Vykurovanie - Tepelné čerpadlá a CZT

Vykurovanie

Tepelné čerpadlá a CZT

Pripravenosť budovy uspokojovať potreby jej obyvateľov

1.-5. apríla hotel Permon Podbanské

Každý rok SSTP organizuje jednu z najväčších konferencií zameranú na vykurovanie, na ktorej odzneli veľmi zaujímavé príspevky o tepelných čerpadlách vo vzťahu k ich zapojeniu do centrálneho zásobovania tepla CZT, ktoré do roku 2025 sa má prerobiť na tzv

účinné centralizované zásobovanie teplom. Jeho definícia je známa od roku 2014 (zákon

č.657/2004 Z.z. o tepelnej energetike v znení zákona č.100/2014 Z.z., §2, odsek z) kde účinným centralizovaným zásobovaním teplom je systém CZT, ktorým sa dodáva aspoň:

50 % tepla vyrobeného z obnoviteľných zdrojov energie alebo
50 % tepla z priemyselných procesov,
75 % tepla vyrobeného vysoko účinnou kombinovanou výrobou alebo
50 % tepla vyrobeného ich kombináciou...

Kombináciu zariadení pre využívanie KVET a OZE

Prezentoval Ing. Miroslav Havrlent (Racen) pri využití nových pravidiel. Takto bude možné zriaďovať tzv. lokálne zdroje pre KVET. Podstatou riešenia je vhodne navrhnúť kombináciu kogeneračnej jednotky (KGJ) a TČ, pričom elektrická energia pre TČ a ostatnú technológiu zdroja tepla bude vyrábaná v KGJ.

Pre modelový prípad – CZT s max. výkonom 5 MW, vychádzajú nasledujúce výkonové údaje jednotlivých zariadení :

KGJ s výkonom max. cca 400 kWe / 450 kWt (prevádzkový rozsah 250 až 400 kW)
TČ elektrické s výkonom max. cca 350 kW (prevádzkový rozsah 100 až 350 kW)
plynové kotly s výkonom max. 2 500 kW (prevádzkový rozsah 150 až 2 500 kW)

V takomto prípade možno voliť kombináciu TČ vzduch/voda a voda/voda, pričom prevádzkovú prednosť dostanú vždy tie TČ, ktoré sú v danej dobe efektívnejšie.

Plynové kotly zostávajú v podstate iba ako špičkový zdroj tepla pre najchladnejšie obdobia. Na základe modelovania prevádzkových priebehov jednotlivých inštalovaných zariadení pre CZT s výkonom cca 5 MW dostaneme nasledujúce údaje o krytí ročnej výroby tepla:

Pre prípad v grafe podľa Havrlenta vychádza, že prostredníctvom KVET sa pokryje 38 až 40% ročnej potreby tepla, ďalších cca 13 až 15% sa vyrobí v TČ z OZE.

Geotermálne vrty a tepelné čerpadlá v CZT

Hlavne pre menšie CZT (inštalovaný výkon cca do 5 MW) sa ako vhodné riešenie môže použiť „klasická“ podzemná voda (teplota na úrovni 8 až 12°C). Podmienkou je pravdaže dostatočný prietok podzemnej vody a vhodné vsakovacie pomery.

Geotermálne vrty si vyžadujú plynulé čerpanie geotermálnej vody (GTV) s relatívne malými zmenami prietoku (predovšetkým musia byť tieto zmeny pomalé). V dôsledku toho veľa tepelných zdrojov využívajúcich GTV s teplotou na úrovni 50 či 60°C má problém s vychladzovaním vratnej vody min. v letnom období.

Obvyklá požiadavka vychladenia vody na 20°C pred zaústením do recipientu je často nedosiahnuteľná z dôvodu nižšej požiadavky na dodávku tepla (letná prevádzka) oproti energii získavanej čerpaním z vrtu.

Obmedzenia TČ sú prekonané

Až donedávna bolo významné obmedzenie aj v technickom riešení, nakoľko kompresorové tepelné čerpadlá (TČ) voda/voda pracovali so vstupnou teplotou vody v primárnom okruhu na úrovni max. 20-23°C. V tomto smere vidno pokrok – TČ s plynovými motormi alebo tzv. vysokoteplotné elektrické TČ už môžu byť prevádzkované pri výrazne vyšších teplotách primárneho okruhu. To sa dosiahlo vhodnými kompresormi a chladivami nastavenými na prácu pri vyšších teplotách.

Riešenie spočíva vo vhodných kompresoroch a chladivách

Chladivá R1234ze, R744, R717, R245A, ..

Pri zvyšujúcej sa výparnej teplote rastie s daným kompresorom vykurovací i chladiaci výkon vďaka rastu objemovej chladivosti. To znamená to tiež, že na ten istý výkon potrebujeme menší kompresor, menšie výmenníky, TEV, rúrky.

Preto majú tepelné čerpadlá ohraničený maximálny výkon pre daný kompresor, ktorý je zväčšia stavaný na rozsah -20 až +20 °C. Ak pracuje takto navrhnutý kompresor aj pri vyšších výparných teplotách, tak je preťažený a havaruje.

Ak sa však chladiaci okruh, teda aj kompresor navrhuje na vyšší rozsah výparných teplôt napríklad +25-+35°C a zvolí sa vhodné chladivo, tak potom takýto okruh môže fungovať spoľahlivo. Môže sa tak vychladiť vratná voda z využitia GTV na teplotu 20°C pred zaústením do recipientu. Odobrané teplo využiť či už na vykurovanie alebo prípravu teplej vody.

Ponuka na trhu

Takéto tzv. priemyselné tepelné čerpadlá, ktoré pracujú s vysokými výparnými teplotami už sú na trhu. Výstupné teploty sú aj nad 100°C. Pre CZT postačujú teploty do 90 °C a menej.

Vyššie uvedený prípad je však špecifický vzhľadom na spoluprácu s GTV. Na zapojenie TČ do CZT nie sú potrebné tak vysoké teploty. Dobrým príkladom je použitie PTČ inštalované spoločnosťou Yzamer do CZT v obytnej štvrti Blumental v Bratislave, ktoré vykuruje aj chladí. Zatiaľ ide o pomerne malé výkony. Skúsenosti sú však dobré a sú predpoklady na zapojenie aj vyšších výkonov. Aplikácia PTČ v CZT Blumentál získala ocenenie NAJ realizácia v roku 2018.

Cesta k megawatovým výkonom je tak otvorená s odberom tepla nielen z GTV, ale aj z podzemnej, povrchovej vody, z kanalizačných vôd a pod.

Teplo z odpadných vôd je obnoviteľné

Smernica Európskeho Parlamentu A Rady (EÚ) 2018/2001, z 11. decembra 2018, o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov nahradila Smernicu 2009/28!/ES. Jednou zo zmien je zmena definície energie z okolia začlenenek do „energie z obnoviteľných zdrojov“ nasledovne:

„energia z okolia“ je prirodzene sa vyskytujúca tepelná energia a energia akumulovaná v prostredí s obmedzenými hranicami, ktorá môže byť uložená v okolitom vzduchu okrem odvetrávaného vzduchu alebo v povrchovej či odpadovej vode;

Energia z odpadovej vody je obnoviteľná

Táto definícia otvára možnosť využívania tepla z odpadových kanalizačných vôd vo veľkých mestách tepelnými čerpadlami. To, že to je možné robiť efektívne o tom je možné sa presvedčiť v blízkej Budapešti, kde už majú takýchto inštalácií šesť. Dôležité je nájsť nielen vhodné miesto na stavebné riešenie, ale tiež na využitie tepla v danej lokalite. Majiteľ kanalizačných sietí urobí zmluvu s investorom na odber tepla, ktoré sa spoplatňuje. Investor zabezpečí stavebné, technologické riešenie a následnú prevádzku. Dodávateľská inštalatérska firma tepelných čerpadiel, tak môže získať aj dlhodobú zákazku na prevádzkyschopnosť technológie.

Technologický postup

Na obrázku je vidieť odber kanalizačnej vody 1, zbavovanej pevných častí v závitovici 2, čerpanej 3 do výmenníka 4. Tepelné čerpadlo upraví na požadovanú teplotu vykurovaciu/chladiacu vodu pre budovu 6 .

Realizácie v Budapešti

Dodávateľom technológie je spoločnosť Termowatt, ktorá zatiaľ mý realizácie v rôznych mestských častiach Budapeši a tiež na Zelenej univerzite v Szegede. V budapešti sa teplo z kanalizačnej vody vyrába pre vojenskú nemocnicukultúrne centrum, radnicu a mestskú štvrť v Novej Pešti a podobne. Výhodou je, že teplo sa z kanalizačnej vody odberie a následne sa knalizačná voda vráti bezo zbytku späť do kanalizačnej siete s minimálnym, alebo s takmer žiadnym teplotný rozdielom.

Systém je uzavretý, odpadová voda je v pohybe a nevytvára zápach, teplota odpadovej vody je dočasne znížená o 3-4 K po prechode výmenníkom, následne však po zmiešaní s pevnými kalmi a vrátení do kanalizácie v smere toku, sa teplota vráti na pôvodnú teplotu a nenaruší sa tak mikrobiologický proces

Na obrázku napravo vyústenie závitovice vyhŕňajúcej tuhé časti do potrubia, v ktorom sú strhávané odkalenou vodou vracajúcou sa z výmenníka tepla.

Naľavo doprava závitovicou v perforovanej rúre s okami o priemere 5 mm. Závitovica má po obvode kefy, ktoré sita priebežne čistia. Cez perforovanú rúru závitovice voda zbavená väčšiny pevných častíc prepadáva do jamy, z ktorej je čerpaná do výmenníka tepla.

Výmenníky sa musia čistiť

Napriek tomu, že odkalená voda je zbavená väčších pevných nečistôt, nie je úplne čistá a tak výmenníky tepla medzi kanalizačnou a čistou vodou sa musi čistiť podľa skúseností v rozmedzí 3-6 mesiacov, ak sa zvýši tlaková strata pri čerpaní kanalizačnej vody.

Mechanické čistenie kanalizačnej vody

Na obrázkoch je schéma prívodu 1 a odvodu 5 kanalizačnej vody, umiestnenia závitovíc 2 a čerpadiel na odkalenú vodu 3. Odkalená voda vracajúca sa z výmenníka 4 strháva so sebou tuhé časti oddelené závitovicami a dopravuje ich späť do kanalizácie 5.

Naľavo veká po demontovaní umožňujú čistenie tej časti výmenníka zaz za 3-6 mesiacov, v ktorej preteká kanalizačná voda. Signálom k čisteniu je zvýšenie tlaku na vstupe do výmenníka. Časť, v ktorej preteká čistá voda čistenie nepotrebuje. Čistenie je mechanické a tlakovou vodou. Chemikále sa nepoužívajú. Výmeníky sú radené do šestíc. Čistenie prebieha v jeden deň. Výpadok neovplyvní výrazne vykurovac systém.

Napravo pred vojenskou nemocnicou, v ktorej sa ličia aj Tí najvyšší vládni predstavitelia.

Ekonomika čistenia výmeníkov

Ak sa preukáže potreba čistenia zvýšeným tlakom na prívodnom potrubí kanalizačnej vody do výmenníkov tepla zabezpečí mechanický proces čistenia.

Dve šestice výmenníkov by mohli byť čistené samostatne, ale kvôli ekonomike sa čistenie vykonáva v jeden deň naraz vo všetkých výmenníkoch. Nečistoty vyplavené z výmenníkov stekajú späť do kanalizácie.

Tepelné čerpadlo

Je vybrané kvalitné tepelné čerpadlo voda/voda so skrutkovými kompresormi s tepelnými výmenníkmi, do ktorých prichádza už len čistá voda. Kompresory sú odhlučnené muflermi. Energetická efektívnosť a vykurovaci i chladiaci výkon sú zvýšené inštaláciou EVI systému. Tepelné čerpdlo môže byť ovládané diaľkovo.

Naľavo EVI systém v kombinácii so skrutkovým kompresorom. EVI systém podchladením chladiva zvýši merný chladiaci výkon a rozdelením prietoku chladiva do dvoch výmenníkov zvýši celkový prietok cez kondenzátor a tým zvýši aj jeho výkon.

Napravo pohľad na tepelné čerpadlo v strojovni zo zadu.

Osem rokov skúseností v Maďarsku

Na zariadeniach inštalovaných na začiatku a neskôr je vidieť vývoj k čistejšej a efektívnejšej prevádzke. Zariadenia sú diaľkovo monitorované. Dá sa povedať, že sa projektujú s výkonom nad 1 MW pri možnom prietoku nad 100 m³/h. Takýto výkon zabezpečí vykurovanie približne plochy 10.000 m2.

Výkon tepelného čerpadla sa navrhuje zatiaľ opatrne cca medzi 40-80 % možnej kapacity z prietoku kanalizačnej vody. Pri takýchto podmienkách sa dosahuje návratnosť približne 8 rokov, ktorá sa skracuje s vyšším inštalovaným výkonom.

Úspech tejto technilógie je založený na možnej inštalácii v centrách veľkých miest, pripojením sa na kanalizačnú sieť so zabezpečením dostatočnej filtrácie kanalizačnej vody o teplote 10-20 °C

Na parkovisku Ladislav Ladič, Kiss Pál a Lacko Ladič pre vstupom do podzemia, v ktorom sa nachádzajú tri priestory a to pre separovanie pevných častí z kanalizačnej vody, výmenníky tepla tepelné čerpadlá. Priestory sú vysoké 5-6 m a majú plochu cca 120 m2.

Od tepelného čerpadla sú zohriata alebo chladená voda dopravované na miesto spottreby do budov okolo námestia (radnice, trhoviska, obytných budov, ...

Aj u nás sú podmienky na využitie kanalizačnej vody

Odhaduje sa, že kanaliačné vody môžu poskytnúť až 15 % z tepla spotrebovávaného budovami. Potencionálny výkon z kanalizačnej vody sa v Bratislave odhaduje na cca 40 MW s pripojením sa na CZT alebo samostatne na nemocnice, univerzity, priemysel. Vysoká energetická efektívnosť zabezpčuje krátku návratnosť pri možnom dotovaní takýchto aplikácií, keďže podľa Smernice Európskeho Parlamentu A Rady (EÚ) 2018/2001, z 11. decembra 2018, o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov je teplo z odpadnýh vôd obnoviteľné.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 6/2019