Vrty do horninového masivu - zdroj energie pro tepelná čerpadla (II)
Využití a princip funkce tepelného čerpadla
Druhý díl nového seriál o tepelných čerpadlech pojednává o praktickém využití jak u nás tak v zahraničí s uvedením zajímavých příkladů. V této části seriálu je též osvěžen i základní princip tepelného čerpadla.
3. Využití tepelných čerpadel
Účelem instalace tepelného čerpadla je:
- celoroční vytápění stavebních objektů,
- klimatizace objektů,
- příprava teplé užitkové vody,
- ohřev nebo dohřev vody v bazénu.
Tepelná čerpadla jsou rovněž používána v průmyslu, a to jako součást různých technologií např. pro dohřev či ochlazování kapalin nebo vysoušení (průmysl plastických hmot, potravinářský a dřevozpracující průmysl).
Tepelné čerpadlo se používá pro vytápění jak novostaveb, tak starších řádně zateplených objektů. Je nutné zdůraznit, že každý objekt musí nejdříve posoudit odborná firma - instalatér tepelného čerpadla, která rovněž zohlední individuální nároky investora. Tato firma obvykle ve spolupráci s projektantem stavby a projektantem-topenářem vypracuje projekt pro instalaci tepelného čerpadla do otopného systému stavby. Při dimenzování topného výkonu tepelných čerpadel se vychází z tepelných ztrát objektu a požadavku na množství teplé užitkové vody dle příslušných ČSN.
Z hlediska typu otopného systému se pro vytápění tepelnými čerpadly musí použít teplovodní systém, a to buď s radiátory nebo podlahovým topením, případně kombinace obou systémů.
V zahraničí jsou tepelná čerpadla s vrty využívána pro vytápění a klimatizaci rozsáhlých komplexů budov (např. hotely, univerzity, státní úřady, finanční ústavy, vojenských objekty). Příkladem toho, jak rozsáhlé objekty jsou v zahraničí vytápěny a klimatizovány tepelnými čerpadly se systémem hloubkových vrtů ukazuje následující obrázek z Osla (Norsko).
Obr. č. 2: Oslo (Norsko) - objekty vytápěné a klimatizované tepelnými čerpadly s polem vrtů
pod bytovým komplexem (180 vrtů o hloubce 200m), celková plocha zástavby: 180.000m2
V České republice patří mezi největší objekty vytápěné tepelnými čerpadly sportovní hala s hotelem v Opavě. Tento objekt je vytápěn od podzimu 2003 pomocí tepelných čerpadel s 81 vrty do hloubky 100m. V kotelně objektu je instalováno 8 tepelných čerpadel o celkovém topném výkonu 455 kW. Kromě vytápění slouží tepelná čerpadla také pro přípravu TUV, klimatizaci objektu a dohřev vody ve venkovním bazénu.
Obr. č. 3:Městská víceúčelová sportovní hala s hotelem v Opavě vytápěná pomocí tepelných čerpadel s vrty
4. Princip funkce tepelného čerpadla
Ačkoliv první tepelné čerpadlo zkonstruoval skotský matematik a fyzik Wiliam Kelvin již koncem 19. století, k jejich praktickému rozšíření dochází až v 70. letech minulého století, a to zejména v souvislosti s tehdejší ropnou krizí. Tepelné čerpadlo (TČ) je elektrospotřebič (400V, 50 Hz) - viz Obr. č. 4 - pro získávání přírodní obnovitelné energie zpravidla z vnějšího prostředí (vzduch, podzemní a povrchová voda, zeminy, horniny) do otopného systému stavebního objektu. V tepelném čerpadle dochází k převodu ("čerpání") nízkopotenciální tepelné energie na energeticky vyšší, prakticky využitelnou úroveň bez jakéhokoliv spalování. Princip činnosti je stejný jako u domácí chladničky - tzn., že je založen na skupenských přeměnách chladiva ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla.
Obr. č. 4: Funkční schéma tepelného čerpadla
Na obrázku je znázorněna aplikace tepelného čerpadla systému země-voda pomocí hloubkového vrtu. Z hornin je tepelná energie přiváděna k tepelnému čerpadlu pomocí vrtu. Do vrtu jsou zapuštěny polyetylénové trubky tvaru U - tzv. kolektor (představuje vlastně prodloužený primární výměník - výparník) a vrt je po celé délce vyplněn injektážní směsí. Kolektor je hermeticky uzavřený: teplonosné médium - ekologická nemrznoucí směs (voda s technickým líhem) je automaticky cirkulováno v okruhu kolektoru a vůbec nedochází k jeho styku s horninovým prostředím.
Tato ekologická nemrznoucí směs po dobu chodu tepelného čerpadla odnímá horninám nízkopotenciální tepelnou energii o teplotě 2 - 4°C a předává ji přes výměník (výparník) ekologickému chladivu, které cirkuluje ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla. Ve výparníku dojde ohřátím chladiva k jeho vypařování. Páry jsou nasávány elektrickým kompresorem TČ, který je stlačením výrazně zahřívá. Právě kompresor TČ umožňuje transformaci nízkopotenciální tepelné energie na energii využitelnou pro potřeby bydlení. V kondenzátoru dojde k předání tepelné energie do otopného systému objektu a tím plynné chladivo zkapalní. Chladivo se pak průchodem přes expanzní ventil prudce rozepíná a silně ochlazuje a kompresorem je nasáváno přes výparník. Zde chladivo přebírá tepelnou energii hornin, mění skupenství na plynné a celý cyklus se automaticky opakuje.
Obr. č. 5: Idealizovaný Carnotův cyklus pro tepelné čerpadlo (Pobn= obnovitelná energie přírodního prostředí, Pel = energie dodaná elmotorem kompresoru, Pcelk = topný výkon TČ, Tvstup = teplota z přírodního zdroje, Tvýstup = teplota dodávaná TČ do otopného systému)
Samotný chod tepelného čerpadla je řízen elektronicky na základě teplotních a tlakových čidel ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla. Z hlediska uvádění do chodu a zastavení TČ pracuje dle předem nastavené křivky ekvitermní regulace, která pomocí čidel vyhodnocuje aktuální teplotu venkovního vzduchu a vody v otopném systému stavebního objektu. Podrobně lze problematiku chodu tepelného čerpadla studovat v literatuře z oboru chladící techniky (Žeravík, A., 2003, Dvořák, Z., 1986) a technických podkladů od některých výrobců tepelných čerpadel.
Všechny konstrukční komponenty tepelného čerpadla jsou vyměnitelné - proto názory, že životnost tepelného čerpadla končí po cca 20 - 25 letech (což je zhruba doba životnosti kompresoru) jsou zkreslující. Velký vliv na životnost tohoto systému vytápění má dlouhodobá stálost přírodního zdroje tepla a např. kvalita provedení vrtů, pokud je horninový masiv zdrojem tepla. Životnost polyetylénových trubek kolektoru zapuštěného do vrtu, nebo do výkopu v zemině je výrobci plastů uváděna cca 200 let.
Tepelné čerpadlo je umístěno v kotelně objektu, jeho rozměry jsou zhruba stejné jako u větší domácí chladničky. Z toho vyplývají velmi nízké nároky na umístění a prostor. Jedná se o bezobslužné zařízení s elektronickým řízením, které neprodukuje žádné odpadní zplodiny, protože pouze převádí nízkopotenciální tepelnou energii na energeticky vyšší, prakticky použitelnou hladinu.
Literatura:
Eskilson, P. (1987): Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Sborník referátů, University of Lund, Švédsko.
Hellstrőm G., Sanner B. (2000): Earth Energy Designer, Version 2.0. Uživatelský manuál software, University of Lund, Švédsko.
Geothermal Resource Technologies, Inc. (2003): Formation Thermal Conductivity Test and Data Analysis. Webové stránky firmy.
Gehlin S. (2002): Thermal Response Test. Doctoral thesis, Lulea University of Technology.
Busso A., Georgiev A., Roth P. (2003): Underground Thermal Energy Storage - First Thermal Response Test in South America, referát RIO 3 - World Climate & Energy Event.
Grmela A., Aldorf J. (2005): VŠB - Technická univerzita Ostrava, aula + CIT vrty pro tepelná čerpadla na parc. č. 1738/30 a 1738/37, k.ú. Poruba. Projekt vodního díla pro územní rozhodnutí a stavební povolení.
Ryška J. (2005): Prováděcí projekt vrtů pro tepelné čerpadlo č. DPV - 047-02-03-2005. OKD, DPB, a.s.
Belica P., Křupka J. (2004): Aula a CIT VŠB - TU Ostrava - Poruba. Energetický audit.
Mareš S. a kol. (1979): Úvod do užité geofyziky, SNTL Praha.
Svoboda J. a kol. (1983): Encyklopedický slovník geologických věd. ACADEMIA Praha.
Rybach L., Sanner B. (2000): Ground - Source Heat Pump Systems: The European Experience, GHC Bulletin.
Žeravík A. (2003): Stavíme tepelné čerpadlo. Vydáno vlastním nákladem.
Dvořák Z. (1986): Základy chladící techniky. SNTL Praha.
Spitler J. D., Rees S. J., Yavuzturk C. (2002): Recent Developments in Ground Source Heat Pump System Design, Modelling and Applications. Referát z webových stránek IGSHPA.
Stiebel-Eltron (2002): Tepelná čerpadla. Projektování a instalace. Firemní technické podklady.
Oklahoma State University (1988): Closed-Loop/Ground-Source Heat Pump Systems. Installation Guide.
Jakeš P. (1984): Planeta Země. Mladá fronta Praha.
Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P. (2002): Využití horninového prostředí jako stálého efektivního zdroje energie pro tepelná čerpadla. Sborník přednášek "Nové poznatky v oblasti vŕtania, ťažby, dopravy a uskladňovania uhľovodíkov. Podbánské, s. 69-75, ISBN 80-7099-895-4
Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P., Mazáč, J. (2002): Speciální technika pro realizaci vrtů umožňujících využití nízkopotenciálních zdrojů tepla. Sborník referátů 7. r. mezinárodní konference "Geotechnika 2002", Štrbské Pleso, s. 199-201, ISBN 80-248-0115-9
Ryška, J., Bujok, P. (2002): Možnosti využití horninového prostředí pro získávání nízkopotenciálního tepla - zkušenosti OKD, DPB a.s. Sborník referátů konference" Současnost a perspektiva těžby a úpravy nerudních surovin", VŠB-TU Ostrava, s. 239-240, ISBN 80-248-0081-0
Časopis Alternativní energie č. 5/2005
