Plynové tepelné čerpadlo v reálnych podmienkach

Čo ukazuje experimentálne meranie v reálnych podmienkach? Zemný plyn je ideálny zdroj na energeticky účinné riešenia v rámci prechodu od fosílnych palív k trvalo udržateľným a čistým spôsobom výroby energie. Jednou z najperspektívnejších a vysoko účinných aplikácií sú plynové tepelné čerpadlá.

 Dnešný trh so zdrojmi tepla a chladu ponúka takmer neobmedzený výber, v ktorom sa odrážajú rôzne nároky a kritériá jednotlivých užívateľov. Výskum a vývoj technológií aj v tomto odvetví neustále napreduje. Dôraz sa kladie najmä na zlepšenie účinnosti zariadení s výrazným ohľadom na vplyv na životné prostredie. V snahe nielen zlepšiť kvalitu životného prostredia, ale aj obmedziť používanie fosílnych palív pri výrobe tepla a chladu sa energetika zameriava na využitie výroby energie z obnoviteľných zdrojov, ktoré sú do­stupné v rôznych formách a sú „zadarmo“. Zemný plyn má spomedzi všetkých fosílnych palív najvhodnejšie vlastnosti a najmenší vplyv na životné prostredie. Fakt, že je jedno­ducho dostupný aj pri použití vo väčších apli­káciách, z neho robí ideálny zdroj na energeticky účinné riešenia v rámci prechodu od fosílnych palív k trvalo udržateľným a čistým spôsobom výroby energie. Jednou z najperspektívnejších a vysoko účinných aplikácií sú plynové tepelné čerpadlá. Výhodou plynových tepelných čerpadiel je jednoduchosť ich integrácie do súčasnej energetickej infra­štruktúry a zníženie emisií oxidu uhličitého.

Plynové tepelné čerpadlo

Ako progresívne zariadenia sa javia tepelné čerpadlá so spaľovacím motorom na zemný plyn. Plynové tepelné čerpadlo (PTČ) je konštrukčne takmer identické so štandardným elektrickým tepelným čerpadlom. Rozdiel je v tom, že elektrický motor je nahradený plynovým motorom s vlastným dochladzovacím okruhom a výfukovým systémom. Teplo, ktoré vznikne spaľovaním zemného plynu v plynovom motore, možno ďalej využiť na prípravu teplej vody alebo v systéme vykurovania. Z toho dôvodu je množstvo získaného tepla výrazne vyššie. Veľkou výhodou plynových tepelných čerpadiel je práve možnosť získavania tepla z chladenia motora (obr. 1). Primárnym zdrojom získavania tepla je vonkajší vzduch, na pohon kompresora sa využíva plynový motor spaľujúci zemný plyn, resp. LPG.

Obr. 1 Princíp práce PTČ (Zdroj: EkoFond)

Možnosť opätovného využívania existujúcich potrubných rozvodov dovoľuje použiť tento systém v širokom rozsahu rekonštrukčných projektov – aj pri historických budovách alebo budovách, kde sú búracie práce nemožné. Pôvodné potrubia tak dokážu slúžiť na prenos zohriatej vody na vykurovanie v zimnom období alebo chladnej vody na klimatizáciu v letnom období. Plynové tepelné čerpadlo sa vyznačuje nízkymi prevádzkovými nákladmi a vďaka svojej robustnej stavbe a technológii si vyžaduje minimálnu údržbu. Celoročné úspory, ktoré sa dajú získať pomocou plynového tepelného čerpadla, dosahujú veľmi zaujímavé čísla, a to aj v porovnaní s elektrickými tepelnými čerpadlami (ETČ). Výsledkom býva nielen zníženie nákladov, ale aj výrazné zníženie emisií a skleníkových plynov, oproti plynovým kotlom až o 50 %, čo je odrazom vysokej účinnosti zariadenia. Pomer ceny 1 kWh paliva medzi zemným plynom a elektrickou energiou sa z dlhodobého hľadiska drží na hodnote 1 : 4 v pro­spech zemného plynu. V zimnom období má plynové tepelné čerpadlo vysoký tepelný výkon aj pri nízkych teplotách vonkajšieho vzduchu, je účinné až do teploty –20 °C.

Väčšina tepelných čerpadiel je poháňaná elektromotorom, no nie vždy je elektrická energia najlepšou voľbou. Súčasná infraštruk­túra rozvodov zemného plynu je dobre vyvinutá v takmer každej krajine a jej kapacita nepredstavuje prekážku ani pri inštalácii plynových tepelných čerpadiel s veľkými výkonmi. Naopak, v mnohých prípadoch elektrické tepelné čerpadlá vyžadujú nákladné posilnenie elektrickej siete alebo pripojenia. Na inštaláciu plynového tepelného čerpadla sa nevyžaduje kotolňa a nie sú potrebné ani zemné práce väčšieho rozsahu, ako sú napríklad vrty a zemné kolektory. Plynové tepelné čerpadlá sú určené na montáž vo vonkajšom prostredí, umiestňujú sa napríklad vedľa budov alebo na ich strechách. Na pripojenie stačí nízkotlaková prípojka plynu, ktorá je k dispozícii na veľkej časti územia Slovenska. Plynové tepelné čerpadlá možno pri bivalentnom zapojení veľmi dobre kombinovať s plynovými kotlami a plynovými kogeneračnými jednotkami a vytvárať sústavy s vyššou pracovnou teplotou, než s akou bežne pracujú tepelné čerpadlá. Inštalácia plynového tepelného čerpadla predstavuje moderný spôsob vykurovania a chladenia budov. Počas letných mesiacov možno využiť zariadenie v reverznom režime ako klimatizačnú jednotku na chladenie priestorov. Okrem uvedených výhod majú plynové tepelné čerpadlá aj množstvo ďalších pozitív, ale ako každé iné zariadenie majú, samozrejme, aj svoje nevýhody (tab. 1).

Ďalšou významnou výhodou plynových čerpadiel je šetrenie primárnou energiou. Tieto čerpadlá nielenže znižujú emisie CO₂, ale majú aj výrazne nižšie emisie škodlivých pevných častíc a NO_X v porovnaní s priemernými emisiami produkovanými pri centralizovanom zásobovaní teplom. Pri aplikáciách s vysokými požiadavkami na teplú vodu, ako sú aquaparky, plavárne, hotely, nemocnice, bytové domy či rekreačné strediská, môže plynové tepelné čerpadlo znížiť spotrebu pa­liva a emisie oxidu uhličitého až o polovicu.

Energetická účinnosť tepelných čerpadiel

Energetická efektívnosť zariadení sa určuje na základe dvoch faktorov – COP a PER. COP (Coefficient of Performance) predstavuje tzv. výkonové číslo, často nazývané vykurova­cí faktor, ktorý porovnáva pomer vyrobenej tepelnej energie (dodávanej do vykurovania) a energie potrebnej na pohon tepelného čerpadla, ktorá môže byť buď elektrická, alebo získaná spaľovaním plynu. Pri systémoch hodnotených výkonovým číslom platí, že čím vyššie COP dosahujú, tým sú energeticky efektívnejšie. Pri porovnávaní energetickej efektívnosti na základe COP je dôležité, aby sa porovnávali systémy s rovnakým druhom pri­márnej energie. Preto nie je vhodné porovnávať PTČ a ETČ na základe výkonového čísla.

PER (Primary Energy Rate) predstavuje tzv. stupeň využitia primárnej energie, ktorý porovnáva efektívnosť energetických systémov s rôznymi druhmi pohonnej a produkovanej energie. PER je vo všeobecnosti pomerom všetkých energií dodávaných do systému k vyrobenej užitočnej energii. Systém, ktorý má nižšiu hodnotou PER, teda spotrebuje menšie množstvo primárnej energie na jednotku vyrobenej užitočnej energie a tým je energeticky efektívnejší.

Plynové tepelné čerpadlá pracujú na princípe vzduch – chladivo alebo vzduch – voda. Keďže vzduch ako obnoviteľný zdroj energie je nestály, v čase najväčšej potreby tepla dosahuje najnižšie teploty a naopak, v čase potreby chladenia zas najvyššie (vykonali sa merania účinnosti experimentálneho zariadenia na Žilinskej univerzite v Žiline).

Experimentálne zariadenie

Na základe doterajších analýz sa zrealizovali merania PTČ na Žilinskej univerzite. Experimentálne zariadenie sa inštalovalo v areáli univerzity a slúžilo na vykurovanie laboratórií a chodbových priestorov v zimnom období a na ich klimatizáciu v lete. Menovitý výkon PTČ je 33 kW na vykurovanie a 28 kW na chladenie. Ďalšie parametre PTČ sú uvedené v tab. 2.

Experimentálne zariadenie je zapojené a vybavené jednotlivými snímačmi podľa schémy na obr. 2. Vonkajšiu jednotku tvoria výmenníky tepla vzduch – chladivo (1), kompresor (2), spaľovací motor na zemný plyn (3) a výmenník tepla na predohrev chladiva (4). Vnútornú časť tvorí tzv. technologická jednotka AWS (Air – Water system, 5), tzn. výmenník tepla chladivo – voda, kde sa získané teplo z primárneho zdroja (vzduch) odovzdáva prostredníctvom termodynamických procesov a vlastností chladiva R410a do sekundárnej časti, do systému vykurovania, resp. chladenia. V okruhu PTČ je zapojený aj tzv. HOT-KIT, ktorý tvorí výmenník tepla voda – voda a ktorý slúži na získavanie tepla z chladenia motora.

Obr. 2 Zapojenie plynového tepelného čerpadla

Jednotlivé merané parametre sa zaznamenávali v minútových intervaloch a spracovali do denných priemerných hodnôt. Následne sa vytvorili príslušné grafy. Z nameraných dní sa vybral 24. január 2014 s priemernou dennou teplotou vonkajšieho vzduchu –0,8 °C. V daný deň sa však vonkajšia teplota pohybovala v intervale –7 až +3,4 °C, ako znázorňuje graf na obr. 3.

Obr. 3  Parametre plynového tepelného čerpadla vzduch – voda dosiahnuté dňa 24. 1. 2014

Počas dňa dosahovalo PTČ priemernú hodnotu výkonového čísla COP = 1,47 a hodnotu stupňa využitia primárnej energie PER = 0,83. Hodnota COP závisí nielen od teploty primárneho zdroja tepla, čiže vonkajšieho vzduchu, ale aj od teploty vody na sekundárnej strane. Tabuľkové hodnoty sa najčastejšie vzťahujú na teplotu vykurovacej vody 35 °C. V tomto prípade sa zvolil teplotný spád 45/40 °C (obr. 4), a to z prevádzkových dôvodov, ako aj na základe podmienok výrobcu plynového tepelného čerpadla.

Obr. 4  Teplotný spád a prietok na výstupe z PTČ

Menovitý výkon plynového tepelného čerpadla je 33 kW na vykurovanie. Na celkovej produkcii tepla sa podieľa aj tzv. HOT-KIT (výmenník tepla voda – voda z chladenia motora), z ktorého možno získať 6,2 kW tepla. Počas merania však PTČ pracovalo približne na 60 %. Na celkovej produkcii tepla sa HOT-KIT podieľal minimálne, a to len počas 3 h uvedených na obr. 5 červenou farbou.

Obr. 5 Výkon PTČ

Záver

Namerané COP na úrovni približne 1,5 predstavuje v porovnaní s absorpčným systémom vysokú hodnotu, pretože absorpčné systémy dosahujú COP v rozsahu zhruba od 0,7 do 1,4. Možno teda konštatovať, že predmetný systém plynového tepelného čerpadla je energeticky efektívny. Veľký vplyv na energetickú efektívnosť plynového tepelného čerpadla vzduch – voda má však aj teplota vonkajšieho vzduchu ako primárneho zdroja energie a nastavenie prevádzkových parametrov.

Článok vznikol v rámci projektu EKOFOND 249/PG04/2010A Experimentálne určenie využitia primárnej energie ZP na teplo pri použití tepelných čerpadiel a OZE a projektu KEGA 070ŽU – 4/2013 Moderné zdroje tepla na vykurovanie.

Obrázky: archív autorov
Literatúra
1.    Bakker, E. a kol.: Gas Heat Pumps. Efficient Heating and Cooling with Natural Gas. Netherlands. GasTerra/Castel international Publishers, 2010. 173 s.
2.    Malcho, M. – Kapjor, A. – Hužvár, J.: Meranie tepelných čerpadiel vzduch – voda.
    In: Vetranie a klimatizácia 2011: Systémy vetrania a klimatizácie v budovách s nízkou spotrebou energie, Zborník prednášok z 13. konferencie so zahraničnou účasťou, 21. a 22. jún 2011 Tatranská Lomnica. Bratislava: SSTP, 2011, s. 57 – 61.
3.    Janovcová, M. – Kiš, R. – Jandačka, J.: Transformation of Heat by Gas Heat Pump Depending on Primary Energy Sources. In: The Application of Experimental and Numerical Methods in Fluid Mechanics and Energy 2012: XVIII. International Scientific Conference. Proceedings: 25. 4. – 27. 4. 2012 Demänovská dolina, Slovakia. Žilina: Žilinská univerzita, 2012, s. 102 – 105.
4.    Langeley. B.: Heat Pump Technology, 2001, Publisher Prentice Hall, 3. vydanie, 536 s.
5.    Hepbasli, A. a kol.: A Review of Gas Engine Driven Heat Pumps (GEHPs) for Residential and Industrial Applications. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, Vydavateľstvo Elsevier, 2009, s. 85 – 99.
6.    Dostupné na internete: www.yzamer.sk, Plynové tepelné čerpadlá (20. 5. 2013)
7.    www.spp.sk, Progresívne systémy pre vykurovanie a chladenie – Plynové tepelné čerpadlá

Ing. Martina Janovcová, prof. Ing. Jozef Jandačka, PhD., prof. RNDr. Milan Malcho, PhD., Ing. Roman Kiš
Autori pôsobia na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity. J. Jandačka je vedúcim tejto katedry.
Recenzoval: prof. Ing. Václav Havelský, PhD.

Článok bol uverejnený v TZB Haustechnik.