Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (I)

Článek je úvodníkem do dané problematiky. Následující dva články budou objasňovat další postupy řešení a na základě faktů uvedených v tomto článku bude dále provedeno energetické a ekonomické zhodnocení kombinovaného systému tepelného čerpadla s aktivním solárním systémem.

Veškeré níže uvedené informace jsou podloženy dlouhodobým měřením na kombinovaném systému, takže je možno konstatovat, že nejde pouze o "papírovou" teorii. Cílem je poukázat na další varianty kooperace alternativních zdrojů energie.

1. ÚVOD

Využívání alternativních zdrojů energie a s tím spojené omezení využívání fosilních paliv je v současné době stále aktuálnějším tématem. Není žádným tajemstvím, že v celé Evropě probíhá velká vlna zájmu o alternativní zdroje energie jako jsou solární systémy, tepelná čerpadla nebo energie větru. A právě v souvislosti s rozšiřováním využívání jak sluneční energie, tak alternativních zdrojů energie vůbec, roste význam využívání alternativních zdrojů u nás.

Cílem této studie je určení možností a vymezení oblasti použití tepelných čerpadel v kombinovaných tepelných systémech. Hlavní myšlenkou je optimalizace spolupráce kombinovaného systému tepelného čerpadla pracujícího se solárním systémem v jednom energetickém celku.

Dílčí cíle studie mohu shrnout do několika bodů:

• vymezení oblasti použití tepelných čerpadel
• sestavení kombinovaného systému tepelného čerpadla spolupracujícího se solárním systémem
• návrh kombinovaného systému pro reálnou aplikaci
• zhodnocení energetické bilance navrženého systému
• ekonomické zhodnocení provozu kombinovaného systému

Je všeobecně známo, že oba systémy, jak tepelné čerpadlo, tak solární systém, mohou pracovat zcela samostatně jako rovnocenné tepelné zdroje. Účinnost (respektive topný faktor) obou systémů je závislá na vstupních parametrech. A právě možnost ovlivnění vstupních parametrů tepelného čerpadla pomocí solárního systému mě přivedla na myšlenku jejich spolupráce.

V tomto celku bude solární systém využíván jako bivalentní zdroj, který při poklesu vstupní teploty u tepelného čerpadla bude zvyšovat tuto teplotu na požadovanou hodnotu, která zaručí dostatečně vysoký topný faktor i v období nízkých hodnot teploty vstupního média.

K opodstatněnosti této myšlenky (a spolupráce) vede také tato skutečnost - pokud bychom v zimních měsících chtěli solární systém využívat jako hlavní tepelný zdroj pro vytápění, tzn. dosahovat na výstupu systému teploty dostatečné pro vytápění, účinnost solárního systému prudce klesá; mimo zimní období by pak systém nebyl plně využit.

jako mnohem výhodnější se jeví možnost využívat v zimních měsících solární systém tak, aby pomáhal zvyšovat teplotu na vstupu do tepelného čerpadla. Na výstupu ze solárního systému by v takovém případě postačovala nižší teplota, ale účinnost celého systému by byla vyšší.

Předpokládám, že spojením tepelného čerpadla a solárního systému bude možné docílit velmi příznivé energetické bilance. Je zřejmé, že spolupráci těchto dvou systémů nelze posuzovat pouze z hlediska energetického, ale velmi důležitá je zde také ekonomika. Zásadní otázkou tedy je, zda je rozumné investovat do pořízení obou dvou systémů.

Odpovědi na otázky spojené s realizací a provozem kombinovaného systému se snaží poskytnout tato studie.

2. SOUČASNÉ A NOVÉ ŘEŠENÍ

2.1 Sluneční záření - zdroj pro tepelné čerpadlo

Sluneční záření převedené solárním systémem na tepelnou energii může sloužit jako energetický zdroj pro TČ. Teplo ze solární energie se pro účely vytápění získává a využívá dvojím způsobem: aktivním a pasivním. Myšlenka kombinovaného systému s maximálním využitím jednotlivých složek je postavena na spolupráci aktivního solárního systému s TČ.

Myšlenka spolupráce aktivního solárního systému a tepelného čerpadla je založena na těchto předpokladech [3]:

• účinnost kolektoru a množství tepla získaného z kolektorového systému závisí na teplotě ohřívaného média
• účinnost a množství tepla je tím větší, čím nižší je tato teplota
• použije-li se získané teplo jako nízkopotenciální pro tepelné čerpadlo, může jeho teplota být o desítky °C nižší než pro přímé vytápění a přípravu TUV.

Pokud již byla provedena realizace kombinovaného systému, byla po technické stránce řešena následujícím způsobem.

Oba systémy v kombinovaném zapojení pracují nezávisle. To znamená, že mají společnou akumulační nádrž a solární systém "pouze" zvyšuje teplotu topného média v akumulační nádrži, čímž se zvedne účinnost celého systému, a také topný faktor tepelného čerpadla. Pro efektivnost takového zapojení je nutné správně zvolit plochu solárních kolektorů a dimenzovat průtok média kolektorem tak, aby jeho vliv na topné médium v akumulační nádrži byl patrný. Je potřeba najít optimální oblast spolupráce těchto dvou systémů.

Nevýhodou takto navrženého systému je, že solární systém musí pracovat s teplotou média vhodnou pro vytápění (teplota vstupu otopné soustavy), čímž se podstatně sníží účinnost samotného solárního systému v zimních měsících. Další nevýhodou takto navrženého systému je cena. Celý systém musí být naddimenzován, což zvyšuje náklady. Důsledkem naddimenzování systému je velmi dlouhá doba návratnosti způsobená nevyužitím solárních panelů v průběhu celého roku. Možné technologické schéma takového zapojení uvádím na obrázku 1.

Obrázek 1 - Tepelné čerpadlo ve spolupráci s aktivním solárním systémem [1]

2.2 Popis kombinovaného systému

Jak jsem již uvedl výše, nová koncepce spolupráce aktivního solárního systému s tepelným čerpadlem spočívá na jednoduchém principu - v navrhovaném kombinovaném systému se při poklesu teploty pod teplotu bivalence aktivuje solární kolektor a tepelná energie získaná solárním systémem je využita pro zvyšování teploty na vstupu tepelného čerpadla. Zvýšením teploty na vstupu TČ docílíme zvýšení topného faktoru celého systému. Hlavním přínosem takto sestaveného kombinovaného systému je vysoká účinnost solárního systému, který pracuje s nižší teplotou, než je teplota vytápěcího systému. Zjednodušené technologické schéma kombinovaného systému je na obrázku 2.

Obrázek 2 - Zjednodušené technologické schéma kombinovaného systému [1], [2]

Dosud zde nezazněla jedna podstatná skutečnost. Předpokladem pro úspěšné provozování těchto systémů je, že realizovaná otopná soustava bude navržena jako nízkoteplotní, tzn., že uvažuji s využitím podlahového nebo stěnového vytápění. Přednost těchto otopných soustav ve spojení s alternativními zdroji jako je solární systém nebo tepelné čerpadlo je z energetického i ekonomického hlediska jednoznačná.

Aby bylo možné mé výše uvedené hypotézy ověřit, sestavil jsem za pomoci grantu FRVŠ na Ústavu elektroenergetiky VUT v Brně funkční model tepelného čerpadla systému vzduch-vzduch. K sestavenému modelu jsem následně přiřadil solární systém, aby bylo možné ověřit původní hypotézu opodstatněnosti spolupráce těchto systémů.

3. KOMBINOVANÝ SYSTÉM - ANALÝZA NAMĚŘENÝCH DAT

Prvotním cílem práce bylo určit jaký vliv má přiřazení solárního systému na topný faktor tepelného čerpadla podle obrázku 2. Myšlenkou je využít solární systém k předehřevu vstupního média, v tomto případě vzduchu (TČ vzduch-vzduch), do TČ a tím zvýšit topný faktor a celkovou roční využitelnost systému s tepelným čerpadlem.

Ideou je zvýšit teplotu vstupního média v průběhu topného období v rozmezí 5 - 10°C a následně pro tento teplotní nárůst ΔT určit vliv na topný faktor. Pro definovaný teplotní rozdíl ΔT jsem na základě provedených měření na kombinovaném systému provedl návrh plochy solárního systému.

Veškeré výsledky uvedené v této studii jsou podloženy analýzou naměřených hodnot na kombinovaném systému (veškeré měřené veličiny a jejich hodnoty jsou podrobně uvedeny v [4]). V průběhu experimentu probíhalo tříleté kontinuální měření intenzity slunečního záření a teplot vzduchu pro vybranou oblast (Brno), což spolu s měřením pracovních parametrů na TČ (výkon, teploty chladiva, výstupní teploty, tlakové poměry, teplotní spády, topný faktor atd.) poskytlo potřebné podklady pro návrh reálného kombinovaného systému.

měsíc	tstř	Istř	COP (tstř)	COP (tstř+5°C)	COP (tstř+8°C)	COP (tstř+10°C)
	°C	W.m-2	-	-	-	-
leden	0,6	286	0,97	1,24	1,43	1,57
únor	5,2	337	1,23	1,54	1,78	1,95
březen	6,6	397	1,33	1,65	1,90	2,09
duben	11,6	413	1,72	2,09	2,40	2,64
květen	13,2	463	1,87	2,25	2,59	2,85
červen	19,2	495	2,56	2,99	3,44	3,79
červenec	20,6	487	2,76	3,19	3,68	4,04
srpen	21,5	454	2,89	3,33	3,84	4,22
září	17,8	419	2,38	2,80	3,22	3,54
říjen	8,0	346	1,43	1,76	2,03	2,23
listopad	7,4	284	1,38	1,71	1,97	2,16
prosinec	3,4	251	1,12	1,42	1,63	1,79
Jednotlivé hodnoty COP po zvýšení vstupní teploty jsou určeny pro velikost kolektorového pole 6, 10 a 14m2 při průtoku médi kolektorem 830 m3.h-1

Tabulka 1 - Změna topného faktoru COP při zvýšení vstupní teploty [2]

V tabulce 1 je vidět nárůst topného faktoru (COP) na sestaveném modelu tepelného čerpadla pro jednotlivé změny parametrů na vstupu TČ. V tabulce jsou statisticky vyhodnoceny změny COP v závislosti na změně teploty vstupního média, a to v rozsahu ΔT 5, 8, 10°C.

Procentuální velikost přírůstku topného faktoru (ΔCOP), kterou uvádím v tabulce 2, je platná pro příslušnou velikost přiřazeného kolektorového pole s rychlostí průtoku média kolektory 830 m³.h^-1, což odpovídá rychlosti průtoku vzduchu výparníkem modelu tepelného čerpadla.

V tabulce 3 uvádím množství tepelné energie, kterou je možno dodat solárním systémem při uvažovaných středních účinnostech kolektoru určených pro požadovaná oteplení vstupního média. Výsledné hodnoty možného množství dodané energie pomocí solárních kolektorů jsou platné pro úhel sklonu osluněné plochy α = 30°. Jak jsem zde již několikrát uvedl, výsledné hodnoty korespondují s naměřenými hodnotami z let 2003 až 2005 na UEEN VUT FEKT v Brně (viz. [4]).

měsíc	tstř	Istř	ΔCOP (S = 6m2)	ΔCOP (S = 10m2)	ΔCOP (S = 14m2)
	°C	W.m-2	%	%	%
leden	0,6	286	28,0	47,5	62,1
únor	5,2	337	25,0	44,1	58,4
březen	6,6	397	24,2	43,1	57,3
duben	11,6	413	21,1	39,6	53,4
květen	13,2	463	20,1	38,4	52,2
červen	19,2	495	16,6	34,3	47,7
červenec	20,6	487	15,8	33,4	46,6
srpen	21,5	454	15,2	32,8	46,0
září	17,8	419	17,4	35,3	48,7
říjen	8,0	346	23,3	42,1	56,2
listopad	7,4	284	23,7	42,5	56,7
prosinec	3,4	251	26,2	45,4	59,8
ΔCOP (průměr) (%)			21,4	39,9	53,8

Tabulka 2 - Procentuální nárůst topného faktoru pro různé velikosti solárního systému [2]

měsíc	Istř	tstř	Τden stř	ηstř1 (Δt=5°C)	ηstř2 (Δt=8°C)	ηstř3 (Δt=10°C)	QGm teor	QGm skut 1	QGm skut 2	QGm skut 3
	W.m-2	°C	h	%	%	%	kW.h.m-2	kW.h.m-2	kW.h.m-2	kW.h.m-2
leden	286	0,6	8,26	75	68	64	73,23	54,57	49,96	46,88
únor	337	5,2	10,12	76	71	67	95,49	72,67	67,57	64,17
březen	397	6,6	12,00	77	73	70	147,68	114,37	107,68	103,21
duben	413	11,6	13,90	78	73	70	172,22	133,88	126,37	121,37
květen	463	13,2	15,70	79	75	72	225,34	176,94	168,18	162,34
červen	495	19,2	16,34	79	75	73	242,65	191,55	182,72	176,84
červenec	487	20,6	15,70	79	75	73	237,02	186,87	178,11	172,27
srpen	454	21,5	13,90	78	74	72	195,63	153,36	145,60	140,43
září	419	17,8	12,00	78	74	71	150,84	117,41	110,93	106,61
říjen	346	8,0	10,12	76	71	68	108,55	82,85	77,21	73,44
listopad	284	7,4	8,26	74	68	64	70,38	52,38	47,92	44,95
prosinec	251	3,4	7,85	73	65	61	61,08	44,62	40,24	37,32
celkem QGrok = ΣQGm (kW.h.m-2)							1780,1	1381,5	1302,5	1249,8
								pro ηstř1	pro ηstř2	pro ηstř3

Tabulka 3 - Predikované měsíční úhrny dodané tepelné energie předřazením solárního systému o velikosti 1m² [2]

Pro představu jsou na obrázku 3 a 4 zobrazeny průběhy topného faktoru (ε a COP) v závislosti na vstupních teplotách do tepelného čerpadla naměřené na sestaveném modelu TČ systému vzduch-vzduch. Parametrem v těchto charakteristických průbězích je výstupní teplota (t_out) z TČ.

Topný faktor ε byl určen na základě zákonitostí Carnotova cyklu podle vzorce (3.1). Topný faktor COP (Coefficient of Performance) vychází ze skutečných energetických toků měřených na modelu tepelného čerpadla.

Obrázek 3 Průběh topného faktoru na modelu TČ ε = f(tin, tout) [2] (po kliknutí se obrázek zvětší)	Obrázek 4 Průběh COP na modelu TČ COP = f(tin, tout) [2] (po kliknutí se obrázek zvětší)

4. ZÁVĚR

Veškeré informace uvedené v tomto článku jsou prvotním podkladem pro vyhodnocení oprávněnosti či neoprávněnosti spolupráce tepelného čerpadla se solárním systémem způsobem, kdy solární systém je v průběhu otopného období využíván především k předehřevu (zvýšení teplotního potenciálu) vstupního média do tepelného čerpadla. Na rozdíl od systému, kde tepelné čerpadlo i solární systém pracují s teplotou média potřebnou pro provoz otopné soustavy a ohřev TUV (což znamená minimální využitelnost solárního systému v průběhu zimních měsíců, respektive nízkou účinnost tohoto systému) je tento kombinovaný systém výhodnější.

Na základě provedených měření a analýze naměřených dat bude dále navržen kombinovaný systém pro reálnou aplikaci v oblasti Brna. Pro tuto realizaci provedu energetické a ekonomické hodnocení, které poskytne potřebné odpovědi na oprávněnost této spolupráce. Pro porovnání s kombinovaným systémem bude zvolen systém sestávající z tepelného čerpadla a klimatizační jednotky.

Cílem této práce bylo a je otevřít nový pohled na možné využití kooperace netradičních zdrojů energie.

Poděkování

Tento příspěvek prezentuje výsledky výzkumu financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci projektu č. MSM0021630516.

LITERATURA

[1] Mastný, P. Tepelná čerpadla v kombinovaných tepelných systémech. Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně, Edice PhD Thesis, sv. 392, ISSN 1213-4198, Brno 2006
[2] Mastný, P. Use of solar energy connected to heat pump. Energyspectrum, Brno 2005, roč. 2005, č. 10, ISSN 1214-7044
[3] Peterka, J. Sluneční energie a tepelná čerpadla. TZB-info: portál pro vytápění, vzduchotechniku, instalace, úspory energie, www.tzb-info.cz, 2004, ISSN 1801-4399
[4] Mastný P., Tepelná čerpadla v kombinovaných tepelných systémech. Disertační práce, UEEN VUT FEKT v Brně, Brno 2006