Kako do “skoraj ni - Slovenija-co2.sipasivni solarni sistemi srednjetemperaturni ali aktivni...

Slovenija znižuje CO2: dobre prakse Kako do “ skoraj nič energijskih stavb” Prof.dr. Sašo Medved Laboratorij za okoljske tehnologije v zgradbah Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 20.3.2012

1

Projekt »Slovenija znižuje CO 2 : dobre prakse« izvaja Umanotera, Slovenska fundacija za trajnostni razvoj. Projekt je ena izmed akcij partnerstva na področju komuniciranja evropskih vsebin med Evropsko komisijo, Vlado Republike Slovenije in Evropskim parlamentom. Vsebine, objavljene v zvezi s projektom, ne predstavljajo uradnega stališča Evropske komisije,Vlade Republike Slovenije ali Evropskega parlamenta.

Oskrba energijsko varčnih stavb z energijo za ogrevanje, hlajenje, prezračevanje, TSV in osvetlitev pretežno s pretvarjanjem obnovljivih virov energije na stavbi sami ali v bližini stavbe (daljinski sistemi).

Sončna energija Ogrevanje Hlajenje TSV PV

Biomasa Ogrevanje Hlajenje TSV CHP/

soproizvodnja

Geotermalna energija Ogrevanje TSV

Toplota okolja Ogrevanje

TSV

Hlajenje

Ogrevanje Toplota okolja/TČ

Vetrna energija µvetrnice

Direktiva EPBD (Energy performance of building directive) 2010

Tehnologije URE

Tehnologije OVE

Kako do skoraj nič energijskih stavb – izobraževalni projekti

Vsebina

60 60

0 0

15 15

30 30

kWh kWh/m /m 2 2 a a

180 + 180 +

120 120

“ “Pasivne stavbe Pasivne stavbe” ”

Stavbe z nizko rabo toplote Stavbe z nizko rabo toplote

Kvalitetno toplotno izolirane stavbe Kvalitetno toplotno izolirane stavbe

v v

“ “Zero Zero energy energy” ”

“ “Energie Energie + +” ” ‐ ‐ stavbe s prese stavbe s presež žkom energije kom energije

v v

Toplotna Zaščita stavbe

Sončna energija, OVE

+ Mehansko prezračevanje

Ozadje

Ozadje

0 300

600 900 1200 1500

1800 2100

Danes TRL

Sc.A Sc.B Sc.C Sc.D Leto 2003

Število

ur v NE stavbian

d 25

°C (h

/a)

Pričakovane podnebne spremembe

Staranje prebivalstva v EU

Več električnih naprav, večji notranji toplotni viri

Raba električne energije narašča bolj kot raba drugih energentov

Vršna električna moč, premaknitev vrha iz zimskega dneva ob 19 uri na poletni dan ob 15 uri.

Raba električne energije za hlajenje sovpada s sončnim sevanjem ‐> glajenje vrha rabe električne energije s PV sistemi.

Sončno obsevanje Ogrevanje

TSV

Toplotne prehodnosti U gradbenih konstrukcij nižje za 4 do 5 x!

< 0,15 W/m < 0,15 W/m 2 2 K K

2009

2002

pasivne stavbe

URE v stavbah

Konvektivni in sevalni prestop toplote na notranji strani zasteklitve

Konvektivni in sevalni prestop toplote med stekli

Prevod toplote v steklu

Toplotne prehodnosti zasteklitve so večje kot toplotna prehodnost kvalitetno toplotno izoliranega zidu !

Toplotna prehodnost zasteklitve zmanjšamo s povečanjem uporov konvektivnemu in sevalnemu prestopu med stekli !

večjim številom stekel (2 -> 3 -> 4) zamenjavo zraka med stekli z žlahtnimi plini (Ar, Kr, Xe) z nizko-emisijskimi nanosom na steklu

URE v stavbah

Prehod toplote na mestu distančnika stekel merimo s toplotnim mostom.

Toplotna prehodnost okvirja Uokv je odvisna od snovi (les, PVC, Al) 0,8 – 1,3 W/m 2 K

Pri PVC in AL okvirjih navajamo število “izolacijskih komor”

V tem preseku je 5 “komor”

V najboljših primerih je Us enako Uokv !

Distančnik Al PVC Ψ (W/mK) 0,06

0,115 0,024 0,047

URE v stavbah

Razred zrakotesnosti opredeljuje količino zunanjega zraka, ki v stavbo prehaja preko pripire dolžine 1 m ali površine okna 1 m 2 . Se izmeri in navaja pri Dp 100 Pa.

Tlak (Pa)

m/h

na

m c

elot

ne p

ovrš

ine

32

m/h

na

m d

olžn

e st

ika

3

10 1

2

6

10

27 30

10

50 100 150 300 600

0,5

0,75

2,0 2,2 2,5

5,0

10

6,75

Razred 1

Razred 2

Razred 3

Razred 4

URE v stavbah

Tesnost stavbe z metodo nadtlaka, ki ga ustvarimo z ventilatorjem

Običajno namestimo na vrata stavbe ali prostora tesno oblogo z ventilatorjem (od tod ime Bloower door metoda).

Pri tlačni razliki 50 Pa pretok zraka skozi prostor/stavbo ne sme biti večji kot dve izmenjavi na uro (n=2h ‐1 ) (stavbe z mehanskim prezračevanjem) (3,5; pri stavbah z naravnim prezračevanjem)

POZOR ! POZOR !

Netesnost stavbe mora pri naravno (toplotni vzgon) prezračevanih stavbah biti taka, da je število izmenjav zraka 0,2 (0,3 h ‐1 ) in ne več kot 0,5‐0,7 h ‐1 (Vstavbe)

V nasprotnem je potrebno vgraditi sistem za mehansko prezračevanje.

∆p = 50 Pa V .

URE v stavbah

V modernih družbah ljudje preživimo več kot 90% časa v stavbah. Zato je pomembno, da poleg ostalih zahtev bivalnega in delovnega ugodja zagotovimo tudi primerno kakovost zraka.

Kakovost zraka v stavbah vzdržujemo s prezračevanjem stavb. Tako imenujemo proces redčenja onesnažil, ki nastajajo v stavbi z zrakom iz okolice.

Toda leta 1984 Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) opozorila, da je kakovost zraka v vsaj tretjini novih in obnovljenih stavb preslaba in vzrok številnih obolenj.

Razlog je v predpisih in zahtevah po večji energijski varčnosti pri ogrevanju stavb. Zato gradimo sodobne stavbe (pre)tesne.

Večina stanovalcev v tej starejši stavbi z novimi okni ima okna odprta vso noč (IR slika pri tem. 0°C)

URE v stavbah

Mehansko prezračevanje z rekuperacijo ‐ s prenosniki toplote prenašamo toploto iz toplega odpadnega zraka na sveži zrak, ki vstopa v prostore.

filter

dovod svežega zraka iz okolice

odvod odpadnega zraka

ventilator za odpadni zrak

lamelni prenosnik toplote

gumijasti podstavek preprečuje širjenje tresljajev

odvod svežega zraka v prostore

dovod odpadnega zraka iz prostorov

ventilator za sveži zrak z zaščito proti zmrzovanju

posoda za kondenzat

ohišje

2.000 do 20.000 m³/h

800 m³/h do 6000 m³/h do 350 m³/h

URE v stavbah

ovoj ovoj stavbe stavbe

prezra prezrač čevanje evanje topla topla sanitarna sanitarna

voda voda

raba energije za ogrevanje



voda voda





voda voda

Kakovost zraka v stavbah (IAQ)

V NE in PS se poleg bistvenega zmanjša rabe energije in izboljšanega bivalnega ugodja, bistveno zmanjša tudi potrebna moč ogrevalnih in hladilnih sistemov.

To pomeni, da lahko uporabimo za ogrevanje nižje (namesto 60+°C ‐>25°C), za hlajenje pa višje temperature (namesto 7°C ‐>18°C) nosilcev toplote in/ali hladu (najpogosteje voda ali zrak) t.i. nizko‐eksergijske sisteme.

Izkoriščanje OVE in toplote/hladu okolja postane veliko bolj učinkovito!

URE v stavbah

Kakovost zraka v stavbah (IAQ)

Pri gorenju (oksidaciji) vodika iz goriva nastane vodna para; če jo utekočinimo pridobimo še nekaj toplote.

Utekočinjenje je mogoče, če ima grelni medij zadosti nizko temperaturo ‐> nizko‐energijske in pasivne stavbe.

kur ilnost kur ilnost

zgorevalna zgorevalna toplota toplota

URE v stavbah

Solarne ogrevalne sisteme delimo glede na temperaturo nosilca toplote

nizkotemperaturni ali

pasivni solarni sistemi

srednjetemperaturni ali aktivni solarni sistemi

visokotemperaturni solarni

sistemi

25 °C 90 °C 250 °C

Naravno ogrevanje stavb;

integrirani v ovoj stavbe ‐okna,

stekleniki, prezračevane

konstrukcije

Pretvarjajo sončno obsevanje v toploto s pomočjo sprejemnikov sončne energije

(SSE); s prenosno tekočino prenašajo

toploto v hranilnike toplote; ti so

povezani s sistemom za ogrevanje

sanitarne vode, ogrevalnim sistemom ali

toplotno gnanim hladilnim sistemom

Visoke temperature prenosne

tekočine dosežemo z

zgoščevanjem sončnega sevanja

in sledenjem soncu; sončne elektrarne, sončni kuhalniki,

procesna toplota

OVE v stavbah ‐ >Solarni ogrevalni sistemi

Ravni

Vakuumski

Sončna energija

Ogrevanje stavb

15 30 45 60 75 90

0,6

0,5

0,4

0,3

0,7

0,8

0,9

1

deležog

revanjassolarnim

sistem

om(1)

površina SSE (m ) 2

.

2 m 3

4 m 3

7 m 3

10 m 3

20 m 3

40 m 3 NE stavba, 200 m 2 Ap

Sončna energija

Sončna energija

Solarni sistemi za ogrevanje stavb

Pri sodobni solarnih sistemih, ki so namenjeni ogrevanju in pripravi TSV v

večstanovanjskih stavbah uporabljajo dvocevni razvod toplote ter stanovanjske

toplotne postaje.

Prednosti:

manjše toplotne izgube razvodnega omrežja

pretočna priprava sanitarne tople vode

lažji obračun rabe energije po porabnikih

Sončna energija

V praksi so preizkušene 4 vrste sezonskih hranilnikov toplote v

solarnih sistemih:

vodni; zemlja/navpični prenosniki toplote;

gramoz z vodo (umetni vodonosnik);

naravni vodonosniki.

Sistem SSE Toplotna

moč

Letno proizvedena

toplota HT Vrsta HT m² MW GWh m³

Marstal 18,048 12.9 8.2 2,100 Vodni

3,500 Gramoz/voda 10,000

Kungälv 10,048 7 4.5 1,000 Vodni Brændstup 8,000 5.6 3.6 Strandby 8,000 5.6 3.6 Nykvärn 7,500 5.3 3.4 1,500 Vodni Falkenberg 5,500 3.9 2.5 1,100 Vodni Neckarsulm 5,044 3.5 2.3 25,000 Zemeljski Ulsted 5,000 3.5 2.2 1,000 Vodni Ærøskøping 4,900 3.4 2.2 1,200 Vodni Friederichshafen 4,250 3 1.9 12,000 Vodni

Sistem SSE Toplotna

moč

Letno proizvedena

toplota HT Vrsta HT m² MW GWh m³

Marstal 18,048 12.9 8.2 2,100 Vodni

3,500 Gramoz/voda 10,000

Kungälv 10,048 7 4.5 1,000 Vodni Brændstup 8,000 5.6 3.6 Strandby 8,000 5.6 3.6 Nykvärn 7,500 5.3 3.4 1,500 Vodni Falkenberg 5,500 3.9 2.5 1,100 Vodni Neckarsulm 5,044 3.5 2.3 25,000 Zemeljski Ulsted 5,000 3.5 2.2 1,000 Vodni Ærøskøping 4,900 3.4 2.2 1,200 Vodni Friederichshafen 4,250 3 1.9 12,000 Vodni

Sončna energija

Šolski center v Karlsruhe (A p 4150 m 2 ), 1600 m 2 SSE, HT 4500 m 3 ,

40% delež ogrevanja s soncem, manjše emisije CO 2 590 t/a ‐> 200 t/a

Sončna energija

“Odprt proces” ‐ zrak s katerim prezračujemo stavbo hladimo v klimatu pred vstopom v stavbo

“Zaprt proces” – produkt je hlajena voda (5°‐10°C), ki se pretaka do decentralnih enot (ventilatorskih konvektorjev, hladilnih gred, toplotno vzbujenih gradbenih konstrukcij

V obe vrsti sistemov moramo za delovanje dovajati toploto. To je naloga sprejemnikov sončne energije. Temperaturni nivo dovedene toplote je med 50°in 60°C pri odprtem procesu in 80°do 95°C+ pri zaprtem procesu.

Sončna energija – hlajenje stavb

Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih.

Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje

Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih.

Pri obratnem procesu, ki ga imenujemo sorpcija, molekule vodne pare iz zraka prehajajo v trdno snov (silikagel) ali tekočino (LiBr). Zato se zrak osuši, a tudi segreje. S segrevanjem snovi v katero so prešle molekule vodne pare dosežemo, da se ta osuši. To je naloga SSE !


Celotni proces sušilno/hlapilnega hlajenja (ena od izvedb)

1‐2: razvlaževanje svežega zraka v sorpcijskem prenosniku 2‐3: hlajenje svežega zraka z odsesovanim zrakom iz stavbe, ki ga ohladimo z navlaževanjem 3‐4: hlajenje svežega zraka z navlaževanjem

5‐6: hlajenje odsesovanega zraka z navlaževanjem 6‐7: hlajenje svežega zraka s prenosnikom toplote

8‐9: segrevanje zraka iz okolice v SSE na temperaturo 50°C do 70°C 9‐10: razvlaževanje sorpcijskega prenosnika s toplim zrakom iz SSE

4: stanje vpihovanega zraka v stavbo 5: stanje zraka v stavbi


Zaprti sistemi solarnega hlajenja so že dolgo uporabljani sistemi t.i. sorpcijskega hlajenja.

V sorpcijskem procesu sodelujeta dve snovi – hladivo in absorbent. V sistemih za hlajenje stavb se najpogosteje uporabljata voda (hladivo) in litijev bromid (absorbent).

hladilna voda

hladilna voda

topla voda (pogonska toplota)

Kondenzator

Uparjalnik Absorber

5 2

3

4

6

7 1

Generator

TOPLOTNI KOMPRESOR

hlajena voda

Odvajamo v okolico

Odvajamo v okolico

Voda s temperaturo 5°do 10°C za hlajenje

stavbe

Dobimo iz SSE (85°C+)

Potrebujemo električno energijo

Prednost: Poraba električne energije za pogon črpalke je mnogo manjša kot poraba električne energije za pogon kompresorja pri klasičnih hladilnih sistemih. Toda potrebujemo toploto na visokem temperaturnem nivoju

Absorpcijsko hlajenje

1

3 2 2

Pomembno: pri načrtovanju so pomembne vse tri temperature – temperatura grelne vode, temperatura okolice v katero prenašamo odpadno toploto in temperatura hlajene vode (Rotartica)

Absorpcijski solarni sistemi za hlajenje s hladilno močjo 5 in 15 kW

Absorpcijsko hlajenje

Če namesto absorbenta (npr. LiBr) uporabimo trdno snov (npr. silikagel) z enakim delovanjem, govorimo o adsorpcijskem hlajenju.

V primerjavi z absorpcijskimi napravami, potrebujemo vir toplote z nižjo temperaturo (65°C to 75°C), toda hlajena voda ima višje temperature.

Dva mala adsorpcijska hladilna sistema 7,5 and 70 kW

Adsorpcijsko hlajenje

15 30 45 60 75 90

0,6

0,5

0,4

0,3

0,7

0,8

0,9

1

delež hlajen

ja s son

cem (1

)

površina SSE (m ), 15 kW, 20 MWh/a 2

2 m 3 4 m 3

8 m 3

Yazaki 35kW

Proizvajalci in moči naprav za solarno podprto hlajenje

Cilj je “down sizing”

Tržni izdelki

S sončnimi celicami pretvarjamo energijo sonca neposredno v električno energijo. Večina sončnih celic je izdelana iz silicija. V sončni celici fotoni z zadostno energijo povzročijo nastanek prostih elektronov, ki jih napetostna ovira, ki nastane na spoju dveh tankih plasti Si z dodatkom P ali B (n‐tip/p‐ tip Si), usmeri na nitkasto elektrodo na površini sončne celice.

Sončna energija

Tržni deleži različnih vrst sončnih celic

Sončna energija

Integriranje v ovoj stavb/transparentni moduli

Sončna energija

PV moduli so lahko izdelani v obliki že uveljavljenih standardnih gradbenih elementov

Integriranje SSE in PV (PV‐T)

Sončna energija

Sodobne kurilne naprave / zagotovljena kakovost kuriv

Biomasa

Emisije PM zmanjšane na 5 mg/Nm3, 95% manj kot pri klasičnih kotlih na polena.

Ločena

proizvo

dnja to

plote in električne en

ergije

Soproizvod

nja

Elektrarna η = 30%

gorivo Elek. energija

Soproizvodnja ηskupno = 90%

gorivo

Toplotne izgube

30 kWh

30 kWh

60 kWh 100 kWh

100 kWh

70 kWh

Kurilna naprava η = 85%

gorivo

10,5 kWh

70,5 kWh Toplota 60 kWh

10 kWh

Elek. energija

Toplota

Toplotne izgube

Toplotne izgube

Biomasa

Soproizvodnja

Biomasa

Pilotni sistem za soproizvodnja s Stirlingovim motorjem 3 kW P e , 10,5 kW P t ; uplinjanje pelet

kompresor

kondenzator

0°C 45°C

5°C 50°C

30°C 40°C

10°C

5°C

Toplota okolja / TČ

COP = Q in /W el

Primarna energija/ emisije CO 2 : zemeljski plin:električni energije 0,2 : 0,53 kg/kWh (2,65)


Pretok zraka 0,15 m 3 /h na 1 kW; COP: 2,8 to 4,3

Pretok podtalnice 200‐300 l/h na 1 kW; COP: 5 to 6

20 to 35 W na m dolžine, 10 ‐30 W/m 2 ; COP: 4 to 4,5

Poletni teden

Tempe

ratura (°C)

Tok

Ti

Zimski teden

Tempe

rature (°C)

Toplota/hlad okolja

Toplota/hlad okolja/toplotno aktivirane gradbene konstrukcije

15

17

19

21

23

25

27

29

31

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 čas (h)

temperatura zraka (°C)

Tok

Ti

Energija vetra

Tipični faktor moči med 20 to 40%.

Izobraževalni projekti

Intense

IDES‐EDU

BUILD UP

Intense energy efficiency – Holistic approach to energy efficient planning and construction Inteligentni ukrepi za učinkovito rabo energije v stavbnem sektorju v občinah vzhodne in srednje Evrope. 13 projektov obnov javnih stavb v občinah


Priročnik, iteraktivno gradivo s poglavji: zakonodaja, preverjanje kakovosti, načrtovanje naselij, nosilci energije in OVE, eco materiali, cost‐benefit presoje, gradbena fizika, konstrukcijski elementi, inženiring sistemov.

Komu ? Javne službe, gradbenim strokovnjakom, splošni javnosti


IDES EDU : Učni načrt in študijska gradiva za master interdisciplinarni študijski program program (2 leti + master delo)

Osnovni predmeti

Celovito načrtovanje stavb

Kakovost v arhitekturi

Sonaravne stavbe

Koncepti URE IN OVE v stavbah

Kakovost bivanja v notranjem okolju

Ekonomske presoje

EPBD

Teoretični predmeti

Ogrevanje in hlajenje stavb

Razsvetljava stavb

Prezračevanje

Proizvodnja energije (toplota, hlad, električna energija

http://www.annex49.com/download/summary_report.pdf (page56)

District hea ting systems – modes and components

building

Heat generator (coal, gas, biomass)

heat substations with heat exchanger

nowadays steel or PVC (for lower temperature) pre‐insulated pipes are used for distribution; the size is calculated regarding ot pressure drop not to be more 50 to 100 Pa/m.

direct connection to building heating system; no additional pump in heating system is needed

Despite the case on the photo, in most cases pipes are put into the ground and buried with the soil.

Gas boiler with integrated flow‐through heat exchanger for DHW

Gas condensation boiler with integrated heat storage (86 lit). Tap water is heated in p late heat exchanger with water from heat storage.

Gas condensation boiler with integrated heat storage (130 lit) and tube heat exchanger.

Source: www.viessmann.de


BUILD UP

Kako do “skoraj ni - Slovenija-co2.sipasivni solarni sistemi srednjetemperaturni ali aktivni...

Documents

Transcript of Kako do “skoraj ni - Slovenija-co2.sipasivni solarni sistemi srednjetemperaturni ali aktivni...