U Srbiji se sve više koriste panelni sistemi grejanja. Iako je poznato da ovi sistemi mogu da rade sa znatno nižim temperaturskim izvorima, zbog visokih ulaganja kupci se opredeljuju za gas ili struju kao izvore toplote. Cilj ove studije je bio da se pokažu stvarne uštede uz pomoć GTP i FN (geotermalnih toplotnih pumpi i fotonaponskih) panela u sistemima panelnog grejanja. Analizirana kuća se nalazi u Kragujevcu, a ovo istraživanje obavljeno je u okviru projekta „Razvoj energetski neto nultih kuća”. Rad analiziranih panela je simuliran pomoću programa EnergyPlus, koji je proizvod Laboratorije Berkli, SAD

Cvetković, Dragan

Nešović, Aleksandar

KGH – Klimatizacija grejanje hlađenje

Croatian

SCIDAR - Дигитална архива Универзитета у Крагујевцу

 kgh 4/2017  317BI BLID 0350–1426 (206)* E-mail: dragan_cw8202@yahoo.comČlanak je objavljen u režimu slobodnog pristupa pod uslovima CC BY-NC-ND 4.0.Uticaj koeficijenta transformacije primarne energije na niskotemperaturne panelne sisteme grejanjaThe Impact of Primary Energy Coefficient on Low Temperature Panel Heating SystemsDragan CVETKOVIĆ* i Aleksandar NEŠOVIĆ, Fakultet inženjerskih nauka Univerziteta u Kragujevcu, KragujevacKljučne reči: zračeći paneli; toplotna pumpa; PV paneli; potrošnja energije; EnergyPlusU Srbiji se sve više koriste panelni sistemi grejanja. Iako je poznato da ovi sistemi mogu da rade sa znatno nižim temperaturskim izvorima, zbog visokih ulaganja kupci se opredeljuju za gas ili struju kao izvore toplote. Cilj ove studije je bio da se pokažu stvarne uštede uz pomoć GTP i FN (geotermalnih toplotnih pumpi i fotonaponskih) panela u sistemima panelnog grejanja. Analizirana kuća se nalazi u Kragujevcu, a ovo istraživanje obavljeno je u okviru projekta „Razvoj energetski neto nultih kuća”. Rad analiziranih panela je simuliran pomoću programa EnergyPlus, koji je proizvod Laboratorije Berkli, SAD.Key words: radiant panel; heat pump; PV panels; energy consumption; EnergyPlusPanel heating systems are increasingly used in Serbia. Although it is well known that these systems can operate at much lower temperature heat sources, high investment/cost is why customers opt for gas or electricity as a heat source in these systems. The aim of this study is to demonstrate the actual savings using the GHSP and PV panels in panel heating systems. The analysed house is located in Kragujevac, Serbia. Also, this research is a part of the project “Development of a Net-zero-energy House“. The operation of these panels is simulated using EnergyPlus software that is a product of Lawrence Berkeley Laboratory in the USA. 1. UvodDanas se u Srbiji sve više koriste panelni sistemi grejanja, zahvaljujući, pre svega, pristupačnijim cenama panela. Me-đutim, kako panelni sistemi rade sa niskim temperaturama fluida, neophodan je pravilan izbor generatora toplote. Zbog niske investicione cene, danas se korisnici panelnih sistema odlučuju uglavnom za gasne kotlove. Sa druge strane, ener-getski edukovaniji korisnici bez razmišljanja se odlučuju za sistem sa toplotnim pumpama voda–voda koje kao toplotni izvor uglavnom koriste geotermalnu energiju. Postoji dosta radova objavljenih na temu primene geoter-malnih toplotnih pumpi (GTP). Piechowski je proučavao re-lativno novi pristup optimizaciji geotermalnog razmenjivača toplote (GRT), na osnovu Drugog zakona termodinamike, pa je usvojen test za optimalne kombinacije protoka vode i prečnika cevi. Hepbasli i Akdemir [3] su opisali energetsku i eksergetsku analizu sistema GTP. Prenos eksergije izme-đu komponenti i potrošnja svake komponente sistema GTP definisani su za izmerene prosečne parametre dobijene ek-sperimentalnim merenjima. Lohani i Schmidt su uporedili različite generatore toplote putem energetske i eksergetske analize. Oni su zaključili da je geotermalna toplotna pumpa bolja od vazdušnih toplotnih pumpi ili od klasičnih grejnih si-stema. Hepbasli [3] je sproveo termodinamičku analizu siste-ma GTP za daljinsko grejanje u energetskom i eksergetskom pogledu, koja je imala za cilj da unapredi efikasnost procesa. Kharseh i ostali [6] su istraživali uticaj globalnog zagrevanja na karakteristike sistema GTP. Oni su pokazali da nepresta-ne globalne promene imaju značajan uticaj na sisteme GTP.Neke studije su posvećene istraživanju karakteristika panel-nih sistema unutar zgrada. Kilkis je pokazao da optimalan proces zračećih panelnih sistema povezanih sa geotermal-nim toplotnim pumpama, vođenim pomoću obnovljivih ener-getskih izvora, unapređuje eksergetsku efikasnost i odnos primarne energije. Kosir M. i ostali [1] primenili su niskotem-peraturske zračeće sisteme u kombinaciji sa lokalnom auto-matizovanom ventilacijom u muzeju u Ljubljani, u Sloveniji. Korišćenjem ove solucije sa menadžmentom zgrade, potreba za energijom za grejanje i hlađenje je smanjena za 60,5%. Bojić i ostali [7] su uporedili zidne panela i radijatore poveza-ne sa klasičnim gasnim kotlom. Ova studija je nastavak pret-hodnih istraživanja Bojića i ostalih [7]. Oni su uporedili četiri različita panelna sistema (podno, zidno, plafonsko i pod-no-plafonsko) grejanja povezana sa kotlom na prirodni gas.Cilj ovog rada je da se ispita mogućnost poboljšanja energet-ske efikasnosti panelnih sistema grejanja korišćenjem nisko-temperaturskih izvora. Najčešće korišćen sistem sa gasnim kotlom je upoređen sa sistemom sa toplotnom pumpom. Kao izvor toplote toplotna pumpa koristi geotermalnu energiju (GTP). U cilju smanjenja primarne potrošnje energije za GTP istraživana je sprega između GTP i FN ćelija.2. Matematički model2.1. Opis kućeAnalizirana je porodična stambena kuća prikazana na slici 1. Kuća je projektovana za stanovanje jedne porodice i ima uku-pnu površinu za stanovanje od 190 m2. Omotač kuće je na-pravljen od šuplje opeke debljine 190 mm, termoizolacionog sloja debljine 50 mm i krečnog maltera debljine 20 mm. Koe-ficijent U omotača kuće je oko 0,57 W/(m2K). Prozori su za-stakljeni dvostrukim staklom sa vrednošću koeficijenta U od 2,72 W/(m2K). Ukupan odnos staklenih površina i omotača je oko 7,32%, gde je ukupna površina omotača oko 264 m2, a površina prozora oko 19 m2. 318  kgh 4/2017Kao generator toplote korišćeni su kotao na prirodni gas i geotermalna toplotna pumpa. Za sva četiri sistema instali-sana snaga kotla je oko 24 kW. Nominalna električna sna-ga toplotne pumpe je oko 4 kW. Takođe, dužina geotermalne sonde sa dve U cevi je oko 76 m.U ovom istraživanju ispitivana su tri načina generisanja toplote (slika 2). Prvi sistem je slučaj kada su panelni sistemi poveza-ni sa kotalom na prirodni gas, drugi slučaj je kada su panel-ni sistemi povezani sa geotermalnom toplotnom pumpom tipa voda–voda i treći slučaj je kada su panelni sistemi poveza-ni sa geotermalnom toplotnom pumpom tipa voda–voda koja deo električne energije za pogon kompresora koristi iz fotona-ponskih panela (GTP + FN). U svim sistemima grejanja posto-ji cirkulaciona pumpa koja koristi električnu energiju za svoje funkcionisanje. Takođe sistemi sa geotermalnom toplotnom pumpom imaju i cirkulacione pumpe na strani isparivača. Po-trošnja električne energije cirkulacionih pumpi je uzeta u obzir pri izračunavanju potrošnje energije sistema grejanja. 3. Potrošnja primarne energije za grejanjePotrošnja primarne energije u toku grejne sezone se izraču-nava korišćenjem sledeće jednačine:Epry = Eng + R Eel  (1)ili:Epry = R Eel (2)Jednačina (1) se odnosi na panelne sisteme kada su poveza-ni sa gasnim kotlom, a jednačina (2) se odnosi na panelne si-steme povezane sa geotermalnom toplotnom pumpom. Eng predstavlja potrošnju prirodnog gasa za grejanje u toku grej-ne sezone, Eel – potrošnju struje za grejanje u toku grejne sezone, a R – faktor transformacije primarne energije. Ovaj koeficijent je definisan kao odnos ukupne ulazne energije sa-držane u energetskom resursu (voda, ugalj, nafta i prirodni gas) i proizvedene finalne električne energije. Vrednost ovog faktora za srpski energetski miks koji se koristi za proizvod-nju električne energije je R = 3,01 [12].Potrošnja totalne energije. Ukupna energija predstavlja zbir primarnih energija utrošenih za rad sistema za grejanje i energije ugrađene u sistem grejanja. Totalna energija se izra-čunava po sledećem obrascu:Etot = Epry + Eemb (3)gde je Eemb energija ugrađena u sisteme ili komponente gre-janja. 4. Rezultati i njihovo razmatranjeSlika 3 prikazuje potrošnju finalne i primarne energije za če-tiri različite vrste panelnih sistema grejanja koji su se kori-Slika 1. Analizirana kuća; DS – dnevna soba, HOD – hodnik, KUP – kupatilo, SS1 – spavaća soba,  SS2 – spavaća soba, SS3 – spavaća soba Slika 2. Sistemi generisanja toploteAnalizirana kuća se nalazi u Kragu-jevcu. Nadmorska visina je oko 209 m, geografska širina i dužina su 44° S i 20°55 I. Grad ima umerenu klimu i četiri godišnja doba (leto, jesen, zima i proleće). Kao deo programskog pa-keta EnergyPlus korišćen je vremen-ski fajl sa podacima za Kragujevac, a prethodno je generisan pomoću pro-grama Meteonorm [8]. Grejna sezona za grad Kragujevac traje od 15. okto-bra do 15. aprila [11].2.2. Opis grejnih sistemaKorišćeni grejni sistemi se sasto-je od niskotemperaturskih grejnih panela i generatora toplote. Istra-živana su četiri tipa grejnih pane-la. Prvi je podno grejanje, drugi je zidno grejanje, treći je plafonsko grejanje i četvrti sistem predstav-lja podno-plafonsko grejanje. Povr-šina podnih panela je oko 190 m2. Zidni paneli su postavljeni na sve spoljašnje zidove unutar grejanih prostorija. Njihova površina je oko 210 m2. Plafonski paneli su postav-ljeni na plafon prvog i drugog spra-ta. Njihova površina je oko 190 m2. Podno-plafonski grejni panel funkci-oniše kao plafonsko grejanje za nižu etažu i istovremeno kao podno gre-janje za višu etažu. Ukupna površina ovih panela je oko 95 m2.Glavne komponente grejnih pane-la su cevi kroz koje protiče topla voda. Temperatura te vode na ulazu u panel je ista za sva četiri sistema i iznosi oko 37 °C. Cirkulaciona pum-pa koristi struju za svoj rad. Takođe, potrošnja struje je uzeta u obzir pri proračunavanju potrošnje energije. kgh 4/2017  319stili kao generatori toplote (gasni kotao, GTP ili GTP + FN). Ukoliko bi se međusobno poredile karakteristike panelnih si-stema grejanja, najmanju potrošnju energije ima podno-pla-fonsko grejanje, a najveću plafonsko grejanje. Ukoliko bi se poredila svojstva korišćenih generatora toplote, panelni si-stem (važi za sva četiri slučaja) povezan sa kotlom na pri-rodni gas troši veću količinu finalne energije, nego sistem sa geotermalnom toplotnom pumpom. Međutim, sistem sa geotermalnom toplotnom pumpom troši veću količinu pri-marne energije, nego sistem sa gasnim kotlom. Razlog ove pojave je u tome što je koeficijent transformacije primarne energije za električnu energiju (R = 3,01) znatno viši od ko-eficijenta transformacije primarne energije za prirodni gas (R = 1,1). Tako je potrošnja finalne i primarne energije pod-no-plafonskih panela povezanih sa kotlom na prirodni gas 48 kWh/m2god. i 53 kWh/m2god., odnosno, potrošnja final-ne i primarne energije podno-plafonskih panela povezanih sa geotermalnom toplotnom pumpom je 20 kWh/m2god. od-nosno 62 kWh/m2god.Ovi rezultati dovode do zaključka da su panelni sistemi po-vezani sa geotermalnim toplotnim pumpama, usled viso-ke vrednosti koeficijenta transformacije primarne energije, ugrađene energije za proizvodnju fotonaponskih panela je-ste razlog što sistem sa GTP + FN ima značajno višu po-trošnju totalne energije u odnosi na panelne sisteme koji su povezani sa jednim od preostala dva sistema.Na slici 5 prikazane su relacije između potrošnje ukupne energije ETOT i koeficijenta transformacije primarne energi-je R. Takođe, prema slici 5 je zaključeno da zbog visoke vred-nosti koeficijenta transformacije primarne energije R = 3,01, geotermalna toplotna pumpa ima veću potrošnju primar-ne energije nego sistem sa gasnim kotlom. Iz tog razloga, prikazane su potrošnje ukupne energije za panelne sisteme povezane sa geotermalnom toplotnom pumpom pri nižim vrednostima R i naznačene su vrednosti koeficijenta tran-sformacije primarne energije R, pri kojima panelni sistemi povezani sa kotlom na prirodni gas imaju istu potrošnju uku-pne energije kao i panelni sistemi povezani sa geotermalnom toplotnom pumpom. Naravno, neka realnost je da će se u skorijoj budućnosti te-žiti nižim vrednostima od R = 3,01, ali je realnost i da se teš-ko može ići na vrednosti ispod R = 2, pa je iz tog razloga ova vrednost usvojena kao donja granica. Na slici 5 se može vi-deti da će panelni sistemi povezani sa geotermalnom toplot-Potrošnja energije [kWh/m2  god.]Podno grejanjeSistemi grejanjaFNFNZidno grejanjeFNFNPodno-plafonskogrejanjeFNFNPlafonsko grejanjeFNFN20406080100120140160finalna energija (gasni kotao)primarna energija (gasni kotao)finalna energija (GTP)primarna energija (GTP)finalna energija (GTP + FN)primarna energija (GTP + FN)Slika 3. Potrošnja finalne i primarne energije panelnih sistema grejanja povezanih na  različite izvore toplotePotrošnja ukupne energije, ETOT, [kWh/m2  god.]Podno grejanjeSistemi grejanjaZidno grejanje Podno-plafonskogrejanjePlafonsko grejanje50100150200250300kotao na prirodni gasGTPGTP + PVSlika 4. Potrošnja totalne energije panelnih sistema grejanja povezanih na različite izvore toplotenepovoljnije rešenje od panelnih si-stema povezanih sa gasnim kotlom. Naravno, ovo važi za Srbiju kao i za zemlje sa sličnim vrednostima koeficijenta transformacije primar-ne energije. Zbog toga se pribe-glo rešavanju problema primenom fotonaponskih panela. Proizvede-na električna energija iz fotona-ponskih panela će smanjiti količinu električne energije iz nacionalne mreže, koja ima visoku vrednost ko-eficijenta transformacije primarne energije. Tako da će se potrošnja fi-nalne i primarne energije reduko-vati sa 20 kWh/m2god. i 62 kWh/m2god. na 6 kWh/m2god. odnosno 32 kWh/m2god. Naravno, toplotna pumpa će povlačiti istu količinu fi-nalne energije, ali će udeo primar-ne energije iz fotonaponskih panela, koja ima faktor transformacije pri-marne energije blizak jedinici, sma-njiti ukupnu količinu primarne energije potrebne za rad panelnih sistema u odnosu na slučaj kada se sva količina električne energije kori-sti iz nacionalne mreže.Na slici 4 prikazana je potrošnja ukupne energije analiziranih panel-nih sistema, koji su za generato-re toplote imali kotao na prirodni gas, geotermalnu toplotnu pumpu i geotermalnu toplotnu pumpu po-vezanu sa fotonaponskim panelima. Totalna energija je zapravo suma utrošene primarne energije sistema grejanja i utrošene ugrađene energi-je u primenjeni sistem grejanja. Naj-nižu potrošnju totalne energije ima podno-plafonsko grejanje, koje kao izvor toplote koristi kotao na prirod-ni gas (54 kWh/m2god.). A najveću potrošnju ukupne energije ima pla-fonsko grejanje koje koristi sistem GTP + FN kao generator toplote (257 kWh/m2god.). Visoka vrednost 320  kgh 4/2017znatno veće vrednosti koeficijenta transformacije primarne energije za električnu energiju od one na prirodni gas, po-trošnja primarne energije se dijametralno razlikuje i sada je viša za sisteme sa geotermalnom toplotnom pumpom. Iz ovog razloga, istraživanje je uključilo i fotonaponske pane-le, kako bi se razblažila vrednost koeficijenta transformaci-je primarne energije. Zaključeno je da je količina finalne energije koja se povla-či iz mreže najniža za sistem sa geotermalnom toplotnom pumpom i fotonaponskim panelima (GTP + FN). Takođe, upotreba fotonaponskih panela smanjuje i potrošnju pri-marne energije iz mreže. Naravno, troškovi grejanja su ma-nji u ovom slučaju. Međutim, posmatrajući ove rezultate na globalnom nivou, moraju se uzeti u obzir i količine energije utrošene pri proizvodnji generatora toplote, sistema greja-nja kao i količina ugljen-dioksida koja se emituje pri njiho-voj proizvodnji (ugrađena energija i ugrađeni CO2). Takođe, uzeta je u obzir vrednost investicija u posmatrane sisteme. Tako da sa globalnog stanovišta ovi sistemi (GTP + PV) pred-stavljaju najnepovoljnije rešenje. Naravno, ovi rezultati su dobijeni za uslove koji vladaju u Srbiji (visoke vrednosti ko-eficijenta transformacije primarne energije i malo sunčanih dana tokom zime).U budućnosti, u svetu a i u Srbiji, očekuje se intenzivna upo-treba obnovljivih izvora energije u energetskom miksu (pri proizvodnji električne energije). Tada će se energetski miks kretati ka smanjenju koeficijenta transformacije primarne energije. U nekom trenutku, panelni sistemi povezani sa geo-termalnom toplotnom pumpom će trošiti manje energije od panelnih sistema povezanih sa gasnim kotlom. ZahvalnicaOvaj rad je rezultat dva istraživanja: 1) projekta TR33015 – Tehnološkog razvoja Republike Srbije, i 2) projekta III 42006 – Integralnih i interdisciplinarnih istraživanja Republike Sr-bije. Prvi projekat sa nazivom „Istraživanje i razvoj srpske kuće nulte neto potrošnje energije”, a drugi ima naziv „Istra-živanje i razvoj energijski i ekološki visokoefikasnih sistema poligeneracije zasnovane na obnovljivim energetskim izvo-rima“. Želimo da zahvalimo Ministarstvu prosvete, nauke i tehno-loškog razvoja Republike Srbije na finansijskoj podršci to-kom ovih istraživanja.Literatura[1] Kosir, M., A. Krainer, M. Dovjak, R. Perdan, Z. Kristl, Alternative to the Conventional Heating and Cooling Systems in Public Buildings, Strojniški vestnik – Journal of Mec-hanical Engineering 56 (2010) 575–583.[2] Bojić, Milorad, Dragan Cvetković, Marko Miletić, Jo-van Malešević, Harry Boyer, Energy, cost, and CO2 emis-sion comparison between radiant wall panel systems and radiator systems, Energy and Buildings, Volume 54, No-vember 2012, Pages 496–502.[3] Hepbasli, A., Thermodynamic analysis of a ground source heat pump system for district heating. International Jour-nal of Energy Research 2005;29:671–87.[4] Sankaranarayanan, K. P., Modeling, verification and op-timization of hybrid ground source heat pump systems in ENERGYPLUS. Master thesis, Oklahoma State Universi-ty, USA, 2005.[5] Salsbury, T., R, Diamond, Performance validation and energy analysis of HVAC system using simulation. Energy and Buildings 2000;32:5–17.[6] Kharseh, Mohamad, Lobna Altorkmany, Bo Nordell, Global warming’s impact on the performance of GSHP, Re-newable Energy, Volume 36, Issue 5, May 2011, Pages 1485–1491.[7] Bojić, Milorad, Dragan Cvetković, Vesna Marjanović, Mirko Blagojević, Zorica Đorđević, Performances of low temperature radiant heating systems, Energy and Buildin-gs, Volume 61, June 2013, Pages 233–238.[8] *** Meteonorm, Global Meteorological Database for Engineers, Planners and Education: http://www.meteo-norm.com, Retrieved May 2011.[9] Bogner, M., Tehnički propisi o grejanju, hlađenju i klimati-zaciji, SMEITS, Beograd, 2002.[10] *** The energy balance, http://www.scribd.com/doc/12836648/Energetski-Bilans-Plan-Za-2008, Retrie-ved, May 5, 2011.[11] Interklima, The method of calculation, http://www.interklima.rs/ 01_14nacin_obracuna. html, Retrieved May 5, 2011.[12] Monahan, J., J. C. Powell, A comparison of the energy and carbon implications of new systems of energy provision in new build housing in the UK, Energy Policy, Volume 39, Issue 1, January 2011, Pages 290–298.kghPotrošnja ukupne energije, ETOT, [kWh/m2  god.]GTP – podno grejanjeGTP – plafonsko grejanjeprirodni gas – podno grejanjeprirodni gas – plafonsko grejanjeGTP – zidno grejanjeGTP – podno-plafonsko grejanjeprirodni gas – zidno grejanjeprirodni gas – podno-plafonsko grejanje1 – 2 – 3 – 4 – Koeficijent transformacije primarne energije, R2002 2,2 2,4 2,6 2,8 34060100120140160801234Slika 5. Odnos između potrošnje totalne energije GTP sistema i koeficijenta transformacije  primarne energije Rnom pumpom imati manju potrošnju ukupne energije od panelnih sistema povezanih sa gasnim kotlom kada je R < 2,81 za zidno grejanje, R < 2,68 za podno grejanje, R < 2,62 za pod-no-plafonsko grejanje i R < 2,54 za plafonsko grejanje. 5. ZaključciU ovom istraživanju prikazana je analiza panelnih sistema povezanih sa različitim vrstama izvora toplo-te. Ako se razmatraju toplotni izvo-ri, situacija se razlikuje u zavisnosti od toga da li se analiza posmatra sa nivoa krajnjeg korisnika kuće, ili sa globalnog stanovišta. Rezultati po-kazuju da je potrošnja finalne ener-gije panelnih sistema povezanih sa geotermalnom toplotnom pumpom manja od one za panelne sisteme povezane sa gasnim kotlom. Ali zbog 

Uticaj koeficijenta transformacije primarne energije na niskotemperaturne panelne sisteme grejanja

https://scidar.kg.ac.rs/bitstream/123456789/18095/1/M51-1.pdf

Uticaj koeficijenta transformacije primarne energije na niskotemperaturne panelne sisteme grejanja

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

SCIDAR - Дигитална архива Универзитета у Крагујевцу