Využitie mini hybridného tepelného čerpadla s akumuláciou tepla na vykurovanie budov
Časopis TZB Haustechnik 
Tepelné čerpadlá sú kľúčové na dosiahnutie klimatickej neutrality a zníženie emisií CO2. Článok sa zameriava na inteligentné hybridné tepelné miničerpadlo, ktoré v lete získava teplo zo vzduchu alebo solárnych kolektorov a ukladá ho do podzemného zásobníka pre zimné vykurovanie.
Testované tepelné čerpadlo voda – voda dosiahlo najvyšší koeficient výkonnosti (COP) 6,71 pri teplote zdroja energie 14 °C. Výsledky naznačujú, že toto čerpadlo sa dá efektívne využiť na akumuláciu tepla a následne na vykurovanie. V kombinácii so solárnymi panelmi možno v lete prepnúť na obehové čerpadlo a v zime využiť fotovoltické panely na výrobu elektriny pre tepelné čerpadlo. To prispieva k lepšej energetickej a emisnej bilancii budovy.
Energia sa získava prevažne z obmedzených zdrojov, ako sú fosílne palivá, čo má negatívny vplyv na životné prostredie a ľudské zdravie. Alternatívou sú nízkopotenciálne zdroje tepla z okolitého prostredia, ktoré sa dajú premeniť na užitočné teplo pomocou tepelných čerpadiel (TČ) [1]. Tie efektívne využívajú obnoviteľnú energiu a znižujú emisie CO2.
Nízkopotenciálne teplo zahŕňa teplo s teplotou nižšou ako 150 °C zo slnečného žiarenia a z geotermálnej energie a odpadové teplo z priemyselnej činnosti. Transformácia tohto tepla je však komplikovaná, pričom TČ sú zatiaľ najefektívnejším spôsobom jeho využitia [2]. Európska komisia plánuje znížiť emisie CO2 v sektore budov do roku 2050 o 90 %. TČ s elektrickým pohonom prenesú tri- až štyrikrát viac tepla, ako je spotrebovaná energia, čiže ich koeficient výkonnosti (COP) môže byť 3 alebo 4 [3]. COP závisí od vonkajšej teploty.
Výskumom sezónneho faktora výkonnosti (SPF) TČ vzduch – voda sa zaoberali Kazjonovs a kol. [4]. Neubert a kol. sledovali prevádzkové charakteristiky hybridného TČ v rodinnom dome a zistili zníženie emisií fosílneho CO2 o 61 % [5]. Nakos a kol. porovnávali výkonnosť TČ s predchádzajúcimi typmi a potvrdili ich vyššiu účinnosť, ale aj veľký rozptyl vo výkonnosti [6].
Michopoulos a kol. skúmali potenciál autonómnych zemných TČ a ich veľkosť v závislosti od budovy [7]. Healy a Ugursal skúmali výkonnosť a ekonomickú realizovateľnosť geotermálnych TČ (GSHP) a zistili, že sú ekonomicky výhodnejšie ako konvenčné systémy [8]. Dlhodobá prevádzka GSHP v teplých oblastiach však môže spôsobovať akumuláciu tepla v podzemí a zhoršenie chladiacej výkonnosti [9].
Článok sa zaoberá hybridným mini TČ na získavanie tepla v lete, na akumuláciu v podzemnom zásobníku a využitie v zime. Toto TČ môže získavať teplo z okolia alebo zo solárnych kolektorov. Použité TČ voda – voda je určené pre malé množstvá energie s nízkou spotrebou elektrickej energie. Merali sa jeho vstupné a výstupné parametre, vypočítal COP a vytvoril regresný model.
Systémy akumulácie tepelnej energie sa využívajú v rôznych aplikáciách vrátane TČ [10, 11, 12]. Integrácia akumulácie do TČ môže byť krátkodobá alebo dlhodobá [13]. Jednotky akumulácie tepelnej energie sa dajú integrovať do kondenzátora alebo výparníka TČ [14]. Yıldız a kol. zistili, že pridanie materiálu s fázovou premenou znižuje čas ohrevu a COP pri TČ voda – voda s akumuláciou [14]. Akumuláciu však možno použiť aj pri TČ vzduch – voda, ktoré sú energeticky efektívnejšie, ale majú vyššie prevádzkové náklady [15].
Pre efektívne využitie TČ je dôležitá akumulácia tepla. Systémy akumulácie tepelnej energie umožňujú uskladniť teplo v lete a využiť ho v zime na vykurovanie. Akumulácia tepla môže byť realizovaná rôznymi spôsobmi, napríklad pomocou citeľného, latentného alebo termochemického akumulovania tepla. Mini hybridné TČ kombinuje výhody TČ s akumuláciou tepla. V lete získava teplo z prostredia alebo zo solárnych kolektorov a ukladá ho do podzemného zásobníka.
V zime sa uskladnené teplo využíva na vykurovanie. Takéto systémy sú vhodné pre rodinné domy a menšie budovy. Výskum a vývoj v oblasti TČ a akumulácie tepla neustále napreduje. Cieľom je zvýšiť účinnosť TČ, znížiť ich cenu a zlepšiť integráciu s obnoviteľnými zdrojmi energie. V budúcnosti by TČ mohli zohrávať kľúčovú úlohu pri dekarbonizácii vykurovania a chladenia budov.
Metodika
Experimentálne zariadenie pozostáva z okruhu mini hybridného tepelného čerpadla s chladivom R140a a z ďalších okruhov pre výmenu tepla. Voda je teplonosným médiom v primárnom, sekundárnom a terciárnom okruhu. Elektrický príkon tepelného čerpadla je približne 380 W, v závislosti od teplôt zdroja a spotrebiča tepla. Dve obehové čerpadlá zabezpečujú cirkuláciu vody. Zapojenie komponentov je znázornené na obr. 1.
1) obehové čerpadlo sekundárneho okruhu, 2) obehové čerpadlo primárneho okruhu, 3) obehové čerpadlo terciárneho okruhu, 4) kompresor, A) kondenzátor, B) výparník, C) oddeľovací výmenník tepla
| Zdroj: UNIZA
Cirkulácia vody je rozdelená na tri okruhy: primárny, sekundárny a terciárny, pričom sekundárny a terciárny okruh sú spojené s vodnou nádržou. Primárny okruh prepája tepelné čerpadlo s terciárnym okruhom. Výparník odoberá teplo z primárneho okruhu a ochladzuje vodu, ktorá následne prúdi do výmenníka terciárneho okruhu. Terciárny okruh je potrebný vzhľadom na konštrukciu tepelného čerpadla.
Samostatný výmenník umožňuje odoberať teplo z rôznych zdrojov (zem, voda, vzduch, solárne panely). Teplo z výparníka sa v kondenzátore prenáša do sekundárneho okruhu, kde ohrieva vodu, ktorá následne odovzdáva teplo vodnej nádrži. Nádrž slúži ako zdroj a zároveň spotrebič tepla.
Tepelné čerpadlo bolo zostrojené externe a následne inštalované v laboratóriu (obr. 2). Potrubia sú izolované 20 mm penovou izoláciou. Teploty vody sa merali PT100 snímačmi na piatich miestach s presnosťou ± 0,01 °C.
1) tepelné čerpadlo, 2) nádoba s vodou, 3) výmenník tepla, 4) obehové čerpadlo terciárneho obehu, 5) snímač teploty, 6) prietokomer, 7) prevodník prúdu a napätia, 8) meracia ústredňa, 9) PC | Zdroj: UNIZA
Objemový prietok v primárnom a sekundárnom okruhu sa meral magnetickým prietokomerom s presnosťou ± 1 %. Tepelný výkon bol určený kalorimetrickou rovnicou. Pre výpočet COP bola zaznamenaná spotreba elektrickej energie kompresora. Elektrický prúd a napätie boli snímané a spracované na signál 4 – 20 mA pre dátový záznamník. K nemu boli pripojené aj snímače teploty a prietokomery.
Počiatočná teplota zdroja a nádrže bola 10 °C. Teplota v nádrži bola homogenizovaná miešadlom, následne sa spustilo meranie. Teplota vody v nádrži, ktorá slúžila ako zdroj aj spotrebič tepla, rástla pomalšie, v závislosti od energie dodanej kompresorom. Účinnosť tepelného čerpadla je vyjadrená koeficientom výkonnosti (COP), čo je pomer tepelného výkonu a spotreby elektrickej energie kompresora. COP bol vypočítaný podľa rovníc (1) a (2).
Teploty boli interpretované metódou regresnej štatistiky. Čas bol zvolený ako premenná x. Pre všetky teploty bola použitá polynomická regresia 2. stupňa.
|
Teplota zdroja (°C) |
12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 |
| Priemerné COP | 6,63 | 6,71 | 6,57 | 6,50 | 6,39 | 6,25 | 6,12 | 5,98 |
5,81 |
Tab. 1 Hodnota COP v závislosti od teploty zdroja
Výsledky
Po meraní prevádzkových parametrov experimentálneho zariadenia boli všetky výsledky spracované pomocou regresnej štatistickej analýzy, pričom z týchto hodnôt sa následne odvodili charakteristiky tepelného čerpadla. Výsledky nameraných hodnôt a uvedených odvodených parametrov boli zobrazené na samostatných grafoch v závislosti od teploty zdroja v nádrži.
Regresná štatistická metóda s polynomickou regresnou funkciou 2. stupňa bola použitá s cieľom vytvoriť funkčný matematický model vyjadrujúci vzájomnú koreláciu teploty T5 (v nádobe) a času od začiatku merania. Táto metóda najpresnejšie zodpovedala vývoju teploty T5. Polynomická regresia 2. stupňa bola zvolená pre všetky teploty, ktoré mali relatívne spojitý konkávny vývoj.
Nárast teploty bol spojitý bez výrazných fluktuácií a v priebehu času závisel od teploty zdroja tepla. Tá sa zvýšila len o hodnotu energie dodanej kompresorom, pretože zdroj tepla bol zároveň aj jeho spotrebiteľom.
Regresná analýza s polynomickou funkciou sa vykonala aj na nameraných objemových prietokoch. Priebehy v primárnom a sekundárnom okruhu boli zaznamenávané s veľmi malým časovým intervalom 1 sekundy. Z tohto dôvodu bolo každé meranie presnejšie, ale databáza obsahovala veľké množstvo nameraných veličín. Teplota sa počas časového intervalu realizovaných meraní výrazne nezmenila.
Záver
Ľudia by mali využívať obnoviteľné zdroje energie, aby znížili svoju závislosť od obmedzených prírodných zdrojov a znížili negatívny vplyv na životné prostredie. Tepelné čerpadlá umožňujú premeniť nízkopotenciálne teplo z prostredia na užitočné teplo pre vykurovanie. Ďalšou možnosťou je akumulácia tepla v lete a jeho následné využitie v zime.
Inteligentné hybridné mini TČ kombinujú oba tieto prístupy. V lete akumulujú teplo a v zime ho využívajú na vykurovanie. Merania ukázali, že teplota zdroja energie je kľúčovým parametrom ovplyvňujúcim výkonnosť TČ. So zvyšujúcou sa teplotou zdroja sa zvyšuje aj množstvo získaného tepla, no znižuje sa koeficient výkonnosti (COP) z dôvodu tepelných strát. Analýza výsledkov potvrdila, že inteligentné hybridné mini TČ sú vhodné pre akumuláciu tepla a jeho následné využitie.
V kombinácii so solárnymi panelmi možno v lete prepnúť na obehové čerpadlo a v zime využiť fotovoltické panely pre pohon TČ. To prispieva k zníženiu emisií CO2 a zlepšuje energetickú bilanciu budovy. V porovnaní s kotlami na tuhé palivá, TČ s prihliadnutím na COP znižujú produkciu CO2 o viac ako 90 %.
Práca bola financovaná prostredníctvom projektov KEGA 035ŽU-4-2024 Vetracie a klimatizačné systémy pre čisté priestory a VEGA 1/0633/23 Optimalizácia prúdového poľa zamedzujúceho šírenie COVI-19 a ďalších vírusov a baktérií k pacientovi.
Príspevok bol prezentovaný na konferencii Vykurovanie 2025 a publikovaný v zborníku z tejto konferencie, ktorý vydáva Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia.
Literatúra
- Esen, H., Inalli, M., Esen, M. Numerical and experimental analysis of a horizontal ground-coupled heat pump system. Building and Environment, 2007, Volume 42, Issue 3, Pages 1126-1134. DOI: 1016/j.buildenv.2005.11.027.
- Wang, R.Z., Xu, Z. Y., Hu, B., Du, S., Pan, Q. W., Jiang, L., Wang, L. W. Heat pumps for efficient low grade heat uses: from concept to application. Thermal Science & Engineering, 2019, Volume 27, No.
- Valancius, R., Singh, R. M., Jurelionis, A., Vaiciunas, J. A review of heat pump systems and applications in cold climates: evidence from Lithuania. Energies, 2019, 12, 4331. DOI:10.3390/en12224331.
- Kazjonovs, J., Sipkevics, A., Jakovics, A., Dancigs, A., Bajare, D., Dancigs, L. Performance analysis of air-to-water heat pump in Latvian climate conditions. Environmental and Climate Technologies, 2014. DOI: 1515/rtuect-2014-0009.
- Neubert, D.; Glück, C.; Schnitzius, J.; Marko, A.; Wapler, J.; Bongs, C.; Felsmann, C. Analysis of the operation characteristics of a hybrid heat pump in an existing multifamily house based on field test data and simulation. Energies 2022, 15, 5611. DOI:10.3390/en15155611.
- Nakos, H., Haglund Stignor, C., Andersson, K., Lidbom, P., Thyberg, S. Air-to-air heat pumps evaluated for Nordic climatestrends and standards. 11th IEA Heat Pump Conference, 2014, May 12-16 2014, Montréal (Québec)
- Michopoulos, A., Papakostas, K.T., Kyriakis, N. Potential of autonomous ground- coupled heat pump system installations in Greece. Applied Energy, 2011, 88, p. 2122–2129. DOI: 1016/j.apenergy.2010.12.061.
- Healy, P.F.; Ugursal, V.I. Performance and economic feasibility of ground source heat pumps in cold climates. Int. J. Energy Res. 1997, 21, p. 857–870.
- Zhou, A., Cui, W., Li, Z., Liu, X. Feasibility study on two schemes for alleviating the underground heat accumulation of the ground source heat pump. Sustainable Cities and Society, 24, 2016, p. 1-9. DOI: 1016/j.scs.2016.03.014
- Badescu, V. Model of a thermal energy storage device integrated into a solar assisted heat pump system for space heating. Energy Conversion and Management, 44, 2003, p. 1589-1604.
- Qi, Q., Deng, S., Jiang, Y. A simulation study on a solar heat pump heating system with seasonal latent heat storage. Solar Energy, 82, 2008, p. 669–675. DOI: 10.1016/j.solener.2008.02.017.
- Lizana, J., Chacartegui, R., Barrios-Padura, A., Valverde, J.M. Advances in thermal energy storage materials and their applications towards zero energy buildings: a critical Applied Energy, 203, 2017, p. 219-239.DOI:10.1016/j.apenergy.2017.06.008.
- Cabeza, L.F., Solé, A., Barreneche C. Review on sorption materials and technologies for heat pumps and thermal energy storage. Renewable Energy, 110, 2017, p. 3-39. DOI:10.1016/j.renene.2016.09.059.
- Yıldız, C., Seçilmiş, M., Arıcı, M., Mert, M. S., Nižetić, S., Karabay, H. An experimental study on a solar-assisted heat pump incorporated with PCM based thermal energy storage unit. Energy, 278, 2023, 128035. DOI: 1016/j.energy.2023.128035.
- Yu, M., Li, S., Zhang, X., Zhao Y. Techno-economic analysis of air source heat pump combined with latent thermal energy storage applied for space heating in China. Applied Thermal Engineering, 185, 2021, 116434. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.116434.
TEXT A FOTO: Ing. Alexander Čaja, PhD., prof. RNDr. Milan Malcho, CSc., doc. Ing. Michal Holubčík, PhD., Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity v Žiline
ILUSTRAČNÝ OBRÁZOK: Shutterstock
