Myslím, že každý, kto sa aspoň okrajovo zaujímal o termín tepelné čerpadlo, si už niekde vygooglil, naštudoval v učebnici fyziky alebo dostal odpoveď od kamaráta, čo to vlastne tepelné čerpadlo (TČ) je. Moje najjednoduchšie vysvetlenie je, že TČ je funkčne otočená chladnička, čo si vieme všetci predstaviť. Keď vás požiadam, aby ste si spomenuli, že chladnička je vzadu teplá, každý si dokáže uvedomiť, že sa tam niečo deje, vnútri zima a vonku teplo. Takže moja definícia pre používateľa je, že TČ je chladiaci stroj regulovaný tak, aby niečo zohrieval podľa nášho želania.

Pomôžme si ešte aj definíciou TČ z Wikipédie: „Tepelné čerpadlo je stroj, ktorý čerpá teplo z miesta s nižšou teplotou na miesto s vyššou teplotou vynaložením vonkajšej práce, pričom cieľom jeho použitia je vykurovanie miesta s vyššou teplotou. Tepelné čerpadlo patrí spolu s chladiacim strojom do skupiny chladiacich zariadení.“

TČ je zložené z niekoľkých komponentov:

  • chladivo,
  • výparník (ochladzovač primárneho zdroja),
  • kondenzátor (odovzdávač tepla do ohrievaného média),
  • kompresor (vykonávač vonkajšej práce potrebnej na zvýšenie tepelného potenciálu energie),
  • expanzný člen – zníženie tlaku a teploty chladiva, čím sa umožní odobratie tepla z primárneho zdroja zmenou skupenstva chladiva z kvapalného na plynné.

Práve podľa typu primárneho zdroja a sekundárneho média (do ktorého je teplo odovzdané) je stanovené jedno z možných rozdelení TČ. Prvé slovo pomenúva primárny zdroj a druhé slovo sekundárne médium. Rozdelenie TČ podľa typu zdroja:

  • vzduch/vzduch (poznáme z bytových klimatizácií),
  • vzduch/voda (voda slúži ako roznášač tepla ku koncovým prvkom, napr. radiátory, fancoily, alebo ako konečné médium – TÚV, bazénová voda),
  • zem/voda,
  • voda/voda.

Kedy uvažovať o nasadení tepelného čerpadla?

Začať uvažovať o nasadení TČ nás môžu donútiť rôzne okolnosti. V súčasnosti najsilnejšou motiváciou hlavne pre priemyselných zákazníkov je diverzifikácia rizík výpadku dodávok bežne používaného zemného plynu na ohrev médií potrebných v technologických procesoch a vykurovanie výrobných a administratívnych priestorov. Ďalším dôvodom môže byť záujem podnikateľov znižovať CO2 stopu pri výrobe. Nasadením TČ sú súčasne dosiahnuté obidva tieto ciele.

Výhodou nasadenia TČ ako zdroja tepla je v porovnaní s inými obnoviteľnými zdrojmi aj to, že zariadenie sa dá celoročne používať ako zdroj chladenej vody na technologické chladenie alebo zdroj chladu pre klimatizáciu. TČ poháňané elektrickou energiou v kombinácii s fotovoltickým systémom je fantastická kombinácia z pohľadu prevádzkových nákladov a redukcie emisií CO2.

„Klasické“ vs priemyselné tepelné čerpadlá – porovnanie, rozdiely

Termín priemyselné TČ je pomerne otvorený a nie presne rámcovateľný. Ja osobne ho používam skôr na vyjadrenie odolnosti vyhotovenia takéhoto zariadenia súvisiacej s výkonovým rozpätím týchto zariadení, použitou technológiou kompresorov, výmenníkov a veľkostnými, rozmerovými a hmotnostnými parametrami. Sú to zariadenia s výkonom 150 kW – 2 MW v jednom zariadení, technicky vychádzajúce z priemyselných chladičov používaných celé roky. Tradiční výrobcovia veľkého chladenia by mali byť pre zákazníka hľadajúceho tento produkt prvou voľbou.

Typy aplikácií vhodné pre priemyselné tepelné čerpadlá

Zariadenia týchto parametrov sú teda používané pri inštaláciách, kde sa vyžaduje veľký výkon, a to hlavne v priemysle a v komerčnom sektore, ako sú veľké obchodno-administratívne centrá, dátové centrá, rezidenčná výstavba, centrálne zásobovanie teplom. Tiež kdekoľvek, kde sú potrebné isté špecifiká ako veľmi vysoká teplota na strane tepla alebo veľmi nízka teplota na primárnej strane alebo oboje.

Kritériá výberu vhodného priemyselného tepelného čerpadla

V prvom rade je to požadovaná teplota teplej strany, v druhom rade to, aký druh primárnej energie môžeme využiť (alebo máme k dispozícii). Koľko tepla potrebujeme? Aké máme priestorové, hlukové, elektrické obmedzenia? Koľko hodín v roku bude zariadenie v činnosti? Existuje súčasne potreba niečo chladiť? Nemáme v závode chladiace veže, suché chladiče na odvod prebytočného tepla z technológie do atmosféry, ktoré by sme vedeli využiť ako zdroj tepla?

Samozrejme, v ďalšom kroku sa budeme zaoberať účinnosťou možných alternatívnych riešení alebo produktov rôznych výrobcov. Neskôr môžeme zvažovať typ použitého chladiva, referencie dodávateľa, servisné zázemie a kvalitu servisu.

Správne zapojenie a ako získať z priemyselného tepelného čerpadla maximum

Určite prvým dôležitým krokom je správny návrh hydraulického okruhu, zabezpečenie dostatočného objemu vodného systému. Dôležitou podmienkou je okruh osadený dostatočným množstvom regulačných a meracích prvkov, aby sme mali počas prevádzky čo najlepšiu predstavu o tom, čo sa v okruhu deje. To je dôležité pre optimalizovanie kaskády viacerých jednotiek, identifikovanie poruchových stavov a elimináciu nežiaducich stavov optimalizáciou riadenia. Takisto veľkosť regulačného pásma a účinnosť jednotiek v čiastočných záťažiach sú parametre, podľa ktorých sa rozhodujeme, či je efektívnejšie mať v chode dve jednotky na 50 % alebo jednu na 100 % (v určitom čase vykurovacieho obdobia).

Prevádzka a údržba priemyselných tepelných čerpadiel

Z chladiarenskej praxe máme overené, že pravidelnou údržbou, sledovaním prevádzkových parametrov, vibračnými testami kompresorov, analýzou oleja, čistením teplovýmenných plôch výmenníkov vieme udržovať zariadenie v účinnosti, akoby bola jednotka stále nová, a dokážeme zákazníka v dostatočnom predstihu informovať o možnej havárii niektorého z prvkov zariadenia.

V našich zariadeniach sa sleduje aj parameter, ktorý priamo dáva informáciu o efektivite prenosu tepla. Je to hodnota, ktorá upozorňuje na potrebu vyčistenia teplovýmenných plôch. Prax potvrdila, že po vyčistení teplovýmenných plôch je zvýšenie účinnosti zariadenia také, že návratnosť nákladov za vyčistenie je kratšia ako jeden rok.
Sledovaním vibrácií a porovnaním s hodnotou nového kompresora vieme odporučiť výmenu ložísk skôr, než dôjde k nezvratnému poškodeniu trecích plôch a tým potrebnej výmene celého kompresora. Cenový rozdiel medzi výmenou ložísk a novým kompresorom je veľký.

Rovnako spektrografická olejová analýza vykonávaná dvakrát do roka hovorí o presných parametroch oleja alebo o stave samotných mechanických prvkov chladiaceho okruhu. Vďaka analýze nie je potrebné vymieňať olej podľa časového intervalu alebo motohodín kompresora, ale až v okamihu, keď nie sú jeho parametre vyhovujúce. Tým sa dosahujú ďalšie úspory na prevádzke TČ. Jednotka, ktorú nie je potrebné opravovať a pracuje efektívne a spoľahlivo, vyrába teplo lacnejšie ako tá, ktorá je neúčinná a stále v oprave.

Najlepšie skúsenosti z praxe a prevádzky TČ

Pri kúpe priemyselného tepelného čerpadla by som určite odporúčal voľbu takého chladiva, ktorého použitie nie je obmedzené európskou legislatívou z roku 2014 – Regulácia F plynov po roku 2025. Zjednodušene ide o chladivo, ktorého GWP < 750. Zákazník sa tým vyhne možným komplikáciám s jeho dostupnosťou po roku 2025, keď sa už takéto chladivo nebude v nových zariadeniach používať a stane sa nedostupným alebo stále menej dostupným a tým aj drahším.

Z pohľadu prevádzkového času TČ odporúčame na celoročné použitie na ohrev vody a chladenie procesov jednotky so skrutkovými kompresormi, ktorých odolnosť, výdrž a spoľahlivosť sú z konštrukčného hľadiska veľmi vysoké. Skrutkové kompresory sú polohermetické a dajú sa opravovať výmenou opotrebovaného dielu, čo pri iných typoch nie je vždy možné.

Z hľadiska efektivity – najlepšieho využitia 1 kW elektrického príkonu sú jednoznačne najzaujímavejšie aplikácie, kde TČ vyrába chlad pre technológiu a súčasne teplo na vykurovanie alebo pre technologické potreby. V týchto prípadoch je dosahovaný koeficient TER (Total Efficiency Ratio – celkový pomer účinnosti) rovný 6 – 9, čo znamená, že z 1 kW elektrického výkonu vyrobíte až 6 – 9 kW tepelného výkonu (chlad + teplo). Tento koncept sa veľmi často využíva vďaka tomu, že len pred pár rokmi sa výrobné závody projektovali a realizovali s veľkými plynovými kotolňami a súčasne veľkými chladiacimi stanicami. Pokles emisii CO2 je pri takejto realizácii obrovský a vysoko prekonáva opatrenia, ako sú výmena osvetlenia, zateplenie obálky budovy, aplikovanie voľného chladenia atď.

Ďalším dôležitým faktorom pri voľbe výrobku je zohľadnenie tradície výrobcu v segmente výroby chladiacich a klimatizačných zariadení, pretože, ako je uvedené už v definícii, TČ patrí do skupiny chladiacich zariadení a jedine technik – chladiar vie odborne ošetrovať takéto zariadenie. Naša spoločnosť má pre Európu flotilu 1 500 chladiacich zariadení a tepelných čerpadiel, pomocou ktorých vie zákazníkom pomôcť v situáciách, keď potrebujú nahradiť alebo doplniť chladiaci alebo vykurovací výkon. Niektorí naši zákazníci si v prvej fáze prenajali chladiace stroje alebo tepelné čerpadlá a po ich otestovaní v prevádzke si zakúpili nové jednotky.

Jaroslav Široký
Trane Technologies
jaroslav_siroky@trane.com