Pre samosprávy, ktoré vsadili na inteligentnú energetiku

Energia Zeme

 

Všeobecné informácie
Získavanie energie z hydrogeotermálnych zdrojov
Získavanie energie tepelnými čerpadlami
    Zdroje tepla pre tepelné čerpadlá 
    Vykurovací faktor
    Typy tepelných čerpadiel
    Výber lokality a pravidlá dimenzovania
    Ekonomika prevádzky

 

 

Všeobecne informácie

Existujú dva základné spôsoby využitia energie Zeme. Hĺbkovým spôsobom sa využíva najmä vysokopoteciálové teplo Zeme. Povrchovým spôsobom sa využíva najmä nízkopoteciálové teplo Zeme pomocou tepelných čerpadiel.

teplota_zemeGeotermálna energia získavaná z veľkých hĺbok nie je v pravom slova zmysle obnoviteľným zdrojom energie, pretože má pôvod v horúcom jadre Zeme, z ktorého uniká teplo cez vulkanické pukliny v horninách. Ale vzhľadom na obrovské, takmer nevyčerpateľné zásoby tejto energie, býva medzi tento druh zdrojov zaraďovaná.

Teplota jadra Zeme sa odhaduje na viac ako 4 000 °C a v desaťkilometrovej vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vrtnej technike, sa nachádza dostatok energie na pokrytie spotreby energie ľudstva na obdobie niekoľko tisíc rokov. Teplo sa šíri zo žeravého zemského jadra k povrchu. Teplotný nárast sa pohybuje od 20 do 40 °C na vertikálny kilometer. V hĺbke asi 2 500 metrov sa často nachádza voda teplá až 200 °C.

Zdroj nízkopotenciálového tepla pochádza najmä zo slnečného žiarenia, ktoré ohrieva povrch Zeme. Je to teda v plnej miere obnoviteľný zdroj energie.

 

Získavanie energie z hydrogeotermálnych zdrojov

Podľa energetického potenciálu hydrogeotermálnych rezervoárov sa využívajú tzv. obnovované alebo neobnovované zdroje. Vyskytujú sa v hĺbkach od 200 m do 5 000 m pod povrchom Zeme. Každých 100 m vrtu stúpa teplota prostredia o približne 3 °C.  Keďže táto metóda predpokladá sústavu hĺbkových vrtov, je investične veľmi náročná.


Obnovované zdroje

Tieto zdroje si vyžadujú iba tzv. ťažobný vrt, ktorým vystupuje para alebo horúca voda z podzemných rezervoárov do geotermálnej elektrárne, kde odovzdá svoju energiu a potom sa ochladená vypúšťa do povrchových tokov.


Neobnovované zdroje

schema13_geoOkrem ťažobných (produkčných) vrtov si tieto zdroje vyžadujú aj tzv. reinjektážny vrt, ktorým sa ochladená geotermálna voda vháňa naspäť do podzemného rezervoára. Tam dopĺňa zásobu horúcej vody, znovu sa v ňom ohrieva a potom čerpá.

Tento spôsob sa využíva vtedy, keď chemické zloženie geotermálnych vôd neumožňuje jej vypúšťanie do povrchových vôd, lebo by sa tým mohol ohroziť napríklad život v rieke alebo kvalita zdrojov pitnej vody. Ťažobné a reinjektážne vrty sú obyčajne blízko pri sebe, ale tak, aby nedochádzalo k nadmernému ochladzovaniu podzemného horúceho vodného rezervoára.

Horúca voda z ťažobného vrtu (primárny okruh) sa vháňa do výparníka, kde sa využíva jej teplo na odparenie organickej kvapaliny s nízkym bodom varu (sekundárny okruh).

V sekundárnom okruhu sa vzniknutý plyn s vysokým tlakom ženie do turbíny, kde poháňa rotor prepojený na generátor. Plyn sa po odovzdaní energie v turbíne mení na mokrú paru, ktorá sa v kondenzátore mení na horúcu kvapalinu a tá sa znova čerpá do výparníka. Generátor premieňa kinetickú energiu rotora na elektrickú energiu. Vyrobená elektrická energia v transformátore mení generátorové napätie na napätie v rozvodnej sieti.

 

Získavanie energie tepelnými čerpadlami

Tepelné čerpadlá sú zariadenia na získavanie tepla z okolitého prostredia na vykurovanie budov. Takéto teplo - napríklad z pôdy, podzemnej alebo povrchovej vody alebo aj z vonkajšieho alebo odpadového vzduchu z interiérov - je k dispozícii všade, je ho dostatok a je zadarmo. Napriek tomu ho však klasickými metódami nevieme využiť na priame vykurovanie, pretože uvedené médiá majú nízku teplotu (tzv. nízkopotenciálové teplo).

Tepelné čerpadlo pracuje na rovnakom termodynamickom principe ako chladnička. Tá vnútri odoberá teplo potravinám - chladí - a v zadnej časti odovzdáva získané teplo do miestnosti - vykuruje. Tak isto pracuje aj tepelné čerpadlo, ale obrátene a s oveľa väčším výkonom. Odoberá teplo vode, vzduchu alebo pôde v exteriéri a pomocou radiátorov alebo podlahového vykurovania ho odovzdáva v interiéri.

schema_tep_cerpadlo

Celý cyklus tepelného čerpadla sa skladá zo štyroch fáz, ktoré sa neustále opakujú:

  • 1. fáza - Vyparovanie: Chladivo, ktoré koluje v tepelnom čerpadle, odoberá teplo od vzduchu, vody alebo pôdy a tým se odparuje (mení skupenstvo na plynné).
  • 2. fáza - Kompresia: Kompresor tepelného čerpadla prudko stlačí ohriate plynné chladivo. Vďaka fyzikálnemu princípu kompresie, pri ktorom pri vyššom tlaku rastie teplota, "vynesie" nízkopotenciálne teplo chladiva na vyššiu teplotnú hladinu približne 80 °C.
  • 3. fáza - Kondenzácia: Takto zahriate chladivo pomocou druhého výmenníka odovzdá teplo vode v radiátoroch, ochladí sa a skondenzuje. Radiátory toto teplo vyžiaria do miestnosti. Ochladená voda vo vykurovacom okruhu sa potom vracia naspäť do druhého výmenníka, kde sa znova ohrieva.
  • 4. fáza - Expanzia: Priechodom cez expanzný ventil sa chladivo vháňa k prvému výmenníku, kde sa znova ohreje.


Tepelné čerpadlá takto dokážu teplo z uvedených médií (o teplote napr. okolo 2 °C) previesť na vyššiu teplotnú hladinu (napr. okolo 80 °C), ale na to potrebujú dodať inú, obyčajne elektrickú energiu. Zisk tepla z okolitého prostredia na vykurovanie je však vyšší v porovnaní so spotrebou elektriny na pohon tepelného čerpadla: z 1 kWh spotrebovanej elektriny je možné bežne získať 3 až 4 kWh tepla.


Zdroje tepla pre tepelné čerpadlá


Pôda

Toto je veľmi rozšírený spôsob získavania tepla pomocou tepelného čerpadla. Pôda sa ochladzuje tepelným výmenníkom z polyetylénového potrubia plneného nemrznúcou zmesou a uloženého do výkopu (pôdny kolektor). Pôdny kolektor sa umiestňuje pozdĺž objektu v nezamŕzajúcej hĺbke. Trubky pôdneho kolektora sa môžu ukladať na súvisle odkrytú plochu, najmenej 0,6 m od seba. Veľkosť takejto plochy je asi trojnásobkom plochy vykurovanej. Je tiež možné ukladať potrubie do tvaru uzavretých okruhov do rýh pre kolektory hlbokých asi 2 m a širokých asi 90 cm. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla sú potom potrebné ryhy dĺžky 5 až 8 m. Je potrebné počítať s tým, že pôdny kolektor ochladí okolitú zeminu, takže sa tu napr. bude dlhšie držať sneh. Pokiaľ má byť teplo odoberané celoročne (v lete napr. pre ohrev bazéna), je potrebný kolektor s väčšou plochou. Ak je tepelné čerpadlo využívané pre letné ochladzovanie, je možne pôdny kolektor "dobíjať" odpadovým teplom.


Hĺbkové vrty

Využíva sa teplo hornín v podloží. Vrty hlboké až 150 m sa umiestňujú v blízkosti stavby, najmenej 10 m od seba. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potrebných 12 až 18 m hĺbky vrtu, podľa geologických podmienok. Vrty nie je možné vykonať kdekoľvek – je potrebné zabezpečiť si vopred dôkladný hydrologický prieskum, aby nedošlo k narušeniu hydrologických pomerov. Výhodou je celoročne stála teplota zdroja (asi 8 °C), takže tepelné čerpadlo pracuje efektívne.


Povrchová voda

Využíva sa voda v toku alebo v rybníku, ktorá je ochladzovaná tepelným výmenníkom, umiestneným priamo vo vode alebo zapusteným do brehu – vždy tak, aby výmenník nemohol zamrznúť. Podmienkou je vhodné umiestnenie objektu, najlepšie priamo na brehu. Teoreticky je tiež možné vodu privádzať potrubím priamo k tepelnému čerpadlu a ochladenú vodu vypúšťať naspäť. To je ale technický aj administratívne veľmi náročné.


Podpovrchová voda

Táto voda sa odoberá z nasávacej studne a po ochladení sa vypúšťa do druhej, takzvanej vsakovacej studne. Podmienkou je geologicky vhodné podložie, ktoré umožní čerpanie i vsakovanie. Ochladenú vodu je možné za určitých podmienok vypúšťať i do potoka alebo inej tečúcej povrchovej vody. Zdroj takejto vody však musí byť dostatočne výdatný (približne 15 - 25 l/min. pre tepelné čerpadlo s výkonom 10 kW). Vhodných lokalít je preto k dispozícii relatívne málo.


Vonkajší vzduch

Je k dispozícii všade a vždy. Tento typ tepelného čerpadla má teda široké využitie a je investične menej náročné. Vzduch sa ochladzuje vo výmenníku tepla umiestnenom vo vnútri budovy. Pretože vo vzduchu je tepla pomerne málo, musia výmenníkom prechádzať veľké objemy vzduchu. Nevyhnutný je teda výkonný ventilátor. Ten je zdrojom hluku, preto je potrebné starostlivo zvoliť umiestnenie výmenníka, aby hluk neobťažoval obyvateľov domu ani susedov. Vonkajšia časť by nemala byť v miestach, kde sa môžu tvoriť vankúše studeného vzduchu. Vzduchové tepelné čerpadlá môžu pracovať aj pri teplote vonkajšieho vzduchu -12 °C, pri nižšej teplote je nutné zapnúť ďalší, tzv. bivalentný zdroj. Pri nízkych teplotách sa na vonkajšom výmenníku tvorí námraza. Energia spotrebovaná na jej odmrazovanie môže výrazne znížiť celkový vykurovací faktor a tým zvýšiť prevádzkové náklady.


Odpadový vzduch

Teplo je odoberané vzduchu odvádzanému vetracím systémom objektu. Tento vzduch má relatívne vysokú teplotu (18 až 24 °C). Tepelné čerpadlo môže efektívne pracovať aj za podmienok, kedy bežne používané systémy spätného získavania tepla (rekuperácia) nie je možné použiť. Teplo môže byť použité na vykurovanie vody v ústrednom kúrení alebo na ohrev vzduchu, ak je vykurovanie objektu teplovzdušné. Nevýhoda tohto systému je, že vetracieho vzduchu je k dispozícii len obmedzené množstvo, takže tepelné čerpadlo kryje len časť tepelnej straty objektu – približne tú, ktorá je potrebná na ohrev vetracieho vzduchu. Vždy je teda potrebný ešte ďalší zdroj pre krytie tepelnej straty konštrukciami, prípadne i pre ohrev vody. Na trhu sú dostupné tepelné čerpadlá s integrovanými ventilátormi, ktoré možno použiť ako centrálnu vetraciu jednotku domu.


Vykurovací faktor

Pomer tepelného výkonu (t.j. odovzdaného vykurovacieho výkonu) a spotrebovanej energie (t.j. elektrického príkonu na pohon tepelného čerpadla) je kľúčovým parametrom tepelného čerpadla a nazýva sa vykurovací faktor. Výrobcovia tepelných čerpadiel ho označujú aj ako výkonové číslo. Vypočíta sa nasledovne: ε= Q/E.

vykurovaci_faktor

Hodnota vykurovacieho faktora sa pohybuje v rozmedzí od 2 do 5 a závisí od vstupnej a výstupnej teploty, typu kompresora a ďalších faktorov.

Niektorí výrobcovia niekedy nazapočítavajú pri výpočte vykurovacieho faktoru spotrebu obehových čerpadiel (alebo ventilátorov), ktoré sú nevyhnutné pre prevádzku tepelného čerpadla. Skutočný vykurovací faktor sa potom môže od údajov z propagačných prospektov značne líšiť.

Na dosiahnutie minimálnej spotreby pohonnej energie a na dosiahnutie čo najvyššej hodnoty vykurovacieho faktora je potrebné:

  • Teplota zdroja nízkopotenciálneho tepla má byť čo najvyššia, nesmie však presiahnuť maximálnu teplotu povolenú výrobcom pre daný typ tepelného čerpadla. Jeho výdatnosť musí byť dostatočná a ochladenie teplonosnej látky (chladiva) vo výparníku primerané, aby vyparovacia teplota nemusela byť zbytočne nízka. Okrem zníženého vykurovacieho faktoru totiž môže dôjsť k obmedzeniu funkčnosti tepelného čerpadla, napr. zamrznutím zdrojovej vody.
  • Rozdiel teplôt na vstupe a výstupe má byť čo najnižšií, maximálna pracovná teplota tepelného čerpadla na výstupe by mala byť okolo 55 °C. Používanie tepelného čerpadla je teda výhodné v kombinácii s nízkoteplotným vykurovacím systémom (napr. podlahové vykurovanie). Čím menší rozdiel hladín teplôt musí tepelné čerpadlo prekonávať, tým menej energie spotrebuje a tým vyšší má vykurovací faktor.

Vykurovací faktor počas roka kolíše v závislosti na vstupnej a výstupnej teplote tepelného čerpadla. Priemerný ročný vykurovací faktor je pomerom celoročnej spotreby energie a celoročnej výroby tepla a používa sa pre vyhodnocovanie prevádzky. Bežne tepelné čerpadlá dodajú za ideálnych podmienok trikrát až štyrikrát viac tepla, než spotrebujú elektriny na svoju prevádzku.


Typy tepelných čerpadiel

Na vykurovanie rodinných domov a menších objektov používajú takmer výlučne tepelné čerpadlá s kompresorom, ktorý je poháňaný elektromotorom. Kompresor možno poháňať aj akýmkoľvek iným motorom (napr. na zemný plyn). Pre relatívne malé výkony sú elektrické tepelné čerpadlá najvýhodnejšie.

Podľa druhu ochladzovaného a ohrievaného média rozlišujeme rôzne typy tepelných čerpadiel:

Typ tepelného čerpadla Možnosti použitia
Vzduch - Voda   Univerzálny typ, pre ústredné vykurovanie
Vzduch - Vzduch   Doplnkový zdroj tepla, teplovzdušné vykurovanie, klimatizácia
Voda - Voda   Využitie odpadového tepla, geotermálna energia, ústredné vykurovanie
Nemrznúca kvapalina - Voda   Univerzálny typ pre ústredné vykurovanie, zdrojom tepla je najčastejšie vrt alebo pôdny kolektor
Voda - Vzduch   Teplovzdušné vykurovacie systémy



Tepelné čerpadlá s bivalentnou prevádzkou

Spotreba tepla na vykurovanie sa počas roka mení. Pokrytie celej spotreby tepla tepelným čerpadlom by teda vo väčšine prípadov nebolo ekonomické (väčšie tepelné čerpadlá a ďalšie vrty výrazne zvyšujú vstupné náklady). Preto sa systém dopĺňa ďalším špičkovým zdrojom tepla, obvykle elektrickým kotlom. Tento zdroj slúži aj ako záloha pre prípad výpadku tepelného čerpadla. Ako iný bivalentný zdroj možno použiť krb alebo iný interiérový zdroj tepla, ktorý nemusí byť napojený na systém ústredného vykurovania.

Systém v bivalentnej prevádzke funguje tak, že v určitom čase (napr. počas mrazov) je v prevádzke okrem tepelného čerpadla aj druhý zdroj tepla. Inštalovaný tepelný výkon tepelného čerpadla je v takomto režime nižší než je maximálny potrebný výkon (obvykle 50 – 75 %). Pri správne navrhnutom systéme špičkový zdroj dodáva iba 10 – 15 % celkovej spotreby tepla. Pri tepelných čerpadlách ochladzujúcich vonkajší vzduch je bivalentný zdroj nevyhnutný, aby bolo možné vykurovanie aj v období, kedy vonkajšia teplota klesne pod -12 °C.


Tepelné čerpadlá s monolentnou prevádzkou

Pri moderných, dobre izolovaných menších objektoch (napr. rodinných domoch) s tepelnou stratou do 10 kW je možné navrhnúť tepelné čerpadlo ako jediný zdroj tepla. Investičné náklady sa výrazne nezvýšia. Výhodou je najmä úspora prevádzkových nákladov. V súčasnosti konečná platba za elektrinu značne závisí od veľkosti hlavného ističa a preto úspora "za istič" môže byť výhodná. Iný spôsob zníženia veľkosti hlavného ističa je použitie neelektrického bivalentného zdroja.


Výber lokality a pravidlá dimenzovania

Tepelné čerpadlá na vykurovanie možno použiť takmer všade. Na ich dimenzovanie je dôležité poznať spotrebu tepla a teplej úžitkovej vody a ďalšie podmienky:

  • Elektrická prípojka musí umožniť pripojenie tepelného čerpadla (dostatočný príkon).
  • Vždy sa oplatí najprv dobre zatepliť objekt (potom postačia menšie a lacnejšie technológie, kratšie vrty atď).
  • Vzduchové tepelné čerpadlo nie je výhodné používať v drsnejších klimatických podmienkach, kde vonkajšie teploty klesajú pod -15 °C (horské oblasti). Pri tomto type treba nájsť vhodné umiestnenie vonkajšej jednotky (hlučnosť, obmedzenie prietoku vzduchu, námrazy).
  • V prípade využitia hlbinných vrtov je dobré vopred poznať geologické podmienky v podloží, aby nedošlo k ich poškodeniu (napr. k tzv. "zatvoreniu vrtu"). Vykonanie vrtu v 1. a v 2. ochrannom pásme kúpeľov a minerálnych vôd je upravené osobitnými predpismi.
  • Pri využití podzemnej vody je podmienkou dostatočná výdatnosť zdroja vody a vhodné chemické zloženie (hrozí inkrustácia výmenníka tepelného čerpadla).
  • Pri využití podpovrchových vôd sa platia poplatky správcovi toku, prípadne stočné.

Tepelné čerpadlá sa najčastejšie používajú na vykurovanie a klimatizáciu budov. V kancelárskych priestoroch sa často využíva možnosť reverzného chodu, kedy tepelné čerpadlo v lete ochladzuje vzduch v miestnostiach, zatiaľ čo v zime vykuruje interiér.

Porovnanie emisií vzniknutých v dôsledku spotreby elektriny pre pohon tepelného čerpadla s emisiami vzniknutými pri spaľovaní tuhých palív (napr. v kotli) ukazuje, že od hodnoty priemerného ročného vykurovacieho faktora 2,33 dochádza k ich zníženiu (ak uvažujeme so stratami pri výrobe a prenose elektriny 70 % a pri spaľovaní tuhých palív 30 %).


Ekonomika prevádzky

Ekonomická návratnosť tepelného čerpadla je paradoxne najvyššia pri stavbách s vysokou spotrebou tepla. Pri nízkoenergetických alebo dokonca pasívnych domoch, kde je spotreba až desaťkrát nižšia než pri bežných domoch, je úspora nákladov na vykurovanie pomerne malá, a tým rastie aj doba návratnosti tepelného čerpadla.

Dôležité je aj to, že domácnosti vykurované tepelným čerpadlom majú k dispozícii elektrinu v nízkej tarife po dobu 22 hodín denne. Náklady na elektrinu na osvetlenie, chladničku, práčku a ostatné domáce spotrebiče tak môžu byť výrazne nižšie než v domoch vykurovaných plynom, drevom a podobne. Pri ročnej spotrebe domácnosti okolo 4 000 kWh/rok je úspora až 400 €.

  Starší nezateplený dom Pasívny dom
  Spotreba za rok 26 000 kWh 2 600 kWh
  Náklady na elektrické vykurovanie 2 040 € 360 €
  Náklady na vykurovanie tepelným čerpadlom 640 € 120 €
  Ročná úspora 1 400 € 240 €
  Investičné náklady na tepelné čerpadlo 14 000 € 4 800 €
  Jednoduchá návratnosť 10 rokov 20 rokov

 

 

 
 

energoplan3