Pri hľadaní vhodného zdroja primárnej energie sme v spolupráci s TU BERG Košice stavili na čerpanie energie z podzemnej vody. Prieskumné vrty a čerpacie skúšky v areáli veterinárneho lekárstva overili za podmienky realizácie 4 sacích studní výdatnosť 25 litrov za sekundu s priemernou teplotou 15 °C.

Popis funkcie a zapojenia tepelného čerpadla pre UVL Košice

Pri optimálnom návrhu tepelného čerpadla sa vychádzalo z mnohých hľadísk:

  • stanovenie tepelného výkonu potrebného pre vykurovanie
  • množstvo tepelný výkonu, ktoré je možné získať z nízkopotenciálnej energie podzemnej vody v danom území
  • množstvo tepelného výkonu, ktorý dodá do systému samotný kompresor premenou elektrickej energie na prácu a teplo
  • reálna hodnota COP (podielom výkonu a príkonu), s ktorou budeme reálne pracovať (efektívna je pre nás hodnota COP nad 3)
  • východiskom pre dimenzovanie boli aj prevádzkové skúsenosti u existujúceho vykurovacieho systému, t.j. plynových kotlov, ktoré aj v kritických zimných obdobiach pracovali v nízko teplotnom režime

Primárny zdroj (systém studní) musel mať dostatočnú výdatnosť a keďže vsakovacia voda je tepelným čerpadlom pri prevádzke intenzívne podchladzovaná, sú studne dimenzované na kritický chladiaci výkon s protimrazovou hranicou v plusových hodnotách. Samozrejme sa počíta aj s určitou rezervou, ktorú ovplyvňuje reálne dosahovaný prietok vody a regeneračná schopnosť zemného podložia, čo sa celoročne mierne mení. Za kritérium sa zvolilo relatívne nepriaznivé suché obdobie, aby bola určitá výkonová rezerva, ktorá s prídavkom kompresora na strane kúrenia umožní získať priemerný tepelný výkon do vykurovania asi 970 kW. Prekročenie stavu podchladenia (do zeme totiž pri prevádzke ukladáme okolo 620 kW chladu!) je chránené snímačom kritického podchladenia a v prípade problémov sa nechá plynúť potrebný regeneračný čas.

Ak tento stav nastane, potom zariadenie bude buď jedným z dvojice kompresorov cyklovať, alebo sa automaticky zadá pokyn na dočasné spustenie plynového kotla a podzemené podložie okolo vsakovacích studní sa nechá regenerovať. Výstup z tepelného čerpadla na sekundárnej strane (vykurovací systém) by mal byť s čo najnižšou úrovňou teploty, aby bol COP faktor účinnosti čo najlepší a teda presahoval trvalo hodnotu 3. Nie je vôbec účelné, aby sa z tepelného čerpadla prevádzkovali maximálne teploty. Výstupné teploty vybraného zariadenia môžu vďaka mohutným kompresorom trvalo dosahovať aj 60 °C. V prípade potreby je to technicky možné vďaka použitej chladiacej zmesi R 134 a je to plne garantované výrobcom York Johnson Controls.

Táto skutočnosť je daná jednak fyzikálnymi vlastnosťami uvedeného chladiva a robustnou konštrukciou kompresorov, ­ktoré majú veľkú teplovýmennú plochu sacích a tlačných komôr so spätnou väzbou medzi kondenzátom a parami chladiva. U malých kompresorov bežne použivaných v tepelných čerpadlách toto nie je možné konštrukčne dosiahnuť, lebo veľa užitočného tepla sa ­vyžiari z telesa kompresora do okolia zariadenia. V tomto prípade sa týmtozvyšuje podiel a efektívnosť prídavku kompresora do tepelnej bilancie a ak by sa v budúcnosti zvýhodnili ceny elektrickej energie, tepelné čerpadlo bude možné prevádzkovať aj za cenu menej priaznivého COP faktora, s výstupom vyššej teploty. Ani terajšie plynové kotly totiž do systému ÚK nikdy nemuseli dodávať 60 °C a maximálne sa pohybovali okolo hodnoty 58-59 °C.

Navrhovaný stroj má dvojicu kompresorov, dvojicu vykurovacích výmenníkov a preto môže v prechodnom období pracovať aj na ­polovičný výkon. Druhý kompresor a druhý výmenník sa pripája do prevádzky až keď je potreba tepla vyššia, než dokáže systém práve produkovať. Pracovná charakteristika kompresorov sa mení s požiadavkami na výstupnú teplotu a regeneračnú schopnosť podložia zdroja tepla a úspornosť prevádzky. Preto sa určila hranica bivalencie, na ktorú sa nastaví prechod na tvrdý zdroj (plynový kotol). Hranica bivalencie sa môže určiť buď ekonomickým kritériom (ktorý zdroj tepla je v danom okamihu lacnejší), alebo technickým (aké sú teplotno-technické podmienky a potreby na primárnej a sekundárnej strane tepelného čerpadla).

S nastavením sa experimentovalo. S požiadavkou na vysokú výstupnú teplotu z tepelného čerpadla klesá objemová chladivosť kompresorov a tým pomerná záťaž ­primárneho zdroja na úkor vyššej spotreby elektrickej energie ­potrebnej na pohon kompresorov. To je v praxi stav tesne pod ­hranicou bivalencie. Návrh riešil práve tento kritický stav. Tento fakt sa zanedbáva pri tepelných čerpadlách s výkonom rádovo desiatok kW a zbytočne sa „pre istotu“ predimenzuje primárny zdroj, čo však v systémoch rádovo stoviek kW má už značný ekonomický dopad na investície a spôsobuje nehospodárnosť obehových čerpadiel primárneho ­zdroja a samozrejme nehospodárnosť celej investície.

Vysoké výkony tepelných čerpadiel

Pri vysokých výkonoch tepelných čerpadiel treba mať na zreteli:

  • Na začiatku a na konci vykurovacej sezóny má byť aplikovaná jednokompresorová prevádzka dvojstupňového systému s vysokým faktorom COP s čo najnižšou výstupnou teplotou do ÚK. Regenerácia primárneho zdroja má obrovské rezervy.
  • So vzrastajúcou požiadavkou na vykurovací výkon sa pripája druhý kompresorový stupeň, ale potreba vyššej výstupnej teploty degraduje faktor COP a tak je relatívna záťaž na primárny zdroj čoraz menšia. Do produkcie tepla vstupuje stále intenzívnejšie elektrický prúd, poháňajúci kompresor. Ak sa dosiahne stav, kedy točiť kompresorom je drahšie ako produkovať teplo tvrdým zdrojom, potom treba prejsť na bivalentný zdroj a zapnúť plynový kotol.
  • Na hodnotu reálneho kompromisu je preto vzhľadom na prechodovú krivku dimenzovaný aj zdroj primárnej energie.
  • Žiadne tepelné čerpadlo nedosahuje svoj špičkový výkon za ­každých podmienok, ale len pri nominálnych stavoch, ktoré sú určené viacmenej pre hrubé porovnanie podmienok u zariadení jednotlivých výrobcov.
  • Tepelný výkon tepelného čerpadla je vždy súčtom chladiaceho výkonu umoreného do primárnej strany a tepelného výkonu z elektrického pohonu kompresora, mínus produkované straty ovplyvnené účinnosťou teplotechnických procesov.

Spôsob pripojenia a regulácia v systéme ÚK

Tepelné čerpadlo je pripojené do rozvodu ÚK ako paralelný zdroj ku plynovým kotlom. Tepelné čerpadlo sa spúšťa pomocou údajov z ekvitermického riadenia. Ak jeho výkon nie je postačujúci ani po nabehnutí dvoch kompresorov, odblokuje sa existujúci plynový kotol, uvedie sa do prevádzky a bude sa dokurovať plynom. K tomuto účelu bude posielať riadiaci modul beznapäťový signál do riadiacej jednotky plynového kotla. Priorita medzi plynovým kotlom a tepelným čerpadlom bude ­meniteľná podľa toho, aké budú cenové vstupy energií a tomu sa bude prispôsobovať hranica bivalencie (okamih, kedy sa neoplatí ­prevádzkovať tepelné čerpadlo, ale treba kúriť plynom).

Technický popis realizácie

Tepelné čerpadlo bolo pre projekt vybrané, ako špeciálne zariadenie pre získavanie nízkopotenciálovej energie z prírodných zdrojov, aby pomohlo perspektívne znížiť závislosť od dodávateľov fosílnych energií. V tomto prípade je zdrojom primárnej energie podzemná voda, čerpaná zo 4 studní postavených podľa zásad vzájomného tepelného neovplyvňovania s odberom nad vsakovacím miestom. Voda po prechode výparníkom sa vracia do vsakovacej studne, ktorá sa pri prevádzke trvalo podchladzuje. Z vody získaná energia sa zušľachťuje pomocou dvoch polohermetických kompresorov tepelného ­čerpadla na využiteľné teplo, ktoré je zapojené do centrálneho systému ­kúrenia a do vykurovacích rozvodov objektov ÚVL.

Tepelné čerpadlo YORK YLCS 0955 HA je umiestnené na upravenom základe vedľa kotlov ÚK v centrálnej kotolni. Je to pomerne rozmerné zariadenie o váhe cez 6 ton a s jeho prepravou na základ bolo nemálo problémov vzhľadom na existujúce transportné otvory. Hlavná brána sa musela podkopať a preklad nad dverami bolo nutné odrezať na potrebnú výšku. Aby mohli byť poháňané kompresory elektrickou energiou, museli sa do existujúceho rozvádzača v kotolni priviesť dostatočne silné elektrické prívody, ktoré pokryjú aj 360 kW špičkový odber. K tomu bolo nutné zrealizovať trasu poriadne hrubých káblov asi po trase 150m z hlavnej elektrorozvodne. Kompresory, sekundárne obehové čerpadlá a riadiaci modul zariadenia sa potom z dovybavených rozvádzačov v kotolni zapojili na napájacie napätie 400V50 Hz.

Taktiež bolo potrebné uložiť káble k obehovým a ponorným čerpadlám, ktoré sú ukončené v štyroch čerpacích studniach povrchových vrtov vzdialených od seba aj 150 metrov. Jednotka je zapojená do okruhu primárneho dodávania energie z povrchových vrtov pomocou uzatváracích a pripojovacích ­armatúr. Pre zásobovanie geotermálnou nízkopotenciálovou energiou boli ­vyhotovené 4 vrty so sacími košmi, ponornými čerpadlami Grundfos a samostatnými prívodmi do zberača pre výparník tepelného ­čerpadla. Vedenie potrubia do objektu je v nemrznúcej hĺbke, v ­kritických miestach v izolovanom zemnom kolektore alebo v izolačnej chrániacej rúre.

Odvod vody po prečerpaní cez tepelné čerpadlo do troch zberných vsakovacích studní je vyhotovený s podmienkou zaistenia protimrazovej ochrany. Proti poruche prietoku ­prívodu, alebo odvodu primárnej vody je v systéme aj flow-switch. Pre kontrolu podchladenia výstupu je inštalovaná zásobník s tepelným snímačom. Ako havarijná hodnota podchladenia sú nastavené 4 °C. Primárny obeh musí byť spustený v časovom predstihu ­nastavenom v riadiacej jednotke tepelného čerpadla tak, aby došlo minimálne k otvoreniu flow-switcha na výstupe do odčerpávacej studne a teplota ochladenej vody bola vždy nad úrovňou kritickej teploty.

Keďže sekundárna (vykurovacia) strana je tiež chránená flow-switchmi, aj tie rovnako zaisťujú a podmieňujú chod tepelného čerpadla. Sekundárny okruh (rozvod do ÚK) je zapojený cez uzatváracie ­armatúry do okruhu vykurovania pomocou dvoch nezávislých ­obehových čerpadiel. Obehové čerpadlá sú ovládané a spúšťané riadiacim systémom tepelného čerpadla alebo aj ručne. Pred spustením sekundárneho okruhu bolo potrebné systém naplniť upravenou vykurovacou vodou, tlakovo odskúšať, dokonale odvzdušniť, aby nedošlo k poruche na strane odberu energie. Ovládanie zariadenia zabezpečuje riadiaca jednotka, ktorá je ­súčasťou dodávky zariadenia YORK Johnson Controls.

Ovládací panel zobrazuje všetky potrebné prevádzkové údaje a dovoľuje ­ľubovoľne meniť prevádzkové parametre. Tepelné čerpadlo teda pracuje buď celkom nezávisle, alebo aj ­paralelne s existujúcimi kondenzačnými kotlami a dokonca v prípade nutnosti dokáže pracovať s rovnakým tepelným spádom ako plynové kotly idúce v kondenzačnom režime. Pokiaľ je tepelné čerpadlo v prevádzke a produkuje dostatok ­tepelnej energie, sú plynové kotly blokované. Ak tomu tak nie je, automaticky sa kotly spustia do pomocnej a potom prípadne aj do trvalej prevádzky.

Záver

Po získaných skúsenostiach z tejto realizácie sa konštatovalo, že pri ďalších podobných projektoch, kedy bude zvolené tepelné čerpadlo voda-voda, sa bude treba pred samotnou realizáciou v prvom rade nevyhnutne venovať hydrogeológii daného územia a pokiaľ nebude z vykonaných hydrodynamických skúšok jasné, aké sú možnosti daného vodného zdroja, v žiadnom prípade nepovoliť realizáciu ­tepelného čerpadla, pretože môže dôjsť k zbytočným škodám. Nevyhnutné bude aj modelovanie podzemného prúdenia nielen podzemnej vody, ale aj prúdenie vypúšťanej vody zo vsakovacích studní a sledovanie rýchlosti a smeru šírenia sa tohto ochladeného média. V prípade, že by sa týmto problémom nevenovala dostatočná pozornosť, môže dôjsť k podstatnému zníženiu výkonu tepelného čerpadla a teda aj k znehodnoteniu investície.

Ing. Milan Špes
Solarklima s.r.o.