste koncentratora (dobijenih rotacijom krive)

56

dejstvu Sunčevih zraka. Kroz cilindričan apsorber protiče radni fluid koji odvodi toplotu dovedenu Sunčevim zracima.

Slika 31 - Šema parabolocilindričnog koncentratora sa cilindričnim apsorberom -prijemnikom koji ima toplotnu izolaciju na gornjem delu cilindra

Kod ravnih prijemnika, toplotni gubici sa velikih površina rastu sa povećanjem temperature, što umanjuje korisnu energiju. Fokusirajući kolektori, pri konstantnim vrednostima površine aperture i jediničnim toplotnim gubicima, imaju za posledicu smanjenje ukupnih gubitaka toplote pri povećanju koncentracionog odnosa. Međutim, gubici energije nastali refleksijom i zasenčenjem površine ogledala kao i nemogućnošću korišćenja difuznog zračenja umanjuju ukupnu apsorpciju zračenja fokusiranjem u odnosu na ravne kolektore - prijemnike.

Reflektivna karakteristika površine definiše se kao deo usredsređenih zraka koji se odbijaju od površine (pri jednakim upadnim i izlaznim uglovima) a zavisi od materijala i hrapavosti te površine. Visoka sposobnost reflektovanja se obično dobija taloženjem ili nanošenjem reflektivnog materijala na metalnu ili staklenu osnovu. Transmitivnost pokrivke apsorbera (propusna svetlosna sposobnost) određena koeficijentom r i apsorptivnost apsorbera određena koeficijentom a imaju značaja i kod fokusirajućih sistema (kao i kod ravnih prijemnika). Međutim, u zavisnosti od konstrukcijskih karakteristika fokusirajućeg sistema, oni mogu imati drugačiji uticaj iz sledećih razloga:

- fokusirajući sistemi se najčešće izvode bez prozirnog pokrivača, te koeficijent nema uticaj a na energetski bilans, - ako apsorberi imaju šuplju formu, tada teži jedinici (pri odgovarajućoj visokoj sposobnosti zračenja), - koeficijenti T i a zavise od srednjih uglova upada zraka na transparentnu pokrivku i apsorber. Pri tome, upadni ugao reflektovane svetlosti na apsorber zavisi od

57

mesta na površini koncentratora sa kojeg se odbio zrak ka prijemniku (apsorberu), kao i od njegovog oblika. Tačna vrednost proizvoda ( T -a) se može

- dobiti integraljenjem fluksa zračenja po celoj površini koncentratom (reflektujuće površine), koji je prošao kroz transparent i pao na površinu apsorbera.

3.9.4. Koncentratorski sistemi sa ravnomernim (usaglašenim) okretanjem ka Suncu

Sistemi za prijem i koncentrisanje Sunčevih zraka, kod kojih je ravnomerno okretanje reflektora i prijemnika (apsorbera) ka Suncu, izrađuju se sa reflektorom čiju geometriju definišu krive površine dobijene translacijom ili rotacijom krive oko jedne ose . U zavisnosti od zahtevane preciznosti navođenja prema Suncu, ovi sistemi (ogledalo-apsorber) se grade sa jednim ili dva stepena slobode kretanja. Jedan stepen slobode kretanja obezbeđuje sistemu okretanje ka Suncu od jutra do večeri, pri konstantnom nagibu prema horizontu, što onemogućava precizno orijentisanje prijemnika prema Suncu. Dva stepena slobode kretanja omogućuju okretanje sistema oko dve, međusobno upravne ose, praktično omogućujući prijemniku usmeravanje ka bilo kojoj tački neba, odnosno precizno "praćenje" Sunca. U praksi se ovo navođenje realizuje na više načina.

Jedan stepen slobode kretanja se u praksi izvodi kod sistema sa koritastim kristalnim ogledalima (cilindrična, parabolocilindrična i dr.), dok se kod tzv "činijastih" reflektora (sferna, paraboloidna i dr.) primenjuju rešenja sa dva stepena slobode kretanja.

58

Slika 32 - Parabolocilindrični koncentrator sa pokretnim reflektorom. Šematski prikaz sa naznačenim parametrima ogledala

3.9.5. Izgled i konstrukcija različitih tipova koncentratora

Na slikama 33 do 35, dat je izgled i konstrukcija nekoliko tipova sistema za koncentrisanje sunčeve svetlosti. Na slici 35 data je efikasnost parabolocilindričnih koncentratora sa slike 36. Slike 37 do 38 prikazuju neke od uobičajenih izgleda i šema energetskih sistema sa koncentratorskim prijemnicima Sunčeve energije

Slika 33 - Uobičajen izgled paraboloidnog koncentratora sa apsorberom u žižnoj zoni i mehanizmom za zakretanje prema Suncu (dvoosnisistemi)

59

Slika 34 - Parabolocilindričan koncentrator Sunčeve energije sa horizontalnom osom zakretanja (ziznom linijom) - (a) koji prati dnevnu promenu visine Sunca i (b) - sa osom zakretanja pod prijemnim nagibom, koji prati dnevnu putanju Sunca od istoka ka zapadu pri srednjoj visini Sunca (jednoosni sistemi) Figure

Slika 35 - Jedan od niza specijalnih konstrukcija koncentratora - složeni parabolični koncentrator SPK (CPC - Compound Parabolic Concentrator) 1 - apsorber, 2 - reflektor -ogledalo, 3 - transparentna pokrivka

60

Slika 36 - Efikasnostparabolocilindričnih koncentratora (a - tip reflektora je: 1 - aluminijumski akrilni tanak sloj na Al-osnovi, 2 - tanko posrebljeno staklo, 3 -polirana

anodizovana aluminijumska ploča, b - uporedni prikaz efikasnosti: koncentratora (1 i 2) i ravnih toplotnih prijemnika Sunčeve energije sa dvostrukim (3) i jednostrukim staklenim

transparentom (1) - svi apsorberi su neselektivni)

Postrojenje na slici 33 prikazuje sistem namenjen proizvodnji pare u procesnoj industriji, a postrojenje na slici 37 - sistem namenjen dobijanju tople industrijske vode. Na slici 38 dat je izgled i funkcionalna šema solarno - toplotno -električnog pogonskog postrojenja sa parabolocilindričnim (jednoosnim) koncentratorima sunčeve enrgije. Ovo postrojenje ima izlaznu neto snagu električne energije od 500 kW pri snazi Sunčevog zračenja od 920 W/m2. Akumulator toplote - rezervoar za akumulaciju toplote ima radnu zapreminu od 114 m3 (oko 0,8 MWh), a sredstvo za akumulaciju toplote je ulje tipa San Therm 55. Radni fluid turbinskog postrojenja je voda, odnosno vodena para.

61

Slika 37 sistem namenjen dobijanju tople industrijske vode

Slika 38 - Izgled i funkcionalna šema sistema sa parabolocilindričnim koncentratorima (postrojenje je namenjeno proizvodnji procesne industrijske pare): 1- koncetrišući kolektor, 2-

Trokraki ventil, 3- S. kolektorska pumpa, 4- Akumulator-bojler, 5 - kontrolni ventil pare, 6- kontrolni ventil vode

62

4. TOPLOTNE PUMPE

U ovom poglavlju biće dat kraći pregled principa rada i glavnih karakteristika toplotnih pumpi, prema [7]

Toplorna pumpa je u svetu već dugo poznata, ali je korišcena u ograničenom obimu, osim manjih jedinica, u klimatizaciji (sobni klimatizeri). Međutim, nakon energetske krize sedamdesetih godina prošlog veka, toplotna pumpa se sve masovnije koristi, iako je do tada njena primena bila ograničena njenom cenom. Ona postaje sve značajnija zahvaljujući koriščenju niskotemperatumih izvora toplote, Čiji je kapacitet praktično neograničen, trošeći pri tome relativno male količme primarne pogonske energije. U odnosu na klasićne uređaje za dobijanje toplotne energije, toplotna pumpa omogućuje ekonomičniji rad, pogotovo ako se za proizvodnju električne energije koriste niskokalorični ugljevi, čiji su troškovi transporta visoki u .odnosu na toplotnu moć. Može se smatrati da stepen iskorišćenja energetskih sirovina (ugalj, mazut, gas) u procesu dobijanja električne energije, od ulaza goriva u termocentralu pa preko prenosa, transformacije i distribucije do potrošača, iznosi oko 20-30%. Međutim, uz pomoć toplotne pumpe sa električnim pogonom, koeficijent iskorišćenja primarne energije (na primer niskokaloričnog uglja) može biti i trostruko veći, pa je stepen iskorišcenja čitavog makrosistema, od dobijanja uglja do toplotne energije, primenom toplotne pumpe veći od 90%.

Potrošnja toplotne energije temperaturnog nivoa do 100°C čini u našoj zemlji oko trećinu ukupno utrošene energije, pa je toplotna pumpa, čak i na sadažnjem nivou praktičnih rešenja, jedan od načina uštede energije. Dakle, toplotna pumpa je u svakom pogledu efikasan uređaj za dobijanje energije, ali se ipak ne nalazi u širokoj upotrebi. Glavni razlog je visoka cena toplotne pumpe u odnosu na dosadašnje uređaje koji troše neobnovljive izvore energije. Sadašnja cena klasičnih goriva i njen stalni porast, doveli su do uvođenja toplotnih pumpi u primenu, zbog manjih pogonskih troškova od onih koje imaju uređaji sa klasičnim pogonom. Za postojeće sisteme za dobijanje toplotne energije potrebna su manja ulaganja, njima se lakše rukuje, inženjersko-tehničarskom kadru su poznatiji, a krajnji korisnik često ne raspolaže dovoljno obimnim i potpunim informacijama pri odlučivanju o izboru novih rešenja. Pri izboru toplotne pumpe stroži smo u procenjivanju njihove ekonomičnosti, nego klasičnih sistema, gde se ta ekonomičnost ne ocenjuje uvek. Međutim, pri primeni toplotnih pumpi, kao uostalom i drugih novih tehničkih rešenja, zahtevaju se vrlo detaljne analize. Kada bismo i klasične sisteme vrednovali po istim kriterijumima, pitanje je da li bi oni uvek biii bolji od sistema sa obnovljvim izvorima energije. Pošto se ekonomski odnosi u sferi proizvodnje energije ipak menjaju, treba očekivati primenu toplotnih pumpi u raznim varijantama i kombinacijama, kao, uostalom, i drugih sistema koji koriste nekonvencionalne izvore energije. Toplotne pumpe, kao izvor toplote treba porediti sa drugim klasičnim rešenjima na dva načina. Ako sistemi distribucije i predaje toplote ne utiču na izvor, onda se poređenje izvora može vršiti nezavisno. Ali ako izvor utiče

63

na celokupan sistem, onda se mora uzeti u obzir tehničko rešenje sa primenom toplotne pumpe.

Porastom interesovanja za fizičke procese, u 19. veku je povećan i interes za „pumpanjem" toplotne energije na više temperature. Džul (Joule) je demonstrirao principe promene temperature gasa promenom pritiska, a profesor P. Smit je verovatno bio prvi koji je upotrebio rashladnu mašinu koristeći ovaj princip. Tomson (Thomson), koji je kasnije postao lord Kelvin, prvi je pirimenio toplotnu pumpu. Tomson je 1852. godine izdao knjigu u kojoj je opisao sistem sa spojenim kompresorom i ekspanderom, u kome se vazduh kretao od rezervoara i do njega istovremeno delujući kao razrnenjivač toplote. Ovaj otvoreni ciklus koristio se za hlađenje i za grejanje. U toj knjizi je Tomson predvideo kompresionu parnu mašinu sa zatvorenim ciklusom, kao preteču današnje toplotne pumpe.

Holden (Velika Britanija) je 1891. godine analizirao neke rashladne instalacije i izradio dijagrame koeficijenata grejanja u odnosu na temperature toplotnog ponora i utvrdio da se koeficijenti grejanja kreću u granicama od jedne trećine do jedne polovine teoretskog koeficijenta Karnoovog (Carnot) ciklusa. Na osnovu ovih rezultata, Holden je preporučio primenu rashladnih sistema i za hlađenje i za grejanje i ukazao na ekonomičnost primene ovakvog postrojenja za obe potrebe. Holden je sredinom 1920. godine konstruisao eksperimentalnu toplotnu pumpu koja je dobro služila za grejanje prostora i tople vode u Škotskoj. Pumpa je koristila spoljni vazduh i vodovodnu vodu kao toplotni izvor, niskotemperaturni sistem grejanja i kompresor gonjen elektromotorom. Rashladni fluid je bio amonijak. Tehničke karakteristike ove toplotne purnpe nisu bile tako dobre, kao što su ih imale tadašnje rashladne mašine, ali je zato koeficijent grejanja bio vredan pažnje. Holden je rezultate ovog istraživanja obradio za temperature toplotnog izvora od 4,4°C i temperature isparavanja od -6,7°C. Prva velika toplotna pumpa je puštena u rad verovatno 1930/31. godine u Los Anđelesu (SAD). Bila je vlasništvo kompanije za elektrodistribuciju i činio ju je rashladni sistem učinka 1,6 MW za hlađenje komora. Četvrtina njenog toplotnog učinka je korišćena za grejanje poslovnog prostora. Ista kompanija je, između 1937. i 1940. postavila još četiri toplotne pumpe u četiri objekta. Koeficijent grejanjaja bio od 1,45 do 1,98, mada su projektanti smatrali da bi trebalo da bude 2,32. Druga slična kompanija je, u istočnom delu SAD, opremila osam objekata toplotnim pumpama od 60 kW do 1,2 MW, u periodu između 1934. i 1940. godine. Posle 1936, toplotne pumpe se sve više ugrađuju. Godine 1940. „Vestinghaus" („Westinghouse") proizvodi prvu agregatiranu toplotnu pumpu, pogodnu za grejanje i hlađenje prostorija, sa instalisanom snagom od 770 W i koeficijentom grejanja od 2,37, pri spoljnoj temperaturi vazduha od +5°C. Ona je bila preteča današnjih klimatizera koji se ugrađuju u prozore. Spoljni vazduh je bio toplotni izvor, a otapanje je vršeno promenom ciklusa, što je prvi put prime-njeno u masovnoj proizvodnji. U Evropi je do razvoja toplotnih pumpi došlo oko 1930. igodine, da bi ih već 1943. bilo dosta u primeni. Te godine je engleski časopis „Electrical Service" štampao specijaini dodatak posvećen mogućnostima toplotnih pumpi. Taj tekst je pružio široj javnosti podatke o

64

vrednostima primene latentne toplote iz procesa kondenzacije, industrijske otpadne toplote, vazduha i vode, kao toplotnih izvora grejanja. U primeni toplotnih pumpi je prednjačila Švajcarska, jer je zemlji, siromašnoj fosilnim gorivima a bogatoj hidroenergijom, odgovarala primena toplotnih pumpi. Između 1939. i 1940. godine u Švajcarskoj je instalisano 35 toplotnih pumpi, pretežno proizvedenih u firmama „Sulcer" („Suizer") i „Ešer Vis" („Escher Wyss"). Vredno je istaći da toplotna pumpa, postavijena 1938. u ciriškoj većnici, u neposrednoj blizini jezera, i danas radi. Snaga joj je 190 kW,.a radi sa rashladnim fluidom R12 i jezerskom vodom kao toplotnim izvorom. Godine 1939. izrađena je toplotna pumpa snage 1,5 MW (NH3) za grejanje prostorija, bazena i vode, a toplotni izvori su joj bili jezerska voda, otpadna voda kao i spoljnji vazduh. Obe ove toplotne pumpe proizvela je današnja firma „Sulzer Escher Wyss". Za vreme Drugog svetskog rata došlo je do zastoja u proizvodnji i razvoju toplotnih pumpi za civilne potrebe U SAD je tih godina izrađeno oko 10 000 toplotnih pumpi za dobijanje pitke vode za preko milion Ijudi. U Nemačkoj je u to vreme Instalisana toplotna pumpa za grejanje i odvlaživanje u podmornici, tipa „XXI", koju su kasnije kopirali Britanci. Nemačka podmormca „U-570" je imala mali destilacioni uređaj, čiji je učinak bio 10 litara na čas, koji je kasnije razvijen za podmornice, od 60 l/čas i 25 t/h za brodove sa dizel pogonom. Posle Drugog svetskog rata, u SAD počinje nagli razvoj opreme za grejanje, hlađenje i klimatizaciju, pa samim tim i toplotne pumpe. Program istraživanja primene toplotne pumpe je postavljen još pre 1945. godine, sa ciljem povećanja potrošnje električne energije i egaliziranja vršnih opterećenja. Glavni zagovornici ove ideje su bile fu-me „Southern California Edison Company" i „The American Gas and Elec-tric Company". Godine 1947. je osnovan Komitet za toplotne pumpe AFiC-EFI, koji su sačinjavali proizvođači električne energije (Association of Edison Iliuminationing Companies) i Edisonov institut (Edison Electric Institute). U tesnoj saradnji sa proizvođačima, Komitet pomaže tehnički razvoj istraživačkim projektima. Na bazi tih istraživanja razvijaju se toplotne pumpe koje kao toplotne izvore koriste podzemne vode i zemlju. Firma „Munic Gear Works" lansira toplotnu pumpu tipa „marvair", koja se sastoji iz dva dela: osnovni deo čine kompresor, isparivač za vodu i vazdušni grejač, a drugi je sa ventiiatorom za izbacivanje vazduha i vazdušnim fiitrom. Toplota se iz zemlje odvodila preko zatvorenog cirkulacionog kruga, u kome je bila voda ili rasolina. Nekako u isto vreme firma ,,Drayer Hanson" iz Los Anđelesa je proizvela toplotnu pumpu tipa „airtopics", koja je kao toplotni izvor koristila spoljni vazduh. Vazduh iz prostora koji se grejao u toplotnoj pumpi je cirkulisao, filtrirao se, hladio ili grejao i deiimično mešao sa svežim prethodno zagrejanim vazduhom. Prelazak sa režima na režim, tj. sa grejanja na hlađenje i obratno, vršio se trokrakim ventilom. U ovom uređaju su bili ugrađeni po dva kondenzatora i isparivača, što je bio nepotreban trošak.

65

„General Engineering and Manufacturing Cornpany" je proizvela za agregate topiotnih pumpi dva kompresora od po 2 kW-3,5 kW, koji su se odlikovali lakom konstrukcijom. Ugrađivani su u agregate koji umnogome podsećaju na današnje konstrukcije. To je bio prvi značajniji napor da se proizvedu kompresori specijalno za toplotne pumpe. U SAD se od 1948. godine razvijaju manje jedinice toplotnih pumpi, pre svega klimatizeri za individualne korisnike, koji omogućavaju grejanje i hlađenje. Proizvodnja ovih pumpi, učinka od 10 do 30 kW, počela je vrlo brzo da raste. Broj proizvedenih jedinica se kretao od 2 000 (1951) do 76 000 komada (1963), da bi 1972. dostigao 300 000 jedinica. U toj zemiji je 1976. godine proizvedeno 1,6 miliona toplotnih pumpi.

Do 1950. godine toplotne pumpe se uglavnom koriste za grejanje kuća (50%), ali i industrijske svrhe svega 5%. Vodu kao toplotni izvor koristilo je 53%, vazduh 36%, a samo 7% toplotnih pumpi zemlju. (Ovakvo stanjeje bilo u SR Nemačkoj 1975. go-dine.) Između 1950. i 1954. toplotne pumpe se uvode na tržište. Pojavljuju se mnoga odlična rešenja, koja zadovoljavaju sve strože-tehničke i ekonomske zahteve. Tako firma „General Eiectric" oktobra 1951. iznosi na tržište topiotnu pumpu Čiji je toplot-ni Izvor vazduh i koja se automatski prebacuje sa grejanja na hlađenje, prema potrebi. Uređaj je proizvedem kao „split" sistem, Čije se jedinice mogu postaviti jedna iznad druge, ili jedna pored druge. Vršna opterećenja se pokrivaju trostepenim električmm grejačem. Na tržištu je reklamiran kao uređaj koji se može kovistiti preko cele godine, jer je zasnovan na konceptu toplotne pumpe za kiimatizaciju.

Od 1955. do 1968. u SAD je formirano 129 kompanija koje su proizvodile toplotne pumpe. Njihov poslovni uspeh je bio različit i zavisio je pre svega od sposobnosti ljudi koji su prodavali pumpe. U svakom slučaju, u to vreme se plasman toplotnih pumpi udvostručavao iz godine u godini. Nagla ekspanzija ovog tržišta dovela je pojedine fivme u vaskorak između mo-gućnosti plasmana i organizaciono-tehnoloških sposobnosti proizvodnje. Tako, na primer, nestručna propaganda, pogrešno dimenzionisanje uređaja, loš izbor toplotnog izvova itd., doveli su do brojnih reklamacija. Pojedine firme nisu mogle da izađu na kraj sa sve većim brojem intevencija, što je dovelo do obustavljanja proizvodnje toplotnih pumpi. Najveći broj primedbi i intervencija odnosio se na kompresore sa R22. Međutim, prelaskom na rashladni fluid R502, broj intervencijase znatno smanjio. U međuvremenu, na Zapadu su projektanti objekata i instalacija shvatili prednost toplotnih pumpi i počeii sa više pažnje razmišljati o njihovoj primeni. Na televiziji se pojavljuju obrazovne emisije o toplotnim pumpama, namenjene potencijalnim kupcima. Veliki broj državnih i strukovnih institucija izdaje standarde i propise koji sve preciznije odreduju karakteristike ovih uređaja. I sigumosti u radu toplotnih pumpi poklanja se sve veća pažnja. SAD su među prvim zemljama izdale standard za sigurnost i kvalitet (,,Underwriters Laboratory" i ARl - Air-

66

conditioning and Refrigeration (institute). Vladina organizacija, Federal Holising Administration, izdala je pravila o konstruisanju toplotnih pumpi. Oko 1950. godine, u Velikoj Bntaniji su izrađene topiotne pnmpe koje su kao toplotni izvor koristiie zemlju, sa akumuiacijom toplote i antrifrizom u cevima; imale su koeficijent grejanja preko 3 i to pri najnepovoljnijim vremenskim uslovima. Prva velika toplotna pumpa u Veiikoj Britaniji postavljena je kao eksperimentalna mašina za grejanje bioka opštinskih zgrada. Čitav sistem za grejanje je pusten u rad 1954. godine, a uklonjen nakon pet godina eksploatacije. Instalisana snaga ove toplotne pumpe je bila 240 kW, sa rečnom vodom kao to-plotnim izvorom. Imala je koeficijent grejanja 3 odnosno 4. Nešto kasnije, 1951, kada je prva toplotna pumpa prestala da radi, puštena je u rad toplotna pumpa za „Festival Hali" u Londonu. Kao toplotni izvor je koristila vodu iz Temze, a gradski gas kao pogonsku energiju. Ukupna snaga joj je bila 2,3-2,6 MW, sa rashladnim fluidom R12 i koeficijentom grejanja od 2,5 do 3. Sistem je zagrevao vodu do 82°C, pri temperaturi rečne vode nešto višoj od ±0°C. Toplotna pumpa je imala centrifugalne kompresore, sa dvostepenim rashladnim cikkisom. Godine 1954. u Velikoj Britaniji je razvijena toplotna pumpa za domaćinstvo, obezbeđujući toplu vodu hlađenjem skladista za namimice. Dobijena toplotna energija je leti iznosila 1,2 kW, a zimi 0,7 kW. Ovakve male mašine su vrio mnogo korišćene za proizvodnju sladoleda, gde je toplota odvedena smrzavanjem korišćena za grejanje tople vode. U Švedskoj, Francuskoj i Nemačkoj, u periodu od 1960. do 1970. godine, dolazi do nagle potražnje topiotnih pumpi, koje kao toplotni izvor koriste vazduh. Nakon prve energetske krize, početkom sedamdesetih godma, primena toplotnih pumpi postaje sve značajnija, Čak i tamo gde nije postojala potreba za hlađenjem. Nacionaini komiteti za energetiku, npr. u Švedskoj i Velikoj Britaniji, pokazuju veliko interesovanje za korišcenje toplotnih pumpi za dobijanje toplotne energije. Ovaj uređaj postaje jedno od strateških rešenja za obezbeđenje topiotne energije u domaćinstvima. Otprilike u isto to vreme dolazi do povećane proizvodnje ovih uređaja koji kao pogonsku energiju koriste tečno iii gasovito gorivo, obezbeđujući tako više temperature vode za grejanje. To je u postojećim sistemima za grejanje, gde je obično korišćena temperatura vode od 90/70°C, omogućilo jednostavan prelazak na korišćenje topiotne pumpe. Prva toplotna pumpa domaće proizvodnje u Jugoslaviji je verovatno ona u Herceg Novom, koju je projektovao profesor Sava Vujić, iz Beograda. Pumpaje izrađena 1963, sa „Jugostrojevim" kompresorom (po licenci firme ,,J. E. Hall"). Ras-hladmo sredstvo je bilo metithlovid, a toplotni izvor zemlja. Zagrevala je staklenu baštu putem vazduha. lako je dobro radila, pumpa je brzo zamenjena grejačima na naftu, koja je u to vreme bila jeftmija i pouzdanija. Sedamdesete godine možemo smatrati vremenom kada se u Jugoslaviji sve više razmišljalo o primeni topiotnih pumpi kao svojevrsnom resenju načina grejanja. U to vreme se radi niz prototipova i ugrađuju modeli stranih proizvođača.

67

Godine 1979. u splitskoj Luci je ugrađena veća domaća toplotna pumpa, koju je proizveo splitski „Tennofriz", za potrebe pomorsko-putničkog tenninala. Koristila je morsku vodu za toplotni izvor; imala je grejni učinak od 700 kW, sa temperaturom vode za grejanje od 45°C/40°C i rashladni učinak od 650 kW (12°C/7°C). Ova toplotna pumpa i danas radi. Nakon ove prve toplotne pumpe u tadašnjoj Jugoslaviji počinje ugradnja toplotnih pumpi korišcenjem standardmh elemenata rashladnih instalacija. To su Slovenska plaža u Budvi (1983), Izlake (1985), Fojnice (1985), Medijske Toplice (1988), Zetra u Sarajevu („Frigostroj") i drugi. Posiednju decemju XX veka karakteristike najezda toplotnih pumpi za individualnu upotrebu tzv. „split" (razdvojivih) toplotnih pumpi za grejanje i hlađenje. Nakon toga masovno se primenjuju i veće jedmice i to kako sa elektropogonom kompresora, tako i sa gasmm motorima.

4.1. RASHLADNI CIKLUSI TOPLOTNIH PUMPI

Da bismo razumeli princip rada toplotne pttmpe, moramo proučiti rashiadne cikluse. Principijelna razlika između ovih ciklusa vidi se prevashodno u tome što klasičan proces hlađenja ima za cilj postizanje niskih temperatura (pri tome se ne misli na proces hlađenja u klimatizacionim sistemima), dok toplotna pumpa teži postizanju viših temperatura. U prvom slučaju cilj je ohliaditi robu ili primeniti rashladni ciklus u nekom tehnološkom procesu sa što manje utrošenog rada, tj. energije. Cilj topiotnih pumpi je, naprotiv, dovesti toplotnti energiju procesu ili robi sa što manje utrošeng rada. Kod pamih kompresionih rashladnih uređaja promena stanja fluida je kontinualna i u teoretskom smislu ciklusi se zasnivaju na levokretnom Kamoovom ciklusu.U pitanju je idealan ciklus (sl. 39) koji pruža najveću mogLtću efikasnost u radu između dve konstantne temperature. Ter-modinamički gledano, ciklus čine slede-će faze;

- 1-2. izentropska kompresija (S = konst.), - 2-3. izotermsko hlađenje ili kon-đenzacija (tp = konst.), - 3-4. izentropska ekspanzija (S = konst), - 4-1. izotermsko zagrevanje ili isparavanje (ti = konst.).

68

Slika 39. Karnoov ciklus

U povratnom kružnorn procesu, u kome učestvuje i objekat koji se zagreva (2-3), objekat koji se hladi (4-1), razlike temperatura između objekata i radne materije, kojom se izvodi ciklus, beskonacno su male. Količina toplote koju radna materija prima iznosi Q0 i predstavlja površinu između tačaka 1, 4, 5 i 6. Količina toplo-te koju radna materija preda je Qk i predstavlja površmu između tacaka 2, 3, 5 i 6. Energija koju radnoj materiji dovodi kompresor Qk - Q0 predstavljena je površinom 1-2-3-4, na slici 39.

Dobro poznavanje parnih rashladnih ciklusa podrazumeva kompleksno poznavanje svih pojedinih procesa koji čine njegovu celinu, kao i njihovu međusobnu vezu. Međutim, korišćenje dijagrama, na kojima se graftčki prikazuju kompletni ciklusi, dopušta da se istovremeno u obzir uzmu promene stanja rashiadnog fluida u toku ciklusa i njihov uticaj na ciklus, bez pamćenja svih diferencijalnih numeričkih vrednosti koji utiču na tok ciklusa. Dijagram pritisak-entalpija (ph) i dijagram temperatura-entropija (T-S) često se koriste u analizi rashladnih ciklusa, ali je u praksi širu primenu našao dijagram ph prikazan slici 40.

Slika 40. Ph Dijagram

Ti

Tp

Qo

Qk

69

Svaka tačka na dijagramu ph predstavlja stanje rashladnog fluida defmisanog dvema veličinama stanja, a sa koga se mogu očitati i đruge termodina-mičke osobine. Kao što je prikazano na slici, dijagram ph je podeijen na tri oblasti koje su odvojene jedna od druge linijama zasićene tečnosti i pare. Oblast na dijagramu sa leve strane linije zasićenja je pothlađena obiast. U svakoj tački ove oblasti rashladni fluid je u tečnom stanju na temperaturi koja je ispod temperature zasićenja. Oblast koja se nalazi desno od linije zasićene pare je pregrejana oblast, tj. oblast pregrejane pare. Deo između linija zasićenja je oblast mešavine tečnosti i pare i predstavlja promenu stanja rashladnog fluida između tečnog i parnog stanja. Rastojanje između dve tačke na liniji konstantnog pritiska predstavlja latentnu toplotu isparavanja odnosno kondenzacije rashladnog fluida na tom pritisku. Linije zasićene tečnosti i zasićene pare nisu paralelne, jer se latentna toplota rashladnog fluida menja sa promenom pritiska na kome se javja promena faze. Na dijagramu se promena faze iz tečnog u parno stanje odvija progresivno s leva na desno, dok se prelazak pare u tečnost odvija u suprotnom smeru, s desna na levo. U blizini linije zasićene tečnosti, udeo u mešavini pare i tečnosti je veliki, dok sa približavanjem liniji zasićene pare povećava udeo pare u mešavini. Horizontalne linije predstavljaju konstantan pritisak, a vertikalne linije konstantnu entalpiju. Linije konstantne temperature, u pothladenoj oblasti, skoro su vertikalne na dija-gramu i paralelne sa linijama konstantne entalpije. U središnjem delu (mešavina parei tečnosti) promena stanja rashladnog fluida vrši se pri konstantnoj temperaturi i pri-tisku, linije konstantne temperature su paralelne i podudaraju se sa linijama konstantnog pritiska. Na liniji zasićene pare linije konstantne temperature menjaju pravac, a u obiasti pregrejane pare opadaju ka apscisi. Linije koje se strmo prostiru preko oblasti pregrejane pare jesu linije konstantne entropije. Krive koje sa malim nagibom prolaze kroz oblast pregrejane pare jesu linije konstantne zapremine.

Vrednosti promenljivih veličina rashladnog fluida važnih za rashiadni ciklus di-rektno se očitavaju na dijagramu ph. Pri pojednostavljenom prikazu dijagrama izo-stavljaju se osobine rashladnog fluida koje nemaju značaj u pojedinim tačkama ci-klusa, npr. u oblasti tečnosti ili oblasti promene faze (središnji deo) vrednosti entro-pije i zapremine su izostavljene.

Kako je dijagram ph baziran na I kg mase rashladnog fluida, data zapremina predstavlja specifičnu zapreminu. Entalpija se izražava u kJ/l-cg, a entropija u kJ/kgK. Pritisak (bar) se očitava na ordinati.

4.1.1. Teoretski rashladni ciklus

Teoretski ciklus hlađenja je ciklus gde se pretpostavija da para rashladnog fluida izlazi iz isparivača i ulazi u kompresor kao zasićena na temperaturi i pritisku isparavanja, a da tečnost izlazi iz kondenzatora i ulazi u prigušni organ kao zasićena tečnost na temperaturi i pritisku kondenzacije. lako se rashladni ciklus stvarne mašine za hlađenje razlikuje od teoretskog

70

ciklusa, njihove uporedne anaiize su i pored toga važne za definisanje parametara rashlađnih ciklusa pri raznim radnim uslovima. linije konstantne temperature, u pothladenoj oblasti, skoro su vertikalne na dijagramu i paralelne sa linijama konstantne entalpije. U središnjem delu (mešavina pare i tečnosti) promena stanja rashladnog fluida vrši se pri konstantnoj temperaturi i pritisku, linije konstantne temperature su paralelne i podudaraju se sa linijama konstantnog pritiska. Na liniji zasićene pare linije konstantne temperature menjaju pravac, a u obiasti pregrejane pare opadaju ka apscisi.

Linije koje se strmo prostiru preko oblasti pregrejane pare jesu linije konstantne entropije. Krive koje sa malim nagibom prolaze kroz oblast pregrejane pare jesu linije konstantne zapremine.

Vrednosti promenljivih veličina rashladnog fluida važnih za rashiadni ciklus direktno se očitavaju na dijagramu ph. Pri pojednostavljenom prikazu dijagrama izostavljaju se osobine rashladnog fluida koje nemaju značaj u pojedinim tačkama ciklusa, npr. u oblasti tečnosti ili oblasti promene faze (središnji deo) vrednosti entropije i zapremine su izostavljene.

Kako je dijagram ph baziran na 1 kg mase rashladnog fluida, data zapremina predstavlja specifičnu zapreminu.

Teoretski ciklus hlađenja je ciklus gde se pretpostavija da para rashladnog fluida izlazi iz isparivača i ulazi u kompresor kao zasićena na temperaturi i pritisku isparavanja, a da tečnost izlazi iz kondenzatora i ulazi u prigušni organ kao zasićena tečnost na temperaturi i pritisku kondenzacije. Iako se rashladni ciklus stvarne mašine za hlađenje razlikuje od teoretskog ciklusa, njihove uporedne anaiize su i pored toga važne za definisanje parametara rashlađnih ciklusa pri raznim radnim uslovima.

Slika 41. Dijagram PH teoretskog rashladnog ciklusa na granisci zasićenja (R22)

Teoretski ciklus prikazan je na dijagramu ph na slici 41. Na dijagramu je rashladni ciklus prikazan tačkama 1-2-3-4-5, kojima odgovaraju pozicije prikazane na Šemi (slika 5). U cilju lakšeg praćenja procesa, dijagram ph je dat za konkretan rashladni fluid R22.

71

Tačka 1 može da se opiše kao stanje blizu iziaza rashladnog fluiuda iz kondenzatora gde se proces kondenzacije završava i gde je rashladni fluid zasićena tečnost na temperaturi i pritisku kondenzacije. Osobine rashladnog fiuida u ovoj tački mogu se očitati iz dijagrama ili prikazati tabelamo.

U teoretskim ciklusima, sa usisavanjem pare na liniji zasićenja, podrazumeva se da nema promene osobina (stanja) tečnog rashiadnog fluida dok on struji kroz tečni cevovod od kondenzatora do prigušnog organa . Proces opisan početnim i krajnjim tačkama stanja 1-2 javija se prili-kom prolaska tečnosti kroz prigušni organ, kada se pritisak menja sa pritiska kondenzacije na pritisak isparavanja. Prolaskom tečnosti kroz otvor prigušnog organa temperatura tečnosti se menja sa temperature kondenzacije na temperaturu isparavanja. Proces 1-2 je prigušivanje i predstavlja adijabatski proces pri kome se entalpija radnog fluida ne menja. Pretpostavka je da u cevima i ventilima nema dobitaka i gubitaka toplote, niti povećanja rada. Kako se entaltpija rashladnog fluida u toku procesa 1-2 ne menja, tačka 2 se nalazi na preseku linije konstantne entalpije i linije koja odgovara temperaruri i pritisku isparavanja. Za iznalaženje tačke 1 moraju biti poznati pritisak ili temperatuva kondenzacije. Kao rezultat delimičnog isparavanja rashladne tečnosti u toku procesa 1-2, rashladni fluid je u tački 2 mešavina tečnosti i pare.

4.1.1.1. Proces isparavnnja

Proces 2-3 je isparavanje rashladnog fluida u isparivaču. Taj proces je izotermski i izobarski, stoga se tačka 3 nalazi na izobari, na kojoj i tačka 2, koja seče liniju zasićene pare. U tački 3 rashladni fluid je potpuno ispario i predstavlja zasićenu paru na temperaturi i pritisku isparavanja. Osobine rashladnog fluida u tački 3 date su u parnoj tabeli veličina stanja iii na dijagramu ph, U toku procesa 2-3, prolaskom rashladnog fluida kroz isparivač i apsorbovanjem toplote iz hlađenog prostora, njegova entalpija raste. Količina toplote koju rashladni fluid u isparivaču apsorbuje (efekat hlađenja) jednaka je razlici vrednosti entaipija u tačakama 2 i 3. Stoga, ukoliko su h{, h2, h2, h4, h5 i h6 entalpije rashladnog fluida U tačkama 1-2-3 i 4-5-6, onda je efekat hlađenja (kJ/kg):

3 2iq h h (1)

Ali, kako je h2 jednako hXt onđa je:

3 1iq h h (2)

Na dijagramu ph, razlika entalpija između tacaka 6 i 3 predstavlja ukupnit latentnu toplotu isparavanja 1 kg rashladnog fluida na pritisku isparavanja. Kako je razlika entatpija u tačkarna 2-3 koristan efekat hlađenja, razlika entalpija u tačkama 6-2 je gubitak efekta hlađenja.

4.1.1.2. Proces kompresije

U teoretskim ciklusima sa usisavanjem na granici zasićenja, pretpostavlja se da rashladni fluid ne menja stanje dok protiče kroz usisni cevovod od isparivača do kom-presora.

72

Proces 3-4 se dešava u kompresoru sa povećanjem pritiska pare, kompresijom od pritiska isparavanja do pritiska kondenzacije. Za teoretske cikhise 3-4 je po pretpostavci izentropski proces.

Izentropska kompresija je specijalan tip adijabatskog procesa koji se odvija bez trenja. Ona se ponekad definiše kao kompresija "adijabatska bez trenja", ili kompresija "konstantne entropije". Kako u toku procesa 3-4 nema promene entropije, tačka 4 se na dijagramu ph nalazi praćenjem linije konstantne entropije od tačke 3 do preseka sa linijom pritiska kondenzacije. U tački 4, rashladni fluid je pregrejana para. Osobine rashladnog fluida u tački 4 se mogu očitati sa dijagrama ph. Kako vrednosti t, h i v zahtevaju interpolaciju, one su samo aproksimirane. U toku procesa kompresije 3-4 energija (entalpija) pare se povećava za veličinu jednaku izvršenom mehaničkom radu. Rad (toplota) kompresije, po kilogramu ras-hladnog fluida koii cirkuliše qp, izražava se sa:

4 3pq h h (3)

Kao rezultat apsorbovanja toplote kompresije, topla para koja se potiskuje iz kompresora je pregrejana, tj. njena temperatura je viša od temperature kondenzacije. Procesu kondenzacije prethodi pothlađivanje pregrejane pare do temperature kondenzacije.

4.1.1.3. Proces kondenzacije

Obično se proces 4-5 odvija u kondenzatoru i predstavlja hlađenje pare do tem-perature kondenzacije. Ovaj proces se odvija u gornjem delu kondenzatora i delimično u cevovodu toplog gasa. U toku procesa 4-5, pritisak pare ostaje konstantan, a tačka 5 se nalazi praćenjem linije konstantnog pritiska od tačke 4 do preseka sa krivom zasićenja. U tački 5 rashladni fluid je zasićena para na temperaturi i pritisku kondenzacije. količina osetne toplote (pregrevanje) oduzete od 1 kilograma pare u kondenzatoru, pri hlađenju sa temperature potisa do temperature kondenzacije, jeste razlika između vredrtosti entalpija rashladnog fluida u tačkama 4 i 5 (h4 - h5). Proces 5-1 je kondenzacija pare u kondenzatoru koja se odvija pri konstantnom pritisku i temperaturi. Toplota oslobođena od kondenzujućeg fluida u toku ovog procesa jednaka je razlici entalpija rashladnog fluida u tačkama 5 i l (h5 – h1). Pošto se oba procesa 4-5 i 5-1 odvijaju u kondenzatoru, ukupna količina odvedene toplote od rashladnog fluida i predata sekundamom fluidu, toplotnom ponoru, jeste zbir količina oslobođene toplote u toku procesa 4-5 i 5-1. Ukupna količina toplote predata medijumu za hlađenje u kondenzatoru je razlika između entalpije pregrejane pare u tački 4 i zasićene tečnosti u tački 1. Stoga je:

4 1kq h h (4)

gde je qk u kJ/kg, oslobođena toplota u kondenzatoru rashladnog fluida koji cirkulise.

Na povratku do tačke 1, rashladni fluid je završio ciklus, te ukupno odvedena toplota od rashladnog fluida mora da bude jednaka toploti koju on prima u toku procesa. U

73

jednosiavnim ciklusima, energija rashladnog fluida se povećava samo od toplote apsorbovane od hlađenog prostora isparavanjem rashladnog fiuida u isparivaču i toplote koja je ekvivalentna mehaničkom radu kompresije u kompresoru . Stoga je:

k i pq q q (5)

Ako je poznat ukupni rashladni učinak Q, protok rashladnog fluida m određuje se iz jednačine:

i

Qm

q (6)

Učinak kondenzatora defmiše se jednačinom:

k kQ m Q (7)

dok se toplotna energija ekvivalentna radu kompresije rashiadnog kapaciteta Qp do-bija iz jednačine:

p pQ m Q (8)

4.1.2. Koeficijent hlađenja i grejanja

U klasicnim rashladnim sistemima, koeficijent hlađenja idealnog Kamoovog ciklusa defmise se kao:

i i

p i p i

Q TKHc

Q Q T T

(9)

Za sistem toplotnih pumpi, kao što je već rečeno, bitan efekat je dobijanja toplotne energije, pa se koeficijent grejanja defmiše na sledeći način:

Analogno izrazu (9) sledi:

p p

p i p i

Q TKGc

Q Q T T

(10)

gde su: KG. - Karnoov koeficijent grejanja, Qp - toplota razmetijena na strani toplotnog ponora, 0; - toplota razmenjena na srrani toplotnog izvora, Tp - apsolutna temperatura ponora, Ti - apsolutna temperatura izvora.

74

U realnim procesima koeficijenti hladenja i grejanja manji su od onih koji važe u Karnoovom. Teoretski koeficijent hlađenja KH rashladnog ciklusa je odraz efikasnosti ciklusa i formuliše se kao stepen apsorbovane toplote u hlađenom prostoru u odnosu na ekvivalentnu toplotu koja se dovodi kompresoru:

3 1

4 3

h hKH

h h

(11)

Koeficijent grejanja KG definise se kao stepen apsorbovane toplote u kondenza-toru u odnosu na ekvivalentnu toplotu koja se dovodi kompresoru, analognokoeficijentu hlađenja.

Koeficijent hlađenja se često obeležava sa b (domaća literatura), ili sa COP (engleska literatura - ''coefficient of performance ").

Realni rashladni ciklusi

Realni rashlađni ciklusi odstupaju od teoretskih iz razloga određenih pretpostavki za teoretske cikluse, koje ne važe za realne cikluse: zanemarivanje pada pritiska u cevovodima, isparivaču, kondenzatoru, efekat pothlađivanja tečnosti i pregrevanja usisane pare ili izentropska kompresija. Na slici 42 prikazan je radnic ciklus realne toplotne pumpe sa rashladnim medijumom R 22.

Slika 42. Radni ciklus toplotne pumpe koja radi sa rashladnim medijumom R22

4.2. Komponente toplotnih pumpi

Dugi niz godina su za toplotne pumpe korišćene komponente rashladnih uređaja i postrojenja. U nastojanju da toplotne pumpe budu Što ekonomičnije u eksploataciji, razvijane

75

su njihove „specijalne" komponente. Veći broj tih komponenata se po svojim konstrukcionim karakteristikamajoš uvek vrlo malo razlikuje od onih u rashladnoj tehnici. Zbog te male razlike, tehnologija proizvodnje toplotne pumpe je veoma slična onoj za potrebe rashladnih elemenata. U osnovi, po svojim nazivima i funkciji, skoro sve važne komponente toplotnih pumpi istovetne su sa rashladnim elementima. To su:

- kompresori sa pogonskim motorom, - razmenjivači toplote, - sudovi pod pritiskom (separatori, odvajači, skupljači rashladnog fluida), - automatika, - armature i cevovodi, - elektrokomandni uredaji, - rashladni fiuid.

Nezavisno od toga da li su komponente namenjene toplotnim pumpama ili rashladnim uređajima, one moraju zadovoljiti određene opšte uslove. Često je u ras-hladnim postrojenjima pogonski motor kompresora predimenzionisan. U tom slučaju je potrošnja energije za pogon kompresora povećana, a time je i koeficijent grejanja smanjen. U manjim toplotnim pum-pama, koje se proizvode u velikim serijama, snaga elektromotora kompresora se vrlo precizno utvrđuje za određene standardne uslove, čime se dobija optimalan koeficijent grejanja. Promena režima rada toplotne pumpe menja i koeficijent grejanja. Uobičajeni pad pritiska u razmenjivačima toplote rashladnih postrojenja na strani rashladnog fluida je čak deset puta veći od onoga u toplotnim pumpama. Svako povećanje pada pritiska, u bilo kom delu sistema, izaziva povećane energetske gubitke, a time smanjenje koeficijenta grejanja. Pri proračunu površine razmenjivača toplote u rashladnoj tehnici, srednja tem-peraturska razlika izmedu rashladnog fluida i radnog medijuma obično iznosi od 5°C do 15°C. Ova temperaturska razlika u isparivaču i kondenzatoru u toplotnim pumpama do-vela bi do smanjenja koeficijenta grejanja. Zbog toga se, posebno u isparivaču i kon-denzatoru, mora težiti postizanju što je moguće manjoj temperaturskoj raziici između rashladnog fluida i radnog medija, bilo ponora, ili izvora. Ovo smanjenje temperaturske razlike mora biti praćeno jednovremenim postizanjem najmanjeg pada pritiska.

Stepen iskorišćenja komponenata postrojenja topiotnih pumpi, kao što su ventilatori, pumpe, grejači, automati i slično, mora biti što veći, kako bi ukupan ekonomski efekat bio što povoljniji. To se postiže pravilnim dimenzionisanjem za tačno određene uslove.

Veliki broj topiotnih pumpi služi istovremeno za grejanje i za hlađenje. Kod takvih pumpi problem optimalne konstrukcije je još složeniji. One po pravilu rade duže od toplotnih pumpi za grejanje, zbog čega moraju imati duži vek trajanja.

4.2.1. Kompresori

Kao elemenat topiotne pumpe, kompresor predstavlja najvažniju komponentu, koja direktno utiče na učinak toplotne pumpe. On značajno utiče na pouzdanost rada pumpe, njen

76

eksploatacioni vek, niske pogonske troškove, manju šumnost, jednostavnost održavanja, sigumost i dr.

Do generalne popravke, kompresor mora raditi najmanje pet godina, a kod manjih kapaciteta i mnogo duže. To znači da kompresor pri normalnoj eksploataciji izdržava više od 25 000 radnih sati, ili preko 14 sati dnevnog rada. Radne karaktenstike kompresora moraju odgovarati temperaturskom opsegu isparavanja od -30°C do +30°C, a u industrijskim pogonima i preko 40°C, dok je temperatura kondenzactje 90°C. Zbog promenljivih opterećenja toplotne pumpe, kompresori moraju imati mogućnost dobrog regulisanja kapaciteta. Da bi se što veća količina toplote predala toplotnom ponoru, toplotni gubici kompresora se moraju svesti na što je moguće manju meru. Stepeni iskorišćenja samog kompresora i njegovog pogonskog motora moraju biti što veći. Istraživanja su pokazala da se sredstva uložena u kompresor sa većim stepenom iskorišćenja, vrlo brzo vraćaju kroz njegovu ekonomičniju eksploataciju.

Iako su u osnovi svi kompresori bili prvenstveno konstraisani za potrebe hlađenja, a neki od njih i usavršeni za toplotne pumpe, oni ne mogu zadovoijitt sve zahteve primene toplotnih pumpi.

Kompresori konstruisani samo za toplotne pumpe su jedino i pravo rešenje. Elektromotor, kao pogonski motor kompresora, mora imati, u širokom dijapazonu opterećenja, radnu krivu koeficijenta iskorišćenja sa malim odstupanjem. To znači da se ovaj koeficijent neće značajnije menjati pri promeni opterećenja u dijapazonu od 30% do 100%.

Kompresori koji su posebno konstruisani ili prilagođeni za toplotne pumpe, imaju danas znatno bolja konstrukciona rešenja od onih urađenih za potrebe hlađenja ili klimatizacije. Tako je u poslednje vreme znatno poboljšan rad ventila, smanjeni su gubici u štetnom prostoru, povećana aerodinamičnost usisnih i potisnih kanala, čime su smanjeni padovi pritiska. Ulja za podmazivanje, kao i konstmkcioni matenjalii, izdržavaju znatno više radne temperature. Sva ova poboljšanja su doprinela da se mehanički, električni ili zapreminski koeficijent kompresora znatno poboljša u odnosu na klasične kompresore, Naročito je važan uticaj štetnog prostora, od koga direktno zavisi zapreminski koeftcijent. Tako se na primer povećanjem štetnog prostora sa 2% na 6% koeficijent grejanja smanjuje za 20%. Međutim, u klipnim kompresonma štetan prostor se ne može potpuno eliminisati.

Gubici elektricne energije moraju biti što manji, a to se postiže radom kompresora i elektromotora u optimalnim i stabilnim radnim uslovima. Kontrola učinka nije potpuno resena čak ni u velikim kompresorima. Višecilindrični kompresori se regulišu isključivanjem pojedmih cilindara, što se postiže dizanjem ventilskih ploča sa sedišta pomoću hidraulike, ili pritiskom gasa pare rashiadnog fluida. Ova vrsta regulacije topiotnih pumpi dovodi do smanjenja koeficijenta grejanja čak do 20%. Za regulisanje učinka koriste se motori sa promenljivim brojem obrtaja, obilazne veze i sl. Međutim, energetski najpovoljnija regulacija se postiže uključivanjem pojedinih kompresora sa punim opterećenjem kada u sklopu jedne toplotne pumpe postoji veći broj kompresora sa manjim učinkom.

U toplotnim pumpama se, kao i u rashladnim postrojenjima, najčešće koriste četiri vrste kompresora:

77

- klipni, - rotacioni, - vijčani i - centrifugalni.

Svaka od ovih vrsta kompresora ima specifične mane i prednosti, koje direktno zavise od radnih parametara i vrste fluida. Sve vrste kompresora se ne proizvode za sve praktično potrebne učinke.

4.2.1.1. Klipni kompresori

U eksploataciji je najviše kiipnih kompresora, i to od najmanjih, za domaće frižidere (3 • iO-4 m3/s), do najvećih, u industrijskim postrojenjima. Vrlo su bučni, a gabariti i težina su im, u odnosu na toplotni učinak, veliki. Međutim, i pored svih ovih loših osobina, klipni kompresori su, kao najmasovniji, ujedno i najjeftiniji, lako se održavaju, a i rezervni delovi su im jeftiniji. Ovi kompresori mogu da obezbede vrlo veliki stepen sabijanja. Po svojim konstrukcionim karakteristikama, klipni kompresori se dele na otvorene, poluhermetičke i hermetičke kompresore. Otvoreni klipni kompresori su najstarije konstrukciono resenje kompresora uopšte. Pogonski motor se vezuje za kompresor direktno preko spojnice, iii indirektno preko prenosnika. Pri indirektnoj vezi, mehanički koeficijent je manji, Što umanjuje i ukupni stepen iskorišcenja pogonskog motora. Otvoreni kompresori, iako jednostavni za održavanje, imaju dosta nedostataka, naročito kada se koriste u sistemima sa toplotnom ptimpom.

Velika buka koju izazivaju prisiljava korisnika da prostoriju u kojoj su smešteni posebno zvučno izoluje. Toplotni gubici su im znatni i zbog toga što se ovakvi kompresori ne rade posebno za toplotne pumpe, nego su obično prilagođeni novoj nameni. Odavanje toplote okolini je značajno, kao i odavanje topiote pogonskog motora, bez mogućnosti da se ta toplota vrati sistemu ponovo i korisno upotrebi. A kada se to ipak konstrukciono reši, ta rešenja su veoma skupa i nepouzdana.

Regulisanje otvorenih kompresora, i to većih jedinica, obično se vrši preko ventilskih pločica. Manje jedinice ne mogu se regulisati. Maksimalni radni pritisak u otvorenim kompresorima iznosi 25 bara, kada im je prečnik cilindara 120 mm, a kada su prečnici veći, maksimalni dozvoljeni radni pritisak je 22 bara. Raziika pritisaka između usisa i potisa je oko 18 bara. Ove vrednosti umnogome zavise od uslova i vrste ulja za podmazivanje. S tim u vezi, treba posebno voditi računa o kvalitetu ulja za podmazivanje toplotnih ptimpi. DIN 51503 definiše kinematsku viskoznost ulja u stacionamim tislovima rada. Opseg rada toplotnih pumpi sa otvorenim kompresorima zavisi od vrste rashladnog fiuida i konstrukcije samog kompresora, a režimi rada su prikazani u tabeli br. 9. Tabela 9. Režimi rada toplotnih pumpiRashladni. fluid Radni režim

R22, NH 55-60°C R134a 75-80°C R114 90-100°C

78

Poluhermetički i hermetički klipni kompresori konstrukciono više odgovaraju primeni u toplotnim pumpama. Poluhermetički kompresor sadrži kompresor i eiektromotor u jednom razdvojivom kućištu, tako što su, najčešće, kompresor i elektromotor povezani zajedničkim vratilom. Ovakvom konstrukcijom se može koristiti više toplotne energije od samog kompresora i elektromotora. Kućište poluhennetičkog kompresora je razdvojivo, pa se može lako održavati i mogu se menjati dotrajali đelovi. Današnje konstrukcije poluhermetičkih kompresora imaju sve prednosti otvorenih kompresora (manji nivo buke, veći stepen iskorišćenja toplote i sl). Dimenzije poluhermetičkih kompresora su skoro istovetne sa otvorenim kompresorima.

Hermetički kompresori u odnosu na poluhennetičke imaju zavareno kućište kompresora, pa se ne mogu popravljati niti im se mogu zamenjivati delovi. Ovi kompresori su za iste rashladne učinke najjeftiniji i najlakši, imaju najduži vek trajanja. Danas se, pored bele tehnike, hermetički kompresori najviše primenjtiju za lokalne klimatizere. Oni su u toplomim pumpama prvi put primenjeni baš u lokalnim klimatizerima. U posleđnje vreme se ugrađuju i u veće klima-uređaje i toplotne pumpe čiji je rashladni učinak preko 50 kW. Hermetički kompresori omogtićavaju najveći stepen iskorišćenja toplote kao i mehanički i električni koeficijent iskorisćenja. S obzirom na miran i tihi rad, nezamenljivi su u manjim jedinicama toplotnih pumpi. U ovakvim kompresorima ulje se ne menja tokom čitavog veka trajanja.

79

Slika 43. Klipni kompresor

4.2.1.2. Rotacioni kompresori

Rotacioni kompresori su novijeg datuma. Oni se sastoje od klipa koji se obrće oko ekscentričnog vratila, istovremeno se kotrljajući po zidu cilindra. Nemaju usisni ventil, te praktično nemaju štetan prostor, ni zapreminski gubitak zbog štetnog prostora. Pri malim razlikama pritisaka kondenzacije i isparavanja, ovi kompresori imaju dobre koeficijente isporuke. Međutim, pri većim razlikama usisnog i potisnog pritiska, zapreminski gubici postaju veći, kao posledica proticanja pare rashladnog fluida iz prostora sa višim pritiskom u prostor sa nižim pritiskom. Ovi gubici se mogu smanjiti povećavanjem broja obrtaja klipa, kao i intenzivnijim podmazvanjem klipa i cilindra. Taj tip kompresora koristi rashladne fluide koji se slabo rastvaraju u uljima za podmazivanje. Rotacioni kompresori traže savršeniju tehnologiju proizvodnje. Broj proizvođača je zbog toga vrlo mali. Kompresori u hermetičkoj izvedbi nalaze veiiku primenu u toplotnim pumpama manjeg učinka. Za veće snage toplotnih pumpi ugrađuje se veći broj manjih rotacionih kompresora. Njihove osnovne prednosti u odnosu na klipne kompresore su sledeće:

- U rotacionom kompresoru nema štetne razmene između hladne pare rashladnog fiuida i zida toplog cilindra. - Poprečni presek ulaza u cilindar nema uticaja na štetan prostor. - Zbog karakterističnog oblika kompresione komore, potisni ventili rade mnogo mirnije. - Vek trajanja kao i iskorišcenje su im mnogo duži od klasičnih klipnih kompresora. - Relativno mali broj obrtnih delova. - Pri startovanju se ne pojavljuje pena ulja. Potisna komora ne dozvoijava da ulje odlazi u instalaciju, odnosno služi kao separator ulja. - Nije potreban usisni ventil.

Postavljanjem prethladnjaka, svaki višak toplote, nastao zbog gubitaka u kompresoru i motoru, može se vratiti grejnom fluidu i ponovo korisno upotrebiti. Gubici u motoru ne utiču na iskorišćenje kompresora. Jednostavnom konstrukcijom usisne komore i nepovratnog ventila, može se osigurati prelivni ventil, koji omogućuje lakše uključivanje, bez posebnih mehanizama, čak i u manjim jedinicama. Zahvaljujući tome, ne treba ugrađivati prevelike motore. Iz prakse je poznato da se na manje rotacione kompresore, u odnosu na klipne kompresore istog učinka, može ugraditi za jednu veličinu manji motor, što znači 20% do 30% manje električnih gubitaka. Ovi kompresori su po veličini manji za oko 30% od klipnih, koji imaju iste učinke.

80

Slika 44 - Rotacioni kompresor

4.2.1.3. Vijčani kompresori

Vijčani kompresori se mogu ubrojiti u rotacione kompresore, zbog rotora koji obiikom podseća na vijke. Kao i u rotacionim, tako i u vijčanim kompresorima nema štetnog prostora, pa ni zapreminskih gubitaka zbog štetnog prostora. Zapreminski gubici nastaju od pretakanja pare iz prostora sa višim, u prostor sa nižim pritiskom, kroz zazore između rotora. U vijčanim kompresorima ulje se ubrizgava u njegov radni prostor, zbog čega se neposredno iza njega postavljaju odvajači ulja. Velika količina ulja koja se ubacuje u toku rada znatno smanjtije gubitke usled proticanja, pa se zato mogu praviti rotori i statori sa većim zazorima, što pojeftinjuje njihovu izradu. Vijčani kompresori nisu osetljivi na „tečni udar", odnosno pri pojavi tečnosti u kompresoru, konstrukciono rešenje sa zazorima omogućuje rad bez kvarova. Vijčani kompresori se proizvode kao otvoreni i poluhermetički. Poluhermetički se koriste najčešće sa freonom kao rashladnim fluidom. Vijčani kompresori imaju duži vek trajanja od klipnih i lakše ih je održava-ti. Zbog toga što se po svojim učincima nalaze između klipnih i centrifligalnih, njihova upotreba nije rasprostranjena u toplotnim pumparna, jer tradicija u primeni klipnih i prednosti centrifugalnih kompresora još uvek utiču na Širu primenu vljčanih kompresora.

81

Slika 45 – Vijčani kompresor

4.2.1.4. Ccntrifugalni kompresori

Porast pritiska u centrifugalnim kompresorima ne vrši se potiskivanjem, već ubrzanjem u rotoru. Pri tome su radne karakteristike sasvim drugačije od onih u klipnih kompresora, tj. kompresora kod kojih se gorast pritiska ostvaraje potiskivanjem. Željeni odnos pritisaka postiže se dimenzijom i brzinom rotora. Odnos potisnog i usisnog pritiska u klimatizaciji obezbeđuje se jednostepenim centrifugalnim kompresorom. Za primenu u toplotnoj pumpi, gde je potreban veći odnos pritisaka, predviđeni su višestepeni cen-trifugalni kompresori. Često pokretanje kompresora nije poželjno zbog većeg habanja za vreme kretanja i zaustavljanja, kao i zbog pogonskog motora. Zbog toga centrifugalni kompresori zahtevaju kontrolu kapaciteta do minimalnog opterećenja. Jedna od mogućnosti regulisanja kapaciteta je prigušivanje u usisnoj cevi, koje može smanjiti kapacitet do 40%, ili promena ulaznog otvora nasuprot rotoru, kada se kapacitet može smanjiti na 10% od nominalnog. U oba slučaja potrošnja energije opada srazmerno toplotnom učinku, mada je očekivani odnos pritisaka potisa i usisa manji. Kada su učinci manji, pa postoji opasnost od nestabilnosti rada kompresora, kontrola se vrši preko obilazne veze (by-pass), u kome slučaju određena količina rashladnog fluida cirkuliše mimo sistema. Jedna od mogućnosti regulisanja je promena broja obrtaja rotora, ali se to može ekonomično ostvariti primenom parne turbine kao pogonskog motora. Centrifugalni kompresori u toplotnim pumpama većeg učinka su nezamenijivi, ne samo zbog svog velikog toplotnog učinka i mogućnosti postizanja vrlo visokih temperatura kondenzacije, več i zbog vrlo mirnog rada, malih dimenzija, smanjene potrošnje eiektrične energije, manje buke i drugih prednosti. Regulisanje centrifugalnih kompresora ostvaruje se bez velikih gubitaka.

82

Slika 46 – Centrifugalni kompresor

4.2.2. Razmenjivači topote

Razmenjivači toplote su aparati u kojim se vrši razmena toplote odnosno prelaz toplote rashladnog fluida sa jednog na drugi radni fiuid. Ovaj proces može da se odvija na tri načina: provođenjem (kondukcijom), konvekcijom i zračenjem. Pomenuti procesi razmene toplote se, međutim, bitno razlikuju- razmena toplote konvekcijom i provođenjem uvek vezana za materiju, dok razmena toplote zračenjem nije. Konvekcija i provođenje kao oblici prenosa toplote su najčešće istovremeni.

Razmena toplote provođenjem vrši se pri međusobno direktnom kontaktu dva tela različitih temperatura. Prilikom konvekcije, u kojoj nema promene agregatnog stanja, razmena toplote vrši se između tečnosti ili gasa sa jedne strane, i čvrstog tela sa druge strane. Kretanje tečnosti i gasa može biti prirodno ili prinudno, Što direktno utiče na intenzitet razmene toplote.

Pri razmeni toplote podrazumeva se da nema promene agregatnog stanja fiuida koji se kreće i tada je razmenjena količina toplote jednaka proizvodu masenog protoka, specifične toplote i raziike temperatura fluida.

Q = G · c p · ( t u l - t i z ) (11)

83

Ukoliko za vreme procesa razmene toplote doiazi do promene agregatnog sta-nja fluida, govorimo o kondenzaciji ili isparavanju, odnosno o smrzavanju, topljenju jli sublimaciji.

Pri kondenzaciji ili isparavanju clolazi do direktnog prelaza iz pamog u tečno (kondenzacija) stanje, ili tečnog u gasovito (isparavanje) stanje, dok pri smrzavanju ili topljenju dolazi do direktnog preiaza iz čvrstog stanja u tečno i obratno. Sublimacija predstavlja direktan prelaz iz čvrstog u gasovito stanje. Koeftcijenti za prenos toplote konvekcijom definišu se termofizičkim karakteristikama fiuida i konstmkcijom razmenjivača toplote.. Opšti izraz za razmenu toplote je :

Q = k · F · ∆ t l o g ( 1 2 )

Slika 47. Srednja logaritamska tetnperaturska razlika (∆ t l o g ) Koeficijent k, pored načina razmene toplote (konvekcije i provođenja), karakteriše i konstrukcija razmenjivača toplote,

1

1 1 1ni

isp i unk

(13)

Pri proračunu i konstrukciji razmenjivača toplote uticaj zaprljanja površine raz-menjivača je često jedan od bitnih faktora pravilnog proračuna njegove površine. U toku eksploatacije razmenjivača topiote, dolazi do prijanja površine za razmenu to-plote usled naslaga prljavštine iz radnog fluida, ili do erozije same površine. Iz tih ra-zloga površina za razmenu toplote mora biti dovoijno velika i u funkciji vrste razme-njivača i kvaliteta fluida. Zaprljanje razmenjivača topiote može biti kao posledica:

- taloženja (sedimentacije), - kristalizacije,

84

- hemijskih reakcija, - bioloških mikroorganizama i - korozije.

Zaprljanje se najčesce pojavljuje jednovremeno u nekoliko oblika, Što dodatno otežava procenu veličine zaprljanja. Zaprljanje površme može smanjiti koeficijeht prelaza topiote i do 70% Veličina razmenjivača toplote je važna za ocenu ekonomičnosti toplotne pumpe. Ostvarena temperaturna razlika između radnog medija toplotnog izvora ili ponora i rashiadnog fluida, direktno utiče na vrednost koeficijenata grejanja. Na ukupnu ekonomičnost utiče instalisana snaga za pogon ventilatora, pumpi i automatike vezane za razmenjivače toplote. Povećanje pada pritiska u nekom razmenjivaču toplote daje jeftinije konstrukciono rešenje, koje se onda u eksploataciji, zbog povećannja troškova energije za pogon, obezvređuje. Taj momenat nije uziman u obzir pri dimenzionisanju razmenjivača toplote u rashladnim uređajima. Optimizacija razmenjtvača toplote podrazumeva analizu odnosa koeficijenta grejanja i investicionih troškova. Ukupni godišnji troškovi održavanja i eksploatacije moraju biti što manji. Posebno je važno pitanje da li se koeficijent prelaza toplote može povećati poboljšavanjem konstrukcije razmenjivača toplote. Povećavanje koeficijenata prelaza toplote radi poboljsavanja eflkasnosti razme-njivača toplote, pa tako i cele toplotne pumpe, mogućeje ostvariti konstrukcionim rešenjima i izborom optimainih termodinamičkih parametara i rashladnog i radnog fiuida, toplotnog ponora ili izvora.

Poboljšanje konstrukcije svodi se na povećanje lokalnog koeftcijenta prelaza toplote. Povećavanjem hrapavosti površina preko kojih se razmenjuje toplota, povećava se lokalni koeficijent prelaza toplote. Najčešće se povećanje hrapavosti vrši na strani rashladnog fluida. Povećavanjem hrapavosti i brzine strujanja fluida obezbeđuju se vrlo dobri rezultati u povećanju koeficijenta prelaza toplote. U sistemima u kojima se kondenzator i isparivač koriste u naizmeničnim ulogama, tj. kondenzator kao isparivač, a isparivač kao kondenzator, mora se voditi račitna o vrednosti koeficijenta preiaza topiote. Površina razmenjivača se određuje prema nepovoljnijem režimu. Obično je to režim isparavanja. U sistemima u kojima je leti potrebno hlađenje, a zimi grejanje, režim rada se menja na strani rashiadnog fluida samo u klimatizaciji sa jedinicama manjih snaga. Ovakve jedinice se proizvode kao kompaktne-agregatirane, pri čemu se prelaz sa jednog režima na drugi vrši promenom toka rashladnog fluida. O razmenjivačima toplote, koji u toku rada mogu menjati svoju ulogu, takođe se mora voditi racuna u pogledu konstrukcionih detaija, koji mogu biti od presudnog značaja za ispravno fimkcionisanje čitavog sistema, cirkulaciju fluida, odvajanje tečnosti itd.

U toplotnim pumpama većih snaga ovakav problem ne postoji, jer se promena režima hlađenja odnosno grejanja obično vrši na strani radnog fluida (voda ili vazduh). To omogućava izradu kondenzatora i isparivača prema jednoznacno defmisanim radnim parametrima, koji se u toku rada topiotne pumpe ne menjaju.

Svaki konstrukcioni zahvat u cilju poboijšanja koeficijenta prelaza toplote može, ali i ne mora, imati ekonomski efekat. Povećani koeficijent preiaza topiote može direktno uticati na povećanje pada pritiska, što ima isti efekat kao i veća temperaturna razlika rashladnog i

85

IZLAZ PARERASH. FLUIDA

RASH. FLUID

ULAZ VODE

ULAZ TEČNOGRASH. FLUIOA

radnog fluida. Pad pritiska u rashladnim instalacijama od 0,1 do 0,3 bar je dozvoljen, što predstavlja oko 3-4 K temperaturske razlike, već prema vrsti rashiadnog fluida i temperaturi isparavanja. U toplotnim pumpama, gde se posebno vodi računa o ekonomičnosti razmenjivača toplote, ovaj pad pritiska ne sme biti veći od 0,1 bara.. Porast pada pritiska na strani radnog fluida (voda, vazduh) ne utiče direktno na ekonomičnost toplotne pumpe, jer se pri tome ne povećava rad uložen u pogon kompresora. Međutim, veća potrošnja energije za pogon ventilatora, pumpi i drugih elemenata može poremetiti ukupnu ekonomičnost čitavog sistema. U celini gledano, optimalna veličina razmenjivača toplote pored prolaza toplote i pada pritiska, zavisi i od troškova proizvodnje samog razmenjivaca topiote kao i pogonskih troškova.

4.2.3. Isparivači

Isparivač je deo toplotne pumpe u kome rashladni fluid isparava zahvaljujući toploti oduzetoj od toplotnog izvora. Ova toplota određena je toplotom isparavanja . U zavisnosti od konstrukcije ispadvača, isparavanje rashladnog fluida može biti oko cevi u velikoj zapremini, ili u cevima. Mehanizam isparavanja rashladnog fluida u isparivaču je vrlo složen proces i neće biti posebno opisivan. Poznavanje tog mehanizma posebno je važno pri optimizaciji veličine isparivača u odnosu na toplotni izvor, kada se konstrukcija isparivača ne može posmatrati odvojeno od toplotnog izvora. Isparivači se dele prema vrsti, odnosno prema agregatnom stanju toplotnog izvora na isparivače za oduzimanje toplote od vazduha ili drugih gasova, i isparivače za tečnost. Isparivači u kojima rashladni fluid potpuno isparava u zapremini, nazivaju se „suvim isparivačima", a oni u kojima tečnost rashladnog fluida ne ispari potpuno nazivaju se „preplavljeni isparivači".

Slika 48. Dobošasti isparivač preplavljenog Na sl. 48 je prikazan osnovni tip dobošastog isparivača za oduzimanje toplote od tečnosti, najčešće vode. To je isparivač „prepiavljenog" tipa, u kome rashladni fluid isparava oko cevi u velikoj zapremini, a kroz cevi struji fluid toplotnog izvora. U zapremini u kojoj je

86

smešten rashladni fluid, ima ga mnogo više od količine koja isparava u jedinici vremena. Količina tečnosti rashladnog fluida je konstantna i njeno dodavanje je u funkciji toplotnog opterećenja ispanvača. Para rashladnog fluida se odvodi preko parnog doma, gde je njena brzina tolika da se kapljice tečnosti odvajaju i vraćaju u zapreminu isparivača. Kada se primenjuju rashiadni fluidi koji se ne mešaju sa uljem, na isparivač se stavija priključak za odvođenje ulja. Razlike temperatura rashladnog fluida i toplotnog izvora su vrlo male i iznose od 3°C do 6°C.

Brzina vode u cevima se kreće od 2,5 m/s do 3 m/s, kada su cevi čelične, i 2 m/s do 4 m/s kada su bakarne. Istraživanja vršena u poslednje vreme pokazuju da je sa bakamim cevima moguće ostvariti i brzine od 8 m/s, a da ne dođe do njihove erozije, pod uslovima da je prethodno izvršeno filtriranje fluida toplotnog izvora. Na sl.49 je prikazan takođe đobošasti isparivač za tečnost, ali sa rashladnim fluidom u cevima, koji je obično isparivač „suvog" tipa. Prvi tip isparivača se koristi češće za veće toplotne učinke, a drugi tip dobošastog isparivača se najčešće koristi za manje učinke. U grupu isparivača koji koriste tečnost kao toplotni izvor, spadaju još i isparivači tipa cev-u-cevi, za manje toplotne pumpe, isparivači za akumulaciju toplote u ledu i pločasti isparivači.

Isparivači cev-u-cevi se koriste za male topiotne pumpe za široku potrošnju i izrađuju se od bakamih cevi. Sa orebrenim cevima, ovi isparivači mogu biti vrlo kompaktni i jeftini.

Slika 49- Dobošasti isparivač suvog tipa

4.2.4. Kondenzatori

Kondenzator je razmenjivač toplote u kome se para rashladnog fluida kondenzuje i predaje toplotu toplotnom ponoru. Količina toplote koja se u kondenzatoru preda radnom fluidu toplotnog ponora sastoji se iz tri dela: toplote hiađenja pare od pritiska sabijanja do pritiska kondenzacije, toplote kondenzacije i toplote pothlađivanja tečnosti. Sva tri dela toplotne energije se predaju, najčešće, u jednom razmenjivaču toplote - kondenzatoru.

ULAZ AVODE

87

U toplotnim pumpama, za razliku od rashladnih uređaja, kondenzator je izoiovan, jer je osnovm cilj pnmene dati Što više topiotne energije radnom fluidu to-plotnog ponora, bez većih gubitaka. Osim toga, cevovod između kompresora i kondenzatora je izolovan i isparivače i kondenzatore možemo podeliti prema vrsti radne materije toplotnog ponora. U instalacijama za grejanje radne matenje su najčešće voda i vazduh, a u industnji i privredi uopšte, pored vode i vazduha, imamo razne rastvore i gasove. Međutim, kondenzatore u osnovi možemo podehti na one za grejanje vode i one za grejanje vazduha.

Kondenzatori za grejanje vode su po konstrukciji vrio slični dobošastim isparivačima „preplavljenog" tipa, u kojima se rashladni fluid nalazi u prostoru doboša oko cevi, kroz koje protiče voda odnosno radna materija topiotnog ponora. Radi povećanja efikasnosti razmene toplote, cevi ovih kondenzatora se orebruju sa strane rashladnog fluida, čime se smanjuju njihova težina i dimenzije. Za precizan proračun srednje logaritamske temperaturske razlike treba uzeti u obzir sve tri zone. Ovakav način proračuna treba uzeti u obzir tikoliko su tačno definisani uslovi strujanja. Kod pojedinih rešenja topotne pumpe prva faza pregrevanja se odvaja i obavlja u posebnom razmenjivacu toplote - pregrejaču, što omogućuje dobijanje viših temperatura flttida, npr. vode, za posebne potrebe. Za proračun pregrejača koriste se izrazi za jednofazno strujanje tečnosti i gasa.

4.2.5. Automatika

Najveći broj elemenata atitomatike i kontrolnih uređaja za toplotne pumpe koristi se za klasične rashladne i klimatizacione uređaje. Neki prozvodači pojedinu automatiku defmišu i za toplotne pumpe, dok drugi automatiku za toplotne ptimpe nazivaju automatikom za specijaine namene. Automatika za toplotne ptimpe, u odnosu na onu za rashladne i klimatizacione uređaje, mora imati karakteristike koje je u primeni čine osobenom:

- Mora postojati mogućnost regulisanja termostata u širokim temperatumim granicama. Tennostati u krugu toplotnog izvora su potpuno identični sa već poznatim termostatima, jer se radi o temperaturama do 30°C, sa razlikama koje odgovaraju primeni ti toplotnim pumpama. Za više temperature, na strani toplotnog ponora, treba koristiti termostate za grejanje.

- Presostati moraju obezbediti regulisanje pritisaka u širim granicama. Presostati niskog pritiska odgovaraju onima kod rashladnih uređaja, dok presostati visokog pritiska za toplotne pumpe moraju raditi posebno. - Magnetni ventili moraju biti prilagođeni višim radnim i probnim pritiscima, jer su u instalacijama toplotnih pumpi viši pritisci, ukoliko se radi o toplotnim pumpama sa maksimalno dozvoljenom temperaturom kondenzacije.

- Termostatski ekspanzioni ventili se najčešće proizvode posebno za toplotne pumpe, jer oni služe za regulaciju temperature isparavanja u usiovima ekspanzije rashiadnog fluida sa većim razlikama temperatura, odnosno pritisaka isparavanja i kondenzacije. Isti ovi usiovi važe i za druge regulacione elemente, koji rade na strani niskog pntiska, a služe za regulisanje temperature isparavanja.

88

- Gubici energije usled rada pojedihih elemenata automatike morajti biti svedeni na najmanju moguću meru, da bi se sačuvala ekonomičnost rada toplotne pumpe. To se odnosi pre svega na padove pritiska i pouzdanost rada uređaja.

Veliki broj toplotnih pumpi može raditi sa klasičnom automatikom za rashladna postrojenja, ukoliko je radni opseg toplotnih pumpi isti kao i klasičnih rashladnih postrojenja. Tako na primer toplotne pumpe čija je temperatura isparavanja od -5 do 10°C, a kondenzacije do 45°C, mogu koristiti automatiku rashladnih postrojenja.

Sve ovo se odnosilo na automatiku koja se koristi u rashiadnoj tehnici i klimatizaciji, kao i za toplotne pumpe i to na strani rashladnog fluida. Ostala automatika na strani radnog medijuma toplotnog ponora i izvora, sasvim odgovara poznatoj automatici za radne parametre fluida toplotnog ponora i izvora. Izuzetak je regulacioni ventil za toplotne pumpe koji se koristi za promenu ciklusa. Primena ovog ventila je pre svega vezana za konšćenje toplotnih pumpi sa manjim toplotmm učincima, kod kojih je toplotni izvor vazduh, u pri prebacivanju sa režima grejanja (zimi) na režim hlađenja (ieti). Ovim ventilom se obezbeđuje zamena uloga kondenzatora i ispanvača, prema potrebama. Regulacioni ventil za promenu ciklusa menja pravac toka rashladnog fluida na strani usisa i potisa kompresora, tako da ispanvač postaje kondenzator, a kondenzator isparivač. Reguiacioni magnetni ventil kontroliše sobni termostat za otapanje. Magnetni ventil igra ulogu pilot-ventila.

4.2.6. Rashladni fluid

Rashladm ciklus i topiotna pumpa se ne mogu posmatrati odvojeno. U svakom primeru primene toplotne pumpe treba analizirati radnu materiju u njenom ciklusu. Kao radne materije se, bar za sada, koriste fluidi rashladnih sistema, zbog čega ćemo ih nazivati rashladnim fluidima, iako oni, u principu, u istom ciklusu imaju nešto drugačiju ulogu.

U većini slučajeva se radi o fluorougljovodoniku, pri čemu se, posebno u kućnim instalacijama, mogu koristiti povoljnije osobine tih materija. Odomaćem naziv fluorougljovodonika je freon, koji se po međunarodnoj klasifikaciji označava slovom R, iza koga stoji odgovarajući broj.

Kvalitet rashladnog fluida za toplotnu pumpu ogleda se pre svega u veličini odnosa pritisaka (temperatura) isparavanja i kondenzacije i veličine toplote isparavanja i kondenzacije, da bi se obezbedio visoki koeficijent grejanja uz mali protok mase i u fizičko-hemijskim podobnostima u sprezi sa ostalim komponentama sistema. Ove karakteristike fluida se mogu odrediti iz Molijerovog log ph dijagrama i to u zavisnosti od oblika granične krive zasićenja i razlike pritisaka isparavanja i kondenzacije. Kvalitet utiče na relativni nagib krive zasićenja i krive konstantne entropije, što ima uticaja na manju snagu kompresora, potrebnu za ostvarivanje datih temperatura kondenzacije i isparavanja. Karakteristike fluida koji se primenjuju u rashladnoj i klimatizacionoj tehnici detaljno su istražene i njihove mogućnosti su dobro poznate. Ova činjenica se mora uzeti u obzir pri primeni bilo kog fluida u toplotnim pumpama.

89

Kvalitativnu razliku u primeni rashladnih fluida možemo videti samo na ph dijagramu fluida koji je u rashladnom postrojenju odnosno u toplotnoj pumpi. Radni ciklus rashladnog fluida toplotne pumpe je u dijagramu na znatno višem nivou od klasičnog rashladnog ciklusa i nalazi se biiže zoni kritične temperature. To postavlja i određene zahteve u određivanju ciklusa. Visoke potisne temperature i visoki radni pritisci utiču na kvalitet kompresora i projektna rešenja toplotne pumpe u celini.

Izbor ras hladnog fluda zavisi od karakteristika kompresora. Oni predstavljaju osnovu za izbor određenih komponenata toplotne pumpe. Podatak da rashiadni fluid u određenim uslovima zahteva visoke radne pritiske, podrazumeva veće učešće materijala u izradi elemenata toplotne pumpe. Veće vrednosti specifične toplote grejanja po jedinici zapremine pare znače manje radne zapremme kompresora i manje dimenzije cevovoda za određeni grejni kapacitet. Optimizovanje ovih i drugih parametara treba da da, u određenom slučaju, najekonomičnije rešenje.

Kvalitet toplotne pumpe se ocenjuje i veličinom koeftcijenta grejanja. Osobine rashladnog fluida u velikoj meri utiču na koeficijent grejanja. Teorijski koeficijent je veći ukoliko je razlika između temperature isparavanja i kondenzacije manja. Na koeficijent grejanja utiče i stepen pregrevanja na usisu. Od rashladnih fluida van porodice halogenih ugljovodonika treba za sada pomenuti samo dehidriran amonijak (NH3). Primena amonijaka kao rashladnog fiuida R7I7 u toplotnim pumpama nije poželjna u objektima gde borave ljudi. Međutim, ovaj fluid se vrlo često upotrebljava u industrijskim objektima. Njegove osobine su vrlo slične onima koje ima rashladni fiuid R22. U vrlo velikim postrojenjima, gde je veliko učešce rashladnog fluida, još uvek je nezamenljiv, jer mu je cena niža od cene R22. Postoji tendencija zamene ovog fluida u novim instalacijama drugim, po osobinama sličnim, rashladnim fiuidima.

Najveći broj toplotnih pumpi u prošlosti, koristio je rashladne fluide kao što su Rll, R22, R21, R22, R113, R114, R13B1 i R502. Zbognastalih problema saoštećenjem ozonskog omotača i efektom staklene bašte, Montrealskim protokolom stavijeni su van upotrebe svi pomenuti fluidi osim R22, čija je upotreba u novim instalacijama bila dozvoljena do kraja 2009. godine. U međuvremenu su pronađeni novi rashladni fluidi koji mogu da zamene dosadašnje. Upotreba tih fluida zahteva određene preduslove u vezi sa uljem za podmazivanje ili konstrukcionih zahvata na elementima instalacije. To se pre svega odnosi na zamenu fiuida u postojećim sistemima toplotnih pumpi. Posebnu pažnju treba obratiti pri zameni fluida, koji predstavljaju mešavnuu nekoliko komponenata. Uspesno je zamenjen R12 fluidom R134a, kao i R502 i R22 fluidom R404A i R507A.

90

Tabela 10. Rashladni fluidi RASHLADNI FLUID

Zamena Temperatura kondenzacije za 26bar u oC

Temperatura isparavanja za 1 bar u oC

R22 R502, R12 63 -41 R401A RI2 80 -33 R401B R12 77 -35 R409A R12. 75 -34 R134A R12, R22 80 -26 R404A R502 55 -47 R407A R502 56 -46 R407B R502 53 -48 R407C R22 58 -44 ISCEON 59 R22 68 -43 R4I0A R22,R13B1 43 -51 R41IB R12,R22,R502 65 -42 R717 (amonijak) R22, R502 6 0 -33 R600a izobutan R114 114 -12 R290 propan R12,R22,.R502 70 - 4 2 1270 propilen R12, R22.R502 61 -48

4.3. Toplotni izvori toplotnih pumpi

Prilikom određivanja koeficijenta grejanja toplotne pumpe, najvažniji parametri su bile temperature toplotnog izvora i ponora, odnosno njihova temperatuma razlika. Uticaj ovog parametra na kvalitet, primenljivost i ekonomičnost toplotne pumpe od presudnog je značaja u eksploataciji. Određivanje temperaturnog nivoa toplotnog ponora kao i njegovih ostalih termofizičkih karakteristika je skoro uvek u funkciji sistema koji koristi toplotnu energiju toplotne pumpe. Osnovni cilj je da se izabere što niža temperatura toplomog ponora. Ako se radi o grejanju, ta temperatura je na primer ona koju zahteva podno grejanje. Međutim, ona zahteva i primenu takvog sistema za grejanje koji je u određenim uslovima nemoguće primeniti. Na osnovu analize više sistema, bira se onaj koji se može primeniti za grejanje u odredenim uslovima, a da bude prihvatljiv i za toplotnu pumpu. Izbor toplotnog izvora je mnogo složeniji problem i zavisi od niza poznatih i nepoznatih faktora. Većina toplotnih izvora je prirodnog porekla, odnosno nalazi se u prirodi. Poznavanje njihovih karakteristika pre i u toku eksploatacije toplotne pumpe nesumnjivo je najvažniji momenat u izbovu toplotnih izvora. Međutim, za izbor toplotnog izvora potrebno je utvrditi i njegove karakteristike s obzirom na korisnika toplotnog izvora. Vrlo je čest slučaj da toplotni izvor na prvi pogled zadovolji zahteve, ali da njegova primena u toplornoj pumpi određene namene ne dolazi u obzir. Takav slučaj je čest pri korišćenju bunarske vode kao toplotnog izvora za toplotnu pumpu koja se koristi za grejanje. Zimi, kada su potrebe za toplotnom energijom najveće, nivo

91

bunarske vode je najniži, pa je i izdašnost najmanja, kao što je tada i najniža temperatura vode. Tada je toplotni učinak pumpe nedovoljan, pa se mora obezbediti dopunski izvor grejanja. Iako se dakle radi o vodi koja je veoma dobar toplotni izvor, u određenim uslovima nju nije moguće koristiti. Kvalitetan toplotni izvor je neobično važan u izboru rešenja toplotne pumpe, a to dokazuju iskustva u njihovoj eksploataciji. Visoka i konstantoa temperatura toplotnog izvora u toku eksploatacije toplotne pumpe je vrlo važna, jer direktno utiče na koeftcijent grejanja, a time na ekonomičnost toplotne pumpe. Temperatura toplotnog izvora se ne sme značajnije menjati u toku rada pumpe, jer to utiče na tačnost njene regulacije. Toplotni izvor mora imati i veliki kapacitet - izdašnost, da bi se toplotna pumpa ravnomerno snabdevala energijom. Velika izdašnost tog izvora omogućuje i povišenje temperature isparavanja, što direktno utiče na ekonomičnost. Fizičke osobine toplotnog izvora presudno utiču na visinu troškova eksploatacije. Specifična topiota treba da je velika, da bi troškovi prenosa energije bili manji. Ulaganje u toplotni izvor i cena postrojenja za njegovu eksploataciju ne bi trebalo da budu veći od 20% od cene postrojenja toplotne putnpe. U određenim uslovima eksploatacije, za toplotni izvor treba stalno plaćati - ili doprinose vodovodnoj organizaciji, ili, recimo, nadoknadu vlasniku otpadne topiote, ili energiju potrebnu za dopremanje toplotnog izvora do toplotne pumpe. Ti troškovi moraju obavezno da se uzmu u obzir i ne bi trebalo da ugroze ekonomičnost i rentabilnost toplotne pumpe. Mehanička čistoća toplotnog izvora i neagresivnost u odnosu na instalaciju toplotne pumpe, vrlo su važni činioci, kako sa gledišta investicija, tako i odrzavanja. Često se dešava da potreba za dodatnim prečišćavanjem zaprljanih i/ili agresivnih izvora toplote predstavlja tako krupan problem da eliminiše toplotni izvor iz primene. Poznatoje da se svi postavljeni zahtevi ne mogu u celini i jednovremeno ispuniti i da je postizanje realnog optimuma osnovni uslov ekonomtčnosti jednog sistema. Zbog toga, ako se ne može naći jedan „idealan" toplotni izvor, treba pribegavati rešenju sa kombinacijom više njih. Te kombinacije nastaju sa jedne strane kao posledica meteorološko-geografskih uslova i sa druge strane zahteva korisnika. Kada je posle Drugog svetskog rata interesovanje za toplotnim pumpama u individualnim stambenim zgradama počeio da raste, kao osnovni problem se nametnuo izbor toplotnog izvora. Prva ideja je bila da to bude zemlja. Vazduh, kao toplotni izvor, bio je nestabilan. Međutim, porast proizvodnje toplotnih pumpi dovodi do pojave niza problema u njihovoj montaži, pre svega onih koje kao toplotni izvor koriste zemlju. Problemi su pre svega nastajali pri postavljanju cevnih zmija u zemlju i njihovom održavanju, a posebno u obezbeđivanju neophodnog prostora za njihovo postavljanje ili skupo postavljanje vertikalnih sondi. To je dovelo do smanjenja proizvodnje ovih pumpi i izrade onih koje kao toplotni izvor koriste ipak vazduh. One su imale manje koeficijente grejanja, naročito u krajevima sa izuzetno niskim spoljnim temperaturama. Zbog svega ovoga, sve se češće javljaju toplotne pumpe čiji je toplotni izvor voda (50%), a zatim vazduh (36%) i zemija (7%). Zadovoljavajuće rešenje sa vazduhom kao najrasprostranjenijim toplotnim izvorom još nije nađeno, pa se zato i dalje traga za pravim toplotnim izvorom (ili kombinacijom više njih).

92

Analize ukazuju na mogućnost optimalnog korišcenja sunčevog zračenja, koje bi u sprezi sa pogodnim akumulatorima toplote, odlično zamenili klasične toplotne izvore. Značajnu mogućnost pruža i kombinacija toplotnih izvora, kao što su vazduh i zemlja, vazduh i sunce, sunce i zemlja, podzemne vode i sunce. Ovakve kombinacije omogućuju racionalno iskorišćavanje najboljih osobina pojedinih, toplotnih izvora, istovremenim eliminisanjem onih loših. Poslednjih deset godina intenzivno se razvijaju sistemi sa zemijom kao toplotnim izvorom, više za porodične, a manje za poslovne objekte.

Posebno se istražuje akumulacija toplotne energije, koja može biti od velikog značaja za razvoj toplotnih pumpi. Ova istraživanja su danas naročito značajna za male i srednje toplotne učinke. Poboljšanje stepena iskorišćenja elemenata toplotne pumpe za 10-15% i bolje iskorišćenje toplotnog izvora, uz obezbeđenje srednje temperaturske razlike razmenjivača toplote na hladnoj strani, od 5 K do 10 K omogućuju bolji koeficijent grejanja toplotnih pumpi, naročito onih manjih. Sve ovo treba imati na umu kada se radi na utvrđivanju optimalne tačke u ravnoteži sistema, odnosno obezbeđenju najvećeg toplotnog učinka kada je on i najpotrebniji. Najčešci slučaj je da sa porastom spoljašnje temperature raste i učinak toplotne pumpe i obratno. Pri niskim temperaturama spoljnjeg vazduha, nastaje deficit toplotne energije, koji mora biti pokriven. Potrebna količina energije se može obezbediti iz akumulatora toplote, uključivanjem dodatnog izvora toplotne energije, najčešće klasičnog oblika energetskog izvora, ili uključivanjem toplotnog izvora sa višom temperaturom. Dimenzionisanje toplotne pumpe prema ekstremno niskim temperaturnim uslovima bilo bi neekonomično. Pošto je toplotna pumpa još uvek investiciono najskuplji toplotni izvor, njenu veličinu treba odrediti prema nekom optimumu, koji mora podrazumevati lokalne meteorološke uslove i namenu pumpe, kao i sezonsku dinamiku njenog korišćenja.

4.4. Prirodni toplotni izvori

Prirodni obnovljivi izvori topiote se nalaze u našoj okolini i najčešce su „besplatni", odnosno mogu se koristiti bez posebne nadoknade. Dobro je što toplotna pumpa, kao i korišcenje prirodnih izvora toplote, ne zagađuju čovekovu okolinu.

Prirodni toplotni izvori nemaju postojane parametre tokom cele godine, a osobito ne u periodu korišćenja toplotne pumpe (kada se njome greju prostorije), pa se moraju posebno i pažljivo analizirati, Na slici 50 prikazane su promene temperature toplotnog izvora u toku godine. Na dijagramu se jasno vidi da najpovoljniji energetski parametar - temperatura toplotnih izvoranije u direktnoj proporciji sa potrebama grejanja (januar i decembar mesec).

93

Slika 50. Srednja temperatura prirodnitih toplotnih izvora u funkciji godišnjeg doba; 1 -

podzemne vode, 2 - rečne vode, 3 - vode jezera na dubini od 10 m, 4 - rečna voda na većoj dubini i 5-okolni vazduh

Dijagram slici 51. pokazuje mogućnost toplotnog izvora sa aspekta temperaturnog nivoa da u toku cele godine zadovolji potrebe grejanja, tj. koherentnost mogućnosti toplotnog izvora i potreba za energijom.

Slika 51. Međusobna zavisnost toplotnog izvo-ra i godišnjeg doba; 1 - nekoherenniost toplof-nog izvora (vazduii), 2 - toplotni gubici, 3 - kohe-rentnost toplotnog izvora, 4 - temperatura u

gre-janom prostoru

Priroda toplotnih gubitaka (kriva 2 na slici 51) pokazuje usaglašenost odnosno koherentnost toplotnog izvora (kriva 3) kada je potreba za grejanjem praćena temperatumom

94

mogućnošću toplotnog izvora. Nasuprot ovom, nekoherentnost za slučaj vazduha kao toplotnog izvora (kriva 5) odgovara neusaglašenim potrebama za grejanjem i toku temperatumog nivoa u grejnoj sezom.

4.4.1. Vazduh

Vazduh je toplotni izvor koga ima u najvećim, bolje reći neograničenim, količinama, koji je „besplatan" i čije su mogućnosti korišćenja kao toplotnog izvora najpovoljnije. Međutim, njegovi nedostaci kao toplotnog izvora su njegova nekoherentnost, promenljivost temperature tokom godine, kao i vrlo nepovoijne termičke osobine. Niska specifična toplota, mali koeficijent provođenja toplote i obrazovanje leda na nižim temperaturama, stvaraju određene tehničke probleme u izboru odnosno konstruisanju i dimenzionisanju isparivača za toplotne pumpe. Uspešnirn rešavanjem ovih nedostataka u poslednje vreme, omogućeno je korišćenje toplome pumpe sa vazduhom kao izvorom toplote, i za snage preko 50 kW. Tokom dosadašnjeg razvoja toplotne pumpe, najveći broj proizvedenih manjih jedinica su baš pumpe koje kao toplotni izvor koriste vazduh. To su toplotne pumpe tipa vazduh-vazduh, kojima se, zbog odsustva potrebe za posrednikom između toplotne pumpe i toplotnog ponora, omogućuju relativno povoljni koeficijenti grejanja u većem delu grejne sezone. Na dijagramu (sl. 50) smo već videli da ovaj tip toplotne pumpe ima veliki nedostatak, jer priroda potrebe za energijom grejanja ne odgovara prirodi raspoloživog grejnog učinka. Međutim, ovaj period je vrlo kratak (sl. 51). Koeficijent grejanja toplotne pumpe iznosi nešto ispod 3. Sa opadanjem spoljne temperature, opada i temperatura isparavanja, pa i kapacitet kompresora, što direktno utiče na smanjenje toplotnog učinka grejanja. Tako dolazi do potrebe za dodatnim grejanjem, koje je izraženo razlikom izmedu gubitaka toplote i toplotnog učinka. Nominaini kapacitet kompresora, tj. odnos početnih i krajnjih uslova, u srazmeri je 1:4, što treba imati u vidu pri regulisanju kapaciteta toplotne pumpe, jer može znatno uticati na njenu ekonomičnost. Uticaj regulacije toplotnih pumpi sa vodom i tri siučaja sa vazduhom kao toplotnim izvorom, prikazani su na sl. 52, gde se vidi (gornji deo dijagrama) da najbolji ko-eficijent grejanja ima toplotna pumpa sa stepenastom regulacijom, slabiji sa regulacijom od 50%, a najslabiji pumpa bez regulacije.

95

Slika 53 Uticaj regulisanja kompresora na koeficijent grejanja

Kada temperatura isparavanja u vazdušnoj toplotnoj pumpi padne znatno ispod 0°C, na isparivaču se formira led. Ovaj led utiče pre svega na smanjenje koeficijenta prelaza toplote i povećava otpor strujanju vazduha, zbog čega se naglo smanjuje učinak isparivača, pa samim tim i ekonomičnost toplotne pumpe. Veća količina leda zahteva češce otapanje i dovodi do neravnomernije isporuke toplotne energije korisnika. Razlika između temperatura okolnog vazduha i isparavanja je obično između 5°C i 10°C, što znači da led počinje da se stvara pri temperaturi spoljnjeg vazduha od 5°C. Led na isparivaču se otapa prekidom rada toplotne pumpe i daljom cirkulacijom vazduha, ako je temperatura vazduha iznad 2°C. Kada su temperature vazduha ispod 0°C, otapanje se mora vršiti reverzibilnim metodom (isparivač postaje kondenzator). To se takođe može izvržiti dodatnom energijom ili vodom. Kada je temperatura isparavanja iznad 0°C, nastaju veće količine vlage, pa se u ovakvim situacijama mogu očekivati i nešto veći koeficijenti prelaza toplote, sa neznatnim povećanjem strujanja vazduha preko lamela isparivača.

Učestalost otapanja isparivača je u funkciji ne samo spoljne temperature, nego i relativne vlažnosti. Iskustva su pokazala da je rad na temperaturi od 2°C do -7°C, pri visokoj relativnoj vlažnosti, naročito kritičan u pogledu otapanja i učestaiosti otapanja. Suv i hladan zimski vazduh, čija je temperatura ispod -7°C, može da omogući bolji rad isparivača, utoliko što nije potrebno često otapanje.

Toplotne pumpe koje koriste vazduh kao toplotni izvor, imaju još i nedostatak što stvaraju veliku buku vibracijom, utoliko veću, tikoliko je i uređaj veći. Mesto isparivača za toplotnu pumpu, koje je vrlo često van objekta, zahteva posebne mere predostrožnosti. Vazduh nije uvek čist i ima sastojke koji mogu izazvati koroziju, a vremenom i prestanak rada isparivača.

U našim klimatskim uslovlma, pojava izrazito niskih temperatura je vrlo retka, s tim-što im je učestalost mala, a trajanje kratko. Zato se one ne moraju uzimati kao reperne pri odlučivanju da li primeniti ili ne toplotne pttmpe sa vazduhom kao izvorom toplote.

96

Kako je vazduh najrasprotranjeniji topiotni izvorsa širokim dijapazonom radnih temperatura, može se zaključiti siedeće:

- Okolni vazduh je besplatan i dostupan u velikm količinama. On je za jedan grejni period povoljniji od vode, zbog čega se toplotne pumpe sa spoljnim vazduhom kao toplotnim izvorom kombinuju sa klasičnim sistemima grejanja. Opadanjem spoljne temperahire značajno opada koeftcijent grejanja a time i ekonomičnost toplotne pumpe. Na temperaturama ispod 0°C dolazi do smrzavanja vazdusnih razmenjivača toplote pa njihovo otapanje, zbog dodatne energije, dodatno remeti ekonomičnost toplotne pumpe. - Otpadni vazduh iz ventilacionih sistema ima znatno povoljnije temperature i ukoliko se ventilacija koristi u toku cele godine, opravdana je upotreba toplotne pumpe: Toplotna pumpa vraća otpadnu toplotu ventilacionom sistemu, što je mnogo povoljnije nego da se koristi voda kao toplotni izvor. U većim sistemima toplotna pumpa sa otpadnim vazduhom kao toplotnim izvorom koristi se u sistemu rekuperacije toplote.

4.4.2. Voda

Voda, kao prirodni toplotni izvor za toplotnu pumpu, predstavlja idealno rešenje, zbog svojih odličnih tennodinamičkih osobina. Specifična toplota vode je u odnosu na vazduh četiri puta veća, pa je i u jedinici mase veća sadržina toplote, te su protoci vode četiri puta manji. Pored toga, koeficijent prelaza toplote je mnogo veći, što dozvoljava znatno manje površine razmenjivača toplote. Pored drugih prednosti, moguća je i izrada mnogo kompaktnijih toplotnih pumpi sa vodom kao toplotnim izvorom. Međutim, iako vode ima svuda oko nas, ona je sve skuplja i njeno korišćenje se mora strogo kontrolisati, naročito ako se radi o vodama koje imaju dobar kvalitet. Površinske vode, a naročito vodotokovi, sve su zagađeniji, zbog čega se danas reke vrlo retko zamrzavaju. To ide u priiog korišcenju reka kao toplotnih izvora. Reke, kao i vode uopšte, imaju relativno koherentan odnos između potreba za toplotom i mogućnosti njenog dobijanja. Najveća iskutstva u eksploataciji površinskih voda ima Švajcarska. Ona su pokazala da do sada nije bilo problema sa termičkim zagađenjem voda, koje bi moglo nastati oduzimanjem toplote pri ekspioataciji toplotnih pumpi.

U određenim uslovima, kada je izdašnost vodenog toplotnog izvora mala, na primer usled niske temperature vode, potrebna količina toplote se obezbeđuje promenom faze i stvaranjem sloja leda na isparivaču. Ovom režimu treba pribegavati samo u izuzetnim slučajevima, zbog naglog snižavanja temperature isparavanja, a time i koeficijenta grejanja. Za ovakve režime treba predvideti posebne vrste isparivača na kojima je moguće formiranje leda. Kada topiotna pumpa ne radi, sa isparivača se led otapa vodom iz toplotnog izvora. Temperature rečniih voda zimi kreću se od 11°C do 2°C, a leti i do 2°C. Korišćenje energije rečnih voda za toplotne pumpe u našoj zemlji za sada nije posebno pravno regulisano, dok u zapadnoj Evropi već postoje propisi o toj primeni. Kod nas postoje realne mogućnosti korišćenja energije tekućih rečnih voda za toplotne pumpe.

Izuzetno veliko iskorišćenje energije iz rečnih voda kao toplotnog izvora, kada je vodostaj reka nizak, a protok mali, može dovesti do pothlađivanja vode, a time i do termickog „zagađenja". Rečna voda obično sobom nosi čvrste predmete (kamenje, drveće i sl.), pa se

97

zbog toga mora predvideti i grubo prečišcavanje voda. Ovakvo prečišćavanje može znatno da smanji troškove održavanja isparivača.

Zbog neposrednog kontakta veće količine vode sa isparivačem, a time i manjih temperaturskih razlika između vode i rashladnog fiuida, dobijaju se povoljniji koeficijenti grejanja od onih kada se koriste dobošasti ili pločasti isparivači. U ovakvim slučajevima vrlo je značajan problem održavanja vodozahvata i samog isparivača. Održavanje podrazumeva periodično pražnjenje i čišćenje vodozahvata kao i čišcenje površine isparivača. Ovakvi isparivači su zbog velike količine rashiadnog fluida i same konstrukcije vrlo skupi, i ne sme se dozvoiiti nikakvo oštećenje koje bi izazvalo zastoj celog sistema. Ukoliko se voda transportuje cevima do toplotne pumpe, potrebno je optimizovati pumpno postrojenje, što direktno utiče na rentabilnost toplotne pumpe. Voda se obično transportuje cevima postavljenim u zemlju. One mogu, ali ne moraju, biti izolovane, što zavisi od dubine i dužine na kojoj se postavljaju. Ukoliko se iskorišćena i pothlađena voda vraća u reku, to treba učiniti u nizvodnom toku. Rečna voda je obično takvog kvaliteta da je ne treba obrađivati, ali treba voditi računa o njenoj nečistoći. Jezerska voda je po mogućnostima primene vrlo slična rečnoj, osim što se zbog sporog kretanja vode, manje koriste uronjeni isparivači. U jezerskoj vodi je češća pojava algi, pa ako se u nju uranjaju isparivači, oni se rade u obiiku ploča, radi lakšeg čišćenja i boljeg opstrujavanja vode. Kada se koriste dobošasti isparivači, vodozahvat mora biti posebno izveden, tako da se izbegne vraćanje ohlađene vode u njega. Dubi-nu sa koje treba uzhnati vodu treba pažljivo odabrati, zbog veoma izraženog tempe-raturnog gradijenta. Ako toplotna pumpa radi u toku cele godine, potrebno je predvi-deti dva usisna otvora, niži za zimske, a viši za letnje uslove. Temperature podzemnih i bunarskih voda do oko 20 m dubine, kreću se od 5°C do 15°C i više, sa malim kolebanjem u toku godine. Temperarura vode zavisi od dubine sa koje se uzima i ona je stabilnija ukoliko se voda crpi sa veće dubine. Iz tih razloga su ove vode vrlo pogodne za toplotne pumpe manjih i srednjih učinaka, jer je za veći učinak izdašnost ovih voda najčesće nedovoljna. Zemlju kao toplotni izvor vrlo često koristimo preko podzemnih voda, koje se dovode do toplotnih pumpi i time posredno odvodi toplota iz zemlje. Za takve sisteme voda se iz zemlje preko bunara, podzemnih kanala, pukotina i sl., dovodi do toplotne pumpe. Karakteristična su tri slučaja prikazana na slici 53. Prvi je kada postoji samo jedan bunar iz koga se voda uzima i vraća. Drugi sistem je sa dva bunara (slika 53a), jedan služi za izuzimanje vode, a u drugi se vraća iskorišćena voda. Treći slučaj je sa jednim bunarom (slika 53b), pri Čemu se odvođenje vode vrši u otvorene vode (reka ili jezera). Za ove sisteme viio su važni kvalitet i kvantitet vode, Što se mora ispitati pre nego Što se pristupi realizaciji sistema. Posebno se mora imati u vidu da ovakvi izvo-ri sadrže veću količinu kiseonika i minerala, Što usiovljava posebnu zaštitu cd korozije i odstranjivanje naslaga u razmenjivačima toplote. Takve sisteme tretiramo kao topiotne pumpe tipa vođa-vocla ili voda-vazduh.

98

a) b)

Slika 53. Bunar kao toplotni izvor; a) - sistem sa dva bunara, b) -sistem sa jednim bunarom sa odvodom u površmske vode

Za donošenje odluke o korišćenju podzemnih voda, obično se vrše prethodna istraživanja i to probnim bušotinama, prema kojima se utvrđuju nivo, izdašnost, tem-peratura i sastav vode. Prvo se iskopaju jedan ili dva bunara. Između bunara rastojanje treba da bude veće (najmanje 15 m), da se ne bi obrazovala kratka veza. Veće rastojanje omogućuje da voda primi toplotu zemlje (geotermalnu energiju). Ptibližno potrebna izdašnost bunara za toplotni učtnak od 20 kW je od 2 m3/h do 3 m3/h. Voda iz bunara se vrlo često mora prečišćavati, radi odstranjenja peska i mulja, naročito ako se voda iz bunara ne koristi za piće. Kvalitet vode treba da bude u granicama maksimalno dozvoljenih vrednosti:

- Falctor pH 6-8 - oksidi gvožđa do 1 mg/l - mangan do 1 mg/l - slobodni CO-, do 10 mg/l - sulfat do 100 mg/l.

U gradovima nije potrebno graditi bunar za odvođenje vode, jer se gradska kanalizaciona mreža može koristiti za odvod ohlađene vode, ali samo za manje toplotne učinke. Za veće toplotne pumpe mora se praviti poseban koiektor-priključak.

4.4.3. Zemlja

Zbog svoje relativno konstantne temperature tokom godine, zemlja je pogodna kao toplotni izvor za topotne pumpe. Ima je u velikim količinama i u neposrednoj blizini korišćenja nisu, bar za sada, potrebne nikakve dozvole za njeno korišćenje u ovu svrhu. Toplotna pumpa, čiji je toplotni izvor zemlja, jeste sistem koji koristi razmenjivač tolote u obliku cevne zmije projektovan tako da od zemlje odvodi ili u zemiju dovodi toplotu. Blizak kontakt sa zemljom obezbeđen je, obično, jednom ili više plastičnih cevnih zmija, ukopanih vertikalno ili horizontalno u zemlju. Fluid, voda, rasolina ili rashladni fluid, cirkulišu kroz cevi prenoseći toplotnu energiju do razmenjivača toplote toplotne pumpe ili od

99

njega. U klasičnoj reverzibilnoj toplotnoj pumpi razmenjivač toplote može biti ili isparivač ili kondenzator, u zavisnosti od toga da li se toplotna pumpa koristi za grejanje ili za hlađenje. Sistemi sa zemljom kao izvorom toplote su investiciono skuplji po jedinici snage od onih kod kojih je izvor vazduh ili voda, ali su eksploatacioni troškovi relativno niži, što za neke uslove gradnje daje prednosti ovim vrstama tolotnih pumpi. Cevne zmije položene u zemlju, kod kojih je razmenjivač toplote u direktnom kontaktu sa zemljom, imaju konstantan protok kvalitetno obrađenog fluida (voda ili glikol), zbog čega takvi sistemi nemaju probleme koje imaju otvoreni sistemi sa vodom. Zmije se postavijaju horizontalno ili vertikalno (slika 54). Temperatura zemlje neposredno u zoni razmenjivača toplote je presudna za određivanje koeficijenta grejanja toplotne pumpe. Na sl. 61 je prikazana primena temperature zemlje na raznim dubinama, u zavisnosti od doba godine . Najmanje kolebanje temperature je na dubini od 6 m i iznosi ±1,5 K, dok je najveće kolebanje blizu površine i prati kolebanje temperature okolnog vazduha. Na dubini od oko 1 m, 90% toplote se dobija iz okolnog vazduha i od sunca, a senke iz okoline znatno utiču na toplotni fluks. Toplota dobijena iz dubine zemlje u ovom slučaju iznosi samo 10%. U ovakvim slučajevima (do dubine od 2 m) koriste se isključivo horizontaine cevi, koje zadovoljavaju potrebe za grejanjem manjih i srednjih objekata.

Slika 54 Polaganje cevne zmije u zemlju (horizontalni i vertikalni razvod)

Za manje instalacije postavljaju se horizontalne cevi na dubini od 0,5 do 2 metra, sa korakom između cevi od 1 do 3 metra. U takvim uslovima specifični toplotni učinak je u intervalu od 20 do 40 W/m2, ali se već pri vrednosti od 25 W/m2 mogu dobiti dobri rezultati. Cevi su od metala ili piastike. Po merenjima Rouvela, površi-ni od 500 m2, sa 450 m cevi, ostvareno je opterećenje ispartvača od 13 kW, odnosno 26 W/m2. Stvaranje leda je primećeno u prećniku od 50 m od cevi isparivača, što je ukazalo na mogućnost smanjenja razmaka između cevi na 80 cm, i do povećanja speciftčnog toplotnog opterećenja na 39 W/m2. I pri korišćenju zemlje kao toplotnog izvora za veće objekte, mogu se primeniti horizontalne cevne zmije, ali to zahteva vrlo velike, slobodne površine, na kojima je obično ugrožena vegetacija. Zato te slobodne površine imaju ograničenu upotrebu. Za vrlo velike objekte, gde postoji problem postavljanja horizontalnih cevi, koriste se vertikalni cevni registri za iskorišćenje toplotnog potencijala zemlje. U takvim slučajevima 90% potrebne toplotne energije dolazi iz zemlje, a samo 10% od sunca i okolnog vazduha.

100

Vertikalni razmenjivači toplote imaju ekonomskog opravdanja kada se postavljaju na dubine veće od 50 m, jer temperaturni gradijent raste sa povećanjem dubine. U cevima postavijenim horizontalno ili vertikalno, nalazi se rashladni fluid, ili rasolina (sa tačkom mržnjenja znatno ispod 0°C). Međutim, zbog visokih ulaganja i problema održavanja, najčešće se koristi rasolina (antifriz - dvadesetprocentni etil-glikol). Vertikalne cevne zmije postavljaju se u vertikalne rupe uz pomoć mašina za bušenje. Oko cevi se injektira materijal koji ostvaruje bolji kontakt cevi i zemlje. Horizontalne cevi se postavijaju u jednu ili više brazdi na dubini obično od 1 do 2 m. Pad pritiska treba da je što manji, kako bi se utrošak pogonske energije celokupnog sistema toplotne pumpe sveo na što je moguće manju meru.

Posebno je važno dugoročno sagledavanje iscrpljivanja (osiromašenja) zemije kao izvora toplote. Promena temperature zemlje u zoni cevi kontinualno se menja, izrazito kod toplotnihoj pumpi sa funkcijom grejanja. Pri prenosu toplote na zemlju, vlaga se od zemlje odvodi iz neposredne blizine cevi. Kada cev hladi zemlju (toplotna pumpa greje), vlaga iz zemlje se kreće prema cevima. To uslovljava sušenje zemlje i povećanje otpora prenosu toplote. Ukoliko nema kvalitetnog priliva toplote od okoline, zemlja u zoni oko cevi vremenom se zamrzava. Kada su cevi plitko ukopane (horizontalna varijanta), na problem smrzavanja zemlje utiču i temperatura spoljnog vazduha i osunčanost terena. Ukoliko se radi o vertikalno položenim cevima, značajniji je uticaj temperature okolne zemlje i priliv toplote od susednih slojeva zemlje. Što su cevi na većoj dubini, kolebanje temperature je manje. Na pogodnost zemlje kao toplotnog izvora u velikoj meri utiču njene termičke karakteristike, koje se mogu utvrditi ispitivanjem ili vizuelnim opažanjem. Prirodna vlažnost zemlje mora biti poznata. Vlažnija zemija je pogodnija kada se toplotna pumpa koristi za grejanje, jer cevna zmija pothlađuje okolne slojeve zemlje, omogučavajući tako kretanje vlage prema cevima, što povećava efekat razmene topiote (bolji koeficijent provođenja). Efektivna razmena toplote odvija se do temperature smrzavanja vlage u zemiji neposredno u blizini cevi i na cevi. Takva rešenja zahtevaju primenu mešavine glikola i vode. Kada se zemlja koristi kao toplotni ponor (hlađenje), slojevi zemlje oko cevi se suše i postoji mogućnost stvaranja pukotina oko cevi, tj. smanjuje se kontaktna površina između cevi i zemlje. U nekim slučajevima kontakt zemije sa cevima (sistem za grejanje) više neće biti uspostavijen kao homogena celina.

Za vreme pogona, opada temperaturni gradijent zemlje, zbog čega se javlja difuzija vode prema cevnim zmijama, oko kojih se stvara led. Time se povećava termički otpor. U zoni razmenjivača toplote, stvara se promenljivo polje vlage, koje menja termofizičke osobine tla. U ovakvim slučajevima, koeficijent prolaza, na primer, peska, menja se od 0,25 do 2,5 W/mK . Hlađenjem se zemlji povećava zapremina i to najpre u zoni cevi, pa sve dalje. Stvaranje leda može smanjiti koeficijent prolaza toplote i do 10%, te se zbog toga u neposrednoj blizini cevi stavlja pesak koji i posle smrzavanja omogućava bliski kontakt mase sa cevima. U blizini cevi se, osim peska, mogu postavljati i drugi materijali, koji ispunjavaju ovaj zahtev. Naročito je interesantno rešenje sa vodonosećim materijaiima. U trenutku prekida rada toplotne pumpe, zemlja počinje da se zagreva i njeni pojedini delovi se odvajaju, pa se stvaraju čitave pukotine u neposrednoj blizini cevi. Međutim, zemlja u prirodnoj sredini sadrži vodu. Sadržaj vode (vlaga) je funkcija vrste zemlje i klime. Prilikom projektovanja mora se znati minimaini godišnji sadržaj viage za

101

period najintenzivnijeg odvođenja toplote za potrebe toptotne pumpe. Uticaj efekta smanjenja gustine na vrednost koeficijenta topiotnog otpora pri-kazan je na slici 64. Koeficijent toplotne provodjivosti je relativno konstantan do cca 30% sadržaja viage. Difuzija toplote takođe utiče na promenu gustine. To je veličina koja pokazuje koliko se brzo toplota odvodi od toplotnog izvora.

Toplotni kapacitet (kJ/m3K) materijala je proizvod specifične toplote (kJ/kgK) i gustine (kg/m3). Toplotni kapacitet zemlje je suma toplotnih kapaciteta komponenata koje čine zemlju.Termičkastabilnost zemlje je definisana kao kritični sadržaj vlage. Pri projektovanju je važno obratiti pažnju na troškove izrade razmenivača toplote, smanjenje potrebne površine za smeštaj cevnih zmija, jednostavnu montažu i održavanje i dug eksploatacioni vek. Vertikalno postavljene cevi imaju prednost u odnosu na horizontaine, jer je veći deo cevi u zoni zemlje sa većim sadržajem vlage, što je obično posledica kretanja podzemnih voda. Sa druge strane, kod vertikalnih cevi gde su najčešće dovodna i povratna cev u bliskom kontaktu, smanjuje se efekat razmene topiote sa zemljom. To se delimično koriguje većim dužinama cevi.

Kod horizontalnih cevi bolji prenos toplote ostvaruje se zbog kiše, snega i drugih faktora. Horizontalne cevi postavljene jedna iznad druge smanjuju razmenu toplote sa zemljom u odnosu na jedan red cevi. Ista pojava je i pri relativno malom rastojanju iz-među cevi. Raspored cevi u horizontalnom sistemu može biti na dva načina (slika 55) Cevi se postavljaju u posebno iskopane rovove u koje se najčešce sipa pesak, ili se cevi polažu na cehi slobodnu površinu u širokom otkopu, a zatim pokrivaju zemljom.

Drugi način se najčešće izvodi kada se na terenu već izvode zemljani radovi, pa postoji potreba za nivelisanjem ze-mljtšta ili se vrši zamena httmusa i slično. Zatrpavanje cevi može se vršiti drukčijim materijalom od osnovnog, pri čemu se mora voditi računa o ponašanju zemije u toku eksploatacije. Nabijena zemija poboljšava efekat kontakta, pa se mora voditi računa o nacinu i intenzitetu nabijanja.

Slika 55. Način postavljanja horizontalmh cevi

102

4.4.4. Sunčeva energija

O mogućnostima korišćenja sunceve energije dugo je razmišljano, da bi tek u poslednje vreme postalo predmet ozbiljnijih izučavanja. Sunce se koristi na razne načine, a njegova energija se izdvaja konverzijom toplote preko kolektorskih površina. Količina izdvojene energije direktno zavisi od sunčevog zračenja. Međutim, pošto je sunčevo zračenje obrnuto proporcionalno potrebi za grejanjem, to je direktno korišćenje ovog zračenja za potrebe grejanja u našim uslovima skoro nemoguće. Prijemnici sunčeve energije su mnogo efikasniji u sprezi sa toplotnom pumpom, jer kolektori rade sa nižim ulaznim temperaturama, odnosno većim stepenom iskorišćenja

4.5. Sorpcioni rashladni uređaji Veliki broj procesa je zasnovan na sagorevanju fosilnih goriva, gde se nakon proizvodnje npr. pare, određeni deo toplote predaje okolini, kao otpadna toplota. Otpadna toplota se može iskoristiti za proizvodnju rashladne energije primenom toplotom pogonjenih čilera ili toplotnih pumpi, poput onih sa absorpcionim rashladnim ciklusom. Ovakvi sistemi mogu da smanje opterećenje električne mreže u letnjim mesecima i da pozitivno utiču na smanjenje emisija CO2 iz procesa sagorevanja goriva i smanjenje upotreba sistema sa freonima. Princip rada i podela absorpcionih uređaja biće kratko predstavljen u nastavku prema [8,9] . Za korišćenje niskotemperaturnih izvora energije, mogu se koristiti toplotne pumpe za podizanje temperaturnog nivoa koje koriste za taj proces električnu energiju ili toplotni izvor kod pumpi sa adsorpcijom pare ili sorpcijom gasa, gde se koristi termohemijska energija povratne hemijske reakcije za promenu temperaturnog nivoa dostupne toplotne energije. Opšti proces se odvija u dve faze: adsorpcija/sinteza/produkcija i desorpcija/regeneracija/dekompozicija, gde je proces sinteze zapravo faza hlađenja, nakon koje dolazi faza regeneracije tokom koje dolazi do dekompozicije. Toplotom pogonjeni čileri obezbeđuju hlađenje za klimatizaciju prostora u stambenim zgradama. Za sisteme klimatizacije, obično je potrebna hladna voda od 6-16°C. Ovde su pogodni absorpcioni i adsorpcioni čileri. U slučaju primene u prehrambenoj industriji, često treba dostići niske temerature, npr. u svrhu hlađenja (od 0 do -30 °C), pa se zbog toga koriste absorpcione mašine amonijak-voda.

Rashladna energija ima primenu u mnogim sferama ljudskog života, npr. u procesnoj prehrambenoj industriji, za klimatizaciju, u farmaceutskoj industriji i td. Konvencionalni rashladni ciklusi, koji rade po ciklusu sa kompresijom pare, donose sledeće probleme kada je u pitanju održivi razvoj: Doprinose globalnom porastu potrošnje primarne energije: Tradicionalni rashladni ciklusi zahtevaju upotrebu električne ili toplotne energije, koja značajno povećava potrošnju električne energije i fosilnih goriva. Po procenama Internacionalnog instituta za Hlađenje u Parizu (The International Institute of Refrigeration - IIF/ IIR) oko 15% ukupno proizvedene električne energije u svetu se koristi za hlađenje i klimatizaciju u raznim procesima, dok je procenjena potrošnja energije za klimatizaciju čak 45% ukupne potrošnje energije za

103

stambene i komercijalne zgrade. Popularizacijom klima uređaja, javljaju se vršna opterećenja u letnjem periodu. Rashladni fluidi koje se tradicionalno koriste nose sa sobom niz posledica po životnu okolinu: Tipični rashladni fluidi (freoni) imaju negativan uticaj na ozonski omotač i doprinose globalnom zagrevanju. Nakon protokola u Montrealu 1987, teži se smanjenju emisija ovih jedinjenja u atmosferu. Evropske regulative 2037/2000, usvojene oktobra 2000. Ukazuju na niz mera za kontrolu i smanjenje upotrebe svih substanci koje utiču na ozonski omotač, i predlaže se zabrana upotrebe ovih jedinjenja 2015.

Iz navedenih razloga, novija istraživanja su usmerena ka razvoju tehnologija koje nude smanjenej potrošnje energije, smanjenje vršne potrošnje električne energije, smanjenje troškova energije i sl. Pored ovoga, vodi se računa o održavanju pa čak i poboljšanju uslova komfora za aplikacije hlađenja i klimatizacije. Jedan od pravaca razvoja je i solarno hlađenje, koje se zasniva na upotrebi sorpcionih tehnologija. Ove tehnologije nude niz prednosti iz razloga što njihova primena nema pomenute negativne efekte konvencionalnih rashladnih tehnologija, a pored toga, najveći intenzitet solarne radijacije tj. najveća dostupnost solarne energije, podudara se sa periodom najvećih potreba za hlađenjem.

Kao što je već objašnjeno, solarne energija se može transformisati u toplotnu ili električnu energiju. Primenom sorpcionih mašina, ovako dobijenu toplotnu energiju je moguće koristiti u sorpcionim rashladnim ciklusima. Kako se efikasnost fotonaposne solarne konverzije u poslednjih par decenija povećala neznatno, rashladni sistemi sa električnim pogonom, ograničava se mogućnost upotrebe solarnih tehnologija za pogono ovih sistema. Pored ovoga, cena fotonapnske konverzije je još uvek dosta visoka. Sistemi za solarnu termalnu konverziju, koji su ranije opisani, nude daleko veću efikasnost konverzije solarne energije, nižu cenu, a toplota dobijena primenom ovih sistema se može koristiti za pogon sorpcionih sistema – absorpcionih i adsorpcionih, koji će biti opisani u daljem tekstu.

Današnji sistemi za hlađenje koji koriste solarnu toplotnu energiju se uglavnom zasnivaju na procesu sorpcije: proces absorpcije tečnosti i gasa i proces adsorpcije čvrstog tela i gasa. Adsorpcioni proces podrazumeva promenu faze substance iz jedna faze, praćene akumulaciojm ili koncentracijom na površini druge substance. Sa druge strane, absorcija je proces gde materija prelazi iz jedne faze u drugu (npr tečnu), prodirući u drugu fazu i stvarajuči rastvor. Uopšteno govoreći, glavna razlika između absorpcije i adsorpcije je u prirodi sorbenta i trajanju sorpcionog ciklusa, koji je značajno duži kod adsorpcije.

Dva glavnasvojstva koja opisiju efikasnost solarnog sorpcionog rashladno sistema su koeficijent hlađenja (CH) I solarnog hlađenja (SCH): CH = (rashladna snaga)/(energija koju system primi)

CHS= (rashladna snaga)/(energija koju primi solarni kolektor)

Očigledo je da na CHS utiče efikasnost solarnog kolektora, pa je ova veličina manja od CH.

104

4.5.1. Absorpcione toplotne pumpe

Fenomen absorpcije predstavlja mešanje gasa i tečnosti, pri čemu postoji jak afinitet između dva fluida za stvaranje rastvora. Proces je reverzibilan. Absorpcioni ciklus se najbolje može oslikati na primeru absorpcionog ciklusa sistema H2O-LiBr (slika 56).

1. Pumpom se bogati rastvor transportuje ka zoni visokog pritoska,

2. Mešavina se zagreva u generatoru. Toplotna energija (otpadna toplota ili solarna energija) doprinosi separaciji rashladnog fluida (vode) i absorbenta (rastvor LiBr)

3. Para rashladnog fluida prolazi kroz kondenzaator, ekspanzioni ventil i isparivač. Efekat hlađenja se postiže u procesu isparavanja ovog flluida u isparivalu na niskim pritiscima.

4. Slab rastvor se vraća u absorber, prolazeći kroz presostat.

5. Dolazi do procesa absorpcije pare rashladnog fluida u slabom rastvoru absorbera koji dolazi iz generatora, nakon čega se ciklus ponavlja.

Većina absorpcionih sistema su jednostepeni, sa ravnim solarnim prijemnicima na nsikim temperaturama. Postoje i dvostepeni sistemi na tržištu, koji imaju koeficijent hlađenja 1.0—1.2, i trostepeni sistemi sa koeficijentom hlađenja 1.7 (slika 56). Iako su efikasniji, višestepeni absorpcioni ciklusi zahtevaju više ulazne temperature, koje je moguće ostvariti upotrebom vakuumskih kolektora ili koncentrišućih kolektora.

4.5.1.1. Absorpcioni čileri

Absorpcioni čileri koriste cilus koje pokreće generator/apsorber, umesto kompresora, a za dobijanje toplote je moguće koristiti ciklus suprotnog smera. Toplota se dovodi cevima u generator što uzrokuje ključanje razređenog rastvora apsorbenta u njemu Para rashladnog fluida sada struji kroz eliminatore do kondenzatora. Ovde se rashladni fluid kondenzuje na spoljašnjoj strani cevi hlađenih rashladnom vodom. Oba procesa se odvijaju u posudi sa zajedničkim prostorom pare na pritisku od oko 6 kPa. Ovaj kondenzovani rashladni fluid se sada transportuje do isparivača. Tečni rashladni fluid ključa dodirujući spoljašnju površinu cevi koje sadrže vodu koja odaje toplotu potrebnu za ključanje rashladnog fluida. Rashladni fluid koji nije proključao se skuplja na dnu isparivača, pumpa se i propušta ponovo preko cevi isparivača. Razređeni rastvor apsorbenta koji ulazi u generator povećava koncentraciju dok ključa i oslobađa vodenu paru. Ovako dobijeni jaki rastvor apsorbenta teče kroz razmenjivač rastvora gde se hladi grejući razređeni rastvor apsorbenta na svom putu ka generatoru. Jednostepeni apsorpcioni čiler u osnovi radi na isti način kao i kod kompresionog sistema sa tom razlikom da je ovde kompresor zamenjen kolom za rastvor koje apsorbuje paru niskog pritiska a desorbuje paru visokog pritiska. Pregrejanu paru koja izlazi iz predhladnjaka apsorbuje rastvor. Pumpa diže pritisak rastvora do pritiska kondenzatora i vrši se desorpcija pare na račun toplote visokotemeraturnog izvora. Rastvor niske koncentracije se dovodi na pritisak isparivača provođenjem kroz prigušni ventil i vraća se u apsorber.

105

Promenu koncentracije u apsorberu i desorberu prati promena temerature saturacije (zasićenja). Ovo „klizanje“ temperature u desorberu teži da apsorbuje toplotu koje bi u idealnom slučaju bila iskorišćena za generaciju pare. U apsorberu, više pare se izgubi nego što bi se dobilo iz samog procesa apsorpvije. Da bi se smanjili ovi gubici energije, rekuperativni izmenjivač toplote se postavlja između desorbera i apsorbera. Još jedna velika razlika između apsorpcionog i kompresionog sistema je radni fluid. U većini slučajeva, kompresioni sistemi koriste standardne rashladne fluide. Kod apsorpcione mašine to može biti čisto rashladni fluid, kao kod sistema litijum bromid/voda ili amonijak/sodijumtiocinat, ili to može biti mešavina, kao što je kod sistema amonijak voda. Za ovakve mešavine, kondenzacija predstavlja dvofazni proces, gde se većina apsorbenta regeneriše u isparivaču a rashladni sredstvo se kondenzuje u kondenzatoru. Toplota iz isparivača se odaje istom ponoru kao i iz kondenzatora. Rashladni fluid i dalje sadrži malu količinu apsorbenta što ima malo uticaja na radnu temeraturu isparivača. Izraz „jednostepeni“ doalzi zapažanjem da bi idealna mašina obezbedila količinu toplote hlađenja jednaku količini toplote koja se dobija iz generatora. Termodinamički gubici uslovljavaju da kapacitet hlađenja kod realnog sistema bude uvek manji od ulazne toplote.

Isparivač Absorber

Generator Kondenzator

Topla vodaVoda za hlađ.

Voda za hlađ. Ohlađ.voda

Slika. 56a. Šema absorpcionog čilera

106

Slika 56b. Osnovna šema jednostepenog apsorpcionog rashčladnog ciklusa/apsorpcione

toplotne pumpe Absorpcioni čileri voda – litijum bromid mogu biti jednostupni i dvostupni uređaji. Jednostupne mašine zahtevaju toplotni izvor niže temperature, ali su im istovremeno ograničene performance (tabela12). Dvostupne mašine imaju poboljšani ciklus sa nekim dodatnim razmenjivačima toplote i uključenim sekundarnim generatorom. One mogu imati veću efikasnost, ali se moraju koristiti više temperature izvora toplote.

Slika 57. Keoficiijent hlađenja u funkciji temperature izvora i vrste ciklusa: jednostepeni –(1-

effect), 2-stepeni (2-effect) i 3-stepeni (3- effect)

Niski prtisak

Visoki pritisak

Para rashladnog fluida

Hladna voda

isparivač

apsorber

Odvod toplote iz procesa

„Termički kompresor“

Pogonska toplota (gasovito gorivo)

Generator pprocesa

kondenzator

Odvod toplote iz procesa

Izmenjivač toplote

Para rashladnog fluida

IT

107

Tabela 12 – Absorpcioni uređaji

Jednostepeni uređaji

Dvostepeni uređaji

Rashladni fluid Voda Voda Amonijak

Apsorbent Lithium Bromide Lithium Bromide Voda

Temperatura rashladne vode 6-7°C 6-7°C -60-0°C

Ulazna temperature toplog fluida 80-90°C 150-200°C 100-130°C

COP 0.6-0.7 1.1-1.2 0.5-0.7

Absorpcioni uređaji amonijak-voda rade po istom ciklusu kao i čileri voda-litijum bromid. U ovom slučaju se kao rashladni fluid koristi amonijak, dok je voda apsorbent (tab.6). Usled ovoga ciklus se odvija na većim pritiscima. Mašine amonijak-voda zahtevaju visoke temperature toplotnog izvora i mogu se koristiti za industrijsko hlađenje, proizvodeći temperature ispod 0°C.

Za pogon absorpcionog sistema, potrebna je topla voda temperature 60 do 75 °C, što se lako može postići upotrebom solarnih sisetma. U poređenju sa jednostepenim čilerom, dvostepeni imaju približno isti koeficijent hlađenja sa konvecnionalnim sistemima, dok su operativni troškovi manji i do 50%. Tabela13 Poređenje absorpcionih sistema NH3-H2O i H2O-LiBr Radni par prednosti nedostaci NH3-H2O Isparavanje na temperaturama ispod 0 °C Toksični I opasni po zdravlje

(amonijak) Visoki radni pritisci

H2O-LiBr Visoki koeficijent hlađenja Niski radni pritisci Povoljni sa aspekta životne sredine Velika latentna toplota isparavanja

Rizik kristalizacije iziskuje upotrebu dodatne opreme Relativno skupi (LiBr)

Radni parovi koje se najčešće koriste kod solarnih absorpcionih sistema su H2O-LiBr i NH3-H2O. Vodaje rashladni fluid dok je LiBr absorbent u prvom slučaju, nasuprot ovome, Amonijak je rashladni fluid a voda absorbent u drugom slučaju. Svaki od ovih radnih parova ima svoje prednosti i nedostatke. Sistemi NH3-H2O se češće koriste u industriji, dok su sistemi H2O-LiBr uglavnom pogodniji za potrebe klimatizacije. Postoje i istraživanja sa drugim radnim parovima, poput NH3-CaCl2 i NH3- SrCl2. Ovi uređaji su korišćeni za solarnu proizvodnju leda i pokazali koeficijent hlađenja od 0.1 sa NH3-CaCl2 ciklusom, dok su cilusi sa SrCl2. Pokazali keficijent hlađenja 0.045-0.08.

108

4.5.2. Adsorpcioni sistemi

Adsorpcija je površinski proces koje se javlja na graničnoj površini između dve faze, gde sile kohezije uk,jučujući Van der Valsove sile i sile vodonične veze deluju između molekula svih substanci nezavisno od njihovog agregatnog stanja, gde površinske ili neuravnotežene sile na graničnoj površini fazne promene dovode do promena u koncentraciji molekula na graničnoj površini između čvrste i tečne faze. Čvrsta faza i fluid koji je adsorbovan se nazivaju adsorbent i adsorbat Adsorpcija je uvek praćena oslobaćanjem toplote, a količina osloboćene toplote zavisi od reda veličine Van der Valsovih sila, promene faze, elektrostatičke energije i energije hemijskih veza. Toplota adsorpcije se dobija ili pomoći izotermi adsorpcije, ili se dobija eksperimentalnim putem kalorimetrijskom metodom Ovakav uređaj se sastoji od generatora, kondenzatora, prigušnog ventila i isparivača. Generator se sastoji od solarne ploče koja sadrži adsorbent, a koju zagreva solarna radijacija kako bi došlo do desorpcije rashladnog fluida. Struktira ovakvog urešaja prikazana je na slici 58.

U slučaju upotrebe bespokrenog ležišta adsorbenta, što je najčešći slučaj, ciklus se ostvaruje bez upotrebe pokrenih delova. Ovakvo rešenje nudi rad bez buke, mehaničku jednostavnost, visoku pouzdanost i dugi radni vek. Sa druge strane, ovo zahteva naizmenični rad ciklusa, pri čemu dolazi do promene ležišta adsorbenta između adsorpcije i desorpcije, što utiče na smanjeni koeficijent hlađenja. Prema tome, da bi bilo moguđe obezbediti konstantan protk pare iz isparivača, tj. neprekidno hlađenje, neophodna je fazna upotreba dva ili više adsorbenta. Šema adsorpcionog rashladnog uređaja sa dva ležišta adsorbenta i neprekidnim hlađenjem prikazana je na slici 59. Dok se adsorber 1 hladi i dok je povezan sa isparivačem radi postizanja efekta hlađenja u isparivaču, adsorber 2 se zagreva i povezan je sa kondenzatorom kako bi došlo do zagrevanja-desorpcije i kondenzacije, a kondezovani rashladni fluid ide do isparivača preko kontrolnog ventila.

Slika 58. Adsorpcioni solarni rashladni sistem

109

Aktivni ugalj, silicagel i zeolit su najrasprostanjeniji adsorbenti, dok su voda, metanol (etanol) i amonijak najrasprostranjeniji adsorbati kod adsorpcionih rashladnih sistema koji koriste solarnu energiju ili otpadnu toplotu. Poređenjem radnih parova 15 adsorbenta (12 aktivnih ugljeva i 3 zeolita) i 4 adsorbata (metanol, etanol, amonijak, voda) pod istim uslovima, najbolje rezultate pokazao je PICASOLV aktivni ugalj u kombinaciji sa metanolom. Koeficijent hlađenja ovog ciklusa je 0.55, što se postiže isparavanjem i kondenzacijom na temperaturama -5 tj. 30 °C respektivno. Druga istraživanja poređenja radnih parova, aktivni ugalj/metanol, aktivni ugalj/amonijak i zeolit/voda pokazuju da radni par zeolit/voda daje najbolje rezultate za primenu adsorpconog uređaja u sistemima klimatizacije, dok se radni bar aktivni ugalj/amonijak dobar za proizvodnju leda, hlađenje i čuvanje hrane. Maksimalni mogući solarni koeficijent hlađenja SCH je 0.3 za cikluse zeolit/voda, 0.19 za cikluse aktivni ugalj/amonijak i 0.16 za cikluse aktivni ugalj/metanol, u kombinaciji sa ravnim solarnim prijemnicima. Ipak, nijedan od ovih radnih parova nije idealan za praktičnu primenu. Glavni nedostatak ove tehnologije su loše karakteristike prenosa mase i toplote ležišta adsorbenta. Adsorbent, poput aktivnog uglja, zeolita ili silicagel-a ima malu toplotnu konduktivnost i lošu poroznost. Posledica ovoga je nophodnost izrade glomaznog kolektora, generator i adsorbera, što povećava njihov toplotni kapacitet i samim tim smanjuje koeficijen hlađenja. Ovi problem su predmet današnjih istraživanja širom sveta. Postoje različita rešenja, poput upotrebe diskova izrađenih od aktivnog uglja, koji se smeštaju u cev sa unutrašnjim orebrenjem, čime se povećavatoplotna konduktivnost i kontakt sa metalnim elementima. Analiza parametara solarnog kolektora i parametara klimatskih prilika na rad solarnog adsorpcionog sistema za hlađenjepokazala je da bi tranposrt toplote i topotna konduktivnost ležišta adsorbenta mogla da se poboljšaju dodavanjem upakovanog adsorbenta veće gustine, prmenom duplog zastakljenja, upotrebom stakla sa selektivnim premazom i primenom orebrenja za pvećani transport toplote. Upotreba konsolidovanog adsorbenta je još jedna od metoda za poveđanje transporta toplote materijala. Ovi materijali imaju vrlo dobra svojstva u pogledu transporta topote, što nudi nove mogućnosti za proizvodnju kompaktnijih adsorpcionih mašina.

Tabela 14 - Voda-silicagel adsorpcioni čileri Rashladni fluid Voda

Apsorbent Silica gel

Temperatura rashladne vode 6-15°C

Ulazna temperature toplog fluida 60-90°C

COP 0.5-0.7

Iz literature se može primetiti da se mnoga istraživanja vrše pre svega sa ciljem povećanja COP vrednosti apsorpcionih toplotnih pumpi kao i da se obezbedi kontinuitet u procesima grejanja i hlađenja.. Kontinuitet procesa grejanja i hlađenja se najčešće postiže povećanjem broja adsorbera. Povećanje COP-a se postiže regemeracijom i primenom toplote, koja se prenosi tokom izohorskog hlađenja (c-d) i izobarske adsorpcije (d-a) u drugom adsorpcionom ciklusu. Na ovaj način se povećava COP ciklusa jer se smanjuje količina dovedene toplote. Složeni adsorpcioni ciklusi se mogu podeliti u 2 grupe, koji će biti kratko

110

objašnjeni. Primena adsorpcionih toplotnih pumpi ima svoje posebne probleme i poteškoće. Neki od problema su naizmeničan način rada, primena visokih tehnologija za rad sa velikim porpritiskom (vakumom) i dizajn ležišta adsorbenta gde se paralelno odvijaju prenos mase i toplote. Trenutno su sva istraživanja u ovoj oblasti usmerena na razvoj takvog sistema topltonih šumpi, koje ce moci tehnički i ekonomski da postanu ozbiljna altenativa konvencionalnim sistemima.

Cilj istraživača je da razviju apsorpcionu toplotnu pumpu:

Sa kontinualnim procesom grejanja tj. hlađenja;

Ima visoku COP vrednost;

Može da funkcioniše sa izvorom niže temperature;

Poseduje praktičan dizajn u pogledu konstrukcije i aplikacije.

Kada su u pitanju industrijski procesi, postoji više procesa poput sušenja, destilacije, isparavnja, kondenzacije gde dolazi do velikih promena entalpije te se ovakvi uređaji mogu primeniti. Mogućnosti primene se mogu klasifikovati na: hlađenje, grejanje (toplotna pumpa), kmbinovana proizvodnja toplotne i rashladne energije, podizanmje temperaturnog nivoa toplotnog izvora, akumulacija toplotne/rashladne enrgije, i integracija solarnih toplotnih kolektora za potrebe grejanja i hlađenja.

Danas postoji više radnih parova absorpcijione/adsorpcione sisteme. Na primer, hloridne sole-amonijak, zeolit-voda, AC-metanol, ugljenik-amonijak. Pregled mogućih aplikacija pojedinih tehnologija dat je u tabeli. U ovom radu će se razmatrati samo absorpcioni i adsorpcioni sistemi. Karakteristike adsorpcionih i absorpcionih sisetma u tabeli 15. Adsorbent-adsorbat par, koji mora biti kompatibilan sa zivotnom sredinom, je jedan od važnih delova sistema adsorpcione toplotne pumpe. Glavne karakteristike koje treba adsorbat da poseduje su velika latentna toplota, da ne izaziva koroziju, da nije toksičan, i da poseduje dobru hemijsku i termičku stabilnost u radnim uslovima (u temeraturnom području i području pritiska). Sa druge strane, adsorbenti treba da imaju veliki adsorpcioni kapacitet, visoku termičku konduktivnost, nisku cenu i termičku stabilnost. Ceolit-voda, aktivni ugalj-metanol, silikonski gel –voda, i ugljenik-amonijak su neki od najčešće primenjivanih adsorbent-adsorbat parova koji se koriste kod adsorpcionih toplotnih pumpi.

Još jedan od važnih kriterijuma za izbor adekvatnog para adsorbent-adsorbat je vrsta interakcije između čvrstog adsorbenta i gasovitog adsorbata. Interakcija između adsorbenta i adsorbata se naziva adsorpcija. U adsorpcionom procesu, dolazi do interakcije između adsorbata i čvrste površine adsorbenta zahvaljujući sila kohezije uključujući i Van der Valsove sile i vodonične veze. Postoje dve vrste adsorpcije i to su fizička i hemijska adsorpcija. Fizička adsorcija je uzrokovana Van der Valsovim silama, dok hemijska adsorpcija uključuje sile valence. U adsorpcionim toplotnim pumpama apsorpcioni i desorpcioni procesi moraju da budu reverzibilni da bi se obezbedilo ponavljanje osnovnog istog ciklusa. Prema tome, interakcija između adsorbenta i adsorbata mora da bude fizičkog karaktera

111

Tabela 15. Performanse različitih radnih parova koji se koriste u adsorpcionim i absorpcionim sistemima Radni par Primena Temperaturni opseg (niži/viši

temperatuni izvor) COP/ekesrgetska efikasnost

AC-metanol Proizvodnja leda -25oC/130oC, -10 oC/110 oC 0,15 (neto COP) AC- metanol Proizvodnja leda -6 oC/28 oC, -24 oC /87 oC 0,08-0,12 (solarni COP) AC- metanol Proizvodnja leda i -5 oC/25 oC, 25 oC/110 oC

0,12 (neto sa solarnim sistemom)

AC – Metanol

klimatizacija 5 oC/20 oC, 30 oC/80 oC 0,35

Zeolit NaX/Voda

Klimatizacija 25 oC/35 oC, 105 oC/220 oC 1,06

Zeolit NaX/Voda

Proizvodnja leda -5 oC/25 oC, 25 oC/110 oC 0,3

Zeolit NaX/Voda

Proizvodnja leda -10 oC/170 oC, +10 oC/170 oC 0,44/0,21 0,48/0,11

Zeolit NaX/Voda

Akumulacija rashladne energije

-10 oC/170 oC, +10 oC/170 oC 0,1 (COP za rad u solarnom sistemu)

Zeolit NaX/Voda

Klimatizacija 22 oC/42 oC, 60 oC/200 oC 0,75

CaCl2 + NH3 Proizvodnja leda 0,10 (COP za rad u solarnom sistemu)

Za mnoge parove adsorbent-adsrobat ciklusa adsorpcione pumpe se odvija pod velikim podpritiskom. Tesko je održati radni pritisak u velikom vakukumu (podpritisku) duže vreme. Ovo iziskuje tehnologiju vakuma, specijalne materijale i kućišta, što sve povećava cenu apsorpcionih topl. pumpi i uslovljava upotrebu težih kontejnera. Neka istraživanja su vršena sa ciljem pronalaženja sistema koji može da funkcioniše u uslovima srednjeg pritiska isparavanja i kondenzacije. Konstrukcija ležišta adsorbenta je takođe jedan od bitnih fakltora o kojima treba voditi račna kada su apsorpcione topllotne pumpe u pitanju. Ležište adsorbenta zahteva posebnu konstrukciju da bi mogao da se kontroliše prenos mase i toplote. Teorijska ispitivanja su pokazala uticaj kinetike prenosa mase i toplote na performanse sistema adsorpcione toplotne pumpe. Kako je prenos toplote kondukcijom kod adsorbenata generalno mali, toplota se prenosi sporo kroz ležište adsorbenta kako periodi procesa adsorpcije i desorpcije postaju duži. Prenos mase zavisi od strujanja adsorbata kroz ležište adsorbenta (međučestično strujanje) i kroz adsorbent (međučestična difuzija usled razlika koncentracije, molekularna difuzija, knudsen difuzija i površinska difuzija). Da bi se odredili profili temperature i koncentracije u ležištu adsorbenta, moraju se rešiti jednačine prenosa toplote i mase za adsorber. Glavne jednaćine za transport toplote i mase se uparuju i trebalo bi ih simultano rešavati. Rezultati pružaju važne informacije za konstrukciju ležipšta adsorbenta za procenu kapaciteta adsorpcije za dati period.

112

Takođe, vršena su i eksperimentalna ispitivanja sa ciljem poboljšanja stope prenosa mase i toplote u ležištu adsorbenta. U literaturi se može primetiti da se klasifikacija ležišta adsorbenta može izvršiti prema formi adsorbenta.

4.5.2.1. Adsorber neobloženog tipa

Kod ove vrste ležišta adsorbenta, generalno se koristi paleta granula vlaknastog adsorbenta. Adsorbent se ne tretira i ne koristi onakav kakav dolazi od proizvođača. Ipak, postoje neka istraživanja po kojima se adsorbent oblikuje na poseban način. Adsorbat se kreće kroz šupljine između palete sa granulama nakon čega se adsorbuje u adsorbentu. U zavisnosti od poroznosti ležišta, konvekcija i difuzija adsorbata između paleta se može uzeti u razmatranje ili izbaciti iz jednačina prenosa mase i toplote. Rebra se mogu upotrebiti za povećanje stopu prenosa toplote u ležištu, međutim, stopa prenosa mase kroz ležište se povećava pravljenjem šupljina u ležištu. Neki primeri neobloženog tipa adsorbera su prikazani na slici 59. Slika 59a, pokazuje tanak limeni zatvoreni cevasti adsorber konstruisanj sa ciljem poboljšanja prenosa toplote (Gui et. Al.)

Slika 59- Neobloženi tip konstrukcije adsorbera

113

4.5.2.2. Adsorber obloženog tipa

Kod ovakvog tipa adsorbera, adsorbent je u obliku sloja (obloge), koji obavija cev, rebro ili u obliku metalne pene. Ovakav tip ležišta adsorbenta obezbeđuje velike brzine prenosa mase i toplote. Uzima se da je difuzija u ovom slučaju glavni mehanizam prenosa mase jer nema šupljina u omotaču adsorbenata. Na slici 60a je prikazan obloženu čeličnu cev sa adsorbentom radi poboljšanja stepena prenosa mase i toplote u ležištu. Ovakva metoda dozvoljava dobijanje adsorpcione pumpe velike specifične snage. Dizajnirano je ležište adsorbenta (Resstucia et. Al.) koje se sastoji od orebrenih cevi koje pokriva adsorbent SWS-1L (CaCl2 u poluporoznom silikonskom gelu), što je prikazano na slici 60b. Optimalno vreme ciklusa sistema je 20-40min a COP hlađenja varira od 0,17 do 0,48. Bonakorsi (Bonaccorsi et. Al.) je pripremio bakarnu penu sa otvorenim ćelijama kao metalnu potporu za ležište adsorbenta. što je prikazano na slici 7c. Ceolitni adsorbent se dobija hidrotermalnom sintezom na ovoj metalnoj potpori, kao što je prikazano na slici 60d.

Slika 60. Fotografije ležišta adsorbenta sa oblogom

Usled ekoloških problema, mehaničke toplotne pumpe će doživeti ozbiljnu krizu u budućnosti ukoliko industrija rashladnih uređaja i toplotnih pumpi ne dođe do nekog rešenja za radne fluide. Apsorpcione toplotne pumpe predstavljaju ozbiljnu alternativu konvencionalnim ( mehaničkim) toplotnim pumpama jer ne sadrže bilo kakve materije štetne

114

po okolinu. Istražiavči su nagovestili da sistemu apsorpcionih toplotnih pumpi poseduju potencijal koji može da se takmiči sa ostalim konvencionalnim sistemima. Jedna od prednosti adsorpcionih toplotnih pumpi je rad sa toplotnim izvorom i praktično rad sa otpadnom toplotom. COP adsorpcionih toplotnih pumpi nije visok u poređenju sa ostalim tipovima toplotnih pumpi. One imaju druge problema i poteškoće kada je reč o njihovoj konstrukciji i proizvodnji, kao što su nezaptivanje, veliki vakum (podpritisak), slab prenos mase i toplote. Međutim mnoga istraživanja su usmerena pronalaženju inovativnog dizajna i ciklusa da bi se ovi problemi prevazišli kao i da bi se povećao COP. Istraživanja su takođe skoncentrisana i na rešavanje problema zaptivanja i velikog vakuma na pritiscima adsorpcione toplotne pumpe. Traga se za novim dizajnom ležišta adsorbenta da bi se povećali prenos mase i toplote koji direktno utiču na efektivnost sistema.

4.6. Primena toplotnih pumpi u grejanju i klimatizaciji

U postrojenjima za grejanje i klimatizaciju, toplotne ptimpe su deo koii obezbeđuje toplotnu energiju u sezoni grejanja, tj. grejanje zimi i hlađenie ieti. Pod toplottnom pumpom se ne podrazumevaju agregati za hlađenie vode za kiimatizaciju ako se toplota kondenzacije ne koristi odvojeno ili paraleino sa hiađenjerm U ovoj ulozi, toplotne pumpe moraju zadovoljiti određene tehničke i ekonomske uslove. Pomenimo samo najvažnije. U eksploataciji celog postrojenja, one treba da budu pouzdan i siguran uređaj, a rešenje celog sistema treba da bude u skladu sa standardima i propisima zaštiti na radu i zaštite životne sredine. Ukoliko je toplotna pumpa predviđena kao samostalni i jedini izvor toplotne energije, ove zahteve nije teško ispuniti. Među-tim, posebnu pažnju treba posvetiti onda kada se toplotna pumpa postavlja u sistem u kome postoje i drugi izvori toplote, kao što su npr. kotlovi na tečna i gasovita goriva. Sličan problem je i kada se toplotna pumpa sa gasnim motorom SUS stavlja u postojeći sistem. Tada se mora obratiti pažnja na opremu koja zahteva strože usiove eksploatacije i održavanja. Toplotni ili rashladni učinak toplotne pumpe mora biti u skladu sa sistemom, imajući u vidu promenu režima njenog rada u ftmkciji toplotnog izvora i spoljne temperature. Treba imati na umu da se toplotni učinak toplotne pumpe ne reguliše i ne ponaša po principima po kojima rade klasični izvori topiotne energije. Pri formiraniu bivalentnih sistema u postojećim objektima, u kojima se želi supstituisati tečno gori vo mora se svakako praviti dijagram i analizirati toplotni gubitak u objektu, kao i ponašanje toplotne pumpe, samostalno i u sprezi sa postoiećim kotlom. Tada jako_važnu ulogu igra sistem greinih tela. Ne treba smatrati da se postojeća grejna tela ne mogu menjati. Praksa je pokazala da se sa malim izmenama u mreži i grejnim telima, može postići veći koeficijent grejanja, a time dobiti i ekonomičniji sistem. Postavljanje toplotne pumpe kao energetskog izvora u nove objekte, pruža široke izglede. Međutim, i tada treba znati da monovalentni sistem nije najbolje rešenje. Rentabiinost takvih rešenja ne zadovoljava, kao što se dovodi u pitanje i ugradnja vlo velikih grejnih tela koja moraju blti takva zbog relativno niske napojne temperature vode. Nove objekte treba analizirati temeljnije i svestranije nego one koji već imaju konvencionalne sisteme grejanja. Toplotne pumpe zadaju određene probleme pri regulaciji toplotnog učinka, kao što je već ranije pomenuto. Pitanja regulisanja su naročito značajna u

115

objektima u kojima se toplotna pumpa koristi i za grejanje i za hlađenje. Nema sumnje da je ekonomičnost sistema u direktnoj zavisnosti od kvaliteta regulisanja. U procesu pripreme za korišćenje toptotne pumpe, posebno je važno analizirati temperaturski režim rada celog sistema, pa i same pumpe. Visoke temperature u pojediuim delovima sistema ne znače samo da se troši više energije, već i značajnije povećanje investicionih i troškova eksploatacije. Svaki stepen povišenja temperature, na primer u prostoriji koja se greje ili hladi, višestruko povećava investicije. Odnos temperatura kondenzacije i napojne vode direktno utičena ekonomičin nost. Mečtutim, snižavanje temperature kondenzacije uslovljava ugradriju skupljih instalacija za grejanje. Optimaino rešenje ovih problema treba tražiti za svaki slučaj-posebno, jer ne postoje unapred defmisane oblasti. U letnjem periodu toplotne pumpe se mogu konstiti za hiađenje objekata. U slučaju da toplotni izvor ima vodu zadovoljavajuće temperature za sisteme klimatizacije, može se direktno koristiti u tim sistemima bez pokretanja toplotne pumpe. Takav način slobodnog hlađenja (free cooling) posebno je primenljiv u sistemima rashladnih tavanica i rashladnih greda. Evropska direktiva o energetskoj efikasnosti zgrađa predvida u članu 16 (uređaji za hlađenje) da je „nazivna projektna temperatura htadne vode u sistemima za vlaženje 6°C/14°C, a u slučajevima bez ovlaživanja, I4°C/18°C i I8°C/23°C za površinsko hlađenje".

4.6.1. Javni objekti

Svaki javni objekat ima specifičnosti koje mogu predstavljati veoma važne činioce u rešavanju sistema grejanja. A toplotne pumpe u ovim objektima mogu biti od izuzetnog značaja za stabilizaciju odnosno sniženje tečnih i gasovitih goriva. Javni objekti imaju najčešće tačno određeno vreme eksploatacije. Oni se koriste u vreme kada su dnevne temperature znatno više od noćnih. Osim toga, instalacije u ovakvim objektima su pod kontrolom obučenih radnika. Ova dva momenta: skraćeno vreme rada i pravilno održavanje , mogu obezbediti visoku ekonomičnost eksploatacije toplotnih pumpi. Najbrojniji objekti koji imaju toplotnu pumpu su oni sa kancelarijskim prostorom. Zbog neekonomicnosti instalacija sa tečnim gorivima, ove zgrade najčešće i najbrže prelaze na nova rešenja, koja ne traže nove prostore i koja koriste postojeće instalacije. Ukoliko je potrebno neko proširenje u njima, ono ne izaziva velike rekonstrukcije izvora toplotne energije. Pošto je prostor u javnim objektima vrlo skup, toplotna pumpa predstavlja veoma pogodnu varijantu. Navešćemo jedan tipičan primer rešenja grejanja dve poslovne zgrade u Švajcarskoj. Prema projektu investitora, trebalo je projektovati grejanje dve zgrade osiguravajućeg društva u Cirihu. Jedna od zgrada je već imala instalaciju radijatorskog grejanja, čije su površine bile dimenzionisane prema ranije ugrađenoj toplotnoj pumpi firme „Escher Wyss". Ova je instalacija demontira-na prilikom ugradnje nove, a radijatori su ostali za novi sistem. U novom objektu su bile predviđene klima-jedinice.

Kao toplotni izvor korišćena je jezerska voda. U bivatentnom sistemu grejanja, toplotna pumpa je zagrevala zgradu do spoljne temperature od 0°C. Temperatura na-pojne vode je bila 70°C, zbog čega je izabran rashladni fluid R12. Leti, instalacija stvara dovoljnu koliČinu toplotne energije i za grejanje zatvorenog bazena.

116

Čitav sistem je zamišljen tako, da se voda iz toplotnog izvora - Cirižkog jezera - dovodi preko filtara do dobošastog razmenjivača toplote, isparivača, čiji je toplotni učinak 756 kW, sa protokom vode od 350 m3/h. Minimalna dozvoljena ulazna temperatura je 5°C, a izlazna 3,1°C, Što uslovljava i najnižu temperaturu isparavanja od -0,5°C. U sistem je ugrađeno pet klipnih kompresora, koji obezbeđuju 1017 kW toplotne energije pri temperaturi kondenzacije od 72°C i temperaturi isparavanja od -0,5°C. Apsorbovana snaga etekti-omotora iznosi 5 x 75 kW, a instatisana snaga 5 x 90 kW. Temperatura tople vode u cirkulacionom vodti je 70/59°C.

Potrošnja toplote za grejanje oba objekta iznosi 1 802 kW, pri spoljnoj tempe-raturi od -15°C, odnosno 1 105 kW pri spoijnoj temperaturi od -5°C. Kada toptotna pumpa prestane da radi, toptotu stvara kotao za lako ulje, koji obezbeđuje maksimal-nu temperaturu vode od 85°C.

Čitav sistem se reguliše tako što se stvara inaksimalna teinperatura tople vode, čime se izbegavaju preopterećenje i neravnomeran rad kompresora. Cirkuiacione pumpe za toplotni izvor vade sa dva broja obrtaja, čime se postiže dodatna usteda energije pri smanjenom toplotnom učinku toptotne pumpe. U postrojenje topiotne pumpe su ukomponovana dva kondenzatora, od kojih jedan daje maksimalni toplotni učinak i služi za grejanje objekta, a drugi greje leti zatvoreni bazen (465 1<W). Pri radu toplotne pumpe sa manjim isparivačem, temperatu-ra vode jezera se penje j do 20°C, pa se koeficijent grejanja znatno poboljšava, pove- ćavajući time i rentabilnost toplotne pumpe. Na sl. 131 je prikazana Šema postavlja-nja ovakve toplotne pumpe u postojeći sistem sa kotiovskim jedinicama.

Siika 61. Šema povezivanja instalacije za grejanje sa toplotnom pupmom u Cirihu; 1 - vodom

hlađeni kiipni kompresor, 2 - kondenzator, 3 - pothlađivač, 4 - isparivač, 5 - ventil sa plovkom, 6 -ekspanzioni ventil, 7 - pumpa jezerske vode, 8 - pumpa tople vode, 9 - kotao, 19 - povrsinska voda, U - trokraki ventil za vezu toplotne pumpe i kotla, 12 - priključak za grejanje

zgrade - odvod, 13 - prikJjučak za grejanj'e zgrađe - povratak

117

Kada je kao toptotni izvor korišćena voda Ciriškog jezera, ona je dovođena cevima do toplotne pumpe. Međutim, ako se objekat nalazi u neposrednoj biizini reke, na primer na obaii, onda se voda može dovesti do razmenjivača toplote - isparivača. Time se obezbeđuje neposredniji kontakt između toplotnog izvora i rashladnog fluida, pa je i temperatura isparavanja viša, a samim tim je i koeficijent grejanja veći. Ovakav kontakt toplotne pumpe sa toplotnim izvorom omogućuje korišćenje rečnih i jezerskih voda i pri temperaturama oko 0°C. Za novu upravnu zgradu u Eslingenu, u blizini reke Neker, u SR Nemačkoj, bilo je predviđeno grejanje toplotnom pumpom u bivalentnom sistemu. Toplotni izvor je bila rečna voda, čija temperatura pri najnepovoljnijim vremenskim uslovima, na du-bini od 1 m, ne pada ispod 7°C. Maksimaini učinak toplotne pumpe je dat za spoljnu temperaruru od 0°C, kao i ograničenje minimalne temperature vode od 4°C. Ostvarivanjem jednog ili drugog uslova, sistem grejanja prelazi na proizvodnju toplotne energije iz kotla na tečno gorivo. U dosadašnjem radu toplotna pumpa je radila oko 90% vremena. Voda reke Neker teče prirodnim padom skoro do zgrade, gde se nalazi pločasti isparivač. Ona zatim ulazi u jedan zidani sabirnik da bi se onda delila u dva toka, u kojima se nalazi po jedan isparivac (sl. 132). Isparivači su potopfjenog tipa, sa prinudnom cirkuiacijom rashadnog fluida, sastavljeni od 16 registara sa po 10 ploca u bloku. Sadržaj skupljača i odvajača rashladnog fluida (R12) iznosi 8 173 litara. Na sl. 62 prikazana je Šema povezivanja toplotne pumpe sa sistemom. U cir-kulacionom kolu, između odvajača tečnosti (4) i pločastih isparivača (5), postavlje-na je cirkulaciona pumpa rashiadnog fluida R12, da bi isparivači uvek bili potopljeni rashladnim fluidom.

Slka 62. Šema povezivanja toplome pumpe sa sistemom za grejanje upravue zgrade u Esiingenu: 1 - tnrbokompresor, 2 - kandenzator, 3 - ekspanzioni venti, 4 - odvajaČ teČnosti, 5

- piočasti isparivač, 6 - kotao, 7 - topla voda prema potroŠačima, 8 -»povratak topie vode

118

U jednoj staroj i jednoj novoj srednjoj školi u Bremenu, u SR Nemačkoj, instaiisana je toplotna pumpa koja je koristila vazduh kao toplotni izvor. Kako je već postojao prildjučak za zemni gas, to je odlučeno da se za pogon izabere gasni motor. Toplotna pumpa je projektovana da radi do spoljne temperature od 5°C. Pri nižim temperaturama, do spoljne projektne temperature od -12°C, koristio bi se kotao sa zemnim gasom, pri čemu je poiazna temperatura vode 80°C.

Toplotni gubici u oba objekta, pri spoljnoj temperaturi od -12°C, iznose 1,4 MW. Toplu potrošnu vodu takođe daje toplotna pumpa, a predviđeni su i prijemnici sunčeve energije sa akumulatorom za obezbeđenje tople vode u vreme kada to meteorološki uslovi dozvoljavaju. U većini prostorija škole su radijatori, a u učionicama su klima uređaji. Isparivači toplotne pumpe, izrađeni od bakarnih cevi i aluminijumskih rebara, smešteni su na krovu škole. Isparivač je sa suvom ekspanzijom, sa otapanjem pomoću toplog gasa. Vazduh se, pri najnepovoljnijim uslovima, pothlađu-je sa 5°C na 10°C.

Ha sl.63 se vidi šema ovog postrojenja. Rashladno sredstvo R12 se dovodi do vazdušnth isparivača preko pothlađivača, a odvodi do kompresora preko odvajača tečnosti. U ovaj odvajač se dovodi i ispareli rashladni fluid iz hladnjaka mašinske sale. Za otapanje isparivača se koristi topli gas iz kompresora, koji se vodi posebnom linijom. Otapanje počinje automatski u momentu kada dođe do pada pritiska vazduha kroz isparivač.

Slika 63. Šema povezivanja u škoi u Bremenu; 1 - isparivač, 2 - Idipni kompresor, 3 - kondenzator, 4 - skupijaČ tečnog

rasliiadiiog fluida, 5 - odvajač tečnostr, 6 - pothladivać, 7 - isparivač u mašinskoj sali, 8- gasni motor, 9- hladnjak motorn, 10 - hladnjak izduvnih gasova, 11 - priguŠivač, 12 - gasni kotao, 13 - razvodna voda za grejanje, 14 - povraina voda

Turističko naselje „Slovenska plaža" u Budvi namenjeno je smeStaju gostiju tokom cele godine, a koristi se minimalno osam meseci godišnje. Zbog raznovrsne namene objekta, potrebe za energijom su velike, te instalisana snaga iznosi: - grejanje 1.010 kW - hlađenje 405 kW

- grejanje vode u bazenima 475 kW - grejanje sanitarne vode 600.000 litara/dan

119

Sistem se sastoji od prijemnika sunčeve energije površine oko 2.500 m2, proizvedenog u IMP-u, u Ljubljani, i tri toplotne pumpe, proizvedene u „Frigostroju" iz Beograda.

Posebna karakteristika toplotnih pumpi je mogućnost postizanja dva režima rada kondenzatora, koji obezbeđuju toplu sanitamu vodu režima 25°C/45°C i za grejanje sa režimom 35°C/45°C. Pored toga, može se koristiti hladna voda za potrebe klimatizacije. Na siici 142 se vidi da ukoliko klimatizacija ne radi, ili je to nedovoljan toplotni izvor za rad toplotne pumpe, može se obezbediti dopunski izvor iz morske vode. Toplota morske vode predaje se rashladnom fiuidu R22, posredstvom specijalnog razmenjivača toplote. Između ovog razmenjivača i isparivača cirkuliše voda. U mašinskoj sali smeštene su tri toplotne pumpe, svaka toplotnog učinka po 310 kW, sa elektromotorom za pogon kompresora, snage 75 kW. Pri punom optere-ćenju postiže se koeficijent grejanja od 4,1. Za potrebe klimatizacije koristi se voda temperature 12°C/7°C.

Slika 64. Šema povezivanja energetskog kompleksa u Sloveuskoj plaži u Budvi

4.6.2. Primena toplotnih pumpi u industriji

Toplotne pumpe se u industriji koriste u određenim tehnološkim procesima, ili za grejanje radnih prostorija. U tehnološkom procesu ona predstavlja njegov sastavni ili pripremni deo.

Ovde ćemo govoriti o toplotnim pumpama koje se koriste za grejanje objekata u industriji i privredi.

U industrijskim pogonima ili u tehnološkim procesima, nastaju velike količine otpadne toplote raznih temperaturaih nivoa, koje se mogu na relativno jednostavan način iskoristiti kao odličan toplotni izvor za toplotne pumpe. Otpadna toplotna energija iz tehnoloških procesa je takvog kvaliteta, da se i sa oskudnim tehničkim znanjem može iskoristiti pre svegaza grejanje samih objekata u industriji, a u nekim slučajevima i stambenih i javnih objekata.

Otpadna toplota nastaje najčešće u toku cele godine i u većem delu dana, pa je sprezanje toplotnog izvora sa toplotnom pumpom radi grejanja veoma uspešno. Međutim, na strani tehnološke otpadne toplote, treba obezbediti njeno odvođenje onda kada nema potrebe za grejanjem objekata. U fazi projektovanja tehnoložkog procesa posebna pažnja se posvećuje održavanju kvaliteta tehnoloških parametara, pa se predviđaju sistemi za odvođenje viška otpadne toplote.

120

U najvećem broju postrojenja, voda je nosilac otpadne toplotne energije koja se predaje okolini u kulama za hlađenje vode. Ova tehnološka voda prima, na direktan ili indirektan način, toplotnu energiju tehnološkog procesa u fazama hiađenja. Kvalitet vode je na takvom nivou da se ona u toplotnim pumpama može koristiti bez posebne pripreme, ali pošto se sistem zaštiti od nepoželjnog dodira tehnološke vode i procesa.

Za pogon toplotnih pumpi koje greju industrijske objekte može se koristiti električna energija, tečno ili gasovito gorivo. Koja vrsta pogonske energije će biti upotrebljena, zavisi pre svega od vrste industrije i njenih energetskih potencijala. Obezbeđenje pogonske energije u industriji ne bi trebalo da predstavlja veliki problem, jer toplotna pumpa potroši mnogo manje energije od ukupno potrošene u celom tehnološkom procesu.

Međutim, sigurno je da nivo i kvalitet pogonske energije u tehnološkim procesima veoma mnogo utiču na izbor vrste pogona toplotnih pumpi.

U fabrici za proizvodnju radijatora ,,A. Brotje", u Rastedeu, u SR Nernačkoj, odlučeno je da se u postojeću instalaciju za grejanje, u kojoj je primamo gorivo bilo zemni gas, ugradi toplotna pumpa vodavoda. Ova odluka je donesena zato što je 60 transformatora za zavarivanje radijatora trebalo hladiti, pa bi se ta toplota mogla vrlo ekonomično iskoristiti, kao toplotni izvor za toplotnu pumpu. Višak toplotne energije bi leti odlazio u vazduh.

Postrojenje je u stvari bilo bivalentni sistem, u kome toplotna pumpa zadovoljava osnovne potrebe u grejanju. Kompresor toplotne pumpe je postavljen na isto postolje na kome je gasni motor SUS. Otpadna toplota motora i izduvnih gasova odvodi se preko razmenjivača toplote i koristi za grejanje. Leti toplotna pumpa radi sa polovinom snage, jer se deo toplote koju stvara transformator odvodi preko kula za hlađenje vode.

Da bi se postigao toplotni učinak od 680 kW, bilo je potrebno u klasičnim instalacijama potrošiti 93 Nm3/h gasa, sa stepenom korisnosti kotla od 0,8. Primenom toplotne pumpe, potrošnja je opala na 42,5 Nm3/h.

Rad topiotne pumpe je u funkciji spoljne temperature, tako da se pri nižim spoljnim temperaturama automatski uključuje kotao na gas. Topla voda cirkuliše u serijskoj vezi kroz kondenzator, hladnjak motora i hladnjak izduvnih gasova, a preko četvorokrakog ventila i do kotla. Voda iz toplotne pumpe se prema potrebi meša sa vodom iz kotla. Na sl. 65 je prikazana šema povezivanja ovakvog sistema. Otpadna toplota iz tehnološkog procesa preko vode dolazi od transformatora za zavarivanje u bazen tople vode, odakle se, u zavisnosti od režima rada zimi, vodi u toplotnu pumpi, a leti u kulu za hlađenje vode. U prelaznim periodima, u proleće, kao i leti, kada se otpadna toplota koristi samo za zagrevanje potrošne vode, toplotna pumpa i kula za hlađenje vode rade paraielno. Motorni ventili na povratnoj grani iz topiotne pumpe šaiju pothlađenu vodu u topli ili hladni bazen tehnološke vode.

Ukoliko bi u nekom određenom slučaju bila potrebna niža temperatura hladne vode od temperature tačke rose uvećane za 3-4°C, koliko može da bude temperatura vode iza kule, bilo bi potrebno ugraditi isparivač u rednu vezu iza kule za hlađenje vode. Tako bi se u tehnoioškim procesima obezbeđivala niža temperatura vode za hlađenje.

121

Slika 65. Šema povezivanja instalacije za iskorišćenje otpadne toplote u fabrici radijatora (Bretje, Nemačka); 1 - klipni kompresor, 2 - kondenzator, 3 - isparivač, 4 - termostatski

eltspanzioni ventil, 5 - gasni motor, 6 - prigušivač izduvnih gasova, 7 - hladnjak izdnvnih gasova, 8 - hladnjak motora, 9 - odvod izduvnih gasova na krov, 10 - kula za hlađenje vode, 11 - cirkulaciona pumpa hladne vode, 12 - transformatori za zavarivaoje, 13 - bazen vode toplotnog izvora, 14 - motorni ventil, 15 - bazen hladne vode, 16-cirkuIaciona pumpa tople vode, 17 - Červorokraki ventii, 18 - radijatori, 19 - gasni kotao, 20 - povratoi kolektor, 21 -

napojni kolektor

Kapacitet se reguliše promenom broja obrtaja motora (1 200-1 750 min-1), a klipni kompresor četvorostepenom regulacijom. Minimama snaga iznosi 30% od nominalne.

Tehnički podaci

Toplotni konzum 680 kW Toplotni učinak kondenzatora 456 kW Toplotni učinak pri hlađenju motora SUS 140 kW Toplotni učinak pri hlađenju izduvnih gasova 84 kW Broj obrtaja klipnog kompresora sa RI2 1750 min"1

Temperatura isparavanja 12°C Temperatura kondenzacije 60°C Snaga na vratilu kompresora 118 kW Gasni motor SUS sa 8 cilindara, broj obrtaja I 750 min-1

Snaga na vratilu motora 127 kW

Potrošnja gasa 42,5 Nm3/h Dobošasti isparivač: protok vode 97 m3/k, pri 20°C/17°C

Dobošasti konđenzator: protok vode 140 m3/h, pri 54°C/56,2°C Hlađenje motora: protok vode 30 m3/h, pri 56,2°C/60,2°C Hladenje izduvmh gasova: protok vode 30 m3/h, pri 60,2°C/62,6°C Hlađenje izduvmh gasova sa 61 S°C na 120°C.

122

Otpadna tehnološka topiotna energija u industriji nastaje u toku cele godine i ima reiativno konstantne parametre temperature, pa se može koristiti za grejanje u monovaientnim sistemima.

U jednom istraživačkom projektu firme ,,MAN", u Minhenu, upotrebiii su toplotnu pumpu tipa voda-voda sa dizel motorom, u grejanju fabričke hale i kancelarija. Firma je želela da u praksi ispita ponašanje dizel motora kao pogonskog motora toplotne pumpe. Prema mišijenju snaičnjaka ove firme, dizel motori su znatno jeftiniji od gasnih, pa su zbog toga i interesantniji, pogotovu ako se uzmu ti obzir i troškovi gasne instalacije.

Dizel motor su direktno povezani sa klipnim kompresorom, toplotnog učinka 1520 kW, sa temperaturom isparavanja od 1,5°C i temperartirom kondenzacije od 57°C i rashladnim fluidom R22. Ugradili su dve jedinice. Snaga svakog dizel motora je bila 111 kW. Motori su bili Četvorotaktni, tipa E2566E, šestocilindrični.

Bivalentni sistem za grejanje su činili toplotna pumpa, ukupnog učinka od 1 099 kW i dopunski toplotni izvori gasnog kotla.

Ukupna energija toplotne pumpe je dobijena iz toplotnog izvora čija je temperatura bila 1l°C, sa hlađenjem motora i izduvnih gasova. Izduvni gasovi se hlade sa 550°C na 180°C. Gasovi se ne smeju hladiti na nižim temperaturama, zbog pojave korozije koju izaziva sumpor u izduvnim gasovima. Zato se i razmenjivači toplote izduvnih gasova prave od specijalnog čelika, najčešće proh'ona.

Na sl. 66 je šema povezivanja čitavog sistema. Topla voda (52°C/45°C) dolazi iz kondenzatora toplotne pumpe, a do 60°C se dogreva u razmenjivačima otpad-ne toplote dizei-motora.

Rad čitavog postrojenja je u funkciji spoljne temperature. Promenom broja obrtaja dizel-motora i stepenastim uključivanjem pojedinih klipova u njegovih šest cilindara. Da bi se održao konstantan protok vode kroz kondenzator, između usisnog i potisnog cevovoda je ugrađen servomotor, koji stvara obilaznu vezu.

Pri nižim spoljnim temperaturama, kada toplotna pumpa ne može da obezbedi potrebnu

toplotnu energiju, uključuje se sistem fabričkog daljinskog grejanja, čiji je izvor, kao što je već rečeno, gasni kotao.

123

Slika 66. Šema povezivanja dizel toplotne pumpe u istraživačkom projektu ,,MAN"-a; I -kiipni

kompresor (6W110, „Suizer-Ešer Vis"), 2 - kondcnzator, 3 - isparivač, 4 - dizel motor, 5 -razmenjivać toplote izduvnih bgasova, 6 - razmenjivać toplote za hlađenje motora i ulja, 7 - izvor vode, 8 - izrađeua voda, 9 - razmenjivači toplote daljinskog grejanja, 10 - regulator

temperaturc, 11 - seuzor spoljne temperature, 12 - senzor temperature vode, 13 - ekspanziona posuda, 14 -potrošači, 15 - servomotor, 16 - senzor razlike pritisaka, 17 - filtar, 18 - potrošna

topla voda, 19 - daljinsko grejanje

5. METODLOGIJA ZA ODABIR INTELIGENTNOG SOLARNOG SISTEMA

5.1. Primena solarnih toplotnih kolektora u sistemima sa toplotnom pumpom

Zbog karakteristike tarifnog sistema, toplotne pumpe ponekad nude najekonomičniji rad ako nisu uključene u periodima naplate električne energije po višoj tarifi. Pored toga, efikasnost toplotne pumpe raste sa smanjenjem razlike između temperature izvora i zadate izlazne temperature. Kako je period „više tarife“ obično u toku dana, projektovanje sistema sa toplotnom pumpom obično uključuje i upoterbu akumualtora tople vode. Za zagrevanje ove vode moguće je koristiti solarne sisteme. Zapremina rezervoara tople vode se određuje na

124

osnovu minimalnog toplotnog kapaciteta potrebnog da se premosti period kada je predviđen prekid rada toplotne pumpe. Za dobijanje toplotne energije u ovom periodu, potrebno je dimenzionisati površinu solarnih prijemnika ekvivalenton ili većeg toplotnog kapaciteta, ukoliko je cilj ostvariti veću solarnu pokrivenost.

Treba napomenuti da za rad toplotne pumpe nije neophodno postojanje rezervoara tople vode, te se on dimezioniše u skladu sa principima projektovanja solarnog sistema, tj. da podmiri energetske potrebe u datom periodu. U ovom slučaju, potrebno je da rezervoar bude povezan sa toplotnom pumpom posebnim hidrauličnim krugom, tj. nezavisno od solarnog sistema.

Prvi korak pri preliminarnom projektovanju je važna procena zemlje kao toplotnog izvora. Pored termoftzičkih karakteristika zemlje i lokaliteta, bitno je odabrati radni fluid (voda ili glikol, ređe rashladni fluid), odrediti toplotni učinak, sagledati frekventnost uključivanja toplotne pumpe u toku dana i sl. Da bi se došlo do pravilne odluke, potrebno je sprovesti sledeću proceduru:

- odrediti lokalne uslove (kiimu i karaktenstike zemlje), - odrediti toplotne gubitke i dobitke objekta po mesecima, - definisati način grejanja odnosno hlađenja objekta, proveriti nekoliko tipova sistema

imajući u vidu režim odvođenja/dovođenja toplote zemlji, - izabrati preliminarno rešenje za razmenu toplote sa zemljom (horizontalne ili

vertiklane cevi), - izabrati jednu ili vise toplotnih pumpi imajući u vidu potrebno toplotno opterećenje po

mesecima, odrediti prvo približenje srednje temperature fluida i time definisati koeficijent grejanja,

- odrediti bazni mesec pomoću preliminarnog učinka toplotne pumpe, - za izabranu tolotnu purnpu, odrediti vrstu rashladnog fiuida, temperature napojnog i

povratnog fkuda, - projektovati razmenjivač toplote, definisati prečnik i materijal cevi, raspored, položaj i

dubinu ukopavanja, - proračunati termički otpor, - odrediti dužinu cevi prema izabranom rešenju (horizontalne ili vertikalne cevi).

U fazi odlučivanja o tome da li primeniti topiotnu pumpu i koji tip pumpe, kada se radi o zemlji kao toplotnom izvoru, i pri izboru razmenjivača toplote, potrebno je analizirati nekoliko lokalnih faktora: troškove pogona toplotne pumpe, pouzdanost izabranog pogona u poređenju sa kiasičnim - alternativnim energetskim izvorima; pouzdanost i troškove lokalnih izvođača (za bušenje, kada je u pitanju vertiklano postavijanje cevi). U urbanim gusto naseljenim sredinama sa drvećem, žbunjem, putevima i drugim preprekama, horizontalni sistem cevi nije pogodan. To samim tim podrazumeva vertikalno postavijanje cevnih snopova.

Klimatski uslovi su vrlo važni jer utiču na obnovljvost toplotnih izvora - priliv toplotne energije od sunca kada se radi o horizontalno postavljenim cevima. To zahteva velike i relativno slobodne površine da bi se obezbedio pozitivn uticaj sunca (pre svega za grejanje).

125

Kada se isti slučaj primeni na dominantno hlađenje, bolje je koristiti površine u senkama. Zbog toga je važno odrediti da li je toplotna pumpa prvenstveno namenjena za grejanje ili hlađenje.

Ekonomičnost toplotne pumpe ne ogleda se samo u uštedi toplotne i električne energije i veličini razmenjivača toplote, već i u smanjenim troškovtma montaže toplotne pumpe i izvođenja građevinskih radova. Ovaj momenat može znatno da poveća inicijalne troškove, zbog čega može biti ugrožena koncepcija toplotne pumpe. Zato analiza ekonomičnosti primene toplotne pumpe u poređenju sa kiasičnim izvorima energije za grejanje, mora da uzme u obzir sve pripremne radnje.

Drugi važan faktor je potrebna energija za objekat. Male, dobro izolovane kuće, imaju male troškove za grejanje ili hlađenje tako da usteda energije ne opravdava iu-vesticione troškove. Ovakvt sistemi su mnogo ekonomičniji u objektima gde su potrebe za energijom veće.

5.2. Solarno hlađenje

U našim klimatskim uslovima, u letnjem periodu postoje potrebe za hlađenjem i klimatizacijom. Period najveće potrebe za hlađenjem i klimatizacijom se poklapaju sa periodom najveće dozračene solarne energije. Potrebe za rashladnom energijom su veće u letnjem periodu čak i kod potrošača kod kojih postoji konstantna potreba za hlađenjem, poput računarskih sistema, postrojenja za skladištenje namirnica i sl.

Za hlađenje se najčešće koriste rashaldni sistemi sa električnim komresorskim mašinama, ali, kao što je već rečeno u tekstu, moguće je koristiti i sisteme koji koriste toplotnu energiju za postozanje efekta hlađenja, poput absorcpionih adsorpcionih rashladnih uređaja. Kod primene ovakvih uređaja, treba razmotriti upotrebu solarnih tehnologija za pogon rashladnih uređaja, jer se profil potrošnje rashladne energije poklapa sa profilom najveće dostupnosti solarne energije.

Projektovanje i dimenzionisanje solarnog sistema za hlađenje ili klimatizaciju se ne razlikuje značajno od projektovanja konvencionalnog sistema za hlađenje i/ili klimatizaciju, jer dimenzionisanje sistema zavisi od profila potrošnje i potreba objekta. Na osnovu određenih potreba objekta za projektne uslove, određuje se i dimenzioniše kapacitet sistema za solarno hlađenje.

Najčešće su u upotrebi jednostepeni absorpcioni čileri i toplotne pumpe, ali se na tržištu mogu naći i dvostepene i trostepene mašine, koje nude bolje koeficijente hlađenja i grejanja, kao što je već objašnjeno u tekstu.

U zavisnosti od proizvođača, potrebna temperatura fluida za pogon absorpcione toplotne pumpe ili čilera je obično oko 90 oC, pa je potrebna izlazna temperatura iz kolektora nešto viša. Iz navedenog razloga, preporučuje se upoteba vakuumskih prijemnika u sisetmimaza solarno hlađenje ili klimatizaciju.

126

Potrebne više temperature u solarnim rashladnim sistemima nameću i dodatne zahteve pri projektovanju. Polje solarnih kolektora je u ovom slučaju potrebno precizno projektovati kako bi se uklopilo sa izlazom i raspodelom temperature rashladne mašine. I u ovom slučaju je potrebno voditi računa o izbegavanju problema stagnacije, tj. potrebno je dimenzionisati toplotni ponor tako da u svakom trenutku može da absorbuje dobijenu solarnu energiju. Akumulacija energije na toplom kraju instalacije je u ovom slučaju ograničena zbog visokih radnih temperatura.

Kod ovakvih sistema, moguće je postići solarnu pokrivenost iznad 50%. Rashladni ciklus se u ovakvim slučajevima odvija na relativno niskim temperaturama, što uslovljava rad sa nižim koeficijentom hlađenja od nominalnog, pa o ovoj činjenici takođe treba voditi računa u toku projektovanja. Ukoliko bi se smanjila solarna pokrivenost kod ovakvih sistema, neophodno bi bilo obezbediti dovoljnu količinu toplotne energije iz konvencionalnih izvora, koja be se trasnformisala u rashladnu energiju i uticale na nisku efikasnost. Iz tog razloga, ovakve režime rada kod solarnih rashladnih sistema treba izbegavati.

Slika 67. Principijalna šema solarnoh sistema za klimatizaciju prostora

5.3. Integracija solarnih sistema sa inteligentnim sistemima

Da bi se postigli neki od navedenih konačnih efekata primenom solarne energije, pored upotrebe solarnih termalnih kolektora, neophodna je i integracija inteligentnih solarnih

127

termalnih sistema, koji podrayumevaju upotrebu durgih ure]aja poput akumulatora toplote, toplotnih pumpi i dr. Projektovanje ovakvog solarnog inteligentnog sistema, vrši se precizno definisanjem strukture sistema odabirom pojedinih komponenata sistema kao bi se postigao optimalni toplotni učinak. Metodologija za odabir pojedinih komponenata inteligentih solranih sistema će zato biti predstavljena u okviru ove studije. Kriterijumi za odabir i sitezu inteligentog solarnog termalnog sistema su pouzdan i bezbedan rad ovakvih solarnih instalacija. Solarni sistemi su najčešće deo binarnog sistema, pa se dimenzionisanje sistema svodi na postizanje podmirivanja određenog udela energetskih potreba solarnom energijom. U našim uslovima, solarni sistem bez upotrebe dodatnog sistema ne može da garantuje sigurnost snabdevanja energijom. Iz tog razloga se vrši dimenzionisanje konvencionalnog sistema nezavisno od solarnog.

Međusovna interakcija između postojećih izvora energije je od presudnog značaja za postizanje najveće ukupne efikasnosti sisetma, tj. za najveću uštedu energije. Odabir vrste solarnih prijemnika za inteligentni sistem, prema potrebnom temperaturnom nivou u sistemu vrši se prema dijagramu na slici 68.

Slika 68. Odabir tipa solarnog prijemnika prema potrebnom temperaturnom nivou u sistemu- promena efikasnosti prijemnika u zavisnosti od srednje radne temperature prijemnika

Da bi se dimenzionisao solarni sistem, potrebno je najpre što preciznije proračunati energetske potrebe i potrošnju. Maksimalno, vršno, opterećenje u profilu potrošnje se koristi kao osnova za dimenzionisanje sistema sa aspekta sigurnosti snabdevanja. Potrošnja energije u nominalnom režimu rada soalrnog sistema je osnova za idealno iskorišćenje solarnog sistema. Maksimalno – vršno opterećenje može biti i dva puta veće od nominalnog.

Kako bi se što bolje dimenzionisao solarni sistem, potrebno je što preciznije predvideti promenu profila potrošnje toplotne energije u toku godine. Najbolji način da se

Ravni solarni prijemnici

Vakuumske cevi

CPC vakuumski

Parabolični koncentrišući

Efik

asno

stpr

ijem

nika

128

dođe do ovog podatka je merenje potrošnje u dužem vremenskom periodu, ali ovakva merenja nisu uvek moguća.

Kod inteligentnih solarnih toplotnih sistema, rad sistema reguliše system automatskog upravljanja, koji dobija informacije o promeni parametara sistema u realnom vremenu. Kontrola većine solarnih sistema za toplotnu konverziju vrši se po principu temperaturne razlike između temperature solarnog kolektora i temperature u akumulatoru toplote ili rezervoaru sa toplom potrošnom vodom. Kada je razlika ovih temperatura veća od minimalne zadate, cirkulaciona pumpa počinje sa radom i radni medijum transportuje toplotu od solarnog kolektora da akumulatora/rezervoara tj. posredno do potrošača. Sistem prestaje sa radom kada razlika ovih temperatura bude iznad zadatog minimuma. Kod tipičnih solarnih sistema sa indirektnim ili direktnim zagrevanjem akumulatora toplote ili rezervoara potrošne tople vode, vrednost razlike temperatura kada sistem kreće sa radom je 8-10oC, a vrednost prestenka sa radom 4-5oC.

Slika 69 – Principijalna šema upravljanja solarnim sistemom: 1 – grejanje kolektora, 2- grejanje rezervoara tople vode, 3- Akumulacija toplote

Senzori temperature koji se koriste moraju biti otporni na visoke temperature koje se mogu javiti u solarnim prijemnicima.

Kod složenijih sistema, poterbna je regulacija i analiza većeg broja parametara i regulacija prioriteta. Kod ovakvih sistema, npr. Jedan rezervoar tople vode dobija prioritet za zagrevanje solarnom energijom. Kada postoji grejanje dva potrošača, npr. Rezervoar potrošne tople vode i bazen bez konvencionalnog dogrevanja, sistem će zagrevati najpre rezervoar potrošne tople vode kao prioritetni. Kada rezervoar dostigne svoju zadatu temperaturu,počinje snabdevanje solarnom toplotnom energijom potrošača sekundarnog prioriteta (bazen iz primera).U ovom primeru, prioritet je dat zagrevanju potrošne tople vode, međutim za postizanje najveće energetske efikasnosti celokupnog sistema, potrebno je vršiti detaljnije analize ponašanja sistema.

129

Kod nekih proizvođača, moguće je podesiti sistem upravljanja za postizanje najveće moguće efikasnosti sistema. Za sistem sa dva rezervoara potrošne tople vode, koji se zagrevaju cele godine, rezervoar sa najmanjom temperaturom će se uvek zagrevati solarnom energijom.

a) b)

Slika 70 – Prioritetni potrošači u solarnim sistemima: a) system za pripremu potrošne topple vode i bazenom, b) system sa dva rezervoara potrošne topple vode

I kod sistema upravljanaj inteligentnih solarnih sistema posebna pažnaj je posvećena stagnaciji sistema, tj. izbegavanju ove pojave kod prijemnika. Ovo je najčešće slučaj kod sistema izloženih višem pristisku i sistema koji se koriste za podmirivanje osnovnih potreba grejanja prostora, u kombinaciji sa centralnim grejanjem, gde se može očekivati pojava stagnacije. Za zaštitu od stagnacije, cirkulaciona pumpa solarnog sistama se isključuje kada se dostigne maksimalna dozvoljena temperatura u rezervoaru tople vode. U slučaju porasta temperature u kolektoru, a temperatura u rezervoaru nije dostigla svoj dozvoljeni maksimum, pumpa radi sve dok se temperatura u kolektoru ne obori na dozvoljeni nivo ili za neku određenu vrednost.

5.4. Odabir solarne instalacije na osnovu potreba korisnika za sanitarnom toplom vodom i toplotnom energijom za grejanjem i hlađenjem

Kod projektovanja solarnog sistema za pripremu sanitarne tople vode za dvo-porodične kuće, preporuka je obezbediti solarnu pokrivenost-udeo solarne energije u proizvodnji sanitarne tople vode, od oko 60%. Ovakva solarna pokrivenost u sistemu može da omogući potpunu pokrivenost u letnjem periodu. Ovo utiče i na projektovanje i dimenzionisanje bojlera tople vode tj. akumulatora toplotne energije. Kod ovakvih sistema, u praksi se obično solarni sistem dimenzioniše tako da se ukupna zapremina bojlera može potpuno zagrejati solarnim sistemo u toku jednog sunčanog dana (za oko 5 sati) do radne temperature (npr. 60 oC), dok se zapremina akumulatora usvaja tako da podmiri dvodnevne potrebe za topom vodom.

130

Pored raznih preporuka koje se mogu naći u priručnicima za projektovanje, koje obično daju preporuku o zapremini bojlera po m2 kolektora, mnogo bolji pristup je detaljnija analiza ponašanja sistema radi dimenzionisanja sistema sa željenim procentom solarne pokrivenosti. Solarna pokrivenost zavisi od realne potrošnje, od zapremine potrošene tople vode ali i od prifila potrošnje vode. Tako da isti sistem u zavisnosti od profila potrošnje može u različitim periodima da postigne različitu pokrivenost. Npr. Kod sistema za pripremu sanitarne tople vode u porodičnim kućama, jedan solarni sistem može u popodnevnim časovima da potpuno podmiri potrebe za toplom vodom, dok u jutarnjim časovima kada je po pretpostavci najveća potrošnja, pokrivenost može biti duplo manja.

Slika 71. Prosečna mesečna potrošnja tople vode i energija dobijena pravilno dimenzionisanim solarnim sistemom

Slika 72. Nomogram za usvajanje površine solarnih prijemnika solarnog sistema: A- za ravne prijeminika, B – za vakuumse prijemnike

5.5. Napomene o stagnaciji kod solarnih toplotnih prijemnika

131

Solarni kolektor proizvodi toplotnu energiju kad god je absorber izložen zračenju, nezavisno od toga da li u tom trenutku postoji potreba za toplotnom energijom. Ukoliko ne postoji toplotni ponor kome bi se predala proizvedena količina energije, sistem se isključuje i dolazi do pojave stagnacije. Ukoliko je sistem izolovan, u ovom slučaju dolazi do porasta temperature u kolektoru do maksimalne temperature, kada dolazi do ravnoteže između dobijene energije i gubtaka energije. Temperatura u kolektoru je u ovom slučaju obično iznad temperature ključanja radnog medijuma. Pored ovoga, pritisak u kolektoru dostiže vrednosti koje mogu biti značajno iznad radnog pritiska, što zahteva upotrebu odgovarajuće zaštitne opreme. Iz tog razloga je od velike važnosti pravilno dimenzionisanje sistema, kao i automatska regulacija rada sistema. Do stagnacije može doći i u slučaju otkazivanja sistema za napajanje električnom energijom, kada se toplota ne odvodi iz solarnog kolektora. Sve ovo je potrebno uzeti u razmatranje pri projektovanju solarnog sistema.

Slika 73. Rezultati simulacije rada solarnog sistema koji ukazuju na mogućnost pojave stagnacije

U toku stagnacije u kolektoru dolazi do sledećih procesa:

- Ekspanzija radnog medijuma – dolazi do prestanka cirklulacije radnog medijuma dok je kolektor izložen sunčevom zračenju. Dolazi do ekspanzije radnog medijuma i povećanja pritiska u sistemu za otprilike 1bar, dok se ne dostigne temperatura ključanja. - Isparavanje radnog medijuma – nakon dostizanja temperature ključanja, dolazi do generisanja pare u sistemu, a pritisak pare poraste za približno 1bar, a temperatura u ravnom prijemniku dostiže vrednost od oko 140 oC. - Ključanje u solarnom kolektoru – Sve dok postoji radni medijum u solarnom kolektoru, ključanje se odvija u kolektoru. Dolazi do povećanja koncentracije smeše glikol-voda, što utične na porast tačke ključanja. Pritisak i dalje raste, a radni medijum u ravnim prijemnicima dostiže temperaturu od oko 180 oC.

Sa porastom koncentracije radnog medijuma, ima sve manje vode koja bi mogla da isparava, raste tačka ključanja i temperatura u kolektoru. Izlaz iz kolektora opada, kao i količina pare. Dolazi do pada pritiska a kolektor dostiže temperaturu stagnacije. Kolektor

132

ostaje u stanju stagnacije, sve dok temperatura u kolektoru ne opadne usled smanjene količine dozračene energije. Kada dodje do pada temperature, pada temperatura i pritisak u kolektoru i para se kondenzuje. Radni medijum počinje ponovo da struji kroz kolektor. Pojava pare i udara je moguđa i dalje kada tečna faza radnog medijuma naiđe na pregrejane delove kolektora.

Ispuna kolektora parom se može smanjiti ako se trajanje faze 3 smanji što više, što se događa ako se u fazi 2 radni medijum stistne iz kolektora pa nema mogućnosti da dođe do potpunog isparavanja.

Da bi se izbegao problem stagnacije, preporučuje se usvajanje površine kolektora koji bi podmirili osnovne potrebe za toplotnom energijom u letnjem periodu.

Pored grejanja potrošne topple vode, solarni kolektori se mogu koristiti i za grejanje prostora u prelaznom period. Projektovanje ovakvih sistema je naročito povoljno kod novih zgrada, gde je moguće predvideti akumulaciju toplotne energije dobijene primenom solarnih kolektora tokom dela sezone. Pod pretpostavkom upotrebe ovakvog rešenja kod zgrada niske potrošnje, sa dovoljnim prostorom za smeštanje akumulatora toplote (10000 l ili više), i krovom južne orijentacije, moguće je podmiriti veći deo potrebne toplotne energije energijom dobiijenom primenom solarnih kolektora. Kako bi se postigao najveći učinak, potrebna je obezbediti adekvatnu interakciju između i sistema za grejanje, provetravanje i klimatizaciju objekta i arhitekture objekta.

Kod sistema za pripremu potrošne tople vode, postoji delimično slaganje između profila potrošnje i proizvodnje toplotne energije u toku godine. U slučaju grejanja prostora, profil proizvodnje toplotne energije primenom solarnih prijemnika i potrošnje toplotne energije se ne poklapaju.

Iz navedenog razloga, solarni toplotni system ne može da zameni upotrebu konvencionalnog sistema za grejanje, već može u određenom period da podmiri osnovne potrebe za toplotnom energijom (slika 74.)

133

Slika 74. Energetske potrebe objekta i energija dobijena primenom solarnih toplotnih kolektora:A – Energija potrebna za grejanje tipičnog objekta, B – Energija za grejanje objekta male potrošnje, C – Energija potrebna za pripremu potrošne tople vode, D –

Energija dobijena upotrebom ravnih solarnih prijemnika površine absorbera od 5 m2, E – Energija dobijena upotrebom ravnh solarnih prijemnika površine 15m2.

Sa slike se jasno vidi da je primena solarnih toplotnih sistema za grejanje bez upotrebe akumulacije toplote vrlo ogranišena. Daljim povećanjem površine absorbera solarnih kolektora, došlo bi do prekomerne proizvodnje toplotne energije u letnjem periodu. Ovo dovodi do pojave stagnacije u letnjem periodu, osim u slučaju kada u ovom periodu postoji dodatna potrošnja toplotne energije.

Iz navedenog razloga, potrebno je posvetiti posebnu pažnju dimenzionisanju ovakvih sistema. Potrebno je pažljivo planiranje i projektovanje objekta i termotehničkih sistema, kako bi se ozbegli navedeni problemi, a udeo energije dobijene solarnim sistemom u toku godine potrebno je svesti na razumnu meru. Dimenzionisanje sistema treba uvek vršiti na osnovu potrošnje toplotne energije u letnjem periodu.

Metodologija za integraciju solarnog inteligentong sistema se može podeliti u par faza:

1. Analiza potreba za toplotnom energijom- kvalitativna i kvantitativna analiza profila potrošnje pre svega toplotne, ali i rashladne energije. Ukoliko je moguće, prikupljanje merenih podataka i određivanje temperaturnih nivoa pojednih potrošača,

2. Analiza prikupljenih podataka i potrebnih temperaturnih nivoa u sistemu i odabir vrste solarnog sistema (ravni solarni prijemnici, vakuumski, koncentrišući i sl.),

134

3. Analiza optimalne tačke u sistemu za integraciju solarnog sistema, 4. Određivanje optimalne pokrivenosti sistema, 5. Donošenje odluke o akumulaciji toplote, 6. Dimenzionisanje solarnog inteligentnog sistema, 7. Analiza energetskog ponašanja sistema u toku godine, i analiza ekonomičnosti

odabranog sistema. U slučaju nepovoljnih rezultata ove faze, potrebno je vratiti se na fazu 3,

8. Projektovanje optimalnog solarnog inteligentnog sistema. Navedene faze treba sprovoditi po principima koji su već prikazani u ovom radu.

6. ZAKLJUČAK

Prekogranična oblast koja je predmet ovog rada ima povoljne klimatske uslove za upotrebu solarne energije. Iako značajan, ovaj potencijal je još uvek neiskorišćen. Može se očekivati napredak na ovom polju u narednih nekoliko godina, jer je i Vlada Republike Srbije prepoznala značaj ovog problema, prihvativši Evropske direktive 2009/28/EC, i usvajanjem odgovarajuće zakonske regulative koja reguliše primenu ovakvih sistema. Analize su pokazale da optimalno projektovani solarni toplotni sisteme za područje Srbije treba da zadovolji tek 10-20% potreba za toplotnom energijom za zagrevanje prostora. Ovi sistemi se najbolje i najlakše mogu koristiti kao sistemi za zagrevanje potrošne tople vode (PTV). Zbog problema vremenskog nepodudaranja najveće dostupnosti solarngo zračenja i najvećeg toplotnog opterećenja u profilu potrošnje toplotne energije, potrebno je primeniti principe integracije sistema, odabira adekvatnog tipa solarne tehnologija u skladu sa realnim potrebama i projektovanje inteligentnih solarnih sistema. U ovom radu su izloženii osnovni principi konverzije solarne u toplotnu energiju pomoću različitih vrsta solarnih prijemnika. Pomenuti problem nepodudaranja najveće dostupnosti besplatne solarne energije i najvećih toplotnih opterećenja se delimično prevazilazi upotrebom akumulatora toplote, ali i integracijom sistema sa konvencionalnim tehnologijama za proizvodnju toplotne energije a naročito sa toplotnim pumpama. Na ovaj način, pravilnim projektovanjem i dimenzionisanjem sistema se prevazilaze problem nepoklapanja proizvodnje i potrošnje energije, a takođe se izbegava i pojava stagnacije kod solarnih kolektora. Iz tog razloga je su u ovom radu predstavljeni glavni principi projektovanja i dimenzionisanja solarnih sistema, a posebna pažnja je posvećena određivanju udela potrošnje koji se pokriva solarnim sistemom na godišnjem nivou, tj. solarnoj pokrivenosti. Kako solarni prijemnici proizvode toplotnu energiju kad god su izloženi zračenju, obično je najbolje rešenje podmiriti osnovne potrebe solarnim sistemom. Generalno, solarna pokrivenost do 50-60% se može smatrati prihvatljivom. Iako je veća solarna pokrivenost tehnički moguća, ekonomišnost ovakvih sistema je zadovoljavajuća samo u retkim slučajevima kada postoji dobro poklapanje profila potrebne toplotne energije i dostupnosti solarnog zračenja. Kako se sve više energije troši na hlađenje i klimatizaciju u letnjem period, posebna pažnja u ovom radu posveđena je sorpcionim rashladnim uređajima- absorpconim i adsorpcionim čilerima i toplotnim pumpama, koji u letnjem periodu, sa najvećom insolacijom, mogu da koriste toplotnu energiju solarnog sistema za postizanje rashladnog efekta. Pored toga, promenom smera

135

radnih ciklusa sorpcionih sistema, postiže se efekat grejanja. Iako postoje na tržištu gotova rešenja sorpcionih uređaja, njihovi koeficijenti grejanja i hlađenja su još uvek značajno manji nego kod kompresorskiih toplotnih pumpi. Pored toga, trenutne cene ovakvih uređaja če verovatno odložiti masovniju primenu sistema za solarno hlađenje u prekograničnom regionu.

LITERATURA

[1] Noam Lior, Thoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their development, Energy Conversion and Management 43 (2002) 1187–1198

[2] Ministarstvo rudarstva i energetike Vlade Republike Srbije, Stragegija razvoja energetike Republike Srbije do 2015. Godine, Boegrad 2004

[3] Ministarstvo za energetiku, razvoj i zaštitu životne sredine Republike Srbije, Nаcrt strаtegije rаzvojа energetike Republike Srbije zа period do 2025. godine sа projekcijаmа do 2030. godine,

[4] Dr Miroslаv Lаmbić, Mr Ivаn Tаsić, Dr Novicа Pаvlović, Dr Drаgаn Stojićević, Solаrnа energetikinstаlаcije i objekti, SRBIJA SOLAR 2006.

[5] Miroslav Lаmbić, Energetika, Univeryitet u Novom Sadu, Tehnički fakultet "Mihajlo Pupin". Zrenjanin, 2007.

[6] S. A. Kaligirou, Solar Thermal Collectors and Applications, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 231-295

[7]Stavan Šamšalović, Toplotna pumpa – tehnologija održive proizvodnje energije, Savez mašinskih i elektrotehničkih inženjera i tehničara Srbije (SMEITS), 2009.

[8] Y. Fan, L. Luo, B. Souyri, Review of solar sorption refrigeration technologies: Development and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11 (2007) 1758–1775

[9] D.S. Kim, C.A. Infante Ferreira, Solar refrigeration options – a state-of-the-art review, International journal of refrigeration 3 1 ( 2 0 0 8 ) 3 – 1 5