Projektuj tepelná čerpadla 5. díl – Chlazení tepelným čerpadlem
Obr. Zemní vrty a jejich propojení potrubím jsou významnou složkou pořizovací ceny. Využití pasívního chlazení je cesta, jak náklady rychleji amortizovat významně sníženými provozními náklady.
Aplikace „Projektuj tepelná čerpadla“ společnosti GT Energy shrnuje informace potřebné k výběru tepelného čerpadla, volbě jeho výkonu, k návrhu přípravy teplé vody, k aktivnímu nebo pasivnímu chlazení. Nechybí řešení otázky hluku, typická schémata zapojení, ale i výčet nejčastějších chyb. Databáze pracuje s 21 typy elektrických a plynových TČ.
- Projektuj tepelná čerpadla, 1. díl – Co vše aplikace obsahuje
- Projektuj tepelná čerpadla, 2. díl – volba výkonu zdroje tepla
- Projektuj tepelná čerpadla, 3. díl – příprava teplé vody
- Projektuj tepelná čerpadla, 4. díl – Umístění tepelného čerpadla s ohledem na emise hluku a vibrací
Pasivní chlazení tepelným čerpadlem
Pasivní nebo také přímé chlazení budovy chladem ze země je využitelné u tepelných čerpadel země/voda a voda/voda. Výhodou je, že v tomto režimu není kompresor tepelného čerpadla v provozu, nespotřebovává energii. Pouze se propojí primární okruh tepelného čerpadla s chladicím systémem budovy buď přímo nebo odděleně přes výměník. Hlavní výhodou takového chlazení je jednoduché zapojení a minimální provozní náklady dané jen chodem oběhového čerpadla.
Zdrojem chladu pro pasivní chlazení mohou být geotermální vrty, studny se spodní vodou, spodní voda z hlubších nádrží a omezeně i plošné zemní kolektory.
Roční množství chladu, které lze ze země při pasivním chlazení získat, je omezené, neboť primární okruh je zpravidla navrhován na vytápění. Proto na konci léta může být primární okruh vyhřátý tak, že chladicí výkon klesne.
Varianty řešení pasivního chlazení
Jednoduchou a efektivní variantou realizovatelnou jen třícestnými armaturami je přímé propojení primárního okruhu s nemrznoucí směsí s okruhem chlazení v budově. Vzhledem k tomu, že nemrznoucí směs má odlišné vlastnosti oproti otopné vodě, a to jak viskozitu, tak tepelnou kapacitu, je třeba odlišnosti zohlednit v projektu. Nemrznoucí směs má vyšší cenu a její únik se může projevovat zápachem. O to více je nutné při realizaci věnovat pozornost zamezení vzniku netěsností, zbytečnému úniku nevhodným návrhem zabezpečovacích zařízení aj.
Bezpečnou variantou je oddělení primárního okruhu s nemrznoucí směsí od rozvodů chladu s otopnou/chladicí vodou deskovým výměníkem. Toto řešení sice vyžaduje instalaci oběhového čerpadla, ale současná oběhová čerpadla mají velmi nízkou provozní spotřebu elektrické energie.
Technické řešení pasivního chlazení s oddělovacím výměníkem
Nejjednodušším řešením je tepelné čerpadlo se zabudovaným výměníkem pro pasivní chlazení. Za výměníkem je čerpadlová skupina se směšovací armaturou pro řízení teploty v okruhu chlazení. Lze však použít i individuálně navržený deskový výměník s potřebným vystrojením.
Obr. Příklad schématu pasivního chlazení
Teplotní spád chladicího okruhu
Pro pasivní chlazení je ideální využití velkoplošného vytápění – chlazení podlahou nebo stropem. Doporučený teplotní spád pro stropní chlazení je 16/20 °C. Pro podlahové chlazení se obvykle volí vyšší teplotní spád 18/22 °C až 20/24 °C, kvůli komfortnější povrchové teplotě. V těchto provozních režimech poskytují vrty vysoký chladicí výkon. Zatímco chladicí výkon stropní soustavy může být vyšší než otopný, tak chladicí výkon podlahové soustavy je oproti otopnému výkonu menší. Volba vyššího teplotního spádu zajistí vyšší bezpečnost proti kondenzaci vzdušné vlhkosti na chlazených površích.
Při využití vzduchotechniky, nebo fancoilů doporučujeme v případě pasivního chlazení teplotní spád 12/16 °C. Ideální je přímé napojení VZT nebo fancoilů na primární okruh tepelného čerpadla bez vloženého výměníku, neboť každý výměník vyžaduje teplotní spád a ten, i když je malý, tak výrazně snižuje dostupný chladicí výkon.
Výkon velkoplošných systémů chlazení
Při teplotním spádu 16/20 °C, teplotě místnosti 26 °C a rozteči 15 cm, lze uvažovat s výkone, podlahového chlazení cca 35 W/m2 (dlažba), resp. 25 W/m2 (tenký koberec). Výkon stropního chlazení lze při podobných podmínkách uvažovat dle provedení 55–75 W/m2.
Dimenzování pasivního chlazení – vrty
Čím vyšší je návrhový teplotní spád chladicího systému, tím vyšší je dostupný chladicí výkon vrtů. Pro pasivní chlazení doporučujeme používat vrty o hloubce do 100 m. Při větší hloubce roste teplota ve vrtu a chladicí výkon klesá.
Pro teplotní spád 18/21 °C (velkoplošné systémy) je u běžné horniny dosažitelný výkon 30 W/m vrtu (2-trubková sonda), resp. 37 W/m (4-trubková sonda).
Pro teplotní spád 12/16 °C je dosažitelný výkon 12 W/m (2-trubková sonda), resp. 16 W/m (4-trubková sonda).
Klíčové je správné dimenzování výměníku mezi vrty a chladicím systémem a výkonu oběhových čerpadel. Rozdíl mezi teplotou do výměníku vystupující nemrznoucí směsi z primárního okruhu a teplotou chladicí vody z výměníku vystupující by měl být co nejnižší, mezi 1 až 2 K.
Dimenzování pasivního chlazení – plošný kolektor
Zemní plošný kolektor lze také využít pro pasivní chlazení. Dostupný chladicí výkon se během sezony mění více než u vrtů. V běžné zemině lze koncem léta očekávat vstupní teplotu nemrznoucí směsi cca 18 °C a u písčitých zemin teplota může být i více než 20 °C. Vzhledem k doporučení chladit vnitřní teplotu maximálně o 6 stupňů K oproti venkovní teplotě lze i v tomto případě počítat se zajímavými celoročními úsporami energie.
Pasivní chlazení voda – voda
Ať již jde o studny nebo přírodní či umělou nádrž, jde o řešení s individuálním charakterem jak zdroje tepla/chladu, tak s ohledem na vlastnosti vody, její čistotu, tvrdost, pH, obsah plynů aj. Přímé použití takové vody pro cirkulaci do chladicí soustavy, jak se na první pohled jeví jako ideálně jednoduché řešení, může být provozně velmi rizikové. Dlouhodobě úspěšný provoz vyžaduje návrh se značnou zkušeností.
Obr. Příklad kaskády tepelných čerpadel pro vytápění a chlazení.
Aktivní chlazení tepelným čerpadlem
Tepelné čerpadlo při vytápění na svém vstupu odnímá teplo a na výstupu jej předává. Proto mohou být některá tepelná čerpadla vzduch – voda řešena jako reverzibilní, tedy přepínatelná do provozního stavu chlazení. Při něm je teplo odnímáno cirkulující otopné vodě, která se tak změní na vodu chladicí, a je předáváno do venkovního vzduchu. Tedy přesně opačně než při vytápění.
Obr. V některých případech je výhodné pro vytápění a aktivní chlazení využít i plynová tepelná čerpadla.
Aktivní chlazení elektricky poháněným tepelným čerpadlem vyžaduje činnost kompresoru, a proto není tak energeticky výhodné, jako pasivní chlazení. Nicméně se při něm využívá stejná otopná, respektive chladicí soustava, takže investičně jde o zajímavou možnost, jak řešit teplotní komfort vnitřního prostředí. K aktivnímu chlazení lze však využít reverzibilní nejen elektrická, ale i plynová tepelná čerpadla.
Obr. Příklad instalace TČ země-voda s vrtem a s využitím pasivního chlazení mimo jiné ukazuje i správné použití difuzně těsné, černé kaučukové izolace na trubkách, ve kterých proudí chladná voda, aby se zamezilo jejich orosování a případně i korozi.
Obr. Pasivní chlazení není záležitost jen obytných budov. Zde příklad velkoprostorové průmyslové haly kombinující podlahovou a stropní velkoplošnou soustavu k vytápění nebo chlazení.
https://www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz/cz/pasivni-chlazeni-tepelnym-cerpadlem
www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz
Společnost GT ENERGY s.r.o. se zabývá zpracováním energetických koncepcí a dále návrhem a dodávkami úsporných technologií pro vytápění, ohřev teplé vody, chlazení a zpětné využití odpadního tepla. Pro nové budovy zabezpečuje návrhy energetické koncepce ...