Obr. 4 Pohฤพad na chladiace zariadenie sย chladiacim vรฝkonom 35 kW

Ekologickรฉ chladivรก vย chladiacej technike aย vย technike tepelnรฝch ฤerpadiel

Partneri sekcie:

Chladiace zariadenia a tepelnรฉ ฤerpadlรก s parnรฝm kompresorovรฝm obehom obsahujรบ aj pohonnรฉ elektromotory, ktorรฉ je nutnรฉ napรกjaลฅ elektrickou energiou. Moลพno ich pritom deliลฅ na energeticky nezรกvislรฉ (napรกjanรฉ z obnoviteฤพnรฝch zdrojov, napr. z fotovoltiky) alebo na ฤiastoฤne zรกvislรฉ (napรกjanรฉ z elektrickej distribuฤnej siete).

Trendy vย chladiacej technike aย vย technike tepelnรฝch ฤerpadiel รบzko sรบvisia sย moลพnosลฅami technicky aย ekologicky vhodnรฉho prevรกdzkovania zariadenรญ sย chladivami. Prรกve chladivรก pritom preลกli poฤas ostatnรฉho jeden aย pol storoฤia bรบrlivรฝm rozvojom.

Chladivo je pracovnรก lรกtka, pomocou ktorej sa vย chladiacom zariadenรญ alebo vย tepelnom ฤerpadle uskutoฤลˆuje termodynamickรฝ obeh. Poฤas neho sa prijรญma tepelnรฝ tok zย chladenej lรกtky pri nรญzkom tlaku aย teplote aย odovzdรกva tepelnรฝ tok do lรกtky pri vyลกลกom tlaku aย najmรค teplote.

Pri takomto obehu (parnรฝ kompresorovรฝ obeh) chladivo menรญ svoje skupenstvo zย kvapalnรฉho stavu na parnรฉ aย naopak. Ako chladivรก sa pouลพรญvajรบ jednozloลพkovรฉ (vย podstate chemickรฉ) zlรบฤeniny aย tieลพ ich zmesi โ€“ zeotropickรฉ alebo azeotropickรฉ.

Skupenskรก zmena zย kvapalnej do parnej aย naopak prebieha pri jednozloลพkovej alebo azeotropickej zmesi chladiva pri urฤitom tlaku aย pribliลพne konลกtantnej teplote. Pouลพitรญm zeotropickej zmesi chladรญv sa skupenskรฉ zmeny uskutoฤลˆujรบ pri meniacej sa teplote โ€“ na poฤiatku vyparovania je inรก teplota ako na konci procesu. Tento rozdiel zmeny teplรดt sa oznaฤuje ako โ€žteplotnรฝ sklzโ€œ.

Chladivรก vhodnรฉ do parnรฝch kompresorovรฝch obehov rozliลกujeme podฤพa pรดvodu [1] na:

  1. prรญrodnรฉ lรกtky, vyskytujรบce sa aj vo voฤพnej prรญrode,
  2. ฤistรฉ uhฤพovodรญky,
  3. halogรฉnovanรฉ uhฤพovodรญky (umelo vyrobenรฉ lรกtky) ako chladivรก.

Vรฝvoj chladรญv pre chladiacu techniku aย techniku tepelnรฝch ฤerpadiel

Pracovnรฉ lรกtky pouลพรญvanรฉ vย chladiacich zariadeniach aย vย tepelnรฝch ฤerpadlรกch preลกli bรบrlivรฝm vรฝvojom najmรค zย dรดvodu ich ekologickรฝch vlastnostรญ [2].

Vย sรบฤasnosti sa preferujรบ chladivรก sย prijateฤพnรฝmi nรญzkymi hodnotami ekologickรฝch ukazovateฤพov (napr. GWP, sklenรญkovรฝ potenciรกl pouลพitรฉho chladiva), ako sรบ fluorovodรญk R 32, resp. R407H, ฤalej prรญrodnรฉ lรกtky โ€žzelenรฉ chladivรกโ€œ, priฤom ako perspektรญvne sa ukazuje aj chladivo R 744 (oxid uhliฤitรฝ, COโ‚‚).

Oxid uhliฤitรฝ bude maลฅ ako staronovรฉ chladivo uplatnenie aj pri tepelnรฝch ฤerpadlรกch, aย to vฤaka vรฝvoju technolรณgie vรฝroby kompresorov na chladenie potravรญn. Historickรฝ vรฝvoj pouลพitia chladรญv sa vyznaฤoval rรดznymi charakteristikami. Vย prรญpade prvej generรกcie sa ako funkฤnรฉ chladivรก pouลพรญvali toxickรฉ horฤพavรฉ lรกtky, prchavรฉ zlรบฤeniny, ale aj amoniak, oxid uhliฤitรฝ aย voda.

Pri druhej generรกcii sa sย cieฤพom bezpeฤnosti aย trvanlivosti vyvinuli halogรฉnovanรฉ uhฤพovodรญky, aย to ako ฤasovo stรกle, netoxickรฉ aย nehorฤพavรฉ zlรบฤeniny, no iba dovtedy, kรฝm nepriลกlo konลกtatovanie nebezpeฤenstva narรบลกania ozรณnovej vrstvy Zeme.

Tretia generรกcia vรฝvoja sa sรบstredila na ochranu ozรณnovej vrstvy, aย to zรกkazom vรฝroby aย pouลพitia chlรณrovanรฝch uhฤพovodรญkov aย ich nรกhradou fluรณrovanรฝmi uhฤพovodรญkmi. ล tvrtรก generรกcia je zameranรก na zmiernenie sklenรญkovรฉho efektu zaprรญฤinenรฉho ฤinnosลฅou ฤพudstva.

Obr. 1 Historickรฝ vรฝvoj chladรญv [2]
Obr. 1 Historickรฝ vรฝvoj chladรญv [2] |

Pracovnรฉ lรกtky pre ฤinnosลฅ tepelnรฉho ฤerpadla

Vย sรบฤasnosti pracuje vรคฤลกina tepelnรฝch ฤerpadiel (TฤŒ) sย parnรฝmi kompresorovรฝmi obehmi, aj keฤ existujรบ TฤŒ fungujรบce na inรฝch princรญpoch โ€“ naprรญklad absorpฤnรฝch, adsorpฤnรฝch ฤi paroprรบdovรฝch obehoch โ€“, alebo ide oย termoelektrickรฉ TฤŒ [4].

Na obr. 2 sรบ uvedenรฉ ekologickรฉ ukazovatele vybranรฝch chladรญv tepelnรฝch ฤerpadiel [5, 6 aย 7]. Chladivรก ako pracovnรฉ lรกtky vย obehoch chladiacich aย klimatizaฤnรฝch zariadenรญ aย tepelnรฝch ฤerpadiel mali aย majรบ pri รบniku do atmosfรฉry Zeme tieto negatรญvne vplyvy:

  • poลกkodzujรบ (rozkladajรบ) stratosfรฉrickรบ ochrannรบ ozรณnovรบ vrstvu,
  • vytvรกrajรบ sklenรญkovรฝ efekt (prispievajรบc ku globรกlnemu otepฤพovaniu atmosfรฉry),
  • spรดsobujรบ fotochemickรฉ reakcie,
  • zneฤisลฅujรบ ovzduลกie.

Donedรกvna prevlรกdali jednozloลพkovรฉ (ฤistรฉ) lรกtky, ktorรฉ sa pouลพรญvali vย obehoch kompresorovรฝch tepelnรฝch ฤerpadiel. Vย 90. rokoch minulรฉho storoฤia sa zaฤali uplatลˆovaลฅ vย kompresorovรฝch obehoch azeotropnรฉ aj neazeo-tropnรฉ zmesi chladรญv [2].

Vย roku 1974 bola prvรฝkrรกt uverejnenรก teรณria oย rozklade stratosfรฉrickรฉho ozรณnu chlรณrom. Predpokladalo sa, ลพe rozklad ozรณnu zaprรญฤiลˆujรบ predovลกetkรฝm produkty rozkladu halogรฉnovanรฝch uhฤพovodรญkov. Na zรกklade tejto teรณrie sa zaฤal rozsiahly vรฝskum, ktorรฉho vรฝsledky si vynรบtili celosvetovรฉ obmedzenie, prรญpadne ukonฤenie vรฝroby halogรฉnovanรฝch uhฤพovodรญkov sย vysokรฝm potenciรกlom rozkladu ozรณnovej vrstvy Zeme.

Ozรณn vย stratosfรฉrickej vrstve atmosfรฉry absorbuje vรคฤลกiu ฤasลฅ ultrafialovรฉho ลพiarenia dopadajรบceho na Zem. Znรญลพenรญm koncaentrรกcie ozรณnu sa zvyลกuje pรดsobenie ultrafialovรฉho ลพiarenia na zemskรฝ povrch, ฤo mรก nebezpeฤnรฉ รบฤinky na ลพivรฉ organizmy, aย teda aj na ฤloveka.

รšsilie oย ochranu ozรณnovej vrstvy Zeme vyรบstilo do medzinรกrodnรฝch dohรดd, ktorรฝch cieฤพom je zabrรกniลฅ ฤalลกiemu รบniku lรกtok poลกkodzujรบcich ozรณnovรบ vrstvu atmosfรฉry do ovzduลกia. Ide oย Viedenskรบ dohodu oย ochrane ozรณnovej vrstvy zย roku 1985, Montrealskรฝ protokol zย roku 1987, jeho Londรฝnsky dodatok zย roku 1990 aย Kodanskรฝ dodatok zย roku 1992.

Pouลพรญvanie lรกtok poลกkodzujรบcich ozรณnovรบ vrstvu Zeme sa podฤพa tรฝchto medzinรกrodnรฝch dohรดd musรญ skonฤiลฅ vย poลพadovanรฝch termรญnoch (podฤพa Londรฝnskeho dodatku, na ktorรฝ uลพ Slovenskรก republika pristรบpila, to bolo vย rokoch 1997 aลพ 2000 podฤพa jednotlivรฝch druhov lรกtok).

Slovenskรก republika nie je vรฝrobcom lรกtok poลกkodzujรบcich ozรณnovรบ vrstvu Zeme, preto sa uย nรกs sรบstredรญme na technickรฉ podmienky prevรกdzky existujรบcich aย novoinลกtalovanรฝch zariadenรญ. Zย legislatรญvneho hฤพadiska pravidlรก nakladania sย lรกtkami poลกkodzujรบcimi ozรณnovรบ vrstvu Zeme upravuje zรกkon ฤ. 408/2000 Z. z., ktorรฝ je รบฤinnรฝ od 1. 1. 2001.

Zย ekologickรฉho hฤพadiska boli snahy pouลพรญvaลฅ vย chladiacej technike prรญrodnรฉ lรกtky, medzi nimi aj vodu, ฤo dosiaฤพ umoลพลˆovali absorpฤnรฉ aย adsorpฤnรฉ zariadenia. Pokusy pouลพรญvaลฅ vodu ako chladivo vย zariadeniach sย objemovรฝmi kompresormi stroskotali na tom, ลพe voda je vย stave vรกkua veฤพmi agresรญvna aย deลกtruuje pohyblivรฉ ฤasti kompresora. Samotnรฉ udrลพanie vรกkua vย zariadenรญ je takisto nรกroฤnรฉ.

Obr. 2 Ekologickรฉ ukazovatele vybranรฝch chladรญv
Obr. 2 Ekologickรฉ ukazovatele vybranรฝch chladรญv |

Vlastnosti zdroja chladu sย chladivom voda

Chladiace zariadenie pracuje sย priamym odparovanรญm vody vo vรกkuovo tesnom uzavretom obehu. Odparenรก voda vo vรฝparnรญku ochladzuje chladenรบ vodu. Radiรกlny turbokompresor stlรกฤa chladivo R 718 (voda), priฤom jeho tlak sa zvyลกuje zย tlaku vyparovania na kondenzaฤnรฝ tlak.

Kondenzรกtorom stlaฤenรก voda sa ochladzuje chladiacou vodou kondenzรกtora. Expanzia prebieha zย kondenzaฤnรฉho tlaku na tlak vyparovania. Voda mรก vo vyuลพitej oblasti teplรดt na medznej krivke sรฝtosti nรญzky tlak sย hodnotou niekoฤพko mbar.

Celรฝ termodynamickรฝ proces prebieha pri podtlaku medzi 10 aย 100 mbar aย pri zodpovedajรบcich teplotรกch medzi +5 ยฐC aย 45 ยฐC. Voda ako chladivo (nรกplลˆ vย zariadenรญ 60 l) je pri danom chladiacom vรฝkone ฤistรก, spoฤพahlivรก aย bezpeฤnรก.

Teploty chladenej vody sa zaฤรญnajรบ pri +10 ยฐC. Vychรกdzajรบc zย princรญpu chladenia, prevรกdzka chladiฤa vody je mimoriadne hospodรกrna pri teplotรกch chladenej vody okolo +22 ยฐC aย vyลกลกรญch [8, 9]. Sรบฤasnรฉ prototypovรฉ zariadenie mรก chladiaci vรฝkon 35 kW.

Pokiaฤพ by vstupnรก teplota chladiacej vody kondenzรกtora bola takisto +22 ยฐC, hodnota EER (pomer vyrobenรฉho chladiaceho vรฝkonu aย prรญkonu na pohon zariadenia) zariadenia by dosahovala hodnotu 7,9 kW/kW (obr. 3). Tieto zdroje chladu naลกli uplatnenie najmรค pri chladenรญ serverovnรญ bรกnk alebo vรฝpoฤtovรฝch stredรญsk.

Vย takรฝchto prรญpadoch je รบlohou chladiลฅ tieto priestory sย maximรกlnym vรฝkonom 35 kW na maximรกlnu teplotu priestoru 25 ยฐC. Vย jednom prรญpade, od jรบla 2016 do februรกra 2017, vyrobil zdroj chladu cca 80 kWh chladu aย spotreboval 4 MWh elektrickej energie, aย to vฤaka tomu, ลพe od oktรณbra sa zabezpeฤovalo chladenie prevaลพne vonkajลกรญm vzduchom (voฤพnรฉ chladenie โ€“ free cooling).

Pohฤพad na zdroj chladu sย chladiacim vรฝkonom je na obr. 4 [8, 9]. Vฤaka konลกtrukcii zdroja chladu, ลกpeciรกlne upravenej regulรกcii aย riadeniu moลพno plynule prepรญnaลฅ medzi prevรกdzkovรฝmi stavmi voฤพnรฉ chladenie, jednostupลˆovรก prevรกdzka alebo dvojstupลˆovรก prevรกdzka, aย to aj pri plnom chladiacom vรฝkone, aj pri ฤiastoฤnom zaลฅaลพenรญ.

Teplota vyrobenej chladenej vody zostรกva pri prepรญnanรญ chladiaceho vรฝkonu prakticky ustรกlenรก.
Zariadenie je vย prevรกdzkovom reลพime voฤพnรฉho chladenia, keฤ je teplota chladiacej vody kondenzรกtora na vstupe len oย nieฤo niลพลกia, ako je poลพadovanรก teplota chladenej vody na vรฝstupe zo zariadenia.

Vย takomto prevรกdzkovom stave sa dosahujรบ veฤพmi vysokรฉ hodnoty EER. Na obr. 5 sรบ znรกzornenรฉ usporiadania kompaktnรฝch hermetickรฝch vรฝmennรญkov, ktorรฉ tvoria vรฝparnรญk aย kondenzรกtor zdroja chladu.

Obr. 3 Priebeh hodnรดt EER (Energy Efficienvcy Ratio) vย zรกvislosti od teploty chladiacej vody kondenzรกtora
Obr. 3 Priebeh hodnรดt EER (Energy Efficienvcy Ratio) vย zรกvislosti od teploty chladiacej vody kondenzรกtora |

Zรกver

Pouลพitie chladiacich zariadenรญ, ako sรบ aj tepelnรฉ ฤerpadlรก, na vykurovanie, prรญpravu teplej vody aย na chladenie vย budovรกch mรก jasnรบ budรบcnosลฅ aj vย sรบvislosti sย dekarbonizรกciou energetiky. Prehฤพad moลพnรฝch pouลพitรฝch chladรญv pritom, samozrejme, nie je stรกle รบplnรฝ. Vyvรญjajรบ sa ฤalลกie zmesi, aย to nielen nรกhrady za halogรฉnovanรฉ chladivรก, ale aj prรญrodnรฉ, โ€žzelenรฉโ€œ chladivรก.

Na zรกver opรญsanรฉ chladiace zariadenie sย ekologickรฝm chladivom naลกlo uplatnenie pri รบspeลกnom prevรกdzkovanรญ chladenia serverovnรญ administratรญvnych budov. Je pravdepodobnรฉ, ลพe nรกjde uplatnenie aj vย budovรกch zย inรฝch oblastรญ, kde prichรกdza do รบvahy vysokoteplotnรฉ chladenie, ฤi uลพ pri vzduchotechnickรฝch zariadeniach, alebo pri systรฉmoch stropnรฉho chladenia.

prof. Ing. Jรกn Takรกcs, PhD., doc. Ing. Belo Fรผri, PhD.
Autori pรดsobia na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU vย Bratislave.
Obrรกzky: archรญv autorov

Tรบto prรกcu podporilo Ministerstvo ลกkolstva, vedy, vรฝskumu aย ลกportu Slovenskej republiky prostrednรญctvom grantu KEGA 044STU-4/2018.

Literatรบra

  1. TOMLEIN, P.: Chladivรก vย tepelnรฝch ฤerpadlรกch In: Zbornรญk prรญspevkov zย 22. medzinรกrodnej konferencie Vykurovanie 2014, str. 225 โ€“ 228.
  2. CALM, J. M. โ€“ HOURAHAN, G. C.: Refrigerant Data Update, HPAC Engineering, 79(1):-64,January 2007.
  3. ZOGG, M.: Geschichte der Wรคrmepumpe โ€“ Schweizer Beitrage und internationale Meilensteine, Verfahrens und Energietechnik,CH โ€“ 3414, Obenburg, mazo@zogg-engineering.ch, Mai 2008.
  4. Meฤรกrik, K. โ€“ Havelskรฝ, V. โ€“ Fรผri, B.: Tepelnรฉ ฤerpadlรก, SNTL/Alfa 1988.
  5. LIPPOLD, H. โ€“ HEIDE, R.: Dimethylether als Kรคltemittelkomponente, Ki Luft- und Kรคltetechnik 5/1997, p. 202 โ€“ 205.
  6. FรœRI, B. โ€“ ล VINGรL, J.: Some experimental results with ammonia base azeotrop refrigerant R 723 in small heat pump. Conference IIR Papierniฤka 2009.
  7. PETRรK, M.: Chladรญcรญ technika aย tepelnรก ฤerpadla pro inteligentnรญ budovy (Vรฝpoฤtovรฉ podklady). ฤŒVUT Praha, 2013.
  8. Chlazenรญ, odbornรฝ ฤasopis pro techniku chlazenรญ aย aplikace, 1/2018, str. 32 โ€“ 34.
  9. Wasser das natรผrliche Sicherheitskรคltemittel, dostupnรฉ na www.efficient-energy.de.

ฤŒlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 3/2019.