Efektivní dodávky energie tepelnými čerpadly R290

tepelná čerpadla

Využívání regenerativních systémů výroby tepla a s tím spojené snižování emisí CO₂ jsou důležitými cíli pro budoucnost. Rozhodující roli přitom hrají tepelná čerpadla s přírodními chladivy.

Pohled na aktuální projekt na předměstí Leonberg ve Stuttgartu ukazuje, před jakými rozhodnutími v současné době inženýři a projektanti stojí, a jaké jsou vstupy při vytváření rozumného a dlouhodobého řešení pro zákazníka.

Nová budova největšího světového dodavatele automobilů v současnosti přitahuje několik pohledů. Řadová budova s výškou střechy 26 m se nachází v centru Leonbergu a od letošního roku bude pracovištěm pro přibližně 2000 zaměstnanců. V přízemí bude denní centrum a restaurace, zatímco zbytek budovy bude sloužit pro administrativní a výzkumné činnosti. Od roku 2020 může společnost tvrdit, že všech jejich více než 400 provozoven je klimaticky neutrálních. Samozřejmě, že i u této nové budovy byl kladen plný důraz na udržitelnost a energetickou účinnost. Požadavky na vytápění a chlazení mají pokrýt vzduchem chlazené výrobníky studené vody a tepelná čerpadla voda--voda.
Co je zde však třeba v tomto případě zohlednit a jaké optimalizace je třeba provést?

Od ozónové díry po věčné chemické látky

Výběr chladiva je nevyhnutelnou a nezbytnou součástí každého projektu. Výběr je široký a nejistota obrovská. Všichni mluví o PFAS, ale nikdo pořádně neví, co to znamená pro budoucnost tepelných čerpadel a chladicích zařízení. Začněme tím, že se podíváme na chladiva v 70. letech 20. století. Jak všichni ví, fluorované uhlovodíky (např. R12) byly do značné míry zodpovědné za poškozování ozonové vrstvy.

Jakmile se to zjistilo, zákazy na sebe nenechaly dlouho čekat. Vytěsnění proběhlo poměrně rychle, protože částečně fluorované uhlovodíky (HFC) již byly k dispozici jako náhrady s podobně dobrými ermodynamickými vlastnostmi.

V té době však ještě nikdo neměl představu o skleníkovém efektu těchto látek. V roce 1997 Kjótský protokol OSN klasifikoval HFC a PFC jako skleníkové plyny. V konečném důsledku to byl důležitý krok k ochraně Země před chemicky vyráběnými chladivy škodlivými pro životní prostředí.

S původním nařízením o F-plynech z roku 2006, jeho novým vydáním v roce 2014 a očekávanou novelizací na začátku roku 2024 přišly a přicházejí další stavební kameny, které stále více omezují používání fluorovaných plynů. To je patrné již dnes v dostupnosti a v cenách. Podle návrhu, který je v současné době projednáván v Evropském parlamentu, se F-plyny s GWP vyšším než 150 nebudou smět používat od roku 2030 pro údržbu a servis. Od roku 2025 také platí všeobecný zákaz nových stacionárních chladicích systémů s fluorovanými chladivy. Od letošního roku se pod pojmem PFAS(per- a polyfluoroalkylové látky) skloňuje nově objevená negativní vlastnost těchto HFC a PFC.

Jedná se o látky obsahující fluor v chladivech, které jsou extrémně perzistentní a představují nebezpečí i pro člověka tím, že otravují životní prostředí. Dalekosáhlý zákaz těchto "věčných chemikálií" v současné době zkoumá EU.

Poslední závěr moudrosti je R290

R290, známý také jako propan, je chladivo přírodního původu. Je to plyn, který patří mezi uhlovodíky. Zda bude mít poslední slovo, stejně jako mnoho dalších věcí, nelze v tuto chvíli s jistotou odpovědět. V tuto chvíli to však vypadá dobře. Přírodní chladivo přesvědčuje vynikajícími termodynamickými vlastnostmi a vysokou ekologičností (GWP 3), a proto právem nebude podléhat zákazům podle předpisů EU.

Chladivo propan je hořlavý plyn. S potřebnými znalostmi lze u systémů R290 přijmout opatření, která zabrání jakýmkoli rizikům v tomto ohledu. Je důležité navrhnout systémy tak, aby splňovaly zákonné normy a specifikace. Aby byl únik co nejméně pravděpodobný, musí být všechny spoje v systému dlouhodobě těsné. Pokud by přesto k úniku došlo, přichází na řadu bezpečnostní koncepce zařízení, která se uplatňuje i v Leonbergu. Zařízení jsou neustále monitorována pomocí plynového senzoru. To je spojeno s dvoustupňovým systémem ochrany.

Pro hořlavou směs vzduchu a propanu musí vzniknout určitý poměr. Spodní hranicí je obsah propanu ve vzduchu přibližně 1,7 objemového procenta a horní mez je přibližně 10,8 objemových procent. Díky vestavěnému plynovému čidlu, které je nastaveno na deset procent spodní mezní hodnoty, tj. 0,17 objemových procent, se zapne první stupeň ochrany. Skříň stroje s chladivovým potrubím je pak odvětrávána velkoryse dimenzovaným ATEX ventilátorem, takže unikající propan je odváděn přímo do okolí v nezápalné koncentraci a dále ředěn. Po dosažení 20 %, jsou všechny elektrické součásti, které nejsou certifikovány podle normy ATEX, odpojeny od napětí. Všechny komponenty důležité z hlediska bezpečnosti jsou certifikovány podle ATEX a zůstávají v provozu.

Často je možné instalovat propanový systém ve venkovním prostředí. Ten by se měl používat vždy, když je to možné. Propan je velmi těkavý, takže při správném provedení venkovní instalace nemůže dojít k hromadění propanu. Existují také řešení pro vnitřní použití, a to buď vyprojektováním speciálních strojoven nebo pomocí systémů s nízkým obsahem chladiva a větraným opláštěním, které lze modulárně rozšiřovat.

3502 kW topný výkon, 1032 kW chladicí výkon

Stejně jako u nové budovy v Leonbergu je pro tento účel ideální střecha budovy. Zde jsou na střeše instalovány 2 výrobníky studené vody a 2 tepelná čerpadla, která využívají přírodní chladivo propan, aby zajistily optimální klima v budově. Jsou vybaveny výkonnými šroubovými kompresory s frekvenčním řízením, takže lze co nejlépe splnit příslušné požadavky. Pro klimatizaci budovy se používají vzduchem chlazené výrobníky studené vody s vysoce účinnými a kompaktními EC ventilátory, z nichž každé má chladicí výkon 516 kW. Pohled na přívodní teplotu ukazuje, jak důležité jsou návrhy přizpůsobené konkrétnímu projektu. Oproti obvyklé přívodní teplotě 6 °C pro klimatizaci bylo možné výrazně zvýšit účinnost systému zvýšením teploty přiváděné vody na 13 °C. Použité komponenty, jako je výměník tepla a kompresory, byly speciálně navrženy pro vysokou přívodní teplotu s co nejnižší delta T vůči výstupní teplotě a teplotě okolí.

Tepelná čerpadla na solanku, navržená jako walk-in technická centra ve dvou strojních kontejnerech, dosahují tepelného výkonu 1751 kW každé z nich. V letním provozu se zdroj ochlazuje z 16 °C na 9 °C, zatímco nádrž se ohřívá ze 40 °C na 45 °C. Solanka se odebírá ze zdroje. Za tímto účelem se jako zdroj tepla pro tepelná čerpadla se solankou využívá vzduch ze stávajícího větracího systému, který se obvykle vyfukuje. K využití tohoto odpadního tepla se ve ventilačním potrubí používají další přídavné výměníky tepla. Kromě COP 4,43 dosaženého tepelným čerpadlem se tím dále zvyšuje celková účinnost systému HVAC. Dokonce i v zimním provozu (zdroj od –9,5 °C do –13 °C, chladič od 24 °C do 30 °C) je dosaženo COP 3,62. Ale nejen účinnost, také udržitelnost těchto systémů je působivá. Malý číselný příklad by měl ilustrovat nízký dopad na životní prostředí i efektivní využití. S pouhými 0,07 kg propanu na kW lze dosáhnout výrazného snížení množství náplně ve srovnání s konvenčními chladivy. Pro tepelné čerpadlo s běžným chladivem R410A by v tomto případě bylo zapotřebí přibližně 0,14 kg na kW. To znamená, že lze dosáhnout přibližně o 50 % nižší množství náplně. Pokud tento poměr uvedeme do vztahu k celkové náplni tepelného čerpadla a výsledné hodnotě skleníkových plynů, pak by ekvivalent CO₂ u R410A činil přibližně 1000 t, zatímco u propanu je to pouze 0,18 t.

Jedná se o vynikající řešení pro projektanty i koncové zákazníky. Projekt se vyznačuje vysokou energetickou účinností, dlouhodobě bezpečným provozem a svým zaměřením na udržitelnost.