bottom left
UV GROUP, s.r.o., E.B.Lukáča 2, 036 01 Martin
Aktualizácia: 19.04.2018
INFO: +421 43 427 6534
bottom right
Textová reklama: Potrebujete novú modernú web stránku? Chcete predávať cez svoju web stránku? eShop, CMS, SEO optimalizácia, jednoduchý a prehľadný dizajn.
top right top left top left
TOP STAVEBNÉ tipy pre Vás

Kedy sa oplatí tepelné čerpadlo ?

V dnešnom trende úspor energie na vykurovanie a šetrenia životného prostredia sa čoraz viac dostávajú do popredia tepelné čerpadlá. Sú skutočne životaschopnou alternatívou konvenčných druhov vykurovania avšak počiatočné náklady na zavedenie tejto technológie sú vyššie, preto treba zvažovať návratnosť takejto investície v celom spektre ekonomických súvislostí.

 


Všeobecný princíp fungovania tepelných čerpadiel
Prvé teoretické predpoklady pre budúcu konštrukciu tepelných strojov definoval už počiatkom 19. storočia Léonard Sadi Carnot, ktorý stanovil základné vzťahy medzi energiou a prácou v uzavretom systéme.
Tieto vzťahy sú všeobecne platné a dodnes predstavujú rámec, ktorý limituje teoretickú konečnú účinnosť tepelných strojov, medzi ktoré patria aj tepelné čerpadlá, ale napríklad aj spaľovacie motory alebo tepelné elektrárne.
Základnou myšlienkou je fakt, že ak plyn stlačíme v uzavretom priestore, tak celkové množstvo tepelnej energie v ňom obsiahnutej sa zvýši o energiu dodanú v podobe mechanickej práce potrebnej na stlačenie. Keďže po stlačení sa objem plynu zmenšil a jeho energia vzrástla, výsledkom je vyššia teplota plynu. Recipročne pri rozťahovaní plynu sa vykonáva mechanická práca, klesá energia a zväčšuje sa objem, takže plyn sa ochladí.
Od teoretickej bázy definovanej Carnotom bolo treba ešte viac ako 100 rokov k funkčnému komerčne využiteľnému tepelnému čerpadlu. Prvé tepelné čerpadlá postavil slovenský fyzik Aurel Stodola a jedno z nich od roku 1928 slúžilo na vykurovanie ženevskej radnice.
Tepelná energia sa dokáže prenášať iba z miesta s vyšším potenciálom (teplotou) do miesta s nižším potenciálom. To je z hľadiska vykurovania nepriaznivé, ale pomocou tepelného čerpadla je to možné obísť.
Tepelné čerpadlá totiž majú v uzavretom okruhu časť plynu s extrémne vysokým tlakom, a tým aj teplotou a druhú časť okruhu s nízkym tlakom, a teda aj nízkou teplotou.
Rozdiel tlakov medzi jednou a druhou časťou sa dosahuje pomocou kompresora a expanzného ventilu. Pohybom plynu v okruhu je tak potom možné prenášať teplo zo studenšieho prostredia do teplejšieho. Časť tepla sa prenáša aj vo forme skupenského tepla pri kondenzácii na teplom výmenníku a vyparovaní na studenom výmenníku.
Ak bude teplota studenej časti okruhu nižšia, ako je teplota média, z ktorého chceme odoberať teplo (napr. vonkajší vzduch, voda zo studne...), a teplota horúcej časti okruhu bude vyššia ako teplota priestoru, ktorý chceme vykurovať, môžeme takto v zime prečerpávať tepelnú energiu z chladného vonkajšieho prostredia do vykurovanej budovy.
Mohlo by sa teda zdať, že tepelné čerpadlo je perpetuum mobile, pretože energia potrebná na stláčanie plynu je nižšia, ako tepelná energia, ktorú nám reálne dodá.
V skutočnosti teplo, ktoré je tepelným čerpadlom dodané, bolo najskôr odobraté z vonkajšieho prostredia, ibaže za toto teplo nemusíme platiť, pretože pochádza napríklad z vonkajšieho vzduchu.


Vysoká účinnosť je predpokladom pre úspory
Ako bolo spomenuté vyššie, pre hodnotenie účinnosti nás zaujíma iba energia, ktorú musíme dodať na chod samotného tepelného čerpadla a reálna tepelná energia, ktorú nám odovzdáva do vykurovacej sústavy. S energiou odobratou z vonkajšieho prostredia neuvažujeme, pretože tá nás nič nestojí.
Teoretickú účinnosť definovanú Carnotom možno vyjadriť jednoduchým vzťahom:

 

 

COP = Tmax [°K]/ (Tmax [°K] - Tmin [°K]),

 

 

takže teoreticky pri teplote média, z ktorého odoberáme teplo (Tmin) rovnej +2 °C a teplote vykurovacej vody (Tmax) +55 °C, by mohla byť účinnosť 6,19 (t.j. 619 %).
V skutočnosti je táto hodnota nižšia, pretože tepelné čerpadlá nepracujú s ideálnym Carnotovým cyklom a ideálnym plynom. Taktiež uvažovaný teplotný rozdiel musíme zvýšiť o teplotné spády výmenníkov, ktoré nemajú nekonečnú plochu.
Ďalším prvkom, ktorý význame zníži celkovú účinnosť, je kompresor.

Výsledkom týchto obmedzení je, že reálne tepelné čerpadlá dosahujú iba približne polovičnú účinnosť oproti teoretickej.
Napríklad u tepelných čerpadiel odoberajúcich teplo zo vzduchu je pri nižších vonkajších teplotách celková bilancia ešte znížená o energiu potrebnú na odmrazovanie rebier výparníka.
Ako teda zvýšiť reálnu účinnosť? Priestor pre jej zvýšenie je v zväčšení plochy výmenníkov, vylepšení vlastností chladiacich zmesi, lepšej konštrukcii kompresorov alebo zaradení doplnkového výmenníka využívajúceho zvyškové teplo po kondenzácii na predohrev pár nasávaných do kompresora. Tu je tiež ukrytá možnosť rôznej účinnosti tepelných čerpadiel od rôznych výrobcov.
Uvedené vylepšenia by ale mali byť ekonomicky opodstatnené, aby kvôli relatívne malému zvýšeniu účinnosti významne nezvýšili cenu zariadenia.

Kde je využitie tepelného čerpadla zaujímavé?
Mohli by sme predpokladať, že tepelné čerpadlo je výhodné za každých okolností, keď je jeho účinnosť vyššia ako 100 %. To by mohlo platiť za predpokladu, že ceny energií sú rovnaké bez ohľadu na druh nosiča energie. Keďže na chod kompresora a ostatných agregátov v tepelnom čerpadle sa vyžíva elektrická energia, v ekonomike prevádzky musíme vychádzať z rozdielu cien elektriny a ostatných druhov palív využiteľných na vykurovanie budov.
V Európskej únii majú značný podiel pri výrobe elektriny tepelné elektrárne spaľujúce fosílne palivá. Tento spôsob nie je veľmi efektívny, pretože vplyvom limitov Carnotovho cyklu je výsledná účinnosť týchto elektrární relatívne nízka.
Výsledkom je, že priemerná účinnosť výroby elektriny v Európskej únii je ~40 %.
Tomu zodpovedá aj cena „vykurovacej“ sadzby elektrickej energie na úrovni 2 – 2,5 násobku ceny zemného plynu.
To znamená, že ak tepelné čerpadlo nedosiahne sezónnu účinnosť aspoň 200 – 250 %, bude jeho prevádzka drahšia ako pri vykurovaní zemným plynom.
Zo základného vzťahu definovaného Carnotom, vyplýva dôležitá skutočnosť, že čím je rozdiel teplôt požadovaný od tepelného čerpadla nižší, tým je vyššia účinnosť.
Práve kvôli tomuto faktu má inštalácia tepelného čerpadla význam najmä pre podlahové vykurovanie alebo inú nízkoteplotnú vykurovaciu sústavu.
Na strane média, z ktorého sa teplo odoberá, je situácia komplikovanejšia, pretože nie každý má to šťastie, že jeho podložie umožňuje vyhotoviť vrt alebo vykopať studňu s dostatočnou výdatnosťou. Kompromisným riešením môže byť zemný kolektor, ale pozemok musí mať dostatočnú rozlohu.
Najjednoduchším riešením je odoberanie tepla z okolitého vzduchu, ale vplyvom klimatických podmienok Slovenska je výsledná účinnosť počas vykurovacej sezóny nižšia.

Náklady vs. úspory
Tepelné čerpadlá majú svoje nesporné výhody, ale pri návrhu konkrétnej aplikácie treba zvažovať okrem energetickej bilancie aj ekonomické aspekty riešenia.
Ak je v danej lokalite k dispozícii médium s relatívne vysokou teplotou (napr. voda +12 °C) a vykurovanie objektu je nízkoteplotné (voda +35 °C), tak použitie tepelného čerpadla je viac ako žiaduce, pretože pri takejto aplikácii možno očakávať reálnu účinnosť okolo 600 – 700 %. Takéto vykurovanie bude bezkonkurenčne najlacnejšie oproti iným dostupným druhom palív. Druhou stránkou veci je, že cena vrtu, ktorý dokáže zabezpečiť dostatočné množstvo vody s požadovanou teplotou, môže počiatočnú investíciu značne zvýšiť.
Investične najmenej náročným riešením je tepelné čerpadlo odoberajúce teplo z okolitého vzduchu, ale pri aplikácii s nízkoteplotným vykurovaním (voda +35 °C) bude v našich klimatických podmienkach jeho výsledná účinnosť počas vykurovacej sezóny okolo 280 – 310 %. Celková účinnosť takéhoto tepelného čerpadla je závislá aj od lokality a mernej tepelnej straty objektu.
Použitie tepelného čerpadla odberajúceho teplo z okolitého vzduchu do vykurovacej sústavy využívajúcej vyššie teploty vody (napr. +55 °C) je pri súčasných cenách energií ekonomicky opodstatnené najmä v lokalitách, kde nie je možnosť využívať na kúrenie zemný plyn.
Pri takejto aplikácii je možné očakávať reálnu účinnosť 240 – 280 %.
Pri použití tepelného čerpadla s výkonom, ktorý nepokryje stratu objektu v takmer celom rozsahu vonkajších teplôt počas vykurovacej sezóny, treba do výpočtu účinnosti zahrnúť aj priamy doohrev v čase, keď je výkon tepelného čerpadla nižší ako strata objektu.

 


Správnemu použitiu tepelného čerpadla by mala predchádzať analýza interakcie takéhoto zdroja tepla s konkrétnym objektom.
Súčasťou takejto analýzy by mala byť aj celková ekonomika prevádzky objektu so započítaním synergického efektu využitia dvojtarifnej dodávky na celkovú spotrebu elektrickej energie v domácnosti.

 

 

Text: Ing. Valér Fabčin
Foto: Heatpump,  www.heatpump.sk
FOTOGALÉRIA K ČLÁNKU
k tomuto článku nie sú žiadne ďalšie obrázky
REKLAMA
A-INVENT
JOYCE 1-2-3 Spojeno
Dni drevostavieb
PROSPEKTA s.r.o.
bottom right bottom wide left bottom left
Zaujímavé odkazy:   TČ vzduch-voda
 
created by: CTS Europe s.r.o.
X