Tepelná čerpadla pro průmysl a zásobování teplem s teplotami až 200 °C

V oboru vytápění budov a přípravy teplé vody se běžně pracuje s tepelnými čerpadly, u kterých se nejvyšší výstupní teplota nosiče tepla pohybuje okolo 60 až 70 °C, což je dáno používanými chladivy, dnes nejčastěji R404A, R410A, R407C, R454C, R717, R32 a R290. Méně častá jsou tepelná čerpadla s chladivem R744, u kterých lze uvažovat s výstupní teplotou až cca 120 °C. S jinými chladivy, případně s vícestupňovou konstrukcí lze však dosahovat i teplot vyšších.

Jak je ukázáno na obr. 1, tak dnes jsou dostupná tepelná čerpadla, která umožňují dosáhnout vyšších výstupních teplot, a jsou i nasazena v provozu. Například s chladivem R704 (hélium) je možné dosáhnout technologické teploty až 190 °C. Nejvyšších teplot cca 200 °C lze dosáhnout s chladivem R718 (voda, H₂O).

Obr. 1 Grafické znázornění možných rozsahů pracovních teplot tepelných čerpadel s různými chladivy (Source temperature = vstupní teplota, Supply temperature = výstupní teplota). (Zdroj: Industrial High-TemperatureHeat Pumps: State of the Art, Economic Conditions, and Sustainable Refrigerants, 2023)

Pro posouzení nákladové výhodnosti tepelných čerpadel s teplotami nad 100 °C jsou důležité vzájemné poměry cen plynu a elektřiny a topný faktor. Poměr cen se v poslední době různě mění. Oproti poměru cen lze s velkou přesností odhadnout provozní topný faktor. Uvádí se rovnice závislosti velikosti topného faktoru u průmyslových tepelných čerpadel s výstupní teplotou nad 100 °C, respektive příklady viz tab. 1.

Pro úvodní informaci může být zajímavé si provést zjednodušený výpočet diskontované návratnosti se zadáním konkrétních údajů.

Z hlediska soustav pro zásobování teplem, zejména jejich přechodu z uhlí na plyn, se tepelná čerpadla jeví jako zajímavé řešení ve spojení s kogeneračními jednotkami, jak je ukázáno na obr. 2.

Obr. 2 Na průběhu jednoho roku (od 0 do 8760 hodin) je znázorněno, jak lze v ČR výhodně zkombinovat tepelná čerpadla a kogenerační jednotku KVET s podporou výtopenské výroby tepla (Zdroj: Hájek, TSČR, 2023)

Obr. 3 Rozložení výroby tepla v roce 2022 z tepelných čerpadel podle průmyslových odvětví (Zdroj: IEA, BNEF, Liebreich Associates)

Obr. 4 Zjednodušený diagram reverzního Jouleho cyklu 2. generace v TČ ECON (Zdroj: ECON)

Ke kompresi chladiva se využívají různé druhy kompresorů. Pro vysoké teploty přináší výhody rotační kompresor pracující na základě odstředivých sil, o kterém hovořil Gerald Zotter ze společnosti ECOM. Při roztočení rotoru je chladivo přiváděné v blízkosti osy točení vlivem odstředivých sil tlačeno dál od osy a odtud je odváděno pod větším tlakem. Aby byl dosažen požadovaný rozdíl tlaků, je rotor kompresoru poháněn vysokootáčkovou turbínou. Při využití tzv. reverzního Jouleho cyklu se s chladivem R784 dosahují teploty až 200 °C.

Schématické zobrazení konstrukce rotačního odstředivého kompresoru je na obr. 5. Chladivo obíhá v uzavřeném cyklu, přičemž funkci expanzního ventilu zastupuje vhodné řešení kanálků, které omezují proudění stlačeného chladiva směrem k ose otáčení. Po expanzi chladivo u osy otáčení jímá teplo z primárního zdroje, prochází přes ventilační systém a vlivem rotací vyvolaných odstředivých sil je tlačeno do části vzdálenější od osy. Tam se zvedá jeho tlak i teplota a v této části okruhu je z chladiva odebíráno teplo s vyšší teplotou. Tento typ TČ může být využit například pro výrobu páry.

Obr. 5 Schématické zobrazení konstrukce rotačního odstředivého kompresoru (Zdroj: ECOP)

Obr. 6 Závislost topného faktoru rotačního TČ ECON v závislosti na rozdílu mezi vstupní a výstupní teplotou. (Zdroj: ECON)

Jiné řešení pracovního okruhu tepelného čerpadla představil Günther Hein, AGO GmbH Energie + Anlagen. Jedná se o kombinaci kompresorového a absorpčního principu, ve kterém cirkulaci chladiva zajišťuje kompresor pracující s chladivem v plynném skupenství a vysokotlaké čerpadlo dávkující chladivo v kapalném skupenství. Porovnání s kompresorovým principem je na obr. 7. Tento typ TČ je využíván například pro dálkové vytápění s horkou vodou cca 130 °C aj.

Obr. 7 Výhodou kombinace kompresorového a absorpčního principu oproti jen kompresorovému je snížení pracovních tlaků a kompresního poměru pro dosažení teploty 100 °C, a tedy zvětšení topného faktoru. (Zdroj: AGO GmbH Energie + Anlagen)

Obr. 8 Příklad řešení výparníku pro tepelné čerpadlo vzduch-voda složeného ze dvou strojů H-1800 s celkovým výkonem 4 MW (5/38 °C vytápění, 70 °C pro přípravu teplé vody). (Zdroj: FENAGY)

Realizované projekty s TČ dodaných společností GEA dokazují možnosti i v oblasti velkých výkonů na úrovni jednotek MW v jednom stroji. Jak pro vytápění, tak chlazení. Stejně tak projekty SIEMENS energy, MAN Energy Solutions, STRABAG-Atlas Copco a dalších.

V průmyslových TČ jsou nejvíce využívána přírodní chladiva:

• CO₂ (R744)
• Voda (R718)
• Amoniak/voda (R717/R718)
• Hydrocarbony (R600, R600a, R601, R601a)

A chladiva na bázi HFO:

• R-1233zd(E)
• R-1234ze(E)
• R1336mzz(Z)

Obr. 9 Velkokapacitní zásobníky tepla mohou být i zajímavým architektonickým prvkem (Zdroj: Bilfinger)

Pro efektivní využití tepelných čerpadel je v některých případech výhodná jejich kombinace s velkokapacitními zásobníky tepla. To jsou teplo až horkovodní zásobníky s pracovní teplotou cca 110 až 125 °C. Konstruují se jako vertikální válce. Příklady uvedl Stephan Höflmaier, Bilfinger. Aktuálně je budován dvouzónový zásobník o objemu 57 000 m³ jako součást městské teplárny v Mnichově, SRN.

Spotřeba elektrické energie infrastrukturou pro zpracování dat včetně datacenter enormně roste. Spotřebovaná elektrická energie se mění na teplo, které není dále využito. Dalšímu využití tepla zpravidla brání nižší teplota nositele tepla a nevýhodná investiční cena ve srovnání s použitím chladičů odvádějících teplo bez využití do venkovního prostoru. Tepelná čerpadla nabízí řešení. Je však závislé na dlouhodobé spolupráci více subjektů.

Konference probíhala na několika fórech a součástí byly i workshopy. Aktivními účastníky byli například i čeští vědečtí pracovníci Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB).