Tepelné čerpadlo a geotermální energie

Projekt „Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97“ Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.02/02.0158

Tepelné čerpadlo a geotermální energie

Učebnice Průmyslové ekologie 2. díl

Mgr. Petr Dřímal

Zpracoval: 1

Tato učebnice vznikla v rámci projektu Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97, číslo projektu CZ.1.07/1.1.02/02.0158.

2

Autor učebnice: Mgr. Petr Dřímal, učitel matematiky a fyziky

Údaje o škole: Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97 Purkyňova 97 612 00 Brno Internetové stránky: www.sspbrno.cz E-mail: š[email protected] Telefon: 541 649 111

© Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97

3

Obsah 1

Úvod

5

1.1 Energie Země

5

1.2 Základní fyzikální pojmy

8

2

Tepelné čerpadlo

18

2.1 Historie tepelného čerpadla

18

2.2 Princip tepelného čerpadla

22

2.3 Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel

30

2.4 Primární okruh tepelného čerpadla

40

2.5 Chladivový okruh tepelného čerpadla

46

2.6 Sekundární okruh tepelného čerpadla

69

2.7 Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla

75

2.8 Náklady na energii v domácnosti a tepelné čerpadlo

79

2.9 Ekologie provozu tepelného čerpadla

83

3

Geotermální energie

85

3.1 Geotermální zdroje

88

3.2 Historie využití geotermální energie

95

3.3 Geotermální teplárny a elektrárny

98

3.4 Využití geotermální energie ve světě

103

3.5 Využití geotermální energie v České republice

106

3.6 Geotermální energie a životní prostředí

112

3.7 Výroba elektrické energie a tepla v České republice

115

Literatura

121

4

1 Úvod 1.1 Energie Země Pokud chceme využívat energii Země, měli bychom původ této energie znát. V této kapitole se velmi stručně seznámíme se vznikem sluneční soustavy, vznikem samotné planety Země a se zdroji energie, které na Zemi využíváme. Vznik planety Země Planeta Země je součástí sluneční soustavy. Lidstvo se již mnoho generací snaží odpovědět na otázku, jak sluneční soustava vznikla. Tato otázka je jistě komplikovanější, než pouhý popis toho, jak sluneční soustava vypadá dnes. I k pouhému popisu sluneční soustavy však vedla velmi trnitá cesta. Již v dobách, kdy lidé poprvé obraceli se zájmem svůj zrak k noční obloze, vytvářeli různé, často nesprávné, teorie na to, co se v našem nejbližším vesmírném okolí děje. V Antice každý věděl, že ve středu vesmíru je Země, kolem níž obíhají viditelné planety, a na samém konci vesmíru je sféra stálic, tedy objektů, které se nepohybují. Tento vesmír měl zásadní vadu – spočítáme-li planety viditelné ze Země, přitom započítáme i Měsíc, dojdeme k číslu devět. V Antice každý věděl, že to je špatně! Bylo všeobecně uznáváno, že pohyblivých vesmírných objektů musí být deset, a proto je zcela přirozené, že na odvrácené straně centrálního ohně (Slunce) je Protizemě a s ní je již pohyblivých vesmírných těles deset, takže je vše v naprostém pořádku. Ačkoli nám dnes připadá tato teorie až komická, ukazuje nám, jak nesmírně obtížný je popis vesmíru. Nepřekvapí nás tedy, že na otázku týkající se vzniku sluneční soustavy neexistuje jednoznačná odpověď, existuje však mnoho teorií, které se snaží tento nesmírně komplikovaný problém vyřešit. Nejrozšířenější teorií o vzniku sluneční soustavy je tzv. mlhovinová hypotéza, která předpokládá, že ve vesmíru existoval oblak složený z prachu a plynů, tzv. mlhovina. Mlhovina vznikla při výbuchu supernovy asi před 7 miliardami let obohacením mezihvězdného prachu o těžší prvky. Přibližně před 4,6 miliardami let došlo k výbuchu blízké hvězdy, tento výbuch byl spojený s tlakovou vlnou a část mlhoviny stlačil a uvedl do pohybu. Následkem výbuchu se tedy vytvořil hustší shluk, jenž se začal gravitační silou smršťovat. Částečky prachu a plynu se zformovaly do prstenců rotujících kolem hustého a hmotného středu mraku, do kterého byly postupně gravitační silou přitahovány další částice, zvyšovala se také jeho teplota. Jádro mračna se ohřálo natolik, že v něm začala probíhat termonukleární reakce a vzniklo Slunce. Společně se Sluncem se objevil sluneční vítr, který „odfoukl“ zbylý 5

prach a plyn směrem ke vznikajícím planetám. Malé částečky v mračnu do sebe začaly narážet a spojovat se do stále větších kusů hmoty. Díky působení gravitace vznikaly stále rozsáhlejší a hmotnější objekty a nakonec celé planety, mezi nimi i původní Země, jejíž objem neustále rostl vlivem srážek s dalšími tělesy. Celý povrch Země byl pokryt krátery od dopadů těchto těles. S růstem planety se zvětšovala i její gravitace a přitahovala další, a také hmotnější tělesa. Díky tomu se zvětšovala nejen intenzita nárazů, ale také množství tepla, které při nárazech vznikalo. Další nárazy postupně tavily zemský povrch, který byl nakonec tvořen doruda rozžhaveným magmatem, které pokrývalo celou planetu. Naše Země se dočasně proměnila ve žhavou kouli. Teploty na Zemi dosahovaly takových hodnot, že se od sebe začaly oddělovat jednotlivé prvky. Těžší prvky, jako např. železo a jiné kovy, klesaly ke středu, zatímco lehčí zůstávaly na povrchu. Tak došlo ke vzniku těžkého jádra, pláště a kůry, o jejíž vznik se zasloužily lehké prvky. Některá tělesa dopadající na Zemi obsahovala i vodu, která se odpařovala již při dopadu. Na rozdíl od kovů, které klesaly směrem ke středu, vodní pára spolu s jinými plyny a oxidem uhličitým stoupaly vzhůru a vytvořila se hustá mračna. Kolem Země vznikla prvotní atmosféra. Počet dopadajících planetek na zemský povrch se postupně zmenšoval a povrch Země začal chladnout, současně začala klesat také teplota atmosféry. Když poklesla asi na 300 °C, přišel první déšť, na horký zemský povrch začala dopadat voda. Voda se okamžitě po dopadu vypařila, ve vyšších výškách opět kondenzovala a vytvářela další mraky. Cyklus se neustále opakoval, až se na Zemi vytvořily oceány. Podobný proces probíhal pravděpodobně i na ostatních planetách zemského typu. Nedošlo zde ale ke vzniku oceánů, protože vlivy jako intenzivnější sluneční záření, slabší gravitace planety nebo vyšší teplota způsobily disociaci molekul vody a únik atomů vodíku do meziplanetárního prostoru. Energie Země Energie Země pochází ze dvou zdrojů. První zdroj, který tvoří její převážnou většinu, je sluneční záření. Sluneční záření vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Energie je Sluncem vyzařována do všech směrů stejně a na naši planetu jí dopadá jen nepatrná část – pouze asi jedna dvoumiliardtina. Druhý zdroj, který tvoří pouze zlomek energie Země, pochází z dob jejího vzniku. Jedná se převážně o původní teplo akumulované v jejím nitru doplňované rozpady radioaktivních látek. Zdroje energie obvykle dělíme na neobnovitelné a obnovitelné. Za neobnovitelný zdroj energie je obvykle považován takový zdroj energie, jehož vyčerpání je očekáváno v horizontu maximálně stovek let, ale jeho případné obnovení by trvalo mnohonásobně déle. Typickými 6

příklady neobnovitelných zdrojů energie jsou především fosilní paliva: uhlí, ropa, zemní plyn a rašelina. Jejich energie opět pochází ze Slunce a byla ukládána v tělech rostlin a živočichů v průběhu jejich života. Dále sem patří jaderná energie, protože přirozené přírodní zásoby štěpných materiálů jsou také vyčerpatelné. Tato energie patří do druhé, menší části energie Země, která pochází z jejího nitra. Obnovitelný přírodní zdroj je takový, který má schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to sám nebo za přispění člověka. Typické příklady obnovitelných zdrojů jsou energie větru, energie slunečního záření, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy a energie bioplynu, jejichž energie opět pochází ze Slunce. Do druhé skupiny obnovitelných energií patří geotermální energie.

Žáci by měli podrobněji znát neobnovitelné a obnovitelné zdroje energie. Vhodný je například referát. Neobnovitelné zdroje: - druhy neobnovitelných zdrojů, - původ neobnovitelných zdrojů, - naleziště neobnovitelných zdrojů, - zásoby neobnovitelných zdrojů. Obnovitelné zdroje:

7

1.2 Základní fyzikální pojmy Stručný přehled fyzikálních pojmů, veličin a jednotek používaných v dalším textu. 

Práce charakterizuje děj, při kterém se přemísťují tělesa vlivem působení síly. Urazí-li

těleso působením konstantní síly o velikosti F dráhu s, přičemž síla je rovnoběžná s trajektorií, je práce Jednotkou práce je joule (J). 

Výkon popisuje, jak rychle se koná práce. Průměrný výkon vypočítáme jako podíl práce

W a doby t, za kterou byla práce vykonána, tedy

Jednotkou výkonu je watt (W). Ze vztahu pro výkon lze odvodit:

Odtud vyplývá, že se pro práci může používat jednotka wattsekunda. Mnohem častěji se setkáváme s jejím násobkem kilowatthodinou. Platí:



Účinnost popisuje schopnost strojů využít dodanou energii E a přeměnit ji v užitečnou

práci W, tedy

kde P je výkon a 

příkon.

Kinetická energie hmotného bodu o hmotnosti m, který se pohybuje rychlostí v, je dána

vztahem



Termodynamika a molekulová fyzika jsou části fyziky, které se společně zabývají

teplotou a jejími změnami, tepelnou výměnou, vnitřní energií, změnou skupenství a podobně. Liší se pouze v přístupu ke zkoumaným tělesům. Termodynamika popisuje tělesa z tzv. makroskopického pohledu – vnímá je jako celek. Molekulová fyzika tělesa popisuje na základě jejich částicového složení. 8



Kinetická teorie stavby látek je základem molekulové fyziky, obsahuje tři

experimentálně ověřené poznatky: a) Látky všech skupenství se skládají z částic – částicemi rozumíme atomy, molekuly a ionty. b) Částice se v látkách neustále a neuspořádaně (chaoticky) pohybují – tento pohyb nazýváme tepelný pohyb, při vyšší teplotě se částice pohybují rychleji. c) Částice na sebe navzájem působí silami, tyto síly jsou při malých vzdálenostech odpudivé, při větších přitažlivé. 

Nultý zákon termodynamiky říká, že pokud jsou dvě tělesa při vzájemném dotyku v

tepelné rovnováze, můžeme jim přiřadit stejnou teplotu. Tepelná rovnováha znamená, že se žádné z dotýkajících se těles neohřívá ani neochlazuje (tento stav bývá často nazýván rovnovážným stavem soustavy). 

Celsiova teplota t, jednotku je Celsiův stupeň (°C). Celsiova teplotní stupnice má dva

základní body: 1. rovnovážný stav vody a ledu za normálního tlaku (101 325 Pa) – teplota tání ledu, dohodou jí přiřazujeme teplotu 0 °C, 2. rovnovážný stav vody a její syté páry za normálního tlaku – teplota varu vody, dohodou jí přiřazujeme teplotu 100 °C. Celsiovu teplotu měříme nepřímo, například pomocí objemové roztažnosti kapalin. Na teploměru experimentálně určíme polohy bodů 0 °C a 100 °C, tuto vzdálenost pak rozdělíme na sto stejných dílků odpovídajících velikostí 1 °C. 

Termodynamická teplota T, jednotkou je kelvin (K). Termodynamická teplotní stupnice

má jen jednu základní teplotu. Byla za ni zvolena teplota rovnovážného stavu soustavy led, voda a sytá vodní pára. Tento rovnovážný stav se nazývá trojný bod vody a dohodou mu byla přiřazena teplota 273,16 K. Převodní vztah mezi termodynamickou a Celsiovou teplotní stupnicí:

Převodní vztah mezi Celsiovou a termodynamickou teplotní stupnicí:

Termodynamická teplota 0 K je počátkem termodynamické teplotní stupnice. Libovolná soustava se k této teplotě může přiblížit, nemůže jí však dosáhnout. Proto se této teplotě říká absolutní nula. V blízkosti teploty 0 K (– 273,15 °C) se značně mění vlastnosti látek, např. elektrická vodivost. 9



Vnitřní energie tělesa je součet celkové kinetické energie neuspořádaně se pohybujících

částic tělesa (atomů, molekul, iontů) a celkové potenciální energie vzájemné polohy těchto částic. Změna vnitřní energie souvisí se změnami kinetické energie částic, která závisí na rychlosti jejich pohybu. Znamená to, že při změně vnitřní energie soustavy dochází ke změně její teploty. Vnitřní energii tělesa lze měnit: a) Konáním práce – např. tření nebo stlačování plynu. Při tření se částice ležící na styčných plochách těles vzájemnými nárazy více rozkmitají a předávají pak část své energie dalším částicím uvnitř těles. Proto se zvětšuje teplota obou těles i jejich vnitřní energie. Při stlačování plynu roste teplota i vnitřní energie plynu. b) Tepelnou výměnou – děj, který nastává při dotyku těles o různých teplotách. Neuspořádaně pohybující se částice teplejšího tělesa při něm narážejí na částice dotýkajícího se studenějšího tělesa a předávají jim část své kinetické energie. 

Teplo Q je energie, kterou při tepelné výměně předá teplejší těleso studenějšímu, jeho

jednotkou je joule (J). 

Zákon zachování energie: Při všech dějích probíhajících v izolované soustavě těles

zůstává součet kinetické, potenciální a vnitřní energie těles konstantní. 

Tepelná kapacita C tělesa udává teplo, které musí těleso přijmout, aby se jeho teplota

zvýšila o 1 °C (o 1 K).

kde Q je teplo, které přijme těleso při zvýšení teploty o 

.

Měrná tepelná kapacita c udává teplo, které musí přijmout 1 kg dané látky, aby se jeho

teplota zvýšila o 1 °C.

kde Q je teplo, které přijme těleso o hmotnosti m při zvýšení teploty o

.

Měrná tepelná kapacita je veličina charakteristická pro danou látku, poněkud se mění se změnou teploty, lze ji pro různé látky nalézt ve fyzikálních tabulkách, kde je uváděna obvykle pro teplotu 20 °C. Teplo, které přijme těleso, je přímo úměrné hmotnosti tělesa, měrné tepelné kapacitě tělesa a přírůstku jeho teploty:

10



Kalorimetrická rovnice popisuje tepelnou výměnu mezi dvěma tělesy. Teplo, které

jedno těleso odevzdá, se musí rovnat teplu, které druhé těleso přijme.

kde

je hmotnost, měrná tepelná kapacita a počáteční teplota prvního tělesa, je hmotnost, měrná tepelná kapacita a počáteční teplota druhého tělesa, výsledná teplota těles po vyrovnání teplot.



První termodynamický zákon popisuje situaci, kdy se vnitřní energie současně mění

konáním práce i tepelnou výměnou. Např. plyn v nádobě můžeme současně stlačovat a zahřívat stykem s teplejším tělesem. Přírůstek vnitřní energie soustavy

se rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy

působícími na soustavu silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě. Matematicky je tento poznatek vyjádřen rovnicí: , kde 

je práce plynu. Entalpie H udává tepelnou energii uloženou v termodynamickém systému (pracovní

látce). Entalpie, stejně jako vnitřní energie, je jedním z tzv. termodynamických potenciálů, to znamená, že její úbytek udává práci, kterou termodynamický systém vykonal:



Měrná entalpie h je entalpie pro 1 kg látky.



Stavová rovnice ideálního plynu popisuje vztah mezi stavovými veličinami

v libovolném rovnovážném stavu plynu.

kde p, V, T, N jsou stavové veličiny: p je tlak plynu, V je objem plynu, T je termodynamická teplota plynu a N je počet částic plynu. 

je Boltzmannova konstanta.

Stavová rovnice ideálního plynu stálé hmotnosti popisuje vztah mezi stavovými

veličinami téhož plynu ve dvou různých stavech. První stav popisuje rovnice

druhý stav popisuje rovnice

11

počet částic N se nemění, jelikož se nemění hmotnost plynu. Z předchozích vztahů plyne



Izotermický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti je děj, při kterém se nemění teplota

plynu. Platí stavová rovnice:

grafem izotermického děje v pV diagramu je izoterma. Při izotermickém ději je stálá teplota plynu, proto je stálá také vnitřní energie plynu. Teplo přijaté plynem při izotermickém ději je tedy rovno práci, kterou plyn vykoná:



Izochorický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti je děj, při kterém se nemění objem

plynu. Platí stavová rovnice:

grafem izobarického děje v pV diagramu je izobara. Při izochorickém ději je stálý objem plynu, proto plyn nekoná práci. Teplo přijaté plynem při izochorickém ději je tedy rovno přírůstku jeho vnitřní energie:



Izobarický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti je děj, při kterém se nemění tlak

plynu. Platí stavová rovnice:

grafem izobarického děje v pV diagramu je izobara. Teplo přijaté plynem při izobarickém ději je rovno součtu přírůstku jeho vnitřní energie a práce, kterou plyn vykoná:



Adiabatický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti je děj, při kterém neprobíhá tepelná

výměna mezi plynem a okolím. Pro adiabatický děj platí Poissonův zákon:

12

kde

je Poissonova konstanta, která závisí na druhu plynu. Pro plyny s jednoatomovými

molekulami je přibližně 1,66, pro plyn s dvouatomovými molekulami asi 1,4. Grafem adiabatického děje v pV diagramu je adiabata. Při adiabatickém ději si plyn nevyměňuje teplo se svým okolím, proto je změna jeho vnitřní energie rovna práci vykonané okolními silami:

Při adiabatické kompresi (stlačování) plynu se teplota plynu zvyšuje. Při adiabatické expanzi (rozpínání) plynu se teplota snižuje. 

Kruhový děj je děj, při kterém je konečný stav soustavy totožný s počátečním stavem.

Grafem kruhového děje v pV diagramu je vždy uzavřená křivka.

Obr. 1.1 Znázornění kruhového děje 

Práce

vykonaná během jednoho cyklu kruhového děje pracovní látkou je dána

obsahem plochy uvnitř křivky zobrazující kruhový děj. 

Druhý termodynamický zákon říká, že nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj,

který by jen přijímal teplo od určitého tělesa (ohřívače) a vykonával stejně velkou práci. 

Schéma cyklicky pracujícího tepelného stroje:

Obr. 1.2 Schéma cyklicky pracujícího tepelného stroje

13

je teplo přijaté pracovní látkou od ohřívače o teplotě látkou chladiči o teplotě 

a

,

je teplo předané pracovní

´ je strojem vykonaná práce.

Carnotův cyklus popisuje funkci ideálního tepelného stroje, který převádí dodanou

energii na užitečnou práci s maximální možnou účinností. Pro účinnost tepelného stroje platí:

Chladnička je takový tepelný stroj, který využívá práce k čerpání tepla z chladnějšího prostředí do teplejšího a to cyklickým vykonáváním vhodné posloupnosti dějů. V domácí chladničce koná práci elektrický kompresor a přenáší teplo prostřednictvím pracovní látky (chladicího média) z prostředí pro uskladnění jídla do místnosti. Ideální Carnotova chladnička je totéž co ideální Carnotův tepelný motor pracující pozpátku.

Obr. 1.3 Schéma chladničky a tepelného čerpadla K popisu míry účinnosti (chlazení) používáme veličinu chladicí faktor:

Tepelné čerpadlo pracuje stejně jako chladnička, pouze s tím rozdílem, že teplo odebírané chladnějšímu (venkovnímu) prostředí využíváme pro vytápění. Jeho mírou účinnosti je topný faktor:



Vypařování je změna skupenství látky z kapalného na plynné, probíhá při všech

teplotách, jeho rychlost závisí především na teplotě kapaliny, druhu kapaliny, obsahu povrchu kapaliny a tlaku par nad kapalinou. Při vypařování kapalina odebírá teplo svému okolí. 

Skupenské teplo vypařování

je teplo, které musí kapalina přijmout, aby se přeměnila

v páru téže teploty. Jednotkou této veličiny je joule (J).

14



Měrné skupenské teplo vypařování

je skupenské teplo vypařování pro 1 kg dané

kapaliny. Tedy

S rostoucí teplotou hodnota měrného skupenského tepla vypařování klesá. 

Var kapaliny je zvláštní případ vypařování, při kterém se kapalina vypařuje nejen na

svém povrchu, ale také uvnitř. Teplota varu kapaliny je závislá na vnějším tlaku. S rostoucím tlakem se zvyšuje. 

Kapalnění (kondenzace) je obrácený děj k vypařování.



Sytá pára je pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou, což znamená, že

počet molekul, který se za určitý čas vypaří je stejný jako počet molekul, který za stejný čas zkapalní. V uzavřené nádobě v neměnných vnějších podmínkách se nad kapalinou vždy vytvoří sytá pára. Její tlak je určen druhem kapaliny a teplotou.

PŘÍKLADY: 1) Vyjádřete v Celsiových stupních zápis a) T = 30 K, b) T = 300 K. °

°

2)

Vyjádřete v Kelvinech zápis a) t = 30 °C, b) t = -20 °C.

3)

Tenisový míček o hmotnosti 58 g narazil vodorovným směrem na svislou stěnu rychlostí 90 km.h–1 a odrazil se rychlostí 60 km.h–1. O jakou hodnotu vzrostla při nárazu vnitřní energie míčku a stěny?

4)

Předmět o hmotnosti 2 kg, teplotě 30 °C a měrné tepelné kapacitě 400 J.kg-1K-1 byl vložen do kapaliny o hmotnosti 4 kg, teplotě 90 °C a měrné tepelné kapacitě 100 J.kg-1K-1. Určete výslednou teplotu soustavy po dosažení rovnovážného stavu. °

15

5)

Na obr. je nakreslen graf vyjadřující změnu teploty tělesa o hmotnosti 5 kg jako funkci tepla přijatého tělesem. Určete: a) teplo, které přijme těleso při ohřátí ze 20 °C na 40 °C, b) tepelnou kapacitu tělesa, c) měrnou tepelnou kapacitu tělesa.

6)

Jak se změní vnitřní energie plynu, pokud odevzdá teplo 500 J a vykoná práci 200 J? Jak se změní teplota plynu, pokud je jeho měrná tepelná kapacita 350 J.kg-1.K-1 a °

hmotnost 0,5 kg?

7)

Kolik molekul ideálního plynu je obsaženo v 1 mm3 plynu při tlaku 0,1 MPa a teplotě 27 °C. Boltzmannova konstanta je 1,38.10-23 J.K-1.

8)

Jak se změní termodynamická teplota plynu stálé hmotnosti, jestli-že se jeho tlak zdvojnásobí a objem klesne o 60 %?

9)

Při teplotě 10 °C má plyn tlak 1 MPa, jaký bude jeho tlak při teplotě 250 °C? Plyn má stálou hmotnost a nemění se jeho objem.

10)

Při teplotě 20 °C má plyn objem 5 l, jaký bude jeho objem při teplotě 100 °C? Plyn má stálou hmotnost a nemění se jeho tlak.

11)

Jakou práci vykoná plyn, který má stálý tlak 1 kPa, jestliže se jeho objem 0,4 m3 ztrojnásobí?

16

12)

Plyn přijal od ohřívače během jednoho cyklu teplo 55 J a vykonal práci 20 J. Určete: a) teplo, které předal chladiči, b) účinnost kruhového děje.

13)

Plyn vykoná kruhový děj znázorněný na obrázku. Určete práci vykonanou plynem během jednoho cyklu.

14)

Plyn během jednoho cyklu s účinností 80 % vykoná práci 12 kJ. Jak velké teplo musí během tohoto cyklu přijmout od ohřívače? Jaké teplo předá chladiči?

15)

Vodu o hmotnosti 0,4 kg a teplotě 10 °C zahříváme na teplotu varu 100 °C a dále, dokud se všechna nevypaří. Určete teplo, které spotřebujeme (měrná tepelná kapacita vody je 4180 J.K-1 kg-1, měrné skupenské teplo varu vody je 2,25 MJ.kg-1).

16)

Led o hmotnosti 0,4 kg a teplotě 0 °C smícháme s vodou o hmotnosti 2 kg a teplotě 30 °C. Určete výslednou teplotu soustavy (měrná tepelná kapacita vody je 4180 J.K-1 kg-1, měrné skupenské teplo tání ledu je 334 kJ.kg-1). °

17

2 Tepelné čerpadlo 2.1 Historie tepelného čerpadla Jako první historický údaj uváděný v souvislosti s tepelnými čerpadly se obvykle udává rok 1824, kdy S. N. L. Carnot, v návaznosti na dílo svého otce, publikoval dílo „Úvahy o hybné síle ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu“, kde mimo jiné popsal svůj známý cyklus, později pojmenovaný jeho jménem jako Carnotův cyklus. Na základě jeho prací roku 1852 formuloval William Thomson (známý jako lord Kelvin) princip tepelného čerpadla, avšak k jeho praktickému využití vedla ještě dlouhá cesta. Původně veškeré snahy směřovaly k výrobě chladícího zařízení, které je samozřejmě také tepelným čerpadlem, avšak využívaným v obráceném směru, než topná zařízení. Jako chladiva byla používána voda, dietyléter, metyléter, oxid uhličitý, oxid siřičitý a jiné. V roce 1834 sestrojil J. Perkins zařízení pracující s dietyléterem, v roce 1859 vzniklo první zařízení pracující se čpavkem. Teprve počátkem dvacátých let 20. století se rozšířilo používání chladící techniky i do domácností. První prakticky použitelný chladicí systém byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. Většího rozšíření doznala chladící technika po roce 1932, kdy začala americká firma Kinetic Chemicals Inc. používat chladivo, kterému dala obchodní název freon. Tím nastal velký rozmach používání bezpečných, nejedovatých, a chemicky velmi stálých chladiv na bázi chlorovaných uhlovodíků. Bohužel se v této době ještě nic nevědělo o negativním vlivu těchto látek na životní prostředí. Během let jich bylo vyrobeno statisíce tun a jejich použití se rozšířilo i do oblasti mimo oblast chladící techniky a tepelných čerpadel. Současně s nimi se v chladicích zařízeních používal a dodnes používá čpavek. V osmdesátých letech 20. století, kdy byl zjištěn a prokázán negativní vliv chloru na ozónovou vrstvu Země, nastal postupný útlum výroby těchto látek a začalo hledání jiných, méně škodlivých sloučenin a jejich směsí, které by měly stejné nebo podobné termodynamické vlastnosti jako freony. První tepelné čerpadlo sloužící k získávání tepla bylo sestrojeno v podstatě náhodou americkým vynálezcem Robertem C. Webberem na konci čtyřicátých let 20. století. V okamžiku, kdy prováděl pokusy s hlubokým zamrazením, dotkl se omylem výstupního potrubí mrazícího přístroje a popálil si dlaň. Této náhodě vděčíme za odhalení funkce tepelného čerpadla jako zdroje tepla. Webber následně propojil výstup z mrazáku s bojlerem na teplou vodu. Jelikož měl stále přebytek tepla, napojil horkou vodu na potrubní smyčku a pomocí malého větráku začal vhánět teplý vzduch do domu. Následně zkusil úspěšně čerpat 18

teplo ze země pomocí zemních kolektorů. Výsledky ho natolik příjemně překvapily, že v následujícím roce údajně prodal svůj starý kotel na uhlí. Širšímu využívání tepelných čerpadel dlouhou dobu bránila vysoká cena zařízení vzhledem k nízkým cenám energií. To platilo obecně ve světě i u nás. Větší rozšíření tepelných čerpadel nastalo až v osmdesátých letech minulého století, kdy docházelo ke zvyšování cen energií. V grafech jsou znázorněny počty instalací tepelných čerpadel ve Francii a Německu. Je zde patrný mimořádný nárůst kolem roku 1980 a následně prudký propad. Trvalo dlouhá léta, než se opět v období kolem roku 2000 počet instalací začal zvyšovat (obdobná situace byla i v dalších zemích západní Evropy).

Obr. 2.1 Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel ve Francii (zdroj AVČT)

Obr. 2.2 Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v Německu (zdroj AVČT)

19

Tento vývoj zavinily dvě skutečnosti. V osmdesátých letech nebyly technicky vyřešeny všechny provozní stavy, které musí tepelné čerpadlo zvládnout. Je to zařízení, které z jednoho prostředí přenáší tepelnou energii do druhého prostředí, přičemž vstupní a výstupní parametry se průběžně mění. První tepelná čerpadla tyto požadavky dostatečně nezvládla, byla poruchová a nesplnila očekávání svých majitelů. Druhým významným faktorem, který negativně ovlivnil provozní zkušenosti s tepelnými čerpadly, byla jejich instalace. Tepelné čerpadlo totiž nelze zapojit do stávajícího otopného systému a předpokládat, že systém bude vytápět objekt stejně. To si samozřejmě tehdy instalatéři neuvědomovali, a proto nevědomky přispěli k tomu, že tepelná čerpadla neplnila očekávání. Trvalo řadu let, než se důvěra v tepelná čerpadla opět obnovila. V České republice bylo před rokem 1990 nainstalováno jen několik kusů tepelných čerpadel, a to zejména z propagačních či demonstračních důvodů. Teprve po roce 1990 se začaly objevovat skutečná tepelná čerpadla, převážně dovážená ze zemí, kde už s nimi měli své zkušenosti: ze Švédska, Německa a Rakouska. Následně se svojí produkcí připojili i tuzemští výrobci, kteří získávali své první zkušenosti. Prakticky se jednalo jen o desítky instalací ročně, později to již byly stovky. Skutečný rozvoj instalací však nastal až po roce 2000, jak je vidět v grafu.

Obr. 2.3 Vývoj počtu instalací tepelných čerpadel v ČR v minulých letech (zdroj AVČT) Důvody, proč byl rozvoj v prvních deseti letech tak pomalý, souvisejí s ekonomikou provozu, která je navázána na cenu paliv a energií. Je-li cena paliva nízká, pak je nízká také částka ušetřená tepelným čerpadlem. Návratnost investice do tohoto zařízení je dlouhá

20

a v začátcích

využívání

tepelných

čerpadel

často

překračovala

jejich

životnost.

Z ekonomického hlediska pak samozřejmě pro pořízení tepelného čerpadla nebyl důvod. Změna nastala po roce 2000. V tomto období začaly existovat programy podporující instalace tepelných čerpadel: 

Vznikla Asociace pro využití tepelných čerpadel (AVČT), která byla partnerem při jednání s orgány státní správy.



Státní fond životního prostředí ČR stanovil podmínky dotační politiky na instalace tepelných čerpadel.



Pro tepelná čerpadla v rodinných domech byly zavedeny speciální sazby za elektrickou energii.



Některá města začala poskytovat na tepelná čerpadla dotace. Významnou roli sehrálo v tomto období současně zvyšování cen energií, které se

promítlo do ekonomické návratnosti tepelných čerpadel – klesla na méně než 10 let (ve Francii se uvádí pouze 3 - 4 roky), což byla oproti dřívějšímu stavu přibližně polovina; před rokem 2000 návratnost investice do tepelného čerpadla běžně přesahovala 20 let. Díky Asociaci pro využití tepelných čerpadel byl zahájen program osvěty mezi laickou veřejností a současně vzdělávací program pro odbornou veřejnost, aby se předešlo chybám, které v 80. letech přivodily propad instalací v západní Evropě. Proběhla řada seminářů určených pro instalační firmy, projektanty, výrobce a dovozce s cílem eliminovat poruchovost tepelných čerpadel a provozovat je za optimálních podmínek. Realizace tepelných čerpadel zpočátku narážela na řadu problémů, které prakticky nikdo nepředpokládal. Stavební úřady vesměs neinformované o tom, co to je tepelné čerpadlo a co je nutné pro jeho provoz v horninách udělat, prakticky nic nevyžadovaly, což pak ve svém důsledku mohlo vést ke kontaminaci nebo ztrátě spodních vod. Proto se zpřísnily podmínky pro provádění těchto prací a byla uložena povinnost vypracovat odbornou projektovou dokumentaci, která musela být projednána a schválena dotčenými orgány. Druhou oblastí, kde instalovaná tepelná čerpadla narážejí na problémy, je hlučnost, která se týká především systémů vzduch - voda. Tepelná čerpadla některých výrobců se vyznačují vysokou úrovní provozního hluku. Hygienický předpis však stanovuje, jaké jsou přípustné hladiny hluku podle lokalit a podle denní doby. Zde rovněž dochází ke konfliktům, které mívají i soudní dohru.

21

2.2 Princip tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo je zařízení, které umí využívat tzv. nízkopotenciální energii, které je kolem nás obrovské množství. Za nízkopotenciální tepelnou energii považujeme energii obsaženou v látkách o nízké teplotě, která se nehodí pro přímé použití. Obvykle se jako zdroj této energie používá vzduch, voda nebo povrchová vrstva země. Tepelné čerpadlo dokáže tuto energii převést do užitečné podoby. Ke svému provozu potřebuje určité množství energie, obvykle elektrické. Tepelné čerpadlo tedy energii nevyrábí, pouze ji „přečerpává“ na vyšší teplotní úroveň.

Obr. 2.4 Princip tepelného čerpadla (zdroj KLIMA RAPID) Většinou je každému jasné, že při ochlazení vody v topném systému například ze 70 °C na 65 °C se určité množství tepla předá do vzduchu, který se jím ohřeje. Bývá hůře představitelné, že totéž množství tepla získáme, ochladíme-li vodu o stejné hmotnosti s teplotou 10 °C na teplotu 5 °C. Podobně lze získat teplo i ochlazením nemrznoucích směsí a vzduchu, kde se můžeme pohybovat i v teplotách pod bodem mrazu. Získané teplo samozřejmě závisí na velikosti ochlazení a na druhu látky, které teplo odebíráme. Tepelné čerpadlo neporušuje žádný fyzikální zákon, jak se někdy s nadsázkou tvrdí. Fyzikální zákony platí stejně při všech teplotách, jen člověk má při různých teplotách jiné subjektivní pocity. Zákony termodynamiky i naše vlastní zkušenost nám říká, že teplo z chladnějšího tělesa nikdy samovolně nepřejde na těleso teplejší. Jak se tedy můžeme ohřát od zeminy s teplotou 8 °C? V uvedené větě je důležité slůvko samovolně. Pokud totiž dodáme nějakou vnější energii (v případě tepelného čerpadla je to elektřina pro pohon kompresoru), pak můžeme i teplo z relativně chladného tělesa převést (přečerpat) na vyšší teplotní hladinu. Třeba teplotu okolo 50 °C, kterou použijeme v radiátorech ústředního topení.

22

O funkci tepelného čerpadla se často říká, že je stejná jako funkce chladničky, pouze obrácená. Teplo, které chladnička odebírá potravinám, předává do vzduchu v bytě svojí zadní stranou. Trvale tak vytápí naši kuchyni. Co se stane, pokud bychom chladničku posadili do okna tak, aby dvířka směřovala ven a zadní strana do místnosti? Pokud dvířka zůstanou otevřená, bude chladnička celý den chladit venkovní vzduch a v místnosti topit. Tak získáme tepelné čerpadlo vzduch – vzduch, které nepochybně bude nějaký čas fungovat. Chladnička odebírá teplo z ochlazovaného prostoru a uvolňuje ho při vyšší teplotě do místnosti. Tepelné čerpadlo odebírá teplo z chladného venkovního prostředí (vody, vzduchu, půdy), toto prostředí se ochlazuje a získané teplo se předává při vyšší teplotě do topného systému. Funkce se liší pouze v tom, že u ledničky využíváme prostor, kde je teplo odebíráno, kdežto u tepelného čerpadla prostor, kde je teplo předáváno. Tepelné čerpadlo využívá skutečnosti, že teplota varu látek závisí na tlaku. Například čpavek NH3 se vaří při atmosférickém tlaku (100 kPa) již při – 33 °C. Pokud ho ale stlačíme na tlak 2 MPa začne vřít až při 50 °C. Čpavek je tedy možno použít jako chladivo pro tepelná čerpadla a je jednou z prvních hojně využívaných látek. V současné době je jeho využívání kvůli jedovatosti téměř opuštěné, můžeme se s ním setkat ve starších průmyslových zařízeních, nebo třeba u chlazení zimních stadionů.

Obr. 2.5 Obecné schéma tepelného čerpadla (zdroj

)

Na vstupní, tzv. primární straně tepelného čerpadla, je vždy výměník tepla, nazývaný výparník. Sem se pomocí vhodné látky (vzduch, voda, nemrznoucí směs) přivádí nízkopotenciální teplo zvenku a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického 23

expanzního ventilu vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak za expanzním ventilem ve výparníku je nižší a kapalné chladivo se proto rychle odpařuje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého se odebírá teplo. Tak je dosaženo toho, že teplo ze „studené“ strany ohřívá podchlazený plyn a tento ohřátý, ale stále ještě studený plyn je nasáván kompresorem. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stlačení kompresorem se plyn silně zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie získaná prací elektromotoru při stlačení plynu. Stlačený plyn vycházející z kompresoru dosáhne vyšší teploty než voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku, tzv. kondenzátoru, kterým proudí topná voda. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. Kapalina je opět přivedena do expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola. Na obrázku jsou uvedeny přibližné teploty pro tepelné čerpadlo voda – voda. Celé zařízení používající pro vytápění tepelné čerpadlo lze rozdělit na tři hlavní části: 

Primární okruh – část, která zprostředkovává přívod nízkopotenciálního tepla ze zdroje do výparníku.



Chladivový okruh – hlavní část, která zajišťuje „přečerpání“ energie na vyšší teplotní úroveň. Druhy kapalin používané v tomto okruhu jsou stejné, jako druhy kapalin používané u chladniček, proto se nazývají chladiva. Z toho také plyne název okruhu.



Sekundární okruh – část, která slouží k rozvodu tepla pro vytápění. Energetickou efektivitu většiny zařízení posuzujeme podle jejich účinnosti. To je poměr

mezi získanou energií a energií dodanou. Každé zařízení má určité ztráty, proto je vždy účinnost menší než 100 %. Připomeňme, že měřítkem energetické efektivity tepelného čerpadla je poměr celkové výstupní energie a energie pro pohon. Tento poměr je nazýván topný faktor K. Někdy se pro jeho označení používá zkratka COP (Coefficient of Performance). Topný faktor je bezrozměrné číslo, jeho velikost se pohybuje podle druhu tepelného čerpadla a provozních podmínek běžně v mezích 2,5 – 5, za mimořádně příznivých podmínek i více. Pokud bychom chtěli zjistit skutečnou účinnost tepelného čerpadla, museli bychom do vstupní energie zahrnout i teplo odebrané z okolního prostředí, takto stanovená účinnost by samozřejmě byla menší než 100 %. Pro nás je však podstatný topný faktor, jelikož teplo odebrané okolnímu prostředí získáváme bez jakýchkoliv nákladů, proto také můžeme hodnotu topného faktoru považovat za číslo, které udává, kolikrát jsou nižší náklady na získané teplo při použití tepelného čerpadla. Odebraná energie z přírody bývá obvykle 1,5 krát až 4 krát vyšší než vlastní spotřeba pro pohon. 24

Pro topný faktor K platí:

je teplo dodané nízkopotenciálním zdrojem,

kde

je práce vykonaná kompresorem,

je výsledné odevzdané teplo. Také platí

je termodynamická teplota na vstupu do tepelného čerpadla a

kde

je výstupní

termodynamická teplota z tepelného čerpadla. Dále

je elektrický příkon,

kde

je tepelný výkon z nízkopotenciálního zdroje tepla,

je celkový výkon. Tyto vztahy platí pro tepelné čerpadlo pouze přibližně, protože jeho cyklus neprobíhá přesně podle ideálního Carnotova cyklu a to z celé řady příčin. Především jsou to nedokonalé vlastnosti použitých součástek a kapalin (tepelné a tlakové ztráty, tření a podobně). V praxi také zjistíme, že tepelné čerpadlo potřebuje elektřinu nejen pro pohon kompresoru, ale i pro oběhová čerpadla, případně ventilátory. Spotřeba oběhových čerpadel u tepelného čerpadla se zemním kolektorem nebo hlubinnými vrty je relativně malá, ale nelze ji zanedbat. Spotřeba ventilátorů u systémů ochlazujících venkovní nebo vnitřní vzduch je ještě vyšší. Pokud ji pomineme, může nás později nemile překvapit, že účty za elektřinu jsou vyšší, než jsme čekali. Rovněž u dotačních programů, kde je vyžadován určitý minimální topný faktor, může být rozdíl mezi teoretickým a skutečným topným faktorem rozhodující. Spotřeba oběhového čerpadla vlastního ústředního topení je obvykle zanedbatelná, navíc by systém nejspíš potřeboval oběhové čerpadlo i v případě použití jiného zdroje, například plynového kotle. Proto se jeho spotřeba do celkového topného faktoru nezapočítává. Příklad: Vypočítejte teoretický topný faktor tepelného čerpadla, pokud teplota zdroje je 10 °C a výstupní teplota je a) 50 °C, b) 30 °C.

25

Topný faktor v prvním případě je 8, ve druhém 16. Z tohoto příkladu je vidět vliv rozdílu teplot na výsledek. V praxi to znamená, že je výhodnější používat zdroje tepla o vyšší teplotě a teplo dodávat do systému o co nejnižší teplotě, jako je například podlahové vytápění. Je také zřejmé, že se topný faktor mění podle okolních podmínek. Tepelné čerpadlo spotřebovává více energie při velkém rozdílu teplotních hladin. Teplota zdroje (vzduch, půda, voda) během roku kolísá, mírně může kolísat i výstupní teplota z tepelného čerpadla Pro nízkoteplotní vytápěcí systémy v domech požadujeme teplotu 30 °C – 50 °C. Zdroje tepla pro tepelná čerpadla mají různé teploty. Aby byl rozdíl hladin co nejmenší, je tedy žádoucí ochlazovat co nejteplejší látku. Teoreticky můžeme ochlazovat cokoliv, pro běžnou praxi se teploty ochlazovaných látek pohybují kolem 0 °C. Topný faktor tepelného čerpadla je silnou marketingovou zbraní prodejců tepelných čerpadel. Pro porovnání dvou tepelných čerpadel podle topného faktoru je vždy nutné znát podmínky, za kterých je uvedený topný faktor dosažen, tedy teploty vstupního a výstupního média. Například takto: topný faktor je 3,4 při teplotě vody vstup/výstup 0°C/45°C. Samotný údaj topného faktoru je zcela bezcenný. Podobně nelze říci, že tepelné čerpadlo s topným faktorem 4 při teplotě vody vstup/výstup 10°C/45°C je lepší než tepelné čerpadlo s topným faktorem 3,2 při teplotě vody vstup/výstup 0°C/50°C. Opak může být pravdou.

26

Seriózní dodavatelé tepelných čerpadel tyto podmínky vždy uvádějí. V ideálním případě jsou parametry uváděny podle požadavků normy ČSN EN 255. Pak jsou tepelná čerpadla vzájemně velmi dobře srovnatelná. U komerčně dodávaných tepelných čerpadel udávají výrobci topný faktor v několika provozních stavech, někdy i formou grafu. Protože teplota ochlazované látky během roku kolísá, je třeba správně odhadnout celoroční topný faktor. Příklad: Požadovaný výkon tepelného čerpadla je 10 kW, zdrojem tepla je podzemní voda, u které se předpokládá ochlazení o 4 °C. Velikost topného faktoru je 4. Určete: a) potřebný výkon zdroje tepla, b) potřebný průtok vody ze zdroje, c) příkon kompresoru.

a)

Ze vzorce pro topný faktor odvodíme vztah pro výkon zdroje tepla:

Potřebný výkon zdroje tepla je 7,5 kW.

b)

Teplo, které se uvolní z vody při jejím ochlazení a výkon zdroje tepla:

27

Vypočítáme hmotnost vody, kterou musíme ochladit každou sekundu, abychom získali potřebný výkon:

Potřebný průtok vody je 0,45 l/s, což je 27 l/min.

c)

Příkon kompresoru určíme například ze vztahu:

Potřebný příkon kompresoru je 2,5 kW. Stejný postup výpočtu potřebného průtoku jako v příkladu se volí i v případě zemních kolektorů. V těchto případech má tepelné čerpadlo nižší topný faktor a měrnou tepelnou kapacitu vody musíme nahradit měrnou tepelnou kapacitou solanky (nemrznoucí směs), která je asi o 10 % – 15 % nižší. Vypočtený výkon kompresoru je teoretický, přesná hodnota se stanoví na základě typu tepelného čerpadla a kompresoru a na základě termodynamických vlastností chladiva.

PŘÍKLADY: 1)

Porovnejte teoretický topný faktor dvou tepelných čerpadel. V prvním případě je teplota zdroje 5 °C a výstupní teplota 40 °C, ve druhém případě je vstupní teplota 15 °C a výstupní 50 °C. 28

2)

Určete maximální možný výkon tepelného čerpadla, pokud zdrojem je podzemní voda o průtoku 24 l/min. Předpokládáme ochlazení vody o 3,5 °C a topný faktor 4.

29

2.3 Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel Podle způsobů získávání tepla lze rozdělit tepelná čerpadla na několik skupin. Zdrojem energie může být: 

venkovní vzduch,



vnitřní vzduch (vzduch odváděný větracím systémem budovy),



povrchová voda (tekoucí voda, nádrže, rybníky a podobně),



podzemní voda (vrty, studny, zavodněné šachty),



půdní vrstva (zemní kolektory),



suché zemské teplo hornin (suché zemní vrty).

Volba primárního zdroje tepla má zásadní vliv na konstrukci a vlastnosti tepelného čerpadla. V názvech systémů tepelných čerpadel vždy první slovo znamená zdroj nízkopotenciálního tepla, druhé slovo médium, do kterého se teplo předává. Tepelné čerpadlo vzduch – voda Tepelné čerpadlo vzduch – voda odebírá teplo z okolního nebo odpadního vzduchu a předává ho do topné vody. Okolní vzduch ohřívaný sluncem je k dispozici všude a zdarma. Jako zdroj tepla je nejdostupnější a prakticky nevyčerpatelný. Tento zdroj můžeme považovat za nejekologičtější.

Obr. 2.6 Vzduch jako zdroj energie (zdroj SOUE Plzeň) Na primární straně tepelného čerpadla je lamelový výparník doplněný ventilátorem pro zlepšení přenosu tepla ze vzduchu. Obvyklá konstrukce tohoto tepelného čerpadla je dvoudílná (tzv. split). Venkovní a vnitřní část jsou spojeny tepelně izolovanými trubkami, ve kterých proudí chladivo. V některých konstrukcích je ve venkovní části jen výparník, ventilátor a expanzní ventil. Zbývající díly včetně kompresoru jsou uloženy ve vnitřní jednotce. V některých konstrukcích je venku i kompresor a ve vnitřní jednotce je jen sekundární výměník. U těchto jednotek je

30

nutné klást důraz na minimalizaci hluku ventilátoru společně s kompresorem a montovat je pouze v místech, kde nebude hluk vadit.

Obr. 2.7 Venkovní a vnitřní část tepelného čerpadla vzduch – voda (zdroj NIBE ENERGY SYSTEMS)

Obr. 2.8 Schéma děleného tepelného čerpadla (zdroj

)

Existují také tzv. kompaktní tepelná čerpadla, která jsou dodávána výrobcem v celku. Celé tepelné čerpadlo je umístěné venku. Jednodušší instalace je komplikována tím, že může dojít k zamrznutí při výpadku elektrické energie, nebo se musí v celém topném systému 31

použít nemrznoucí směs. Kompaktní tepelné čerpadlo lze také umístit dovnitř budovy, v tomto případě je nutné řešit přívod venkovního a odvod ochlazeného vzduchu.

Obr. 2.9 Kompaktní tepelné čerpadlo umístěné venku (zdroj

)

Obr. 2.10 Malé kompaktní tepelné čerpadlo vzduch – voda (foto Ing. Antonín Žeravík) U všech tepelných čerpadel vzduch – voda je nutné počítat s tím, že se na výparníku sráží voda a při nižších teplotách se tvoří námraza. Jednoduchost instalace tohoto typu tepelných čerpadel a dostupnost vzduchu jako zdroje tepla je vykoupena tím, že s klesající venkovní teplotou klesá jejich výkon a efektivita. Efektivní využití sahá přibližně jen do teplot v rozmezí – 5 °C až – 10 °C. Proto se počítá s tím, že při nízkých venkovních teplotách pokryje další spotřebu energie jiný zdroj tepla. Obvykle je to malý elektrokotel, který je zařazen do výstupní větve sekundárního okruhu tepelného čerpadla, takže topná voda tekoucí z tepelného čerpadla se jím přihřívá. Při

32

nejnižších teplotách se tepelné čerpadlo vypíná úplně a celý výkon dodává jen elektrokotel. V současné době se na trhu objevují tepelná čerpadla, která mají uspokojivý topný faktor i při nižších teplotách, ovšem přídavný zdroj tepla je stále jejich součástí. Tepelné čerpadlo voda – voda Tepelné čerpadlo voda – voda odebírá teplo z vody, která buď přímo protéká výměníkem na primární straně tepelného čerpadla (otevřený primární okruh), nebo pomocí kolektorů (uzavřený primární okruh). Teplo se předává do topné vody. S ohledem na dosahovanou efektivitu může být voda při vhodném podzemním zdroji, například ze studny, nejlepším zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo. Tento systém má nejvyšší průměrný roční topný faktor při nejnižších nákladech. Teplota spodní vody je během celého roku relativně stálá, pohybuje se v mezích od 8 °C do 10 °C (v místech s termálními prameny lze čerpat vodu o teplotě až 20 °C). Dá se proto očekávat, že výkon tepelného čerpadla bude také relativně stálý i během zimních měsíců. Potřebný průtok vody lze velice snadno stanovit na základě požadovaného výkonu. Předpokládá se ochlazení vody v tepelném čerpadle asi o 3 °C – 5 °C. Ochlazení nesmí být příliš velké, aby nemohlo docházet k zamrzání vody ve výparníku. Tepelné čerpadlo také musí být chráněno proti výpadku zdrojové vody, jinak hrozí okamžité zamrznutí výměníku, případně jeho poškození. Pouhé vložení nějakého výměníku do studny by v žádném případě k odběru tepla nestačilo. Došlo by k postupnému zamrznutí vody. Samovolný pohyb vody ve studni i většího průměru není dostačující. Podzemní voda musí proudit a odebírat teplo okolí. Stejně tak nelze čerpat vodu z jedné studny a do téže studny ji vracet. PŘÍKLAD: Vypočítejte, za jak dlouho by se voda o teplotě 10 °C ve studni o objemu 2 m3 ochladila bez přítoku na 0 °C, při provozu tepelného čerpadla s odběrem tepla 10 kW.

Teplo, které se uvolní z vody při jejím ochlazení, výkon zdroje tepla a změna teploty: 33

Vypočítáme dobu, za kterou se voda ochladí na 0 °C:

Voda by se ochladila na 0 °C asi za 2 hodiny a 20 minut. Na studny jako zdroje tepla jsou kladeny určité požadavky. Nejedná se jen o množství čerpané vody, ale také o její čistotu a chemické složení. Vyčerpaná voda se musí vracet do země pomocí druhé, tzv. vsakovací studny, která by měla být vzdálena od zdrojové studny asi 8 m – 10 m a pokud možno umístěna tak, aby tok podzemní vody směřoval od studny, ze které se voda čerpá oběhovým čerpadlem.

Obr. 2.11 Čerpací a vsakovací studna (zdroj SOUE Plzeň) V praxi se jen zřídka vyskytne dostatečně vydatný zdroj v blízkosti vytápěného objektu. Pokud chceme provést vrt pro čerpání podzemní vody, musíme provést odborný hydrogeologický průzkum. Na jeho základě dostaneme od vodoprávního úřadu povolení k provedení vrtu a povolení k čerpání a vypouštění podzemních vod. Může se pochopitelně stát, že úřad vrt nepovolí, například kvůli ohrožení zdrojů pitné vody. Čerpání podzemních vod je obvykle zpoplatněné, čerpání pro účely ochlazení v tepelném čerpadle však zpoplatněno není. Lokality ležící v I. ochranném pásmu lázní a minerálních vod mají absolutní zákaz provádět vrty a čerpat podzemní vody. Ve II. ochranném pásmu lázní a minerálních vod lze vrtat pouze s písemným povolením Inspektorátu lázní a zřídel (ČIL) při ministerstvu zdravotnictví ČR. Ve III. ochranném pásmu je ohlašovací povinnost ČIL při vrtu do hloubky

34

nad 30 m. V těchto lokalitách je využití zemského tepla hlubinnými vrty nemožné nebo obtížné. Vlastí vrt je podle zákona o vodách považován za vodní dílo, provádět ho může jen firma s patřičným oprávněním Báňského úřadu. Vodní dílo (tedy i vrt pro tepelné čerpadlo) vyžaduje územní rozhodnutí i stavební povolení příslušného stavebního úřadu. U novostaveb může být správní řízení související s vrtem spojeno se stavebním povolením pro stavbu domu. Vzhledem k novému stavebnímu zákonu, kdy je povolování staveb rodinných domů jednodušší, může být výhodnější obě řízení spíše oddělit, aby stavba domu nebyla brzděna složitějším řízením. Stavební úřad obvykle vyžaduje hydrogeologický průzkum, který lze nahradit vyjádřením osoby s odbornou způsobilostí. Pro provoz vrtu je nezbytné povolení k nakládání s vodami, které vydává příslušný vodoprávní úřad. Před rozhodnutím pro stavbu tohoto typu tepelného čerpadla je nutné provést čerpací zkoušku, při které se pomocí vhodného čerpadla čerpá voda asi měsíc. Průtok vody se nastaví tak, aby odpovídal požadavkům na výkon tepelného čerpadla. V tabulce jsou přibližné hodnoty pro stanovení potřebného průtoku vody při ochlazení o 5 °C v závislosti na výkonu tepelného čerpadla. Výkon [kW] 4 6 8 10 12 14 16

Průtok vody [l/min] 8,3 13,3 18,3 21,7 26,3 30,0 35,0

Tab. 2.12 Potřebný průtok vody v závislosti na výkonu tepelného čerpadla (zdroj

)

Studny s požadovanými parametry nelze vždy a všude zhotovit a náklady mohou být značně vysoké. Vrtané studny pro tepelná čerpadla mívají hloubku 10 m – 30 m. Výhodou systému voda – voda ze studny je dosažení vysoké efektivity. Použití tohoto systému je vhodné tam, kde je dostatek spodní vody vhodného chemického složení. Pokud je k dispozici jedna vhodná studna a její vydatnost je dostačující, dá se předpokládat, že i druhá vsakovací bude vyhovovat. Určitým rizikem je zhotovení dvou studní tam, kde dosud žádné nejsou.

35

Je zřejmé, že přírodní podmínky omezují využití tohoto systému, pro někoho může být překážkou i administrativa spojená s prováděním vrtu a nakládáním s vodami. K problémům přispívá někdy i obava sousedů – účastníků stavebního řízení – z toho, že dojde k ovlivnění spodní hladiny vody. Systémy voda – voda je možné navrhnout a úspěšně používat jako monovalentní, to znamená, že je není pro vytápění třeba doplňovat jiným zdrojem tepla, a to ani v zimních měsících. Jako zdroje tepla je také možno využít tekoucí nebo stojatou povrchovou vodu: Přímý odběr tekoucí vody z potoků, řek a rybníků je vázán na povolení majitele či správce povodí. Teplota vody se během roku mění a v zimě může být teplota vody nižší než 4 °C. To může způsobovat zamrzání v primárním výměníku. Ochlazení může být jen velice malé, proto musí zajištěn vyšší průtok, což klade nároky na výběr oběhového čerpadla. Nepřímý odběr tepla z tekoucí vody pomocí kolektorů může být výhodnější. Uzavřený primární okruh s nemrznoucí směsí není závislý na čistotě tekoucí vody a pro čerpání solanky stačí oběhové čerpadlo s malým výkonem. Odpadnou také problémy s možným zamrzáním vody ve výparníku. Kolektory se uloží na dno toku. Nepřímý odběr tepla ze stojaté vody položením výměníku na dno rybníka nebo jiného místa se může projevit vlivem na zamrzání vody. Ochlazení stojaté vody nesmí překročit určitou mez, aby neohrožovalo živočichy. Zřejmě i z tohoto důvodu není tento způsob odběru tepla příliš rozšířený.

Obr. 2.13 Výměník ve stojaté vodě (zdroj SOUE Plzeň) Tepelné čerpadlo země – voda Tepelné čerpadlo země – voda odebírá teplo z povrchové vrstvy zemského povrchu nebo z jeho hloubky, vždy pomocí kolektorů zhotovených obvykle z plastu. Primární okruh tepelného čerpadla je vždy uzavřený a naplněný nemrznoucí směsí. Teplo se předává do topné vody.

36

Zemské jádro je žhavé a jeho energie prostupuje na povrch ve formě tepla. S rostoucí hloubkou pod povrchem tedy roste i teplota hornin. Možnosti odběru tepla se mění podle geologické situace. Teplota v zemi v hloubce pod 10 m je během roku téměř stabilní. V našich podmínkách se pohybuje okolo 10 °C až 12 °C. S rostoucí hloubkou roste teplota přibližně o 2 °C – 3 °C na 100 m. Je zřejmé, že při stálém odběru tepla ze země dojde postupně v okolí vrtu k poklesu teplot. Dlouhodobé zkušenosti ze zemí, kde jsou tyto systémy v provozu již desítky let, ukazují, že se vždy v měsících, kdy odběr tepla klesá, stačí obnovit výchozí stav. Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu za jednotku času) na Zemi je

mW/m2

mW/m2. Lokality s největším

tepelným tokem v ČR mají až 90 mW/m2 (např. Ostravsko, okolí obce Boží Dar v Krušných Horách), tato hodnota závisí na geologickém složení podloží, které udává jeho tepelnou vodivost. Vodorovné zemní neboli plošné kolektory V zemi v hloubce asi 1,2 m – 1,5 m ve vzdálenosti asi 60 cm – 80 cm od sebe jsou uloženy polyetylénové hadice naplněné solankou. Obvykle se udává, že plocha, ze které se teplo odebírá, by měla být asi třikrát až čtyřikrát větší, než je velikost vytápěné plochy. Samozřejmě zde existuje závislost na druhu a vlhkosti půdy.

Obr. 2.14 Zemní plošné kolektory (zdroj SOUE Plzeň) Přívodní hadice se vedou v dostatečné hloubce, ve které teplota neklesá pod bod mrazu, do objektu. Po nezbytných terénních úpravách není na povrchu půdy nic vidět, ale je celkem pochopitelné, že půda je na jaře mnohem více prochladlá než jinde. To může mít negativní dopad na pěstování plodin i kořeny stromů. V tabulce je závislost délky zemního kolektoru a využité plochy na druhu půdy pro 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

37

Druh půdy Suchá Vlhká Mokrá

Délka na 1 kW výkonu [m] 160 70 40

Plocha na 1 kW výkonu [m2] 100 42 29

Tab. 2.15 Závislost délky zemního kolektoru a využité plochy na druhu půdy (zdroj

)

Vertikální zemní kolektory Jde o plastový výměník, vložený do hlubokého vrtu. Vrty, které mají poměrně malý průměr (obvykle 13 cm – 22 cm), jsou po vložení polyetylénových hadic vyplněny vhodnou hmotou. Nejčastěji se používá cementová nebo jílovocementová směs. Naprosto nevhodné je zasypání pískem nebo vytěženým materiálem. Důvodem je riziko, že vrt narazí na zásobárnu podzemní vody, do níž by se mohla neutěsněným vrtem dostat znečištěná povrchová voda, případně, že vrt spojí oblasti v různých hloubkách a naruší tak hydrogeologické poměry. Vrt je považován za vodní dílo (zákon č. 245/2001 Sb.), i když se z něj voda neodebírá. Musí jej povolit příslušný stavební a vodoprávní úřad.

Obr. 2.16 Vertikální zemní kolektory (zdroj SOUE Plzeň) Vrty mívají hloubku 50 m - 150 m v závislosti na požadovaném výkonu a geologické situaci. V případě požadavků na větší výkon se vrtů zhotoví víc. Vzdálenost vrtů se doporučuje minimálně 5 m - 10 m (také se udává 10 % hloubky vrtu), aby se vzájemně neovlivňovaly. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 m – 18 m hloubky vrtu. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW tak vyžaduje průměrně 140 m hluboký vrt (nebo dva 70 m). Obecně je však lépe zvolit jeden hlubší než dva kratší vrty. Prvních 10 m vrtu má totiž poměrně malý energetický přínos. Skutečná délka vrtu závisí na konkrétních geologických podmínkách v místě a jeho návrh by měl zpracovat odborník. Výhodou tohoto řešení jsou malé nároky na prostor, velmi dobrý topný faktor, který se během roku téměř nemění a to, že tento zdroj tepla je při správném návrhu schopen pokrýt 38

spotřebu tepla celoročně – není nutné jej doplňovat jiným zdrojem tepla. Nevýhodou jsou poměrně vyšší náklady na zhotovení vrtů. V tabulce je závislost hloubky zemního kolektoru na druhu podloží pro 1 kW výkonu tepelného čerpadla. Druh podloží Suché usazeniny Pevná hornina, jíly Hornina se spodní vodou

Hloubka na 1 kW výkonu [m] 33 15 10

Tab. 2.17 Závislost hloubky zemního kolektoru na druhu podloží (zdroj

39

)

2.4 Primární okruh tepelného čerpadla Primární okruh slouží k přenosu nízkopotenciálního tepla ze zdroje do tepelného výměníku tepelného čerpadla. Otevřený primární okruh je takový, který odebírá teplo přímo ze zdroje nízkopotenciálního tepla, to znamená, že ochlazovaný vzduch nebo voda ze zdroje přímo prochází výměníkem na primární straně tepelného čerpadla. Využívá se u tepelného čerpadla vzduch – voda, u tepelných čerpadel typu voda – voda méně. Důvodem bývají především nečistoty přírodních vod, které vedou ke vzniku usazenin v tepelném výměníku, a také problémy spojené se zamrzáním vody. Uzavřený primární okruh je takový, který teplo ze zdroje nízkopotenciálního tepla odebírá pomocí kolektorů, což jsou nejčastěji plastové trubky nebo polyetylénové hadice. Pomocí proudící tekutiny v kolektorech se teplo přenáší k tepelnému výměníku na primární straně tepelného čerpadla.

Solanka Pro přenos tepla pomocí kolektorů všech provedení se používají uzavřené primární okruhy, plněné nemrznoucí směsí, které se říká bez ohledu ne její složení obecně solanka. Mělo by jít o nejedovatou ekologicky nezávadnou látku. Je třeba si uvědomit, že objem této směsi v primárním okruhu je 250 až 400 litrů. Pro účely tepelných čerpadel se obvykle používají následující druhy směsí: 

Polyetylenglykol a voda – směs ve složení 30 % objemu polyetylenglykolu a 70 % vody

má výhodné vlastnosti až do teploty – 15 °C. Nevýhodou je vyšší hydraulický odpor v potrubí a nižší tepelná kapacita. Navíc je roztok jedovatý a proto se používají nejedovaté látky, například polypropylenglykol, který má podobné vlastnosti. 

Alkohol a voda – používá se směs 25 % objemu etylalkoholu a 75 % vody. Metylalkohol

se pro svou jedovatost nepoužívá. Také v tomto případě roste hydraulický odpor (s klesající teplotou) a klesá tepelná kapacita. Dále je nutné si uvědomit, že při smíchání etylalkoholu a vody bude vlivem chemických vazeb výsledný objem směsi nižší než součet objemů před smícháním. Po smíchání 2 litrů vody a 1 litru etanolu bude výsledný objem směsi asi 2,8 litrů. Etanol se z důvodů jeho ceny používá v denaturované podobě. V

tabulce

jsou

uvedeny

vlastnosti

polypropylenglykolu a etylalkoholu.

40

vodných

roztoků

polyetylenglykolu,

Polyetylglykol ve vodě [%] 20 34 52 Polypropylenglykol ve vodě [%] 25 38 47 Etylalkohol ve vodě [%] 10 20 30 40 50

teplota tuhnutí [°C] -10 -20 -30 teplota tuhnutí [°C] -10 -20 -30 teplota tuhnutí [°C] -6,0 -11,5 -17,5 -25,5 -33,5

c [kJ.kg-1.K-1] 3,85 3,51 3,04 c [kJ.kg-1.K-1] 3,93 3,68 3,45 c [kJ.kg-1.K-1] 4,39 4,37 4,18 3,99 3,64

Tab. 2.18 Teplota tuhnutí a měrná tepelná kapacita roztoků polyetylenglykolu, polypropylenglykolu a etylalkoholu (zdroj

)

Výměníky tepla Výměník tepla je konstrukční prvek, který zprostředkovává přenos, neboli výměnu tepla mezi médii tak, aby nedošlo k jejich kontaktu. Pro výměnu tepla platí druhá termodynamická věta, která říká, že teplo se předává pouze z prostředí o vyšší teplotě do prostředí o nižší teplotě. V tepelném čerpadle slouží výměníky tepla k předávání tepla z vnějšího prostředí, tedy ze zdroje tepla, do chladiva v primárním okruhu a z chladiva pak do vody topného systému v sekundárním okruhu. Podle použití se nazývají výparníky nebo kondenzátory. Každý výměník je charakterizován celou řadou parametrů. Jedním z hlavních parametrů je plocha, přes kterou se obě média stýkají. Obvykle se jako dostačující uvádí 0,25 m2 teplosměnné plochy na 1 kW výkonu čerpadla pro kondenzátory a 0,36 m2 plochy na 1 kW výkonu čerpadla pro výparníky. Dalším důležitým parametrem je závislost tlakových ztrát na průtoku média. Tato závislost není lineární a vyjadřuje se obvykle graficky. Výpočty týkající se výměníků jsou poměrně složité. Výrobci tepelných čerpadel mají obvykle pro tyto účely speciální programy. Existuje celá řada různých typů výměníků. Pro přenos tepla mezi médii kapalina – chladivo se v tepelném čerpadle obvykle používají deskové a trubkové výměníky, pro přenos tepla vzduch – chladivo trubkové lamelové výměníky, doplněné ventilátorem.

41

Deskový výměník tepla Deskový výměník se obvykle skládá ze skupiny nerezových desek, které mají speciálně tvarované prolisy. Jejich tvar je takový, že při složení na sebe vytvoří dvě skupiny kanálků, kterými pak odděleně od sebe proudí teplonosná média. Desky jsou k sobě na mnoha místech spájeny, takže výměník tvoří kompaktní celek a snáší vysoké provozní tlaky. Pájené výměníky jsou nerozebíratelné a počet desek se už nedá změnit. Na obrázku je výměník rozebíratelný, ve kterém jsou desky k sobě přišroubovány. Vývody z výměníků bývají upraveny pro přišroubování nebo připájení, přičemž obě sekce nemusejí mít shodné provedení vývodů. Deskové výměníky s vyšším počtem desek bývají v provedení s rozdělovačem chladiva, který zajišťuje rovnoměrné rozdělení chladiva mezi všechny desky.

Obr 2.19 Rozebíratelný deskový výměník tepla (zdroj Společnost CIAT) Výhodou deskových výměníků je jejich velká účinnost a vysoký přenášený výkon při malých rozměrech. Snadno se montují, snesou vysoké tlaky, jsou chemicky odolné a dobře se tepelně izolují. Mezi nevýhody patří jejich vyšší tlakové ztráty a poměrně malé mezery mezi jejich deskami. Snadno se mohou zanést nebo ucpat nečistotami. Proto se příliš nehodí pro použití u otevřených primárních okruhů, kde se mohou zanášet nečistotami z vody. U svařovaných typů je pak čištění obtížné. Deskové výměníky jsou nejčastěji využívané tepelné výměníky v tepelných čerpadlech, i přes jejich relativně vyšší cenu. Trubkový výměník tepla Existuje celá řada trubkových výměníků. Popíšeme dvě nejjednodušší a nejčastěji používané konstrukce. 42

V prvním případě se jedná o výměník, který se skládá z válcové nádoby většího průměru, do které je vložena spirálovitě svinutá druhá trubka nebo celý svazek trubek. Ty jsou paralelně propojeny do jedné. Tím se dosáhne velké teplosměnné plochy. Ve svazku trubek proudí jedno médium, obvykle chladivo, ve velké nádobě kolem nich pak druhé, voda nebo solanka. Výhodou je jednoduchá konstrukce a velmi malé tlakové ztráty v okruhu vody či solanky. Tento druh výměníku se dá použít i pro znečištěné kapaliny, protože se dá při vhodném konstrukčním provedení rozebrat a vyčistit. Druhý typ výměníku je „trubka v trubce“ (nebo více trubek v trubce). Do jedné trubky většího průměru je vsunuta druhá vystředěná trubka menšího průměru, nebo svazek několika slabších trubek. V mezerách mezi trubkami proudí voda nebo solanka, ve vnitřní trubce nebo trubkách je chladivo.

Obr. 2.20 Trubkový výměník tepla (zdroj Společnost CIAT) Pro dosažení velké výměnné plochy musí být trubky značně dlouhé, a proto bývají tyto výměníky svinuty do kruhů přiměřeného průměru. Trubkové výměníky mívají povrchy trubek žebrované pro dosažení větší plochy určené k výměně tepla, tím je možné zkrátit jejich délku. Lamelový výměník tepla

Obr. 2.21 Lamelový výměník tepla (zdroj Společnost CIAT)

43

Lamelové výměníky se skládají z jedné nebo častěji z více řad měděných trubek. Ty jsou obvykle opatřeny hliníkovými lamelami, aby se zvětšil jejich povrch, čímž se zvýší přenos tepla. Trubkové okruhy se často paralelně spojují. Pokud jsou tyto výměníky použity jako výparníky v tepelném čerpadle vzduch – voda, musí být na jejich vstupu vedoucím od expanzního ventilu instalován rozdělovač vstřikovaného chladiva. Na druhé straně výparníku jsou sekce obvykle spojeny do větší trubky. Rozdělovač zajišťuje rovnoměrné rozdělení chladiva z expanzního ventilu. Vzduch je přes tyto výměníky proháněn ventilátorem. Podle konstrukce vnější jednotky a výkonu mohou být použity i dva ventilátory. Důležitou vlastností je nejen jejich výkon a účinnost, ale i hlučnost. Z tohoto důvodu jejich elektromotory mívají možnost přepnutí počtu otáček. Přes den mohou ventilátory běžet rychleji a v noci se přepnou na nižší výkon. Oběhové čerpadlo primárního okruhu

Obr. 2.22 Oběhové čerpadlo primárního okruhu (zdroj čerpadla-pumpy.cz) Jako oběhová čerpadla primárního okruhu se používají stejné typy jako u topných soustav. Obvykle vyhovují typy s výkonem 100 W – 150 W, výjimečně více, nejlépe s možností přepínání počtu otáček. Při volbě výkonu se musí stanovit tlakové ztráty celého okruhu a musí se brát v úvahu parametry solanky při nejnižší teplotě, protože její viskozita s klesající teplotou roste – snižuje se tekutost (velmi dobře je to vidět na tekutosti alkoholu, která je při teplotě kolem – 15 °C srovnatelná s tekutostí řídkého oleje).

44

Expanzní nádrž Vzhledem k tomu, že primární okruh je uzavřený a kapalina mění svůj objem v závislosti na teplotě, musí v něm být instalována vhodné expanzní nádržka. Doporučuje se používat uzavřené typy. Vhodný objem expanzní nádržky je asi 2 l na 100 l solanky. Větší velikost není na závadu.

Obr. 2.23 Expanzní nádrž (zdroj Vytápění Rast)

45

2.5 Chladivový okruh tepelného čerpadla Chladivový okruh tepelného čerpadla je jeho hlavní část, která zajišťuje „přečerpání“ energie z nízkopotenciálního zdroje tepla na vyšší teplotní úroveň. Chladivový okruh tepelného čerpadla voda (země) – voda Na obrázku je znázorněno typické zapojení chladivového okruhu voda (země) – voda.

Obr. 2.24 Jednoduchý chladivový okruh tepelného čerpadla voda (země) – voda (zdroj

)

Do dolní části výparníku je tryskou termostatického expanzního ventilu vstřikováno kapalné chladivo. Za expanzním ventilem ve výparníku je nízký tlak a kapalné chladivo se proto rychle odpaří, podchladí se a odebere teplo z primární strany okruhu, v našem případě ze solanky nebo vody. Takto ohřátý plyn je nasáván kompresorem a po stlačení se zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie získaná z práce elektromotoru při stlačení plynu. Výtlačné potrubí kompresoru vede do horního vývodu kondenzátoru. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. Chladivo se již jako kapalina shromažďuje ve sběrači kapalného chladiva, kde se zbaví bublinek. Trubkou vedenou ode dna sběrače je kapalina vedena přes filtrdehydrátor, elektromagnetický uzavírací ventil a průhledítko do termostatického expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola.

46

Obr. 2.25 Nákres komplexního tepelného čerpadla voda (země) – voda s obchodním označením FIGHTER 1240. Skládá se z jednotky tepelného čerpadla, zásobníku teplé užitkové vody, elektrokotle, oběhových čerpadel a řídicího systému (zdroj NIBE ENERGY SYSTEMS).

47

PŘÍKLAD: Vypočtěte, jak se změní objem a teplota plynu při průchodu kompresorem. Počítejte pro chladivo R22, pro které je tlak v sání kompresoru přibližně 0,3 MPa a na výtlaku kompresoru 1,4 MPa. Vstupní teplota je 0 °C. Stlačování plynu považujte za adiabatický děj, Poissonova konstanta je asi 1,2.

Z Poissonova zákona plyne:

.

Objem se zmenší na 27,7 % původní hodnoty. Ze stavové rovnice pro ideální plyn stálé hmotnosti zjistíme:

Teplota plynu po průchodu kompresorem bude 80 °C. Základní části chladivového okruhu: Termostatický expanzní ventil Termostatický expanzní ventil bývá někdy nazýván vstřikovací ventil. Jeho úkolem je vstřikovat do výparníku správné množství kapalného chladiva tak, aby byl výparník správně plněn a měl optimální provozní režim. Konstrukční provedení je víceméně ustálené a u různých výrobců se liší jen detaily. Hlavní část expanzního ventilu je tryska, která je otvírána

48

silou, vzniklou vzájemným působením několika veličin. Tyto síly jsou vytvářeny tlakem plynů na membránu ventilu a pružinou regulačního šroubu.

Obr. 2.26 Termostatický expanzní ventil (zdroj VOR spol. s r. o.)

Obr. 2.27 Schematický nákres expanzního ventilu (zdroj

)

Důležitou částí expanzního ventilu je teplotní čidlo, nazývané tykavka. Je to malá nádobka naplněná vhodným plynem, u kterého se při zvyšování teploty zvyšuje tlak. Tlak se přenáší pomocí kapiláry na membránu ventilu. Tlak nad membránou se zvyšuje s rostoucí teplotou tykavky, tlak pod membránou roste s vypařovací teplotou. Rozdíl těchto tlaků odpovídá přehřátí chladiva a vytváří sílu, která působí proti síle pružiny a otevírá trysku ventilu. Když přehřátí chladiva ve výparníku vzroste, ventil se otevírá a opačně. Síla potřebná 49

k otevření ventilu se dá měnit otáčením šroubu na ventilu. Po konečném nastavení se regulační šroub uzavře speciální zaslepenou maticí, aby kolem jeho ucpávky nemohlo unikat chladivo. Trysky expanzního ventilu jsou výměnné a jejich velikost je volena podle požadovaného výkonu a druhu chladiva. Rovněž náplň tykavky se pro různá chladiva liší. Tykavka expanzního ventilu se umísťuje k rovné části sacího potrubí těsně za výparník. Musí být dobře tepelně spojena s potrubím a současně ji nesmí ovlivňovat okolní vzduch. Upevňuje se pomocí spony se šroubem a po uchycení je tepelně zaizolována.

Obr. 2.28 Umístění tykavky (zdroj

)

Pro použití expanzního ventilu v případech, kdy je tlaková ztráta ve výparníku vysoká, se použije expanzní ventil s tzv. vnějším vyrovnáním tlaku. Místo, kde se snímá tlak z výparníku, pak není přímo ve ventilu za tryskou, ale na výstupu výparníku. Informace o tlaku je do ventilu přivedena kapilárou. Tímto způsobem vyloučíme vliv tlakové ztráty ve výparníku. Existuje také elektronicky řízený expanzní ventil, který se liší od běžných tím, že nemá tykavku ani membránu. Obsahuje jen trysku příslušné velikosti, která se pomocí elektromagnetu naplno otvírá či zavírá. Množství vstřikovaného chladiva se řídí poměrem času otevření a zavření. Ovládací elektromagnet řídí elektronická jednotka na základě údajů ze snímačů teplot za ventilem a za výparníkem, případně i jinde.

Kompresor Kompresor slouží v tepelném čerpadle ke stlačování par chladiva, které vznikají ve výparníku. Stlačené páry se silně zahřejí a vedou se do kondenzátoru, kde předají teplo topné vodě a zkapalní. Tlaky v sacím a výtlačném potrubí závisejí na použitém chladivu a nastavených pracovních podmínkách. Obvykle se pohybují v těchto mezích: sací tlak 0,1 MPa – 0,5 MPa, výtlak 0,5 MPa – 2,5 MPa. Poměr výtlačného a sacího tlaku se nazývá kompresní poměr. 50

Teploty nasávaných par se pohybují obvykle v mezích – 20 °C až 10 °C, výtlačné teploty se pohybují v mezích 60 °C až 100 °C. Důležitým parametrem kompresorů bez ohledu na typ je sací výkon. Udává se v m3/h přečerpaného plynu. Jedná se o objem nasávaných par vztažených k tlaku v sacím hrdle kompresoru. Typy kompresorů, se kterými se můžeme setkat: 

Hermetické provedení kompresoru má ve společné nádobě a na společné hřídeli

elektromotor i kompresor. Olejová náplň je také společná. Výhodou je naprostá těsnost, z nádoby vede jen sací ventil a výtlačné potrubí. Nemůže tedy docházet k únikům chladiva. Hermetický pístový kompresor je nejvíce rozšířený druh, hlavně v malých provedeních. Používá se prakticky ve všech typech domácích chladniček a mrazících pultů. Vyrábějí se již desítky let, jejich konstrukce jsou proto vyzrálé, mají vysokou životnost – dvacet i více let. Elektromotor je chlazen parami nasávaného chladiva, olejová náplň je společná. Jako jejich nevýhoda bývá uváděno to, že nesnesou bez poškození nasátí kapalného chladiva a poněkud vyšší hlučnost. Z tohoto důvodu bývají obalené tlumícím krytem.

Obr. 2.29 Hermetický spirálový kompresor (zdroj Tepelná čerpadla NIBE) Hermetický spirálový kompresor, nebo též kompresor scroll, je moderní typ, vyráběný poměrně krátkou dobu, i když jeho princip byl patentován už začátkem 20. století. Dnes se běžně používá ve většině tepelných čerpadel. Kompresor scroll se skládá ze dvou kovových spirál, které jsou vloženy do sebe. Jedna je pevná a má uprostřed otvor, spojený s výtlačnou trubicí. Druhý díl krouží v prvním, tím se mezi spirálami v místech s odlišným zakřivením vytvářejí plynové kapsy, které se neustále posouvají ke středu spirál a zmenšují svůj objem. Jejich cesta končí u středního otvoru horní spirály. Ceny těchto kompresorů na stejné 51

výkonové hladině jsou asi o 30 % až 50 % vyšší než u pístových typů. U spirálových kompresorů se musí na rozdíl od pístových dodržet směr otáčení motoru. Mají však nižší vibrace, tišší chod, jednodušší konstrukci, protože obsahují méně pohyblivých dílů a jsou odolné proti nasátí kapalného chladiva. 

Polohermetické provedení kompresoru má elektromotor i kompresor na jedné hřídeli v

hermetické skříni, takže mezi sebou nepotřebují žádná těsnění. Elektromotor je přístupný po demontáži krycích vík. 

Otevřené provedení představuje samotný kompresor. Jeho hřídel je utěsněna ucpávkou

proti úniku chladiva a vychází ven ze skříně. Pohon může zajišťovat nejen elektromotor, ale také spalovací nebo jiný motor. Výběr kompresoru závisí na typu a výkonu tepelného čerpadla, na vstupní a výstupní teplotě a na typu použitého chladiva. Polohermetické a otevřené kompresory nejsou pro tepelné čerpadlo příliš vhodné, vykazují vždy tepelné ztráty. Můžeme se s nimi setkat pouze u starších typů tepelných čerpadel. PŘÍKLAD: Vypočtěte objem plynu, který musí kompresor tepelného čerpadla země – vzduch přečerpat každou hodinu. Chladící výkon výparníku je 10 kW. Jako chladivo zvolte R22. Vypařovací teplota je – 10 °C, kondenzační teplota je 40 °C. Potřebné hodnoty pro chladivo R22 určíme z tabulky 2.39 na straně 62.

Teplo, které se uvolní během jednoho cyklu z 1 kg chladiva:

52

Teplo, které je nutné získat za 1 hodinu (3 600 sekund):

Hmotnost chladiva, které okruhem musí protéct za 1 hodinu:

Objem plynu při teplotě – 10 °C připadající na 1 kg chladiva:

Objem plynu, který musí přečerpat kompresor za 1 hodinu:

Kompresor musí přečerpat 15,4 m3 plynu za hodinu. Podle tohoto údaje výrobce zvolí vhodný typ podle tabulek údajů o kompresorech.

Presostat Presostat je nastavitelný tlakový spínač, který v případě poruchy vypíná kompresor. Podle použití se presostaty dělí na sací a výtlačné, které se vzájemně liší jen rozsahem možného nastavení vypínacích tlaků. Presostat pro vysoký tlak se aktivuje tehdy, přeruší-li se odvádění tepla z kondenzátoru vinou poruchy oběhového čerpadla nebo z jiné příčiny, která způsobí omezení průtoku topné vody. Teplota v kondenzátoru se začne zvyšovat a bude narůstat i kondenzační tlak. Ten nesmí překročit povolenou hranici 2,5 MPa. Presostat pro nízký tlak plní pojistnou funkci na primární straně tepelného čerpadla. Pokles sacího tlaku je zaviněn poklesem teploty vstupního média a to je opět poruchový stav. Dojde-li například k přerušení nebo omezení oběhu primární vody, teplota ve výparníku silně

53

poklesne. Pokles teploty je provázen poklesem sacího tlaku a nízkotlaký presostat vypne kompresor. Příčinou poklesu sacího tlaku může také být únik chladiva ze systému.

Obr. 2.30 Presostat (zdroj VOR spol. s r. o.) Sběrač kapalného chladiva Sběrač je tlaková nádoba, která slouží jako zásobník celého množství kapalného chladiva v tepelném čerpadle a odlučovač bublin. Zajišťuje, aby do termostatického expanzního ventilu přicházela pouze kapalina. Výstup čisté kapaliny tvoří trubka, která sahá až ke dnu. Sběrač má obvykle objem několik litrů. Bývá konstruován na výšku, ale může to být také vodorovná nádoba. Sběrač bývá dimenzován na nejvyšší možný provozní tlak systému. Pro tepelné čerpadlo s výkonem 10 kW je objem chladiva v tepelném čerpadle asi 2,5 l, podle toho se také volí objem sběrače. Pokud je to konstrukčně možné, umísťuje se sběrač tak, aby do něj mohlo kapalné chladivo z kondenzátoru volně vytékat.

Obr. 2.31 Sběrač kapalného chladiva (zdroj VOR spol. s r. o.) 54

Obr. 2.32 Schéma sběrače kapalného chladiva (zdroj

)

Filtrdehydrátor

Obr 2.33 Filtrdehydrátor (zdroj VOR spol. s r. o.) Filtrdehydrátor slouží k pohlcování škodlivin z okruhu chladiva, vody a také drobných pevných částic. Na obalu je označen směr průtoku kapalného chladiva, který se musí dodržet. Montuje se ve svislé poloze z důvodu rovnoměrnějšího průtoku chladiva tak, aby přívod kapaliny byl nahoře. Pokud se v systému objeví vlhkost, musí se filtrdehydrátor co nejdříve vyměnit.

Obr. 2.34 Schéma filtrdehydrátoru (zdroj

55

)

Elektromagnetický ventil

Obr. 2.35 Elektromagnetický ventil (zdroj STAF WebShop) Do

kapalinového

potrubí

před

termostatický

expanzní

ventil

se

zařazuje

elektromagnetický ventil, který po odstavení kompresoru uzavře přívod kapalného chladiva. Ventil se znovu otevře až při spuštění kompresoru. Průhledítko

Obr. 2.36 Průhledítko (zdroj VOR spol. s r. o.) Průhledítko slouží ke sledování toku kapaliny v potrubí. Mívá také indikátor vlhkosti. Přítomnost vlhkosti se projeví změnou barvy mezikruží. Po vysušení chladiva, například po výměně filtrdehydrátoru, se barva indikátoru vrátí na původní. Průhledítko se zařazuje za sběrač chladiva a filtrdehydrátor, blízko vstupu do expanzního ventilu. V tomto místě už nesmí být v chladivu bublinky. Jejich přítomnost signalizuje závadu, málo chladiva nebo zúžení potrubí nějakou překážkou.

56

Trojcestný ventil

Obr. 2.37 Trojcestný ventil bez vývodu pro manometr (zdroj VOR spol. s r. o.) Je to ručně ovládaný ventil, který slouží k občasnému uzavření okruhu chladiva nebo jako vývod pro servisní účely. K ovládání se používá vhodný klíč. Jeden servisní vývod slouží pro účely čerpání a plnění chladiva a je v klidovém stavu uzavřen. Druhý je naopak otevřen a je stále propojen s okruhem chladiva. Používá se například pro připojení manometru. Někdy je na trojcestném ventilu jen jeden, obvykle plnící vývod. Bývá to hlavně u menších agregátů.

Obr. 2.38 Schéma trojcestného ventilu (zdroj

)

Chladiva a mazací oleje Chladivo je nositelem energie v tepelném čerpadle, bez něj by systém nemohl fungovat. Je celá řada chladiv, ale pro použití v tepelném čerpadle se hodí jen některá z nich. Mohou to být čisté jednosložkové sloučeniny, nebo směsi dvou a více sloučenin. Chladiva dělíme podle jejich charakteristických vlastností.

57

Označování chladiv Písmeno R je první písmeno anglického slova refrigerant, chladivo. Písmeno C u některých chladiv má význam cyklický (cyclic). V tabulce jsou popsány jednotlivé skupiny podle číselného označení. R10 až R50 R110 až R170 R216 až R290 RC316 až RC318 R400 až R411B R500 až R509 R600 až R620 R630 až R631 R702 až R764 R1112 až R1270

skupina na bázi metanu skupina na bázi etanu propanová skupina skupina cyklických uhlovodíků zeotropní směsi chladiv azeotropní směsi chladiv ostatní organické sloučeniny sloučeniny dusíku anorganická chladiva nenasycené uhlovodíky

Tab. 2.39 Označování chladiv (zdroj

)

Rozdělení chladiv podle fyzikálních vlastností Podle teplotních vlastností a poměru složek lze chladiva rozdělit na azeotropní a zeotropní. Azeotropní chladiva jsou taková, která se chovají jako čisté kapaliny. Během fázové přeměny z páry na kapalinu se složení par a kapaliny nemění. Mohou to být chladiva jednosložková, ale i vícesložková. Zeotropní chladiva jsou směsi nejčastěji dvou až čtyř druhů chladiv, která mají během fázové přeměny z páry na kapalinu proměnné složení. Pokud je rozdíl teplot nasycených par složek velmi malý, nazývají se blízce azeotropními. U zeotropních chladiv se udává tzv. teplotní skluz, což je rozdíl teplot varu při stejném tlaku. Bývají to desetiny, ale i desítky °C. Chladiva a životní prostředí Vliv plynů a par a tedy i chladiv na poškozování ozónové vrstvy Země popisuje koeficient ODP (Ozone Depletion Potential). Je to relativní číslo. Za jeho základ byl vzat freon R11. Jeho koeficient byl stanoven jako 1. Kolikrát je koeficient ODP dané látky menší, tolikrát je vliv na poškozování ozónové vrstvy nižší. Vliv látek na skleníkový efekt, který je jednou z příčin dlouhodobého oteplování Země, se označuje pomocí koeficientu GWP (Global Warming Potential). Číslo je vztahováno k CO2

58

za 100 let, u kterého je stanoven koeficient 1. Kolikrát je koeficient GWP dané látky vyšší, tolikrát vyšší je její negativní vliv. Rozdělení chladiv podle chemických vlastností Podle chemického složení se chladiva rozdělují ne skupiny CFC, HCFC, HCF a HC. CFC: jsou to plně halogenizované uhlovodíky a jejich směsi, tj. všechny atomy vodíku v molekule jsou nahrazeny atomy prvků ze skupiny halogenidů, tedy chlorem, fluorem, někdy i bromem. Někdy se nazývají tvrdé freony. Mají vysoký ODP i GWP. HCFC: jsou to chorofluorované uhlovodíky, mají v molekule i atomy vodíku. Říká se jim měkké freony. Jejich ODP je relativně nízký, GWP střední až vysoký. HFC: nemají v molekule atomy chloru, jen fluor. Mají ODP nulový, ale mohou mít značně vysoký koeficient GWP. HC: přírodní uhlovodíky a jejich směsi, jsou zcela bez halogenidů, ale jsou hořlavé. Nemají žádný škodlivý vliv na ozón a minimální vliv na skleníkový efekt. Existují i další skupiny, jako anorganická chladiva (CO2, vzduch, voda), nebo sloučeniny dusíku (čpavek – NH4). Ta ale nejsou z různých důvodů pro tepelná čerpadla vhodná. Čpavkové okruhy například nesmí obsahovat jako konstrukční materiály měď a jiné slitiny, v praxi se používá ocel. Čpavek je jedovatý, ale pro své výhodné termodynamické vlastnosti a nízkou cenu se stále používá ve velkých chladicích systémech, například pro chlazení ledových ploch stadionů. V posledních letech se stal strašákem název freon. Freon je ale jen obchodní označení skupiny chladiv CFC a HCFC firmy Du–Pont. Chladiv je celá řada a jiné firmy je vyráběly i pod jinými obchodními názvy. U nás byly používány pod obchodním názvem Ledon. Byly používány velmi dlouho a to nejen jako chladiva, ale i jako hnací plyny sprejů a nadouvadla pěnových hmot. Po zjištění jejich negativního vlivu na zeslabování ozónové vrstvy Země došlo k výraznému omezení jejich výroby a používání. Tvrdé freony se v nových zařízeních nepoužívají. Používání měkkých freonů se omezuje. Každé chladivo použité v tepelném čerpadle vyžaduje jiný mazací prostředek, protože se musí v oleji dokonale rozpouštět. Malé množství oleje je neustále unášeno chladivem po celém okruhu. Olej se stále vrací zpět do kompresoru a musí jej tam být stále dostatečné množství. Nejčastěji se v tepelných čerpadlech využívají minerální, alkylbenzenové nebo polyolesterové oleje.

59

Výběr druhu chladiva Druh chladiv pro tepelné čerpadlo se volí podle celé řady kritérií, kterými jsou: - požadovaná oblast použití s ohledem na provozní podmínky, - požadovaný výkon s ohledem na vlastnosti kompresoru, - doporučení výrobce kompresoru, - cena chladiva, - dostupnost chladiva, - ekologická nezávadnost. Charakteristiky nejpoužívanějších chladiv Na našem trhu jsou nejčastěji používána chladiva R12, R22, R134a, R404a, R407c, R410a. Chladivo R12 Patří do skupiny tvrdých freonů CFC. Je to dichlordifluormetan CCl2F2. Používá se s minerálním a alkylbenzenovým olejem. Vlastnosti nových chladiv se obvykle srovnávají s R12, je to referenční chladivo. Bod varu je při atmosférickém tlaku – 29,8 °C, je azeotropní. Index ODP je 1, GWP je 8500. Chladivo R12 je známo od roku 1932 a jeho používání bylo velice rozšířeno. Používá se pro vypařovací teploty od – 60 °C do 0 °C. Je chemicky velmi stabilní, nehořlavé, nevýbušné, v kapalném i plynném stavu bezbarvé. Je netečné téměř ke všem konstrukčním materiálům kromě hořčíku a jeho slitin. Negativní vlastností je jeho přítomnost chlóru v molekule a tím jeho nebezpečnost pro ozónovou vrstvu Země. Při teplotách nad 330 °C se rozkládá na jedovaté látky, jako je chlorovodík, fluorovodík a stopy fosgenu. V nových zařízeních se již nesmí používat, ale dá se najít téměř ve všech domácích chladicích a mrazicích agregátech vyrobených asi do roku 1995. Chladivo R22 Patří do skupiny tzv. měkkých freonů HCFC. Je to chlordifluormetan CHClF2. Používá se se všemi typy olejů. Obchodní název je například FORANE 22. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 40,8 °C, je azeotropní, ODP je 0,05 a GWP 1700. Je to bezbarvá kapalina i plyn. R22 je nehořlavé a nevýbušné. Není jedovaté a nenapadá žádné běžně používané konstrukční prvky. Má výhodné termodynamické vlastnosti. Jeho použití sahá až do vypařovacích teplot až – 70 °C. Při teplotách nad 330 °C se také rozkládá na chlorovodík, fluorovodík a stopy fosgenu.

60

Chladivo R134a Patří do skupiny bezchlorových chladiv typu HFC. Je to tetrafluoretan C 2H2F4 a používá se pouze s polyolesterovými oleji. Obchodními názvy jsou například FORANE, HFC, Genetron – vždy s označením 134a. Bod varu je při atmosférickém tlaku – 26,3 °C, je azeotropní, ODP je 0 a GWP 1600. Není jedovaté, je nehořlavé a nevýbušné. V kapalné i plynné formě je bezbarvé. Není agresivní vůči kovům. Má o něco nižší kompresní tlaky než R12, které lze chladivem R134a nahradit i v některých starších kompresorech, je však nutná výměna minerálního oleje za polyolesterový. Někteří výrobci tuto změnu chladiva nedovolují. Chladivo R404a Patří do skupiny HFC. Jde o zeotropní směs ve složení R125/R134a/R143a v poměru 11:13:1. Používá se jen s polyolesterovými oleji. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 46,4 °C, jedná se o blízce azeotropní chladivo, ODP je 0, GWP 4540. Nahrazuje chladivo R22. Chladivo R407c Patří do skupiny HFC, jde o směs R32/R125/R134a v poměru 23:25:52, používá se pouze s polyolesterovými oleji. Obchodní názvy jsou například FORANE, SOLKANE 407c. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 43,8 °C. Má velký teplotní skluz, asi 6 °C, je tedy zeotropní, ODP je 0, GWP 1980. Termodynamické vlastnosti jsou podobné R22. Velký teplotní skluz částečně omezuje možnosti jeho použití. Je poměrně často používané v tepelných čerpadlech země – voda a voda – voda. Chladivo R410a Patří do skupiny látek HFC. Je to směs R32/R125 v poměru 1:1, používá se pouze s polyolesterovými oleji. Bod varu při atmosférickém tlaku je – 51,6 °C, teplotní skluz je asi 0,1 °C, jde o blízce azeotropní směs, ODP je 0, GWP 2340. Není hořlavé, výbušné ani jedovaté, má podobné termodynamické vlastnosti jako R22 a R407c, udává se u něj vyšší chladicí faktor, vyžaduje však také vyšší tlaky, proto se pro něj používají modifikované kompresory a kondenzátory pro vyšší provozní tlaky. Díky vyšším tlakům, vychází systémy s R410a pro stejný výkon rozměrově menší. Pro každé chladivo lze v tabulkách nalézt jeho nejdůležitější termodynamické parametry. Jako příklad uveďme tabulku chladiva R22.

61

Teplota

Tlak nasycených par

Hustota kapaliny

Měrná entalpie kapaliny

Hustota syté páry

Měrná entalpie plynu

-70

20,5

1 493

124,7

1,06

374,1

-60

37,4

1 466

134,6

1,86

379,0

-50

64,3

1 438

144,9

3,08

383,8

-40

104,9

1 409

155,3

4,86

388,5

-30

163,5

1 380

168,1

7,36

393,1

-20

244,8

1 349

177,1

10,77

397,4

-10

354,3

1 317

188,4

15,30

401,5

0

497,6

1 284

200,0

21,21

405,4

10

680,7

1 250

211,9

28,81

408,8

20

909,9

1 213

224,1

38,46

412,0

30

1 192

1 173

236,8

50,66

411,6

40

1 534

1 131

249,8

66,05

416,7

50

1 942

1 084

263,4

85,69

418,0

60

2 427

1 032

277,8

111,01

418,3

70

2 996

970

293,3

145,16

417,07

Tab. 2.40 Termodynamické parametry chladiva R22 (zdroj

)

Chladivový okruh tepelného čerpadla s vnitřní výměnou tepla

Obr. 2.41 Chladivový okruh tepelného čerpadla s vnitřní výměnou tepla (zdroj

62

)

Pro omezení výskytu bublinek v chladivu před termostatickým expanzním ventilem a za jistých okolností pro zvýšení topného faktoru se používají i jiná obměněná zapojení chladivových okruhů. Popíšeme si jednoduché řešení okruhu s vnitřní výměnou tepla, které je znázorněno na obrázku. Do sacího okruhu kompresoru je zařazen přídavný výměník tepla, jehož druhou částí protéká kapalné chladivo ze sběrače. Teplota kapaliny ze sběrače je blízká teplotě topné vody, zatímco teplota par chladiva vystupujících z výměníku je velice nízká, kolem 0 °C. Prostřednictvím tohoto výměníku se kapalné chladivo ochladí a teplota nasávaných par se mírně zvýší. Podchlazením kapaliny se dosáhne odstranění zbytků bublinek a do termostatického expanzního ventilu vstupuje jen kapalina. Mohlo by se zdát, že odebíráním tepla z kapalného chladiva a zvýšením teploty nasávaných par se musí zvýšit výkon i topný faktor. To však platí pouze za jistých podmínek a při použití vhodných chladiv. Se zvýšením teploty nasávaných par se totiž současně zvýší i jejich objem. Pokud by kompresor dokázal čerpat větší množství chladiva s takto zvýšenou teplotou, zvýšil by se i výkon. To ale stejný kompresor nedokáže, proto není vliv této úpravy vždy tak výrazný. Na nakresleném schématu jsou kohouty, které umožňují tento okruh vyřadit nebo zařadit. Chladivový okruh tepelného čerpadla vzduch – voda Tepelná čerpadla vzduch – voda mají zapojení chladivového okruhu poněkud složitější.

Obr. 2.42 Chladivový okruh tepelného čerpadla vzduch – voda (zdroj 63

)

Čtyřcestný ventil slouží k přepnutí funkce tepelného čerpadla. V nakresleném stavu je tepelné čerpadlo v normálním režimu, kompresor vhání stlačený plyn do kondenzátoru a nasává plynné chladivo z výparníku s ventilátorem. V činnosti je termostatický expanzní ventil 1. Kondenzující kapalné chladivo protéká otevřeným zpětným ventilem 2 do sběrače a postupuje přes filtrdehydrátor, elektromagnetický ventil a průhledítko zpět do termostatického expanzního ventilu 1. Zpětný ventil 1 je tlakem této kapaliny uzavřen. Dojde-li ke vzniku námrazy na výparníku, je nutné ji odstranit odtáním. To se provede přepnutím čtyřcestného ventilu. Kompresor bude tlačit horký vzduch do výparníku, kde vzduch odevzdá své teplo a tím způsobí odtání nežádoucího ledu. Kapalné chladivo poteče tentokrát

opačným

směrem

otevřeným

zpětným

ventilem

1,

průhledítkem,

elektromagnetickým ventilem a filtrdehydrátorem do sběrače a odtud do termostatického expanzního ventilu 2. Zpětný ventil 2 se uzavře. Do kondenzátoru bude vstřikováno kapalné chladivo, které se v něm odpaří a bude odebírat teplo z topné vody. Takto ohřátý plyn bude nasáván kompresorem. Tento režim je jen krátkodobý a trvá jen do doby odstranění námrazy. Pak se čtyřcestný ventil vrátí zpět do původní polohy. Odlučovač kapalného chladiva v sacím potrubí kompresoru slouží k bezpečnému odpaření kapaliny před jeho vstupem, kam by se část kapaliny mohla dostat při přepnutí čtyřcestného ventilu z režimu topení do režimu odtávání a naopak. Ve sběrači kapalného chladiva musí být obě trubice umístěny pod hladinou kapaliny. Filtrdehydrátor je určený pro obousměrný provoz. Lze také použít běžnější jednosměrné typy, které se řadí do série s příslušnými termostatickými expanzními ventily. Čtyřcestný ventil

Obr. 2.43 Čtyřcestný ventil (zdroj VOR spol. s r. o.)

64

Čtyřcestný ventil je speciální elektromagnetický ventil pro změnu funkce agregátu. Používá se u klimatizačních jednotek pro změnu režimu chlazení a ohřevu. U tepelného čerpadla vzduch – voda slouží pro přepnutí režimu topení na režim pro odtávání námrazy. Ventil zamění výtlak kompresoru za jeho sání a sání za výtlak. Je to obdoba přepínače polarity v elektrotechnice.

Obr. 2.44 Schéma čtyřcestného ventilu (zdroj

)

Zpětný ventil

Obr. 2.45 Zpětný ventil (zdroj VOR spol. s r. o.) Funkce zpětného ventilu je jasná z názvu. Propouští kapalné chladivo jen jedním směrem. Používá se jako obtokový ventil termostatického expanzního ventilu. Při změně funkce agregátu tepelného čerpadla pomocí čtyřcestného ventilu zpětný ventil automaticky překlene ten termostatický expanzní ventil, který není pro funkci potřeba a tím jej vyřadí z činnosti. Proto bývají v tepelném čerpadle použity dva kusy. Nejčastěji se používá kuličkové provedení zpětných ventilů.

65

Obr. 2.46 Schéma zpětného ventilu (zdroj

)

Odlučovač kapalného chladiva

Obr. 2.47 Odlučovač kapalného chladiva (zdroj VOR spol. s r. o.) Při obrácení funkce tepelného čerpadla vzduch – voda, kdy se pomocí čtyřcestného ventilu zamění vývody kompresoru, by se mohlo stát, že do kompresoru vnikne sacím potrubím kapalné chladivo. Proto se do sacího potrubí před kompresor zařazuje malý odlučovač kapalného chladiva. Jeho funkce je opačná než u sběrače kapalného chladiva před expanzním ventilem. Jde o nádobku s přívodem a odvodem v horní části, takže případné kapalné chladivo zůstane dole a pak se odpaří. Rozdělovač chladiva

Obr. 2.48 Rozdělovač chladiva (zdroj VOR spol. s r. o.) 66

Rozdělovač chladiva se používá u výparníků složených z více sekcí, aby se chladivo dokonale rozdělilo. Umísťuje se přímo za termostatický expanzní ventil a je třeba dbát na jeho správnou polohu. Musí se umístit tak, aby se využíval vliv gravitace. Jeho osa musí být svislá a chladivo se přivede shora. Všechny vývody z rozdělovače do jednotlivých sekcí výparníku musí být stejně dlouhé.

Obr. 2.49 Zapojení rozdělovače chladiva (zdroj

)

Tlaková zkouška Před uvedením tepelného čerpadla do provozu a naplněním jeho sekundárního okruhu chladivem je nutné provést tlakovou zkoušku. Tím se zjistí případná místa úniku a je možné je opravit ještě před naplněním. Pro tlakovou zkoušku se používá vždy netečný plyn, například dusík nebo CO2. V obvodu se otevřou všechny ventily a přes trojcestný ventil se naplní plynem. Tlak se nesmí znatelně snižovat ani po několika dnech. I malý pokles tlaku signalizuje netěsnost, která by se projevila postupnou ztrátou chladiva za provozu. Během zkoušky se mohou projevit jen mírné výkyvy tlaku způsobené změnou teploty okolí. Při vypouštění plynu je nutné dávat pozor a plyn vypouštět dostatečně pomalu. Jeho prudkým únikem by se totiž plyn uvnitř ochladil a vodní pára v něm obsažená by zkondenzovala a nedostala se ven. Pokud by se pro tlakovou zkoušku použilo přímo chladivo a v systému by bylo i v kapalné fázi, pak je zjištění případného úniku pomocí manometrů nevhodné. V potrubí bude totiž stálý tlak nasycených par chladiva odpovídající teplotě okolí. K poklesu tlaku by došlo až po úplném odpaření kapalného skupenství chladiva.

67

PŘÍKLADY: 1)

Určete poměr tlaků chladiva na vstupu a výstupu kompresoru. Vstupní teplota je – 5 °C a výstupní 70 °C. Objem se při stlačení zmenší na 30 % původní hodnoty.

2)

Určete chladicí výkon výparníku, ve kterém je použito chladivo R22, vypařovací teplota je 0 °C, kondenzační teplota je 40 °C. Tepelné čerpadlo přečerpá každou hodinu 12 m3 plynu.

68

2.6 Sekundární okruh tepelného čerpadla Sekundární okruh tepelného čerpadla slouží k rozvodu tepla pro vytápění, případně k rozvádění teplé vody. Připojení tepelného čerpadla k topnému systému Tepelné čerpadlo se v topném systému chová trochu jinak než jiné zdroje tepla. Jeho výkon nebývá předimenzován tak jako u běžně instalovaných zdrojů tepla, kdy zejména u starších systémů není výjimkou výkon 200 % skutečné potřeby. Aby tepelné čerpadlo pracovalo co nejefektivněji, měla by být výstupní teplota topné vody co nejnižší. Většina tepelných čerpadel dodává do topné soustavy vodu o teplotě maximálně 55 °C. Mnohem výhodnější z hlediska topného faktoru je, pokud teplota výstupní vody nepřesahuje 40 °C. To může být problém, chceme-li tepelné čerpadlo osadit do starší budovy. V minulosti se tepelné soustavy dimenzovaly na teplotu 90 °C na přívodu a 70 °C na odvodu, tj. spád 90/70 °C. Při tomto spádu postačuje poměrně malá plocha těles radiátorů. Má-li mít tepelná soustava spád 55/45 °C, je nutno plochu radiátorů více než zdvojnásobit. To znamená další finanční zátěž a také zásah do interiéru bytu. Vzhledem k dřívějším často nadměrným rozměrům radiátorů není někdy nutné jejich plochu zvětšovat nijak radikálně. Nejvhodnější je nechat tepelnou soustavu přepočítat specialistou, který nejen zkontroluje velikost těles, ale současně vypočítá hydraulické poměry v systému a navrhne odpovídající regulaci. S problémem výstupní teploty je vhodné zmínit použití podlahového vytápění, které s tepelným čerpadlem velmi dobře spolupracuje, protože pracuje v nízkém teplotním spádu, obvykle 40/35 °C nebo nižším. Teplota podlahy nemá z hygienických důvodů překročit 29 °C, pro rodinné domy by měla být asi 25 °C (v koupelnách a chodbách až 32 °C). Ve starších, nezateplených budovách je někdy podlahové topení navrženo nesprávně, takže je během zimy nutné ho vyhřívat na vyšší teplotu, což může vést k nepříjemným pocitům i zdravotním problémům. Výkon tepelného čerpadla se také nedá jednoduše regulovat, a to ani směrem dolů. V podstatě jediný možný způsob regulace je změna počtu otáček kompresoru. K tomu jsou třeba poměrně drahé frekvenční měniče a ne všechny typy kompresorů snesou regulaci otáček ve velkém rozsahu, obvykle lze docílit změny frekvence pouze v rozsahu 90 % až 120 %. Bohužel ceny měničů frekvence se blíží cenám kompresorů. Větší tepelná čerpadla mohou mít dva kompresory, pak se dá výkon regulovat skokově zapnutím jednoho z nich nebo obou

69

současně. Obvykle ale výkon tepelného čerpadla neodpovídá potřebě odběru tepla topnou soustavou. Tepelné čerpadlo potřebuje na výstupu stálý průtok vody. Pokud se v topném systému používají termostatické ventily nebo jiná zařízení, která omezují průtok vody, může se voda v sekundárním okruhu tepelného čerpadla začít rychle přehřívat. Pak dochází k častému zapínání a vypínání tepelného čerpadla, což není vhodné vzhledem ke snižování životnosti kompresoru. Mezi tepelné čerpadlo a topný systém se proto zařazuje akumulační nádrž. Tepelné čerpadlo pak vyhřívá tuto nádrž a průtok jeho sekundárního okruhu je stálý bez ohledu na množství odebírané vody topným systémem. Teplota odebírané vody z nádrže může být řízena například trojcestným směšovacím ventilem. Na obrázku je schematicky naznačené připojení tepelného čerpadla k topnému systému prostřednictvím akumulační nádrže. Šipky vyznačují možné směry proudění vody.

Obr. 2.50 Připojení tepelného čerpadla k topnému systému (zdroj

)

Prodejci doporučují objem akumulační nádrže přibližně 20 litrů na 1 kW výkonu čerpadla. Pro účely akumulace po dobu vypnutí tepelného čerpadla je tento objem malý, jak ukážeme na příkladu. Pro pohon tepelných čerpadel obvykle využíváme nízký tarif ceny pro elektrickou energii, při kterém se počítá s tím, že odběr je denně na dvě hodiny přerušen. Toto přerušení bývá rozděleno do dvou časových úseků, nejčastěji dvakrát po jedné hodině. Po dobu jedné hodiny by tedy měla energii pro vytápění dodávat akumulační nádrž. S ohledem na výši topného faktoru (snižuje se s rostoucí výstupní teplotou) předpokládejme ohřátí vody v nádrži jen o 5 °C nad provozní teplotu topné vody. Příklad: Vypočtěte dobu, po kterou je schopna dodávat teplo akumulační nádrž o objemu 140 l 70

topnému systému o výkonu 7 kW, pokud je voda v nádrži ohřátá na teplotu o 5 °C vyšší, než je provozní teplota topné vody. Měrná tepelná kapacita vody je 4180 J.kg-1.K-1.

Teplo uvolněné z vody při jejím ochlazení o 5 °C:

Ze vzorce pro výkon určíme hledanou dobu:

Množství tepla při ochlazení tohoto množství vody o 5 °C by stačilo asi na 7 minut provozu. Příklad: Určete objem vody v akumulační nádrži, která by byla schopna topnému systému o výkonu 7 kW nepřetržitě dodávat teplo po dobu 1 hodiny. Předpokládejte opět ochlazení této vody o 5 °C.

Teplo dodané topnému systému je:

Potřebné množství vody: 71

Potřebné množství vody by bylo asi 1 200 l, což odpovídá přibližně 170 l na 1 kW výkonu tepelného čerpadla. Pokud neexistuje možnost přestavět topný systém na nízkoteplotní nebo máme tepelné čerpadlo s malým výkonem, může tepelné čerpadlo pouze předehřívat vodu, která vstupuje do dalšího zdroje tepla, kterým je například elektrokotel. Na obrázku je ukázka připojení tepelného čerpadla k topnému systému s vyšším teplotním spádem. Samozřejmě může být topné těleso umístěné přímo v akumulační nádrži. Často se také využívá propojení se solárním ohřevem vody.

Obr. 2.51 Připojení tepelného čerpadla k topnému systému s vyšším teplotním spádem (zdroj

)

Tepelné čerpadlo lze také kromě vytápění používat pro ohřev teplé užitkové vody. Po technické stránce není jeho připojení do okruhu problém. Na obrázcích je toto připojení a jeho schéma. Na tomto místě je vhodné podotknout, že pro ohřev teplé užitkové vody nestačí běžný kombinovaný elektrický bojler, který se dříve používal v kombinaci s klasickým ústředním topením. Ten je konstruován pro vysokoteplotní systémy a plocha jeho výměníku tepla je malá. Proto se vyrábějí zásobníky s podstatně většími výměníky, obvykle se jedná o měděné trubky svinuté do spirály, které jsou vloženy do nádob z nerezu s tepelnou izolací. Hotové výměníky jsou poměrně drahé. Ve všech je také elektrické topné těleso, protože tepelné čerpadlo neohřeje užitkovou vodu na více než 50 °C. Při takové teplotě musí být výstupní teplota vody z tepelného čerpadla vyšší asi o 5 °C – 10 °C a proto klesá jeho výkon. Také je

72

nutné si uvědomit, že kdo se rozhodne pro ohřev užitkové vody tepelným čerpadlem, musí tepelné čerpadlo dimenzovat na větší výkon, jak ukazuje příklad.

Obr. 2.52 Tepelné čerpadlo, akumulační nádrž, nádrž na teplou vodu (zdroj EL-BA Group)

Obr. 2.53 Schéma zapojení tepelného čerpadla pro ohřev teplé užitkové vody (zdroj

)

Příklad: Rodina průměrně spotřebuje 200 l teplé užitkové vody denně. Předpokládáme, že tepelným čerpadlem budeme tuto vodu ohřívat z 15 °C na 50 °C, měrná tepelná kapacita vody je 73

4180 J.kg-1.K-1. Výkon tepelného čerpadla je 7 kW. Jak musíme tento výkon navýšit, aby nedošlo k poklesu tepla sloužícího k vytápění?

Teplo, které přijme 200 l vody při ohřátí o 35 °C:

Teplo, které denně odebereme z tepelného čerpadla (je v provozu 22 hodin denně):

Potřebujeme tedy navýšit uvolněné teplo o 29,26 MJ oproti původním 554,4 MJ. To je v procentech zvýšení o

Ve stejném poměru je nutné zvýšit výkon čerpadla:

Výkon tepelného čerpadla musíme zvýšit asi o 5,3%, to znamená asi na 7,4 kW, což není mnoho. Ve skutečnosti se s ohledem na pokles výkonu musí výkon tepelného čerpadla zvýšit asi o 10%.

74

2.7 Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla Pro stanovení požadovaného výkonu tepelného čerpadla a tím i výkonu jeho kompresoru a řešení celé konstrukce tepelného čerpadla je nutné znát celkovou spotřebu energie pro vytápění při nízkých venkovních teplotách. U tepelného čerpadla vzduch – voda se vždy počítá s tím, že musí být doplněno druhým zdrojem tepla, který pokryje potřebu při nízkých venkovních teplotách. Tímto zdrojem může být stávající kotel, nebo malý elektrokotel. Tepelné čerpadlo se pak dimenzuje na 60 % – 70 % tepelných ztrát pro venkovní teploty kolem 0 °C. Tepelné čerpadlo země – voda nebo voda – voda je možno navrhnout tak, aby svým výkonem pokrylo celou potřebu tepla. Původní zdroj tepla může zůstat jen jako záloha. Dříve instalované topné systémy na pevná paliva nebo plyn mívají kotle výkonově značně předimenzované, takže z těchto informací nelze vycházet. Tepelné ztráty se dají vypočítat na základě konstrukce objektu, to je ale složité a obtížné i z toho důvodu, že mnohdy není snadné zjistit fyzikální vlastnosti materiálů, ze kterých je dům postaven. Pak jsou všechny výsledky pouze odhadem. Existují i různé zjednodušené výpočty na základě velikosti vytápěné plochy, objemu, typu domu a jeho umístění a podobně. Mnohem jednodušší a zároveň dostačující je stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla ze skutečné spotřeby energie pro vytápění. Tato měření se musí provádět v zimě v době nízkých venkovních teplot. Optimální je sledovat spotřebu paliva několik dní po sobě při venkovních teplotách asi – 12 °C až – 18 °C. Skutečná potřeba energie se stanoví ze znalosti množství energie uvolněné ze spotřebovaného paliva s ohledem na účinnost kotle. Účinnost kotlů se dá zjistit z jejich dokumentace, pohybuje se asi od 70 % pro kotle na pevná paliva až do 103 % pro plynové kondenzační kotle. Účinnost vyšší než 100 % vychází z metodiky výpočtu, nejde o žádné perpetuum mobile, jen o teplo navíc získané při kondenzaci vodní páry ve spalinách. Pro stanovení spotřeby energie jsou potřebné informace o výhřevnosti paliv. Obvyklé hodnoty jsou uvedeny v tabulce za příkladem. Příklad: Spotřeba zemního plynu na vytápění domu od 5. ledna 2011 12.00 hod. do 9. ledna 2011 20.00 hod., tj. za 104 hodin, při venkovních teplotách – 10 °C až – 16 °C byla 95 m3 při účinnosti kotle 80 %. Určete potřebný výkon tepelného čerpadla.

75

Průměrná spotřeba plynu za 1 hodinu je

Z 1 m3 zemního plynu získáme teplo

Spotřeba energie na vytápění domu za 1 hodinu je tedy

což se rovná průměrným tepelným ztrátám ve sledovaném období. Tento výpočet je vhodné provést za více časových období, aby byl výsledek přesnější. Výkon tepelného čerpadla je

Obvykle se ještě počítá s využitím snížených sazeb za elektrický proud, kde se předpokládá, že tepelné čerpadlo bude v provozu 22 hodin denně, proto je potřebný výkon:

76

V tomto případě se dá použít například tepelné čerpadlo země - voda s výkonem 7,5 kW bez přídavného elektrického topného tělesa. Podobně se stanoví potřeba tepla výpočtem ze spotřeby jiných paliv, případně je do výpočtu ještě nutné zahrnout energii potřebnou pro ohřev teplé užitkové vody. Výhřevnost 23,5 MJ/kg 16,0 MJ/kg 27,5 MJ/kg 14,6 MJ/kg 18,0 MJ/kg 34,0 MJ/m3 46,1 MJ/m3 42,2 MJ/m3 3,6 MJ/kWh

Palivo černé uhlí hnědé uhlí koks kusové dřevo dřevěné pelety zemní plyn propan - butan topný olej elektřina

Tab. 2.54 Výhřevnost paliv (zdroj

)

Pokud jde o využití tepelného čerpadla vzduch – voda je situace poněkud složitější. Výkon těchto tepelných čerpadel klesá s venkovní teplotou, a proto je nezbytný dodatečný

Obr. 2.55 Spotřeba tepla a teplo dodávané z tepelného čerpadla vzduch - voda v závislosti na teplotě, P - výkon, t - venkovní teplota (zdroj

) 77

zdroj tepla. Opět je možné ponechat jako doplňkový stávající zdroj tepla, nebo vzhledem k nízké sazbě za elektrickou energii doplnit elektrická topná tělesa, která se dají i lépe regulovat. Výkon tepelného čerpadla pak může pokrývat potřebu tepla do venkovních teplot asi 0 °C až – 5 °C podle jeho výkonu. Pod bodem bivalence, tj. pod teplotou, kde se vyrovnají tepelné ztráty objektu a výkon tepelného čerpadla se musí zapínat pomocný zdroj energie. Konstrukce topného systému vzduch – voda se může zdát jednodušší, ale vzhledem k venkovním výparníkům a problémům s odtáváním námrazy je konstrukčně spíše náročnější, přičemž jeho energetický přínos je menší. Výhodou jsou však nižší pořizovací náklady.

78

2.8 Náklady na energii v domácnosti a tepelné čerpadlo Pro posuzování výhodnosti či nevýhodnosti různých zdrojů tepla hrají roli především pořizovací a provozní náklady. Při zjišťování pořizovacích nákladů je třeba správně zvolit srovnávací parametry. V místech, kde není zaveden zemní plyn, by bylo absurdní porovnávat náklady na vytápění tepelným čerpadlem a plynem. Podobně nelze porovnávat třeba tepelné čerpadlo s vytápěním polenovým dřevem, jestliže je pro nás nepřijatelný systém, který vyžaduje určitou obsluhu (příprava paliva, přikládání, vybírání popela). Tepelné čerpadlo nelze jednoduše srovnávat ani s elektrickým topením. Není-li v místě dostatečně kapacitní elektrická přípojka, nepřipadá přímotopné vytápění v úvahu (popřípadě musíme započíst náklady na posílení přípojky). V tabulce jsou uvedeny přibližné náklady na pořízení zdroje tepla včetně ohřevu vody pro dům s tepelnou ztrátou 7,5 kW (jsou započítány veškeré investice: kotel, komín, elektroinstalace, přípojka plynu, bojler atd.). Zdroj tepla Elektrokotel Kondenzační kotel na plyn Kotel na pelety Tepelné čerpadlo vzduch/voda Tepelné čerpadlo země/voda (plošný kolektor) Tepelné čerpadlo země/voda (vrt)

Náklady 80 000 175 000 195 000 305 000 325 000 395 000

Tab. 2.56 Náklady na pořízení zdroje tepla včetně ohřevu TUV (dům se ztrátou 7,5 kW, zdroj

)

Často se uvádí, že starší budova by se měla před instalací tepelného čerpadla zateplit. Nejdůležitějším důvodem je snaha o snížení investice do tepelného čerpadla a snížení ceny vytápění. Nejde jen o to, že tepelné čerpadlo nezatepleného domu musí mít větší výkon, ale vyšší jsou i náklady na zdroj – hlubinné vrty nebo plošný kolektor. S rostoucí velikostí zdroje rostou pochopitelně také náklady na spotřebu energií oběhových směsí a podobně. I když jsou náklady na zateplení vždy vyšší, než by bylo navýšení ceny za výkonnější tepelné čerpadlo, zateplený dům spotřebuje méně energie a náklady na zateplení se budou postupně vracet, kdežto peníze za výkonnější tepelné čerpadlo se nevrátí nikdy. V tabulce jsou uvedeny náklady na tepelné čerpadlo pro zateplený a nezateplený dům.

79

Tepelné čerpadlo Náklady na vrty (zemní kolektory) Celkem náklady Roční náklady na vytápění

Náklady pro zateplený dům 270 000 104 000 (45 000) 374 000 (315 000) 14 000

Náklady pro nezateplený dům 314 000 203 000 (84 000) 517 000 (398 000) 21 000

Tab. 2.57 Náklady na tepelné čerpadlo pro zateplený a nezateplený dům (zdroj

)

Dalším důvodem pro zateplení je zvětšení komfortu bydlení v domě. Nezateplené obvodové stěny mají nižší povrchovou teplotu, která se kompenzuje vyšší teplotou radiátorů. Při použití nízkoteplotní tepelné soustavy hrozí, že topení nebude schopno zajistit v místnostech dostatečnou teplotu. U moderních, dobře izolovaných rodinných domů se tepelná ztráta pohybuje do 10 kW. V takovém případě lze uvažovat i o monovalentním provozu tepelného čerpadla. Zvýšení investičních nákladů proti bivalentnímu provozu není nijak výrazné. Výhodou je to, že systém nemusí spolupracovat s dalším zdrojem. Monovalentní provoz není možný u tepelného čerpadla vzduch – voda, které při nízkých teplotách ztrácí svůj výkon. Tak jako ostatní elektrická vytápění umožňuje tepelné čerpadlo využívat výhody nízkého tarifu. V sazbě pro tepelná čerpadla má spotřebitel k dispozici levnější proud po dobu 22 hodin denně. To znamená, že většina spotřeby elektřiny domácnosti připadá na dobu nízkého tarifu (NT). U ostatních elektrických vytápění je doba nízkého tarifu kratší. Tím roste i podíl ostatní spotřeby v domě, která bude placena za vyšší ceny. Pokud je dům vytápěn jinak než elektřinou, je veškerá sazba pouze ve vysokém tarifu (VT). Spotřeba běžné domácnosti je od 3 do 5 tisíc kWh ročně. Rozdíl v nákladech je značný, jak je vidět z tabulky.

Sazba Použití D 01 D 02 D 25 D 35 D 45 D 56

domácnosti s malou spotřebou domácnosti s vyšší spotřebou akumulační ohřev vody pro ak. ohřev vody a vytápění pro přímotopné vytápění pro tepelné čerpadlo

Doba trvání NT

8 h/den 16 h/den 20 h/den 22 h/den

Doba trvání VT 24 h/den 24 h/den 16 h/den 8 h/den 4 h/den 2 h/den

Cena v NT

Cena ve VT

1,655 2,016 2,194 2,199

5,085 4,354 4,957 3,103 2,923 2,926

Tab. 2.58 Sazby a ceny společnosti ČEZ pro odběr elektřiny pro domácnosti (rok 2010). Ceny jsou včetně DPH. Ceny ostatních společností se mohou mírně lišit (zdroj

80

).

Je zřejmé, že při použití tepelného čerpadla klesají náklady na domácnost o několik tisíc Kč ročně. Maloodběratelé (mimo domácností), kteří vytápějí tepelným čerpadlem, mají již dnes dva elektroměry – jeden pro zdroj tepla (tepelné čerpadlo, elektrokotel a příslušenství) a druhý pro ostatní spotřebiče. Pokud se toto opatření v budoucnu rozšíří i na domácnosti,

Obr. 2.59 Průměrné náklady na energie v domku se čtyřčlennou rodinou (zdroj

Druh paliva Palivové dřevo Tepelné čerpadlo Hnědé uhlí Dřevěné pelety Zemní plyn Dálkové teplo Černé uhlí Elektřina

Vytápění

Ohřev vody

12 320 20 540 21 085 22 530 28 058 31 950 36 380 45 245

6 505 3 041 6 505 6 505 3 697 4 730 6 505 6 364

Ostatní elektrospotřebiče 11 792 7 211 11 792 11 792 15 083 15 083 11 792 11 218

Celkové náklady 30 616 30 793 39 382 40 827 46 839 51 746 54 677 62 826

Tab. 2.60 Průměrné náklady na energie v domku se čtyřčlennou rodinou (zdroj

81

)

)

ztratila by se podstatná výhoda levné elektřiny pro provoz domácnosti a možná i část motivace pro pořízení tepelného čerpadla. V grafu a tabulce jsou uvedeny náklady na energie pro různé případy vytápění a ohřevu teplé vody v rodinném domku se čtyřčlennou rodinou a spotřebou tepla na otop 70 GJ/rok, tepla na teplou vodu 10 GJ/rok a elektřiny 10 GJ/rok. Celková spotřeba je 90 GJ/rok. Ceny jsou z roku 2010, spotřeba odpovídá průměrným hodnotám české domácnosti. V budoucnu lze očekávat další růst cen energií. Nelze však seriózně předvídat ceny energií na 20, nebo dokonce 50 let dopředu. Přitom ale právě růst cen je jedním z hlavních přesvědčovacích argumentů pro instalaci tepelného čerpadla. Pro zhodnocení návratnosti investice do tepelného čerpadla není důležitý absolutní růst cen (v posledních letech okolo 4 %), ale relativní nárůst, tedy zdražení vzhledem k růstu ostatních cen, případně vzhledem k inflaci. Optimistické odhady mluví o návratnosti do 20 let, pokud budeme mít na mysli navrácení celkové částky investované do tepelného čerpadla. Další finanční výhodou při zřizování tepelného čerpadla je možnost získání dotace. Státní fond životního prostředí poskytuje dotace na tepelná čerpadla z programu Zelená úsporám. Dotaci lze získat jak na náhradu neekologického zdroje tepelným čerpadlem, tak na instalaci tepelného čerpadla do novostavby. Žadatel o dotaci může žádat předem i po instalaci. Podmínkou je, že tepelné čerpadlo musí být zapsáno na Seznamu výrobků a technologií a musí ho namontovat firma ze seznamu odborných dodavatelů. Výše dotace závisí na typu tepelného čerpadla a může dosahovat výše až 75 tis. Kč. Dotační programy pro obnovitelné zdroje často zřizují i kraje, obce a města. V reklamních letácích firem zabývajících se prodejem a instalacemi tepelných čerpadel se často dočteme o návratnosti investice za pouhých 5 let. Úvahy vedoucí k tomuto číslu jsou následující. Cena tepelného čerpadla je přibližně 325 tisíc Kč. Po odečtení dotace 75 tisíc Kč zaplatíme 250 tisíc Kč. Náklady na instalaci plynové kotelny (přípojka, kotel, komín, elektroinstalace, bojler atd.) jsou asi 160 tisíc Kč. Rozdíl je tedy 90 tisíc Kč. Díky tepelnému čerpadlu jsme za energie schopni ušetřit 18 tisíc Kč ročně, což za dobu 5 let dělá 90 tisíc Kč.

V kapitolách 2.2 – 2.8 je vhodné provést praktické ukázky tepelných čerpadel, jejich součástí a jejich zapojení do topného systému. Ceny tepelných čerpadel, náklady na jejich provoz, ceny energií a podobně nebudou stále stejné – je vhodné společně s žáky provést jejich aktualizaci. 82

2.9 Ekologie provozu tepelného čerpadla Emise z výroby energie Pokud porovnáme spotřebu primární energie (energie uvolněná spalováním uhlí) pro vytápění elektrickou energií vyrobenou v tepelné elektrárně se spotřebou kotle v rodinném domě, lze dokázat, že tepelné čerpadlo poháněné elektrickou energií snižuje spotřebu primární energie již od průměrného ročního topného faktoru 2,2. Je to dáno tím, že pokud v elektrárně spálíme uhlí, vzniklou tepelnou energii přeměníme na elektrickou, tu přivedeme do domácnosti a opět přeměníme na teplo určené k vytápění, bude takto získané teplo tvořit asi 27 % tepla uvolněného při spálení uhlí. Při použití kotle na uhlí přímo v domě, je využití uvolněné energie asi 60 %. Jinak řečeno, spálíme-li uhlí v kotli na uhlí s účinností 60 %, získáme stejné množství tepla, které by dodalo tepelné čerpadlo s topným faktorem 2,2 poháněné elektrickou energií vyrobenou v elektrárně ze stejného množství uhlí. Porovnání vypouštěných emisí bude pro tepelné čerpadlo ještě příznivější, neboť elektrárny jsou vybaveny odsiřovacími a odprašovacími jednotkami. Uvedené informace platí pro případ, kdy je elektřina pro tepelné čerpadlo vyrobena v uhelných elektrárnách. Ve skutečnosti se elektřina vyrábí i z jiných zdrojů – především v jaderných elektrárnách, elektrárnách na zemní plyn a část také z obnovitelných zdrojů.

Obr. 2.61 Emise produkované při dodávce energie 90 GJ (zdroj 83

)

Tuhé látky

Hnědé uhlí 104,8 177,9 27,3 409,1 80,9 15,3

Palivové dřevo 102,7 8,2 24,7 8,2 7,3 8,4

Zemní plyn 0,1 0,0 4,8 1,0 0,2 5,9

Elektřina přímotop 9,9 49,3 41,8 10,5 0,0 23,6

Tab. 2.62 Emise produkované při dodávce energie 90 GJ (zdroj

Tepelné čerpadlo 3,1 15,6 13,2 3,3 0,0 7,5 )

Stanovit skutečné emise připadající na elektřinu pro provoz tepelného čerpadla není jednoduché, ale je důležité si uvědomit, že i tepelné čerpadlo se podílí na těžbě uhlí a produkci emisí, i když méně výrazně. Vliv na ozónovou vrstvu Pracovní látkou (chladivem) ve většině tepelných čerpadel jsou freony. Ty lze rozdělit na tzv. tvrdé a měkké. Tvrdé freony (CFC) velmi účinně ničí ozónovou vrstvu. Tvrdé freony se v ČR vyskytují prakticky jen ve starých tepelných čerpadlech a chladicích zařízeních. Zde je důležité, aby freony neunikaly při opravách nebo likvidaci zařízení. V moderních zařízeních se s nimi nesetkáme, jejich dovoz je zakázán. Měkké freony můžeme rozdělit na dvě skupiny. První (HCFC) poškozuje ozónovou vrstvu také, ale mnohem méně – asi o 95 % ve srovnání s tvrdými freony. Druhá (HFC) je pro ozón zcela neškodná, patří však, stejně jako všechny freony mezi skleníkové plyny. I když je v tepelném čerpadle pro rodinný dům obsah chladiva poměrně malý, je vždy potřeba dbát při opravách a likvidaci na to, aby chladivo neuniklo do atmosféry. Servisní firmy proto freony odsávají speciálním zařízením a předávají k likvidaci nebo recyklaci. Vliv na hydrogeologickou situaci Tepelné čerpadlo voda – voda, případně země – voda vždy alespoň částečně naruší hydrogeologické poměry. Proto je při jeho stavbě obvykle vyžadován hydrogeologický průzkum a je nutné získat patřičná povolení od úřadů. Pokud tepelné čerpadlo splňuje všechny náležitosti, pak jeho samotný provoz do přírodních poměrů zasahuje minimálně. Teplota půdy, která v důsledku jeho provozu klesá, se v letních měsících vrací zpět na původní hodnotu. 84

3 Geotermální energie Slovo geotermální má původ ve dvou řeckých slovech: geo (země) a therme (teplo), jedná se tedy o tepelnou energii Země, která bývá nazývána geotermální energie. Studiem zemského tepla se zabývá geotermika. Planeta Země vznikla asi před 4,5 miliardami let. V tomto období se svou strukturou podstatně lišila od současného stavu – byla žhavá a roztavená. Až teprve před 3 miliardami let klesla teplota zemského povrchu pod 100 °C a na povrchu vznikla zemská kůra, která postupně tuhla do větší hloubky. Je zajímavé, že 99 % objemu naší planety má teplotu vyšší než 1000 °C. Tyto teploty se vyskytují v zemském nitru, avšak při vulkanické činnosti se rozžhavená láva často objevuje i na zemském povrchu. Různé techniky umožňují teplo ze zemského nitra odebírat a pokrýt jím část naší spotřeby energie.

Obr. 3.1 Projevy vulkanické činnosti Země (zdroj www.vesmir.info) Země má uvnitř strukturu, která se často přirovnává ke struktuře cibule. Skládá se ze zemského jádra, zemského pláště a zemské kůry. Zemské jádro má poloměr asi 3430 km. Rozlišujeme mezi vnějším tekutým jádrem a vnitřním jádrem z pevného materiálu. Maximální teploty v zemském jádru dosahují 6000 °C. Vnitřní zemské jádro, které je 85

převážně složeno ze železa a niklu, by při těchto teplotách bylo za atmosférického tlaku v plynném skupenství. S přibývající hloubkou však v zemském nitru stoupá tlak, který dosahuje hodnot až 4 milionkrát větších, než je atmosférický tlak. Tyto extrémně vysoké hodnoty tlaku způsobují, že vnější část zemského jádra je kapalná, kdežto vnitřní je v pevném skupenství. Dále od středu Země je plášť, který je možné dělit na spodní a svrchní. Vnější slupku zemského tělesa tvoří zemská kůra tlustá od 6 km pod oceány až po 70 km na pevnině pod nejvyššími pohořími. V Čechách má tloušťku 30 km – 34 km.

Obr. 3.2 Struktura Země (zdroj

)

Teplo uvnitř zemského nitra pochází z menší části ze zbytkového tepla v době vzniku Země, z převážné části z rozpadu jader radioaktivních prvků. V nitru Země je dostatek geotermální energie, pro nás je však dostupná pouze svrchní vrstva zemské kůry. Podle odhadů je v nejsvrchnější tříkilometrové vrstvě zemské kůry tolik tepla, které by stačilo pokrýt spotřebu lidstva nejméně na 100 000 let.

86

Zemská kůra a nejvyšší vrstvy zemského pláště vytvářejí tzv. litosféru. Její tloušťka je mezi několika kilometry až do více než 100 kilometrů. Sestává se sedmi velkých a několika menších litosférických desek. Tyto pevné a poněkud křehké desky plavou na vrstvě tzv. astenosféry, na materiálu, který již není pevný. Desky se neustále pohybují. V oblastech, kde na sebe dvě desky narážejí, vznikají často zemětřesení a je zde vyšší výskyt vulkanické činnosti. Můžeme zde pozorovat i termické anomálie. Vysoké teploty se tak mohou objevit i v menších hloubkách, kde se již může zemské teplo efektivně využívat. Teplo na Zemi proudí od míst teplejších k chladnějším a ze zemského povrchu je tepelná energie vyzařována do atmosféry. Tepelná energie se může šířit dvěma způsoby, vedením a prouděním. Vedení spočívá ve vzájemném působení částic hmoty, při kterém částice teplejších míst předávají část své kinetické energie částicím chladnějších míst. Teplejší místa se tak ochlazují a chladnější zahřívají. Proudění probíhá, pokud se částice začnou vzájemně přemísťovat. Dochází k němu například při zahřívání tekutiny, která změní v daném místě hustotu. Nejčastěji probíhá přenos tepla k zemskému povrchu prouděním magmatu. Magma, křemičitanová tavenina, se tvoří částečným tavením hornin pláště i zemské kůry. Magma vystupuje směrem vzhůru, kde postupně chladne. Pokud se setká se zavodněnou oblastí, může v hloubkách několik kilometrů dojít k zahřátí vody i na 200 °C, vysoký tlak však zabraňuje jejich varu. Pokud tlak klesne, voda se vaří a uniká pára. Vodní páry se často mísí s plyny, které obsahují síru, někdy dusík a některé inertní plyny. Průduchy pak páry unikají na povrch. Zatímco sirné plyny lidské smysly rozpoznají okamžitě, větší koncentrace oxidu uhličitého jsou nezachytitelné, a proto smrtelně nebezpečné. Roku 1986 v Lake Nyos v Kamerunu výrony oxidu uhličitého z kráterového jezera usmrtily 1700 lidí. Horké vody, pokud jsou pod tlakem, prorazí na povrch a projeví se jako teplé prameny nebo vystřikují jako gejzíry. Nejslavnější gejzír Old Faithful v Yellowstonském národním parku v USA stříká každých 60 minut do dvacetimetrové výšky po dobu 5 minut.

87

3.1 Geotermální zdroje Geotermální zdroj je ta část geotermální energie, která může být ekonomicky využívána. Zásoby geotermální energie jsou zkoumány pomocí vrtů. Využití geotermálních zdrojů je značně ovlivněno geologickým složením, ekonomickou a technickou vyspělostí země, její péčí o životní prostředí včetně snahy o omezení skleníkového efektu. Využití geotermální energie je omezeno především tím, že cena získané energie by neměla převýšit cenu vynaloženou na její čerpání. Pro posouzení možnosti využití má význam přítomnost nebo nepřítomnost užitkové vody, která slouží k přenosu tepla. Důležité je, že geotermální energie je v podstatě zdrojem pro místní využití. Dosud nejdelší teplovod je pouze 70 km dlouhý a je na Islandu. Podle teploty dělíme geotermální zdroje na vysokoteplotní, středně teplotní a nízkoteplotní. Vysokoteplotní zdroje mají teploty nad 200 °C a jsou výhradně ve vulkanicky aktivních oblastech. Lze je využít na přímou výrobu elektřiny. Středně teplotní zdroje mají teploty v rozmezí 150 °C až 200 °C. Jsou použitelné jak pro přímé vytápění, tak pro výrobu elektřiny. Nízkoteplotní zdroje mají teploty pod 150 °C, jsou ze všech zdrojů nejhojnější a najdeme je jak ve vulkanicky aktivních, tak ostatních oblastech. Lze je využít na vytápění obydlí, skleníků, pro řadu průmyslových procesů a pro tepelná čerpadla. Geotermální zdroje jsou na světě velmi nerovnoměrně rozmístěny, řada z nich byla objevena náhodou při vrtech prováděných při těžbě ropy a zemního plynu. Vysokoteplotní zdroje jsou v Evropě omezeny pouze na Island, Itálii, Řecko a Azory. Nízkoteplotní a středně teplotní zdroje jsou častější, například ve Francii a Maďarsku. Velmi zjednodušené je dělení geotermálních systémů na vulkanické a nevulkanické, což do značné míry souhlasí s výše uvedeným dělením podle teploty. Původ zemské energie Vnitřní energie Země je příčinou všech geologických pochodů, při kterých se uvolňuje teplo na povrch Země. Hlavní příčina vzniku tepla v zemské kůře je rozpad radioaktivních prvků. Většina tepelné energie pochází z uranu, částečně přispívá thorium a radioaktivní draslík. Několikatisícistupňové teplo v nitru Země je však stále předmětem diskusí a někdy i vášnivých sporů. Uveďme alespoň jeho základní možné zdroje: 

Původní teplo zemského tělesa, které zbylo z dob jeho vzniku. Kolik jej zbylo, není

přesně známo.

88



Rozpad radioaktivních prvků. Objevem radioaktivity se zcela změnily naše názory na

původ zemského tepla. Starší představy o postupném vychládání Země se zcela změnily potom, co se zjistilo, že rozpad radionuklidů produkuje teplo. Proto se od objevu radioaktivity na začátku 20. století pokládá tento proces za hlavní zdroj zemského tepla. Tento názor je dodnes některými odborníky kritizován a zpochybňován. Zdroj tepla rozpadem radionuklidů je téměř nevyčerpatelný. Přírodní radioaktivní prvky v horninách jsou zdrojem jaderného záření alfa, beta a gama a neutronového záření. Hlavním zdrojem jaderného záření v horninách jsou uran, draslík a thorium. V tabulce jsou poločasy přeměny přírodních radionuklidů. Poločas rozpadu

Izotop

Tab. 3.3 Poločasy přeměny přírodních radionuklidů (zdroj

Izotopy

,

a

)

jsou počátečními prvky rozpadových řad, jejichž členy jsou

nestabilní a jsou zdroji jaderného záření. Konečnými členy rozpadových řad jsou stabilní izotopy olova. 

Sluneční záření. Je sice obrovským zdrojem tepelné energie, ohřívá však pouze povrch a

prostředí nehluboko pod ním. Uvádí se, že v našich zeměpisných podmínkách pronikne do hloubky 3 m méně než 0,01 % dopadajícího záření. Pod třímetrovou hloubkou, až do 10 m, je zóna, ve které není přírůstek tepla ani z atmosféry, ani z hloubky. Šířka této neutrální vrstvy se mění v závislosti například na geologické situaci, tepelné vodivosti hornin, vystavení povrchu slunečnímu záření, hloubce hladiny podzemní vody a vlivu lidské činnosti. Z energie dopadající ze Slunce na Zemi je 36 % odraženo zpět, 23 % je pohlcováno atmosférou, 23 % je spotřebováno na vypařování vod ze zemského povrchu, z rostlin a vodních ploch do atmosféry. K vlastnímu ohřívání zemského povrchu tak zbývá pouhých 18 % původní energie, ale i tento zbytek je nejdříve pohlcen a později vyzářen v podobě dlouhovlného tepelného záření. Kdyby tomu tak nebylo, povrch Země by se dávno rozžhavil. I když má sluneční záření rozhodující vliv na teplotu zemského povrchu, na celkovou teplotu zemského tělesa nemá prakticky vliv a proto se při úvahách o zdrojích zemského tepla neuvažuje. 89

Poloha zdrojů geotermální energie Střední Evropa není bohatá na optimální geotermální zdroje, to však neznamená, že zde v podzemí neexistují vyšší teploty. Na rozdíl od geotermicky bohatě obdařených oblastí, jako je Island nebo Sicílie, musíme ve střední Evropě proniknout do podstatně větší hloubky, abychom na podobné teploty narazili. Podrobné výzkumy pomocí vrtů probíhaly například v sousedním Německu, kde se nejlepší podmínky nacházejí v oblasti Rýnské pánve, ve které jsou již v hloubce 3000 m teploty kolem 150 °C i více. Průměrný teplotní hloubkový nárůst teploty činí 3 °C na 100 m, takže průměrná teplota v 3000 m je asi 90 °C. Na Islandu se těchto teplot dosahuje již v hloubce menší než 100 m. V rámci studií výzkumu a vývoje Ministerstva životního prostředí byla zpracována mapa tepelného toku České republiky s použitím více než 3500 bodů – vrtů hlubších než 100 m. Tepelný tok je fyzikální veličina, která udává množství tepla (energie), které projde jednotkou plochy (1 m2) za jednotku času (1 s). Její jednotkou je W/m2. Z hodnoty tepelného toku lze odvodit rychlost růstu teploty s hloubkou. V geotermice je hodnota tepelného toku nesmírně důležitým údajem, a to nejen z hlediska využití geotermální energie, ale i z hlediska geofyziky a obecně i geologie – prozradí mnoho o složení hlubších pater zemské kůry i o celkovém geologickém vývoji.

Obr. 3.4 Potenciál ploch pro využití geotermální energie v ČR (zdroj MŽP)

90

Na zemském povrchu je rozmezí hodnot tepelného toku až na výjimky mezi 30 mW/m2 a 120 mW/m2. Střední hodnota, vypočítaná z několika desítek tisíc měření, je 70 mW/m2. Kolem činných sopek, výronů horkých vod, může však být toto číslo mnohem vyšší, až několik tisíc. Z řady výzkumů lze odvodit, že na území České republiky je podle prvních výpočtů možné nalézt poměrně velké množství lokalit vhodných pro výrobu elektřiny a tepla na vytápění. Nejznámější jsou údaje z Karlových Varů, Teplicka a okolí Cínovce, kde hodnoty tepelného toku mohou převyšovat až 100 mW/m2. Potenciál ploch pro využití geotermální energie v ČR znázorňuje mapka na obrázku. Aby se mohla nalézt místa, kde jsou pod zemí vysoké teploty, musí se provádět hloubkové zkušební vrty. Technika je známá již dlouhou dobu z průzkumu nalezišť ropy. U tzv. rotačního postupu, je motory poháněn korunkový vrták, osazený diamantovými hlavicemi (jeho cena se pohybuje kolem 1,5 mil. Kč).

Obr. 3.5 Vrták používaný při hloubení zkušebních vrtů (zdroj www.nazeleno.cz) V terénu při vrtání vidíme vlastně jen vrtnou soupravu, kde je ve vrtném stožáru uloženo vrtné soutyčí. Vnitřní částí vrtáku protéká pod vysokým tlakem voda, která se vtlačuje do vrtaného otvoru. Ta vymývá a vhání rozdrcený materiál horniny do prostoru mezi 91

korunkovým vrtákem a vrtným otvorem a na čelní straně ochlazuje korunkový vrták. Pohonný systém vrtné soupravy umožňuje zaměřit osu vrtání a odklonit směr vrtu z kolmého směru. Dlouhodobě je pro vrtáky velkým problémem vysoká koncentrace soli v termálních vodách. Sůl ve styku s kovem vede rychle ke korozi. Tyto problémy se dnes řeší speciálními povrchovými úpravami a ochrannými vrstvami materiálu. Nejhlubší doposud realizované vrty se prováděli pro výzkumné účely na ruském poloostrově Kola. Dosáhly hloubky 12 km. Nejhlubší vrty v Německu dosáhly hloubky 9,1 km. Tyto hlubinné vrty představují v současnosti hranice technických možností. V hloubkách kolem 10 km panují již extrémní podmínky, teploty dosahují 300 °C a je zde vysoký tlak. Tyto podmínky způsobují, že horniny jsou plastické, což znesnadňuje další vrtání. Pro geotermální využití je však zapotřebí mnohem menší hloubky. Pro velká zařízení se v současné době počítá s hloubkami zhruba 5 kilometrů. I tyto hloubky však vyžadují velmi náročnou a tím i drahou techniku. Získávání geotermální energie Teplo Země je možné získávat z následujících geotermálních zdrojů: 

zásoby horké páry,



zásoby termální horké vody,



teplo ze suchých hornin (HDR, Hot Dry Rock). Zásoby horké páry a termální vody se obvykle čerpají pomocí vrtů a lze je využít přímo

k vytápění a ohřevu a výrobě elektrické energie. Pokud je zásoba teplé vody v podzemí malá, je nutné ochlazenou vodu přivádět nazpět, aby se kapacita takového zdroje nezmenšovala s časem. Toto teplo je využíváno například v pařížské pánvi ve Francii, v panonské pánvi v Maďarsku a v menších pánevních strukturách na Slovensku, Bulharsku a Rumunsku. U nás se jedná o oblasti české křídové pánve v Děčíně a Ústí nad Labem s teplotami 32 °C až 35 °C. Systém HDR vychází z předpokladu, že v určité hloubce pod povrchem existují zásoby horkých hornin, které jsou prakticky suché a nepropustné pro kapaliny. Vhodnými procesy lze tyto horniny přeměnit na tepelný výměník, do kterého budeme vhánět studenou vodu a odebírat vodu zahřátou. V průměrných oblastech je v hloubkách kolem 6 km teplota hornin až 180 °C. Tlak nadložních vrstev je zde tak velký, že zabraňuje vzniku pórů a větších dutin, proto je nutné takové prostory vytvořit uměle, čímž v hloubce vzniká tepelný výměník. V takovém podzemním výměníku voda pod velkým tlakem zůstává kapalinou, cirkuluje a odebírá teplo okolním horninám. Povrchovým výměníkem se pak za nízkého tlaku přeměňuje 92

voda na páru použitelnou pro výrobu elektrické energie. Z ekonomických důvodů se dává přednost současné výrobě elektrické energie i výrobě tepla pro vytápění. Základní výhodou tohoto systému je: 

získání prakticky neovlivnitelného zdroje energie,



získání energie kdekoliv a kdykoliv,



zanedbatelná produkce škodlivých kapalin a plynů, malého množství oxidu uhličitého,



získání ekonomicky výhodného zdroje i přes velké počáteční náklady. Je však nutné počítat s tím, že dostatečná produkce elektrické energie vyžaduje výměník

o ploše 5 km2 až 10 km2 a vtlačování 50 l až 100 l vody za sekundu při tlacích až 40 MPa. Také ztráty vody, hlavně na začátku procesu, jsou značné. Testováno bylo několik druhů tohoto systému. Základním modelem jsou dva vrty propojené puklinami. Nejprve se vyvrtá jeden vrt, ze kterého se vytvoří v hloubce puklina. Po ověření jejího směru se do tohoto prostoru vyvrtá druhý vrt. Ekonomicky výhodnější je vytvoření systému více puklin. Vzdálenost vrtů se pohybuje mezi 300 m až 1000 m. První projekt na využití systému HDR byl zahájen v roce 1970 v Los Alamos Scientific Laboratory v Novém Mexiku v USA. Geofyzikové navrhli propojení dvou vrtů umělým štěpením hornin a do jednoho vrtu vhánět vodu a z druhého odebírat páru jako z výměníku tepla. Přes počáteční potíže se nakonec ukázaly možnosti uplatnění tohoto systému. Výpočty ukázaly, že ochlazení 1 km3 horniny umožní provoz tepelné elektrárny o výkonu 30 MW po dobu 30 let. Obdobný systém je prakticky možno uplatnit kdekoliv a je jen otázkou výběru lokalit, kde by bylo možné podobný systém uplatnit případně i v menších hloubkách. Vliv odběru zemského tepla neovlivňuje životní prostředí. Výhodné by bylo, aby ve zvolené lokalitě byly horniny již částečně rozpukány, aby propojení umělou cirkulací bylo snazší a méně nákladné. Nejdůležitější projekty zaměřené na využití energie z HDR probíhaly a probíhají v Německu, Velké Británii, Francii, Švédsku a Japonsku. Podle těchto výzkumů je možné požadavky na uplatnění systému HDR formulovat takto: 

hloubka výměníku by neměla být větší než 5 km, a to s ohledem na současné možnosti vrtné technologie a na náklady vrtání,



teplota v zásobníku tepla musí být vyšší než 180 °C, což zaručuje dostatečnou efektivitu přeměny tepla ne elektrickou energii,



plocha výměníku by neměla být větší než 3 km2,



pukliny v horninách by měly být přibližně 1,5 mm s ohledem na cirkulaci vody, 93



minimální množství cirkulující kapaliny je 78 l/s, což by stačilo k transportu dostatečného množství energie do povrchových výměníků. Největší nákladovou položkou při získávání tepla z velkých hloubek jsou vrty. Přitom to

nejsou jen náklady na vrtání, které jsou zdrojem problémů. Z komerčního hlediska nesmíme podcenit ani riziko spojené se samotným vrtem. Ani nejlepší geologové nemohou vždy přesně předvídat, jak a čím je podzemí tvořeno. Jestliže se při vrtání narazí na tvrdou krystalickou horninu namísto měkké usazeniny, náklady se navýší. Jestliže se ukáže, že teploty jsou v hloubce nižší, než se předpokládalo, pak to může vést dokonce ve fázi průzkumných vrtů až k odstoupení od projektu. Často se v podzemí objeví i jiná překvapení. Při vrtání došlo například v hloubce 2000 m k objevení ropného pole. Bylo nutné provést ještě další vrt k odtěžení ložiska ropy. I když v průběhu prací na vrtu proběhne všechno dobře, platí, že polovina všech nákladů jde na vrub vrtů. Proto jsou ceny za geotermální proud vyšší než za proud vyráběný z větrných nebo vodních zdrojů. Politika většiny států směřuje k podpoře energie získané z ekologických zdrojů, proto energii vyrobenou tímto způsobem dotuje. V oblastech bohatých na geotermální zdroje jsou náklady výrazně nižší. U hloubky vrtů kolem několika set metrů klesá jejich podíl na celkových nákladech. Jestliže jsou v malé hloubce nebo dokonce těsně pod povrchem již relativně vysoké teploty, můžete si, podobně jako na Islandu, dovolit provozovat veřejná přírodní koupaliště i v zimě.

94

3.2 Historie využití geotermální energie Datování prvních zpráv o měření teploty pod zemským povrchem je nepřesné, stejně jako jsou rozporuplné současné údaje o počátcích vědeckého výzkumu zemského tepla. Víme, že již starověcí přírodovědci a filozofové psali o podzemním ohni. Ze středověkých kronik lze vyčíst, že např. v kutnohorských stříbrných dolech několik set metrů pod povrchem byly teploty mnohem vyšší než na povrchu. Další údaj z českého území napovídá, že v příbramském dole Vojtěch, kde se poprvé na světě v roce 1873 prorubali hlouběji než 1000 m pod povrch, byly teploty přibližně 50 °C. Často bývá uváděno, že první známou zmínkou o vědeckém měření pod povrchem je zaznamenávání teploty v anglických dolech v roce 1733. Bohužel údaje o naměřených hodnotách se nedochovaly. Také existují metody z 19. století, které se na základě úvah o postupném chladnutí Země z počáteční teploty 6000 °C (teplota na povrchu Slunce a původní předpokládaná teplota Země) snažili odhadnout stáří Země (výsledky se pohybovaly mezi 20 miliony a 100 miliony let). Ke zvratu v těchto názorech došlo po objevení přirozené radioaktivity a do výpočtů bylo nutno zahrnout teplo vznikající při radioaktivních reakcích. Sledujeme-li využití geotermální energie, musíme se vrátit až do starého Říma, kde vytápěli své termální lázně přírodní teplou vodou, která byla také využívána v dnešním Německu, Francii, Španělsku, Řecku, Turecku a dokonce i Anglii. I některé civilizace na Blízkém i Dálném východě využívaly termální prameny, zprávy jsou z Číny i Japonska. Od roku 1888 používali lidé na Islandu teplou vodu na vytápění skleníků, od roku 1928 bylo hlavní město Reykjavík postupně zásobováno teplem z geotermálních zdrojů. Reykjavík je hlavní město Islandu a zároveň jeho nejsevernější město. Žije v něm 62 % celkového počtu obyvatel Islandu. Reykjavík patří mezi nejčistší města na světě – díky větrnému počasí, ale především díky tomu, že se zde používá geotermální energie. Název Reykjavík znamená v překladu „zátoka dýmu“. Zátoka dýmu proto, že tu bylo mnoho páry vznikající u termálních pramenů. Celé město je vytápěno podzemní teplou vodou, která má teplotu 80 °C. Dokonce jsou vytápěny i chodníky a hlavní třídy, takže v zimě se na nich nedrží sníh a nezamrzají. V roce 1827 navrhl Ital Francesco Larderel využití přehřáté páry na výrobu kyseliny borité, což zřejmě bylo první průmyslové využití geotermální energie. Místo dodnes nese jeho jméno. V roce 1904 využil na stejném místě poprvé v historii Ital Pierro Ginori Conti geotermální energii k výrobě elektrické energie. Pára získaná ze Země pohybovala malou

95

turbínou a vzniklá elektrická energie napájela pět žárovek. V roce 1911 se zde začalo se stavbou první geotermální elektrárny, která byla dokončena v roce 1913, a její výkon byl 250 kW. Asi půl století to byla jediná geotermální elektrárna na světě. Princip byl jednoduchý: chladná voda se pumpovala do vřelých žulových hornin, které se nachází blízko povrchu a ven vycházela vřelá pára o teplotě větší než 200 °C. Tato pára měla velký tlak a pohybovala rotory generátorů. Přestože byla všechna tovární zařízení v Larderellu zničena během druhé světové války, po válce byla znovu obnovena a používají se dodnes. V současné době tato elektrárna napájí kolem milionu domácností a vyrábí asi 5000 GWh elektrické energie za rok, což je kolem 10 % celkové světové výroby proudu z geotermálních zdrojů. I když je geotermální energie obnovitelný zdroj energie, tlak páry se v Larderellu zmenšil od roku 1950 o 30 %.

Obr. 3.6 Stará a v pozadí nová elektrárna v Larderellu (zdroj magazín 3pól) V roce 1847 bylo objeveno geotermální pole The Geysers v Údolí Napa v severní Kalifornii nedaleko od San Francisca. S vrtným průzkumem se tu začalo v roce 1920, s výrobou elektřiny z páry v roce 1960. Z některých vrtů pára uniká takovou silou, že se je nepodařilo uzavřít. Dnes se zde získává elektrická energie až 10 MW z dvaceti vrtů hloubky 2 km – 3 km (nejhlubší 3,2 km), které produkují 1 – 2 miliony kg přehřáté páry o teplotě 250 °C za hodinu. Efektivita výroby tepelné energie je však nízká, pouze asi 15 %. 96

The Geysers vyrábí nejvíc energie z geotermálních zdrojů na celém světě. Bylo zde vyhloubeno celkem 600 vrtů. V Japonsku byla první geotermální elektrárna postavena v roce 1966 u města Matsukawa. V současné době je v této zemi osm geotermálních energetických centrál o výkonu 1 MW až 50 MW. Jsou zde využívány jek hydrotermální, tak vulkanické systémy. V posledních letech se uplatňují i systémy HDR.

97

3.3 Geotermální teplárny a elektrárny Geotermální teplárny Pokud jsou v oblasti s ložiskem termální vody k dispozici hloubkové vrty, lze zajistit poměrně snadnou dodávku tepla. Geotermální teplárna je vybavena dopravním čerpadlem, které z technologického hloubkového vrtu dopravuje horkou termální vodu na povrch. Protože má termální voda většinou velký obsah minerálních solí a vykazuje i přítomnost určitých přírodních radioaktivních příměsí, není sama přímo teplonosným médiem. Tepelný výměník odebírá termální vodě její vnitřní tepelnou energii a předává ji do sítě dálkového vytápění. Vrt pro zpětnou injektáž technologické vody zajišťuje dodávku ochlazené termální vody zpět do země.

Obr. 3.7 Schéma geotermální teplárny (zdroj

98

)

Pro účely získání tepla pro účely vytápění stačí poměrně nízké teploty pod 100 °C. Proto se nepočítá s velkými hloubkami vrtů. Ve středoevropské oblasti jsou hloubky do 2000 m dostačující. Centrální výtopna reguluje dodávané množství v závislosti na spotřebě tepla. Kotel pro vyrovnávání špičkového odběru vyrovnává spotřebu tepla. Rezervní kotel má rovněž opodstatnění, aby se pro případné problémy v čerpací stanici nebo ve vrtu mohla zajistit garantovaná dodávka tepla. Geotermální elektrárny Výroba proudu z geotermálních zdrojů je vždy složitější než zajištění tepla. Především se energetika musí vyrovnat s relativně nízkou teplotou geotermálního média, což vyžaduje nové koncepce výroby elektrické energie. Momentálně rozlišujeme čtyři základní druhy geotermálních elektráren: 

princip suché páry (Dry steam),



Flash princip (Flash steam),



princip ORC (Organic Rankine Cycle),



elektrárny HDR (Hot Dry Rocks).

Princip suché páry (Dry steam) V optimálních geotermálních lokalitách, tam, kde lze ze Země získat páru o teplotě 200 °C – 300 °C, lze využít normálních elektráren s parními turbínami. Pára se využije přímo pro pohyb turbín generátoru. Tento způsob výroby elektrické energie z geotermálních zdrojů je nejstarší a stále vyhledávaný, jelikož je jednoduchý a finančně méně náročný. Zmíněná první geotermální elektrárna na světě v Larderellu pracuje na tomto principu. Momentálně největší elektrárna, která používá „Dry steam“ princip, je také již zmiňovaná elektrárna The Geysers v severní Kalifornii, která byla postavena v roce 1960. Elektrická energie, kterou vyrábí, je dostatečná pro zásobování města o velikosti San Francisca. Flash princip (Flash steam) Flash princip používá vřelou vodu z geotermálních rezervoárů, která je pod velkým tlakem a má teplotu nad 180 °C. Čerpáním vody z těchto podzemních zdrojů na povrch se zmenšuje její tlak a voda se mění v páru. Takto vzniklá pára uvádí do pohybu turbínu. Voda, která se v páru nepřemění, se vrací zpět do rezervoáru pro další použití. Většina současných moderních geotermálních elektráren používá tento princip.

99

Princip ORC (Organic Rankine Cycle) Při teplotách 100 °C nebo méně již geotermální energie na odpaření vody nestačí. Obvyklou turbínu pracující s vodní parou už nelze použít. V tomto případě se využívá principu tzv. ORC elektrárny. U tohoto principu se horká voda používá na zahřívání tekutiny, která má významně nižší teplotu varu, než voda. Používá se například Isopentan PF5050. Tepelný výměník předává teplo získané z geotermálního oběhu této tekutině, která se pak mění v páru a pohybuje turbínami generátoru. Tato pracovní látka se odpařuje pod vysokým tlakem, ale při teplotách nižších než 100 °C. V kondenzátoru se sráží a zpětně se navrací jako kapalné médium do oběhu. Zbývající teplo se odvádí do chladící věže. Napájecí čerpadlo opět dodává oběhu pracovního média tlak a tepelný výměník uzavírá celý tento oběh.

Obr. 3.8 Princip ORC elektrárny (zdroj

)

Výhoda tohoto způsobu výroby elektrické energie je relativně větší účinnost, která je však při teplotách kolem 100 °C stále jen asi 10 %. O něco málo vyšší účinnost nabízí tzv. Kalinův proces, ve kterém je pracovním médiem směs amoniaku a vody. Dalšími výhodami jsou dostupnost geotermálních zdrojů s nižší teplotou, která je mnohem větší než u ostatních způsobů a úplná uzavřenost systému s ohledem na to, že se použitá voda vrací zpět, a tak je ztráta tepla menší, a nedochází také ke ztrátám vody. Většina plánovaných nových geotermálních elektráren bude používat tento princip. 100

Geotermální HDR elektrárny Vrty do hloubek 5000 m jsou téměř vždy zaměřeny na geotermální výrobu elektrické energie. V těchto hloubkách se i v geotermálně horších regionech udržují teploty v řádu 200 °C a nejsou zde ložiska termálních vod. Nacházejí se zde horké suché horniny – Hot Dry Rocks (HDR). Aby se mohlo teplo horninám odebírat, musí být vytvořeny umělé podzemní dutiny, proto se do vrtů vhání pod tlakem voda. Vlivem tepla expanduje, vytváří nové trhliny a rozšiřuje stávající spáry. Tak vzniká systém podzemních puklin, které mohou zpřístupnit mnoho krychlových kilometrů horniny. Tyto aktivity mapují ultrazvukové sondy.

Obr 3.9 Princip HDR elektrárny (zdroj

)

Pro geotermální výrobu elektrického proudu přivádí čerpadlo studenou vodu jedním vrtem do hloubky, tam vniká do trhlin a puklin v krystalické hornině a ohřívá se na teplotu 200 °C. Dalšími vrty se dopravuje horká voda zpět na povrch, kde odevzdává teplo ve výměníku pro výrobu elektrické energie, která se dále rozvádí. V 70. letech minulého století se konaly v Los Alamos v USA první testy technologie HDR. V Německu byl v roce 1987 101

založen evropský výzkumný projekt HDR technologie. Cílem je vytvořit pilotní projekt elektrárny. V roce 2004 byla ve Švýcarsku založena společnost, jejímž cílem je výstavba prvních komerčních HDR elektráren. Pro plánování geotermálních elektráren jsou nejdůležitějším faktorem maximální dosažitelné teploty. Dimenzování výměníku, sítě dálkového rozvodu tepla a procesů v elektrárně vychází z předpovídaných teplot. Geologové se snaží v předstihu zjistit, v jakých hloubkách se dá očekávaných teplot dosáhnout. V tomto případě je důležitý sběr geologických údajů se stávajících sondážních vrtů. Kromě teplot je velmi důležité i množství vody, které je možné vyčerpat na povrch. Pro větší výkony je potřeba větší množství. Podle toho musí být dimenzován průměr vrtu a výkon čerpadla. Je rovněž důležité, aby teplota termální vody při přepravě potrubím příliš neklesala. Velké elektrárny odebírají z hlubin více tepla, než se ho do dané oblasti dostává. Nedá se úplně zabránit postupnému ochlazování využívané oblasti. Cílem je, aby se z dané oblasti mohla odebírat voda o požadované teplotě minimálně 30 let, tomu se musí přizpůsobit vzdálenosti vrtů. Po této době teploty mohou klesnout pod plánovanou hodnotu, a tím samozřejmě poklesne i výkon geotermálního zařízení. Pro další využití se musí otevřít další lokalita, kterou však lze umístit jen pár kilometrů od lokality stávající.

Výroba elektrické energie z geotermálních zdrojů (především elektrárny HDR) je poměrně mladé odvětví, které je doprovázeno řadou potíží. Bude zajímavé sledovat jeho další vývoj, který je v poslední době, především kvůli finančním potížím a také problémům s nečekanými seizmickými aktivitami, spíše na ústupu.

102

3.4 Využití geotermální energie ve světě Jak již bylo uvedeno, při získávání geotermální energie můžeme rozlišit tři hlavní systémy. První dva jsou klasické a jsou využívány již dávno, a to systém s horkou parou a systém s horkou vodou. Jako třetí je systém suchého tepla HDR. Geotermální energie se nevyužívá jen pro vytápění a výrobu elektrické energie, využití je dalekosáhlé a závisí na tom, zda jde o páru, či horkou vodu, a na tom, jak horká voda je. Využívá se například pro výrobu papíru, sušení masa a zemědělských produktů, destilaci alkoholu, destilaci na pitnou vodu, praní, pěstování hub, lázeňství a podobně. Geotermální systémy s horkou parou jsou považovány za nejefektivnější, nejsou však tak časté. Jejich příklady jsou Larderello v Itálii a The Geysers v USA. V Německu je využití geotermální energie vázáno jen na některé městské lokality, ve kterých od počátku 90. let probíhá postupná instalace vytápění geotermální horkou vodou. První geotermální elektrárnou v Německu je elektrárna ve městě Neustadt-Glewe mezi Berlínem a Hamburkem. Zařízení fungující na principu ORC bylo uvedeno do provozu v roce 2003 a má výkon 230 kW. Ve stejné lokalitě se nachází i geotermální teplárna s tepelným výkonem 10,4 MW, která byla uvedena do provozu v roce 1994. Od roku 2007 byly v Německu uvedeny do provozu další dvě geotermální elektrárny s vrty sahajícími do hloubek 3 km – 3,5 km. Zkušenosti s využíváním teplých vod ve Francii jsou podobné jako v Německu. Nejzajímavější oblastí z tohoto hlediska je pařížská pánev, kde byla většina zařízení vybudována v letech 1981 až 1986. Dnes je ve Francii přibližně 70 geotermálních výtopen, z nichž přibližně 80 % leží v okolí Paříže. Tato zařízení dodávají teplo do více než 200 000 bytů. Typická vytápěcí jednotka jsou dva vrty hluboké přibližně 1,7 km, jeden je čerpací, druhý vsakovací. Vrty jsou přibližně 5 až 10 km od sebe. Tepelná kapacita jednotky je 10 MW a cirkulace vody je 40 až 80 l/s. Náklady na zařízení nejsou malé, výtopny jsou však z ekonomického hlediska výhodné a počítá se s jejich životností 25 až 40 let. Mezinárodní geotermální asociace (IGA) ve výroční zprávě z roku 2010 uvedla, že ve 24 zemích světa je v provozu již 260 elektráren a tepláren využívajících zemského tepla s celkovým elektrickým výkonem 10 715 MW.

103

Země USA Filipíny Indonésie Mexiko Itálie Japonsko Nový Zéland Island

Výroba elektřiny 3000 1900 1200 960 850 530 345 140

Přímé použití 14600 8000 4385 5682 3762 3530 2900 375

Tab. 3.10 Státy s největším využíváním geotermální energie (zdroj

)

V evropských zemích kromě Itálie a Islandu je využívání této energie významnější ve Francii, Německu, Maďarsku, Portugalsku a Rumunsku. Země Filipíny El Salvador Nikaragua Island Itálie USA

% z celkové výroby el. energie 21,5 20,0 17,2 14,7 1,7 0,4

Tab. 3.11 Účast geotermální energie na celkové výrobě elektrické energie (zdroj

)

Přímé použití využívá jak vysokoteplotních, tak i nízkoteplotních zdrojů, a proto je ve světě mnohem rozšířenější než výroba elektřiny z geotermálních zdrojů. Má ovšem svá specifika z hlediska oblastí, prostředí a trhu, neboť páru a horkou vodu můžeme dopravovat na větší vzdálenosti od zdroje jen s obtížemi. Jak už bylo zmíněno, nejdelší zařízení tohoto druhu je na Islandu a měří 70 km. Z hlediska možnosti přímého použití mají některé země vydatné zdroje. Například v Číně jsou horké vody téměř v každé provincii. Přímé využití v celé zemi roste každoročně přibližně o 10 %, hlavně jako náhrada za uhlí pro vytápění, rekreační a turistické účely, při chovu ryb a v zemědělství. V Japonsku se zdroje využívají z 80 % pro rekreaci a turismus. V této zemi je ovšem potenciál využití mnohokrát vyšší. V posledních letech se do popředí dostává i Turecko. Do první patnáctky států v pořadí podle přímého využití geotermální energie patří například i Švédsko a Švýcarsko, kde jsou ovšem převážně pouze nízkoteplotní zdroje s využíváním tepelnými čerpadly. 104

Pokud bychom určovali procentuální zastoupení geotermální energie na celkové výrobě energie je na prvním místě právě Island, kde geotermální zdroje tvoří 50 % ze všech možných energetických zdrojů a daleko převyšuje úlohu ropy, uhlí a vodních zdrojů. Sečteme-li celkové množství elektrické energie získávané z geotermálních zdrojů na celém světě, dojdeme k číslu, které je na první pohled malé, jedná se o méně než 0,02 % světové energetické spotřeby. Je však nutné brát v úvahu výrazně zvyšující se trend v posledních letech. Zajímavé je srovnání produkce geotermální energie se světovou spotřebou energie. Například Spojené státy spotřebují 4 krát více energie na jednoho obyvatele za rok než Evropa a přibližně 65 krát více než Indie. Pravidlem je, že v zemích s teplejším podnebím se při využívání geotermální energie uvažuje spíše o výrobě elektřiny, naopak v zemích s chladnějším klimatem se klade do popředí vytápění obydlí, průmyslových podniků a skleníků. O použití pro rekreační, lékařské a sportovní účely se usiluje ve všech zemích.

105

3.5 Využití geotermální energie v ČR Geotermální potenciál v jednotlivých částech našeho území je značně proměnlivý, hlavně ve vztahu ke geotermálním, geologickým a hydrogeologickým podmínkám. Při zpracování území určitého regionu je nutné rozdělení na plochy nejvhodnější pro využití geotermální energie pro jednotlivé objekty a na plochy vhodné pro větší zdroje využitelné pro hromadné zásobení teplem nebo výrobu elektrické energie. V místech husté zástavby je však nutné detailně propočítat potenciální možnosti využitých ploch, aby nedocházelo k rychlému prochlazování zemské kůry. Využití potenciálu geotermální energie v současné době předpokládá vyšší investiční náklady, než u jiných zdrojů tepelné energie. V poslední době byl počítán potenciál geotermální energie jak pro obce, tak i pro okresy a kraje, a to pro potřeby energetických studií i pro vybudování lokálních geotermálních elektráren. Vyčíslení potenciálu geotermální energie bylo řešeno řadou výzkumných organizací. V České republice se převážně soustřeďujeme na využití primárních zdrojů o nižší teplotě (nízkopotenciální energie), což je energie hornin v povrchových vrstvách a energie mělkých podzemních vod. Vyplývá to nejen z geologické situace, ale také ze zkušeností jiných zemí. Využití zemského tepla je však nutno posoudit v každé oblasti zvlášť, jelikož jeho rozložení v zemské kůře v hloubkách 1 až 2 km je velmi nepravidelné. V tabulce jsou ukázkově uvedeny hodnoty nízkoteplotního potenciálu pro některá zpracovaná území. Území Karlovy Vary Mělník Most Ústí nad Labem Chomutov

Suché zemské teplo 94,8 18,6 28,8 7,0 71,9

Podzemní vody 38,0 41,1 7,7 11,6 21,1

Tab. 3.12 Hodnoty nízkoteplotního potenciálu V ČR (zdroj

)

Odhad teoretického potenciálu energie hornin (,,suché zemské teplo“) vysoké teploty (nad 130 °C) pro výrobu elektrické energie je 2 385 900 MW. Tento potenciál není možné nikdy plně využít. Technicky dostupný potenciál je možné podle zahraničních zkušeností odhadovat na 2 %, tedy asi 50 000 MW.

106

Geotermální energie se v ČR využívá v menších aplikacích v lázeňství, ve větších systémech přímým použitím geotermální vody jako teplé užitkové vody a pro vytápění objektů. Město Ústí nad Labem využívá geotermální energii k vytápění plaveckých bazénů a také k vytápění zoologické zahrady. V Děčíně je geotermální energie využívána pro vytápění téměř poloviny celého města. Před několika lety se zde uskutečnil zatím největší projekt využití hydrotermální energie na našem území – teplárna s vrtem do hloubky 550 metrů. Celý projekt v Děčíně včetně přípravných prací, geotermálního vrtu, stavby zdroje, rozvodné soustavy a přivaděče pitné vody do městského vodojemu stál přes 550 milionů korun. Energie je v Děčíně ukryta v obrovském podzemním jezeře, z něhož vytéká na povrch voda o teplotě 30 °C přirozeným přetlakem. Po vychlazení na 10 °C a jednoduché úpravě splňuje požadavky na pitnou vodu a je dodávána do městského vodojemu v objemu kolem 1 milionu m3 ročně. K přečerpávání vody a jejímu dalšímu zahřívání na 90 °C, aby mohla vytápět domácnosti, je nutná energie. Tato elektřina pro pohon kompresorů tepelných čerpadel se vyrábí pomocí kotlů na zemní plyn. Není tedy čistě z obnovitelných zdrojů. Přesto díky hydrotermálnímu zdroji ušetří společnost oproti minulosti 10 000 tun CO2 ročně a třetinu zemního plynu, nepočítáme-li obrovské snížení znečištění ovzduší oxidem siřičitým. Do zprovoznění teplárny na zemní plyn totiž v Děčíně teplo produkovali centrálním spalováním hnědého uhlí a mazutu. Na hydrotermálním zdroji tedy vydělali místní obyvatelé hned dvakrát – zlepšením ovzduší i snížením cen tepla. Geotermální elektrárny v ČR Projekty na výstavbu geotermálních elektráren na našem území existují pro Dětřichov na Frýdlantsku, Liberec a Litoměřice. Ve všech případech však nelze počítat s využitím hydrotermálního zdroje (horké vody nebo páry pod povrchem země), nýbrž pouze s využitím tepla suchých hornin (HDR), které skrývají v hloubce 5 km teploty až 200 °C. V celé České republice není žádné místo, kde by bylo naleziště horké vody vhodné pro výrobu elektrické energie. Horké prameny, které vyvěrají v lázeňských městech, se pro takové komerční účely využít nedají. Řešení výstavby geotermální elektrárny je proto velice problematické. Protože podmínky výstavby geotermální elektrárny jsou v různých místech naší republiky podobné, počítá se obecně s investicí ve výši 1,4 miliardy korun a návratností za dobu 25 až 30 let. Elektrárna by měla poskytovat přibližně 50 MW tepelné energie a 5 MW elektrické energie. 107

V Liberci proběhly zkušební vrty za 250 milionů korun. Hlavním investorem byla skupina ČEZ, která se měla zároveň stát hlavním podílníkem. Parametry této geotermální elektrárny byly o něco skromnější, mělo se jednat o pouhé jednotky, možná desítky MW. Společnost ČEZ však v roce 2011 výstavbu zastavila. Hlavním důvodem zastavení projektu byla jeho malá výnosnost. Investoři mají v České republice vytipovány desítky lokalit, kde by geotermální elektrárny mohly stát. Všechny projekty jsou ale nejisté, protože chybějí peníze. Banky nechtějí toto rizikové odvětví financovat. Geotermální elektrárny představují novou oblast, s níž ještě finanční ústavy nemají dostatek zkušeností, a proto jsou zdrženlivější. Obdobná situace byla před lety i s financováním solárních elektráren. Banky nejprve musely porozumět tomu, jak fungují a jaká rizika jsou s tímto podnikáním spojená. Nejistotu ohledně využití geotermální energie měl rozptýlit právě liberecký projekt, jehož financování měl ČEZ zajistit z vlastních zdrojů. Situace v Dětřichově je podobná. Podle původního záměru, se na přelomu roku 2010 a 2011 měly připravovat zkušební vrty, ale kvůli komplikacím s financováním a také očekávanými problémy v souvislosti s novým zákonem o podpoře obnovitelných zdrojů byly práce pozastaveny. S plány na výrobu elektřiny pomocí hlubinných vrtů jsou zatím nejdál v Litoměřicích. Geotermální projekt Litoměřic Město Litoměřice se nachází v Severních Čechách na řece Labi, v nížině na úpatí Českého středohoří. Jeho poloha do značné míry předurčuje charakter klimatu, dochází zde k poměrně častým inverzím. Na začátku 90. let došlo v rámci celkových změn v přístupu k ochraně ovzduší v České republice k masivnímu odsiřování elektráren a rovněž díky útlumu těžkého průmyslu se kvalita ovzduší v Litoměřicích výrazně zlepšila. Bohužel, vlivem narůstající dopravy a přetrvávajícího vysokého podílu fosilních paliv v lokálních topeništích a v místní teplárně, která spaluje nekvalitní hnědé uhlí, došlo na konci 90. let k opětovnému zhoršování kvality ovzduší. Město se proto rozhodlo podporovat domácnosti při výměně starých kotlů za obnovitelné zdroje tepla a zároveň začalo v roce 2005 s přípravou projektu geotermální energie. Litoměřice jsou ideální v tom, že se zde kříží dva tektonické zlomy, a proto by měla být energie z hloubky posílena i o tzv. sálavé teplo z hlubších, magmatických vrstev. Navíc do jednoho kilometru pod povrchem sahají tzv. permokarbonské sedimenty, které fungují jako 108

„deka“ izolující žulové podloží, takže teplo moc neuniká k povrchu země. Litoměřice mají nesporně ještě jednu výhodu. Pro cirkulaci tepla v puklinovém podzemním výměníku je potřebná voda, kterou teplo v hloubce ohřívá. V Litoměřicích teče Labe, které je jejím dostatečným zdrojem. V hloubce 5 km se předpokládá teplota horniny okolo 180 °C, jež by umožnila ohřívat vháněnou vodu na požadovanou teplotu a tuto energii předávat na povrchu výměníkové stanici. Celý systém by se měl skládat z jednoho tzv. injekčního vrtu, kterým je voda vháněna dolů, a z dvou tzv. produkčních vrtů, jež budou ohřátou vodu, resp. páru přivádět zpět na povrch. Mělo by dojít k náhradě celého dosavadního tepelného zdroje z fosilních paliv, čímž by došlo k odstranění největšího zdroje znečišťování ovzduší ve městě. První výpočty o zásobě geotermální energie pod Litoměřicemi se odhadují na 30 let. Příčinou tohoto celkem krátkého časového úseku je nutnost neustále ochlazovat podzemní horniny studenou vodou. Horniny by se ale měly zároveň ohřívat od okolních vrstev, což by mohlo čerpání geotermální energie prodloužit o několik let. Pokud by pukliny v hornině byly rozloženy tak, že by se voda ztrácela, celý projekt by byl neefektivní. V roce 2007 byl započat projekt průzkumného vrtu, který dosáhl hloubky 2 101 m a měl potvrdit geofyzikální průzkumy a výpočty, které by následně umožnili využití geotermální energie. Průzkumný vrt byl úspěšně zrealizován, potvrdil předpokládané parametry a otevřel tak cestu k přípravě geotermálního vrtu. Na počátku roku 2009 bylo vydáno oznámení záměru vztahující se k výstavbě teplárny a geotermální elektrárny: Teplo bude generovat podzemní tepelný výměník dodávající na povrch teplou vodu v množství 100 l/s, což odpovídá výkonu 50 MW. Z toho lze získat deset procent na elektrickou energii a zbytek na tepelnou energii. Instalovaný generátor tedy bude produkovat přibližně 5 MW elektrické energie. Pro vytvoření tepelného výměníku je potřeba vyhloubit tři vrty v jedné linii, přičemž krajní vrty budou v podzemí ukončeny v horizontální vzdálenosti asi 600 m od sebe. Podzemní výměník bude mít dle vypočtených parametrů hloubkový rozsah od 4 000 do 5 000 m. Tvarem půjde o elipsoid o rozměrech . Injekční část centrálního vrtu se projektuje mezi 3 500 m – 5 000 m. Čerpací části krajních vrtů jsou projektovány v rozmezí 4 000 m – 5 000 m. Styčné plochy vody s horninou budou vytvořeny na ploše 100 000 m2. Maximální teplota v hloubce se předpokládá 207 °C. Pracovní teplota primárního výměnku se projektuje na 178 °C při kolísání mezi 170 °C – 205 °C a tlaku 1,5 MPa.

109

Obr. 3.13 Vrtná souprava hloubící geotermální vrt (zdroj

)

Na povrchu budou geotermálních vrty od sebe vzdáleny asi 160 m, což s velkou rezervou zajistí bezpečnost úvodních částí hloubení. Vrty budou vyhloubeny postupně jednou vrtnou soupravou. Do hloubky 1 km budou izolovány od okolí, aby nedocházelo ke kontaktu s podzemní vodou v tomto úseku vrtů. Na linii mezi jedním z krajních vrtů a středním vrtem bude vystavěna budova povrchové teplárny o rozměrech asi 30 m

40 m s výrobou elektřiny

využívající teplo získané z vody ohřáté geotermální energií. Teplo ze sekundárního (nadzemního) tepelného výměníku bude částečně využíváno pro výrobu elektřiny. V zimním období bude dle aktuálních klimatických podmínek odstaven zdroj na výrobu elektřiny a teplo bude využívání přednostně pro vytápění. Geotermální vrty budou hloubeny mobilní vrtnou soupravou skládající se z vrtného stožáru o výšce cca 30 m – 35 m s kladkostrojem a vrtným vrátkem. Její pohonnou jednotkou bude dieselelektrický agregát dodávající elektřinu k pohonu elektromotorů a hydraulických pohybových a převodových ústrojí. Elektrická energie ze sítě se nevyužívá pro velké kolísání potřebného výkonu. Jako první bude hlouben středový vrt, který bude svislý a poskytne informace o horninovém prostředí v hloubkách, které již nebyly zmapovány průzkumným vrtem. Podle 110

zjištěných skutečností bude řízeno směřování obou krajních vrtů tak, aby bylo dosaženo nejlepší prostupnosti hornin pro vodu cirkulující v podzemním výměníku. Pro vynášení drti se vrt proplachuje, cirkulaci kapaliny zabezpečují výplachová čerpadla. Předpokládaný termín zahájení realizace záměru a jeho dokončení: Zahájení vrtných prací:

4. čtvrtletí 2009

Ukončení vrtných prací:

4. čtvrtletí 2010

Zahájení výstavby teplárny:

listopad 2009

Kolaudace stavby:

prosinec 2010

Na jaře roku 2011 došlo ke změnám v litoměřickém projektu z důvodů sporů s firmou provozující ve městě tepelné rozvody. V novém územním řízení projekt obnáší jak teplárnu, tak i novou rozvodnou síť a investorem by mělo být město, které bude žádat o dotaci z Evropské unie. V původních plánech bylo využití již existující rozvodné soustavy. Celý projekt navíc prošel změnami a modernizací, a tak by podle něj v optimistickém případě bylo možné dodávat levné a ekologické teplo až 90 procentům obyvatel města, což je výrazně víc než v původních plánech. Navíc se nově počítá i s napojením blízkých obcí, kde velká část domácností stále topí uhlím a nevyhovující kotle výrazně znečišťují ovzduší. Odhady celkových nákladů se vyšplhaly na 2,5 miliardy korun. Významnou část z nákladů tvoří pojištění pro případ, že by vrty z nějakého důvodu nedodávaly plánované množství energie. Nejdražší na celém projektu jsou asi speciální vrtné hlavice z oceli poseté diamanty, které se v tvrdé žule rychle obrousí a je třeba je po každých asi sto metrech vrtání vyměnit. Litoměřice plánují dosažení energetické soběstačnosti v roce 2020.

Zde je opět vhodné ve spolupráci se studenty získat aktuální informace o geotermálních projektech v ČR.

111

3.6 Geotermální energie a životní prostředí Využití geotermální energie pro vytápění nebo výrobu elektrické energie je spjato s produkcí horké vody nebo přehřáté páry z vrtů. Podobně jako při využití jiných zdrojů energie musí být každá lokalita posouzena z hlediska možných změn s ohledem na nepříznivé vlivy na životní prostředí. Po využití je větší část páry nebo vody zaváděna zpět do podzemí. Jak ohromné množství vody je potřeba dokládá tento příklad: Geotermální elektrárna s tepelnou kapacitou 100 MW vyžaduje při ochlazení o 100 °C 240 l vody za sekundu. Taková spotřeba vody je pak nejdůležitějším faktorem při úvahách o vlivu na životní prostředí, a to z těchto důvodů: 

může se narušit bilance podzemních vod při změně tlaků v pórech hornin a v případě, že není opětné zavedení kapalin pod zem provedeno odborně, může dojít i k poklesům povrchu,



může dojít k prochlazení hornin a s tím spojenými změnami v geotermálním systému,



do ovzduší mohou unikat plyny jako sirovodík a oxid uhličitý,



může dojít k rozpouštění minerálů hornin,



do atmosféry se může uvolňovat značné množství tepla,



může docházet k nepřiměřeným změnám povrchu při stavbě chladicích věží a potrubí,



okolí může být postiženo nadměrným hlukem. Současné rozbory rizika jsou definovány ve standardu vydaném Evropskou unií pod

názvem Riziková analýza veřejných projektů, které mají vliv na životní prostředí, kde je definováno, že geotermální energie spadá do okruhu těžby minerálních zdrojů. Riziková analýza zahrnuje popis procesu a hodnocení jeho vlivu na zájmy obyvatel a okolního prostředí se všemi složkami. Vody teplejší než 70 °C získávané z hloubek 1 km – 2 km mají často více než 100 g rozpuštěných minerálních látek v litru. Taková voda pak může intenzivně vytvářet usazeniny v potrubí popřípadě je korodovat. Úprava takových vod vyžaduje značná množství chemikálií. Na lokalitách, jež využívají pro výrobu elektrické energie horké vody, nebo přehřáté páry o teplotě nad 150 °C se někdy produkuje velké množství odpadu. Například v geotermální elektrárně The Geysers připadlo v roce 1989 na výrobu 1000 MWh energie 10 000 t odpadu. Srovnáme-li však geotermální a ostatní elektrárny, založené na spalování, z hlediska produkce oxidu uhličitého, vyznívá výsledek ve prospěch elektráren geotermálních. V nich připadá jen 13 g – 380 g oxidu uhličitého na 1 kWh, zatímco uhelná elektrárna jej produkuje asi 1050 g/kWh, ropa 900 g/kWh a zemní plyn 450 g/kWh. Také srovnání pro oxidy síry vyznívá 112

lépe pro geotermální elektrárny. Při využití nízkoteplotních geotermálních zdrojů jsou pak emise oxidu uhličitého a oxidů síry ještě daleko nižší než u zdrojů vysokoteplotních. Systém Hot Dry Rock je v tomto ohledu ještě příznivější, jelikož neprodukuje prakticky žádný plyn. Starší geotermální elektrárny, hlavně v rozvojových zemích, nepočítaly s injektáží vody zpět pod povrch. To často vyústilo v nadměrné znečištění povrchových vod. U novějších projektů našly neinjektované odpadní vody jiné využití, v polosuchých oblastech, se teplá voda využívá k zavlažování, čímž se šetří pitná voda. Přes značné environmentální přednosti geotermálních elektráren je jasné, že z technického hlediska nejsou příliš efektivní, neboť jejich účinnost je 10 % – 20 %. Ke zvýšení efektivity se navrhuje zejména kombinované využití tepla a elektřiny. Studie ukazuje, že je možné produkovat 10 kW tepla, jestliže je výroba elektrické energie snížena o 1 kW. Kombinovaný systém výroby tepla a elektřiny je nejefektivnější pro produkci 10 MW až 100 MW. Podmínkou ovšem je, že teplo musí být využito v blízkosti elektrárny. Je dobře známo, že odpadní teplo je obecným problémem většiny elektráren. Jsou však možnosti likvidovat odpadní teplo chlazením při míchání s povrchovou říční vodou nebo chladicími věžemi. Likvidace tepla je nutná z hlediska životního prostředí, a proto hledání zmíněných metod kombinovaného využití je velmi perspektivní. Známé a mnohokrát diskutované je porušení rázu krajiny chladicími věžemi elektráren a rozvodů zemními i nadzemními rozvody. Velmi nešetrný k životnímu prostředí je i nadměrný hluk při vrtání nebo stavbě čerpacích stanic. Přesto však konvenční elektrárny jsou z tohoto hlediska méně ohleduplné, neboť vyžadují transport energetických zdrojů a v případě jaderných elektráren použití různých metod k ukládání radioaktivního odpadu. Většina geotermálních elektráren není ještě v provozu tak dlouho, aby bylo možno podrobně posoudit jejich vliv na životní prostředí. Dnes je však již dobře známo, že z hlediska dlouhodobého vývoje, je využití tepla horkých vod méně rizikové, než systém Hot Dry Rock. Jeho aplikace totiž může vyvolat změny tlaku a jiných podmínek v horninových strukturách. S tím souvisí relativně neprozkoumané riziko možných seizmických aktivit. Koncem roku 2006 v Basileji v hloubce 5 000 m, při vhánění vody do vrtu pro HDR elektrárnu, došlo k malému zemětřesení o síle 3,4° Richterovy stupnice. Vzniklé škody byly 9 milionů dolarů. Projekt čerpání geotermální energie tak byl přerušen. Elektřinu z vrtů čerpalo přibližně 10 000 domácností a zhruba 2 700 domácností geotermální energii využívalo k vytápění. Následně byly práce na vrtech pozastaveny. Škody pak geotermální firma v plném rozsahu uhradila. Mírnější zemětřesení (2,9°) provázelo i spuštění první francouzsko-německé experimentální geotermální elektrárny o výkonu 2 MW, která je kombinovaná s teplárnou. 113

Dokud nebudou vědci schopni s velkou přesností určit, zda a nakolik může vhánění tlakové vody vyvolat otřesy, představují projekty HDR v hustě obydlených regionech určité riziko. Technicky nejdostupnějším zdrojem geotermální energie je využívání podpovrchových vod Země. Využívání takového zdroje je však více méně omezeno na vytápění obytných budov, skleníků a na sportovní či lázeňské účely. Mnohé země průběžně rozvíjejí různé formy využití geotermálních zdrojů. Roční tempo růstu využití geotermálních zdrojů je však ve srovnání s ostatními zdroji obnovitelných energií mnohem skromnější. Geotermální energie však disponuje velkým potenciálem. Také na rozdíl od ostatních obnovitelných zdrojů, jako je sluneční energie, větrná nebo vodní energie, není dostupnost geotermální energie ovlivněna denními nebo ročními fluktuacemi. Proto je geotermální energie spolehlivým stavebním kamenem pro bezemisní výrobu energie.

114

3.7 Výroba elektrické energie a tepla v České republice V předcházejících kapitolách byl zmiňován výkon elektráren a tepláren a také množství vyrobené elektrické energie a tepla. Pro srovnání jsou v této kapitole uvedeny tyto údaje pro Českou republiku. V Česku se většina elektrické energie vyrábí v tepelných (61 %) a jaderných (33 %) elektrárnách. Zbytek připadá na obnovitelné zdroje energie, což jsou elektrárny vodní (3,7 %), solární a větrné. Dominantním výrobcem elektrické energie je akciová společnost ČEZ, která v Česku provozuje 15 uhelných, 2 jaderné, 30 vodních, 1 větrnou a 3 sluneční elektrárny a vyrábí téměř tři čtvrtiny z celkového objemu výroby elektřiny v Česku. Typ Tepelná elektrárna Jaderná elektrárna Vodní elektrárna Solární elektrárna Větrná elektrárna

Instalovaný výkon 11 793 3 830 2 181 1 959 212

Výroba el. energie 53 580 28 000 2 983 710 290

Tab. 3.14 Výkon a objem výroby podle typů elektráren v ČR, rok 2010 (zdroj ČSÚ)

Obr. 3.15 Výroba elektrické energie podle druhu elektráren 115

(zdroj ČSÚ)

Tepelné elektrárny v České republice Největší tepelné elektrárny v České republice jsou uvedeny v tabulce. Z uhelných elektráren u nás pochází 57 % elektřiny. Jejich podíl ale pomalu klesá (za poslední 2 roky o 2 %). Vzhledem ke končící životnosti uhelných elektráren, vyčerpání zásob uhlí a růstu jeho ceny

se

tento

trend

pravděpodobně

zrychlí.

Plynové

elektrárny

vyrábějí

asi

4 % elektrické energie. Elektrárna Prunéřov II Počerady Chvaletice Dětmarovice Tušimice II

Výkon 1 050 1 000 800 800 800

Výroba elektřiny 6 376 7 019 3 171 2 697 1 905

Palivo hnědé uhlí hnědé uhlí hnědé uhlí černé uhlí hnědé uhlí

Tab. 3.16 Největší tepelné elektrárny v ČR (zdroj ČEZ) Jaderné elektrárny V Česku jsou v provozu dvě jaderné elektrárny. Jedná se o jadernou elektrárnu Dukovany, zprovozněnou v letech 1985 – 1988, a jadernou elektrárnu Temelín, zprovozněnou v letech 2002 – 2003. Jaderná elektrárna Dukovany Jaderná elektrárna Dukovany je první provozovanou jadernou elektrárnou na území České republiky. Je umístěna asi 30 kilometrů jihovýchodně od Třebíče. Její produkce elektrické energie pokrývá asi 20 % z celkové spotřeby elektřiny v České republice. Od roku 1985 do konce roku 2006 bylo v elektrárně vyrobeno na 265 TWh elektrické energie, elektrárna tak je co do výroby elektřiny dosud nejproduktivnější v Česku. V instalovaném výkonu je druhou nejvýkonnější elektrárnou po Temelíně. Elektrárna stála 25 miliard Kčs a podle údajů ČEZ se od doby uvedení do provozu do roku 2005 už dvakrát zaplatila. Cena vyrobené elektřiny je 60 haléřů za kWh, což je nejméně v České republice. V současné době má jaderná elektrárna Dukovany čtyři bloky, původně každý o elektrickém výkonu 440 MW, dnes díky modernizaci z let 2005 – 2009 o výkonu 3 × 460 MW a 1 × 500 MW. V plánu jsou další modernizace, které by měly přinést zvýšení výkonu všech bloků na 500 MW.

116

Jaderná elektrárna Temelín Jaderná elektrárna Temelín je elektrárna s největším instalovaným výkonem v Česku. Stojí v obci Temelín v Jihočeském kraji, v okrese České Budějovice. Elektrárna je častým terčem kritiky ze strany českých i zahraničních ekologických organizací a hornorakouské vlády. Jedná se také o jedno z ústředních témat česko-rakouské politiky. Celkové investiční náklady na dva bloky o celkovém elektrickém výkonu 2 000 MW dosáhly i z důvodu zcela zásadních úprav projektu v průběhu výstavby 98 miliard Kč. Čistě ekonomická návratnost investice je odhadována na méně než 20 let. Elektrárna má instalované dva bloky z původně plánovaných čtyř, každý s elektrickým výkonem 1000 MW. Výroba elektrické energie představuje přibližně 14 % výroby elektřiny v České republice. Vodní elektrárny Kromě velkých elektráren je u nás v provozu celá řada malých vodních elektráren, většinou průtokových, vzniklých např. na místech původních vodních mlýnů a jezů. Vodní elektrárny vyrábějí asi 3,7 % elektrické energie v České republice. V tabulce jsou uvedeny největší vodní elektrárny. Název Dlouhé Stráně Dalešice Orlík Slapy Lipno

Výkon 650 480 364 144 120

Výroba elektřiny 314 190 474 360 147

Typ elektrárny přečerpávací přečerpávací akumulační akumulační akumulační

Tab. 3.17 Největší vodní elektrárny v ČR (zdroj ČEZ) Fotovoltaické elektrárny K

Energetický regulační úřad evidoval 12 909 elektráren o souhrnném

instalovaném výkonu 1 959 MW, jejich počet se však v poslední době významně zvětšuje. Větrné elektrárny Větrné elektrárny vyrábějí přibližně pouze 0,3 % procenta celkové elektrické energie v ČR a jejich výkon je zanedbatelný.

117

Obr. 3.18 Výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a z odpadů

(zdroj MPO)

Obr. 3.19 Podíl výroby elektrické energie z OZE na hrubé spotřebě elektřiny

. Cíl pro

podíl výroby z OZE na hrubé spotřebě elektřiny v roce 2010 byl stanoven ve výši 8 % a v roce 2030 ve výši 15 % (zdroj ČSÚ a MPO).

118

Výroba tepla v České republice

Obr. 3.20 Výroba tepla podle druhu zařízení

(zdroj ČSÚ)

Žáky je vhodné seznámit s umístěním největších elektráren v ČR, viz např. mapka na následující straně.

119

Jaderné a vodní elektrárny ČR – nad 1 MW celkového instalovaného výkonu (stav k 31.12.2008).

120

Literatura KARLÍK, ROBERT: Tepelné čerpadlo pro váš dům, Grada Publishing, a. s., Praha 2009. SRDEČNÝ, KAREL, TRUXA, JAN: Tepelná čerpadla, EkoWATT, Praha 2009. VOLKER, QUASCHNING: Obnovitelné zdroje energií, Grada Publishing, a. s., Praha 2010. ŽERAVÍK, ANTONÍN: Stavíme tepelné čerpadlo, vlastním nákladem, Přerov 2003. BARTUŠKA, KAREL, SVOBODA, EMANUEL: Molekulová fyzika a termika, učebnice pro gymnázia, PROMETHEUS, 4., přepracované vydání, Praha 2000. HALLIDAY, DAVID, RESNICK, ROBERT, WALKER, JEARL: Fyzika, vysokoškolská učebnice obecné fyziky, část 2, Mechanika – Termodynamika, VUTIUM A PROMETHEUS, druhý dotisk 1. českého vydání, Praha 2006. MYSLIL, VLASTIMIL, KUKAL, ZDENĚK, POŠMOURNÝ, KAREL, FRYDRYCH, VÁCLAV: Geotermální energie, Ekologické energie z hlubin Země – současné možnosti využívání, časopis PLANETA, ročník XV, číslo 4/2007. MAŇOUR, JIŘÍ: Oznámení záměru o posuzování vlivů na životní prostředí při výstavbě teplárny a geotermální elektrárny, oznamovatel: Město Litoměřice, Praha 2008.

Webové stránky www.avtc.cz www.cerpadla-ivt.cz www.asb-portal.cz/tzb www.klimarapid.cz www.mastertherm.cz www.tepelna-cerpadla.doporuci.cz www.mzp.cz www.mpo.cz www.czso.cz 121