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 získávame 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 fosilných palív v kotli a pre takisto prevažujúci druh tepelných čerpadiel na princípe kompresorového chladiaceho obehu s kompresorom poháňaným elektromotorom. Potom pre súčiniteľ j platí:

(1)

kde:

Q_K je tepelný výkon porovnávaného kotla na fosilné palivo,

h_k je jeho účinnosť a

h_e je účinnosť výroby elektrickej energie vrátane rozvodu.

Na základe uvedeného je možné vyjadriť palivovoenergetickú úsporu U_K (úsporu primárnych energetických zdrojov) prevádzky predmetného tepelného čerpadla v porovnaní s prevádzkou porovnávaného kotla vzťahom:

(2)

Potom je možné určiť tzv. medznú hodnotu výkonového čísla, pri ktorej je:

j_k rovné jednej,

teda úspora primárnej energie podľa vzťahu (2) je nulová. Napríklad, ak uvažujeme porovnanie tepelného čerpadla so spaľovaním fosilného paliva v kotli s účinnosťou:

h_k=0,85

a účinnosť výroby elektrickej energie vrátane rozvodu uvažujeme v našich podmienkach:

h_e= 0,33

vychádza hodnota medzného výkonového čísla:

COP_TČM = 2,57

V takomto konkrétnom porovnávanom prípade teda dochádza  prevádzkou tepelného čerpadla k úspore primárnej energie len ak jeho hodnota COP je väčšia ako uvedená medzná hodnota 2,57.

Treba pripomenúť, že porovnávanie energetickej a z toho vyplývajúcej aj ekonomickej efektívnosti výroby tepla systémom tepelného čerpadla s  elektrickým odporovým vykurovaním, ktoré sa na Slovensku v niektorých propagačných „odborných“ materiáloch bohužiaľ vyskytuje, nemá žiadny zmysel. Medzná hodnota výkonového čísla by potom bola rovná jednej, teda tepelné čerpadlo s hodnotou COP>1 by dosahovalo oproti elektrickému vykurovaniu úsporu primárnej energie. To ale samozrejme platí pre každé tepelné čerpadlo, pretože zariadenie pracujúce na princípe chladiaceho obehu s COP<1 nie je tepelným čerpadlom, ale zariadením, ktoré vyrobí tepelnú energiu z elektrickej s nižšou „účinnosťou“ ako bola táto vyrobená z primárnej tepelnej energie, také zariadenie by bolo teda:

mariteľom energie.

Samozrejme, že na miestach (napr. vysokohorské chaty), kde nie je možné z ekologických a iných dôvodov použiť iný zdroj energie, ako je elektrická energia, je prevádzka každého tepelného čerpadla energeticky efektívnejšia ako odporové elektrické vykurovanie.

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, butan, 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 fosilných 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 nezávadné. 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 nákladami) na túto výrobu sú nižšie, ako celkové ročné náklady na porovnávaný spôsob výroby tepla. Pre porovnanie celkových ročných nákladov teda musí platiť vzťah:

(N_PE + A . I + N_PR)^TČ < (N_PE + A . I + N_PR)^PS (3)

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 (3) 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 fosilného paliva v kotle určíme nasledovnými vzťahmi:

(N_PE)^TČ = c_e . Q_R / COP_TČ

(N_PE)^PS = c_q . Q_R / h_k (4)

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 (3) 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 uživateľa 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 (3) argumentovať o ekonomickej výhodnosti a užitočnosti použitia tepelných čerpadiel. Ak nerovnosť (3) 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".

Kedže investičná náročnosť systémov tepelných čerpadiel je prakticky vždy výrazne vyššia ako na porovnávané klasické systémy výroby tepla spaľovaním fosilných palív, je zrejmé, že nutnou podmienkou platnosti nerovnosti (3) je pri návrhu tepelného čerpadla dosiahnutie úspory primárnej energie podľa vzťahu (2) teda:

dosiahnutie vyššieho výkonového čísla ako je jeho medzná hodnota 2,57.

Či potom bude možné dosiahnuť ekonomickú výhodnosť danej investície záleží od kvantitatívnych pomerov jednotlivých veličín porovnávaných systémov vo vzťahoch (2) a (3). Na tie z hľadiska energetického vplýva najmä hodnota teploty zdroja nízkopotenciálnej energie na výparník tepelného čerpadla (určuje hodnotu dosiahnuteľného výkonového čísla COP) a jej časový priebeh počas prevádzky a z ekonomického hľadiska ide najmä o výšku investície na 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, resp 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 podľa vzťahu (2) a znižujú sa možnosti platnosti vzťahu (3), resp. znižuje sa kvantitatívny rozdiel tejto nerovnosti 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. Úspora primárnej energie podľa vzťahu (2) je potom taká malá, že nedosiahneme ani platnosť nerovnosti (3), prípadne úspora ročných nákladov je minimálna, takže ekonomická efektívnosť investície resp. jej dlhá návratnosť je pre užívateľa neprijateľná. 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 a v prípade alternatívneho elektrického vykurovania aj prevádzkové náklady.

Uvedené úvahy platia samozrejme za predpokladu, že je použitý veľkoplošný vykurovací systém, teda kondenzačná teplota obehu nepresahuje približne 50 °C. Použitie takýchto systémov pre klasické stávajúce horúcovodné sústavy samozrejme vôbec nepripadá do úvahy, takýto systém by ani nedosiahol úspory primárnej energie v dôsledku:

potreby podstatne vyššej kondenzačnej teploty, čo by výrazne znížilo hodnotu COP,

pričom by ešte vzrástli investície, pretože by bolo potrebné použiť špeciálne systémy umožňujúce zvýšiť kondenzačnú teplotu (až na asi 80 až 90 ^°C), čo bežne dostupné systémy na trhu neumožňujú.

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 užitková voda a iné) a dalšie špecifické prevádzkové parametre. Je možné ale jednoznačne konštatovať, že takéto systémy nemôžu byť energeticky ani ekonomicky efektívne pre použitie na výrobu tepla v stávajúcich teplovodných systémoch vykurovania rôznych objektov.

Pri návrhu využitia takýchto systémov pre vykurovanie a teplú užitkovú vodu v nových objektoch s veľkoplošnými vykurovacími systémami je možné realizovať energeticky aj ekonomicky efektívne návrhy, ale len pre individuálne špecifické podmienky aplikácie a prevádzky, ako už bolo uvedené. Podporu realizácie takýchto aj ekonomicky efektívnych návrhov je v súčasnosti možné zabezpečiť len dotáciami na investičné náklady celého systému.

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.

Z hľadiska využitia tepelných črpadiel pre vykurovanie a výrobu teplej užitkovej vody je možné už v súčasnosti navrhnúť energeticky aj ekonomicky efektívne systémy tepelných čerpadiel vzduch – voda, ale len pre aplikácie so špecifickými podmienkami ich prevádzky a využívania v projektovaných a novo-realizovaných objektoch. Aplikácia tepelných čerpadiel so vzduchom ako zdrojom nízkoteplotnej energie pre vykurovanie v stávajúcich teplovodných vykurovacích systémoch nemôže byť energeticky ani ekonomicky efektívna a pre uživateľa je neprijateľná.

Aplikácia tepelných čerpadiel pre vykurovanie a prípravu teplej užitkovej vody s ďalšími zdrojmi nízkoteplotnej energie, ako je podzemná voda, zemská kôra, geotermálna a slnečná energia, nie je v podmienkach SR, najmä pre vysoké investičné nároky ekonomicky efektívna a je pre väčšinu užívateľov v súčasnosti nereálna.

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.