LSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRN

MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

BRNO 2006

Petr Beller

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Návrh tepelného čerpadla pro vytápění objektu Bakalářská práce

Brno 2006

Vedoucí bakalářské práce:

Vypracoval/a:

Ing. Tomáš Vítěz, Ph.D.

Petr Beller

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Návrh tepelného čerpadla pro vytápění objektu vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.

V Brně, dne 27.4.2007

Poděkování Rád bych poděkoval Ing. Tomáši Vítězovi, Ph.D. za pomoc při vypracování bakalářské práce a Prof. Ing. Bořivoji Grodovi, DrSc. za založení našeho oboru odpadového hospodářství.

Obsah 1. Úvod ....................................................................................................................................... 9 2. Cíl práce ............................................................................................................................... 10 3. Literární část......................................................................................................................... 11 3.1. Energetická politika české republiky ............................................................................ 11 3.2. Historie tepelného čerpadla ........................................................................................... 11 3.3. Princip funkce tepelného čerpadla ................................................................................ 12 3.3.1. Teoretické cykly tepelných čerpadel ...................................................................... 15 3.3.1.1. Carnotův cyklus............................................................................................... 15 3.3.1.2. Rankinův cyklus .............................................................................................. 16 3.4. Tepelná čerpadla dnes ................................................................................................... 17 3.4.1. Dimenzování, zdroje tepla a základní druhy tepelných čerpadel ........................... 20 3.4.2. Tepelná čerpadla pro systém Voda-Voda .............................................................. 21 3.4.2.1. Otevřený systém .............................................................................................. 21 3.4.2.2. Uzavřený systém ............................................................................................. 24 3.4.3. Tepelná čerpadla pro systém země-voda................................................................ 24 3.4.3.1. Horizontální kolektory .................................................................................... 25 3.4.3.2. Vertikální kolektory – Zemní sondy ............................................................... 26 3.4.4. Tepelné čerpadlo pro systém Vzduch-Voda .......................................................... 27 3.4.5. Solanka ................................................................................................................... 28 3.4.5.1 Směs vody a ethylenglykolu............................................................................. 28 3.4.5.2. Směs vody a propylenglykolu ......................................................................... 28 3.4.5.2. Směs vody a ethanolu...................................................................................... 28 3.4.6. Chladivo ................................................................................................................. 29 3.4.6.1. Identifikace chladiv ......................................................................................... 29 3.4.6.2. Fyzikální vlastnosti.......................................................................................... 30 3.4.6.3. Bezpečnostní údaje.......................................................................................... 31 3.4.6.4. Environmentální údaje .................................................................................... 32 3.4.6.5. Chladiva používaná v tepelných čerpadlech ................................................... 34 4. Materiál a metody................................................................................................................. 36 4.1. Popis vytápěného objektu.............................................................................................. 36 5. Výsledky práce ..................................................................................................................... 37

5.1. Vyhodnocení tepelné ztráty objektu.............................................................................. 37 5.2. Výpočet ceny vytápění objektu tepelným čerpadlem: .................................................. 41 5.3. Výpočet potřebného výkonu tepelného čerpadla .......................................................... 42 5.4. Výpočet návratnosti tepelného čerpadla........................................................................ 42 6. Diskuse ................................................................................................................................. 43 7. Závěr..................................................................................................................................... 44 8. Resume ................................................................................................................................. 45 9. Seznam použité literatury..................................................................................................... 46 10. Příloha – tabulková a grafická............................................................................................ 47 10.1. Seznam obrázků .......................................................................................................... 47 10.2. Seznam grafů a tabulek ............................................................................................... 47

1. Úvod Práce se zabývá využitím tepelného čerpadla, pro vytápění objektu. Jak samo zadání bakalářské práce napovídá, pomocí tepelného čerpadla je čerpáno teplo do budovy a to dokonce z okolí (ze vzduchu, země či vody) podstatně chladnějšího. Tepelné čerpadlo získanou energii zpravidla předává vodě, která je pak využita v radiátorech k vytápění objektu. Podrobnější popis je vysvětlen v kapitole „princip funkce tepelného čerpadla“. Tepelné čerpadlo je považováno za obnovitelný zdroj energie. Jelikož se česká republika zavázala smlouvou s evropskou unií o zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie, podporuje jejich zavádění. Pro tepelné čerpadla existuje sazba D55 a D56, díky níž je odběr elektrické energie pro vytápění podstatně levnější. Při instalaci tepelného čerpadla je hrazeno až 30% nákladů na zbudování formou dotace a to až do výše 100 000 Kč na jednu akci. Navíc díky zlevnění celé technologie může návratnost takovéhoto zařízení činit pouze pár let. Tepelné čerpadlo sice není ojedinělým zařízením u jednoho či dvou domů na celém území české republiky, jak tomu ještě donedávna bylo, ale k nějakému masovému zavádění také nedochází.

9

2. Cíl práce Cílem této práce je popsání teoretické funkce tepelného čerpadla. Nastínění současného stavu řešené problematiky. Navrhnutí tepelné čerpadlo jako zdroje tepelné energie pro vytápění objektu a z provedeného šetření vyvodit doporučení pro praxi.

10

3. Literární část 3.1. Energetická politika české republiky Podle energetické politiky české republiky je nutno splnit smlouvu s evropskou unií o podílu obnovitelných zdrojů energie na celkové spotřebě primárních energetických zdrojů z dnešních cca 5.75% na cca 8% k roku 2010. Obnovitelné zdroje nemohou být v blízkém horizontu zásadním zdrojem energie, ale jejich využití bude významným regionálním a lokálním přínosem. Jde zejména o uplatnění biomasy (sláma, seno, lesní odpad) a o rozvoj fytoenergetiky tam, kde jsou únosné dopravní náklady. Také je možno využívat dnes neobdělávané plochy pro rychle rostoucí energetické plodiny. I nadále je nutno věnovat pozornost malým vodním elektrárnám, které mohou mít značný význam v jednotlivých lokalitách. Určitý potenciál je také ve výstavbě větrných elektráren v oblastech s rychlostí větru nad 5m.s-1. Solární systémy, jejichž použití je v našich podmínkách omezeno relativně kratším slunečním osvitem a horšími klimatickými podmínkami. Dále přichází v úvahu i geotermální energie jako zdroj pro využití tepelných čerpadel. Podíl obnovitelných zdrojů včetně biomasy na tuzemské spotřebě prvotních energetických zdrojů 16% 14% 12% 10% EUR15 scénář FORUM

8% 6% 4% 2% 0% 1995

2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

Graf č. 1, Podíl obnovitelných zdrojů včetně biomasy na tuzemské spotřebě prvotních energetických zdrojů

3.2. Historie tepelného čerpadla Když v roce 1824 bylo publikováno S.N.L.Carnotem dílo „Úvahy o hybné síle ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu“, kde byl mimo jiné popsán známý Carnotův cyklus, určitě ani Carnot sám netušil, co by jeho dílo mohlo v budoucnu vyvolat. Na základě této práce je 11

později roku 1952 formulován Williamem Thomsonem (lordem Kelvinem) princip tepelného čerpadla. K jeho praktickému využití však vede ještě velice dlouhá cesta. V roce 1834 je J. Perkinsem sestrojeno zařízení pracující s diethyléterem, v roce 1859 vzniká první zařízení na absorpčním principu pracujícím se čpavkem. Zatím ještě nejde o žádné široké využití. Teprve počátkem dvacátých let 20. století je rozšířeno používání chladící techniky i do domácností. Používaným chladivem je hlavně čpavek a kysličník siřičitý. První prakticky použitelný systém tepelného čerpadla byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. Jako chladivo je použit kysličník uhličitý, tlaky v systému jsou až 9Mpa. Většího rozšíření doznává chladící zařízení po roce 1932, kdy americká firma Kinetic Chemicals Inc. začíná vyrábět první chladivo ze skupin CFC, dichlordifluormetan, kterému je dán obchodní název Freon R12. V 80. letech 20. století je zjištěn a prokázán negativní vliv chloru na ozónovou vrstvu Země, nastává postupný útlum výroby takovýchto látek a začíná hledání jiných, méně škodlivých sloučenin a jejich směsí, které by měli stejné nebo podobné termodynamické vlastnosti jako R12, R22 či R502. V bývalém Československu jsou první tepelná čerpadla osazena již v 50. a 60. letech 20. století, jedná se však o ojedinělé akce. K prvním rozsáhlejším pokusům o jejich využití dochází až v první polovině 80. let, kdy je instalována řada tepelných čerpadel z dovozu. Od poloviny 80. let jsou pak k dispozici první stroje tuzemské výroby, mnohdy pozoruhodných výkonů. Od počátku 90. let 20. století nastává výrazný rozvoj využití tepelných čerpadel. V roce 2002 je na území ČR v provozu 2541 tepelných čerpadel a v roce 2005 činí množství tepelných čerpadel již 6795.

3.3. Princip funkce tepelného čerpadla Teoreticky je známa celá řada principů využitelných u tepelných čerpadel. -

tepelná čerpadla s parním oběhem

-

tepelná čerpadla se sorpčním oběhem

-

paroproudá tepelná čerpadla

-

plynová tepelná čerpadla s Joulovým oběhem

-

se Stirlingovým oběhem

-

na principu vírové trubice

-

termoelektrická tepelná čerpadla

12

Dnes jsou prakticky využívána jen čerpadla s parním oběhem, proto při popisu principu se tato práce věnuje pouze tepelným čerpadlům s parním oběhem. Samo tepelné čerpadlo může čerpat teplo z místa A do místa B i naopak. Může tedy chladit i vytápět. V obou případech se jedná o stejné zařízení pracující na totožném principu. Ze zřejmého důvodu zadání bakalářské práce bude věnována pozornost variantě vytápění. Teplo využitelné tepelným čerpadlem se nachází všude kolem nás. Ve vzduchu, vodě či zemi a vůbec ve všem, co nevykazuje teplotu absolutní nuly. Tepelné čerpadlo je dokonce schopno čerpat teplo z místa nižší teploty do místa o teplotě vyšší. Takovéto čerpání tepla umožňuje tepelnému čerpadlu vytápět objekt na požadovanou teplotu a teplo přitom brát z okolí podstatně chladnějšího, dokonce i kolem 0°C. Teoreticky je možné čerpat teplo i z místa s mnohem nižší teplotou než je 0°C, to je však znemožněno vyspělostí dnešní techniky, respektive takovéto čerpaní tepla by bylo zatím nehospodárné. V případě kdy tepelné čerpadlo čerpá teplo z okolí do vytápěného objektu, je třeba v první řadě rozhodnout, z jaké okolní složky to bude. Jak již bylo řečeno, zdrojem tepla tepelného čerpadla může být teplo ukryté ve vodě, vzduchu či zemi. Stále však stojíme před problémem druhé věty termodynamiky, která zakazuje čerpat teplo z místa energeticky nižšího do místa energeticky vyššího. To znamená, že teplo přestupuje pouze z látky o vyšší teplotě do látky o nižší teplotě. Jak lze tedy čerpat teplo z místa o teplotě např. 5°C do místa, kde je zapotřebí teplota nad 20°C? Tento problém je řešen stavovými změnami látek používaných v tepelném čerpadle. Látka je vedena skutečným čerpadlem do místa styku s okolním prostředím, kde je teplota např. 5°C. Zde je uměle ochlazena na co nejnižší teplotu (nutně nižší než 5°C). Toto ochlazení je zajištěno zmenšením tlaku a uvedením tak látky do stavu pokud možno o co největším objemu a důležité je také hlavně to, aby došlo ke změně skupenství z kapalného na plynné. K ochlazení pak dojde proto, že dojde k vykonání objemové práce rovné dV×p[J] a změně skupenství z kapalného na plynné, k čemuž je spotřebována energie označovaná jako výparné teplo l23 [J×kg–1]. Látka tak spotřebuje energii na změnu svého stavu a tuto energii si bere z energie tepelné, proto se tedy ochladí(pozn. látka se změnou objemu může ochlazovat prakticky neomezeně, změnou skupenství se však může ochlazovat pouze po teplotu, při které za daného tlaku není ani kapalinou ani plynem, protože při nižší teplotě by měla tendenci být opět kapalinou). Následně dojde k čerpání tepla, dokud ochlazená látka nedosáhne teplotu okolí(5°C) a nezmění své skupenství na plynné. K čerpání tepla dochází již za konstantního 13

tlaku a energie potřebná k ohřevu látky o 1°C je popsána jednotkou cp [J×kg–1×K–1]. V tepelném čerpadle je nejčastěji získané teplo používáno k ohřevu TUV (teplé užitkové vody). Proto je látka vedena do místa kde je schopna předat svou energii TUV. Tam je látka v plynném stavu opět stlačena, veškerá energie která byla předtím transformována do změny skupenství a zvětšení objemu je nyní uvolněna. Látka nyní v kapalném stavu dosahuje teploty vyšší o teplotu, kterou načerpala z okolního prostředí. Toto teplo může předat TUV a děj se opět opakuje. TUV je pak mimochodem čerpána do radiátorů, kde předá své teplo do místnosti. Takto tedy pracuje tepelné čerpadlo, které je složeno z chladiva, tedy vhodné látky, pomocí jíž je přečerpáváno teplo, z kompresoru, který stlačuje chladivo, expanzního ventilu, snižující tlak a teplotu chladiva, čerpadla, čerpající ochlazené i ohřáté chladivo na místa, kde je potřeba a výměníků tepla, které se konstruují pro nejrychlejší možný přestup tepla(výparník, kondenzátor). Teplo je v TČ čerpáno periodicky a toto čerpání již dávno popsané Sadi Carnotem je rozděleno do 4 fází, které jsou zjednodušeně naznačeny níže.

Obr. č. 1, Čerpání tepla tepelným čerpadlem

Prvním dějem je vypařování. To je prováděno ve výparníku, tedy výměníku tepla, který spojuje okolí z tepelným čerpadlem. Chladivo jenž je načerpáno do výparníku odebírá z okolního vzduchu, vody či země teplo. Současně s dodáním energie dojde ke změně skupenství na plynné. Chladivo je tak vypařováno. Druhým dějem je komprese. Kompresorem tepelného čerpadla, umístěného na vhodném místě, je prudce stlačeno plynné chladivo, a je „vyneseno" na teplotu cca. 80°C. Třetím dějem je kondenzace. Zahřáté chladivo pomocí druhého výměníku tepla předává teplo vodě, je ochlazeno a jeho skupenství je změněno na kapalné, dochází ke kondenzaci. Takto ohřátá voda je pak využita v radiátorech pro ohřev místnosti. Ve čtvrtém ději, expanzi, putuje chladivo průchodem přes expanzní ventil nazpět do výparníku. 14

3.3.1. Teoretické cykly tepelných čerpadel Tepelné čerpadlo pracuje v opakujících se dějích, tzv. cyklech. K jejich popisu a vyjádření účinností jsou používány idealizované cykly. Mezi nejdokonalejší a tedy i nejvzdálenější realitě patří cyklus Carnotův.

3.3.1.1. Carnotův cyklus Sadi Carnot řešil problém, jak získat maximální práci z tepla, přivedeného pracovní látkou do pístového, periodicky pracujícího stroje, který by pracoval mezi dvěma tepelnými lázněmi – např. okolím a budovou. Sadi Carnot tak navrhl cyklus s největší termickou účinnosti. Jeho levotočivý cyklus sestává ze dvou expanzních změn a to izotermy a adiabaty a ze dvou kompresních změn, rovněž izotermy a adiabaty. Podmínky vratnosti, tedy opakovatelnosti cyklu jsou následující: -

pracovní látka musí být ve stálé termické a mechanické rovnováze s okolím.

-

výměna tepla mezi oběma místy musí probíhat při konstantních teplotách v oněch místech.

-

V průběhu cyklu nesmí docházet k žádným tepelným nebo mechanickým ztrátám, tj. píst i válec musejí být dokonale tepelně izolovány a píst se musí pohybovat bez tření.

Tyto podmínky nelze prakticky splnit, ale přesto má Carnotův cyklus velký praktický význam jako kriterium pro porovnání skutečných cyklů.

Carnotův cyklus probíhá následovně.

Obr. č. 2, Adiabatická komprese par (1-2) s kompresní prací Ak 15

- izotermická komprese par (2-3), při níž je do vnějšího okolí, za teploty Tk, uvolňováno teplo Qk - adiabatická expanze (3-4) s vykonáním práce Ae - isotermická expanze (4-1) při níž je z okolního prostředí za teploty T0 odváděno nízkopotenciální teplo Q0. Jelikož platí první zákon termodynamiky, není možné, aby došlo ke ztrátě tepla. Při kompresi, je práce vykonaná kompresorem (Ak) přeměněna na teplo a je dodána cyklu. Při expanzi se pak zpětně vrátí část práce (Ae). Celková práce(energie) dodaná cyklu je rovna: A = Ak – Ae

[J]

Navíc bylo získáno teplo Q0 z okolí. Celková energie dodaná cyklem je tedy rovna: Qk = Q0 + A

[J]

Teplo Qk dodané Carnotovým cyklem je také rovno ploše cyklu, která je vymezena body 1, 2, 3, 4, v T-S diagramu: Qk = Tk (S1 – S 4 )

[J]

Účinnost cyklu, jinak také označována jako topný faktor, je poměrem cyklem dodané energie (Qk) a energie cyklem spotřebované (A). U Carnotova cyklu ji lze také vypočíst prostým podílem teploty výstupní Tk ku teplotě, o kterou je vstupní teplota T0 navýšena.

εc =

Qk Tk = A Tk – T0

[-]

Jak je z rovnice patrné, účinnost takovéhoto cyklu klesá s rostoucím rozdílem vstupní a výstupní teploty (Tk – T0). Takto spočtená účinnost se stává porovnávacím kritériem ostatních „skutečnějších“ cyklů. Jedním z nich je například cyklus Rankinův.

3.3.1.2. Rankinův cyklus Jde o cyklus Skotského fyzika a technika Rankina Williama Johna Macquorna. Jeho cyklus lze označit za skutečný popis oběhu dnešních tepelných čerpadel. Přesto však jde o cyklus svým způsobem ideální. Jeho ideálnost spočívá v zanedbání tepelných i hydraulických ztrát, které jsou ovšem i u skutečného oběhu velmi malé, tudíž zanedbatelné. Zatímco u Carnotova cyklu dochází k isoentropické expansi, u cyklu Rankinova je expanse prováděna isoentalpicky, stejně jak je tomu při skutečném škrcení páry v expansím ventilu tepelného čerpadla. 16

Pracovní látka vstupuje do kompresoru ve stavu syté páry při suchosti x = 1 a objemu „V“ a je adiabaticky, resp. isoentropicky stlačována na tlak pk (1-2). Jak lze vidět na obrázku, teplota uvolněná při stlačování je vyšší, než-li je teplota látky, které je teplo odváděno. Pracovní látka pak vstupuje do kondenzátoru (KO) ve stavu přehřáté páry a kondenzuje za stálého tlaku pk přičemž se odvádí uvolněné teplo Qk (2-4). Kapalná pracovní látka vstupuje do expanzního ventilu (EV), kde isoentalpicky expanduje (4-5) na tlak p0 a ve stavu mokré páry přichází do výparníku(V). Ve výparníku (V) se tepelným tokem Q0 isotermicky vypařuje hmotnost „m“ pracovní látky (5-1). Vypařování musí probíhat při takové teplotě T0, jíž odpovídá tlak p0, aby i při nejnižší teplotě chlazené látky byl ve výparníku dostatečný teplotní rozdíl. Vypařená pracovní látka je v objemu V odsávána kompresorem (K) a cyklus se opakuje. Tento oběh bývá u tepelného čerpadla označován jako primární.

Obr. č. 3, Popis tepelného čerpadla pomocí Rankinova cyklu v T-S a p-i diagramu

Teplo získané Rankinovým oběhem v kondenzátoru Qk, lze vyjádřit jako součet tepla Q0 získaného ve výparníku a prací „A“ vykonanou kompresorem: Qk = Q0 + A

[J]

Topný faktor ε R je pak roven:

εR =

Qk A

[-]

3.4. Tepelná čerpadla dnes V souladu s celosvětovým trendem snižování emisí skleníkových plynů a současně s orientací na snižování energetické náročnosti budov vystupují stále více do popředí zájmu 17

odborné i laické veřejnosti tepelná čerpadla, která svým fyzikálním principem přenosu obnovitelné tepelné energie z vnějšího prostředí do vytápěného systému jakéhokoliv objektu dokáží snížit spotřebu primární energie pro vytápění a ohřev vody. Efektivnost provozu tepelných čerpadel je dnes tak vysoká, že dosahované energetické úspory se pohybují kolem 70% proti klasickým tepelným zdrojům, což ve svém důsledku minimalizuje spotřebu fosilních paliv (kterých zásoby se rychle snižují) s výrazným poklesem vzniku plynných spalin v souvislosti s jejich spalováním. K celosvětovému trendu využívání tepelných čerpadel se přidala i Česká republika a prakticky do roku 2000 je patrný citelný mezinárodní nárůst instalací tepelných čerpadel. V současné době u nás nainstalovaných asi 7000 těchto velmi užitečných zařízení, což je zanedbatelný počet proti např. Švédsku, Švýcarsku, Francii a dalším zemím, kde se tepelná čerpadla v praxi používají desítky let, mají s nimi bohaté zkušenosti a prošly úspěšným vývojem a někdy také obdobími poznamenanými problémy. V rozvinutých zemích EU existují národní sdružení – asociace, které svými aktivitami přispívají k dalšímu rozvoji instalací, hledají cesty k podpoře nových technologií a jsou partnery pro jednání s orgány státní správy. V roce 2000 byla založena Evropská asociace tepelných čerpadel – EHPA, která prakticky sdružuje národní asociace. K zakládajícím členům patří rovněž naše Asociace pro využití tepelných čerpadel – AVTČ (s mezinárodním názvem Czech Heat Pump Asssociation – CHPA). Na modelu Švédska, lze krásně zdokumentovat důvod rozšíření tepelných čerpadel v Evropě. V osmimilionovém Švédsku je nainstalováno v současné době více než 500.000 tepelných čerpadel. Hlavním impulsem pro masové zavádění byla ve Švédsku ropná krize v sedmdesátých letech minulého století. Tehdy pod vlivem růstu cen paliv byl nastartován trend náhrady klasických kotelen právě tepelnými čerpadly. Ceny paliv díky ubývajícím zdrojům ropy a zemního plynu stále rostou. Jak již bylo Evropa se stále více zaměřuje na obnovitelné zdroje a lze do budoucna očekávat zvýšené využívání, mimo jiných zdrojů obnovitelné energie, i tepelných čerpadel.

18

Tabulka č. 1, Údaje o jednotlivých běžně využívaných energetických zdrojích spotřeba cena

cena

tepla paliva

za

druh paliva (výhřevnost)

paliva v Kč v Kč/kWh

rok

náklady

hnědé uhlí (18 MJ/kg)

1,9 / kg

0,69

8081 kg

1,2432

černé uhlí (23,1 MJ/kg

3,9 / kg

1,11

6297 kg

2,0000

koks (27,5 MJ/kg)

6,5 / kg

1,37

4692 kg

2,4685

dřevo (14,6 MJ/kg)

0,93 / kg

0,31

7306 kg

0,5586

dřevěné brikety (17,5 MJ/kg)

3,5 / kg

0,96

6095 kg

1,7297

dřevěné pelety (18,5 MJ/kg)

3,25 / kg

0,74

5087 kg

1,3333

štěpka (12,5 MJ/kg)

2,8 / kg

1,01

8000 kg

1,8198

rostlinné pelety (16 MJ/kg)

1,5 / kg

0,37

5556 kg

0,6667

obilí (18 MJ/kg)

2,3 / kg

0,54

5229 kg

0,9730

0,87543

/

zemní plyn

kWh

1,14

27721 kWh 2,0541

propan (46,4 MJ/kg)

21 / kg

1,83

1937 kg

3,2973

lehký topný olej (42 MJ/kg)

18,5 / kg

1,78

2140 kg

3,2072

1,76

23895 kWh 3,1712

439+1,420 elektřina akumulace

34 / kWh 276+1,789

elektřina přímotop

31 / kWh

1,97

22676 kWh 3,5495

centrální zásobování teplem

350 / GJ

1,29

82 GJ

0,555

7407 kWh 1,0000

2,3243

229+1,11 / tepelné čerpadlo

kWh

19

Náklady na vytápění

1,0000

tepelné čerpadlo

2,3243

centrální zásobování teplem

3,5495

elektřina přímotop elektřina akumulace

3,1712

lehký topný olej

3,2072

propan

3,2973 2,0541

zemní plyn 0,9730

obilí

0,6667

rostlinné pelety

1,8198

štěpka

1,3333

dřevěné pelety

1,7297

dřevěné brikety 0,5586

dřevo

2,4685

koks

2,0000

černé uhlí

1,2432

hnědé uhlí 0, 0000

10, 0000

Graf č. 2, Náklady na vytápění různými zdroji energie přepočtené na TČ

Jak je z tabulky patrné, tepelné čerpadlo nepatří sice mezi naprosto nejlevnější zdroj energie, avšak jde o jediný levnější a prakticky neomezený zdroj. Ceny energetických surovin se neustále mění, a proto je tento graf pouze orientační.

3.4.1. Dimenzování, zdroje tepla a základní druhy tepelných čerpadel Pro stanovení výkonu tepelného čerpadla je nutno znát tepelné ztráty objektu, spotřebu tepla za otopnou sezónu a typ systému, do kterého tepelné čerpadlo navrhujeme. Tepelné 20

ztráty je bezpodmínečně nutné stanovit dle normy ČSN 06 0210 a ostatních souvisejících norem. Tepelné čerpadlo lze navrhnout tak, že kryje 100% maximální tepelné ztráty objektu (monovalentní systém) nebo tepelné čerpadlo kryje pouze část tepelné ztráty a zbytek potřebného výkonu kryje doplňkový zdroj tepla (bivalentní systém). Velikost bivalence se volí v závislosti na průběhu potřebného topného výkonu během otopné sezóny. Topný výkon tepelného čerpadla je také silně závislý na podmínkách, ve kterých tepelné čerpadlo pracuje, zvláště pak na průtoku a teplotě primárního média. Podle způsobu získávání tepla lze rozdělit tepelné čerpadla na vzduch-voda, vodavoda, země-voda. Volba primárního zdroje tepla má zásadní vliv na konstrukci a vlastnosti tepelného čerpadla. V názvech systémů TČ vždy první slov znamená zdroj nízkopotenciálního tepla, druhé slovo médium, do kterého se teplo předává. U tepelných čerpadel jejichž výstupní stranou je vzduch, jsou většinou příliš technicky náročné. Jejich výkon je příliš malý pro vytápění, a proto se většinou používají v jednodušších verzích jen jako klimatizační zařízení.

3.4.2. Tepelná čerpadla pro systém Voda-Voda Mezi výhody tepelného čerpadla voda-voda patří vysoký topný faktor, nižší pořizovací náklady a s tím související krátká doba návratnosti. Mezi nevýhody pak malý počet vhodných lokalit pro užití tohoto systému a požadavky na chemické složení vody. Tepelná čerpadla voda-voda se dimenzují na 70% tepelné ztráty domu.

3.4.2.1. Otevřený systém V případě této konfigurace je přírodním zdrojem povrchová, podzemní nebo spodní voda. Ta je přímo přivedena do výparníku tepelného čerpadla, kde dojde k jejímu ochlazení a poté navrácení do přírodního oběhu.

21

Obr č. 4, Tepelná čerpadla voda-voda, otevřený systém

Při použití takovéhoto systému dosahují tepelná čerpadla nejlepších topných faktorů. Teplota spodní vody se v průběhu celého roku téměř nemění a dosahuje hodnoty 8-12°C. Pro tepelné čerpadlo je nutno zajistit dostatečně vydatný zdroj přírodní vody. Kromě zdrojové studny nebo vrtu je potřeba ještě studna nebo vrt vsakovací. Vzdálenost mezi vrty by měl být minimálně 10m, nejlépe ve směru podzemních proudů zdrojový vsakovací vrt. Pro tento případ je nutné hydrogeologické posouzení vydatnosti vrtu a okolí vrtu formou čerpací zkoušky. Na základě čerpací zkoušky se vydává povolení k užívání podzemní vody. Za vyčerpanou, ochlazenou a zpět do přírodního oběhu navrácenou podzemní vodu se neplatí, protože se nemění její užitné vlastnosti. Studny mohou být kopané nebo vrtané. Pro jejich vybudování je nutno získat povolení od Krajského úřadu, Referátu životního prostředí a Oddělení ochrany vod. Po provedení vodoprávního řízení tento úřad povolí i využívání zemní vody. Pro čerpání vody se používá ponorné čerpadlo se zpětnou klapkou. Ukončení vratného potrubí ve vsakovacím vrtu by mělo být pod hladinou spodní vody, aby se zamezilo přístupu okolního vzduchu do systému. Pro určení ponorného čerpadla je nutné znát průtok zemní vody a dopravní výšku. Ta je dána geodetickou dopravní výškou Hc (výškový rozdíl vodních hladin), hydraulickým odporem výparníku tepelného čerpadla (z technických údajů daného typu) a odporem potrubní sítě a použitých armatur. Pokud se nečerpá, je hladina ustálena pod povrchem. Pokud se začne čerpat, dojde v okolí vrtu k poklesu hladiny spodní vody, což také umožní lepší opětovné vsakování. Aby bylo možno použít zemní vodu pro tepelné čerpadlo, musí splňovat určité podmínky. Základní podmínkou je její teplota, která by neměla být nižší než 8°C. Minimální 22

povolená vstupní teplota primární vody tepelných čerpadel je 6°C, při předpokladu tepelného spádu 3K. V následující tabulce jsou uvedeny parametry pro hodnocení zemní vody.

Tabulka č. 2, Hodnocení kvality vody pro otevřený systém Parametr

Hodnota

Hodnocení

Vodivost µ-Siemens

>450

-

Hodnota pH

<6 6-8 >8

* + -

Chloridy [mg/l]

<10 10-100 100-1000 >1000

+ + * -

Sírany [mg/l]

<50 50-200 >200

+ * -

Dusičnany

<100

+

Kyselina Uhličitá [mg/l]

<5 5-20 >20

+ * -

Kyslík [mg/l]

<1 1-8 >8

+ * -

Amoniak [mg/l]

<2 2-20 >20

+ * -

Železo a mangan [mg/l]

>1

*

(volná agresivní)

Sirník

-

Chlór (volný) [mg/l]

<5

+

usazeniny

+

voda vhodná

–

voda nevhodná

*

nebezpečí koroze při více parametrech s *čkou

23

3.4.2.2. Uzavřený systém U tohoto typu přírodního zdroje se opět využívá teplo vody. Oproti předchozímu systému má však nevýhodu v tom, že teplota vody je dlouhodobě nižší než 5°C, což znemožňuje její přímé ochlazení. Proto se používá systém výměníků, který se umístí do koryta řeky nebo na dno velké vodní plochy. Náplní systému výměníků je nemrznoucí směs. Takovéto využívání musí povolit Správce toku, kterým bývá Povodí, do kterého spadá daný vodní tok nebo Meliorační správa či Obecní úřad. Tento systém není příliš častý, ale jedná se o výborný zdroj energie. Nejlepšího řešení lze dosáhnout při kombinaci tepelného čerpadla s vodní turbínou, která vyrábí elektrickou energii pro napájení kompresoru. Využití tekoucí vody má však svá specifika a vyžaduje přesný výpočet velikosti výměníku pro každý případ zvlášť.

3.4.3. Tepelná čerpadla pro systém země-voda Výhody tepelného čerpadla země-voda jsou zejména stabilní topný výkon, dlouhodobá životnost. Ovšem při zbudování takovéhoto systému narážíme na vysoké investiční náklady, zejména vrtů, na rozsáhlé pozemní práce zejména při výstavbě kolektoru. Dále také prochlazení půdy v místě kolektoru může znemožnit jeho využití pro pěstování rostlin. Tepelná čerpadla země-voda se dimenzují na 70% tepelné ztráty domu. Tento přírodní zdroj využívá akumulovanou energii slunečního záření. Přes léto se zemský povrch ohřívá působením slunečního záření. V zimě tuto energii odebíráme a pomocí tepelného čerpadla ji využíváme pro vytápění. Pro využívání této energie je nutno vybudovat systém výměníků země/solanka. Uvnitř výměníků obíhá nemrznoucí směs – solanka. Jedná se tedy o tzv. uzavřený systém a oběh solanky zajišťuje oběhové čerpadlo. Zemní výměníky jsou zhotoveny z polyethylenových trubekPE32(o průřezu 32×3.5mm). Pro jejich zhotovení je nutné stavební povolení od stavebního úřadu. Pro využití energie povrchu Země můžeme využít hned několika typů kolektorů, pro odběr tepla.

24

Obr č. 5, Spojení kolektoru s tepelným čerpadlem

3.4.3.1. Horizontální kolektory Velikost kolektorového systému a tím i potřebná plocha pozemku je dána chladícím výkonem tepelného čerpadla, respektive tepelnou ztrátou objektu a tepelnou vydatností půdy.

Tabulka č. 3, Energetické parametry půdy pro horizontální kolektor Druh půdy

Vydatnost na m2 Plocha potřebná na 1kW pozemku

suchá, nesoudržná 10W/m2

topného výkonu 70m2

vlhká, soudržná

20-30W/m2

40-26m2

mokrá sypká

35W/m2

20m2

Základní podmínkou u kolektorových systémů je, že všechny smyčky musí být stejně dlouhé, abychom zajistili stejný průtok všemi smyčkami. Základní jednotkou zemních výměníků je vždy modul, který má dle typu půdy určitou tepelnou vydatnost. Jednotlivé moduly, které tvoří systém zemního výměníku je nutno sdružit pomocí rozdělovače a sběrače.

Modul klasického horizontálního(=plošného) kolektoru:

Obr. č. 6, Horizontální plošný kolektor 25

Při vydatnosti půdy 20W/m2 a délce výkopu 100 m vydatnost 1 modulu 2000W

Horizontální kolektor – SLINKY-H

Obr. č. 7, Horizontální kolektor – slinky-H Při vydatnosti půdy 20W/m2 vydatnost 1 modulu 1500W, Každý modul 200m trubky PE32 včetně přívodu k objektu

Horizontální kolektor – SLINKY-V

Obr. č. 8, Horizontální kolektor – slinky-V Při vydatnosti půdy 20W/m2 vydatnost 1 modulu 1200W. Každý modul 200m trubky PE32, včetně přívodu k objektu.

3.4.3.2. Vertikální kolektory – Zemní sondy

Obr. č. 9, Vertikální kolektor 26

Jedná se o zemní tepelný výměník ve tvaru dvojitého U, který je umístěn v zemním vrtu. Modulem je v tomto případě 1m hloubky vrtu. Maximální hloubka jednoho vrtu je 100m. Pokud je třeba pro tepelné čerpadlo zajistit více energie, odnímá se teplo z více vrtů. Minimální vzdálenost vrtů od sebe je 5m. Minimální vzdálenost vrtů od objektů je 10m. Tepelná vydatnost na 1m vrtu se liší dle kvality podloží.

Tabulka č. 4, Energetické parametry půdy pro vertikální kolektor Typ podloží

Vydatnost

na

1m Hloubka vrtu pro 1kW

hloubky vrtu

topného výkonu

Suché usazeniny

30W/m

25m

Jíl, Břidlice

60W/m

13m

Skála, pevné horniny 80W/m

10m

Před zhotovením vrtu je třeba provést geologický posudek. Z posudku bude patrné o jaký typ podloží se jedná a jaké má tepelné vlastnosti. Vrty zhotovují odborné vrtařské firmy a zároveň zhotovují vlastní tepelný výměník.

Jedná se vlastně o dva výměníky vytvořené svařením dvou trubek PE32, pomocí dvou kolen. Výměníky jsou k sobě u špice svázány zároveň s 2m dlouhou vystužující železnou vložkou, kterou může být např. lešenářská trubka. Po vyvrtání a vytažení vrtné soupravy se vsune dvojice výměníků a pozorně se zasype zeminou prolévanou vodou nebo tekutou betonovou kaší. Celková délka potrubí sondy je 4×(hloubka vrtu; vzdálenost trasy k tepelnému čerpadlu).

3.4.4. Tepelné čerpadlo pro systém Vzduch-Voda Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch s dobrým poměrem cena/výkon je univerzálně použitelné a jednoduše instalovatelné. Na druhou stranu za silných mrazů dosahuje nižší účinnosti. Výkon tepelného čerpadla vzduch-voda se dimenzuje na 100% tepelných ztrát domu, jelikož jsou rozdíly v investičních nákladech skoro zanedbatelné. Vnější jednotkou (výparníkem s ventilátorem) umístěnou venku, je nasáván vzduch ze kterého je odebírána tepelná energie a opětně je tento vzduch (ochlazený) vyháněn do venkovního prostoru. Vnitřní jednotka, umístěná v objektu, zabezpečuje výrobu topné vody a

27

TUV. Tepelné čerpadlo obsahuje automaticky elektrokotel, který se automaticky připíná za nižších teplot, takže máte jistotu stabilní tepelné pohody v průběhu celé topné sezóny. Navíc, moderní tepelná čerpadla pracují spolehlivě i při velmi nízkých venkovních teplotách (až do -18°C).

Obr. č. 10, Tepelné čerpadlo vzduch-voda

3.4.5. Solanka Termín „Solanka“ je používán jako zjednodušený název pro nemrznoucí směs, obíhající v potrubním systému primárního okruhu. Jde tedy o médium, které spojuje okolní teplotu s ještě nižší teplotou expandovaného plynu ve výparníku. V podstatě existuje několik druhů nemrznoucích směsí, které jsou nejčastěji používány.

3.4.5.1 Směs vody a ethylenglykolu Pro teplotu tuhnutí –13°C se míchá v poměru 75% vody a 25% etylenglykolu objemově. Oproti čisté vodě dochází ke zvýšení viskozity a snížení tepelné kapacity a tím i ke zvýšení průtočných odporů.

3.4.5.2. Směs vody a propylenglykolu Míchá se v poměru 70% vody a 30% (-12°C) propylenglykolu objemově. Nevýhodou je větší zvýšení viskozity než v předchozím případě, což má za následek zvýšení průtočných odporů. Snížení tepelné kapacity však není tak markantní jako v předchozím případě, což vyrovnává větší nárůst viskozity. Výhodou je také nejedovatost roztoku.

3.4.5.2. Směs vody a ethanolu Pro teplotu tuhnutí –14°C se míchá v poměru 75% vody a 25% alkoholu objemově. Zvýšení tepelné kapacity je nepatrné, dochází však k mírnému snížení hustoty. Dále je nutno 28

si uvědomit, že vlivem chemických vazeb dochází po smíchání vody a etanolu ke zmenšení objemu směsi. Proto je nutno počítat s tím, že po smíchání 100 l vody a 100 l etanolu bude celkový objem pouze asi 180 l. U této směsi však, na rozdíl od výše uvedených, nedochází za předpokladu použití čistého lihu ke stárnutí. Nedoporučuje se přesahovat hmotnostní koncentraci 25%, neboť větší množství může zkrátit životnosti PE potrubí. 3.4.5.3. Směs vody a CaCl2 Míchá se v poměru 82% vody a 18% soli hmotnostně /tuhne při –13°C). Nevýhodou je snížení tepelné kapacity oproti čisté vodě, což je však částečně kompenzováno vyšší hustotou roztoku. Nárůst viskozity a tím i průtočných odporů není tak markantní. Další nevýhodou je však vysoká agresivita roztoku.

3.4.6. Chladivo Jde o plyn, který přenáší teplo ze solanky do dalších částí vytápěného objektu a to buď vzduchu v případě klimatizace nebo nejčastěji teplé užitkové vodě. Výrobci prodávají více jak 50 nových chladiv v posledních desítkách roků a jsou zkoušeny stále nové alternativy. V blízké době by se měli alternativy nadále rozšiřovat v souvislosti s vyloučením pro přírodu nebezpečného R22, který je v současné době nejrozšířenější. Podobná záplava servisních chladiv se objevila po vyloučení chladiva R12 a R502, které byly v té době do roku 1990 také nejvíce používané.

3.4.6.1. Identifikace chladiv Je založena na doporučených označeních normou ANSI/ASHRAE 34-1997: „ Značení a bezpečnostní klasifikace chladiv a tomu odpovídající agenda“. Tohle známé značení chladiv je používané téměř univerzálně nejčastěji s předsunutým písmenem „R“ s pomlčkou nebo bez od slova „Refrigerant“ (chladivo). Alternativně se používají chemické označení druhu chladiv jako například CFC, HCFC, HFC anebo HC, případně obchodní názvy. -

Chlorfluor uhlovodíky HCFC Tyto pracovní látky (nazývané měkké freony) obsahují chlor, ale mají mnohem menší vliv na ozonovou vrstvu než chlorované uhlovodíky (CFC – tzv. tvrdé freony), především díky menší chemické stabilitě v atmosféře. V současnosti mohou být používány výhradně k recyklaci u stávajících aplikací. Vyspělé země se zavázaly

29

přestat používat tyto látky do konce roku 2020, Evropská unie se zavázala přestat používat tyto látky do ledna 2015. Jako příklad můžeme uvést pracovní látku R22. -

Hydrofluor uhlovodíky HFC Připadají v úvahu jako alternativní pracovní látky, neobsahují sice chlor tudíž nepoškozují ozónovou vrstvu Země, nicméně přispívají ke globálnímu oteplování. Určitým problémem, především při náhradě pracovních látek ve stávajících zařízeních, může být nemísitelnost těchto látek s minerálními oleji což s sebou nese nutnost výměny lubrikantu. Jako příklad můžeme uvést pracovní látky R134a, R152a.

-

Přírodní uhlovodíky HC Připadají v úvahu jako alternativní pracovní látky, neobsahují halogenidy, nepoškozují ozónovou vrstvu Země, ke globálnímu oteplování přispívají minimálně. Určitým problémem, především při náhradě pracovních látek ve stávajících zařízeních, může být nemísitelnost těchto látek s minerálními oleji což s sebou nese nutnost výměny lubrikantu. Jako příklad můžeme uvést pracovní látky R134a, R152a.

-

Azeotropní směsi Představují možnost pro náhradu chlorfluorovaných uhlovodíků u nových i stávajících aplikací. Tyto pracovní látky jsou směsí fluorovaných uhlovodíků a uhlovodíků s minimálním negativním dopadem na životní prostředí. Jako příklad můžeme uvést pracovní látky R407, R410.

-

Přírodní látky Jsou to substance běžně existující v biosféře, obvykle nemají negativní dopad na životní prostředí a v budoucnu by mohly být schopny zcela nahradit chlorfluor deriváty uhlovodíků. Jako příklad můžeme uvést uhlovodíky (propan, butan), oxid uhličitý (CO2) vzduch a vodu (H2O).

To jestli může být plyn vhodným chladivem se určuje podle následujících vlastností.

3.4.6.2. Fyzikální vlastnosti -

Molekulová hmotnost Je vypočítaná z atomových hmotností uváděných mezinárodní unií pro čisté a aplikované chemikálie (IUPAC). Uvádí se hmotnost v gramech na mol chladiva nebo pro směsi váženým poměrem hmotnosti molů podle podílu ve směsi

-

Normální bod varu (NBP) 30

Je teplota, při které tekuté chladivo vře při atmosférickém tlaku 101,325 kPa. Normální bod varu a většina ostatních parametrů je uváděna v soustavě SI a v palcích IP. Teplota bodu varu při atmosférickém tlaku, při kterém se první bubliny objevují, ohraničuje teplotu, při které var začíná pro směsi. Směsi obsahují chladiva, které vřou při různých teplotách při daném tlaku, což je příčinou teplotního skluzu. -

Kritická teplota „Tc“ Je teplota v kritickém bodě chladiva, v které vlastnosti tekuté a plynné fáze chladiva jsou identické. Pokud je „Tc“ určená pro směsi, někdy označovaná jako pseudokritická teplota, je to vážený průměr. Podobné je to s kritickým tlakem „pc“. Normální bod varu a kritické vlastnosti omezují rozsah použití pro jednotlivé chladiva. Ty s extrémně nízkým bodem varu se používají na ultranízké teploty chlazení například kryogenické aplikace. Chladiva s vysokým bodem teploty varu se používají pro vysokoteplotní aplikace pro chladiče vody, tepelná čerpadla a podobně. Výkon i efektivnost klesají když se kondenzační teplota blíží k Tc v typicky používaném Rankinově cyklu. Kritický tlak Pc je překročený jen v transkiritckých procesech, které však nejdou běžné, kromě použití R744 (oxid uhličitý). Kondenzace v běžných chladících okruzích probíhá při 70-90% z Tc (v absolutní hodnotě) a tomu odpovídá i podíl z Pc.

3.4.6.3. Bezpečnostní údaje -

První z hodnot je pobytový expoziční limit- časově vážený průměr (TLV-TWA). Je to indikace chronické toxicity chladiva na člověka při dlouhodobé anebo opakované expozici. Dovolené expoziční úrovně a doby pobytu člověka v prostoře s obsahem chladiva jsou určené ve více krajinách pod různými názvy (WEEL – Workplace Enviromental Exposure Level. PEL – Permissible Exposure Level, AEL – Acceptable Exposure Limit, IEL – Industrial Exposure Limit, OEL – Occupational Exposure Limit). Jsou to všechno limity na pobyt člověka na pracovišti počas pracovních dní a týdnů.

31

-

Spodní hranice hořlavosti (LFL- Lower Flammability Limit) je nejnižší koncentrace, při které chladivo hoří ve vzduchu při daných testovacích podmínkách. Je to indikace hořlavosti.

-

Teplo z hoření (HOC – Heat of Combustion) je indikátorem množství energie uvolněné při hoření chladiva ve vzduchu, předpokládající úplnou reakci hoření v parní fázi chladiva. Záporné hodnoty znamenají endotermickou reakci (teplo k hoření třeba dodat). Kladné hodnoty znamenají exotermickou reakci (teplo se při hoření chladiva uvolňuje).

-

ASHRAE norma 34 o bezpečnostních skupinách, je klasifikace chladiv založená na hodnotách TLV-TWA, LFL a HOC. Skupiny zahrnují písmena A a B, které označují toxicitu chladiva, následované číslicemi 1, 2, 3, které indikují hořlavost. Tato klasifikace je všeobecně používaná k určení požadavků k zabezpečení bezpečného používání chladiva. Většina z uváděných kódů je založená na ASHRAE normě 15: „Bezpečnostní kódy pro mechanické chlazení“.

Některé klasifikace, kódy jsou označené indexem „r“ nebo „d“, což znamená, že se očekává revize, která zatím nebyla realizovaná. Směsi se označují bezpečnostní skupinou pro případ nejhorší frakcionace při specifických scénářích při úniku a plnění chladiva.

3.4.6.4. Environmentální údaje Životnost v atmosféře (Tatm) je indikátorem průměrného setrvání uvolněného chladiva v atmosféře do jeho rozpadu, reakce s jinými chemikáliemi apod. Ta patří sice k doplňujícím environmentálním údajům, ale jde o údaj významný. Setrváním v atmosféře ukazuje potenciál k akumulaci uvolněných chladiv. Dlouhá životnost znamená předpoklad pro pomalou regeneraci atmosféry z environmentálních problémů. Potenciál poškození ozónu (ODP) je normalizovaný údaj založený na hodnotě 1 pro chladivo R11, ke kterému se porovnávají potenciály jiných chladiv rozkládat stratosférické molekuly ozónu. Uvedené údaje ODP jsou přijaté mezinárodním vědeckým posouzením. ODP údaje pro směsi jsou váženým hmotnostním průměrem jednotlivých složek. Hodnoty ODP jsou nejčastěji modelované na jejich největší environmentální dosah. Je několik jiných ODP, tzv. poloempirických, časově závislých a určených hodnot pro regulaci spotřeby podle mezinárodních dohod. 32

Poloempriické ODP hodnoty jsou vypočítané hodnoty, které zahrnují výsledky z atmosférických měření. Tento přístup by mohl být přesnější, ale je těžké měřit přesně údaje potřebné pro reprezentativní korekci vypočítaných hodnot. Časově závislé ODP hodnoty používají jiné reference. Normalizované hodnoty porovnávané k chemikáliím s krátkou atmosférickou životností, zvýrazňují krátkodobý vliv, ale na druhou stranu znevýrazňují dlouhodobý vliv. Časově závislé hodnoty nejsou již velmi uváděné, protože uvolněné ODP látky již dosáhli v atmosféře vrchol a cesta obnovení stratosférické ozónové vrstvy už začala. ODP údaje pro regulaci spotřeby jsou staré údaje v shodě s Montreáským protokolem, podle kterých byly určovány výrobní kvóty pro národní regulaci. Z důvodů politických při sledování změn na trhu byly tyto hodnoty ponechány nezměněné, přestože vědecké pozorování zlepšili přesnost jejich určení. ODP hodnoty v Montreálském protokole nebyly pro CFC látky měněné od roku 1987 a pro HCFC látky od roku 1992. Poznámka v protokole, že tyto hodnoty jsou odhadované a založené na daném stavu znalostí a proto budou periodicky upravované zůstala zatím nenaplněná. Vliv na oteplení Země (GWP) je indikátor potenciálu chladiv uvolněných do atmosféry ohřívat planetu Zemi jako skleníkový plyn. Uvedené hodnoty jsou porovnávané k účinkům oxidu uhličitého pro periodu 100 roků, kde GWPCO2 = 1 . GWP hodnota zahrnuje vliv na chlazení Země, vyplývající z poškození ozónové vrstvy, přičemž ozón je sám skleníkovým plynem. Takováto idea čistého GWP by byla přesnější, ale není používaná protože je těžko kvantifikovatelná. ODP i GWP hodnoty jsou vypočítané z Tatm, měřených chemických vlastností a dalších atmosférických údajů. Tatm, ODP a GWP by měli být tak nízké, jak je jen možné, pro ideální chladivo. Tyto cíle jsou však posuzovány společně s kritériemi na výkon, bezpečnost a chemickou i termickou stabilitu.

Tabulka č. 5, Vliv chladiv na GWP a ODP Název

Chemický

Doba rozpadu

vzorec

v atmosféře roky

GWP

ODP

Oxid uhličitý

CO2

50 ÷ 200

1

-

Trichlorfluormetan

CFCl3

55

3400

1

33

(R11) Monochlordifluormeta n (R22) Difluormetan (R32)

CHF2Cl

17

1700

0,05

CH2F2

38873

650

0,055

32,6

2,8

1

CH2F-CF3

38882

1,3

0,02

CH3-CF3

48,3

3,8

0,11

Pentafluoretan (R125) CHF2-CF3 Tetrafluoretan (R134a) Trifluoretan (R143a)

3.4.6.5. Chladiva používaná v tepelných čerpadlech Následující tabulky uvádí dnes běžně používané pracovní látky v tepelných čerpadlech (tab. 3) se všemi příslušejícími negativními vlivy a látky které by je mohli nahradit (tab. 4) bez negativních vlivů na životní prostředí.

Tabulka č. 6, Pracovní látky dnes běžně používané

Číselný kód Název

Chemický vzorec

Molová

Kritická

Kritický

hmotnost teplota kg/kmol °C

tlak MPa

R22

Chlordifluormetan CHCIF2

86,47

96,2

4,99

R134a

Tetrafluoretan

102

101,1

4,06

97,6

72,07

37,32

86,2

86,2

4,62

CF3-CH2F

Pentafluoretan (R125) R404a

Trifluoretan (R143a) Tetrafluoretan

CHF2-CF3 CH3-CF3 CF3-CH2F

(R134a) Tetrafluoretan (R134a) R407

Pentafluoretan (R125) Difluormetan

CF3-CH2F CHF2-CF3 CH2F2

(R32) 34

Pentafluoretan R507

(R125)

CHF2-CF3

Trifluoretan

CH3-CF3

98,9

70,8

3,72

(R143a)

Tabulka č. 7, Pracovní látky, které by mohly v budoucnu nahradit dnes běžně používané pracovní látky

Číselný kód

Název

Chemický

Molová

Kritická Kritický tlak

vzorec

hmotnost teplota kg/kmol °C

MPa

R717

amoniak

NH3

17

132,4

11,3

R290

propan

C3H8

44

153

3,7

R718

voda

H2O

18

374

21,8

R600

butan

C4H10

44

95,6

4,45

CO2

44

31

7,36

oxid R744

uhličitý

35

4. Materiál a metody Pro navrhnutí tepelného čerpadla byla mnou vybrána chata v Kloboukách u Brna. Objekt je složen z dvou části, z dřevěné původní chaty a z novostavby. Vzhledem ke špatné izolaci ve dřevené části chaty se nepředpokládá, že by bylo vhodné budovat nějaké vytápění bez izolačních úprav. Proto je uvažováno vytápění jen pro novostavbu, dřevená chata bude nadále vytápěna kamny na černé uhlí.

4.1. Popis vytápěného objektu Novostavba se skládá z dvou navzájem nepropojených podlaží. První podlaží je o velikosti 3,83×3,9×7,6. Druhé 2,2×3,9×7,6. Tloušťka stěn je 0,3 m. Budova má dvě okna o velikosti 2×1,2 m. Výpočtová venkovní teplota je –12°C. Průměrná vnitřní teplota vytápěného prostoru se uvažuje 20°C. Objekt je téměř osamoceně stojící nechráněný v krajině.

36

5. Výsledky práce 5.1. Vyhodnocení tepelné ztráty objektu Celková tepelná charakteristika a spotřeba energie na vytápění (vypočítáno pomocí programu Ztráty 2001 podle ČSN 060210, ČSN 730540 a STN 730540) Název objektu: tepelná ztráta objektu Zpracovatel: Petr Beller Zakázka: Datum: 6.4.2007 Teplotní oblast (vnější výpočtová teplota) Te: -12.0 C Průměrná vnitřní teplota v objektu Ti,s : 20.0 C Charakteristické číslo budovy B : 6 Součinitel typu objektu e1: 1.000 Přirážka na urychlení zátopu p2: 0.000 Počet podlaží: 2 Obestavěný prostor Vn: 178.73 m3 Plocha vnějších konstrukcí Ae: 183.15 m2

REKAPITULACE ZADÁNÍ A TEPELNÉ ZTRÁTY MÍSTNOSTI Číslo podlaží : 1 Název podlaží : druhé podlaží Číslo místnosti :

Teplota Ti :

0

20.0 C

Počet na podlaží :

Název místnosti :

Objem V : 1

113.52 m3

Trvalý tepelný zisk Qz :

0.0 W

VÝSLEDKY VÝPOČTU : Název kce

Plocha

U,p

i

l

Delta T

Q,o

Okno se dvěma s

2.4

2.800 0.00014

0.0

32.0

215 W

Dveře domovní d

2.6

2.600 0.00019

0.0

32.0

220 W

ytong(siporex)

88.1 0.650 0.00000

0.0

32.0

1832 W

Přirážka DeltaB :

0.0

Char. číslo místnosti M :

1.0 37

Průměrný souč.prostupu tepla Kc :

0.481 W/m2K

Násobnost výměny vzduchu n :

0.00 h-1

Přirážka p = (1+p1+p2+p3) :

1.02

Ztráta prostupem Qp :

2317 W,

tj.

60.59 % z celkové ztráty

prostupem objektu Ztráta infiltrací Qv :

0 W,

Ztráta celková Qc :

2317 W,

tj.

60.59 % z celkové ztráty objektu

TEPELNÉ ZTRÁTY PODLAŽÍ č. 1

Ztráta prostupem Qp :

2317 W,

tj.

60.59 % z celkové ztráty

2317 W,

tj.

60.59 % z celkové ztráty objektu

prostupem objektu Ztráta infiltrací Qv :

0 W,

Součet obou ztrát Qc :

REKAPITULACE ZADÁNÍ A TEPELNÉ ZTRÁTY MÍSTNOSTI

Číslo podlaží :

2

Název podlaží :

Číslo místnosti :

0

Název místnosti :

Teplota Ti :

20.0 C

Počet na podlaží :

Objem V : 1

první podlaží

65.21 m3

Trvalý tepelný zisk Qz :

0.0 W

VÝSLEDKY VÝPOČTU: Název kce

Plocha U,p

i

l

Delta T Q,o

Okno se dvěma s

2.4

2.800 0.00014

0.0

32.0

215 W

Dveře domovní d

2.6

2.600 0.00019

0.0

32.0

220 W

ytong(siporex)

50.6 0.650 0.00000

0.0

32.0

1052 W

Přirážka DeltaB :

0.0

Char. číslo místnosti M :

1.0

Průměrný souč.prostupu tepla Kc :

0.423 W/m2K

Násobnost výměny vzduchu n :

0.00 h-1

Přirážka p = (1+p1+p2+p3) :

1.01 38

Ztráta prostupem Qp :

1507 W,

tj.

39.41 % z celkové ztráty

prostupem objektu Ztráta infiltrací Qv :

0 W,

Ztráta celková Qc :

1507 W,

tj.

39.41 % z celkové ztráty objektu

TEPELNÉ ZTRÁTY PODLAŽÍ č. 2

Ztráta prostupem Qp :

1507 W,

tj.

39.41 % z celkové ztráty

tj.

39.41 % z celkové ztráty objektu

prostupem objektu Ztráta infiltrací Qv :

0 W,

Součet obou ztrát Qc :

1507 W,

ZÁVĚREČNÁ PŘEHLEDNÁ TABULKA VŠECH MÍSTNOSTÍ:

Teplotní oblast (vnější výpočtová teplota) Te: -12 °C

Tabulka č. 8, Ztráty jednotlivých místností Označ.

Teplota Ti Vytápěná

NP/č.m.

Objem Celková

%

Podíl

plocha S

V

ztráta Qc z celkového Qc/(Ti-Te)

[m2]

[m3]

[W]

Qc

[W/K

1/ 0

20.0

29.6

13.5

2317

60.6%

72.42

2/ 0

20.0

29.6

65.2

1507

39.4%

47.10

59.3

78.7

3824

100.0%

119.51

Součet:

CELKOVÉ TEPELNÉ ZTRÁTY OBJEKTU

Tabulka č. 9, Celkové tepelné ztráty objektu Suma všech tepelných

3.824 kW

100.0 %

3.824 kW

100.0 %

ztrát Qc : Tepelná ztráta prostupem Qp :

39

Tepelná ztráta infiltrací

0.000 kW

0.0 %

Qv : Tepelná ztráta

Plocha:

Qp/m2:

prostupem: Okno se dvěma s :

0.438 kW

11.4 %

4.8 m2

0.091 kW/m2

Dveře domovní d :

0.447 kW

11.7 %

5.3 m2

0.085 kW/m2

ytong(siporex) :

2.940 kW

76.9 %

138.7 m2

0.021 kW/m2

CELKOVÁ TEPELNÁ CHARAKTERISTIKA BUDOVY (ČSN 730540/94):

Požadavky: - doporučená hodnota q,cN =

0.64 W/m3K

- požadovaná hodnota q,cN =

0.79 W/m3K

- pro rekonstrukce q,cN =

1.11 W/m3K

Vypočtená hodnota charakteristiky q,c =

0.67 W/m3K

MĚRNÁ TEPELNÁ ZTRÁTA (pro el.vytápění): Qv,skut =

0.67 W/m3K

SPOTŘEBA ENERGIE NA VYTÁPĚNÍ (STN 730540/97 - Změna 5): Uvažované hodnoty : - obestavěný prostor Vbp =

178.73 m3

- charakter. číslo budovy B = - ztráta bytových podlaží Qbp =

3.824 kW

- průměr. vnitřní teplota Ti =

20.0 C

- vnější teplota Te =

E1 =

6

-12.0 C

45,15 kWh/m3,rok

STOP, Ztráty 2001 40

Graf č. 3, Podíl stavebních částí objektu na tepelné ztrátě

Ztráty objektu lze také zjednodušeně spočítat pomocí následujícího odkazu: http://www.vytapeni.cz/vytapeni/cz/ztraty.shtml Z tepelné ztráty objektu se pak spotřeba tepla pro vytápění vypočte následovně:

(t i – t es ) (t i – t es ) = teplota uvnitř objektu (nejčastěji 20°C )

Qd = 24 × 0,63 × Qc × d × ti

t es = střední venkovní teplota během topné sezóny(~ 4,3°C ) t ev = venkovní výpočtová teplota (- 12, - 15, - 18°C ) d = počet dnů topné sezóny (v čr 225)

Q = tepelná ztráta v kW podle ČSN 06 0210

5.2. Výpočet ceny vytápění objektu tepelným čerpadlem: spotřeba tepla pro vytápění Qd= 45,15 kWh/m3 × 178,73m3= 8069,6595 kWh za rok topný faktor ε = 2,5 dimenzování 70% TČ, 30% jiný zdroj D56= 1,11 kč/kWh

 0,7  Qd × D56 ×  + 0,3  = 5195,247 Kč / rok  ε  41

5.3. Výpočet potřebného výkonu tepelného čerpadla tepelná ztráta objektu 3,824 kW sazba D56 levná pouze 22 hodin za den tepelné čerpadlo se nejčastěji dimenzuje na 70% ztráty objektu Qtč = 3,824 ×

24 × 0,7 = 2,92kW 22

5.4. Výpočet návratnosti tepelného čerpadla přibližná cena instalace: 350 000 Kč cena elektřiny spotřebované TČ za rok: 5195,247 Kč podíl nákladů na vytápění stávající elektrickou akumulací a TČ pro dimenzování 70% TČ(ε=2,5; ε akumulace = 0,7 ; D25= 0,97Kč/kWh; D56= 1,11Kč/kWh) = 1

ε akumulace 0,7

ε tč

+ 0,3

×

D 25 = 2,1524 D56

úspora instalací TČ za rok = 5195,247 × (2,1524 − 1) = 5987,1511 Kč předpokládejme, že inflace bude i nadále stejná jako v roce 2006 tzn. 2.5%

5987,1511 5987,1511 5987,1511 + + ... = 350 000 1,025 0 1,0251 1,025 2 N = přes 1000let N=

Stejným způsobem spočítáno pro tepelnou ztrátu 6,33kW; 10kW a 80kW

Tabulka č. 10, Návratnost tepelného čerpadla Tepelná ztráta v kW

Návratnost investice TČ

3,824

přes 1000 let

6,33

80 let

12

25 let

80

4 roky

42

6. Diskuse Přestože výrobci tepelných čerpadel mají na věc jiný názor, u malých a středně velkých budov v drtivé většině případů nemůže být vhodné instalovat tepelné čerpadlo dodatečně, pokud není instalováno přímo při stavbě objektu. Tepelné čerpadlo bylo srovnáno s téměř nejdražším způsobem vytápěním a to elektrickou akumulací a přesto u budov do 12 kW je návratnost příliš vzdálená. Navíc lze často narazit na údaje topných faktorů, které se jen rádoby dotýkají reality. V mnohých literaturách se uvádí topný faktor přes 3, kterého ve skutečnosti lze dosáhnout jen pár dní v roce. Pokud chce někdo zjistit skutečné údaje o tepelných čerpadlech a jejich návratnosti, jak jsem se přesvědčil, jen stěží se je dozví od někoho, kdo se instalováním tepelných čerpadel živí. Poruchy tepelných čerpadel přijdou několikrát za dobu jejich životnosti a jejich oprava také není zrovna levná záležitost. Jak se tepelné čerpadlo zdálo jako velká výhoda pro všechny typy budov, tak se při zjišťování konkrétních údajů ukázalo, že tepelné čerpadla je jednoznačně výhodné jen v případě, kdy má objekt vysokou tepelnou ztrátu. Tepelné čerpadlo navíc samo osobě není nejlevnějším zdrojem energie. Stále levnější vychází vytápění rostlinnými peletami, obilnými zbytky, štěpkou a dřevem. Sice se topení tepelným čerpadlem může zdát jako zázrak, avšak je třeba si uvědomit, že tepelné čerpadlo je jen jednou z variant vytápění a má stejně jako všechny ostatní typy své pro a proti. Relativně nízkou cenu provozu a absolutně vysokou cenu pořízení.

43

7. Závěr Jelikož náklady na zbudování tepelného čerpadla mohou přesáhnout čtvrt milionu korun, může se zdát návratnost tepelného čerpadla v objektech o nízké tepelné ztrátě příliš dlouhá. Pokud je tepelná ztráta pod 6,33kW nepředpokládám, že by náklady na zbudování mohli být někdy převýšeny cenou ušetřené energie, jelikož návratnost při této tepelné ztrátě ve srovnání s vytápění elektrickou akumulací činní 80 let, což je zároveň doba životnosti tepelného čerpadla(bez započítání nákladů na opravy). Avšak u budov s vysokou tepelnou ztrátou může tepelné čerpadlo představovat nejen moderní, ale také úsporný zdroj energie. Pokud není dostupný jiný zdroj vytápění než je elektrická akumulace, návratnost tepelného čerpadla u budov s tepelnou ztrátou nad 80 kW není delší než 4 roky.

44

8. Resume Práce se zabývá možností použití tepelného čerpadla pro vytápění objektu. Jelikož případ o případu se může lišit, je těžké jednoznačně říct, v kterém případě je vhodné tepelné čerpadlo zbudovat, jelikož to záleží na konkrétních podmínkách. Jednoznačné však je, že

objekty s nízkou tepelnou ztrátou nejsou vhodné pro vytápění tepelným čerpadlem, jelikož instalace tepelného čerpadla je finančně náročná. Tepelné čerpadlo není nejlevnějším zdrojem vytápění, a proto připadá v úvahu až po zvážení mnohých levnějších variant, jako je vytápění rostlinnými peletami, obilnými zbytky, štěpkou a dřevem. Avšak patří k vždy dostupnému zdroji, v čemž spočívá jeho velká výhoda mezi levnějšími zdroji vytápění.

This work is about possibility of aplication heat pump for heating objects. Because aplication is depend on concrete event, decide about useable heat pump is not simply. Unambiguous is that objects with lower warm loss are unuseful for heat pump aplication, because instalation is expensive. Heat pump is not the cheapest resource for heating objects. For that reason first we must decide if possibility like grain hold-over, plant pellets, wood graft and wood dont will be more available for heating. However heat pump is always available which refers to clause is hudge advantage for this cheaper variant of heating objects.

Keywords:

heat pump – tepelné čerpadlo heating – vytápění resource – zdroj

45

9. Seznam použité literatury Ing. Antonín Žeravík: Stavíme tepelné čerpadlo Internet: http://actamont.tuke.sk/pdf/2006/s1/36sidorovav.pdf http://energie.tzb-info.cz/t.py?t=16&i=269 http://members.cox.net/jamesmcalmpubs1/Calm_Hourahan-Refrigerant_Data_Summary(in_Slovakian)-Spravy-2002.pdf http://old.mendelu.cz/~agro/af/genetika/vyuka/bc_manualy.htm http://www.avenirnergie.cz/?dokument=informace_technika&PHPSESSID=cb31c1a78102d307f059c8dbc578be ba http://www.avtc.cz/mezinarodni_konference.doc http://www.eon.cz/cs/customers/citizen/power_products/d56.shtml http://www.kostecka.net/start.php?p=tc_p_rlw.htm&m=tc_menu.htm http://www.mastertherm.cz http://www.mpo.cz http://www.tzb-info.cz/t.py?t=16&i=1&obor=5 http://www.vytapeni.cz/vytapeni/cz/ztraty.shtml http://www.xella.cz/html/czk/cz/6338.php

46

10. Příloha – tabulková a grafická 10.1. Seznam obrázků Obr. č. 1, Čerpání tepla tepelným čerpadlem ........................................................................... 14 Obr. č. 2, Adiabatická komprese par (1-2) s kompresní prací Ak............................................ 15 Obr. č. 3, Popis tepelného čerpadla pomocí Rankinova cyklu v T-S a p-i diagramu .............. 17 Obr č. 4, Tepelná čerpadla voda-voda, otevřený systém.......................................................... 22 Obr č. 5, Spojení kolektoru s tepelným čerpadlem .................................................................. 25 Obr. č. 6, Horizontální plošný kolektor.................................................................................... 25 Obr. č. 7, Horizontální kolektor – slinky-H ............................................................................. 26 Obr. č. 8, Horizontální kolektor – slinky-V ............................................................................. 26 Obr. č. 9, Vertikální kolektor ................................................................................................... 26 Obr. č. 10, Tepelné čerpadlo vzduch-voda............................................................................... 28

10.2. Seznam grafů a tabulek Graf č. 1, Podíl obnovitelných zdrojů včetně biomasy na tuzemské spotřebě prvotních energetických zdrojů ................................................................................................................ 11 Graf č. 2, Náklady na vytápění různými zdroji energie přepočtené na TČ .............................. 20 Tabulka č. 1, Údaje o jednotlivých běžně využívaných energetických zdrojích ..................... 19 Tabulka č. 2, Hodnocení kvality vody pro otevřený systém .................................................... 23 Tabulka č. 3, Energetické parametry půdy pro horizontální kolektor...................................... 25 Tabulka č. 5, Vliv chladiv na GWP a ODP.............................................................................. 33 Tabulka č. 6, Pracovní látky dnes běžně používané................................................................. 34 Tabulka č. 7, Pracovní látky, které by mohly v budoucnu nahradit dnes běžně používané pracovní látky ........................................................................................................................... 35 Tabulka č. 9, Celkové tepelné ztráty objektu ........................................................................... 39 Tabulka č. 10, Návratnost tepelného čerpadla ......................................................................... 42

47