Moderné zdroje tepla

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Referát
Dátum: 17.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 2 589 slov
Počet zobrazení: 3 381
Tlačení: 263
Uložení: 265
Moderné zdroje tepla
 
1 Úvod
V tejto práci sa chceme venovať súčasným moderným zdrojom tepla používaných pre vykurovanie a prípravu teplej vody v bytoch a rodinných domoch. Najrozšírenejším zdrojom tepla pre vykurovanie je na Slovensku zemný plyn. Zaujímavosťou je, že Slovensko je najplynofikovanejšia krajina v Európe. Problém však nastáva pri získavaní fosílnych palív, z ktorých zložitými procesmi získavame energiu a teplo. V súčasnosti zdroje fosílnych palív rapídne ubúdajú, resp. ich ťažba v niektorých prípadoch začína byť vysoko nerentabilná. Práve aj z týchto dôvodov sa stále populárnejším riešením tohto problému stáva využívanie tzv. alternatívnych zdrojov tepla v podobe slnečných kolektorov či tepelných čerpadiel, ktoré na vykurovanie veľmi účinne využívajú až 3 rôzne zdroje a to sú zem, vzduch a voda.
 
V súčasnosti najmodernejšou využívanou technológiou používajúcou ako zdroj tepla zemný plyn,  je spaľovanie zemného plynu v kondenzačných kotloch. Zemný plyn je prírodný horľavý plyn využívaný ako významné plynné fosílne palivo. V širšom zmysle môže byť pod týmto termínom chápaná akákoľvek zmes plynných uhľovodíkov uzavretá v zemi alebo z nej unikajúca, napr. CO2, H2S, uhlovodíkové plyny a iné. V užšom zmysle sa pod týmto termínom chápe zmes uhľovodíkov, z ktorých 50 až 98 % objemu tvorí metán. Okrem metánu obsahuje aj propán, bután a ďalšie látky. Je ľahší ako vzduch, nie je otravný, ale je nedýchateľný a dusivý. Je bezfarebný a bez zápachu, preto sa pri úprave odorizuje tetrahydrotiofénom, aby bol identifikovateľný.
  Prioritou Európskej únie je znižovanie závislosti na fosílnych palivách, medzi ktoré patrí aj zemný plyn a zvyšovanie podielu využívania obnoviteľných zdrojov energie. Medzi ne patrí využívanie biomasy, využívanie veternej a slnečnej energie. Pri výrobe tepla sa v súčasnosti u nás využíva biomasa – kotly na biomasu, ďalej slnečná energia – slnečné kolektory a tepelné čerpadlá. Cieľom tejto práce je priblížiť a popísať jednotlivé spomenuté zdroje tepla a posúdiť ich výhody a nevýhody pri výbere zdroja tepla.
 
2 Teoretická analýza problematiky
 
2.1 Tepelné čerpadlo
Tepelné čerpadlá využívajú alternatívne zdroje energie – vzduch, vodu, zem. Odoberajú teplo z nízkoteplotných zdrojov a odovzdávajú ho vykurovaciemu médiu. Energia z alternatívnych zdrojov tvorí približne 3/4 tepla potrebného na vykurovanie a 1/4 dodá a spotrebuje kompresor vo forme elektrickej energie. Táto elektrická energia je tiež premieňaná na teplo a teda ju možno využiť na vykurovanie. Pomer odovzdaného vykurovacieho výkonu k vynaloženému elektrickému výkonu nám udáva efektívnosť tepelného čerpadla – výkonové číslo (COP). Čím je toto číslo väčšie, tým je prevádzka tepelného čerpadla efektívnejšia. Vplyv na toto číslo má najvyššia teplota nízkoteplotného zdroja a najnižšia teplota vykurovacej vody. Z toho vyplýva, že najvhodnejšie použitie je pre podlahové kúrenie, aj keď najvyššia teplota, ktorú dosahuje tepelné čerpadlo 55°C, dovoľuje čerpadlo použiť aj pre radiátory. Pre dni s extrémne nízkou teplotou vonkajšieho vzduchu, keď sa účinnosť tepelného čerpadla znižuje, majú čerpadlá zabudovanú špirálu.
 
2.1.1 Princíp činnosti TČ
Tepelné čerpadlo pracuje na princípe využitia chladiaceho obehu podobne ako v chladničke. Rozdiel medzi chladničkou a tepelným čerpadlom je len v tom, že užitočný tepelný tok v chladničke je odber tepla výparníkom a užitočný tepelný tok v tepelnom čerpadle je získavané teplo v kondenzátore tzn., že nízkoteplotná energia odobratá prírode pri teplote blízkej v zime 0°C vo výparníku tepelného čerpadla je odovzdaná v kondenzátore tepelného čerpadla do vykurovacieho systému a na ohrev TV prípadne bazénu a podobne pri teplote max. 55°C.

2.1.1.1 Prvý dej:
Zo vzduchu, vody alebo zeme odoberá teplo chladivo kolujúce v tepelnom čerpadle a tým sa v prvom výmenníku odparuje (mení skupenstvo na plynné).

2.1.1.2 Druhý dej:
  Kompresor tepelného čerpadla prudko stlačí toto o niekoľko stupňov ohriate plynné chladivo, a vďaka fyzikálnemu princípu kompresie, kde pri vyššom tlaku stúpa teplota, ako teplotný výťah "vynesie" ono nízkopotenciálne teplo na vyššiu teplotnú hladinu cca. 80º C.

2.1.1.3 Tretí dej :
Takto zohriate chladivo pomocou druhého výmenníku odovzdá teplo vode v radiátoroch, alebo v podlahovom kúrení, ochladí sa a skondenzuje. Radiátory toto teplo vyžiaria do miestnosti. Ochladená voda vo vykurovacom okruhu potom postupuje naspäť k prvému výmenníku pre ďalšie ohriatie.

2.1.1.4 Štvrtý dej:
Priechodom cez expanzný ventil putuje chladivo naspäť k prvému výmenníku, kde sa opäť ohreje. Tento kolobeh sa neustále opakuje. Takýmto spôsobom tepelné čerpadlo kúri teplom z prírody. V závislosti od niekoľkých veličín všeobecne je možné povedať, že tepelné čerpadlo vyrába cca 3-4 krát viac tepla ako je potreba energie na pohon elektromotora kompresora, t.j. vykurovací faktor (COP) = 3 - 4.
 
2.1.2 Typ vzduch/voda
Tepelné čerpadlo je schopné vykurovať dom po celý rok. Tepelné čerpadlá sú vhodné na dodávku tepla nielen do rodinných domov, ale aj do bytoviek, hotelov, priemyselných budov, atď. Pri porovnaní nákladov na vykurovanie tradičnými spôsobmi a tepelným čerpadlom je možné povedať, že čerpadlo je až o 2/3 úspornejšie. Tepelné čerpadlá vzduch/voda využívajú vonkajší vzduch na získanie tepelnej energie na kúrenie. Ide o najlacnejší spôsob odberu tepla. Výhodou tepelných čerpadiel vzduch/voda je okamžitá prístupnosť vzduchu, inštalácia nevyžaduje žiadne zásahy do okolitého prostredia (výkopové práce, vrty). Nevýhodou sú väčšie počiatočné náklady a klesajúci výkon čerpadla so znižovaním vonkajšej teploty. Tepelné čerpadlo  typu vzduch/voda môže pracovať s minimálnou teplotou vzduchu až -20°C.
 
2.1.3 Typ soľanka/voda
Tepelné čerpadlá soľanka/voda využívajú teplotu pôdy na získanie tepelnej energie pre kúrenie. Prvý spôsob je pomocou zemného kolektora, ktorým prúdi nemrznúca zmes (soľanka) a je uložený v nezamŕzajúcej hĺbke. Výhodou sú nižšie počiatočné náklady v porovnaní s vrtmi. Nevýhodou sú väčšie výkopové práce, nutnosť väčšieho pozemku a na mieste, kde je uložený kolektor nemožno stavať. Tieto nevýhody odstráni druhý spôsob, kde na získanie tepelnej energie použijeme hĺbkové vrty. Ide však o drahšie riešenie. Výhodou je stabilná teplota zdroja tepla a tým nižšie prevádzkové náklady. Tepelné čerpadlo môže pracovať s minimálnou teplotou až -10°C.
 
2.1.4 Typ voda/voda
Tepelné čerpadlá voda/voda využívajú teplotu vody na získanie tepelnej energie pre kúrenie. Ide o relatívne stabilný zdroj tepla s vyššou teplotou (7 až 12°C). Prvý spôsob je čerpanie studničnej vody. Nevýhodou je potreba dostatočného zdroja tepla a dve studne, jedna čerpacia a druhá vsakovacia. Výhodou sú nižšie počiatočné náklady v porovnaní s vrtmi. Pri druhom spôsobe ukladáme kolektor z plastových rúrok na dno rieky alebo rybníka. Nevýhodou je potreba dostatočného množstva povrchovej vody, výhodou sú nižšie počiatočné náklady. Tepelné čerpadlo pracuje s minimálnou teplotou 4°C.
 
2.2  Spaľovanie zemného plynu a kondenzácia
Znižovanie spotreby energie pri vykurovaní a ohreve teplej vody sa stáva v súčasnosti stále dôležitejšie. Nielen stúpajúce náklady na energie, ale predovšetkým väčší dôraz na ochranu životného prostredia budú tento trend v tepelnej technike neustále ovplyvňovať a urýchľovať. Riešenie predstavuje kondenzačná technika. Kondenzačné kotly majú v porovnaní s konvenčnými kotlami o cca 15 % menšiu spotrebu energie a obsah škodlivín CO2 a NOx je znížený na minimum. Tieto ich prednosti sa následne prejavia v znížení vlastných nákladov na vykurovanie.
 
2.2.1 Ako vlastne pracuje kondenzačný kotol?
Pri klasických zdrojoch tepla sa prenáša tepelná energia zo spalín do vykurovacej vody v primárnom výmenníku, kde dochádza k ich ochladeniu na určitú teplotu (v priemere cca 120 °C). Takto získané teplo je označované ako citeľné teplo. Spaliny ďalej obsahujú určitú časť tepelnej energie – tzv. latentné – kondenzačné teplo. Ide o teplo spojené s vodnou parou, ktorá vzniká pri spaľovaní plynu. Pri konvenčných kotloch sú spaliny odvádzané do komína bez ďalšieho využitia. Konštrukcia kondenzačných kotlov vďaka veľkej ploche výmenníka (alebo dvoch výmenníkov) umožňuje využiť kondenzačné teplo. Po odovzdaní primárneho tepla zo spalín dochádza k ich ďalšiemu ochladeniu až na teplotu, ktorá sa nachádza pod hodnotou rosného bodu. Pokiaľ sa teplota pohybuje v tejto oblasti, vodná para obsiahnutá v spalinách kondenzuje a tým je tepelná energia dodatočne odovzdávaná do vykurovacieho systému. Kondenzačná technika využíva navyše nielen latentné teplo, ale aj primárna tepelná energia je využitá účinnejšie ako pri klasických kotloch. Teplota rosného bodu spalín zemného plynu je cca 50 – 55 °C. Preto je dôležité, aby sa teplota spiatočky pohybovala pod touto teplotou z dôvodu optimálnej funkcie kotla.
 
2.2.2 Ako je možná účinnosť nad 100%?
Pri spaľovaní sa rozlišujú dve hodnoty tepelnej energie – spalné teplo („horná výhrevnosť“) a výhrevnosť („dolná výhrevnosť“). Spalné teplo obsahuje celkové množstvo tepelnej energie vrátane kondenzačného tepla, ktoré sa využije pri spaľovaní. Na výpočet účinnosti sa berie ako základná veličina normálna výhrevnosť. Vyžarovaním tepla do okolia a prevádzkovými stratami sa nikdy nemôže preniesť všetka tepelná energia (vzťahujúca sa na výhrevnosť) do vykurovacej vody. Preto musí účinnosť súčasných kotlov ležať pod hranicou 100 %. Aby sa mohlo vykonať porovnanie konvenčných a kondenzačných kotlov, stanovuje sa účinnosť pri kondenzačných kotloch tiež vo vzťahu k výhrevnosti.
 
2.2.3 Kondenzačná technika je vhodná aj pre vykurovacie systémy s vyšším teplotným spádom.
Pri zemnom plyne leží spalné teplo o 11 % vyššie ako jeho výhrevnosť a kondenzačné kotly využívajú navyše kondenzačné teplo. Tým sa dosiahne pri týchto typoch kotlov o 16 % vyššia účinnosť ako pri klasických kotloch, ktoré sa vyznačujú v priemere hodnotou účinnosti 92 %. Účinnosť je taktiež závislá od teplotného spádu vykurovacieho systému. Všeobecne platí, že čím je nižší teplotný spád, tým vyššia je účinnosť. Ale taktiež pri vykurovacích systémoch s teplotným spádom 75/60 °C sa vypláca použitie kondenzačných kotlov, ako je znázornené na obrázku (príloha č.1)
 
2.3 Slnečné kolektory
Slnko je jediným zdrojom energie, na ktorý sa ľudstvo môže plne spoľahnúť. Predpokladá sa, že naše Slnko zanikne o 5 miliónov rokov, takže slnečná energia je vzhľadom na ľudský život nevyčerpateľná. Okamžitý výkon slnečného zdroja v atmosfére predstavuje 1,7 .1017 W alebo 1,5 .1018 kWh ročne. V našich zemepisných podmienkach energia dopadajúca na plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 až 1250 kWh/rok. Je to značné množstvo energie. Slnečná energia nám dokáže poskytnúť všetko, čo od energie požadujeme a to často veľmi jednoducho, čisto a bez rizika.

2.3.1 Zloženie slnečných kolektorov
· Prizmatické sklo v profile - špeciálne pokované sklo, ktorého charakteristickými vlastnosťami sú vysoká priepustnosť slnečného žiarenia a nízka tepelná emisia (okolo 92% absorbcia).
· Absorbér - špeciálne medené pásy (majú charakter vysokej tepelnej a elektrickej vodivosti) pokryté vysokoselektívnou vrstvou čierneho chrómu alebo vrstvou TINOX® Classic, ktorá obsahuje časti titánu. Obidva typy vysokoselektívnych vrstiev sú schopné vysokej absorbcie (okolo 95%) a nízkej tepelnej emisie. Pod pásom s absorérom sa nachádza medená rúra absorbéra, v ktorej sa nachádza nosič - nemrznúca solárna kvapalina.
· Izolácia a obal kolektora - Pre zníženie tepelných strát kolektora sa v obale kolektora nachádza tepelná izolácia, ktorá je vyrobená na báze minerálnej vlny. 
  Každý solárny systém sa skladá z batérie solárnych kolektorov, umiestnenej zvyčajne na streche budovy, zásobníka vody umiestneného zvyčajne v budove v strojovni a čerpadlovej zostavy s elektronikou umiestnenej väčšinou v strojovni. 
 
  Princíp fungovania solárneho systému je nasledovný: solárny kolektor mení slnečné žiarenie na teplo. Nosičom tepla je nezamŕzajúca zmes propylenglykolu cirkulujúci v solárnej inštalácii pomocou obehového čerpadla umiestneného v čerpadlovej zostave. Batéria solárnych kolektorov je prepojená potrubím s výmenníkom tepla umiestneným v zásobníku vody. Zmes propylenglykolu - nosič tepla preberá teplo zo solárnych kolektorov a odovzdáva ho výmenníku umiestnenému v zásobníku vody, ktorý ohrieva vodu.

2.3.2 Najčastejšie použitie:
- príprava teplej vody (TV),
- prikurovanie budov,
- ohrev vody v bazénoch,
- priemyselné teplo.

Nerovnomernosť dodávky slnečnej energie sa najmä v okrajových mesiacoch roka eliminuje prídavným výmenníkom tepla, ktorý je pripojený na kotol ústredného vykurovania alebo elektrickou odporovou špirálou, prípadne obidvoma spôsobmi súčasne.

2.3.3 Príprava teplej vody

Ekonomicky prijateľným spôsobom môžeme slnečnými kolektormi v ročnom priemere ušetriť 50 až 70 % energie potrebnej na prípravu TV. Podiel solárnej energie samozrejme možno aj zvýšiť, ale potom investičné náklady na jednotku získaného tepla rastú exponenciálnym spôsobom. Solárne teplo na prípravu teplej vody je možné výhodne využívať všade tam kde je veľká spotreba teplej vody ako napríklad v zariadeniach cestovného ruchu, práčovniach, čistiarňach, na poľnohospodárskych farmách a podobne.
Z hľadiska investičných nákladov sa ako optimálne riešenie javí pre celoročnú prípravu TV použiť ploché slnečné kolektory. V prípade solárneho prikurovania budov alebo ohrevu bazénovej vody aj v zimnom období majú svoje opodstatnenie aj drahšie vákuové kolektory. Najjednoduchšie sa navrhujú solárne zariadenia na prípravu TV. Vychádza sa z toho, že spotreba TV je počas celého roka konštantná a plocha slnečných kolektorov sa približne dimenzuje na pokrytie plánovaných potrieb TV v letnom polroku.

Chýbajúca časť solárneho príkonu v okrajových mesiacoch roka sa zabezpečí ďalším výmenníkom tepla napájaným z ústredného kúrenia alebo elektrickou odporovou špirálou, prípadne oboma súčasne. V spodnej časti solárneho zásobníka je umiestnený výmenník spojený so slnečnými kolektormi, ktorý aj v obdobiach nízkej intenzity slnečného žiarenia zabezpečí aspoň predohrev TV a tak znižuje energetickú spotrebu doplnkového energetického zdroja.

2.3.4 Prikurovanie budov

Treba zdôrazniť, že ekonomicky zmysluplne sa solárnym zariadením nedá zabezpečiť 100 % pokrytie energetických potrieb rodinného domu na jeho vykurovanie. Solárne prikurovanie môže kryť približne 15 až 30 % ročných energetických potrieb dobre izolovanej a nízkoteplotným vykurovacím systémom ( podlahové, stenové alebo stropné vykurovanie) vybaveného objektu.

2.3.5 Ohrev vody v bazénoch

Pri využívaní solárnej energie sa stretávame s istým energetickým paradoxom. Najmenšia intenzita slnečného žiarenia nastáva v zimnom období, v čase - kedy potrebujeme najviac tepla, v letnom období je tomu presne naopak. Využitie tohto tepla sa najčastejšie rieši ohrevom vody v bazénoch, čím sa kúpanie v ňom stáva príjemnejšie a predĺži sa tak kúpacia sezóna.

2.3.6 Priemyselné teplo
V priemysle je to hlavne v oblastiach, kde sa využíva teplo do 100°C ako napríklad pivovary, konzervárne, cukrovary a podobne. V najbližších rokoch sa dá očakávať rast jeho významu v oblastiach solárneho chladenia a odsoľovania morskej vody.
 
2.4 Kotly na biomasu
Biomasa v podobe rastlín je chemicky zakonzervovaná slnečná energia. Je to súčasne jeden z najuniverzálnejších a najrozšírenejších zdrojov energie na Zemi. Biomasa sa ako palivový zdroj využíva od objavenia ohňa. Jej výhodou je, že ponúka nielen veľkú rôznorodosť vstupných surovín, ale aj univerzálne využitie v energetike. Najrozšírenejším palivom z kategórie biomasy je drevo. Drevo ako palivo môže mať rôznu podobu - môže byť využívané ako kusové, ako drevný odpad (napr. vo forme štiepok, alebo peliet) alebo môže byť špeciálne pestované ako energetická rastlina napr. vŕba. Existujú však aj iné zdroje, ktoré hrajú významnú úlohu v energetickej bilancii mnohých krajín. Sem patria napr. organické zvyšky z poľnohospodárskej výroby ako je napr. slama. Biomasou je aj bioplyn získavaný zo skládok komunálneho odpadu, čističiek odpadových vôd alebo hnojovice zo živočíšnej výroby.

3 Záver
Vďaka tejto práci sme sa dozvedeli, že existuje množstvo moderných zdrojov tepla. Ako príklady môžeme uviesť napríklad kondenzačné kotle, kotly na biomasu, solárne systémy či tepelné čerpadlá. Takmer každý z týchto zdrojov sa delí na niekoľko typov.
 
 V prípade tepelných čerpadiel, ich delíme na tepelné čerpadlá typu vzduch / voda, soľanka (zem) / voda a voda / voda. Každý z týchto typov má určité výhody ale samozrejme aj nevýhody a každý z nich sa hodí pre iné prostredie. Niektoré typy majú nízke počiatočné náklady, ale vyššie prevádzkové náklady a zase naopak. Tepelné čerpadlá vo všeobecnosti pre získavanie tepla a energie využívajú hneď niekoľko zdrojov a to sú napríklad voda, pôda a vzduch.
 
Solárne systémy priamo využívajú slnečnú energiu, ktorá je dostupná každému a dá sa povedať, že je dostupná kdekoľvek na svete. Fungujú na princípe premieňania slnečnej energie na tepelnú. Na tento účel sa využívajú kolektory, spotrebiče a spojovacie potrubia, ktoré tvoria základ solárneho zariadenia. Poznáme dva druhy solárnych systémov. Sú to vákuové trubicové solárne kolektory a ploché solárne kolektory.
 
Na slnečnú energiu nadväzuje aj výroba tepla spaľovaním biomasy. Biomasa je v podstate chemicky zakonzervovaná slnečná energia. Najpoužívanejšou biomasou je drevo. V súčasnej dobe sa stretávame s problémami pri výrobe tepla a energie nakoľko ešte stále najrozšírenejším spôsobom ich výroby je spaľovanie zemného plynu. Pri tomto spôsobe vzniká veľké množstvo nečistôt a zdraviu škodlivých látok, ktoré systematicky likvidujú nielen životné prostredie, ale aj naše zdravie. Osobne si myslíme, že by sa mali vo väčšom množstve využívať práve alternatívne zdroje tepla, avšak tu nastáva problém, pretože takáto alternatíva nie je práve najlacnejšia. Tento problém by však mohla vyriešiť naša vláda prostredníctvom vyšších dotácií, tak ako to funguje aj v ostatných vyspelých štátoch.
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE – Referáty, ťaháky, maturita:

0.020