Tepelná čerpadla jako zdroje energie pro vytápění a chlazení
Heat pumps - energy sources for heating and cooling
Základními předpoklady použití tepelných čerpadel na vytápění a chlazení je jednak stavba s dobrými tepelnětechnickými vlastnostmi a dále vhodný nízko teplotní systém vytápění a vysokoteplotního chlazení.
Úvod
Tepelné čerpadlá už dávno nie sú raritou, s ktorými sa zaoberá len niekoľko špecializovaných firiem. V ostatnej dobe však používajú aj samotné zariadenia prostredníctvom reverzácie i na chladenie. Zavedenie novej technológie ako zdroja tepla i zdroja chladu prinášajú zmeny aj do nadväzujúcich systémov získania energie prostredia a systémov odovzdávania tepla aj chladu.
1. Systémy nízko teplotného vykurovania a chladenia
Systémov nízko teplotného vykurovania a vysoko teplotného chladenia (hybridných kombinovaných systémov vykurovania/chladenia) sa charakterizujú podľa konštrukčného riešenia jednotlivých vykurovacích/chladiacich plôch, potom na základe umiestnenia vo vykurovanom/chladenom priestore (zavesené pod stropom, uložené do omietky, zabudované do nosnej konštrukcie), takto rozoznávame tri základné typy:
- sálavé vykurovacie a chladiace panely,
- sálavé vykurovacie a chladiace rúrky uložené do hlavnej stavebnej konštrukcie,
- termicky aktivované stavebné systémy (TABS).
Obr. 1 Typické usporiadanie rúrok v termicky aktivovaných sústavách [1]Najmä posledný typ je v ostatnej dobe presadzovaný pri výstavbe polyfunkčných budov. Termicky aktivované systémy využívajú tepelne aktivovanú hmotu zabudovaných do betónových konštrukcií [2, 3]. Jedná sa o systém, slúžiace na vykurovanie počas vykurovacej sezóny a na chladenie počas letného obdobia. Potrubné systémy sú priamo zaliate do betónového jadra steny, alebo sú umiestnené v omietke v prípade keď je stena vymurovaná z betónových tvárnic. Takýto energetický systém je charakteristický veľmi nízkymi rozdielmi medzi povrchovými teplotami steny a teplotou vzduchu v interiéri. Výmena tepla a odovzdávanie chladu sa uskutočňuje v prevažnej miere sálaním, iba malá časť tepla a chladu sa šíri konvekciou [2]. Typické usporiadanie rúrok v termicky aktivovaných sústavách znázorňuje obr. 1.
Ako zdroje tepla alebo chladu sa používajú štandardné zdroje, alebo tepelné čerpadlá s možnosťou reverzácie.
2. Zdroje tepla a chladu
2.1 zdroje tepla
Obr. 2 Použitie voľného chladenia a tepelného čerpadla s reverzáciou
A – voľné chladenie pochádzajúce zo zeme (cca 10–25 W/m)
B – pomocou tepelného čerpadla s reverzáciou je možné dosahovať výrazne vyššie chladiace výkony
Obr. 3 Chladenie pomocou absorpčného tepelného čerpadla poháňané solárnou energiou
1 – chladiaca veža, 2 – regulačná jednotka, 3 – slnečný kolektor, 4 – akumulačný zásobník, 5 – doplnkové vykurovanie, 6 – absorpčné tepelné čerpadlo, 7 – sústava podlahového vykurovania
V pre nízko teplotné vykurovanie zdroje tepla môžu byť nasledujúce:
- Klasický kotol (obr. 3),
- Nízko teplotný kotol (obr. 3),
- Kondenzačný kotol,
- Geotermálna energia/zemské teplo (obr. 3),
- Podzemná voda s priamym výmenníkom tepla (obr. 2),
- Odpadové teplo,
- Tepelné čerpadlo (obr. 2 a obr. 3),
- Solárna energia komplexné riešenie so slnečným kolektorom a absorpčným tepelným čerpadlom (obr. 4).
2.2 Zdroje chladu
Obr. 4 Komplexné zásobovanie s možnosťou prevádzky na vykurovanie aj na chladenie
A – kotol, CZT, B – teplá voda, C – vetranie, D – vykurovacia sústava (podlahové/s vykurovacími telesami), E – TABS, F – akumulačný zásobník, G – tepelné čerpadlo, H – výmenník tepla.
Systémy stenového chladenia a vysoko teplotné chladiace systémy s vysokou efektívnosťou môžu byť používané tepelné čerpadlá s reverzáciou a klasické chladiace sústavy (chillery). Vzhľadom na to, že teplota zemného masívu je v okolí 10 °C, chladenie sálavého povrchu je možné aj bez použitia tepelného čerpadla s reverzáciou, priamo cez zemných výmenníkov tepla (rúrkové systémy zabudované do zeme alebo do základov).
Povrchové sálavé chladiace sústavy môžu byť použité spolu s vzduchotechnickými systémami. Kým sálavý systém postará o odvod citeľného tepla vzduchotechnický systém postará o odvod viazaného tepla. Vďaka vysokej tepelne kapacite podlahového vykurovania, teplota rosného bodu bude nižšia v miestnosti. Vysoká teplota vody z vratnej vetvi podlahového systému (18 °C ÷ 20 °C) zvyšuje energetickú efektívnosť zdroja chladu.
Zdroje chladu použiteľné pre vysoko teplotné chladenie môžu byť:
- Tepelné čerpadlo s reverzáciou (obr. 2),
- Zemný výmenník tepla (obr. 2),
- Atmosférický vzduch/voľné chladenie (obr. 2),
- Klasický zdroj chladu.
3. Záver
Základnými predpokladmi použitia tepelných čerpadiel na vykurovanie a na chladenie je jednak stavba s dobrými tepelno-technickými vlastnosťami a ďalej vhodný nízko teplotný systém vykurovania a vysoko teplotného chladenia.
Množstvo energie prostredia zužitkované tepelnými čerpadlami sa považuje za energiu z obnoviteľných zdrojov na účely smernice EU [5].
Príspevok vznikol v súvislosti s riešením grantovej úlohy VEGA č. 1/0511/11.
4. Literatúra
- [1] De CARLI, M. HAUSER, G. SCHMIDT, D. ZECCHIN, P. ZECCHIN, R. AN INNOVATIVE BUILDING BASED ON ACTIVE THERMAL SLAB SYSTEM, www.zub-kassel.de
- [2] prEN 15 377-3:2006 Heating systems in buildings – design of embedded water based surface heating and cooling systems – Part 3: Optimizing for use of renewable energy sources
- [3] LEHMAN, B. DORER, V. KOSCHENZ, M. Application range of thermally activated building systems tabs, Energy and Buildings 39 (2007) 593-598
- [4] BABIAK, J. OLESEN, B. W.PETRÁŠ, D. Alacsony hőmérsékletű fűtés és magas hőmérsékletű hűtés, (Low Temperature Heating and High Temperature Cooling) REHVA GUIDEBOOK No. 7, Brussels 2007, ISBN 978-963-88254-0-7
- [5] Directive 2009/28/EC, Smernica č. 2009/28/ES Európskeho Parlamentu a Rady z 23. apríla 2009 o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov energie a o zmene a doplnení a následnom zrušení smerníc 2001/77/ES a 2003/30/ES
Pohľad na objekt počas výstavby
Pohľad na objekt po výstavbe
Tepelné čerpadlo WSH SC 75
Tepelné čerpadlo WSH SC 110D
Zásobník zdrojovej vody TČ
Rozvod zdrojovej vody TČ
The basic prerequisites for the use of heat pumps for heating and cooling for both the building with good thermal-technical properties and further suitable low temperature heating system and high temperature cooling.
