Zaujímavosti o tepelných čerpadlách (2)

Vonkajšia teplota nad 10 °C a regulácia

Čerpadlo sa zapína a vypína alebo ide trvalo s minimálnym ­výkonom? Mnohé vyspelé tepelné čerpadlá sú riadené na základe výpočtov riadiacej jednotky podľa algoritmov definovaných výrobcom a zostavených z pozorovaní a meraní počas niekoľko desiatok rokov. V zásade nesmieme zabúdať ani na funkciu ekvitermickej regulácie, ktorá na základe vývoja teploty vonkajšieho prostredia prispôsobí reguláciu výkonu a aj zapína a vypína tepelné čerpadlo s ohľadom na predpoklady kúrenia v blízkej budúcnosti.

Pri riadení tepelného čerpadla, jeho zapínaní a vypínaní je výkon, teda aktuálna teplota len jednou z množstva hodnôt, ktoré riadiaca jednotka dlhodobo spracúva a následne vyhodnocuje.Dnešné riadiace jednotky tepelných čerpadiel sa funkčne, koncepčne ani účelovo nemôžu porovnávať s klasickými termostatmi, na aké sme boli desiatky rokov zvyknutí; na rozdiel od nich disponujú možno pre niekoho primitívnou, no predsa určitou formou inteligencie.

Životnosť tepelného čerpadla a dianie po jej skončení

Pri životnosti tepelného čerpadla je ťažké hovoriť o presných číslach, avšak v skutočnosti životnosťou tepelného čerpadla rozumieme čas, za aký sa čerpadlo alebo jeho diely opotrebujú natoľko, že sa stane nefunkčnými. Zväčša však ide o opotrebenie kompresora, po ktorého výmene sa životnosť tepelného čerpadla predĺži cca o 50 %. Výmena kompresora stojí približne 15 % z ceny tepelného čerpadla.

Zaujímavosť

Paradoxne napriek obavám Slovákov z tepelných čerpadiel konštruktérom prvého tepelného čerpadla na svete je slovenský rodák Aurel Stodola. Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje vo Švajčiarsku a vykuruje radnicu v Ženeve s odoberaním tepla z vody jazera (ide o uzavretý okruh). Na Slovensku máme najdlhšie pracujúce tepelné čerpadlo prevádzkované bez poruchy v Hlbokom pri Bojniciach od r. 1991 až doteraz bez poruchy, v praxi by sme teda mohli hovoriť o životnosti tepelného čerpadla až 30 rokov.

Tepelné čerpadlá a chladenie budov

Tepelné čerpadlá môžu plniť nasledujúce funkcie (čiastočne prevzaté z http://heatpumpcentre.org):

• Vykurovanie priestorov a ohrev teplej úžitkovej vody – v súčasnosti sa používajú najmä tepelné čerpadlá vzduch – voda (vzduch ako zdroj nízkotepelnej energie pre výparník, voda ako médium na chladenie kondenzátora a rozvod tepelnej energie na vykurovanie pri použití veľkoplošného vykurovacieho systému) a vzduch – vzduch (pri použití teplovzdušného vykurovania). Ako zdroj nízkoteplotnej energie je energeticky výhodnejšie použiť vodu v prípade, keď to konkrétne podmienky aplikácie umožňujú.
• Vykurovanie aj chladenie priestorov – najčastejšie sa používajú reverzibilné tepelné čerpadlá vzduch – vzduch, ktoré môžu byť prevádzkované na ohrev alebo chladenie. Tepelné čerpadlá s veľkým výkonom pre veľké obchodné, kultúrne, športové a iné budovy môžu byť prevádzkované súčasne na výrobu chladu aj tepla použitím vodných rozvodov na distribúciu tepla a chladu.
• Integrované systémy na vykurovanie a chladenie priestorov, ohrev vody a spätné získavanie tepla – používajú sa tepelné čerpadlá vzduch – vzduch alebo voda – vzduch v monovalentnej alebo bivalentnej prevádzke (bivalentné tepelné čerpadlá sú dimenzované na 20 až 60 % maximálnej potreby tepla a zabezpečujú 50 až 90 % ročnej potreby tepelnej energie v európskych klimatických podmienkach); okrem vonkajšieho vzduchu sa ako zdroj nízkoteplotnej energie výhodne využíva výstupný vzduch z vetrania a iných zdrojov. Vo veľkých budovách sú výhodné zapojenia tepelných čerpadiel do kogeneračných systémov výroby tepla, chladu a elektrickej energie.
• Systémy navrhované len na ohrev vody, ak sa nevyžaduje ohrev alebo ochladzovanie priestorov, používajú sa tepelné čerpadlá vzduch – voda alebo voda – voda.

Vzduch ako médium na rozvod získanej tepelnej energie z kondenzátora (v teplotnom rozmedzí od 30 do 50 °C) sa najčastejšie využíva na teplovzdušné vykurovanie a klimatizáciu v USA a Japonsku. V európskych klimatických podmienkach sa najčastejšie využíva vodný veľkoplošný (podlahový alebo stropný) sálavý vykurovací systém.

Konvenčný radiátorový vykurovací systém inštalovaný v prevažnej väčšine súčasných ľudských obydlí vyžaduje vysoké distribučné ­teploty tepelného toku v rozmedzí od 60 do 90 °C. Súčasné nízkoteplotné radiátory a konvektory sú navrhované pre prevádzkovú teplotu 45 až 55 °C, veľkoplošné podlahové systémy pre teplotu 30 až 45 °C.

Pretože klasické konvenčné kompresorové tepelné čerpadlá s halogénovanými uhľovodíkmi ako pracovnými látkami nemôžu pracovať s vyššou kondenzačnou teplotou ako cca 45 až 50 °C (teda s teplotou získavaného tepelného toku 40 až 45 °C); je zrejmé, že ich energeticky efektívne použitie (závislé predovšetkým od teplotného rozdielu medzi kondenzačnou a výparnou teplotou) bude v oblasti veľkoplošných vykurovacích systémov a pri určitých podmienkach čiastočne aj pri použití nízkoteplotných vykurovacích telies.

Uvedený vplyv použitia vykurovacieho systému na výrobu tepla tepelným čerpadlom je vidieť z kvantitatívnych hodnôt COP pre jednotlivé systémy, vypočítaných pre tepelné čerpadlo voda – voda s teplotou vodného zdroja 5 °C, uvedených v tabuľke (prevzaté z http://www.heatpumpcentre.org).

Možnosti aplikácií tepelných čerpadiel v priemysle

V súčasnosti je v priemyselnej oblasti inštalovaných relatívne veľmi málo systémov tepelných čerpadiel. Možno však predpokladať, že v blízkej budúcnosti sa tepelné čerpadlá stanú v tejto oblasti oveľa významnejším zdrojom tepelnej energie najmä preto, že sa budú neustále zvyšovať ekologické požiadavky na výrobu tepelnej energie; potom sa priemyselné tepelné čerpadlá stanú významnou technológiou znižujúcou škodlivé emisie pri výrobe tepla. Zavádzanie tepelných čerpadiel bude v budúcnosti podporovať aj čoraz intenzívnejší proces termodynamickej optimalizácie priemyselných procesov a identifikácie možností na spätné získavanie tepla, ako aj zavádzanie kogeneračnej výroby tepla, chladu a elektrickej energie.

Priemyselné tepelné čerpadlá umožňujú využívať veľa variácií v ­oblasti druhov pohonnej energie, typov zapojení a prevádzkových podmienok jednotlivých systémov, sú teda všeobecne navrhované s ohľadom na špecifické podmienky jednotlivých aplikácií, a teda ide o unikátne systémy. Hlavné typy priemyselných tepelných čerpadiel sú nasledujúce (čiastočne prevzaté z http://heatpumpcentre.org):

• Mechanické parné rekompresné systémy, označované ako otvorené systémy tepelných čerpadiel, kde je para z priemyselného procesu komprimovaná na vyšší tlak a teplotu a teplo sa získava pri jej kondenzácii. Pri polootvorených systémoch je teplo z rekomprimovanej pary získavané pomocou výmenníka tepla. Energetická efektívnosť takýchto systémov dosahuje vysoké hodnoty (COP 10 až 30), pretože jeden z výmenníkov tepla klasického systému tepelného čerpadla (výparník alebo kondenzátor) je eliminovaný a teplotný rozdiel je relatívne malý. Súčasné systémy existujú so zdrojom tepla s teplotou 70 až 80 °C a dodávané teplo má teplotu v rozmedzí 110 až 150 °C. Najčastejšou pracovnou látkou je voda.
• Parné kompresorové tepelné čerpadlá, ktoré môžu pracovať s maximálnou teplotou pracovnej látky do 120 °C.
• Absorpčné tepelné čerpadlá – v súčasnosti pracujú najmä s dvojicou pracovných látok lítiumbromid – voda pri výstupnej teplote maximálne do 100 °C a teplotnom rozdiele medzi kondenzátorom a výparníkom maximálne 65 °C. Hodnoty COP sa pohybujú v rozmedzí od 1 do 1,4; ako už bolo uvedené, na základe vývoja v tejto oblasti možno očakávať podstatné zvýšenie energetickej efektívnosti (COP viac ako 2) aj teploty využiteľného tepelného toku.
• Tepelné transforméry sú v princípe absorpčné tepelné čerpadlá, ktoré transformujú odpadové tepelné toky (dodávaním tepla do výparníka a generátora obehu) na vyššiu teplotnú hladinu získavanú z absorbéra. Nie je teda potrebný vysokoteplotný tepelný tok do generátora. Tieto zariadenia dosahujú teplotu získavaného tepelného toku až 150 °C s teplotným rozdielom cca 50 °C, ale energetická efektívnosť pri týchto podmienkach je pomerne malá (COP cca 0,45 až 0,5).
• Priemyselné tepelné čerpadlá sa využívajú najmä v nasledujúcich aplikáciách (čiastočne prevzaté z http://heatpumpcentre.org):
• Priestorové vykurovanie skleníkov, priemyselných hál a podobne. Výhodné je najmä využitie priemyselných odpadových tepelných tokov, ktoré nemôžu byť použité priamo. Najčastejšie sa aplikujú parné kompresorové obehy s pohonom elektrickou energiou.
• Ohrev a chladenie vody v rozmedzí medzi 40 a 90 °C pri čistiacich, hygienických a iných procesy. Väčšinou sa využívajú parné kompresorové obehy, ale tiež absorpčné a tepelné transforméry.
• Výroba vodnej pary so stredne vysokým a vysokým tlakom s ­teplotou od 100 °C na rôzne priemyselné účely. Súčasné vysokoteplotné tepelné čerpadlá môžu produkovať vodnú paru do cca 150 °C (existujú prototypy až do 300 °C). Využívajú sa najmä mechanické parné rekompresné systémy a kaskádové systémy parných kompresorových tepelných čerpadiel.
• Sušiace procesy pri nízkej a stredne vysokej teplote (do 100 °C). Hlavné aplikácie sú sušenie dreva, reziva, papiera, celulózy a niektorých potravinových produktov. Používajú sa mechanické parné rekompresné systémy a uzavreté parné kompresorové systémy.
• Vyparovacie a destilačné procesy v chemickom a potravinárskom priemysle. Vzhľadom na potrebu len malých teplotných rozdielov sa dosahuje vysoká energetická efektívnosť (COP v rozmedzí od 6 do 30) pomocou mechanických parných rekompresných systémov aj klasických uzavretých parných kompresorových systémov.

Energetická a ekonomická efektívnosť tepelných čerpadiel

Energetickú aj ekonomickú efektívnosť tepelných čerpadiel nemožno ako pri chladiacich zariadeniach vyjadriť kvantitatívnymi hodnotami dosahovanej spotreby primárnej energie, resp. hodnotami celkových ročných nákladov na vyrobenú energiu, pretože ide o ­alternatívny systém výroby tepelnej energie oproti bežne používaným spôsobom. Rozdiely dosahovaných energetických a ekonomických parametrov systému tepelného čerpadla treba vyjadriť v porovnaní s konkrétnym bežne používaným spôsobom výroby tepelnej energie na ­danom mieste a v danom čase inštalácie tepelného čerpadla.

Použitie tepelného čerpadla z hľadiska používateľa môže byť efektívne (užitočné) len vtedy, ak sú celkové ročné náklady na výrobu jednotkového množstva tepelnej energie menšie ako náklady na ­porovnávaný klasický spôsob výroby tepla a ak je návratnosť investície výrazne menšia ako jeho životnosť. Dosiahnutie úspor primárnej energie tepelným čerpadlom v porovnaní s klasickou ­výrobou tepla ešte nijako nezaručuje dosiahnutie ekonomickej efektívnosti inštalácie, ale je (ako bude ďalej vysvetlené) len jej základným predpokladom.

Energetická efektívnosť

Energetickú efektívnosť výroby tepelnej energie tepelným čerpadlom možno vyjadriť kvantitou vyrobenej tepelnej energie na jednotku dodávanej pohonnej energie do systému (čo je mechanický príkon kompresora alebo tepelný príkon generátora v prípade absorpčného cyklu). Tento pomer nazývame výkonové číslo a označujeme ho COP (z angl. coefficient of performance). Je zrejmé, že čím väčšiu hodnotu COP systém dosahuje, tým viac užitočnej tepelnej energie na jednotku dodávanej pohonnej energie vyrobí a je teda energeticky efektívnejší. To však platí len pri porovnaní systémov tepelných čerpadiel s rovnakým druhom pohonnej energie (teda kompresorových s mechanickou pohonnou energiou medzi sebou a takisto absorpčných s tepelnou pohonnou energiou).

Kvantitatívne porovnanie hodnôt COP parných kompresorových a absorpčných systémov tepelných čerpadiel teda nie je možné, pretože mechanická pohonná energia sa vyrába z tepelnej energie spaľovaním fosílnych palív v tepelných cykloch s určitou hodnotou účinnosti transformácie jednotlivých druhov energie (z chemickej energie paliva na tepelnú energiu a potom na mechanickú energiu). Hodnota COP je teda nedokonalým vyjadrením energetickej efektívnosti termodynamických obehov tepelných čerpadiel, pretože ju nemožno všeobecne využiť na porovnanie energetických systémov výroby tepla s rôznymi druhmi pohonnej energie.

Tento nedostatok možno odstrániť definovaním energetickej efektívnosti systému ako pomeru spotrebovanej pohonnej primárnej energie (primárna energia je tepelná energia obsiahnutá vo fosílnom palive, daná výhrevnosťou paliva) a jednotky vyrobenej užitočnej tepelnej energie. Takto vyjadrenú energetickú efektívnosť nazývame stupeň využitia primárnej energie a označujeme PER (z angl. primary energy rate). Je zrejmé, že čím nižšiu hodnotu PER systém dosahuje, tým spotrebuje menej primárnej energie na jednotku vyrobenej užitočnej energie a tým je energeticky efektívnejší. Pomocou hodnôt PER možno na rozdiel od hodnôt výkonového čísla COP porovnávať ľubovoľné energetické systémy na výrobu tepla s rôznymi druhmi pohonnej aj produkovanej energie, ako aj rôzne kombinované systémy výroby tepla, chladu a elektrickej energie.

Obidve hodnoty COP aj PER výrazne závisia od teplotného rozdielu medzi kondenzačnou a výparnou teplotou systému daného najmä teplotou zdroja nízkoteplotnej energie výparníka (so zväčšovaním tohto rozdielu energetická efektívnosť výrazne klesá) a druhu a účinnosti výroby dodávanej pohonnej energie systému. Dosiahnuteľné hodnoty COP a PER pre rôzne typy a pohonné energie tepelných čerpadiel pri výparnej teplote 0 °C a kondenzačnej teplote 50 °C sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Porovnanie energetickej efektívnosti výroby tepla tepelným čerpadlom s klasickou výrobou tepla napríklad spaľovaním fosílneho paliva v kotle je možné pomocou pomeru tepelného výkonu tepelného čerpadla a kotla pri rovnakej spotrebe primárnej energie. Potom možno vypočítať úsporu primárnych energetických zdrojov (úsporu fosílneho paliva) použitím systému tepelného čerpadla oproti výrobe tepla v kotle. Hodnota tejto úspory je pri použití tepelného čerpadla s pohonom kompresora elektromotorom závislá od hodnoty výkonového čísla COP daného tepelného čerpadla, účinnosti porovnávaného kotla a účinnosti výroby elektrickej energie vrátane rozvodu.

Na dosahované hodnoty energetickej efektívnosti výroby tepla tepelnými čerpadlami vplýva aj spotreba energie pre pomocné systémy dodávky a distribúcie jednotlivých energetických tokov, ktoré treba zarátať do pohonnej energie systému (ako sú čerpadlá, ventilátory a pod.), technická dokonalosť – optimalizácia jednotlivých komponentov systému, dimenzovanie veľkosti príkonu a výkonu systému vzhľadom na premenlivé požiadavky na kvantitu a kvalitu vyrábaného tepelného toku, regulačný systém prevádzky – jeho hospodárnosť a iné. Priemyselné tepelné čerpadlá s veľkým výkonom dosahujú vyššiu energetickú efektívnosť, čo sa výraznejšie prejavuje najmä na absorpčných tepelných čerpadlách.

Ekonomická efektívnosť

Základnou podmienkou dosiahnutia ekonomickej efektívnosti použitia tepelného čerpadla ako alternatívneho systému výroby tepelnej energie je, že celkové ročné náklady na vyrobené teplo sú, ako už bolo uvedené, menšie ako náklady na rovnaké množstvo tepla vyrobeného konvenčným systémom výroby všeobecne dostupným a používaným na mieste zamýšľanej inštalácie tepelného čerpadla (vo väčšine prípadov ide o výrobu tepla spaľovaním fosílnych palív v kotle na výrobu vodnej pary alebo vykurovacej vody).

Celkové ročné náklady sa skladajú z podielov (odpisov) ­jednorazových investičných a prevádzkových nákladov, z ktorých hlavný podiel tvoria náklady na pohonnú energiu systému. Keďže v praktických ­prípadoch sú investičné náklady na systémy tepelných čerpadiel vždy výrazne vyššie ako investičné náklady na konvenčné vykurovacie systémy, dosiahnutie základnej podmienky ekonomickej efektívnosti a účelnosti použitia tepelného čerpadla na výrobu tepla závisí predovšetkým od kvantity dosiahnutej úspory primárnej pohonnej energie systému tepelného čerpadla (teda od hodnôt COP a účinností transformácií použitých energetických tokov) a, samozrejme, od cien jednotlivých druhov energií vstupujúcich do porovnávaných systémov.

Dosiahnutie základnej podmienky ekonomickej efektívnosti, ako už bolo uvedené ešte nezaručuje z hľadiska používateľa ­výhodnosť a účelnosť použitia systému tepelného čerpadla na ­výrobu tepla. Rozhodujúcim faktorom je výpočet návratnosti vloženej investície na takýto spôsob výroby tepla, v oblasti priemyselných tepelných čerpadiel by nemala návratnosť prekročiť cca 10 rokov, v oblasti súkromných používateľov (vykurovanie rodinných domov a pod.) je prijateľné obdobie návratnosti do cca 5 – 7 rokov.

Koniec seriálu.

www.klimainfo.sk