Chladicí oběhy, trigenerace, dálkové chlazení
Článek se věnuje problematice produkce chladu se zaměřením na produkci chladu pro klimatizační jednotky. V úvodní části je proveden stručný rozbor potřeby chladu a nejčastějších užívaných technologií produkce chladu. Uvedeno je srovnání kompresorových a absorpčních chladicích oběhů. Popsány jsou nejčastější aplikace nasazení absorpčních chladicích oběhů – trigenerace, dálkové zásobování chladem.
Potřeba chladu
S potřebou produkce chladu se aktuálně setkáváme v řadě oborů. Zcela nezbytnou je produkce chladu při skladování a výrobě potravin, provozu vybraných technologií, zajištění provozu sportovišť s lednovou plochou a zajištění pohody prostředí v moderních obchodních a administrativních budovách. Právě problematika vnitřního klimatu budov představuje sektor s dynamickým rozvojem a intenzivním nárůstem potřeby chlazení. Důvodů tohoto vývoje v našich podmínkách je několik. Prvním důvodem je stavba moderních budov s velkými tepelnými zisky. Této skutečnosti napomáhá významné užití prosklení na fasádách budov, které v letních měsících umožňuje intenzivní příspěvek solárního záření do bilance tepelných zisků objektu.
Dalším důvodem je nutný provoz velkého množství trvale provozovaných elektrických spotřebičů, kterými jsou ledničky, počítače, monitory a další kancelářská technika. Orientační hodnoty tepelného výkonu nejčastějších vnitřních zdrojů jsou: lednička 50 W, PC 300 W, člověk 120 W. V neposlední řadě je nutné respektovat fakt, že jedním z doprovodných znaků zvyšování životní úrovně společnosti je věnování větší pozornosti pohodě vnitřního prostřední objektů. Pohoda prostředí je zabezpečována provozem klimatizačních zařízení, která pro svoji činnost vyžadují dodávku chladicího příkonu. Výstavba nových obchodních a administrativních budov bez klimatizačních systémů je již prakticky nemožná a řada starších objektů je aktuálně klimatizací doplňována.
Konkrétní vliv teploty prostředí na činnost člověka můžeme v zimním období sledovat při teplotách v místnosti nad 23 °C projevy únavového symptomu, při teplotách pod 21 °C poklesem citlivosti prstů a výkonnosti. V letním období při nárůstu teploty nad 25 °C dochází k poklesu produktivity práce a zvýšení pravděpodobnosti infarktu.
Produkce chladu
Přenos tepelné energie z nižší teplotní hladiny na teplotní hladinu vyšší je obecně možno realizovat různými způsoby. Pro praktické použití jsou vhodné jen ty způsoby, které jsou snadno realizovatelné a vyžadují minimální množství hnací energie. Nejvhodnějším principem je v tomto ohledu účelné využití kondenzace a varu vhodných pracovních látek, které nazýváme chladiva. Chladiva jsou využívána v termodynamických obězích, kde se nejčastěji vyskytují ve formě par. S ohledem na tuto skutečnost, jsou tyto oběhy označovány jako chladicí oběhy parní. Zažité je však označovat tyto oběhy jako oběhy kompresorové.
Základní princip chladicích oběhů parních můžeme popsat následovně. Teplo je odnímáno ochlazovanému médiu na nižší teplotní úrovni (pod 15 °C) varem chladiva ve výparníku při sníženém tlaku (což je podmínka zajišťující nízkou teplotu varu). K uvolnění tepelné energie z chladiva dochází v průběhu kondenzace při vyšším tlaku, zajišťujícím požadovanou teplotu kondenzace. Nutné zvýšení tlaku par chladiva kompresorem v průběhu pracovního cyklu je jediným požadavkem na dodávku hnací energie. Používaná chladicí zařízení využívající uvedených fázových změn chladiva dělíme do následujících tří hlavních skupin:
- kompresorová
- absorpční
- hybridní
Existují i další principy využitelné pro produkci chladu, ale jejich efektivnost je výrazně nižší, nebo jsou obtížně realizovatelné, což je příčinou jejich významně nižšího zastoupení na trhu.
- se Stirlingovým oběhem
- s paroproudým oběhem
- termoelektrická chladicí zařízení
Kompresorová chladicí zařízení představují nejčastěji používaný typ chladicích zařízení, s širokým rozsahem použití. Hnacím prvkem je v tomto případě kompresor použitý ke stlačování par chladiva.
Absorpční chladicí zařízení využívají pro přenos tepelné energie na vyšší teplotní úroveň absorpční oběh, který shodně s parním oběhem využívá fázovou změnu chladiva ve výparníku a kondenzátoru. Na rozdíl od kompresorového oběhu (s el. energií hnaným kompresorem), využívá absorpční oběh jako hnací energii teplo z vysokoteplotního zásobníku. Využití tepelné energie pro pohon chladicího zařízení předurčuje absorpční chladicí zařízení pro produkci chladu středních a velkých výkonů v místech s dostupným zdrojem levné tepelné energie. Typickými příklady použití absorpčních oběhů jsou trigenerační jednotky a systémy dálkového zásobování chladem. Pro porozumění principu těchto technologií je vhodné se nejprve seznámit s principem činnosti absorpčních oběhů.
Obr. 1 Schéma kompresorového chladicího oběhu
Obr. 2 Schéma absorpčního chladicího oběhu
Absorpční chladicí oběhy
V absorpčním chladicím oběhu koluje chladivo a absorpční látka. Páry odpařeného chladiva odcházející z výparníku jsou absorbovány v absorbéru do kapalné absorpční látky za současného uvolnění absorpčního tepla. Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Následným zahřátím této směsi jsou vypuzeny páry chladiva z absorpční kapaliny. Páry postupují do kondenzátoru, kde kondenzují při kontaktu s ochlazovaným povrchem. Chladivo v kapalné podobě dále prochází přes škrticí ventil do výparníku. Zde vlivem snížení tlaku dochází k varu chladiva při nízké teplotě a odnímání tepla ochlazovanému médiu.
Páry chladiva poté uzavírají svůj pracovní oběh absorpcí v absorbéru. Oddělenou větví se z vysokotlaké části oběhu přes škrtící ventil vrací do nízkotlaké části absorpční kapalina, prosta vypuzeného chladiva. Pro dosažení dobré účinnosti je nutno oběh vhodně doplnit výměníky tepla, které zajistí opakované využití tepelných toků s respektováním nutných teplotních spádů. Konkrétní uspořádání oběhu vždy záleží na zvolených pracovních parametrech a použité dvojici pracovních látek.
Hnací tepelná energie je desorbéru dodávána buď za pomoci integrovaných hořáků, nebo teplosměnných ploch ohřívaných horkou vodou nebo párou.
- přímo vytápěné absorpční oběhy
- nepřímo vytápěné absorpční oběhy
Poznámka: Jednou z variant absorpčních oběhů je tzv. oběh difúzní, který nemá žádné pohyblivé díly, nevyžaduje elektrický příkon a je používán v absorpčních chladničkách.
Kvalita absorpčního oběhu se vyjadřuje pomocí výkonového čísla COP, které vychází z termodynamického popisu absorpčního oběhu. Výkonové číslo u absorpčního chladicího oběhu vyjadřuje poměr vyrobeného chladu ve výparníku a tepla dodaného vysokoteplotním zdrojem desorbéru. U komerčních jednostupňových absorpčních chladicích jednotek (řídící teplota nad 90 °C) je hodnota COPC rovna 0,7 a u dvoustupňových absorpčních chladicích jednotek (řídící teplota nad 120 °C) je dosahována hodnota COPC blízká 1,2.
Existuje velké množství látek, které mohou společně pracovat v absorpčních cyklech. Základní podmínkou vhodné dvojice látek je dobrá rozpustnost chladiva v látce absorpční. Z látek, které podmínku dobré rozpustnosti splňují, jsou dále použitelné pouze ty, které mohou pracovat v oblasti použitelných teplotních a tlakových úrovní. Samozřejmostí při volbě vhodné dvojice látek je posouzení dostupnosti, ceny a vlivu na životní prostředí. Pracovní dvojice nejčastěji využívané v komerčních absorpčních obězích jsou:
| chladivo | absorbent |
|---|---|
| NH3 | H2O |
| H2O | roztok H2O - LiBr |
| H2O | NaOH |
| H2O | roztok H2O - LiCl |
Dominantní množství dnes provozovaných absorpčních chladicích jednotek připravujících chladnou vodu pro klimatizační jednotky pracuje s pracovní dvojicí H2O - LiBr. Voda v této dvojici je chladivem, z čehož vychází omezení pracovních teplot ve výparníku nad hladinu 0 °C. Sůl LiBr je získávána z mořské vody a je nevýbušná, netoxická, ve spojení s kyslíkem významně korozívní na oceli - užívají se ochranné přísady na bázi molybdenu (chrání povrch pouze po určitou dobu). Pokud je požadavkem chlazení dosáhnout teplotu ve výparníku nižší než 0 °C je užívána pracovní dvojice H2O-NH3. Přítomný čpavek umožňuje provozovat chladicí jednotky pouze ve vnějším prostředí a není možno chladicí jednotky umístit v obytných objektech.
Odlišnosti v provedení absorpčních a kompresorových chladicích zařízení formují výhody a nevýhody jejich použití. Základní myšlenkou uplatnění absorpčních oběhů je nahrazení hnací elektrické energie potřebné pro chod chladicího oběhu, levnější energií tepelnou. Ne vždy je ale uplatnění absorpční technologie vhodné a skutečností zůstává dominantní množství instalací využívajících kompresorové chladicí jednotky. Jednotlivé výhody a nevýhody obou konkurenčních technologií výroby chladu jsou srovnány v následujícím přehledu.
| Porovnávaný parametr | Absorpční oběhy | Parní oběhy |
|---|---|---|
| rozměry | velké | malé |
| spotřeba el. energie | nízká (5% výkonu) | vysoká (30-50% výkonu) |
| investiční náročnost | vysoká | nízká |
| nároky na obsluhu | žádné | žádné |
| nároky na servis | velmi malé | malé |
| životnost | vysoká | nízká |
| požadavek na dodávku řídícího tepla | vysoký | žádný |
| množství pracovních náplní | velké | malé |
| hmotnost | velká | malá |
| hlučnost | nízká | střední |
V některých případech může být vhodné spojit vlastnosti absorpčního a parního oběhu pro sestavení oběhu umožňujícího specifickou transformaci tepelné energie. V takovém případě hovoříme o hybridním oběhu, jehož zapojení může mít rozmanité uspořádání prvků. Základním rysem pro jejich identifikaci je přítomnost kompresoru ve spojení s chladicím absorpčním oběhem.
Trigenerace
Termínem trigenerace označujeme společnou výrobu elektřiny, tepla a chladu. Současná dodávka všech tří energetických toků však není nezbytnou podmínkou a z provozního hlediska není ani ve většině případů vyžadována. Pojmem trigenerace tedy označujeme i zařízení umožňující variantně dodávku elektřiny a tepla nebo elektřiny a chladu. Technologicky jde o spojení kogenerační technologie s absorpční chladicí jednotkou.
Toto spojení je pro obě zařízení vysoce nezávislé a fyzické propojení je realizováno pouze v místech tepelných výměníků napojením proudů médií z kogenerační technologie a absorpční jednotky. Z pohledu provozu kogenerační technologie je toto řešení výhodné, neboť absorpční oběh využívá tepelnou energii produkovanou kogeneračním zdrojem v letních měsících, čímž je možno dosáhnout vyššího ročního využití kogenerační jednotky.
Pokud sledujeme ekonomický přínos uplatnění trigeneračních jednotek je nutné zhodnotit potřebu dodávky chladu v našich podmínkách. Detailní hodnocení je nutné provést pro každý objekt dle platné normy, ale na tomto místě můžeme uvést několik obecných charakteristik.
- Maximální požadovaný chladicí výkon je blízký 80 % výpočtového tepelného výkonu na vytápění.
- Roční potřeba chladu odpovídá cca 25 % roční potřeby tepla.
- Meziroční srovnání jednotlivých chladících sezón vykazuje výrazně větší variabilitu, než vykazuje srovnání sezón topných.
Z ekonomického hlediska představuje nasazení trigenerační technologie ve srovnání s pořízením technologie kogenerační značné navýšení investičních nákladů v okamžiku pořízení. V průběhu provozu potom dochází k větším úsporám za dodávku energií. Srovnání doby návratnosti kogenerační a trigenerační technologie uplatněné v konkrétních podmínkách ukazuje, že doplnění kogenerační technologie o absorpční chladicí jednotku nijak zásadně neovlivňuje dobu návratnosti, ale poskytuje investorovi možnost větších zisků (úměrně zvýšení investice) dosažených za dobu životnosti zařízení.
Obr. 3 Zobrazení energetických toků v trigenerační jednotce
Dálkové chlazení (District cooling)
Pojmem dálkové chlazení označujeme centralizovanou produkci a distribuci chladu. Dále je za systém dálkového chlazení označována i produkce chladu realizovaná v lokálních absorpčních chladicích stanicích využívajících jako hnací tepelnou energii teplo z dálkového rozvodu.
V případě centralizované produkce chladu je v místě energetické centrály instalována chladicí stanice, která může využít tepelné energie o vyšší teplotě v porovnání s koncovými větvemi dálkového rozvodu tepla. Vyšší teplota umožňuje nasazení absorpční chladicí technologie s vyšší efektivností produkce chladu. Vychlazená voda je prostřednictvím potrubní sítě dopravována z centrálního zdroje do hotelů, administrativních, průmyslových a obytných objektů.
Nevýhodou tohoto řešení je nutnost zbudovat dálkové rozvody vody chladné. Potrubní systém chladné vody neklade velké nároky na tepelnou izolaci, neboť teplotní spád mezi chladnou vodou a zeminou v nezámrzné hloubce je minimální. Ale s ohledem na provozní tepoty rozvodu chladné vody 6 °C/12 °C klade tento rozvod značně větší nároky na průřezy použitých potrubí. Značně citlivý je rozvod chladné vody na provedení konečného připojení ke spotřebiteli, kdy je nutno zamezit nežádoucímu ohřátí chladné vody.
Obr. 4 Schéma dálkového chlazení s centralizovanou produkcí chladu
Obr. 5 Schéma dálkového chlazení s decentralizovanou produkcí chladu
Další možností realizace dálkového chlazení je použití lokálních absorpčních chladicích stanic napojených na rozvod dálkového zásobování teplem. Tato koncepce je v podmínkách ČR již využívána z důvodu menší investiční náročnosti. Menší investiční náročnost souvisí s využitím již zbudovaných rozvodů dálkového zásobování teplem bez budování dálkových rozvodů pro chlad. Výhodou je i lepší zajištění parametrů chladné vody předávané zákazníkovi na minimální vzdálenost mezi absorpční chladicí jednotkou a předávací bodem.
Nevýhodou tohoto systému je nutnost užití lokálních absorpčních chladicích jednotek pracujících s nižší teplotou hnací tepelné energie, což nutí provozovatele volit z nabídky méně efektivních chladicích strojů. Hlavní nevýhodou zůstává potřeba udržovat v nejteplejších obdobích roku, s minimálním odběrem tepla zákazníky, teplotu v celém systému dálkového rozvodu tepla na dostatečně vysoké teplotě, potřebné pro zajištění chodu absorpčních chladicích jednotek. Vysoká teplota rozvodů tepla při malých předávaných množstvích tepelné energie vytváří podmínky pro vyšší tepelné ztráty, což může v konečném důsledku toto řešení ekonomicky výrazně zhoršit.
S dodávkou chladu prostřednictvím systému dálkového zásobování chladem má v ČR zkušenosti pouze několik společností, mezi které patří např. Plzeňská teplárenská, a.s. a Elektrárny Opatovice, a.s. Z úspěšných aplikací nedaleko za našimi hranicemi je možno uvést dálkový rozvod chladu v centrální části Vídně s chladicím výkonem 8 MWCH. Tato aplikace využívá centrálních zdrojů chladu s rozsáhlou sítí dálkového rozvodu chladu. Jedním z momentů podporujících úspěšnost této realizace v době vzniku byla koordinovaná snaha zamezit umísťování venkovních částí klimatizačních jednotek na fasádách historických budov.
Systémy dálkového zásobování chladem přináší uživatelům výhody v podobě vysoké spolehlivosti, stability ceny chladu, úspor prostor a personálních nákladů na zajištění technického zázemí výroby chladu. Dodavatelé chladu jsou motivováni jediným impulzem, kterým je letní odbyt tepelné energie. V neprospěch dodavatelů hovoří krátká doba ročního využití produkce chladu a značné výkyvy v meziročních odběrech chladu.
Trendy v zásobování chladem
Produkce chladu je dnes dominantně realizována s využitím kompresorových chladicích jednotek. Po mechanické stránce jsou kompresorové oběhy plně zvládnuty, jejich provoz je spojen s nutnou spotřebou významného množství elektrické energie a environmentální slabinou zůstávají nežádoucí vlivy chladiv nekontrolovatelně vstupujících do atmosféry při poruchách a poškození zařízení. Absorpční chladicí jednotky zůstávají doménou chladicích výkonů od stovek kW výše, ve vhodných aplikacích a vybraných místech.
Dosavadní zkušenosti s provozem absorpčních chladicích jednotek na území ČR dokládají řadu komerčně úspěšných aplikací. Na druhé straně však existuje řada aplikací s „dětskými chorobami“ nově nastupující technologie. Požadavky na chlazení se budou stále zvyšovat a tomuto trendu musí odpovídat i narůstající počet instalací chladicích jednotek. Nárůst počtu instalací chladicích absorpčních jednotek lze očekávat v souvislosti s nárůstem ceny elektrické energie.
Snaha o vysoce efektivní systémy energetického zásobování s maximálním ročním využitím vede k hledání nových cest a koncepcí energetických zařízení. Odborné kruhy hovoří o budoucnosti poly-generačních systémů, z nichž jediný reálně životaschopný v současných podmínkách je trigenerace.
Literární zdroje
[1] Osterreicher D., Pol O., Concerto Inititiative and Polygeneration, Proceedings of the 1st European Conference on Polygeneration, Vol.1, No.1, pp. 39-54., 2007
[2] Petchers, Neil, Combined heating, cooling & power handbook, Lilburn: The Fairmont Press, Inc. 2003
[3] Minciuc E., Corre O., Athanasovici V., Tazerout M., Fuel saving and CO2 emissions for tri-generation systems, Applied Thermal Engineering 23, pp. 1333-1346, 2003
[4] Proceeding of the 3rd International Conference on Solar Air-conditioning, Italy, Palermo, 2009
[5] Karafiát Josef, Centralizované zásobování chladem, Informační příručka Teplárenského sdružení ČR, 2005
The contribution is focused on the systems of cool production for air-condition units. The first part of the contribution deals with the now-a-days cooling requirements of buildings. Then, the frequently used cool production systems are described and compared each other. The absorption cooling systems and the vapor cooling systems are compared. The most frequently used applications of the cooling absorption cycles are presented, namely tri-generation systems and district cooling systems.