PODMIENKY EFEKTÍVNOSTI A ÚČELNOSTI POUŽITIA TEPELNÝCH ČERPADIEL NA SLOVENSKU

Prof. Ing. Václav Havelský, PhD., Strojnícka fakulta STU Bratislava

Úvod

Je všeobecne známe, že tepelné čerpadlo pracuje na princípe chladiaceho termodynamického obehu, v ktorom  teplo získavané kondenzáciou chladiva v kondenzátore sa využíva ako užitočná tepelná energia pre rôzne účely - výrobu teplej užitkovej vody, vykurovanie alebo rôzne technologické ohrievacie procesy. Tepelné čerpadlo sa skladá z  rovnakých komponentov ako chladiace zariadenie, môže pracovať na princípe kompresorového chladiaceho zariadenia, alebo aj absorpčného chladiaceho zariadenia. Nízkopotenciálne teplo potrebné pre vyparovanie chladiva vo výparníku sa získava väčšinou z okolitého prostredia – vzduchu, vody, zemského povrchu, slnečnej energie, alebo aj z  rôznych odpadných energetických tokov z  technologických aj iných tepelných procesov.

Tepelné čerpadlá ako alternatívne zariadenia pre výrobu tepelnej energie môžu byť za určitých podmienok energeticky, ekologicky aj ekonomicky efektívnejším zdrojom tepla ako klasické zariadenia – kotle na spaľovanie fosilných palív, prípadne kogeneračné zdroje tepla a elektrickej energie. Stanovenie energetickej a ekonomickej efektívnosti prevádzky tepelného čerpadla, ale vychádza zo zásadne iných predpokladov, ako na chladiacom zariadení. Ide o to, že tepelného čerpadlo je alternatívou ku klasickému spôsobu výroby tepla (chladiace zariadenie nemá principiálne inú alternatívu) a preto energetické a ekonomické hodnotenie, ktoré rozhoduje o účelnosti jeho použitia sa musí realizovať v porovnaní s iným klasickým spôsobom výroby tepla. Tepelné čerpadlo je potom účelné použiť len v prípade ak toto porovnanie vychádza priaznivo, pričom si je potrebné uvedomiť, že pre budúceho užívateľa je rozhodujúce len komplexné ekonomické hodnotenie (teda  cena vyrábaného tepla musí byť menšia ako porovnávaného spôsobu jeho výroby). Priaznivé energetické hodnotenie uvedeného porovnania ešte nezaručuje ekonomickú efektívnosť, je len jedným z jej predpokladov.

Hodnotenie energetickej a ekologickej efektívnosti prevádzky tepelných čerpadiel

Energetická efektívnosť

Energetická efektívnosť chladiaceho termodynamického obehu (a teda aj tepelného čerpadla) je daná pomerom užitočne získaného energetického toku k dodanej (vynaloženej) energii na jeho výrobu. Tento pomer sa nazýva výkonové číslo a vo svetovej literatúre sa označuje  COP (z anglického „coefficient of performance“). V našej odbornej literatúre sa doteraz väčšinou tento pomer označuje ako   e   a nazýva „vykurovací faktor“.

Pre tepelné čerpadlo pracujúce na princípe kompresorového chladiaceho obehu, kde získavame užitočný tepelný výkon z kondenzátora   Q_TČ   a dodávame pohonnú mechanickú energiu (väčšinou vo forme elektrickej energie na pohon elektromotora) na kompresor o príkone   P   teda platí:

COP_TČ = Q_TČ / P

Tento pomer teda určuje, koľko užitočnej energie vyrobíme na jednotku dodávanej pohonnej energie na prevádzku zariadenia.

Samotná hodnota   COP  môže ale slúžiť len na porovnávanie jednotlivých tepelných čerpadiel medzi sebou. Pre porovnanie energetickej efektívnosti tepelného čerpadla s klasickým spôsobom výroby energie je potrebné zaviesť definíciu tzv. súčiniteľa efektívnosti   j,  ako pomeru tepelného výkonu tepelného čerpadla a tepelného výkonu porovnávaného klasického zariadenia výroby tepla pri rovnakej spotrebe primárnej energie. Súčiniteľ   j   vyjadríme v ďalšom pre v súčasnosti jednoznačne prevažujúcu klasickú výrobu tepla spaľovaním fosílnych palív v kotle a pre takisto prevažujúci druh tepelných čerpadiel na princípe kompresorového chladiaceho obehu s kompresorom poháňaným elektromotorom. Potom pre súčiniteľ   j  platí:

		QTČ		COPTČ.  n
φ	=	----	=	------------	(1)
		QK		hk

kde:

Q_K     je tepelný výkon porovnávaného kotla na fosílne palivo

h_k    je účinnosť porovnávaného kotla

n je transformačný koeficient vyjadrujúci podiel medzi vyrobeným množstvom

      elektrickej  energie a spotrebou primárnej energie na túto výrobu v danej krajine

Hodnotu n vypočítame ako [4]:

	he
n  =	----	(2)
	xe

kde:

h_e je priemerná hodnota termickej účinnosti výroby elektrickej energie spaľovaním  

      fosílneho paliva (v kondenzačných elektrárňach a teplárňach ) v jednotlivej krajine

     ( hodnota pre SR je  0,35 až 0,48)

x_e   je podiel elektrickej energie vyrábaný spaľovaním fosílnych palív z celkovej výroby

     v danej krajine ( pre SR je to približne 0,2)

Na základe uvedeného je možné vyjadriť palivovo-energetickú úsporu U_K (úsporu primárnych energetických zdrojov – fosílneho paliva) prevádzky tepelného čerpadla v porovnaní s prevádzkou porovnávaného kotla vzťahom:

	hk
UK  = 1 -	--------------	(3)
	COPTČ. n

Potom je možné určiť tzv. medznú hodnotu výkonového čísla tepelného čerpadla (COP_TČM), pri ktorej je úspora primárnej energie podľa vzťahu (3) nulová vzťahom:

	hk
COPTČM =	--------	(4)
	n

K úspore primárnych energetických zdrojov, teda fosílneho paliva prevádzkou TČ v porovnaní s výrobou tepla v kotle teda dochádza len v prípade ak COP_TČ konkrétnej aplikácie je vyšší ako  medzná hodnota COP_TČM.

Pre podmienky výroby elektrickej energie na Slovensku (uvažujeme priemernú hodnotu h_e = 0,4, potom  n = 2) vychádza COP_TČM = 0,.45 ( ak počítame s priemernou hodnotou h_k = 0,9). Z uvedeného vyplýva, že všetky tepelné čerpadlá prevádzkované v SR prinášajú úsporu primárnej energie ( všetky samozrejme dosahujú hodnotu COP_TČ   > 1, teda vyššiu ako COP_TČM) v kvantitatívnej miere úmernej hodnote COP_TČ konkrétnej aplikácie.

Ekologická efektívnosť

Ekologická efektívnosť tepelného čerpadla je daná hodnotou TEWI, teda celkového ekvivalentu globálneho oteplenia, ktoré prevádzka tepelných čerpadiel spôsobuje možným únikom chladiva do okolia (týka sa väčšiny v súčasnosti používaných chladív okrem prírodných, ako sú amoniak, bután, izobutan a  propan) a využívaním elektrickej energie pre pohon kompresora (týka sa prevažne používaných kompresorových obehov), čo spôsobuje únik skleníkových plynov (CO₂) pri jej výrobe spaľovaním fosílnych palív. Tento tzv. nepriamy vplyv  by sa mohol eliminovať len ak by všetka elektrická energia v SR bola vyrobená atómovými alebo vodnými elektrárňami, s čím sa nedá v dohľadnom čase uvažovať.

Tepelné čerpadlá teda nemožno vo všeobecnosti hodnotiť ako zariadenia, ktoré sú ekologicky neškodné. Ich ekologicky škodlivé vplyvy na globálne otepľovanie planéty klesajú úmerne so zvyšovaním energetickej efektívnosti ich prevádzky, teda so znižovaním spotreby primárnej energie na jednotku vyrobenej tepelnej energie, čo samozrejme spôsobuje znižovanie úniku skleníkových plynov pri výrobe pohonnej elektrickej energie (ale aj pri výrobe pohonnej tepelnej energie na absorpčných chladiacich obehoch). Priamy únik chladiva a jeho potenciál globálneho otepľovania (GWP) má pri súčasne používaných chladivách a zariadeniach s prevažne hermetickými kompresormi na celkovú hodnotu TEWI už len veľmi malý vplyv.

Hodnotenie ekonomickej efektívnosti tepelných čerpadiel

Základnou podmienkou pre dosiahnutie ekonomickej výhodnosti a užitočnosti použitia tepelného čerpadla namiesto niektorého klasického alebo iného spôsobu výroby tepla je, že celkové ročné náklady (určené prevádzkovými a investičnými nákladmi) na túto výrobu sú nižšie, ako celkové ročné náklady na porovnávaný spôsob výroby tepla. Pre porovnanie celkových ročných nákladov teda musí platiť vzťah [3]:

(N_PE + A . I + N_PR)^TČ <  (N_PE + A . I + N_PR)^PS                                       (5)

    kde:  N_PE            - sú ročné náklady na palivá a dodanú energiu

        N_PR             - ročné prevádzkové náklady bez nákladov na palivá a energiu

        I                - investičné náklady

            A               - podiely jednorázových investičných nákladov (odpisy)

Ľavá strana nerovnosti (5) s horným indexom TČ sa týka navrhovaného systému tepelného čerpadla, pravá strana s horným indexom PS sa týka porovnávaného systému výroby tepla.

Ročné náklady na palivá a energiu pre kompresorový obeh tepelného čerpadla s pohonom kompresora elektromotorom a porovnávanú výrobu tepla spaľovaním fosílneho paliva v kotle určíme nasledovnými vzťahmi:

            (N_PE)^TČ =  c_e  . Q_R / COP_TČ                                   (6)

           (N_PE)^PS  = c_q  . Q_R / h_k                                                               (7)

kde: ^ŤČTČ

      Q_R         je ročná dodávka tepla z porovnávaných systémov,

c_q           je cena tepla v palive (Sk /Wh),

c_e       je cena elektrického prúdu (Sk/Wh).

Je potrebné zdôrazniť, že platnosť  vzťahu (5) je len nutnou podmienkou pre možnosť dosiahnutia ekonomickej výhodnosti použitia tepelných čerpadiel v porovnaní s iným spôsobom výroby tepla. Tento vzťah teda nie je komplexným hodnotením ekonomickej efektívnosti investície do systému tepelného čerpadla, ktoré vyžaduje určenie peňažných tokov (musí brať do úvahy cenu peňazí – úrokové miery, infláciu a pod.) a v konečnom dôsledku určenie hrubej a čistej návratnosti investície, ktorá je rozhodujúca pre užívateľa pre stanovenie výhodnosti a užitočnosti realizácie daného systému tepelného čerpadla pre výrobu tepelnej energie. Bez komplexného ekonomického hodnotenia nie je teda možné len potvrdením platnosti vzťahu (5) argumentovať o ekonomickej výhodnosti a užitočnosti použitia tepelných čerpadiel. Ak nerovnosť (5) neplatí, teda ročné náklady na systém tepelného čerpadla sú vyššie ako na porovnávaný systém, vtedy je samozrejme bezpredmetné vykonať komplexnú ekonomickú analýzu, pretože návratnosť investície môže vyjsť:

"len záporná – teda nie je žiadna".

Vzhľadom k tomu, že investičná náročnosť systémov tepelných čerpadiel je prakticky vždy výrazne vyššia ako na porovnávané klasické systémy výroby tepla spaľovaním fosílnych palív, je teda dosiahnutie úspor primárnej energie podľa vzťahu (3)  nutnou podmienkou platnosti nerovnosti (5) pre porovnanie celkových ročných nákladov.

Či bude potom možné dosiahnúť ekonomickú výhodnosť danej investície na systém tepelného čerpadla v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla spaľovaním fosílneho paliva záleží od kvantitatívnych pomerov jednotlivých hodnôt porovnávaných systémov vo vzťahoch (5), (6) a (7). Na tie z energetického hľadiska vplýva najmä hodnota teploty zdroja nízkoteplotnej energie na výparník tepelného čerpadla (ktorá v prevažnej miere ovplyvňuje dosiahnuteľnú hodnotu výkonového čísla COP) a jej časový priebeh počas prevádzky. Z ekonomického hľadiska ide najmä o výšku investície na celý systém tepelného čerpadla.

Možnosti  efektívneho a účelného použitia tepelných čerpadiel  v podmienkach SR

Pre hodnotenie reálnych možností efektívneho využitia tepelných čerpadiel v SR sa budeme predovšetkým zaoberať systémami tepelných čerpadiel vzduch – voda a vzduch – vzduch. Ide teda o tepelné čerpadlá, ktoré využívajú ako zdroj nízkoteplotnej energie pre výparník obehu okolité prostredie – atmosférický vzduch.

Tepelné čerpadlá využívajúce podzemnú (pitnú) vodu môžu byť síce energeticky aj ekonomicky efektívne, ale ich plošné uplatnenie u nás vzhľadom na prísne vodohospodárske predpisy neprichádza celoplošne do úvahy.

      Tepelné čerpadlá využívajúce geotermálnu vodu sú takisto vysoko energeticky efektívne a pri ich využití pre veľké tepelné výkony v obytných alebo priemyselných objektoch môžu byť aj ekonomicky efektívne, ale ich využitie je viazané na miesto výskytu geotermálnej vody.    

Uplatnenie tepelných čerpadiel využívajúcich ako zdroj nízkoteplotnej energie zemskú kôru (pôdu) je síce energeticky vysoko efektívne a teoreticky celoplošne v SR aplikovateľné, ale takéto systémy nemôžu dosiahnuť pre užívateľa prijateľnú ekonomickú efektívnosť vzhľadom na neúmerne vysoké investičné náklady.

Dosiahnutie energetickej aj ekonomickej efektívnosti je veľmi reálne a perspektívne tepelnými čerpadlami, ktoré využívajú ako nízkoteplotný zdroj energie rôzne odpadné tepelné toky z technologických priemyselných aj iných procesov. Ide najmä o tzv. priemyselné tepelné čerpadlá veľkých tepelných výkonov, ktoré sa zatiaľ v SR minimálne využívajú, aj keď nevyužitých odpadných tepelných tokov je veľké množstvo najmä v potravinárskom priemysle (konzervácia potravín teplom) a v energetike (chladenie kondenzátorov, ložísk točivých strojov a pod.). Problémom je najmä to, že nie je potreba využitia generovaného tepelného výkonu v danom mieste.

Jediným plošne využiteľným systémom v SR sú teda tepelné čerpadlá so vzduchom ako nízkoteplotným zdrojom energie. Môžu byť použité na výrobu teplej úžitkovej vody, vykurovanie, alebo výrobu tepla pre technologické ohrievacie procesy. Hlavným problémom takéhoto systému tepelného čerpadla je, že teplota okolitého vzduchu klesá v zimnom období, keď naopak stúpa potreba tepelného výkonu pre vykurovanie alebo ohrev teplej užitkovej vody.

Ak teplota vzduchu klesá, klesá samozrejme výkonové číslo COP, klesá úspora primárnej energie a znižuje sa kvantitatívny rozdiel v nerovnosti podľa vzťahu (5) a tým klesá možnosť dosiahnutia ekonomickej výhodnosti investície do takéhoto systému výroby tepla.

V klimatických podmienkach SR

 Keď v zimných mesiacoch sú teploty vzduchu často počas dlhšieho obdobia v rozmedzí od 0 do – 10 °C aj nižšie, dosahujú uvedené systémy tepelných čerpadiel pre vykurovanie a prípravu teplej užitkovej vody reálne sezónne hodnoty COP (dané pomerom množstva vyrobeného tepla k dodanej pohonnej energii za celú dobu prevádzky počas kalendárneho roku) v rozmedzí od 2,5 až 3,5. Zvýšenie sezónnej hodnoty COP je samozrejme možné dimenzovaním systému na nižší tepelný výkon aký je maximálne v zimných mesiacoch potrebný. Potom je ale potrebné použiť alternatívny systém výroby tepla, čo neúmerne zvyšuje investičné náklady celého vykurovacieho systému.

Vzhľadom na podiel elektrickej energie vyrábaný spaľovaním fosílnych palív z celkovej výroby  na Slovensku ( približne 0,2) dosahujú tepelné čerpadlá prevádzkované v SR vysoké úspory primárnej energie ( podľa vzťahu (3)) v porovnaní s výrobou tepla spaľovaním fosílnych palív a preto aj dosiahnutie ekonomickej výhodnosti ich použitia

( nízkej doby návratnosti investície) je vo väčšine prípadov ich aplikácie reálne.

Energetická efektívnosť sa neustále zvyšuje

Na druhej strane je potrebné konštatovať, že energetická efektívnosť systémov tepelných čerpadiel vzduch - voda sa výskumom a vývojom týchto zariadení neustále zvyšuje, najmä použitím účinnejších kompresorov, výmenníkov tepla, ekonomickou reguláciou a pod. Už v súčasnosti je možné navrhnúť takéto energeticky aj ekonomicky efektívne systémy pre vykurovanie a prípravu teplej užitkovej vody s vyhovujúcou návratnosťou.

Predpokladom je ale maximálne znižovanie potrebnej kondenzačnej teploty, čo je umožnené vývojom veľkoplošných vykurovacích systémov s  čo najnižšou potrebnou teplotou (35 ^°C aj nižšie), zvyšovanie tepelnej izolácie vykurovaných priestorov a stavieb pre zníženie potreby tepelného výkonu v zimných mesiacoch a najmä čím dlhším využitím systému počas roka, teda nielen v zimnom a prechodnom jarnom a jesennom období, ale  aj v letnom období na výrobu chladu (na príklad pomocou systému s  reverzibilným cyklom).

Z uvedeného je zrejmé, že energetická a ekonomická efektívnosť  systému tepelného čerpadla vzduch-voda alebo vzduch-vzduch (pre teplovzdušné vykurovanie) musí byť hodnotená pre konkrétne podmienky jeho aplikácie, ako sú klimatické podmienky, prevádzková doba počas roku, spôsob využitia získanej tepelnej energie (vykurovanie, teplá  voda a iné) a ďalšie špecifické prevádzkové  parametre. Pri návrhu využitia takýchto systémov pre vykurovanie a teplú vodu v nových objektoch s veľkoplošnými vykurovacími systémami je možné realizovať jednoznačne energeticky aj ekonomicky efektívne návrhy.

Záver

Na Slovensku nepochybne existujú reálne možnosti výrazného rozšírenia používania tepelných čerpadiel ako alternatívnych zdrojov tepelnej energie.  Tieto možnosti sú dané schopnosťou návrhu a realizácie energeticky aj ekonomicky efektívnych aplikácií, ktoré prinesú okrem úspor primárnej energie  aj výrazné ekonomické úspory užívateľom a znížia ekologicky nepriaznivé vplyvy  v porovnaní s inými spôsobmi výroby tepla. To je umožnené v podmienkach SR najmä malým podielom výroby elektrickej energie spaľovaním fosílnych palív (približne 20%), čiže elektrická energia je v SR vyrábaná prevažne ekologicky – bez spaľovania fosílnych palív (najmä v atómových a vodných elektrárňach).

Z hľadiska využitia tepelných čerpadiel pre vykurovanie a výrobu teplej vody je možné už v súčasnosti navrhnúť  energeticky aj ekonomicky efektívne systémy tepelných čerpadiel vzduch – voda.  

      Aplikácia tepelných čerpadiel pre vykurovanie a prípravu teplej užitkovej vody s niektorými ďalšími zdrojmi nízkoteplotnej energie ako je najmä zemská kôra a slnečná energia, nie je v podmienkach SR najmä pre vysoké investičné nároky  ekonomicky efektívna a je pre väčšinu užívateľov v súčasnosti nereálna. Taktiež nie je možné dosiahnúť ekonomickú ale ani energetickú efektívnosť výroby tepla kombináciou tepelných čerpadiel a solárnych kolektorových systémov.

Reálne a perspektívne sú ukazujú možnosti efektívnych návrhov vysokokapacitných priemyselných tepelných čerpadiel využívajúcich odpadné energetické tepelné toky z  technologických aj iných energetických prevádzok. Ich využiteľnosť je ale len v mieste výskytu týchto tokov.

Použitá literatúra

[1] Mečárik, K., Havelský, V., Füri,B.: Tepelné čerpadlá. Alfa/SNTL, Bratislava, 1988

[2] Havelský,V.: Energetická efektívnosť aplikácií chladiacich obehov.

     Vydavateľstvo STU Bratislava, 1999

[3] Havelský,V., Füri, B.: Chladenie - Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel.

     Skriptá pre Stavebnú a Strojnícku fakultu STU, Vydavateľstvo STU, Bratislava, 1994.

[4]  Havelský,V.:  Evaluation of renewable heat sources utilization by heat pumps.

       Proceedings of 7th International conference „ Compressors 2009“. Papiernička.,SR 

       30.9 - 2.10.2009, SZ CHKT, Rovinka ISBN: 978-80-89376-02-2