Reklama

Průmyslová vysokoteplotní tepelná čerpadla pro soustavy CZT v Evropě. Část 2/2

Ing. Erika Langerová, Ing. Nikola Pokorný, Ph.D., doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.

Odborný

Evropské projekty vysokoteplotních tepelných čerpadel dokazují jejich vhodnost pro CZT. Výběr realizací se soustředí na kompresorová tepelná čerpadla typu voda-voda s různými chladivy a konfiguracemi v soustavách CZT provozovaných na teplotách mezi 60 a 120 °C.

Reklama

Průmyslová vysokoteplotní tepelná čerpadla pro soustavy CZT v Evropě. Část 1/2

1. Úvod

Uvedené vybrané projekty integrující průmyslová kompresorová vysokoteplotní tepelná čerpadla do soustav centralizovaného zásobování teplem (dále CZT) v Evropě se soustředí na vysokoteplotní kompresorová tepelná čerpadla typu voda-voda s různými zdroji nízkopotenciálního tepla a konfiguracemi pro použití v soustavách CZT provozovaných na teplotách mezi 60 a 120 °C. U každé z instalací jsou uvedeny základní technické parametry (výkon, teplotní úroveň, roční topný faktor).

2. Helsinky (odpadní voda)

Obr. 1 Tepelné čerpadlo Friotherm Unitop v Katri Vala [5]

Katri Vala v Helsinkách (Finsko) je realizací integrující původně pět vysokoteplotních tepelných čerpadel společnosti Friotherm Unitop do sítě centralizovaného zásobování teplem a chladem. V roce 2021 bylo dodatečně instalováno šesté vysokoteplotní tepelné čerpadlo o topném výkonu 18 MWt a chladicím výkonu 12 MWt. Vysokoteplotní tepelná čerpadla v zimním období využívají teplo z vyčištěné odpadní vody. Tu vychlazují z 10 °C na 4 °C a následně předehřívají vratnou vodu soustavy CZT z 50 °C na 62 °C. V letním období pak odebírají teplo z rozvodů centralizovaného zásobování chladem, čímž chladicí vodu vychlazují z 20 °C na 4 °C. Získané teplo je přečerpáváno do systému centralizovaného zásobování teplem, kde slouží pro otopné vody z 45 na 88 °C [1].

Na instalaci jsou využity jednotky Friotherm Unitop 50FY s chladivem R134a. Jednotky využívají dvoustupňové turbokompresory. Celkový topný výkon instalovaných tepelných čerpadel dosahuje 123 MWt a chladicí výkon 82 MWt.

Tab. 1 Základní údaje o instalaci v Helsinkách [1]
Výrobce tepelných čerpadel	Friotherm
Kompresor	Turbokompresor
Chladivo	R134a
Období	Léto	Zima
Teplotní rozdíl na výparníku	20/4 °C	10/4 °C
Teplotní rozdíl na kondenzátoru	45/88 °C	50/62 °C
Průměrný topný faktor `COP`	2,96	3,51

3. Drammen (povrchová voda)

Drammen (Norsko) je město o více než 63 tisících obyvatel ležící 40 km jihozápadně od norského hlavního města Osla. Převážná většina města je zásobována teplem ze sítě CZT. Síť je provozována na teplotách 75 °C přes letní měsíce až 120 °C přes zimní měsíce. Teplota zpátečky se pohybuje celoročně stabilně mezi 60 °C až 65 °C. Průměrná roční dodávka tepelné energie činí 67 GWh [2].

Obr. 2 Tepelná čerpadla v Drammenu [6]

V CZT jsou integrována tři čpavková vysokoteplotní tepelná čerpadla o celkovém výkonu 13 MWt. Instalovaná tepelná čerpadla pokrývají 85 % tepla dodávaného sítí CZT. Tepelná čerpadla využívají jako zdroj tepla mořskou vodu. Voda o celoročně konstantní teplotě v rozmezí 8 až 9 °C je čerpána z hloubky 40 m. Teplota vratné vody se po výstupu z výparníků tepelných čerpadel pohybuje okolo 4 °C. Ústí čerpací stanice je umístěno 800 m od břehu a přívodní a vratné potrubí je umístěno 600 m od sebe, aby se zabránilo zkratu, tzn. přisávání chladnější vratné vody do čerpané teplejší přiváděné vody. Instalovaná čpavková tepelná čerpadla mohou na výstupu z kondenzátoru dosahovat teplot až 90 °C při zachování COP na hodnotě 3,05 [6].

Tab. 2 Základní údaje o instalaci v Drammenu [3], [4], [5]
Výrobce tepelných čerpadel	Star Refrigeration Ltd.
Kompresor	Dvoustupňový šroubový Vilter Emerson
Chladivo	R717 (čpavek)
Teplotní rozdíl na výparníku	8/4 °C
Období	Léto	Zima
Teplotní rozdíl na kondenzátoru	60/80 °C	60/90 °C
Průměrný topný faktor `COP`	2,80	3,05

4. Skjern (odpadní teplo z papírny)

Skjern je dánské město s přibližně 8 000 obyvateli. Místní síť CZT je provozovaná na teplotách 38–68 °C. Vysokoteplotní tepelná čerpadla hradí téměř 60 % z celkové potřeby tepla dodávané sítí CZT. To odpovídá přibližně 36 GWh dodaného tepla. Zdrojem tepla pro vysokoteplotní tepelná čerpadla je odpadní teplo z místní papírny.

V systému jsou v provozu tři paralelně zapojená tepelná čerpadla výrobce Johnson Controls o celkovém výkonu 4 MWt (3 × 1,33 MWt). Odpadní teplo z procesu sušení je předáváno z procesního vzduchu o teplotách 50–55 °C a relativní vlhkosti 100 % prostřednictvím výměníku tepla do vody, která je následně při teplotách v rozmezí 28–33 °C přiváděna na výparník tepelného čerpadla. Teploty na výstupu z tepelného čerpadla mohou dosahovat až 70 °C [7].

Tepelná čerpadla jsou instalována přímo v papírně, která je také jejich vlastníkem a provozovatelem. Před realizací celého systému byla mezi papírnou a teplárenskou společností uzavřena dohoda o pevné marži k výrobním nákladům. Papírna garantuje minimální COP systému, zatímco teplárenská společnost garantuje každoroční nákup určitého množství tepla [7].

Obr. 3 Ideové schéma integrace vysokoteplotního tepelného čerpadla do systému [8]

Obr. 4 Jedno z instalovaných vysokoteplotních tepelných čerpadel ve Skjernu (1,3 MWt) [9]

Tab. 3 Základní údaje o instalaci ve Skjernu [7]
Výrobce tepelných čerpadel	Johnson Controls
Kompresor	neuvedeno
Chladivo	R717 (tzn. NH₃, amoniak)
Jmenovitý teplotní rozdíl na výparníku	40/25 °C
Jmenovitý teplotní rozdíl na kondenzátoru	45/68 °C
Průměrný roční topný faktor `COP`	5
Návratnost instalace	5 let
Provozní hodiny	cca 8 000/rok

5. Plessis-Robinson (geotermální voda)

V CZT v Plessis-Robinson (Francie) jsou sériově zapojena dvě tepelná čerpadla o celkovém výkonu 6 MWt. Zdrojem tepla pro tepelná čerpadla je geotermální voda o teplotě 38 °C čerpaná z vrtu o hloubce 850 m a vydatnosti 55 l/s. Vsakovací vrt je vzdálen 900 m od zdrojového. Soustava CZT zásobuje celkem 3 500 bytů, přičemž tepelná čerpadla pokrývají 78 % jejich spotřeby tepla. Projekt Plessis-Robinson je prvním projektem využívajícím teplo z aquiferu Neocomien na světě a byl oceněn za svou inovaci a kvalitu na veletrhu a konferenci Les Journées de la Géothermie 2014 v Paříži cenou The Geothermal Trophy.

Obr. 5 Ideové schéma zapojení tepelných čerpadel v Plessis-Robinson [10]

Obr. 6 Vysokoteplotní tepelná čerpadla Friotherm Unitop 22 BX v Plessis-Robinson [11]

Tab. 4 Základní údaje o instalaci v Plessis-Robinson [11], [12]
Výrobce tepelných čerpadel	Friotherm Unitop
Kompresor	odstředivý
Chladivo	R134a
Tepelné čerpadlo	První v sérii	Druhé v sérii
Teplotní rozdíl na výparníku	38/25 °C	25/14 °C
Výkon na výparníku	2,95 MWt	2,6 MWt
Teplotní rozdíl na kondenzátoru	57/70 °C	45/57 °C
Výkon na kondenzátoru	3,6 MWt	3,25 MWt
Průměrný topný faktor `COP`	5,0	4,5

6. Děčín (geotermální voda)

Jako příklad z ČR lze uvést vysokoteplotní tepelná čerpadla provozované společností TERMO Děčín a.s. o výkonech 2 × 3,28 MWt integrované do sítě CZT. Instalace se nachází v Děčíně a jako zdroj tepla pro tepelná čerpadla je využita geotermální voda. Zkušební vrt byl proveden v roce 1998 a zdroj poté uveden do provozu v září 2002. Při maximálním výkonu je vydatnost vrtu 54 l/s.

Tepelná čerpadla slouží k předehřevu vratné vody z CZT, jejíž teplota se pohybuje přibližně od 55 °C v létě až do 65 °C v zimě. Tepelná čerpadla jsou schopná vratnou vodu předehřát až na 72 °C a další ohřev na teplotu přibližně 90 °C zajišťují kogenerační jednotky. Geotermální energie tvoří přibližně třetinu z celkové energie dodané do sítě CZT.

Tab. 5. Základní údaje o instalaci v Děčíně
Chladivo tepelných čerpadel	R717 (čpavek)
Jmenovitý teplotní rozdíl na výparníku	30/10 °C
Jmenovitý teplotní rozdíl na kondenzátoru	55/72 °C
Průměrný roční topný faktor `COP`	3,41

7. Závěr

Dosavadní vývoj ukazuje, že okolní evropské státy přikládají integraci vysokoteplotních tepelných čerpadel do soustav CZT dlouhodobě značný význam, zatímco v ČR je v CZT v současné době v provozu pouze omezený počet v řádu jednotek. Praktické zkušenosti z provozu je v současné době možné získávat především ze zahraničních realizací a od zahraniční odborné veřejnosti a výzkumných institucí.

Citovaná literatura

Firemní materiály Friotherm, „5 Unitop^® 50FY heat pump / chiller units simultaneously generate 90 MW heat energy and 60 MW chilled water,“ 2017. [Online]. Available:
https://www.friotherm.com/wp-content/uploads/2017/11/katri_vala_e012_uk.pdf. [Přístup získán 4. 12. 2022].
Sitra Fi, „District heating from seawater, Drammen,“ 2019. [Online]. Available:
https://www.sitra.fi/en/cases/district-heating-from-seawater-drammen/.
Z. Ayub, „World's Largest Ammonia Heat Pump (14 MWh) for District Heating in Norway—A Case Study,“ 2015. [Online]. Available: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01457632.2015.1052716.
Star Refrigeration, „Project Summary: NEATPUMP at Drammen,“ 2013. [Online]. Available: https://www.districtenergyaward.org/wp-content/uploads/2013/07/NO_Drammen-Fjernvarme-District-Heating_Summary.pdf.
IEA HPT TCP ANNEX 48, „Drammen District Heating,“ [Online]. Available:
https://waermepumpe-izw.de/wp-content/uploads/2020/01/D-05-District-Heating-Drammen.pdf.
Star Refrigeration, „The world’s largest 90°C natural heat pump for district heating,“ 2016. [Online]. Available: https://www.neatpumps.com/wp-content/uploads/2021/04/Drammen-heat-pump.pdf.
IEA Industry, „Application of Industrial Heat Pumps. Task 4: Case Studies,“ 2014. [Online]. Available:
https://iea-industry.org/app/uploads/annex-xiii-part-a.pdf. [Přístup získán 4. 12. 2022].
V. Minea, „Advances in Heat Pump-Assisted Drying Technology,“ 2016. [Online]. Available:
https://www.researchgate.net/publication/306039768_Advances_in_Heat_Pump-Assisted_Drying_Technology. [Přístup získán 4. 12. 2022].
European Heat Pump Association, „Large scale heat pumps in Europe – 16 examples of realized and successful projects,“ 2016. [Online]. [Přístup získán 4. 12. 2022].
L. Wojtan a F. Burkhalter, „Challenges and recent developments in applications with large scale heat pumps,“ 2014. [Online]. Available: https://etkhpcorderapi.extweb.sp.se/api/file/1138. [Přístup získán 4. 12. 2022].
Firemní materiály Friotherm, „Plessis-Robinson - Environmentally friendly heating with 2 Unitop 22 BX,“ 2017. [Online]. Available: https://www.friotherm.com/wp-content/uploads/2017/11/E07-15_Plessis-Robinson.pdf. [Přístup získán 4. 12. 2022].
A. David, B. Mathiesen, H. Averfalk, S. Werner a H. Lund, „Supplementary Material for Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems,“ 2017. [Online]. Available:
https://www.mdpi.com/1996-1073/10/4/578/s1?version=1492856359.

English Synopsis

Industrial High-temperature Heat Pumps for District Heating Systems in Europe. Part 2 of 2

High-temperature water-to-water compressor heat pumps with different refrigerants and configurations can be used in district heating systems operating at temperatures between 60 and 120 °C. Part 1 describes the development of installations in Europe and the current state of development, including an overview of the market offer.