Nejnavštěvovanější odborný portál
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

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

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.

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]
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 čerpadelFriotherm
KompresorTurbokompresor
ChladivoR134a
ObdobíLétoZima
Teplotní rozdíl na výparníku20/4 °C10/4 °C
Teplotní rozdíl na kondenzátoru45/88 °C50/62 °C
Průměrný topný faktor COP2,963,51

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]
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 čerpadelStar Refrigeration Ltd.
KompresorDvoustupňový šroubový Vilter Emerson
ChladivoR717 (čpavek)
Teplotní rozdíl na výparníku8/4 °C
ObdobíLétoZima
Teplotní rozdíl na kondenzátoru60/80 °C60/90 °C
Průměrný topný faktor COP2,803,05

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. 3 Ideové schéma integrace vysokoteplotního tepelného čerpadla do systému [8]
Obr. 4 Jedno z instalovaných vysokoteplotních tepelných čerpadel ve Skjernu (1,3 MWt) [9]
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 čerpadelJohnson Controls
Kompresorneuvedeno
ChladivoR717 (tzn. NH3, amoniak)
Jmenovitý teplotní rozdíl na výparníku40/25 °C
Jmenovitý teplotní rozdíl na kondenzátoru45/68 °C
Průměrný roční topný faktor COP5
Návratnost instalace5 let
Provozní hodinycca 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. 5 Ideové schéma zapojení tepelných čerpadel v Plessis-Robinson [10]
Obr. 6 Vysokoteplotní tepelná čerpadla Friotherm Unitop 22 BX v Plessis-Robinson [11]
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 čerpadelFriotherm Unitop
Kompresorodstředivý
ChladivoR134a
Tepelné čerpadloPrvní v sériiDruhé v sérii
Teplotní rozdíl na výparníku38/25 °C25/14 °C
Výkon na výparníku2,95 MWt2,6 MWt
Teplotní rozdíl na kondenzátoru57/70 °C45/57 °C
Výkon na kondenzátoru3,6 MWt3,25 MWt
Průměrný topný faktor COP5,04,5

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 čerpadelR717 (čpavek)
Jmenovitý teplotní rozdíl na výparníku30/10 °C
Jmenovitý teplotní rozdíl na kondenzátoru55/72 °C
Průměrný roční topný faktor COP3,41

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

  1. 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].
  2. Sitra Fi, „District heating from seawater, Drammen,“ 2019. [Online]. Available:
    https://www.sitra.fi/en/cases/district-heating-from-seawater-drammen/.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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].
  8. 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].
  9. European Heat Pump Association, „Large scale heat pumps in Europe – 16 examples of realized and successful projects,“ 2016. [Online]. [Přístup získán 4. 12. 2022].
  10. 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].
  11. 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].
  12. 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.