Vrty do horninového masivu - zdroj energie pro tepelná čerpadla (IV)

6. Topný výkon tepelného čerpadla P_top

Topný výkon tepelného čerpadla je zpravidla dimenzován na úrovni 50 - 75% celkových tepelných ztrát stavebního objektu včetně spotřeby teplé užitkové vody. Zbývající tepelné ztráty jsou zpravidla pokryty zálohovým zdrojem tepla (většinou elektrokotel nebo plynový kotel), který je automaticky zapínán pouze v případech silných mrazů. Protože toto extrémně chladné období trvá na většině území ČR cca 15 - 20 dnů ročně, je z hlediska nákladů zpravidla výhodnější použít zálohový zdroj pro dotop, než dimenzovat tepelné čerpadlo a jeho zdroj tepla (vrty) na celkové tepelné ztráty objektu. Z hlediska běžné uživatelské praxe jsou vyhovující následující zjednodušené vztahy, kterými se nahrazují vztahy používané v literatuře z oboru chladící techniky:

Ptop = Pchlad + Pel

6.1

Ptop	topný výkon tepelného čerpadla
Pchlad	chladící výkon kompresoru = chladící výkon na výparníku (přibližně)
Pel	elektrický výkon kompresoru

Pchlad = V x c x ρ x dT x 1,163

6.2

V	litráž oběhového čerpadla primárního (zdrojového) okruhu
c	měrná tepelná kapacita nemrznoucí směsi v kolektoru
ρ	hustota nemrznoucí směsi v kolektoru
dT	teplotní rozdíl na vstupu a výstupu z TČ na primárním (zdrojovém) okruhu

Pel = U x I x cosφ

6.3

U	střídavé napětí na svorkách kompresoru (zpravidla 3-fázové - 400 V)
I	intenzita střídavého proudu na kompresoru (A)
cosφ	účiník = 0,8

Účinnost výroby tepla pomocí tepelného čerpadla udává jeho tzv. topný faktor (zkratka COP - Coefficient Of Performance). Z hlediska uživatelské praxe lze použít zjednodušený vztah:

COP = Ptop/ Pel

6.4

COP pro aplikace TČ s vrty by se měl pohybovat v rozmezí 2,8 - 3,5. To znamená, že z 1 kW placené el. energie nutné pro pohon kompresoru je TČ schopno vyprodukovat cca 3 kW tepla, a tedy 2 kW dodá zadarmo horninové prostředí. Právě dostatečně vysoký COP znamená, že systém země - voda byl správně dimenzován a projektovaná návratnost investice do tepelného čerpadla s vrty by zpravidla měla být dodržena.

Tepelná čerpadla jsou konstruována a seřízena tak, že maximální P_top je dosažen jen při určité kombinaci teploty nemrznoucí směsi na vstupu z vrtů do tepelného čerpadla a požadované teploty v otopném systému. Seriózní výrobci tyto podmínky uvádějí v prospekčních materiálech včetně el. energie pro pohon kompresoru. Z těchto hodnot lze snadno vypočítat COP. Z toho vyplývá, že COP není žádnou konstantou a během chodu TČ kolísá. Pokud teplota nemrznoucí směsi na vstupu z vrtů do tepelného čerpadla je nižší než "optimální", pak klesá P_top a s ním klesá i COP.

Tepelné čerpadlo se systémem země/voda je konstruováno tak, že při jeho chodu jsou chladivem ve výparníku odebírány z nemrznoucí směsi pouze maximálně 4°C, tzn, že dT = 4°C. Tento teplotní rozdíl je proto neustále odbírán nemrznoucí směsí v kolektoru po celé délce vrtu. Tepelné čerpadlo každý vrt nepřetržitě vychlazuje a závisí na tepelných vlastnostech hornin, a tedy na dostatečné hloubce každého vrtu, zda je přísun tepla z okolních hornin dostatečně rychlý, aby nedošlo k úplnému "vymražení" vrtu, resp. okolních hornin. V praxi se považuje za kritickou mez teplota na vstupu z vrtů do tepelného čerpadla T_in = -5°C, tzn., že teplota na výstupu z tepelného čerpadla T_out do vrtu bude až -9°C. Tepelné čerpadlo je sice schopné pracovat i při nižších teplotách, avšak topný faktor klesá na hodnotu cca 2, protože klesl topný výkon tepelného čerpadla. To zpravidla signalizuje, že vrty byly hloubkově poddimenzovány pro danou lokalitu, nadřazeným řídícím systémem je zapnut záložní tepelný zdroj, aby byly kryty tepelné ztráty objektu a zachována tepelná pohoda. To však snižuje rentabilitu provozu TČ. Je proto nezbytný zodpovědný a vysoce profesionální přístup k dimenzování vrtů pro tepelná čerpadla a jejich patřičné vystrojení. Jen tak lze dosáhnout stavu, aby tepelné čerpadlo pracovalo v úzkém rozmezí T_in kolem optimální hodnoty udané výrobcem TČ, která zaručuje maximální COP.

Většina v současnosti konstruovaných tepelných čerpadel pro systém země/voda produkuje maximální P_top a tím i maximální COP pro T_in = 0°C a výstupní teplotu z tepelného čerpadla do otopného systému T_výst = 35°C (podlahové vytápění s extrémně vysokou hustotou trubek). V praxi se však běžněji aplikuje T_výst = 45°C (podlahové vytápění s normální hustotou trubek) a T_výst = 50°C (vytápění s velkoplošnými radiátory), u nichž je COP nepatrně nižší (u kvalitních TČ). Platí, že COP je tím vyšší, čím je nižší rozdíl mezi teplotou na vstupu z vrtů do tepelného čerpadla a požadovanou teplotou na výstupu z tepelného čerpadle do otopného systému. Z toho vyplývá, že při instalaci podlahového topení do objektu lze docílit vyšší topný faktor, protože výstupní teplota je nižší než pro velkoplošné radiátory.

V praxi se COP obvykle stanoví jako průměrná hodnota za celou topnou sezónu, a to z podílu P_top a P_el, přičemž P_top je měřen měřičem tepla na výstupu do otopného systému a Pel se změří elektroměrem na svorkách kompresoru.

Literatura:

Eskilson, P. (1987): Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Sborník referátů, University of Lund, Švédsko.

Hellstrőm G., Sanner B. (2000): Earth Energy Designer, Version 2.0. Uživatelský manuál software, University of Lund, Švédsko.

Geothermal Resource Technologies, Inc. (2003): Formation Thermal Conductivity Test and Data Analysis. Webové stránky firmy.

Gehlin S. (2002): Thermal Response Test. Doctoral thesis, Lulea University of Technology.

Busso A., Georgiev A., Roth P. (2003): Underground Thermal Energy Storage - First Thermal Response Test in South America, referát RIO 3 - World Climate & Energy Event.

Grmela A., Aldorf J. (2005): VŠB - Technická univerzita Ostrava, aula + CIT vrty pro tepelná čerpadla na parc. č. 1738/30 a 1738/37, k.ú. Poruba. Projekt vodního díla pro územní rozhodnutí a stavební povolení.

Ryška J. (2005): Prováděcí projekt vrtů pro tepelné čerpadlo č. DPV - 047-02-03-2005. OKD, DPB, a.s.

Belica P., Křupka J. (2004): Aula a CIT VŠB - TU Ostrava - Poruba. Energetický audit.

Mareš S. a kol. (1979): Úvod do užité geofyziky, SNTL Praha.

Svoboda J. a kol. (1983): Encyklopedický slovník geologických věd. ACADEMIA Praha.

Rybach L., Sanner B. (2000): Ground - Source Heat Pump Systems: The European Experience, GHC Bulletin.

Žeravík A. (2003): Stavíme tepelné čerpadlo. Vydáno vlastním nákladem.

Dvořák Z. (1986): Základy chladící techniky. SNTL Praha.

Spitler J. D., Rees S. J., Yavuzturk C. (2002): Recent Developments in Ground Source Heat Pump System Design, Modelling and Applications. Referát z webových stránek IGSHPA.

Stiebel-Eltron (2002): Tepelná čerpadla. Projektování a instalace. Firemní technické podklady.

Oklahoma State University (1988): Closed-Loop/Ground-Source Heat Pump Systems. Installation Guide.

Jakeš P. (1984): Planeta Země. Mladá fronta Praha.

Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P. (2002): Využití horninového prostředí jako stálého efektivního zdroje energie pro tepelná čerpadla. Sborník přednášek "Nové poznatky v oblasti vŕtania, ťažby, dopravy a uskladňovania uhľovodíkov. Podbánské, s. 69-75, ISBN 80-7099-895-4

Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P., Mazáč, J. (2002): Speciální technika pro realizaci vrtů umožňujících využití nízkopotenciálních zdrojů tepla. Sborník referátů 7. r. mezinárodní konference "Geotechnika 2002", Štrbské Pleso, s. 199-201, ISBN 80-248-0115-9

Ryška, J., Bujok, P. (2002): Možnosti využití horninového prostředí pro získávání nízkopotenciálního tepla - zkušenosti OKD, DPB a.s. Sborník referátů konference" Současnost a perspektiva těžby a úpravy nerudních surovin", VŠB-TU Ostrava, s. 239-240, ISBN 80-248-0081-0

Časopis Alternativní energie č. 5/2005