5 rokov 5/2011. vykurovacia technika. Kondenzačné kotly Bytové stanice Zásobníky vody Solárne systémy. Záruka

Transkript

1 5/2011 ROČNÍK 9 MENEJ ENERGIE. MENEJ EMISIÍ. VIAC POHODLIA. Nerezové časti kotla Záruka 5 rokov Kondenzačné kotly Bytové stanice Zásobníky vody Solárne systémy vykurovacia technika Výhradné zastúpenie Geminox pre Slovensko: Procom, spol. s r. o., Smrečianska 18, Bratislava 37, tel.: 02/ info@geminox.sk, zapad@geminox.sk, stred@geminox.sk, vychod@geminox.sk

2 Ventily a pohony novej generácie Acvatix umožňujú projektovanie a inštaláciu zariadení na vykurovanie, vetranie a klimatizáciu v rekordnom čase. Ventily a pohony Acvatix novej generácie nielenže zjednodušujú rýchlou a spoľahlivou špecifikáciou produktu projektovanie, ale ich inovatívna konštrukcia podporuje aj montáž a uvedenie zariadenia do prevádzky. A vďaka intuitívnej a jednotnej obsluhe tejto novej generácie výrobkov v celej ponuke rozsahov zdvihov a natočení sú náklady na zaškolenie minimálne. Čiže sortiment, ktorý skutočne pomáha spoľahlivo a načas dokončiť projekty. Podrobnejšie informácie:

3 BAXI Predstavujeme Vám nový rad inteligentných kotlov amonastavite ná l nová armat ra MP Menovitý tepelný príkon vykurovania kw 34,8 46,3 56,6 66,9 87,4 104,9 Rozsah menovitého výkonu vykurovania 80/60 C kw 5-33, ,1-55 7,2-65 9, ,4-102 ner eti k innos 92/42/C Rozmery v hl mm

4 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 Recenzovaný vedecko-odborný časopis v oblasti plynárenstva, vykurovania, vodoinštalácií a klimatizačných zariadení pre odborníkov, projektantov, realizačné firmy, živnostníkov, remeselníkov aj súkromné osoby, ktoré sa zaoberajú profesiami plynárstva, vodárstva, kúrenárstva, klimatizácie a vzduchotechniky v Čechách aj na Slovensku. Nájdete v ňom novinky, testy a technické popisy najnovších výrobkov, materiálov a ponúkaných služieb. OBSAH 5/ HYDRAULICKÉ DIMENZOVÁNÍ SOLÁRNÍCH SOUSTAV Z POHLEDU TEPLONOSNÉ LÁTKY A TYPU POTRUBÍ 10 ATTACK: KOTLY NA SPAĽOVANIE BIOMASY 12 ISAN: PODLAHOVÝ KONVEKTOR TOPENÍ MODERNÍHO BYDLENÍ A BUDOV 15 OVENTROP: KOMPLETNÉ SYSTÉMY PRE SOLÁRNE OKRUHY 16 HODNOCENÍ EFEKTIVITY PRÁCE TEPELNÝCH ČERPADEL 21 S KONDENZAČNÝMI KOTLAMI JUNKERS ÚSPORA KAŽDÝ DEŇ NIE JE KOTOL, AKO KOTOL ROKOV TECHNIKY RÝCHLEJ MONTÁŽE MEIBES 24 BUDERUS: LOGAMAX PLUS GB072 NOVÝ KOMPAKTNÝ KONDENZAČNÝ KOTOL PRE BYTY A RODINNÉ DOMY 26 ODBORNÝ SEMINÁR: ENERGETICKÁ BEZPEČNOSŤ A KLIMATICKÉ ZMENY 27 TEPLOTNÍ A PROUDOVÉ POLE OTOPNÝCH TĚLES V JEDNOTRUBKOVÉ HORIZONTÁLNÍ OTOPNÉ SOUSTAVĚ SNÍMANÉ TERMOVIZÍ 30 IVAR: EVOTRON NOVÉ ELEKTRONICKÉ OBEHOVÉ ČERPADLÁ DAB 32 NORMOVÉ POŽIADAVKY PRE NÁVRH A PREVÁDZKU VZDUCHOTECHNICKÝCH SYSTÉMOV S DÔRAZOM NA ICH HYGIENU 36 NOVÁ GENERÁCIA ELEKTROMOTORICKÝCH POHONOV PRE KOHÚTY A ŠKRTIACE KLAPKY OD SPOLOČNOSTI SIEMENS 38 OTVORENIE KÚRENÁRSKEJ SEZÓNY V EMPIRII 39 U. S. STEEL: KORAD ŠIROKÁ PALETA RIEŠENÍ 42 XIV. KONFERENCIA S MEDZINÁRODNOU ÚČASŤOU PITNÁ VODA 44 NOVINKY 2011 SFA SANIBROY 46 PROTHERM: RÝCHLA DODÁVKA TEPLEJ VODY S PATENTOVANOU TECHNOLÓGIOU 48 AQUA TRENČÍN GEMINOX: MODUSAT BYTOVÁ STANICA PRE INDIVIDUÁLNY KOMFORT 53 PERSPEKTÍVY KONKURENCIESCHOPNOSTI SYSTÉMU SOLÁRNEHO DIAĽKOVÉHO VYKUROVANIA A CHLADENIA 60 OFICIÁLNE SPUSTENIE BIOMASOVEJ KOTOLNE COFELY BREZOVÁ POD BRADLOM S TECHNOLÓGIOU VIESSMANN MAWERA 62 VETRACÍ SYSTÉM AKO SÚČASŤ OCHRANY PRACOVNÍKA NA ZVÁRACOM PRACOVISKU Periodicita: Dvojmesačník Ročník: Deviaty Vydáva: V.O.Č. SLOVAKIA, s.r.o. Vydavateľstvo odborných časopisov Školská Košice Šéfredaktor: Ing. František Vranay, PhD. frantisek.vranay@tuke.sk Redakčná rada: Doc. Ing. Danica Košičanová, PhD. Ing. Peter Lukáč, PhD. Ing. Peter Kapalo, PhD. Ing. Marcel Behún Ing. Michal Piterka Grafická úprava: Ing. Alena Ondrušová Tel.: Mobil: grafik@voc.sk Adresa redakcie: V.O.Č. SLOVAKIA, s.r.o., Školská Košice Tel.: Fax: Mobil: voc@voc.sk Príjem inzercie: V.O.Č. SLOVAKIA, s.r.o. Školská Košice Mobil: Tel.: a redakcia časopisu Registrácia časopisu povolená MK SR EV 3280/09 ISSN Nepredajné! Rozširovanie výhradne formou predplatného! Za vecné a gramatické nepresnosti redakcia časopisu neručí! 4

5

6 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 HYDRAULICKÉ DIMENZOVÁNÍ SOLÁRNÍCH SOUSTAV Z POHLEDU TEPLONOSNÉ LÁTKY A TYPU POTRUBÍ Ing. Petr Horák, Ph.D. VUT FAST Brno, TZB, Veveří 95, Brno, horak.p@fce.vutbr.cz Navrhování solárních soustav pro přípravu teplé vody (TV) a pro vytápění, popřípadě pro ohřev bazénu má svá specifika [1]. Tyto soustavy obvykle pracují celoročně, což znamená, že musí být zajištěna ochrana proti zamrznutí teplonosné látky. Z tohoto důvodu se používají pro systémy s celoročním provozem jako teplonosné látky nemrznoucí směsi, obvykle na bázi propylenglykolu. 1. Úvod Tento článek poukazuje na specifika hydraulického dimenzování malých solárních soustav pracujících s vodním roztokem propylenglykolu, které nelze navrhovat naprosto stejně jako běžné vodní soustavy, ale je třeba respektovat fyzikální odlišnosti propylenglykolových roztoků. Dále se článek zabývá problematikou návrhu měděného potrubí a ocelového flexibilního potrubí. Praxe ukazuje, že projektanti a montéři často nerespektují rozdílné tlakové ztráty u těchto typů potrubí, což vede k hydraulickým problémům solárních soustav. 2. Vlastnosti teplonosných látek v solárních soustavách Na trhu je dnes několik druhů teplonosných kapalin, které se používají k plnění solárních soustav. Obvykle se tyto nemrznoucí kapaliny ředí v určitém poměru s vodou, podle požadovaných vlastností. V Tab. 1 a na Obr. 1 uvádím měrnou tepelnou kapacitu a kinematickou viskozitu roztoku propylenglykolu a vody, který je známý např. pod označením Solaren [2] pro různé kinematická viskozita [mm 2.s -1 ] Kinematická viskozita voda Solaren 60% Solaren 80% Solaren 100% voda Solaren 60% Solaren 80% Solaren 100% teplota [ C] Obr. 1 Kinematická viskozita vody a roztoku Solarenu s vodou koncentrace. Pro úplnost uvádím, že Solaren 100 % je směs z 50 % tvořena vodou a z 50 % tvořena propylenglykolem, nižší koncentrace Solarenu znamená větší ředění vodou. Bod tuhnutí Solaren 60 % je 15 C, Solaren 80 % je 23 C a Solaren 100 % je -32 C. Kinematická viskozita roztoků propylenglykolu a vody je vyšší než u vody, převážně v oblasti nižších teplot. Oproti vodě je u roztoků propylenglykolu a vody nižší také měrná tepelná kapacita. Čím je koncentrace propylenglykolu vyšší, tím výrazněji dochází k nárůstu kinematické viskozity a poklesu měrné tepelné kapacity. 3. Návrh solárních kolektorů Obecně platí, že malé solární soustavy se navrhují v režimu High-flow (průtok je l.h -1.m -2 kolektorové plochy), velké soustavy se projektují v režimu Low-flow (průtok l.h -1.m -2 kolektorové plochy) [3]. U systémů High-flow je voda v zásobníku ohřívána pomalu v celém objemu. Low-flow systém při využití stratifikace zajišťuje rychlé ohřátí vrchní vrstvy zásobníku a je schopen okamžitě dodávat TV nebo topnou vodu. Pro ilustraci byla navržena solární soustava obsahující dva deskové kolektory s celkovou účinnou plochou 3,74 m 2. Součástí soustavy je zásobník TV o objemu 250 litrů a oběhové čerpadlo a další nezbytné armatury. Délka solárního okruhu byla uvažována 40 m a celková hodnota vřazených odporů Σξi = 50. Potrubí bylo uvažováno měděné a bylo navrženo ve třech variantách s dimenzemi 15 x 1, 18 x 1 a 22 x 1. Jde o běžnou solární soustavu pro přípravu TV pro rodinný dům. Soustava byla navržena jako High-flow s následujícím průtokem.. V = A p v = 2 1,87 70 = 262 l.h -1 (1) kde A p (m 2 ) je účinná plocha solárních kolektorů a je měrný objemový průtok teplonosné látky (l.h -1.m -2 ). 4. Dimenzování potrubí Dimenzování potrubní sítě je v podstatě shodné s dimenzováním otopné soustavy. Tlakové ztráty třením vypočteme ze známého vztahu Δp ZT = λ ρ w 2 d 2 L (2) Tab. 1 Měrná tepelná kapacita c směsi vody a propylenglykolu MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA C [kj.kg -1.K -1 ] TEPLOTA [ C] VODA - - 4,22 4,19 4,18 4,18 4,18 4,18 4,19 4,19 4,20 4,21 SOLAREN 60 % - - 3,79 3,82 3,88 3,92 3,95 3,98 4,01 3,91 3,95 3,99 SOLAREN 80 % 3,55 3,58 3,62 3,69 3,73 3,77 3,80 3,84 3,88 3,91 3,95 3,99 SOLAREN 100 % 3,32 3,36 3,40 3,48 3,53 3,57 3,61 3,65 3,69 3,74 3,78 3,82 6

7 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA kde λ je součinitel tření ( ), d (mm) vnitřní průměr potrubí, L (m) délka hodnoceného potrubí, w (m.s -1 ) rychlost proudění. Součinitel tření λ se liší v závislosti na typu proudění. Typ proudění lze určit pomocí tzv. Reynoldsova čísla. V případě laminárního proudění, kde pro Reynoldsovo číslo platí Re < 2320 přičemž platí λ = 64 (3) Re Re = w d υ kde υ je kinematická viskozita (m 2.s -1 ). V případě turbulentního proudění, Re > 4000 se hodnota λ vypočte ze vztahu (4) 1 2,51 k = 2 log ( ) + (5) λ Re λ 3,71 d kde k (m) je ekvivalentní drsnost potrubí. Podrobnější teoretický rozbor této problematiky je mimo dosah tohoto článku. Tlaková ztráta vřazenými odpory je vypočtena z následujícího vztahu Δp VO = ξ i ρ w 2 (8) 2 kde ξ i ( ) je ztrátový součinitel i-tého místního odporu. Výsledné měrné tlakové ztráty pro různé teploty jsou uvedené na Obr. 2. Při návrhu solární soustavy bylo uvažováno s průměrnou teplotou teplonosné látky 40 C. V létě však budou teploty v soustavě mnohem vyšší, což pro propylenglykolové soustavy bude znamenat pokles tlakových ztrát a v konečném důsledku zvýšený průtok. Oproti tomu v chladnějším období výrazně vzrostou tlakové ztráty a soustava se tak sama přepne na low-flow režim, pokud nebude osazena dostatečně výkonným čerpadlem, které překoná zvýšené tlakové ztráty. V solárních soustavách se používají převážně hydrodynamická čerpadla, jejichž charakteristika je typická tím, že s rostoucí tlakovou ztrátou klesá průtok, viz Obr. 3. Na Obr. 3 je vynesena také charakteristika potrubní sítě pracující se Solarenem 80 % s teplotou 40 C a 100 C v dimenzi 18x1. Pro hladké potrubí (měď) je možné použít i zjednodušený Blasiův vztah λ = 0, Re (6) Mezilehlé hodnoty, tzv. přechodová oblast 2320 Re 4000 je možné interpolovat dle [2] s užitím vztahu λ = λ Re λ Re-4000 λ Re 2300 (Re 2320) (7) Někteří autoři doporučují použít v přechodové oblasti horší z hodnot pro laminární nebo turbulentní proudění [3]. Důvodem je nestabilita přechodové oblasti, kdy nepatrná změna podmínek může vést k přechodu na turbulentní proudění. tlaková ztráta třením [Pa.m ] Potrubí Cu 18x1, w = 0,36 m.s -1,V= 0,26 m 3.h -1 voda Solaren 60% Solaren 80% Solaren 100% teplota [ C] Obr. 2 Měrná tlaková ztráta pro potrubí 18x1 Obr. 3 Charakteristika třístupňového hydrodynamického čerpadla 5. Energie, účinnost Při předpokladu ročního provozu v délce τ č = 1825 h.rok -1 (doba běhu čerpadla) a ceně elektrické energie 5 Kč.kWh -1 byly vypočteny energetické parametry solární soustavy, viz Tab. 2. Bylo navrženo čerpadlo s elektronickou regulací, s charakteristikou uvedenou na Obr. 4. Klasické čerpadlo třístupňové, jehož parametry jsou na Obr. 3, nebylo v příkladu použito z důvodů nevhodného rozsahu pracovní oblasti, viz pracovní bod, který je velmi nízko pod reálnou pracovní oblastí. Obr. 4 Charakteristika hydrodynamického čerpadla s elektronickou regulací výkonu 7

8 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 Tab. 2 Energie a účinnosti pro průměrnou teplotu 40 C DIMENZE POTRUBÍ DXT [mm] RYCHLOST w [m.s -1 ] TLAKOVÁ ZTRÁTA Δp [Pa] PRÁCE ČERPADLA EČ [Wh.rok -1 ] PŘÍKON ČERPADLA P Č [W] SPOTŘEBA ENERGIE E e [Wh e.rok -1 ] ÚČINNOST ČERPADLA η[%] NÁKLADY NA ČERPADLO Kč.rok -1 voda 15x1 0, , x1 0, , x1 0, , Solaren 60 % 15x1 0, , x1 0, , x1 0, , Solaren 80 % 15x1 0, , x1 0, , x1 0, , Solaren 100 % 15x1 0, , x1 0, , x1 0, , Roční práce čerpadla byla vypočtena ze vztahu [4]. E č = Δp V τ č (9). kde Δp (Pa) je výtlak čerpadla, V je objemový průtok teplonosné kapaliny (m 3.s -1 ), τ č (h.rok -1 ) je roční provozní doba solární soustavy (doba běhu čerpadla). Celková účinnost čerpadla byla vypočtena ze vztahu. Δp V η = P č (10) kde P č (W) je elektrický příkon čerpadla odečten z návrhového diagramu čerpadla. Výsledky Tab. 2 ukazují, že navržené čerpadlo pracuje s malou účinností. Běžná topenářská čerpadla pracují obvykle s účinností mezi 10 až 15 %. Tab. 2 ukazuje situaci pro teplotu kapaliny 40 C (Pozn.: nejde o dynamickou simulaci skutečných teplot v průběhu celého roku). Je třeba si uvědomit, že v průběhu roku je účinnost čerpadel v propylenglykolových soustavách proměnlivá v závislosti na teplotě kapaliny. U vodních soustav pracují čerpadla celoročně s přibližně stejnou účinností, protože na tlakovou ztrátu nemá velký vliv změna teploty, viz Obr. 2. Pro solární soustavu byly také stanoveny náklady na pokrytí tepelných ztrát potrubí. Byly určeny z ceny zemního plynu, což je pro rodinný dům s běžnou spotřebou 1,5 Kč.kWh -1. Tab. 3 Tepelné ztráty solárního okruhu POTRUBÍ TZ POTRUBÍ W.m -1 TZ POTRUBÍ W ENERGIE NA TZ kwh.rok -1 NÁKLADY NA TZ Kč.rok -1 15x1 17, x1 20, x1 25, Výsledky jsou uvedeny v Tab. 3 a slouží k porovnání, zda pro solární soustavu použít větší dimenze potrubí s menší tlakovou ztrátou, ale s větší tepelnou ztrátou nebo použít dimenze menší s menší tepelnou ztrátou ale větší tlakovou ztrátou, což znamená vyšší náklady na provoz čerpadla. 6. Potrubí pro solární soustavy Solární soustavy byly dříve montovány s využitím měděného nebo ocelového potrubí. Dnes montážní firmy s oblibou používají pro solární soustavy ocelové flexibilní potrubí, protože toto potrubí umožňuje výrazně snížit počet použitých tvarovek a celková pracnost je nižší. Málokdo si však uvědomuje, že hydraulická charakteristika flexibilního potrubí je rozdílná oproti potrubí např. měděného [5]. tlaková ztráta [Pa/m] Tlaková ztráta potrubí, voda 50 C flexi ocel DN20 měd 22x průtok [m 3 /h] Obr. 5 Tlaková ztráta měděného potrubí a ocelového flexibilního potrubí Na Obr. 5 je vidět rozdíl tlakové ztráty pro měděné potrubí a ocelové flexibilní potrubí, která mají shodnou dimenzi. Tlakové ztráty měděného potrubí jsou zřetelně mnohem nižší. Pokud projektant navrhne solární soustavu s měděným potru- 8

9 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA bím a poté montážník zamění toto potrubí za ocelové flexibilní, bez toho aniž by došlo k přepočtu tlakových ztrát, je zde vysoké riziko špatné funkce oběhového čerpadla. Čerpadlo navržené pro nižší tlakovou ztrátu měděného potrubí nebude schopno zajistit dostatečný oběh teplonosné látky. V kombinaci se zvýšenou tlakovou ztrátou u propylenglykolových směsí při nižších teplotách, viz výše, dochází ještě ke zhoršení celé situace. Důsledkem může být až téměř neprůchodnost celé solární soustavy. 7. Závěr Dobrá funkce solárních soustav je odvislá od správného hydraulického návrhu potrubí. Špatný výpočet tlakových ztrát zapříčiní použití nevhodného oběhového čerpadla, což bude znamenat provozování při nízké účinnosti. Dále může docházet ke stagnacím solární soustavy v důsledku nedostatečného výkonu čerpadla. Proto je otázka přesného hydraulického výpočtu u navrhování solárních soustava velmi důležitá. Při projektování solárních soustav pracujících s vodním roztokem propylenglykolu (např. Solaren) je nutné zvážit, kolikaprocentní roztok je možné použít v závislosti na místních klimatických podmínkách. Zbytečně vysoká koncentrace propylenglykolu pro extrémní teploty, které v dané lokalitě nemusí nastat, zapříčiňuje vyšší tlakové ztráty v soustavě při nižších teplotách. Na druhou stranu při sníženém průtoku, pokud je v soustavě běžné čerpadlo, vlivem nárůstu tlakové ztráty při nízkých teplotách začne fungovat soustava jako Low-flow, i když byla navržena coby High-flow. Toto může mít negativní vliv na účinnost solárního kolektoru, protože začne pracovat se zbytečně vysokou teplotou, než je nutné a tedy s nižší účinností. V případě užití oběhového čerpadla s elektronickou regulací tato situace běžně nenastane. Dále jednoznačně vyplývá z ilustračního příkladu, že z ekonomického hlediska je vhodnější použít malých trubek pro rozvod solární soustavy. Náklady na práci oběhového čerpadla pro malé dimenze jsou mnohem nižší než náklady na tepelné ztráty u potrubí větších průměrů. V praxi se používají pro malé solární soustavy čerpadla, které mají charakteristiky vhodné spíše pro větší solární soustavy. Důsledkem používání takovýchto čerpadel jsou velmi nízké provozní účinnosti takto navržených čerpadel. Vzhledem k proměnlivé hydraulice solárních soustav zapříčiněné propylenglykolovými roztoky je vhodnější použít oběhová čerpadla s elektronickou regulací. Tato čerpadla jsou investičně náročnější (běžně je cena o 100 % vyšší) než klasická třístupňová čerpadla, ale jejich charakteristika je vhodnější pro proměnlivé provozní stavy solárních soustav s propylenglykolovými roztoky. Není možné běžně zaměňovat hydraulicky hladké potrubí (měď, ocel) za ocelové flexibilní potrubí, aniž by nebyla provedena revize výpočtu tlakových ztrát a kontrola oběhového čerpadla. Při navrhování ocelového flexibilního potrubí se doporučuje vycházet z diagramu tlakových ztrát třením od výrobce potrubí. 8. Poděkování Článek byl napsán za pomoci Ministerstva průmyslu a obchodu z operačního programu Podnikání a inovace pilotní projekt Inovativní akce podpora transferu znalostí. Ilustračné foto LITERATURA [1] Horák, P.: Problematika hydraulického dimenzování solárních soustav, Konference Vytápění Třeboň 2011, Společnost pro techniku prostředí, Praha 2011, ISBN [2] Kramoliš, P., Vrtek, M.: Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením v kruhovém potrubí a hydraulické ztráty místními odpory při proudění teplonosné kapaliny SOLAREN. Technické vydavatelství Praha spol. s r.o., Praha 2004, ISBN [3] Matuška, T.: Solární tepelné soustavy. Společnost pro techniku prostředí, Praha 2009, ISBN [4] Čepek, L., Valenta, K.: Úspory elektřiny na pohon topenářských oběhových čerpadel. Cech topenářů a instalatérů ČR, Brno 2009, ISBN [5] Jaiman, K., R., Oakley H., O., Adkins, D., J.,: CFD Modeling of corrugated flexible pipe, 29th International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering, Shanghai 2010, China, OMAE

10 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 KOTLY NA SPAĽOVANIE BIOMASY Kotly na spaľovanie biomasy ATTACK Pellet sú moderné kotly, ktoré svojou dokonalosťou spaľovania šetria životné prostredie, pričom užívateľovi ponúkajú komfort porovnateľný so spaľovaním plynu. Charakteristika kotlov ATTACK Pellet Kotly ATTACK Pellet sú určené na vykurovanie rodinných domov a priemyselných objektov. Ako palivo sa používajú drevné pelety, resp. biomasa podľa typu použitého horáka. Kotol je taktiež možné vybaviť elektrickým vykurovacím telesom o výkonoch 2,4 6 kw, ktoré je vybavené vlastným prevádzkovým aj havarijným termostatom. Základom kotla je vodou chladené kotlové teleso, ktorého zvarenec je zhotovený z plechov zo špeciálnej kotlovej ocele o hrúbke 4 až 6 mm, čo kotlu zaručuje dlhú životnosť. Výmenník je rúrový, s turbulátormi, ktoré zlepšujú prenos tepla do vykurovacej vody a súčasne sú využívané na čistenie výmenníka, čím zabezpečujú jeho rovnomernú účinnosť. Horenie prebieha v nerezovom horáku určenom na spaľovanie konkrétneho druhu paliva. Palivo je zapálené automaticky pomocou elektrickej špiráli zabudovanej v horáku. Optimálne podmienky horenia a regulácia výkonu je riešená elektronicky ovládanou dodávkou paliva a prívodu vzduchu v závislosti na užívateľom nastavených požadovaných parametroch vykurovania a prípravy teplej úžitkovej vody. Konštrukcia horáka, spaľovacej komory a výmenníka zaručujú optimálne horenie všetkých spáliteľných zložiek. Teleso kotla je izolované minerálnou vlnou, dizajn dotvára opláštenie s povrchovou úpravou realizovanou práškovou technológiou. Modifikácie kotlov ATTACK pellet ATTACK Pellet 30 Kotol na spaľovanie drevných peliet s regulovaným výkonom 8 30 kw, manuálne čistenie rúrového výmenníka kotla a vyberanie popola, automatické čistenie horáka. ATTACK Pellet 30 AUTOMATIC Kotol na spaľovanie drevných peliet s regulovaným výkonom 8 30 kw, automatické čistenie rúrového výmenníka kotla v intervaloch zhodných s automatickým odvodom popola do výnosného kontajnera, automatické čistenie horáka. Popis Konštrukčne je kotol tvorený spaľovacou komorou s prepážkami, rúrovým výmenníkom tepla. Za výmenníkom tepla vstupujú spaliny do zberača spalín s dymovodom, ktorý je možné otočením príruby o 1800 orientovať horizontálne, alebo vertikálne. Teleso je riešené tak, že umožňuje zabudovanie horákov na drevné pelety alebo biomasu. Umožnené to je dostatočne veľkým montážnym otvorom (rozmer otvoru kotla pre zabudovanie horáka 369x249 mm), v ktorom je umiestnená príruba prispôsobená danému typu horáka. Kotol je vybaveným šnekovým podávačom paliva (1,5 m; 2,5 m; 5 m), ktorý zabezpečuje plynulú dopravu paliva. Ku kotlu ATTACK Pellet je možné objednať zásobník peliet o objeme 330 l. V prípade, že to dispozičné riešenie stavby umožňuje, môže byť kotol 10 zásobovaný palivom z externého zásobníka vzdialeného od kotla až do 5 m. Ďalšou alternatívou je možnosť použitia externého textilného zásobníka peliet tzv. big-bagu. Pri spaľovaní drevných peliet v kotle ATTACK dochádza k minimálnej tvorbe popola, ktorého množstvo závisí od kvality peliet a predstavuje približne 1 % spotrebovaného paliva. Vstavaný šuflíkový popolník v kotle ATTACK Pellet zabezpečí zber popola bez nutnosti jeho vyprázdnenia v závislosti od sezóny a prevádzky kotla až na 60 dní. Model kotla ATTACK Pellet A je navyše vybavený automatickým systémom odoberania popola do prepravného kontajnera, ktorého objem zaručí vysýpanie popola podľa sezóny a intenzity prevádzky kotla raz za vykurovaciu sezónu. Kotol je taktiež možné vybaviť elektrickým vykurovacím telesom o výkonoch 2,4 6 kw. Palivo Doporučovaným palivom pre kotol ATTACK Pellet sú drevné peletky s max. vlhkosťou do 12 %, o priemere 6 10 mm, maximálnej dĺžky 35 mm. Doporučovaný obsah popola do 1%. Predpísané palivo by malo mať výhrevnosť 15 17,5 MJ/kg. Popis horáka attack Nerezový horák ATTACK 30 je založený na princípe padania paliva peliet z podávača paliva cez prívodnú hadicu a rúru na rošt, kde prebieha spaľovanie. Horák pracuje v plne automatickom režime počnúc vyhodnotením potreby dodávky tepla, dodávkou paliva, elektrickým zapálením, rozhorením, horením, vypnutím, dohorením, čistením a prechodom do pohotovostného režimu. Rozsah výkonu horáka je 8 až 30 kw, ktorý je možné nastaviť skokovo po 2 kw. Horák sa nastavuje prostredníctvom tlačidiel na ovládacom paneli, infor-

11 4/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA mácie o režimoch prevádzky a nastavených hodnotách sú zobrazované na displeji. Horák sa čistí automaticky, po každom dohorení, alebo po každých 6 hodinách prevádzky sa automaticky vysunie. Rošt, ktorý sa očistí pohybom proti škrabke. Nečistoty ako popol a príškvarky vypadnú otvorom v rošte. Horák je dvojpalivový drevné pelety a drevená štiepka. Teleso horáka, rošt, plech zapaľovača a škrabka sú vyrobené z kvalitnej, žiaruvzdornej nehrdzavejúcej ocele. Prednosti kotla Moderný kompaktný design Automatická prevádzka kotla riadená izbovým termostatom, zaručujúca vysoký komfort obsluhy Vysoká účinnosť spaľovania nízka spotreba paliva Vysokoúčinný rúrový výmenník osadený špirálovými turbulátormi, ktoré zabezpečujú lepší prenos tepla vo výmenníku, vyššiu účinnosť kotla, pričom slúžia aj na jeho čistenie Nerezový horák ATTACK Automatické čistenie rúrového výmenníka Automatické odoberanie popola Nenáročná obsluha a jednoduché čistenie Automatické podávanie paliva Dlhodobo overená konštrukcia kotlového telesa Kvalitná kotlová oceľ o hrúbke 6 mm použitá pri výrobe kotla Vysoká bezpečnosť a spoľahlivosť prevádzky Nízke prevádzkové náklady Dlhá životnosť Malé rozmery Konštrukčne jednoduchý a spoľahlivý horák na pelety s automatickým riadením prevádzky (t.j. zapálením a vyhasnutím) s funkciou automatického čistenia a vlastnou diagnostikou chýb Možnosť prikurovania elektrickou špirálou až do výkonu 6kW, ktorá svojou funkciou môže plniť aj protimrazovú ochranu Dotácia 1 000,- EUR na kotol na biomasu Program vyššieho využitia biomasy a slnečnej energie v domácnostiach. Výrobky majú certifikát kvality od renomovanej Mníchovskej skúšobne TUV a spĺňajú podmienky na pridelenie štátnej dotácie. Program vyššieho využitia biomasy a slnečnej energie v domácnostiach stanovuje výšku dotácií a podmienky pre pridelenie dotácií nasledovne: Výška dotácie na využívanie biomasy na kúpu a inštaláciu jedného kotla na biomasu v rodinnom dome je 30 % z kúpnej ceny nainštalovaného kotla na biomasu; najvyššia dotácia je Úplné znenie programu je zverejnené na webovej stránke Ministerstva hospodárstva SR a Slovenskej inovačnej a energetickej agentúry.

12 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 PODLAHOVÝ KONVEKTOR TOPENÍ MODERNÍHO BYDLENÍ A BUDOV Dokáže vaše topení ohřát (i ochladit) vzduch? Víte, jak skrýt topné těleso v interiéru a přitom získat vyšší tepelný výkon? Váháte mezi podlahovým konvektorem a klasickým radiátorem? V čem je podlahový konvektor tak jedinečný? Proč dát přednost právě podlahovým konvektorům? Podlahové konvektory se stávají běžným vybavením moderních domů a firem. Není se čemu divit, neboť konvektory jsou ideálním řešením pro odstranění některých nedostatků klasických vytápěcích systémů. Řeší architektonické, funkční i estetické problémy! Podlahové konvektory jsou používány převážně tam, kde je zavedení běžných radiátorů z estetického i funkčního hlediska nevhodné. Výhody podlahových mřížek vyniknou právě v moderních interiérech, neboť umožňují vytápěcí systém plně přizpůsobit obytnému prostoru a opticky ho nenarušují.využití nacházejí především v interiérech zahrnujících velké prosklené stěny sahající až k podlaze či zimní zahrady rodinných domů. Totéž platí i o halách, větších reprezentativních prostorech či interiérech s francouzskými okny. konvektorů od společnosti ISAN Radiátory s.r.o. Požadavky trhu zapracované do vývoje těchto výrobků daly vzniknout vysoce kvalitním podlahovým konvektorům řady TERMO, která v dané oblasti patří k nejvyhledávanějším produktům nejen u nás. Při zabudování podlahových konvektorů spotřebitelé oceňují účinně a komplexně řešené funkční dispozice vytápění, především pak: efektivní využití topného výkonu snadnou instalaci konvektorového systému ekonomičnost provozu podlahového konvektoru minimální hlučnost Podlahový konvektor Termo Practic Podlahový konvektor TERMO Practic je navržený jako komplexní řešení pro instalaci. Veškeré potřebné komponenty jsou součástí balení. Konvektor je vhodný pro všechny typy místností, ideálně v kombinaci s tepelnými čerpadly. Provoz s minimální Hlavním účelem podlahových konvektorů je ohřev vzduchu. Zároveň umožňují i ochlazování interiéru, čímž se odlišují od klasických topných těles. Ochlazovací funkce přijde vhod hlavně v létě, kdy slunce prostupuje přes skleněné výplně a přehřívá vnitřní prostory. Konvektory řady Termo Practic, Dynamic a Activ = kvalita vytápění a úspora energie! Podlahové konvektory řady Termo Practic, Termo Dynamic a Termo Activ jsou výsledkem nových trendů, jednoduchého řešení na míru a efektivní technologie v oblasti podlahových Podlahový konvektor Thermo Practic 12

13 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA Funkčně i konstrukčně vychází z řady Termo Practic, přičemž navíc pracují s bezpečným stejnosměrným napětím ventilátorů a vysoce inteligentním systémem regulace provozu, který neustále vyhodnocuje teplotu místnosti a podle naměřených hodnot upravuje výkon konvektoru. Zákazník si může vybrat v rámci řady Termo Dynamic jak konvektory FCT s ventilátorem, tak i konvektory FCK s přirozenou konvekcí. Podlahový konvektor Thermo Practic hlučností, rychlá reakce na pokles teploty a schopnost vyrovnávat tepelné ztráty v místnosti jsou přednosti konvektorů Termo Practic. Podlahové konvektory řady Termo Practic jsou vyrobeny v několika výkonových typech s rozdílnými možnostmi využití dle konkrétních potřeb zákazníka. Pomocí termostatu a regulátoru podlahového konvektoru lze pohodlně a efektivně řídit provoz konvektorů celoročně s komfortem pro uživatele. Díky snadné úpravě otáček, protimrazové ochraně nebo napojení okenních čidel zabraňuje Termo Dynamic nežádoucím únikům tepla či lokálnímu zamrznutí potrubí. K efektivnosti výkonu přispívají nejen 24 V DC ventilátory s prodlouženou životností, ale i možnost provázání konvektoru se systémem řízení budov BMS (Tecomat Foxtrot, Lon Works aj.). Složení podlahového konvektoru Termo Practic (Odkaz: kvalitní pozinkované ocelové koryto s odolným nástřikem rolovací mřížka v úpravě přírodní hliník lamelový Cu-Al výměník s připojením 2x G1/2 a odvzdušňovacím ventilem tangenciální ventilátor k zajištění účinné distribuce tepla a jeho směřování regulační auto-transformátor ke snadnému řízení tepelného výkonu obvodová přechodová lišta 20 x 20 mm estetické spojení podlahy s konvektorem přímé a rohové regulační šroubení Podlahový konvektor Termo Dynamic Nízká spotřeba energie a minimálními provozní náklady jsou základní atributy podlahových konvektorů řady Termo Dynamic. Podlahový konvektor Thermo Dynamic Standardní nabídka řady Termo Dynamic umožňuje výběr z několika barevných provedení mřížek, ať už s podélnou či příčnou orientací. Barevná variabilita zajistí vašim interiérům sladění a estetické řešení na míru. Celkový optický dojem a originalitu dotváří materiálové vyhotovení mřížek, které lze objednat ve variantách hliník, dřevo, nerez. Podlahový konvektor Thermo Dynamic Složení podlahového konvektoru Termo Dynamic: koryto z nerezové oceli hliníkové příčné i podélné, dřevěné příčné, různé materiály a barevné modifikace lamelový Cu-Al výměník s připojením 2x G1/2 a odvzdušňovacím ventilem tangenciální ventilátor k zajištění účinné distribuce tepla a jeho směřování plynulá regulace 24 V DC nebo regulace 230 V AC 13

14 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 k objednání obvodová přechodová lišta 20 x 20 mm estetické spojení podlahy s konvektorem přímé a rohové regulační šroubení Podlahový konvektor Termo Activ Podlahové konvektory řady Termo Activ jsou vybaveny drátěným výměníkem Cu-Cu se speciální technologií opletu. Výměník je extrémně odolný mechanickému poškození, vykazuje dlouhodobě stálé parametry výkonu, je tvarovatelný a snadno čistitelný. Tyto konvektory jsou vhodné pro exkluzivní prostory zejména ve vilách, rezidencích, rodinných domech. Typy s ventilátorem využívají výhradně 24 V DC technologii s moderními úspornými ventilátory s EC motory. úsporná zařízení, vhodná i do pasivních domů a projektů zelené energie. Stejně jako konvektory Termo Dynamic i Termo Activ umožňuje výběr z několika barevných provedení mřížek, ať už s podélnou či příčnou orientací. Barevná variabilita nabízí vašim interiérům sladění a estetické řešení na míru. Originalitu a celkový optický dojem dotváří i materiálové vyhotovení mřížek ve variantách hliník, dřevo, nerez. Podlahový konvektor TERMO Activ řídí nástěnný termostat s možností režimů AUTO, TEMPerace, plynulé řízení otáček apod. Termostat prostřednictvím datového kabelu dává příkazy regulaci, která zpracuje povely a pomocí algoritmu a dat z okolních senzorů přizpůsobí chod konvektoru tak, aby bylo docíleno tepelné pohody. Tuto inteligentní regulaci lze použít pro řízení objektů pomocí BMS. Na objednávku lze dodat modifikaci pro systémy Lon Works, EIB, KNX a další. Složení podlahového konvektoru Termo Activ: koryto z nerezové oceli hliníkové příčné i podélné, dřevěné příčné, různé materiály a barevné modifikace topení i do mokrého prostředí drátěný Cu-Cu výměník s připojením 2 x G1/2 a odvzdušňovacím ventilem tangenciální i axiální ventilátor k zajištění účinné distribuce tepla a jeho směřování plynulá regulace 24 V DC, 12 V DC (vhodná do bazénu) k objednání obvodová přechodová lišta 20 x 20 mm estetické spojení podlahy s konvektorem přímé a rohové regulační šroubení Detailní technické parametry podlahového konvektoru řady Termo Dynamic a Termo ACTIV najdete na Foto: ISAN Regulace konvektoru je osazena čidlem, které vyhodnocuje teplotu vody výměníku. Regulace pak může řídit režimy topení nebo protizámrznou ochranu. Při použití senzorů oken brání nežádoucím únikům tepla. Activ tak řadí mezi ekonomická 14

15 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA KOMPLETNÉ SYSTÉMY PRE SOLÁRNE OKRUHY Vzhľadom na stále sa zvyšujúce ceny energii ako aj uvedomelejší prístup k životnému prostrediu sa stále viac do popredia dostávajú ekologickejšie zdroje energie. Solárne systémy nadobúdajú v tejto súvislosti čoraz väčší význam. Oventrop prichádza s ponukou vysokohodnotných komponentov ako aj kompletných systémov pre solárne okruhy, ohrev pitnej vody a kúrenie. Tieto systémy je možné inštalovať nielen do novostavieb ale je možné ich inštalovať do už existujúcich systémov. Moderná solárna technika sa dá optimálne zladiť s ostatnými komponentmi vykurovacej sústavy. Oventrop ponúka prostredníctvom svojich systémov Regusol moderný systém armatúr a regulátorov. Stanica Regusol sa skladá z odovzdávacej stanice, čerpadlovej slučky, zloženej z čerpadla, uzatváracích a poistných armatúr, meračov prietoku, napúšťacích a vypúšťacích kohútov atď. Pre oddelenie primárnej a sekundárnej strany na dve nezávislé média má k dispozícií Oventrop solárnu stanicu Regusol X, ktorá obsahuje zabudovaný výmenník tepla. Použité materiály ako i usporiadanie jednotlivých komponentov sú optimálne zladené s potrebami solárnej sústavy. Týmto je z dlhodobého hľadiska zabezpečený bezpečný a bezporuchový chod zariadenia. Zostavy armatúr Regusol E-130 a Regusol EL- 130 majú okrem hydraulických prvkov kompletne zmontovanú digitálnu reguláciu solárnej sústavy. Výhody stanice Regusol : vysoká funkčná bezpečnosť, dosiahnutá vďaka vysokokvalitným materialom všetky armatúry od jedného výrobcu dodávka kompletných systémov nízke montážne náklady teplota prívodu v nábehovej fáze do 160 C prevádzková teplota v prívode max. 120 C systém armatúr je vrátane izolácie Príklad integrácie solárnej sústavy do vykurovacieho systému Armatúry a systémy na vykurovanie Armatúry a systémy na olej a plyn Armatúry a systémy na sanitárnu techniku Podlahové vykurovanie Solárne systémy Marián Borsík odborný poradca Oventrop, GmbH & Co. KG, Pestovateľská 10, Bratislava, tel.: , oventrop@oventrop.sk, 15

16 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 HODNOCENÍ EFEKTIVITY PRÁCE TEPELNÝCH ČERPADEL Mojmír Vrtek VŠB Technická univerzita Ostrava, Katedra energetiky, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba Význam tepelných čerpadel (TČ) v České republice pro zabezpečení dodávky tepla neustále roste. Celkový počet tepelných čerpadel v České republice není přesně znám. Za určitou minimální směrnou hodnotu lze považovat počet odběratelů využívajících sazeb pro tepelná čerpadla evidovaných hlavními distribučními společnostmi (ČEZ Distribuce a.s., Pražská energetika a.s., E.ON Distribuce a.s). Tyto společnosti evidovaly v roce 2008 přes odběrných míst. Statistická šetření ministerstva průmyslu a obchodu uvádí odhady o dodávce a instalaci tepelných čerpadel v posledních uplynulých letech. 1 Úvod V roce 2007 bylo na český trh dodáno přibližně tepelných čerpadel o tepelném výkonu zhruba 49 MW, v roce 2008 pak již cca kusů o celkovém výkonu přes 55 MW [1]. Lze předpokládat, že všechna tepelná čerpadla zahrnutá v této statistice jsou kompresorového typu. V poslední době se začíná uvažovat i o nasazení tepelných čerpadel absorpčních, které byly dlouhou dobu na okraji zájmu. Lze efektivnost těchto různých typů tepelných čerpadel popsat a porovnat? Lze stanovit jejich přínos pro celostátní energetickou soustavu? 2 Topný faktor obecná definice Princip tepelného čerpadla spočívá v jímání tepla Q o o nižší teplotě (většinou z okolních přírodních hmot nebo z druhotných energetických zdrojů tepla) a jeho zhodnocení přivedením další pohonné energie W tak, aby bylo získáno teplo Q T o vyšší teplotě použitelné např. pro vytápění. Na Obr. 1 je v ideální bezztrátové energetické bilanci provedeno porovnání přímého ohřevu (např. elektrickým odporovým topením, spalinami ap.) s ohřevem zabezpečovaným tepelným čerpadlem [2]. Obr. 1 Porovnání a) přímého ohřevu a b) ohřevu tepelným čerpadlem Základní mírou efektivity práce tepelného čerpadla je tzv. topný faktor ε T. Topný faktor je poměrem získaného tepla Q T ku množství přivedené pohonné energie W. ε T = Q T / W (-;J,J) (1) Rozšířením zlomku na pravé straně vztahu (1) o čas lze vyjádřit topný faktor i ve výkonové formě, a to jako poměr topného výkonu ku příkonu.. ε T = Q T / W (-;W,W) (2) Zatímco první vyjádření, energetické, se zpravidla používá pro stanovení průměrného topného faktoru za delší časové období (měsíc, rok), dle druhého vztahu lze pro limitní časový interval určit okamžitý topný faktor. V dalším textu je použita pouze energetická forma vyjádření, nicméně nic nebrání tomu uváděné bilance chápat i ve formě výkonové. Takto obecně definovaný topný faktor neupřesňuje hranice hodnoceného energetického systému a je tedy nutné při jeho určování hranice konkretizovat. 3 Přímé topné faktory 3.1 Vnitřní topný faktor Je-li ustavena hranice systému přímo uvnitř termodynamického oběhu a stanovují-li se veličiny vstupující do výpočtu topného faktoru z termodynamických změn pracovní látky (zpravidla změn entalpií chladiva), lze hovořit o topném faktoru vnitřním. 3.2 Vnější topný faktor Reálné procesy probíhající při překračování výše stanovené hranice systému, a to především při sdílení tepla a při dodávání pohonné energie, přinášejí s sebou transformační a transferní rozptyly energií dané účinností tepelných výměníků, teplotní degradací tepla při sdílení, tepelnými ztrátami či nežádoucími tepelnými zisky a v neposlední řadě účinností pohonu tepelného čerpadla. Posunem hranice systému na úroveň externích vstupů resp. výstupů tepelného čerpadla lze již k tepelnému čerpadlu přistupovat jako k černé skříňce s výstupem daným topným teplem a se vstupy nízkopotenciálním (chladícím) teplem a energií přivedenou pro pohon, což u klasického kompresorového tepelného čerpadla bývá zpravidla elektrická energie, u absorpčního teplo. Topný faktor stanovený na základě těchto veličin je topným faktorem vnějším. 3.3 Celkový topný faktor V praxi tepelná čerpadla ke svému provozu potřebují ještě jiné prvky, které spotřebovávají další energii. U typů pro teplovodní vytápění to je oběhové čerpadlo otopné vody, u typů odebírajících nízkopotenciální teplo ze země či studniční vody oběhové čerpadlo nemrznoucí kapaliny, resp. ponorné čerpadlo spodní vody, u typů odebírajících nízkopotenciální teplo ze vzduchu ventilátor na výparníku. U všech typů pak regulace. Zahrnutím spotřeby těchto dalších prvků do položky energie W, jako nutné energie pro provoz tepelného čerpadla, lze stanovit topný faktor celkový. Vyhodnocování vnitřního a vnějšího topného faktoru je užiteč- 16

17 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA né především pro výrobce, a to pro optimalizaci návrhu chladicího oběhu, volbu chladiva, komponent ap. Celkový topný faktor má vypovídací schopnost pro samotného uživatele a lze jej odhadnout pro konkrétní realizaci pomocí informací v technické dokumentaci. Tyto informace jsou deklarovány na základě výsledků standardizovaných testů prováděných např. pro tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory dle [3]. Z ideální energetické bilance tepelného čerpadla (Obr. 1b) Q T = Q 0 + W (J) (3) plyne, že topný faktor ε T je teoreticky vždy vyšší než 1. Tento závěr je ale platný pouze pro vnitřní topný faktor. Pokud by tomu tak nebylo, nemohl by být termodynamický oběh realizován. Pro vnější topný faktor nemusí podmínka platit, neboť např. při extrémně neúčinném využití pohonné energie může být vnější topný faktor prakticky menší než 1. Pro celkový topný faktor platí podobný závěr jako pro faktor vnější. Příklad, jaká může být praktická efektivita práce konstrukčně špatně navrženého tepelného čerpadla, je znázorněn na Obr. 2. hranici energetického systému uvnitř či v blízkém okolí fyzické hranice tepelného čerpadla jako výrobku, je možno tyto nazývat topnými faktory přímými. 4 Srovnání přímých topných faktorů tepelných čerpadel různých principů Fyzikální princip přečerpávání tepla je založen na obrácených termodynamických cyklech. Tyto jsou pak realizovány v tepelných čerpadlech kompresorových anebo sorpčních, přičemž ze sorpčních se v převážné většině jedná o absorpční tepelná čerpadla. Pro snazší vysvětlení metodického přístupu hodnocení jsou v této kapitole analyzovány přímé vnitřní topné faktory, avšak metodika je použitelná i pro ostatní přímé faktory. 4.1 Principiální řešení tepelných čerpadel vstupujících do hodnocení Kompresorová tepelná čerpadla U tepelných čerpadel kompresorového typu je využito principu termodynamického ohřevu, kdy je zvýšení teploty dosahováno termodynamickou změnou stavu pracovní látky - plynu či páry, a to kompresí zpravidla blízké kompresi adiabatické. Během tohoto děje je nutno dodávat kompresní mechanickou práci pro pohon kompresoru W A (Obr. 3). Obr. 2 Příklad provozu špatného tepelného čerpadla V grafu je naznačen dvouhodinový časový průběh topného výkonu Q T, elektrického příkonu P el a teploty venkovního vzduchu t e tepelného čerpadla vzduch-voda. Jak je patrné ve fázích dodávky tepla, je elektrický příkon neúměrně vysoký vůči dodávanému topnému výkonu (resp. topný výkon neúměrně nízký vůči elektrickému příkonu). Celkový topný faktor během dodávek tepla se pohyboval cca na úrovni 1,48. Navíc byl zvolen velmi nevhodný způsob odtávání výparníku pomocí teplovzdušného ventilátoru, jehož příkon byl srovnatelný s příkonem tepelného čerpadla v topné fázi a jehož průběh je názorně vidět v dobách cca šesti minutových přerušení produkce tepla. Při zahrnutí spotřeby odtávací fáze, která navíc nemusela být při aktuální teplotě a vlhkosti venkovního vzduchu tak dlouhá, bylo dosaženo celkového topného faktoru ve výši 1,17; při výstupní teplotě otopné vody ve výši 37 C. Je sice pravdou, že i tak bylo toto tepelné čerpadlo efektivnější než přímý ohřev, ale od tepelného čerpadla pracujícího v daných podmínkách se očekávají podstatně lepší užitné vlastnosti. Jelikož se topné faktory vnitřní, vnější a celkový vždy vztahovaly na pohonnou energii specifikovanou daným druhem a množstvím, tedy na přímé energetické vstupy překračující zvolenou Obr. 3 Schéma kompresorového TČ Přímý topný faktor kompresorového tepelného čerpadla tedy bude dle vztahu (1) stanoven pro W = W A. Absorpční tepelná čerpadla U těchto tepelných čerpadel je využíváno absorpčních vlastností dvojic látek, kde mezi nejpoužívanější patří dvojice čpavek Obr. 4 Schéma absorpčního TČ 17

18 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 voda nebo voda bromid lithný. Podobně jako kompresorová zařízení vychází z principů chladicích zařízení. Základní ideové pracovní schéma absorpčního oběhu čpavek voda je naznačeno na Obr. 4. Na rozdíl od kompresních oběhů je dominující pohonná energie W Q dodávaná ve formě středně nebo vysokopotenciálního tepla. Z oběhu je možno pro topné účely využít kromě tepla kondenzačního Q k i teplo absorpční Q a. I když je zpravidla pro funkci absorpčních oběhů nutné i čerpadlo, jeho spotřeba energie je vůči dodanému pohonnému teplu W Q zanedbatelná (W Q >> W č ). Je-li pohonnou energií absorpčního tepelného čerpadla teplo W Q (práce čerpadla W č je při tomto vysvětlení zanedbaná) je nutno provést pro srovnávací výše znázorněný Carnotův oběh rozšíření viz Obr. 6. V rozšíření je zahrnut další, avšak nikoli obrácený, ale pravotočivý Carnotův oběh poukazující na skutečnost, že pouze část energie W A z celkového dodaného tepla W Q (pravá část diagramu) se v oběhu zúčastňuje přečerpávání tepla (levá část diagramu). K tomuto závěru lze dospět exergetickou analýzou absorpčního oběhu. Výraz pro přímý topný faktor absorpčního oběhu je: ε T = Q T / W = (Q k + Q a ) / (W Q + Wč) Q T / W Q (-;J,J) (4) 4.2 Porovnání přímých topných faktorů U kompresorových tepelných čerpadel bývá dosahováno vyšších přímých topných faktorů než u tepelných čerpadel absorpčních. Zatímco běžná kompresorová tepelná čerpadla pracují s celkovými topnými faktory 2,5 až 5, u absorpčních typů je, při dodržení stejných podmínek, dosahováno celkového topného faktoru 1,2 až 1,6. Z tohoto hlediska se zdají být, a dlouhou dobu také byly, absorpční tepelná čerpadla podceňována. Nesoulad tkví v metodice hodnocení pohonné energie, kde je nutno rozlišovat, zdali je pohonná energie přiváděna ve formě práce nebo tepla. Názorné vysvětlení metodického přístupu hodnocení je možno předvést na modelech tepelných čerpadel pracujících na bázi obráceného Carnotova oběhu mezi teplotami T O a T T. Na Obr. 5 je znázorněn v diagramu teplota entropie obrácený Carnotův oběh pro tepelné čerpadlo poháněné mechanickou prací. Přímý vnitřní topný faktor je pak ε T,Ca A = Q T / W A (-;J,J) (5) Obr. 5 Obrácený Carnotův oběh pro TČ tepelné čerpadlo poháněné mechanickou prací Obr. 6 Obrácený Carnotův oběh pro tepelná čerpadla poháněná teplem Na základě této úvahy lze přímý topný faktor modelového absorpčního tepelného čerpadla poháněného teplem stanovit jako ε T,Ca Q = Q T / W Q = η t,ca (Q T / W A ) = η t,ca ε T,Ca A (6) kde η t,ca je termická účinnost Carnotova pravotočivého oběhu v levé části diagramu. Jak vyplývá z porovnání výše uvedených vztahů, bude přímý topný faktor ε T,Ca A vždy větší než ε T,Ca Q, neboť teoreticky vždy je η t,ca < 1. Porovnání efektivity práce tepelných čerpadel různých principů pomocí přímých topných faktorů nerespektuje druh a především kvalitu vstupní pohonné energie. Mechanická práce a teplo jsou přenašeči energií různého druhu a různé kvality a tudíž nelze na jednotnou úroveň postavit 1 kwh tepla o teplotě 100 C a 1 kwh mechanické práce. Z toho důvodu nelze pomocí přímého topného faktoru mezi sebou porovnávat tepelná čerpadla různých principů. 5 Exergetický topný faktor Nesoulad v kvalitě dodávané energie při vzájemném srovnávání přímých topných faktorů tepelných čerpadel různých principů odstraňuje exergetické hodnocení vstupní energie. Topný faktor je pak při stejných provozních okrajových podmínkách počítán dle vztahu (1), ale ve jmenovateli je místo vstupní energie W dosazována vstupní exergie E W, která je do oběhu pohonnou energií W přiváděna. Exergii je možno v této metodice zjednodušeně chápat jako část pohonné energie, která je schopná transformace na jiný druh. Zatímco mechanická práce a elektrická práce jsou považovány plně transformovatelné, tedy za 100 % exergie, exergie tepla je dána jeho teplotní úrovní a teplotou okolního prostředí, teplo tedy není plně transformovatelné [4]. 18

19 5/2011 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA U kompresorového tepelného čerpadla je vstupní energie ve formě mechanické práce rovná vstupní exergii, tudíž se vztah pro výsledný topný faktor nemění. U absorpčních tepelných čerpadel poháněných teplem je nutno stanovit exergii E Q dodávaného tepla W Q při teplotě T E. Tato exergie E Q je, při předpokládané teplotě okolí na úrovni teploty T O, právě rovná části tepla W A, která se podílí na přečerpávání tepla (Obr. 6). Exergetický topný faktor absorpčních tepelných čerpadel pak bude: ε T,ex Q = Q T / E Q = Q T / (W Q η t,ca ) = Q T / W A = ε T,ex A (7) Ze vztahu vyplývá, že pomocí exergetických topných faktorů lze již navzájem srovnávat efektivitu práce tepelných čerpadel pracujících na různých principech a případně využívajících kombinace různých druhů vstupních energií. Například u stanovení celkového exergetického topného faktoru absorpčních typů se bude vycházet z vyhodnocení exergie tepla jako základní pohonné energie, exergie dodané elektrickým pohonem čerpadla chladicího okruhu, exergie dodaná do přídavných prvků pro pohon oběhových čerpadel teplonosné látky výparníku a topného okruhu procházejícího přes absorbér a kondenzátor. Taktéž lze pomocí tohoto hodnocení srovnávat i ostatní tepelná čerpadla např. zde blíže neuváděná tepelná čerpadla termoelektrická. 6 Efektivita práce tepelných čerpadel z makroenergetického hlediska Výše uvedené způsoby hodnocení již umožňují srovnání efektivity jak v rámci stejného typu (přímé topné faktory), tak srovnání tepelných čerpadel různých typů (exergetické faktory). Neumožňují však hodnocení, jaký je jejich energetický přínos z makroenergetického hlediska, tedy jaký přínos má nasazení tepelných čerpadel z hlediska úspor energie na snížení hrubé spotřeby primárních energetických zdrojů v rámci státní energetické soustavy. Pro nastínění metodiky jsou dále zjednodušeně uvažovány bezztrátové transformace a transfery energií. Pro tepelné čerpadlo poháněné elektromotorem platí u nás běžně uváděná hranice minimálního průměrného ročního přímého topného faktoru ve výši 3 (někdy uvažováno i 4). Tyto závěry vychází z makroenergetické úvahy, že elektrická energie je vyráběná především v tepelných kondenzačních elektrárnách s účinností cca 33 %. Proto, aby bylo konečné teplo Q T alespoň adekvátní primární energii W pr vstupující do celého procesu v palivu v elektrárně, musí tepelné čerpadlo načerpat alespoň 67 % tepla z nízkopotenciálního zdroje, aby konečný výsledek byl minimálně opět 100 %. Bilance tepelného čerpadla je naznačena na Obr. 7, kde Q z je teplo odváděné chladicími věžemi do okolí. Z výše provedené úvahy lze i vyvodit, že jestliže by některý stát měl veškerou elektrickou energii vyráběnou v netepelných elektrárnách využívajících obnovitelné zdroje energie - vodních, větrných, fotovoltaických ap. (dále jen OZE elektrárny), pak, chce-li zabezpečovat vytápění pomocí takto vyrobené elektřiny, by pro jeho makroenergetiku mělo být tepelné čerpadlo jako zdroj tepla vhodné vždy, tzn. při jakémkoliv přímém topném faktoru větším než 1, jak vyplývá z bilance na Obr. 8. Obr. 8 Bilance TČ poháněného elektřinou vyrobenou v OZE elektrárnách Kompresorová tepelná čerpadla poháněná spalovacím motorem V případě kompresorových tepelných čerpadel poháněných spalovacím motorem je možno k výslednému teplu přiřadit i teplo získané chlazením motoru Q CH a teplo spalin Q SP (Obr. 9). 6.1 Řešení tepelných čerpadel vstupujících do hodnocení Kompresorová tepelná čerpadla poháněná elektromotorem U těchto tepelných čerpadel je mechanická práce dodávaná elektromotorem transformována z elektrické energie s vysokou účinností. Obr. 9 Bilance TČ poháněného spalovacím motorem Obr. 7 Bilance TČ poháněného elektřinou vyrobenou v kondenzační tepelné elektrárně Absorpční tepelná čerpadla Dominantním přímým pohonem absorpčních tepelných čerpadel je teplo. I zde je nutno přihlédnout k tomu, jakým způsobem bylo teplo získáno. Při předpokladu použití podobných primárních energií jako v předchozích případech je možno uvažovat, že pohonná energie (teplo) se rovná energii primární viz bilance na Obr

20 PLYNÁR VODÁR KÚRENÁR + KLIMATIZÁCIA 5/2011 Graf ukazuje metodiku srovnání tepelných čerpadel z makroenergetického hlediska. Absorpční tepelná čerpadla dosahují reálných topných faktorů v rozmezí 1,2 1,6. Porovná-li se tedy tepelné čerpadlo absorpční (ABS) s topným faktorem 1,5 bude muset jemu z hlediska využití primární energie rovnocenné tepelné čerpadlo kompresorové poháněné elektřinou vyrobenou v kondenzační tepelné elektrárně (EM-KE) dosahovat přímého topného faktoru cca 4,5. Obr. 10 Bilance absorpčního TČ Tepelné čerpadlo absorpční se stává velmi zajímavým pokud je pohonné teplo teplem odpadním. Případně je výhodné, je-li účelné získávat větší množství tepla na nižší teplotní úrovni (pro přípravu teplé vody, vytápění), než je možno získat běžným sdílením tepla z vysokoteplotního zdroje, např. ze spalin. 6.2 Primární topný faktor Z výše uvedených bilancí je patrné, že efektivitu práce tepelných čerpadel z makroenergetického hlediska je nutno nejen vztahovat na energii vstupní pohonnou, ale pokud je tato energie již sekundárního charakteru, je nutné provést hodnocení i vzhledem k energiím primárním. Lze tedy analogicky vztahu (1) zavést topný faktor primární, jenž zohledňuje množství primární energie vstupující do transformačních procesů, a to dosazením primární energie W pr do jmenovatele. U tepelných čerpadel absorpčních a tepelných čerpadel poháněných elektřinou z OZE elektráren je tudíž přímý topný faktor ideálně roven faktoru primárnímu, u ostatních typů se pak liší. Srovnání přímého a primárního topného faktoru pro výše uvedené případy je provedeno na Obr. 11. Legenda označuje průběhy pro tepelná čerpadla: EM-KE kompresorová, poháněná elektřinou vyrobenou v kondenzační tepelné elektrárně, SM kompresorová, poháněná spalovacím motorem, EM-OZE kompresorová, poháněná elektřinou vyrobenou v netepelných elektrárnách využívajících OZE, ABS absorpční. Obr. 11 Závislost primárního a přímého topného faktoru pro různé typy TČ Porovnáme-li absorpční tepelná čerpadla a kompresorová tepelná čerpadla poháněná spalovacím motorem, pak odpovídající tepelné čerpadlo se spalovacím motorem bude muset mít přímý topný faktor vztažený na mechanickou práci cca 2,2; aby jeho primární topný faktor dosáhl hodnoty 1,5. Tepelné čerpadlo poháněné spalovacím motorem lze také s určitou mírou zjednodušení (při uvažování 100 % účinnosti přenosu a transformace elektrické energie) považovat za tepelné čerpadlo poháněné elektřinou vyrobenou při kogenerační výrobě např. v teplárně, kde teplo analogické teplům Q CH a Q SP (Obr. 9) je účelně využito v blízkosti teplárny, tedy v jiném místě než je instalováno tepelné čerpadlo, avšak z makroenergetického hlediska je nutno tyto položky do celkového topného tepla Q T zahrnout. Pro detailnější rozbor nutno zohlednit výši modulu teplárenské výroby elektřiny v rámci státu, přičemž je možno uvažovat, že se tyto zdroje budou pohybovat v oblasti omezené průběhy SM a EM-KE. 7 Závěr Pro stanovení energetické efektivnosti práce tepelných čerpadel je nutno vycházet nejen z přímých, ale i exergetických a primárních topných faktorů. Přímé topné faktory jsou použitelné pro srovnání práce tepelných čerpadel v rámci jednoho typu, exergetické pro srovnání tepelných čerpadel pracujících na různých principech, primární topné faktory pak poskytují obraz o efektivnosti práce různých typů čerpadel v rámci celostátní energetické soustavy. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory programu FT-TANDEM Ministerstva průmyslu a obchodu č. FT-TA4/040 - Využití geotermální energie hlubinných dolů v souladu s trendy udržitelného rozvoje LITERATURA [1] BUFKA, A. Tepelná čerpadla v roce Výsledky statistického zjišťování [on-line]. Praha : Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR, 2009 [cit ]. Dostupný na: < [2] KAMINSKÝ, J.; VRTEK M. Obnovitelné zdroje energie. Ostrava : VŠB TU Ostrava, s. ISBN [3] ČSN EN Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru. - Část 3: Zkušební metody. Praha : Český normalizační institut, s. [4] VRTEK, M. Renewable Sources in Energy Systems. Tarnów : TANT Publishers, s. ISBN [5] VRTEK, M. Hodnocení efektivity práce tepelných čerpadel. In Proceedings of EPE Brno : Brno University of Technology, s ISBN