Využití tepelných čerpadel pro dodávku tepla a chladu
Tepelné čerpadlo se zemními vrty je zdrojem tepla a chladu pro univerzitní budovu v centru Prahy. Jsou provedeny analýzy naměřených dat z provozu tohoto systému a diskutována problematika paralelní výroby tepla a chladu v kontextu udržitelného rozvoje a budov s minimální spotřebou energie.
Úvod
Nelze popřít fakt, že v budovách stále narůstá potřeba chlazení. To je spojeno jak s častějším výskytem vyšších venkovních teplot v letním období spolu s narůstajícími požadavky na tepelnou pohodu zaměstnanců, tak s narůstajícími tepelnými zisky spojenými s větším využitím technologií, elektrospotřebičů a větší obsazeností.
Odvod tepelné zátěže od technologií je obzvláště významný řadě výrobních a laboratorních provozů. Tato skutečnost nastává nejen u moderních budov s velmi dobře tepelně izolovanou fasádou, kde mohou činit potíže i nižší tepelné zisky. Potřeba chlazení díky vysokým tepelným ziskům vzniká i u starších budov s masivními fasádami, u kterých je však stále i značná potřeba vytápění.
Koncept zdroje chladu i tepla s tepelnými čerpadly a zemními vrty umožňuje díky akumulaci maximálně využít odpadního tepla z výroby chladu pro vytápění v zimních měsících.
Systém chlazení a vytápění v historické budově univerzity
Historická budova univerzity v centru Prahy slouží pro výuku a výzkum a je zde osazena řada laboratorních zařízení, která potřebují chlazení, a to jak přímo chladicí vodou, tak nepřímo vzduchem. Původní zdroj tepla budovy je plynová kotelna o výkonu 1360 kW. K tomuto zdroji tepla se přidaly v roce 2012 dvě tepelná čerpadla země-voda Viessmann 300-G PRO o celkovém jmenovitém topném výkonu 270 kW a celkovém jmenovitém chladicím výkonu 200 kW. Tepelná čerpadla slouží jako zdroj tepla a chladu pro budovu. Pro 0 °C je celkový tepelný výkon 250 kW a je to zároveň bod bivalence. Zapojení tepelných čerpadel je paralelní. Tepelná čerpadla mohou připravovat otopnou vodu o maximální teplotě 55 °C.
Systém jímání tepla pro tepelná čerpadla ze země je založen na hlubinných geotermálních vertikálních vrtech. Bylo realizováno 27 vrtů o hloubce 135 m a rozteči 13 m ve dvou vrtných polích na zahradách u budovy. Horizontální vedení od jednotlivých vrtů vede do sběrné jímky, kde je umístěn rozdělovač a sběrač. Z rozdělovače a sběrače vychází páteřní vedení k tepelným čerpadlům. Zajímavá je realizace vrtů v zahradách s vzrostlými stromy.
Obr. 1 Vrty pro tepelná čerpadla (půdorys, foto)
Strojovna a provoz systému
Teplonosnou látkou primárního okruhu je 30% roztok ethylenglykolu s vodou a u sekundárního okruhu je teplonosnou látkou voda. Jsou použity dva deskové výměníky Alfa Laval CB76-50l a Alfa Laval CB200-80l, tři akumulační nádoby tepla každá o objemu 1 m3 a dvě akumulační nádoby chladu 800, každá o objemu 0,8 m3.
V celém systému je asi 140 senzorů. Teplotní čidla snímají teploty v měřicích vrtech v různých hloubkách, teploty otopné a chladicí vody. Dále je měřen výkon získávaný z vrtů, výkon využitý pro vytápění a chlazení a spotřeby elektrické energie. Senzory pro snímání teploty jsou ve čtyřech vrtech a z toho ve dvou vrtech probíhá pouze měření bez odběru tepla nebo chladu. Technologie je řízena digitálním řídicím systémem TRONIC 2000. Řídicí systém zajišťuje přepínání mezi provozními režimy. Řídicí systém je pomocí Ethernetu připojen k nadřazenému centrálnímu dispečinku, ve kterém je vizualizační a bilanční software operátorského řízení. Naměřená data jsou ukládána do SQL databáze.
Systém má čtyři provozní režimy:
- Režim 1: vytápění – tepelná čerpadla pracují v kaskádě a připravují otopnou vodu v závislosti na venkovní teplotě.
- Režim 2: vytápění a chlazení – tepelná čerpadla pracují v kaskádě a připravují otopnou vodu v závislosti na venkovní teplotě. Chlad z výparníků je předán přes výměník do zásobníku chladicí vody centrálního chladicího okruhu.
- Režim 3: přirozené chlazení – tepelná čerpadla jsou mimo provoz a cirkulaci teplonosné látky v primárním okruhu obstarává oběhové čerpadlo. Při potřebě chladicí vody je nabíjena akumulace chladu přes výměník chladu.
- Režim 4: aktivní chlazení – tepelná čerpadla pracují v kaskádě podle požadavku regulace chlazení a připravují chladicí vodu, která je vedena do akumulačních zásobníků chladu. Kondenzační teplo je přes výměník předáváno do vrtů a tím probíhá regenerace vrtů.
Monitorování provozu
Analyzována byla data od 11. ledna 2013 do 6. dubna 2016. V zahradách jsou dvě vrtná pole. Každé vrtné pole obsahuje senzory teploty ve dvou vrtech. Průměrná teplota ve vrtném poli byla vypočtena jako průměr teplot z obou vrtů pro jednotlivé hloubky. Analýza je zpracována z teplot v hloubce 1 m, 70 m a 130 m. Byly vyhodnoceny výkony na vytápění, chlazení a výkony odebírané z polí vrtů měřené kalorimetricky. Z těchto hodnot v kombinaci s el. příkonem byly vyhodnoceny chladicí a topné faktory (EER, COP) a celkové kombinované COP při využívání jak tepla, tak chladu. Kombinované COP bylo vypočteno jako poměr mezi celkovým výkonem (vytápění + chlazení) a spotřebou elektrické energie v daném časovém intervalu. Pro vyšší přehlednost jsou grafy průběhů doplněny o klouzavý průměr a provozní režim.
Obr. 2 Průběhy výkonů v zimě
Na obrázku 2 je zobrazen průběh topného a chladicího výkonu v typickém v zimním týdnu. Výkon vytápění v rozsahu 55 až 160 kW, chlazení mírně proměnné kolem 30 kW, provozní režim 1 (vytápění) a režim 2 (vytápění s chlazením).
Obr. 3 Průběhy výkonů v přechodovém období
Na obrázku 3 je zobrazen průběh topného a chladicího výkonu v typickém týdnu přechodového období. Vytápění je v provozu pouze v noci jeho výkon je 0 až 90 kW, chlazení kolem 30 kW, provozní režimy nastávají všechny, nicméně převládá režim 4 (pouze chlazení).
Obr. 4 Průběhy výkonů v letním období
Na obrázku 4 je uveden letní provoz, kdy je třeba pouze chlazení a jeho výkon je vyšší až 70 kW. V létě slouží tepelné čerpadlo jako zdroj chladu a běží v režimu 4.
Obr. 5 Průběhy výkonů v zimním období konec roku 2014
Na obrázku 5 je ukázán zimní provoz koncem roku 2014, Kdy je patrný nárůst topných i chladicích výkonů pravděpodobně způsobený většími zásobníky a zvyšováním potřebného chladicího výkonu.
Obr. 6 Průběhy chladicích a topných faktorů ve vybraném týdnu
V grafu na obrázku 6 je prezentován průběh chladicího, topného a celkového faktoru zdroje pro vybraný týden přechodového období. Je patrné, že při paralelní výrobě tepla i chladu dochází k výraznému nárůstu topných a kombinovaných faktorů.
Pro vyhodnocení provozu jsou však zásadní dlouhodobé průměry zpracované za měsíční či roční období uvedené na obrázku 7.
Obr. 7 Měsíční průměrné chladicí topné a kombinované faktory
Z obrázku 7 je patrné, že hodnoty kombinovaného COP, které zohledňuje využitelnou energii jak pro vytápění, tak pro chlazení jsou poměrně vysoké a v zimě 2015 dosahovaly hodnot vyšších než 7. Navíc jsou do této hodnoty započteny nejen příkony kompresorů, ale i všechny ostatní pomocné energie strojovny, tj. především příkony oběhových čerpadel. COP pouze samotného tepelného čerpadla by pak byl ještě výrazně vyšší.
V letním období, kdy je v provozu pouze chlazení, jsou většinou hodnoty nižší a kombinovaný COP se shoduje s EER.
Důležitý je i průběh teplot zeminy v okolí vrtů, který je možné též u tohoto projektu díky vrtům s teplotními čidly sledovat. Teploty v hloubce jednoho metru kolísají mezi 4 °C i na konci zimy a 20 °C na konci léta. V hloubce 130 m je amplituda již nižší mezi 10 °C a 18 °C. Tříleté období je však příliš krátké na zjištění dlouhodobých trendů.
Obr. 8 Měsíční průměrné teploty ve vrtech
Závěr
Prezentovaná případová studie ukazuje možnosti analýzy provozu systému s tepelnými čerpadly a zemními výměníky sloužícími jako zdroj tepla i chladu pro budovu. Potvrdilo se, že navržený systém zajišťuje požadované chladicí i topné výkony při minimální spotřebě elektrické energie. V rámci zkušebního provozu byly provedeny změny jak v regulaci, tak zvětšením objemu zásobníků teplé i studené vody, což vedlo k zlepšení funkce systému.
Obecně lze realizované řešení považovat za koncepčně správné. Tepelná čerpadla jako zdroj tepla a chladu spolu se zemními vrty a zásobníky otopné a chladicí vody umožňují maximální využití energie v rámci budovy a minimalizaci vnějších dodávek. Klíčové je jak správné dimenzování všech tří prvků (tepelné čerpadlo, svislé vrty i zásobníky) i vhodný provoz budovy. Otopná soustava v budově by měla umožnit maximální využití tepla z tepelných čerpadel pro vytápění, proto je vhodná nízkoteplotní otopná soustava. U stávajících budov jsou otopné plochy často předimenzované a soustavu lze provozovat jako nízkoteplotní. V řadě budov se však vyskytují místa, kde ať už kvůli rekonstrukci otopné soustavy, nebo kvůli špatným tepelně technickým parametrům stavby je třeba při nižších venkovních teplotách vyšších teplot otopné vody. A tato ojedinělá místa vedou pak k nutnosti vysokoteplotního provozu. Při instalaci tepelných čerpadel by proto mělo být provedeno zaregulování a ověření dimenzování otopné soustavy, případně následná opatření, která umožní nízkoteplotní provoz, a tím i maximální využití tepelného čerpadla po většinu zimy.
Literatura
- HOMOLA, M.: Návrh primárního okruhu tepelných čerpadel University – Technická zpráva, 2011
- BEBER, R.: Dodávka a instalace technologie využití zemního tepla pro vytápění University – Technická zpráva, 2011
- UCHYTIL, J.: Provoz zdroje tepla a chladu universitní budovy, ČVUT v Praze, Fakulta strojní – Diplomová práce, 2016
Poznámka:
Článek je převzat z časopisu Vytápění, větrání, instalace, 1/2021 s laskavým souhlasem redakce i autora.
The heat pump with earth wells is a source of heat and cold for a university building in the center of Prague. Analyzes of measured data from the operation of this system are performed and the issue of parallel production of heat and cold in the context of sustainable development and buildings with minimal energy consumption is discussed.