Úvod do obrátených chladiacich obehov
V kapitole 4 sme definovali obrátené obehy ako obehy, vypočítané na prečerpávanie pracovnej látky z prostredia nižšej energetickej hladiny do prostredia vyššej energetickej hladiny.
V tomto všeobecnom ponímaní možno považovať za obrátený obeh napr. aj obeh kompresora.
V tejto kapitole sa však budeme zaoberať len obrátenými obehmi, ktoré prečerpávajú teplo z prostredia nižšej teploty do prostredia vyššej teploty.
Tieto procesy, v súlade s 2. zákonom termodynamiky, fungujú na princípe prenosu tepla z chladnejšieho prostredia do teplejšieho, čo si vyžaduje dodanie vonkajšej práce.
Každý obrátený obeh na jednej strane odoberá teplo z prostredia nižšej teploty, teda chladí, na druhej strane dodáva teplo do prostredia vyššej teploty, teda vykuruje.
Podľa toho, ktorá funkcia obráteného obehu je pre nás podstatná, hovoríme alebo o chladiacich zariadeniach alebo o tepelných čerpadlách.
Pracovná látka, s ktorou realizujeme obeh sa nazýva chladivo.
Existuje niekoľko desiatok prakticky používaných chladív.
Ich výber závisí od teplôt T1 (ochladzovaný priestor) a T2 (oteplovaný priestor), medzi ktorými má obeh pracovať.
Líšia sa medzi sebou chemickým zložením a závislosťou teploty bodu varu od tlaku.
Učebným cieľom tejto kapitoly je podrobné zvládnutie problematiky obrátených obehov a ich využitia pri výrobe tepla a v chladiarenstve.
Čitateľ by mal zvládnuť problematiku týchto tepelných obehov ako aj postupov vykonania ich tepelnej bilancie.
Carnotov obeh v obrátenom režime
Rovnako ako pri priamych obehoch, je Carnotov obeh teoreticky optimálny aj pre obrátené obehy medzi dvomi teplotami.
Realizuje sa v oblasti pár chladiva.
Diagramy pár rôznych chladív majú kvalitatívne podobné priebehy ako diagram vodnej pary, ktorý už poznáme.
Carnotov obeh je zložený z dvoch izotermických a dvoch adiabatických zmien.
Možno ho realizovať v oblasti mokrej pary (chladiva), kde izotermy sú totožné s izobarami (ako u vodnej pary).
V T-s diagrame sú pre jednoduchosť zakreslené ideálne adiabatické zmeny.
1-2, adiabatická kompresia z tlaku p1 na tlak p2. Súčasne sa zvýši teplota T1 na T2.
Realizuje sa v dokonale tepelne izolovanom kompresore.
2-3, izotermická kompresia pri teplote T2 (a tlaku p2). Je v oblasti mokrej pary kompresiou len v zmysle zmenšovania objemu, nie v zmysle zväčšovania tlaku.
Fyzikálne predstavuje kondenzáciu sýtej pary na dolnú medznú krivku (bod varu pri danom tlaku).
Realizuje sa odoberaním tepla q2 vo výmenníku, ktorý nazývame kondenzátor.
3-4, adiabatická expanzia z tlaku p2 na tlak p1. Súčasne sa zníži teplota z T2 na T1.
Realizuje sa v dokonale izolovanom expanznom stroji (turbíne).
4-1, izotermická expanzia pri teplote T1 (a tlaku p1) analogicky ako pri zmene 2-3, je v oblasti mokrej pary expanziou len v zmysle zväčšovania objemu, nie v zmysle znižovania tlaku.
Fyzikálne predstavuje vyparovanie mokrej pary pri teplote bodu varu pri danom tlaku na stav sýtej pary.
Realizuje sa dodávkou tepla q1 vo výmenníku, ktorý podľa procesu v ňom prebiehajúcom nazývame výparník.
Obeh sa realizuje s vhodne zvolenou pracovnou látkou (chladivom), ktorá sa pri danej teplote T1 (obvykle zápornej v °C) a tlaku p1 dodávkou tepla odparuje a pri danej teplote T2 (kladnej, rádovo desiatky °C) a tlaku p2 odoberaním tepla kondenzuje.
Danými teplotami T1 a T2 sú dané aj tlaky p1 a p2 (izotermy sú totožné s izobarami v oblasti mokrej pary).
V kapitole 4 sme definovali základné pojmy pre tepelné obehy.
V diagrame T-s má Carnotov obeh s mokrou parou rovnaký geometrický tvar ako s ideálnym plynom.
Sú totožné s rovnakými faktormi pre ideálny plyn.
Rovnaké sú aj závery z nich vyplývajúce.
Na vstupe do kompresora je mokrá para s pomerne vysokým obsahom kvapalnej časti chladiva, t.j. malou suchosťou, ktorá sa vysuší na hodnotu = 1 až pri kompresii.
Súčasťou zariadenia je expanzný stroj, z ktorého získame kladnú prácu.
Tento element celé zariadenie veľmi komplikuje.
Obrátený Rankinov obeh
Obrátený Rankinov obeh je teoretickým obehom kompresorových chladiacich zariadení a tepelných čerpadiel.
Je to obeh, ktorého princíp možno využiť od najmenších po najväčšie výkony a chladiace teploty t1 až do -60°C.
Obeh v p-v a T-s súradniciach je na obr.8.3.
V chladiarenskej technike sa takmer výlučne používa p-i diagram, v ktorom sú zakreslené čiary s = const.
V tomto súradnicovom systéme je obeh spolu s principiálnou blokovou schémou na obr.8.4.
3-4 redukcia tlaku z p2 na p1 v redukčnom ventile RV. Znížením tlaku sa súčasne zníži teplota z T2 na T1 (ako pri expanzii v turbíne).
Redukcia tlaku (škrtenie) prebieha pri i = const.
Náhradou expanzného stroja redukčným ventilom sa líšia obrátený Rankinov obeh od obehu Carnotovho, s ktorým sme sa zaoberali doteraz.
Aplikácia v chladiarenskej technike
Na obr.8.5. je schéma využitie obráteného Rankinovho obehu pre chladenie.
Pre názornosť sú na obrázku uvedené ako príklad teploty, medzi ktorými obeh prebieha, t.j. t1 a t2.
Nižšia teplota t1 (napr. -30°C) je daná požiadavkami na chladenie.
Táto teplota je podstatne nižšia ako je teplota okolia t0 (napr. +20°C).
V dôsledku rozdielu teplôt t1 a t2 vniká do chladeného priestoru teplo z okolia q1, ktoré vieme vypočítať zo zákona prenosu tepla.
Teplo q1 je absorbované výparníkom, v ktorom prúdi chladivo pri veľmi nízkej teplote t1.
Dodávkou tepla q1 pri tlaku p1 sa chladivo odparí.
Teplo q1, ktoré vniklo do chladeného priestoru a je absorbované chladivom vo výparníku pri veľmi nízkej teplote t1, musíme z chladeného priestoru a z chladiva dostať von do okolia.
Aby bol tento proces možný, musíme zvýšiť teplotu chladiva nad teplotu okolia.
Zvýšenie teploty z t1 na t2 (a súčasne zvýšenie tlaku z p1 na p2) realizujeme kompresorom.
Pri teplote t2 (napr. 40°C) vyššej ako je teplota okolia t0 prechádza teplo z chladiva do okolia.
Treba mať na pamäti blokovú schému obráteného obehu a zákon zachovania energie, podľa ktorého q2 = a + q1, teda teplo na výstupe q2 je zväčšené oproti teplu na vstupe q1 o mechanickú prácu a dodanú v kompresore.
V kondenzátore pri teplote t2 a tlaku p2 v dôsledku odoberania tepla q2 (chladenia) prebieha kondenzácia pri konštantnej teplote t2.
Aby mohlo chladivo v nasledujúcej časti obehu odoberať teplo z chladeného priestoru pri nízkej teplote, treba znížiť jeho teplotu z t2 na t1.
Uvedený príklad chladničky demonštruje ako obrátený obeh na jednej strane odoberá teplo q1, na druhej strane dodáva teplo q2.
Teda každá chladnička súčasne chladí aj vykuruje.
V prípade chladničky je podstatné (určujúce) pre výpočet teplo q1, ktoré musíme z chladeného priestoru odobrať.
Aplikácia v tepelných čerpadlách
Príklad využitia obráteného Rankinovho obehu vo funkcii tepelného čerpadla pre ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV) je na obr.8.6.
Teplo q1 sa v tomto príklade odoberá zo vzduchu (jeho ochladzovaním), teplo q2 slúži na ohrev vody.
Na obr.8.6. sú uvedené teploty t1 a t2 (ako príklad), medzi ktorými môže obeh pracovať.
Samozrejme sú možné aj iné hodnoty teplôt.
Na bilanciu použijeme p-i diagram na obr.8.4. resp.
Tepelné čerpadlo je alternatívou vykurovania klasickým palivom.
Kompresor tepelného čerpadla najčastejšie poháňa elektrická energia, ktorú získavame z klasického paliva v tepelnej elektrárni s účinnosťou ~ 0,3.
Účinnosť priameho vykurovania (prostredníctvom kotla) je asi ~ 0,75.
Z hľadiska primárnych zdrojov energie bude teda tepelné čerpadlo ekvivalentné klasickému kúreniu, ak bude dodávať do vykurovacieho systému rovnaké teplo ako priame spaľovanie.
Ekvivalentné toky energií porovnávajúceho zdroja (palivo) sú pre obidva systémy na obr.8.7.
Ak tepelné čerpadlo porovnávame s vykurovaním el.
Pri celkovom ekonomickom bilancovaní, treba, brať do úvahy aj investičné náklady, ktoré sú pre tepelné čerpadlá niekoľkokrát vyššie ako náklady na kotol.
Uvedené ekonomické hodnoty platiť, samozrejme, pre tepelné čerpadlá pracujúce na princípe obráteného parného Rankinovho obehu, s ktorým sme sa doteraz zaoberali a ktorý sa využíva v systémoch tepelných čerpadiel vo viac ako 90% prípadoch.
Absorbčné tepelné čerpadlá
Pohonnou energiou absorbčného obehu je energia tepelná, získaná spaľovaním alebo odporovým elektrickým ohrevom.
Je výhodné najmä tam, kde je k dispozícii odpadové teplo, odberaná para a pod., takže v porovnaní s kompresorovým zariadením možno ušetriť elektrickú energiu, potrebnú pre pohon kompresora.
Schéma obehu je na obr.8.8.
Obeh pracuje s dvojicou chladiacich médií a najčastejšie sa používa dvojica čpavok a voda.
Obeh má dva okruhy: okruh chladiaceho média (na obrázku plnou čiarou) a okruh roztoku (na obrázku bodkočiarkovanou čiarou).
Popíšme teraz jeho funkciu a predpokladajme pritom činnosť tepelného čerpadla pre kúrenie.
Chladivo (NH3) na výstupe z vypudzovača Vp je v plynnom stave a má teplotu vyžadovanú pre kúrenie.
Odovzdáva teplo Q1 v kondenzátore KOND, čím kondenzuje, v redukčnom ventile RV 1 sa zníži tlak a teplota pod teplotu okolia.
Vo výparníku V prijíma teplo okolia Q1 pričom sa odparí.
Ďalej vstupuje do absorbéra A naplneného vodou, v ktorej sa čpavok pohltí pri súčasnom uvoľnení tepla Q2,2.
Obehovým čerpadlom Č sa roztok, bohatý na čpavok, dopravuje do vypudzovača V, v ktorom sa prostredníctvom dodaného tepla Qz (získaného napr. spaľovaní) zohrieva, čpavok sa uvoľňuje a znova prúdi do okruhu chladiva.
Elektrická energia na pohon obehového čerpadla je zanedbateľná.
Ak pohonná tepelná energia sa získava z elektrickej energie, je ekonomická hodnota rovnaká ako pri parnom obehu s kompresorom, poháňaným el.
U absorbčných chladničiek, používaným v domácnosti, sa používajú tzv. difúzne obehy, v ktorých okrem chladiva a absorbenta je ešte treba látku, do ktorej prostredia sa chladivo odparuje.
(Napr. Vodík svojím parciálnym tlakom vyrovnáva tlak v nízkotlakovej časti (vo výparníku) na celkový tlak, rovný tlaku vo vysokotlakej časti.
Ak sa výparník umiestni hore, môže chladivo pretekať do vypudzovača rozdielom hydrostatických tlakov, takže u týchto zariadení nie je potrebné žiadne čerpadlo, teda žiaden točivý stroj.
Systémy na skvapalňovanie plynov
Pre chladenie látok na teploty hlboko pod bodom mrazu sa používajú rôzne systémy.
My si tu uvedieme len ako príklad Hampsonove zariadenie, slúžiace ku skvapalňovaniu plynov (napr. vzduchu).
Kompresorom K sa nasáva vzduch s tlakom p2 = p1 = p8 = 0,1 MPa, ktorý je zmesou vzduchu braného z atmosféry (1) a vracajúceho sa chladnejšieho vzduchu (8).
Kompresia (2-3) je štvorstupňová s medzichladením v chladiči CH, čo je znázornené v T-s diagrame na (obr.8.10).
V schéme na (obr.8.9) nie je chladenie medzi jednotlivými stupňami kompresie podrobnejšie rozkreslené.
Po kompresii a čiastočnom ochladení chladiacej vody vzduchom, stlačený na cca 15 až 20 MPa v stave (3) vedie do výmenníku V, v ktorom sa ďalej ochladzuje chladným vzduchom, odchádzajúcim z odlučovača OK.
Bod (5) leží v oblasti koexistencie sýtej vzduchovej pary a kvapalného vzduchu na bod varu pri teplote t5.
Táto zmes sa zavedie do odlučovača OK, kde sa oddelí kvapalná fáza (6) (asi 10% z celkového množstva).
Výber chladiaceho média
Obrátené obehy pracujú pri rôznych teplotách t1 a t2 daných požiadavkami na teplotu chladenia t1 (v prípade chladiacich zariadení) resp. na teplotu vykurovacieho systému t2 (v prípade tepelných čerpadiel).
Aby bolo možné splniť uvedené požiadavky pri rôznych teplotách t1 a t2 používajú sa u obrátených obehoch desiatky rôznych chladiacich médií (chladív), ktoré sa medzi sebou líšia závislosťou teploty bodu varu od tlaku a samozrejme chemickým zložením.
Medzi chladivo patrí napr. čpavok NH3, oxid uhličitý CO2, metylchlorid CH3Cl, v kompresorových obehoch to boli donedávna rôzne halogenizované chlorovodíky zvané freóny.
a mnoho ďalších.
Na obr.8.11 je nakreslená závislosť teploty bodu varu od tlaku pre dve rôzne chladiace médiá A a B.
Predpokladajme, že obeh pracuje medzi teplotami t1 a t2 s médiom A.
Týmito teplotami sú jednoznačne dané tlaky vyparovania - p1A a kondenzácie - p2A.
s rovnakým chladiacim médiom A treba zmeniť tlaky, medzi ktorými obeh pracuje z p1A a p2A na p1A' a p2A'.
Zdroje nízkopotenciálneho tepla pre tepelné čerpadlá
Na obr.8.6 sme ukázali príklad tepelného čerpadla využívaného na ohrev vody.
Zdrojom nízko potenciálneho tepla je v tomto prípade vzduch z okolia, ktorému výparník s nízkou teplotou t1 teplo odoberal.
Kondenzátor s vyššou teplotou t2 odovzdával toto teplo, zvýšené o energiu dodanú kompresorom, do vody v zásobníku.
Vzduch sa odoberaním tepla ochladzuje, čo nie je vždy žiadúce, ak sa napr. jedná o uzavreté priestory.
Preto sa odoberanie tepla uskutočňuje často mimo objekt napr.
Zberač nízko potenciálneho tepla však nemusí byť umiestnený vo vzduchu (ako je to na obr.8.6), ale aj vo vode (rieke, jazere) alebo zakopaný v zemi.
prípadne aj kombinácie s ďalšími zdrojmi (napr. slnečné žiarenie).
Využitie povrchovej a studničnej vody
Príklad využitia povrchovej vody t.j.
Voda rieky odovzdáva teplo vo výparníku a ochladená o t1v - t2v ~ 4 K sa do rieky vypúšťa.
Problém je v tom, že v zimnom období môže teplota vody v rieke klesať blízko k 0°C.
Pri ochladení vo výparníku o 4K by zamŕzala a je preto použiteľná len ak je jej teplota vyššia ako 5°C.
V našich klimatických podmienkach to celoročne neplatí a preto možno konštatovať ako u vzduchu.
Studničná voda sa nachádza zvyčajne v nezamrznúcej hĺbke t.j. v našich podmienkach asi 0,8m.
Ak ju čerpáme z väčšej hĺbky, kde teplota celoročne neklesne...
Chladiace jednotky (Chillery) v systémoch stropného chladenia
Chladenie obytných budov je už pár rokov horúca téma aj v našich klimatických končinách.
Nesúvisí to len s globálnym otepľovaním.
Dnes už staviame pasívne domy a potrebujeme ich nielen energeticky nenáročne a efektívne vykúriť, ale aj chladiť.
Pretože sú postavené tak, že aj v lete dokážu poriadne držať teplo.
Ideálnym riešením je „podlahovka naopak“, plošné stropné chladenie.
Aby plnilo svoj účel, je nevyhnutné dostať do chladiaceho systému vodu ochladenú na požadovanú teplotu.
Jedným zo spôsobov chladenia vody je využitie chladiacej jednotky, chillera.
Legislatívne a aj normatívne zmeny súvisiace s energetickou náročnosťou budov sú komplexné.
Síce „dávkované“ postupne, ale predsa sa dotkli nielen tepelno-technických riešení stavieb.
Významný vplyv majú najmä na systémy vykurovania, vetrania, ale aj prípravy teplej vody či osvetlenia obytných priestorov.
A áno, aj chladenia.
V komplexnom balíku hodnotenia energetickej náročnosti budov sú kritériá nastavené prísne.
Nielen čo sa samotnej spotreby energie týka, ale aj zvýšenia potreby využitia obnoviteľných zdrojov a aj zníženia emisií skleníkových plynov.
Aktuálne požiadavky energetickej náročnosti nielen novostavieb, ale aj rekonštruovaných obytných priestorov sú výzvou na efektívne riešenia.
…voda ako chladiace médium plošného stropného chladenia má oproti vzduchu - médiu klimatizácie - oveľa lepšie tepelno-vodivé vlastnosti?
Voda dokáže udržať a preniesť rovnaké množstvo tepelnej energie až 100-násobne efektívnejšie ako vzduch a využije na to 20-krát menej energie.
Pri plošných systémoch stropného chladenia sa bavíme o ochladzovaní vody na okolo 16 - 19 ° C.
Ide teda - v porovnaní s inými riešeniami, ktoré pracujú aj s teplotami okolo bodu mrazu - o vysokoteplotný chladiaci systém.
Elimináciu tepelnej záťaže obytného priestoru - chladenie - najoptimálnejšie zabezpečíme systémom stropného chladenia.
Zdrojom chladu môže byť klasický kompresorový chiller.
Je to chladiaca jednotka, zariadenie, ktoré dokáže produkovať chlad a odovzdávať ho do vodného okruhu.
Chiller je zložený z dvoch okruhov, v primárnom chladí kompresor chladivo, sekundárny chladí vodný okruh vodou.
Okruhy sú oddelené, tepelnú energiu si vymieňajú prostredníctvom výparníka, v ktorom kvapalné chladivo odoberá teplo obehovej vode.
V chladiacom okruhu chillera sú kompresor, kondenzátor, expanzný ventil a výparník.
Výber správneho chillera a jeho „napasovanie“ na konkrétne dimenzovaný systém stropného chladenia je úloha pre odborníkov.
Chiller si dokážete, samozrejme, vygoogliť, ale ak nie ste rovno člen cechu kúrenárov a inštalatérov, tak sa do toho ani nepúšťajte.
Ani do výberu, ani do inštalácie.
… ale sofistikované chladiace zariadenie.
Nedá sa len tak jednoducho objednať na nete, vybaliť, svojpomocne zapojiť a chladíme…
Parametre, výber a aj inštaláciu chillera musíme prenechať odborníkom.
S pomocou chillera dokážeme efektívne chladiť vodu cirkulujúcu v systéme stropného chladenia na požadovanú teplotu.
Aj takýto konvenčný spôsob chladenia vody v systéme stropného chladenia dokáže byť v prevádzkových nákladoch až o 20 % efektívnejší ako klasické klimatizačné riešenie.
A ak stropný systém využívame ako dva v jednom a v zime s ním aj kúrime, dokážeme obhájiť aj návratnosť vyššej vstupnej investície.
Hodnotenie efektívnosti tepelných čerpadiel
Energetická efektívnosť obehu tepelného čerpadla vyjadrená hodnotou výkonového čísla COP (z anglického názvu „Coefficient of Performance“) je daná pomerom produkovaného tepelného toku k mechanickému príkonu kompresora a závisí od hodnôt kondenzačnej a výparnej teploty obehu.
Pri tepelných čerpadlách typu vzduch - voda, ktoré sa u nás prevažne používajú (najmä z ekonomických dôvodov), teda COP závisí od vonkajšej teploty vzduchu a potrebnej teploty produkovanej vody, ktorá závisí najmä od typu vykurovacej sústavy.
Takže výrobca môže udávať hodnoty COP len pri konkrétnych hodnotách uvádzaných teplôt, ktoré sa však počas prevádzky tepelného čerpadla menia a závisia od konkrétnych klimatických podmienok miesta inštalácie.
Hodnota COP udávaná výrobcom sa môže použiť len na porovnanie s iným výrobkom rovnakého typu a samozrejme pri tých istých uvedených teplotách.
Na vyhodnotenie energetickej (ale aj ekologickej a ekonomickej) efektívnosti použitia tepelného čerpadla v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla treba stanoviť hodnotu tzv. sezónneho výkonového čísla (COPs), čo je pomer celkového množstva vyrobeného tepla a celkového množstva dodanej pohonnej elektrickej energie za celý čas prevádzky počas roka (napríklad za vykurovaciu sezónu alebo za celý rok v prípade použitia tepelného čerpadla aj na celoročnú výrobu teplej vody alebo jeho využitie v letných mesiacoch na klimatizáciu).
Hodnotu COPs možno určiť len meraním uvedených energetických tokov v priebehu prevádzky alebo predpovedaním na základe teplôt vzduchu na mieste aplikácie a ďalších parametrov konkrétneho návrhu celého systému tepelného čerpadla.
Je zrejmé, že výrobca nemôže hodnotu COPs vo svojich katalógoch uvádzať ani predpovedať.
Na vyhodnotenie energetickej efektívnosti použitia tepelného čerpadla v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla treba stanoviť hodnotu tzv. sezónneho výkonového čísla COPs, ktorú možno určiť len meraním uvedených energetických tokov počas prevádzky alebo predpovedaním na základe klimatických údajov a ďalších parametrov systému v konkrétnom mieste aplikácie.
Ekologickú efektívnosť tepelných čerpadiel možno vyhodnotiť na základe výpočtu emisie CO2 vznikajúcej pri výrobe spotrebovanej pohonnej elektrickej energie spaľovaním fosílneho paliva v elektrárňach a teplárňach len na základe ich termickej účinnosti.
Produkcia CO2 pri prevádzke tepelných čerpadiel je priamo úmerná množstvu spáleného fosílneho paliva potrebného na výrobu pohonnej elektrickej energie kompresora obehu.
Kvantitatívna miera tejto úspory primárnej energie, a teda aj ekologický prínos tepelných čerpadiel (úspora emisií CO2 produkovaných výrobou pohonnej elektrickej energie), je úmerná hodnote COPs konkrétnej aplikácie tepelného čerpadla.
Na základe kvantifikácie úspor primárnej energie použitím tepelných čerpadiel na výrobu tepla v predchádzajúcej časti (pri COPs = 2,5 potrebujeme na pohon kompresora tepelného čerpadla spáliť len 18 % fosílneho paliva v porovnaní s kotlom) možno potom kvantifikovať aj úsporu produkcie CO2 vďaka ich prevádzke.
Investícia do systému tepelného čerpadla má v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla z hľadiska vyhodnotenia ekonomickej efektívnosti veľmi krátky čas návratnosti - približne do 5 rokov.
Pred inštaláciou tepelného čerpadla do jestvujúceho nezatepleného domu je vhodné realizovať zateplenie, aby sa znížili tepelné straty, teda aby sa znížil aj potrebný vykurovací výkon tepelného čerpadla.
Ekonomická efektívnosť investície na výrobu tepla tepelným čerpadlom je z hľadiska užívateľa, ako už bolo spomenuté v úvode, základným a prakticky jediným kritériom realizácie takéhoto systému a možno ju vyjadriť predovšetkým časom návratnosti tejto investície v porovnaní s investíciou do konvenčného systému výroby tepla.
Keďže investičné náklady na tepelné čerpadlá sú niekoľkonásobne vyššie ako na konvenčné systémy, treba pri tepelných čerpadlách dosiahnuť na zabezpečenie návratnosti čo najvyššie úspory prevádzkových nákladov na pohonnú energiu.
Úspora prevádzkových nákladov na pohonnú energiu závisí predovšetkým od hodnoty dosiahnutého sezónneho výkonového čísla COPs konkrétnej inštalácie, ktoré je dané okrem klimatických podmienok v mieste inštalácie najmä typom vykurovacej sústavy (pri veľkoplošných vykurovacích sústavách možno použiť výrazne nižšiu teplotu vykurovacej vody, čo vplýva na výrazné zvýšenie hodnoty COPs), možnosťou celoročného využitia tepelných čerpadiel, technickou dokonalosťou jednotlivých komponentov systému (najmä typom kompresora) a ďalšími parametrami konkrétneho systému aj vykurovacej sústavy.
Z hľadiska budúceho užívateľa systému tepelného čerpadla je výhodnosť takejto investície úmerná čo najnižšiemu času návratnosti.
Ak berieme do úvahy životnosť systémov tepelných čerpadiel okolo 15 rokov, návratnosť by z hľadiska užívateľa mala byť výrazne nižšia, teda maximálne asi 10 rokov.
Konkrétne výpočty v desiatkach diplomových prác obhájených v Ústave tepelnej energetiky Strojníckej fakulty STU (pod vedením autora tohto príspevku), ktoré sa týkali rôznych typov tepelných čerpadiel a podmienok konkrétnych aplikácií, však dokumentujú, že dosiahnutie návratnosti pod 10 rokov nie je pravidlom a zvyčajne je možné len pri niektorých aplikáciách tepelných čerpadiel typu vzduch - voda, predovšetkým v podmienkach veľkoplošných vykurovacích systémov s celoročnou prevádzkou.
Inštalácie systémov voda - voda väčšinou dosahujú návratnosť na hranici životnosti a pri systémoch pôda - voda je dosiahnutie návratnosti vloženej investície prakticky nemožné pre výrazne vysoké investičné náklady v porovnaní s konvenčnými systémami.
Akákoľvek kombinácia investície do tepelného čerpadla s ďalšími investíciami, ako sú zateplenie domu alebo využitie slnečných kolektorov ako zdroja nízkoteplotnej energie pre výparník obehu, môže návratnosť len zhoršiť.
Konkrétne hodnotenia ekonomiky takýchto kombinácií ukazujú, že dosiahnutie návratnosti do ukončenia životnosti je prakticky nemožné.
Úvaha o vhodnosti realizácie zateplenia pred inštaláciou tepelného čerpadla je nesprávna aj preto, že zníženie potrebného tepelného výkonu tepelného čerpadla v dôsledku zateplenia priamo úmerne zníži aj úsporu prevádzkových nákladov na pohonnú energiu, pričom investičné náklady na systém s menším výkonom priamo úmerne neklesnú.
Výsledkom konkrétneho výpočtu potom môže byť len predĺženie času návratnosti.
Predchádzajúce závery sú konkrétne dokumentované napríklad aj výpočtami v [3], kde výsledky simulácie sezónneho výkonového čísla pri troch budovách s rôznymi tepelnými stratami ukazujú výrazný nárast COPs s narastajúcimi stratami tepla a s rastúcou spotrebou tepla na vykurovanie.
Dobre izolované nízkoenergetické budovy, ktoré majú veľmi nízku spotrebu tepla a úspory pohonnej energie pre tepelné čerpadlo, sú teda bezvýznamné, nemôžu zabezpečiť ekonomickú efektívnosť systému.
Inštalovanie tepelných čerpadiel do takýchto budov je ekonomickým nezmyslom.
Akákoľvek kombinácia investície do systému tepelného čerpadla s ďalšími investíciami, ako sú napríklad zateplenie alebo slnečné kolektory, nemôže zabezpečiť návratnosť do ukončenia životnosti takéhoto systému.
Pri starších stavbách s vysokými tepelnými stratami sa treba na základe konkrétneho ekonomického výpočtu rozhodnúť buď pre zateplenie, alebo inštaláciu tepelného čerpadla, pričom zateplenie môže byť podľa konkrétnych podmienok aplikácie niekedy výhodnejšie ako použitie tepelných čerpadiel.
S klesajúcou potrebou množstva tepla na vykurovanie sa zhoršuje aj návratnosť tepelných čerpadiel v dôsledku malej úspory prevádzkových nákladov pri relatívne vysokej investícii.
Preto inštalácia tepelných čerpadiel do nízkoenergetických budov s veľmi nízkou spotrebou tepla nemôže zabezpečiť ekonomickú efektívnosť systému.
Efektívnosť využitia tepelných čerpadiel na vykurovanie a prípravu teplej vody v budovách sa v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla z energetického hľadiska (úspora primárnej energie - fosílneho paliva) aj z ekologického hľadiska (z úspory paliva vyplývajúceho zníženia produkcie CO2) často výrazne nedoceňuje najmä z toho dôvodu, že aj niektorí odborníci v oblasti energetiky neberú do úvahy skutočnosť, že v podmienkach Slovenska sa len menej ako 20 % elektriny vyrába tepelnou cestou spaľovaním fosílneho paliva v konvenčných elektrárňach a teplárňach.
Výsledky takýchto úvah sú potom, samozrejme, celkom mimo reality a niekoľkonásobne zhoršujú skutočnú energetickú a ekologickú efektívnosť použitia tepelných čerpadiel.
Na druhej strane, ekonomická efektívnosť inštalácií tepelných čerpadiel sa často preceňuje vyhláseniami (aj niektorých výrobcov) o krátkom čase návratnosti do približne 5 rokov, ktorý však nie je dokumentovaný žiadnymi výpočtami konkrétnych aplikácií a vzhľadom na fakty uvedené v tomto príspevku je v prevažnej väčšine inštalácií celkom nereálny.
Ako dokumentujú konkrétne kvantitatívne hodnotenia aj literárne údaje, nesporným faktom je, že energetická aj ekologická efektívnosť použitia tepelných čerpadiel na výrobu tepla je pri väčšine aplikácií v podmienkach Slovenska až 6-krát vyššia ako pri výrobe tepla konvenčným systémom - spaľovaním paliva v kotle.
Pritom je však návratnosť investície do systému tepelného čerpadla v porovnaní s výrobou tepla konvenčným systémom v mnohých konkrétnych podmienkach aplikácie na hranici životnosti systému, a teda často nie je pre užívateľa dostatočne prijateľná a motivujúca na rozhodnutie o inštalácii tepelného čerpadla.
Jak funguje tepelné čerpadlo Vaillant
tags: #cop #chladiaceho #obehu