Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Vytápíme plynem

Plynová tepelná čerpadla – základy

22.7.2024

Ing. Josef Hodboď, TZB-info, redakce

Odborný

Plynová tepelná čerpadla patří do skupiny teplem poháněných tepelných čerpadel, TDHP (Thermally Driven Heat Pumps). Ke své činnosti, tedy k přenosu tepelné energie z nositele tepla s nižší teplotou na nositele tepla s vyšší teplotou, využívají energii uvolňovanou při oxidaci plynu.

Obr. 1 Ilustrační příklad instalace plynového kompresorového tepelného čerpadla na bytovém domě (Zdroj: ESM – Yzamer)

Chemická energie se při oxidaci plynu, tedy při jeho spalování, mění na tepelnou. Ta se využívá buď přímo v tzv. sorpčních plynových tepelných čerpadlech a tepelných čerpadlech na bázi tepelné komprese nebo nepřímo přeměnou na mechanickou energii v plynovém motoru, který pohání kompresor.

Plynová kompresorová tepelná čerpadla

Obr. 2a Příklad instalace venkovního bloku splitového plynového kompresorového tepelného čerpadla vzduch-voda s výkonem 85 kW v teple, 75 kW v chlazení a s využitím odpadního tepla z motoru o výkonu max. 30 kW pro přípravu teplé vody (Zdroj: ESM – Yzamer)

Obr. 2b Příklad instalace venkovního bloku splitového plynového kompresorového tepelného čerpadla vzduch-voda s výkonem 85 kW v teple, 75 kW v chlazení a s využitím odpadního tepla z motoru o výkonu max. 30 kW pro přípravu teplé vody (Zdroj: ESM – Yzamer)

Obr. 2 Příklad instalace venkovního bloku splitového plynového kompresorového tepelného čerpadla vzduch-voda s výkonem 85 kW v teple, 75 kW v chlazení a s využitím odpadního tepla z motoru o výkonu max. 30 kW pro přípravu teplé vody (Zdroj: ESM – Yzamer)

Plynová kompresorová tepelná čerpadla GEHP (Gas Engine Heating Pump) využívají k pohonu kompresoru spalovací plynový motor. Jejich pracovní okruh s pracovní látkou, chladivem, je složen ze čtyř základních prvků, kterými jsou výparník, kompresor, expanzní ventil a kondenzátor. Chladivo v okruhu prochází dvěma částmi s různými tlaky a při tom se opakovaně odpařuje při nízké teplotě, a pak kondenzuje při vyšší teplotě. Jsou možné dvě konstrukční varianty, jak monoblokové, tak i splitové (dělené) řešení.

S pohonem kompresoru plynovým motorem je spojena nutnost pravidelného servisu motoru, výměny oleje a filtrů oleje a spalovacího vzduchu, což u elektromotorů nutné není. Servisní interval se pohybuje mezi cca 10 až 20 tisíci motohodin, což v praxi může znamenat cca 1,5 roku až více než 3 roky, přičemž životnost zařízení může být i dvacet let.

K přeměně chemické energie z oxidace plynu na mechanickou není využita všechna přitom uvolněná tepelná energie. Plynový motor je nutné především chladit. Část uvolněné tepelné energie obsahují i spaliny. Tato primárně odpadní tepla se však vzhledem k vyšší teplotě chladicí kapaliny cca 80 až 90 °C a spalin i nad 100 °C cíleně využívají k různým účelům, což příznivě zvyšuje energetickou efektivitu tohoto tepelného čerpadla.

Sorpční plynová tepelná čerpadla

Sorpční plynová tepelná čerpadla GAHP (Gas Absorption, Adsorptinon Heating Pump) využívají mezimolekulárních vazeb absorbentu nebo adsorbentu k pracovní látce. Tyto síly se mění v závislosti na teplotě absorbentu nebo adsorbentu a pracovní látky. Teplota se mění přiváděním pomocné tepelné energie. I v sorpčních tepelných čerpadlech se pracovní látka vyskytuje ve stavech s různými tlaky. Nejen jako plyn, ale částečně i jako kapalina.

Principiálně může být zdroj tepelné energie jakýkoliv s potřebnou teplotou. Běžně se v GAHP využívá zemní plyn, nově i obnovitelný biometan, dále propan, butan.

U sorpčních plynových tepelných čerpadel odpadají případné kontroly úniku chladiv na bázi F-plynů v závislosti na množství chladiva a jeho GWP.

Absorpce je proces, při němž dochází k přesunu jedné nebo více složek plynné fáze do kapalné fáze – rozpouštědla. V absorpčních tepelných čerpadlech se jako rozpouštědlo používá voda H₂O nebo bromid lithný LiBr. V případě vody jako rozpouštědla tvoří plynnou fázi čpavek NH₃. V případě bromidu tvoří plynnou fázi voda, respektive její páry.

Obr. 3 Schéma absorpčního tepelného čerpadla

Schéma absorpčního tepelného čerpadla je na obr. 3. V absorbéru je kapalné rozpouštědlo. K němu je přiváděna plynná fáze pracovní látky s nízkým tlakem. Absorpcí plynné fáze pracovní látky v rozpouštědle vzniká roztok a při tom teplota roztoku stoupá. Vyšší teplota roztoku umožňuje přes teplosměnnou plochu tepelného výměníku předávat teplo z roztoku do jiné látky. Na obrázku například do vytápění. Roztok s rozpuštěnou pracovní látkou, chladivem, pak nuceně (pomocí čerpadla) proudí do vypuzovače – varníku, ve kterém se zvýší teplota roztoku pomocí tepelné energie ze spalovaného plynu. Při zvýšení teploty roztoku se pracovní látka ve formě plynu z roztoku uvolňuje, probíhá desorpce. Z roztoku uvolněný horký plyn má vyšší tlak než v absorbéru. Je veden do druhého tepelného výměníku, kondenzátoru. V něm přes teplosměnnou plochu předává horký plyn teplo jiné látce, například otopné vodě, ale může to být i vzduch aj.

Obr. 4 Ilustrační příklad absorpčních plynových tepelných čerpadel (Zdroj: Robur)

Přitom teplota plynu klesá a při dostatečně vyšším tlaku plyn případně i zkapalní. Pracovní látka dále proudí přes expanzní ventil, na kterém dochází k poklesu tlaku. Při poklesu tlaku dochází k dalšímu poklesu teploty pracovní látky, a ta je pak schopná přes teplosměnnou plochu tepelného výměníku, výparníku, odnímat nízkoteplotní teplo z přírodního prostředí (chladného vzduchu, vody nebo přes vodu ze země). Poté je tato pracovní látka přivedena zpět do absorbéru a proces se opakuje, probíhá plynule. Mezi varníkem a absorbérem je by-pass s ventilem, kterým lze proces regulovat.

Obr. 5 Struktura adsorbentu zeolit (Zdroj: Wikipedia)

Adsorpční tepelné čerpadlo je založeno na obdobném principu jako absorpční. Nedochází však k rozpuštění plynné fáze v kapalině, ale k jejímu ulpívání na povrchu adsorbentu. Aby byl k dispozici dostatečně velký povrch, musí mít adsorbent porézní strukturu. Jako adsorbent se využívají nejčastěji aktivní uhlí a zeolity. Zeolit je přírodní látka, která vzniká reakcí nekrystalických, amorfních vulkanických skel a vody. Jedinečnost zeolitů spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky a dutiny konstantních rozměrů. Tyto rozměry musí korespondovat s vlastnostmi pracovní látky.

Na povrchu kanálků se pracovní látka při nízké teplotě zachytává. Následně, po zahřátí adsorbentu, se pracovní látka uvolňuje a při vyšší teplotě a tlaku předává nejen teplo dodané na zvýšení její teploty, ale i teplo odňaté přírodnímu prostředí. Po tomto ochlazení a poklesu tlaku je pak schopná odnímat teplo z nízkoteplotního zdroje tepla, z přírodního prostředí. Jako pracovní látka se užívají různé plyny a kapaliny, např. i voda. Z popisu funkce je zřejmé, že proces není plynulý jako v případě absorpčních tepelných čerpadel. Fáze adsorpce pracovní látky na adsorbent a fáze desorpce pracovní látky z adsorbentu se střídají.

Využití adsorpčních plynových tepelných čerpadel není v praxi běžné.

Tepelně kompresní tepelné čerpadlo

Obr. 6 Funkční schéma TCHP plynového tepelného čerpadla na bázi tepelné komprese (Zdroj: EHPA)

V oblasti plynových tepelných čerpadel lze najít i zařízení založená na bázi tepelné komprese, TCHP (Thermal Compression Heat Pump). Tato technologie je založena na principu Stirlingova motoru a pracuje s chladivy stejně, jako technologie kompresorových tepelných čerpadel. Místo plynového motoru, ve kterém se mění chemická energie ze spalování plynu na tepelnou a ta na mechanickou, kterou motor následně přenáší na kompresor, je využit tepelný kompresor. V principu jde o upravený Stirlingův motor, který chladivo stlačuje s přímým využitím tepelné energie bez nutnosti přenosu mechanické energie. Tepelná energie se využívá pouze k aktivaci kompresního cyklu a přímo napájí ohřívač tepelného kompresoru, s teplotou cca až 700 °C. Vyšší teplotní rozdíl se promítá do zásadního zvýšení účinnosti, což vychází z principu tzv. Carnotova cyklu. Používá se přírodní chladivo R744, jde o oxid uhličitý CO₂. Stroj pracuje v rozmezí tlaků cca 30 až 100 bar.

Reverzibilní provoz pro chlazení

Plynová tepelná čerpadla mohou nejen vytápět, ale i chladit. Jejich provoz není kriticky závislý na dimenzování elektrické přípojky, protože elektřinu potřebují jak v režimu vytápění, tak chlazení, jen pro pohon ventilátoru, čerpadla a elektronického řízení chodu. Plynová kompresorová tepelná čerpadla mají ve srovnání se sorpčními tepelnými čerpadly při stejném jmenovitém tepelném výkonu v režimu vytápění větší výkon v režimu chlazení.

Použití jak pro vytápění, tak pro chlazení je velmi příznivé ve srovnání se samostatným systémem vytápění a samostatným systémem chlazení, neboť jedno zařízení může zajistit obě úlohy.

Výhody z možnosti reverzibilního provozu jsou i na straně legislativy. Například u povinných kontrol provozovaných systémů vytápění a větrání nebo provozovaných systémů klimatizací, nad 70 kW, kdy se obě kontroly, pokud jsou nutné, mohou provést společně.

Kde lze plynové tepelné čerpadlo využít?

Schopnost poskytovat vysoké výstupní teploty umožňuje přímé použití se stávajícími systémy vytápění. Nejen tam, kde jsou požadovány teploty do cca 55 °C, ale i mnohem vyšší, podle konstrukce plynového tepelného čerpadla.

Možností k využití je proto mnoho. Investičně výhodně zvláště tam, kde existuje plynová přípojka a je požadován nejen zdroj tepla, ale i chladu.

Jako základní zdroj tepla může být použito tepelné čerpadlo i při modernizaci plynových kotelen s tím, že špičkový výkon, který je zapotřebí po krátkou část topné sezóny, doplní stávající, dosud provozu schopný plynový kotel. Nově lze zvolit i plynové tepelné čerpadlo s již integrovaným plynovým bivalentním zdrojem, tedy plynovým kotlem. Možnosti jsou nejen v omezeném výkonovém rozsahu domovních kotelen, ale i v různých průmyslových aplikacích a rovněž v soustavách pro zásobování tepelnou energií.

Vzhledem ke konstrukci plynových tepelných čerpadel lze uvažovat s tepelnými výkony od cca 16 kW až po megawattové aplikace.

Zkušenosti ukazují, že zapojení i výkonově menších plynových tepelných čerpadel je energeticky i investičně velmi výhodné na specifických místech větších systémů, které umožní využít provoz plynových tepelných čerpadel v jejich optimálních provozních podmínkách. Takový postup podporuje i evropská legislativa vyžadující zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie a rovněž i postupně zaváděné ESG výkaznictví odpovědnosti k životnímu prostředí a společnosti.

Energetická efektivita

Energetická efektivita plynových tepelných čerpadel je popisována faktorem GUE (Gas Utilization Efficiency) jako účinnost využití plynu podle evropské normy EN 12309 nebo EN 16905. V praxi faktor GUE při vhodných provozních podmínkách dosahuje hodnot okolo 150 a špičkově okolo 170 %. Zjednodušeně to znamená, že k energii ve spáleném plynu (100 %) se přidá 50 až 70 % energie z přírodního prostředí, nejčastěji vzduchu.

V režimu chlazení se energetický faktor sorpčních plynových tepelných čerpadel GUE pohybuje okolo 140 %. U kompresorových, například AISIN TOYTA, se tato hodnota pohybuje až na 153 %. Pokud je u kompresorových v režimu chlazení využito i odpadní teplo z motoru, pak se velikost faktoru GUE, respektive PER může pohybovat až na úrovni 216 %.

Hluk

Každá venkovní jednotka nebo i celé monoblokové řešení tepelného čerpadla umístěné ve venkovním prostoru je zdrojem hluku a vibrací. Proto je nutné se zabývat údaji o produkovaném hluku od výrobce tepelného čerpadla a zohlednit konkrétní místo instalace. Vždy je vhodné nechat zpracovat hlukovou studii, která buď potvrdí přípustnost instalace v navrženém místě, nebo ze studie vyplynou možná opatření vedoucí ke snížení úrovně hluku, anebo instalaci vyloučí.

V případě sorpčních plynových tepelných čerpadel lze předběžně uvažovat s tím, že v nich není kompresor, a o to může být jejich provoz méně hlučný a s nižší mírou vibrací. Kompresorová tepelná čerpadla s plynovým motorem by mohla být hlučnější, nicméně vždy záleží na výrobci, jaká konstrukční opatření k potlačení hluku a vibrací aplikoval a jak odborně je zvládnuta instalace.

Emise

Sorpční plynová tepelná čerpadla využívají plyn jen k produkci tepelné energie. To znamená, že plyn je v nich spalován za optimálních podmínek, a proto jsou z hlediska koncentrací emisí ve spalinách srovnatelné s plynovými kotli. Vzhledem k faktoru GUE a podílu tepelné energie získané z přírodního prostředí je však celkové množství emisí produkovaných plynovým tepelným čerpadlem oproti plynovému kotli nižší. Jak moc nižší, to právě závisí na konkrétní velikosti GUE.

Současně to znamená, že plynové tepelné čerpadlo má i menší uhlíkovou stopu oproti kotli. V podkladech Evropské asociace pro tepelná čerpadla [1] se uvádí, že plynová tepelná čerpadla přispívají ke snížení emisí CO₂ o cca 30 až 40 % ve srovnání s tradičními technologiemi vytápění, viz též [4]. Přitom dochází ke snížení spotřeby primární energie ve srovnání s tradičními technologiemi vytápění až o 40 %. Množství emisí i uhlíková stopa klesají s rostoucím podílem využití obnovitelných plynů (biometan, vodík).

Provozní emise kompresorových tepelných čerpadel s plynovým motorem závisí na parametrech motoru. Obecně platí, že plynové motory jsou emisně velmi příznivé. Podobně jako u sorpčních tepelných čerpadel, výsledné množství emisí vztažené na předanou tepelnou energii, závisí na faktoru GUE, respektive na jeho průměrné celoroční hodnotě.

Závěr

Plynová tepelná čerpadla mají zajímavý potenciál ke snížení naší závislosti na spotřebě fosilních paliv a potenciál pro snižování spotřeby energií, respektive jejich zdrojů. A to prakticky ihned, bez potřeby investovat do rozvoje energetické infrastruktury a nových zdrojů elektřiny. Tyto potenciály nejsou z nejrůznějších důvodů plně využívány, byť zapadají do programových opatření snižovat uhlíkovou stopu a snižovat spotřebu primární energie.

Poděkování

Děkuji pánům Pavlovi Míškovi, společnost Robur a Danieli Izakovičovi, společnost ESM – YZAMER energetické služby a monitoring, za odbornou konzultaci k článku a obrazové podklady.