Dodať a namontovať do systému vykurovania tepelné čerpadlo, to už v dnešnej dobe nie je žiadny problém. S tým sa už môže pochváliť nejedna firma. Ale pokryť potreby obrovského areálu Univerzity veterinárneho lekárstva v Košiciach tepelným čerpadlom o výkone takmer 1 MW tepelnej energie, to bola výzva, ktorá sa neobjavuje každý deň.

Pri hľadaní vhodného zdroja primárnej energie sme v spolupráci s TU BERG Košice vsadili na čerpanie energie z podzemnej vody. Prieskumné vrty a čerpacie skúšky v areáli veterinárneho lekárstva overili za podmienky realizácie 4 sacích studní výdatnosť 25 litrov za sekundu s priemernou teplotou 15^oC!

Popis funkcie a zapojenia tepelného čerpadla pre UVL Košice:

Pri optimálnom návrhu tepelného čerpadla sa vychádzalo z mnohých  hľadísk:

1.) aký tepelný výkon je potrebné produkovať pre vykurovanie

2.) aký tepelný výkon vieme získať spätne  z prírody pri jej intenzívnom  podchladzovaní

3.) aký tepelný výkon dá do systému naviac samotný kompresor premenou elektrickej energie  na  prácu a teplo

4.) s akým COP (podielom výkonu a príkonu) budeme reálne pracovať (efektívna je pre nás hodnota COP nad 3)

 5.)východiskom pre dimenzovanie boli aj prevádzkové skúsenosti u jestvujúceho vykurovacieho systému, t.j.  plynokotlov, ktoré aj v kritických zimných obdobiach pracovali v nízkoteplotnom režime.

Primárny zdroj (systém studní) musel mať dostatočnú výdatnosť a keďže vsakovacia  je tepelným čerpadlom pri prevádzke intenzívne podchladzovaná, sú studne dimenzované na kritický  chladiaci výkon s protimrazovou hranicou v plusových  hodnotách. Samozrejme  sa ráta aj s určitou rezervou, ktorú ovplyvňuje reálne  dosahovaný  prietok vody a regeneračná schopnosť zemného podložia, čo sa v celoroku mierne mení. Za kritérium sa  postavilo relatívne nepriaznivé suché obdobie, aby bola určitá výkonová rezerva, ktorá s prídavkom kompresora  na strane kúrenia umožní získať  priemerný tepelný výkon do vykurovania asi 970 kW. Prekročenie stavu podchladenia (do zeme totiž pri prevádzke ukladáme okolo 620 kW chladu!)  je chránené čidlom kritického podchladenia a v prípade problémov sa nechá plynúť potrebný regeneračný čas. Ak tento stav nastane, potom zariadenie bude buď jedným z dvojice kompresorov cyklovať, alebo sa automaticky zadá pokyn na dočasné spustenie plynokotla a podzemené podložie okolo vsakovacej studne sa nechá oddýchnúť.

Výstup z tepelného čerpadla na sekundárnej strane (vykurovací systém) by mal byť s čo najnižšou úrovňou teploty, aby bol COP faktor účinnosti čo najlepší a teda presahoval trvale hodnotu 3. Nie je vôbec účelné, aby sa z tepelného čerpadla  prevádzkovali maximálne teploty. Výstupné teploty vybraného zariadenia môžu vďaka mohutným kompresorom trvale dosahovať aj 60^oC.

Je to v prípade potreby  technicky  možné,  vďaka použitému chladivu R 134a a je to plne garantované výrobcom York Johnson Controls. Táto skutočnosť je daná jednak  fyzikálnymi vlastnosťami uvedeného chladiva a robustnou konštrukciou kompresorov, ktoré majú veľkú teplovýmennú plochu sacích a tlačných komôr so spätnou väzbou medzi kondenzátom a parami chladiva. U malých kompresorov  bežne použivaných v tepelných čerpadlách toto nie je možné konštrukčne dosiahnuť, lebo  veľa užitočného tepla sa vyžiari z telesa kompresora do okolia zariadenia. Týmto sa v tomto prípade zvyšuje podiel a efektívnosť prídavku kompresora do tepelnej bilancie a ak v budúcnosti by nastal v cenách energií vyšší ekonomický prospech energie elektrickej, tepelné čerpadlo bude možné prevádzkovať aj za cenu menej priaznivého COP faktora, s výstupom vyššej teploty. Ani terajšie plynokotle totiž  60^oC do systému ÚK  nikdy nemuseli dávať a maximálne sa pohybovali okolo hodnoty 58-59^oC.

Navrhovaný stroj má dvojicu kompresorov, dvojicu vykurovacích výmenníkov a preto môže a v prechodnom období  pracovať   aj na polovičný výkon. Druhý kompresor a druhý výmenník sa pripája do prevádzky až keď je potreba tepla vyššia, než dokáže systém práve produkovať.

Pracovná charakteristika kompresorov sa mení s požiadavkami na výstupnú teplotu a regeneračnú schopnosť podložia zdroja tepla a úspornosť prevádzky. Preto sa  určila hranica  bivalencie, na ktorú sa nastaví prechod na tvrdý zdroj (plynokotol). Hranica bivalencie sa  môže určiť buď ekonomickým kritériom (ktorý zdroj tepla je v danom okamihu lacnejší), alebo technickým (aké sú teplotech-nické podmienky a potreby na primárnej a sekundárnej strane tepelného čerpadla). S nastavením sa bude experimentovať.

S požiadavkou na vysokú výstupnú teplotu z tepelného čerpadla klesá objemová chladivosť kompresorov a tým pomerná záťaž primárneho zdroja na úkor vyššej spotreby elektrickej energie potrebnej na pohon kompresorov. To je v praxi stav tesne pod hranicou bivalencie.

Návrh riešil práve tento kritický stav. U tepelných čerpadiel radovo desiatok kW sa tento fakt zanedbáva a zbytočne sa „pre istotu“  predimenzuje primárny zdroj, čo však v  systémoch rádovo stoviek kW už má značný  ekonomický dopad na investície a spôsobuje nehospodárnosť obehových čerpadiel primárneho zdroja a samozrejme nehospodárnosť celej investície.

Pri vysokých výkonoch tepelných čerpadiel treba mať na zreteli:

 1.)    Pri začiatku  a na konci vykurovacej sezóny má byť  aplikovaná jednokompresorová prevádzka dvojstupňového systému s vyso-kým faktorom COP s čo najnižšou výstupnou teplotou do ÚK. Regenerácia primárneho zdroja má obrovské rezervy.

2.)    So vzrastajúcou požiadavkou na vykurovací výkon sa pripája druhý kompresorový  stupeň, ale potreba vyššej výstupnej teploty degraduje faktor COP a tak je relatívna záťaž na primárny zdroj stále menšia a menšia. Do produkcie tepla vstupuje stále intenzívnejšie elektrický prúd, poháňajúci kompresor. Ak sa dosiahne stav, kedy točiť kompresorom je drahšie, ako produkovať teplo tvrdým zdrojom, potom treba prejsť na bivalentný zdroj a zapnúť plynokotol.

3.)    Na hodnotu reálneho kompromisu vzhľadom na prechodovú krivku je preto dimenzovaný aj zdroj primárnej energie.

4.)    Žiadne tepelné čerpadlo nedosahuje svoj špičkový výkon za každých podmienok, ale len pri nominálnych stavoch, ktoré  sú určené viacmenej pre hrubé porovnanie  podmienok u  zariadení jednotlivých výrobcov.

5.)    Tepelný výkon tepelného čerpadla je vždy súčtom chladiaceho výkonu umoreného do primárnej strany a tepelného výkonu z elektrického pohonu kompresora, mínus produkované straty ovplyvnené účinnosťou teplotechnických procesov.

 4.)     Spôsob pripojenia a regulácia v systéme ÚK. 

Tepelné čerpadlo je pripojené do rozvodu ÚK  ako paralelný zdroj    ku plynokotlom.

Tepelné čerpadlo sa spúšťa pomocou údajov z ekvitermického riadenia. Ak jeho výkon nie je postačujúci ani po nabehnutí dvoch kompresorov, odblokuje sa jestvujúci  plynový kotol a uvedie sa do prevádzky a bude sa dokurovať plynom. K tomuto účelu bude posielať riadiaci modul beznapäťový signál do riadiacej jednotky plynokotla.

Priorita medzi plynovým kotlom a tepelným čerpadlom bude meniteľná podľa toho, aké budú cenové vstupy energií a tomu sa bude prispôsobovať hranica bivalencie (okamih, kedy sa neoplatí prevádzkovať tepelné čerpadlo, ale treba kúriť plynom).

 3.) TECHNICKÝ POPIS REALIZÁCIE : 

Tepelné čerpadlo bolo pre projekt vybrané, ako špeciálne zariadenie pre získavanie nízkopotenciálovej energie z prírodných zdrojov, aby pomohlo perspektívne znížiť závislosť od dodávateľov fosílnych energií.

V tomto prípade je zdrojom primárnej energie podzemná voda, čerpaná zo 4 studní postavených podľa zásad vzájomného tepelného neovplyvňovania s odberom nad vsakovacím miestom. Voda po prechode výparníkom sa vracia do vsakovacej studne, ktorá sa trvale pri prevádzke podchladzuje. Z vody získaná energia sa  zušľachťuje pomocou dvoch polohermetických kompresorov tepelného čerpadla na využiteľné teplo, ktoré je  zapojené do centrálneho systému kúrenia a do vykurovacích rozvodov  objektov ÚVL.

Tepelné čerpadlo YORK YLCS 0955 HA je umiestnené na upravenom základe vedľa kotlov ÚK v centrálnej kotolni. Je to úctihodné, pomerne rozmerné zariadenie o váhe cez 6 ton a s jeho prepravou na základ bolo nemálo problémov vzhľadom na jestvujúce transportné otvory. Hlavná brána sa musela podkopať a preklad nad dverami  bolo nutné odrezať na potrebnú výšku.

Aby mohli byť poháňané kompresory elektrickou energiou, museli   sa do jestvujúceho rozvádzača v kotolni priviesť dostatočne silné elektrické prívody, ktoré  pokryjú aj 360 kW špičkový odber. K tomu bolo nutné zrealizovať trasu poriadne hrubých káblov asi po trase 150m z hlavnej elektrorozvodne. Kompresory, sekundárne obehové čerpadlá a riadiaci modul zariadenia sa potom z dozbrojených rozvádzačov v kotolni zapojili na napájacie napätie 400V/50 Hz. Taktiež bolo potrebné uložiť káble k obehovým a ponorným čerpadlám, ktoré sú ukončené v štyroch  čerpacích studniach povrchových vrtov vzdialených od seba aj 150 metrov.

Jednotka  je zapojená do okruhu primárneho dodávania energie  z povrchových vrtov pomocou uzatváracích a pripojovacích armatúr.    Pre zásobovanie geotermálnou nízkopotenciálovou energiou  boli    vyhotovené 4 vrty so sacími košmi, ponornými čerpadlami Grundfos    a samostatnými prívodmi do zberača pre výparník tepelného čerpadla.  Vedenie potrubia do objektu je v nemrznúcej hĺbke, v kritických  miestach  v izolovanom zemnom kolektore alebo v  izolačnej chráničke.  Odvod vody po prečerpaní cez   tepelné čerpadlo do zbernej studne je  vyhotovený  s podmienkou zaistenia protimrazovej ochrany. Proti  poruche prietoku prívodu, alebo odvodu primárnej vody je   v systéme aj   flow-switch. Pre kontrolu  podchladenia výstupu je inštalovaná jímka   s tepelným čidlom. Ako havarijná hodnota podchladenia sú nastavené   zatiaľ 4^oC. Primárny obeh musí byť spustený v časovom predstihu  nastavenom v riadiacej jednotke  tepelného čerpadla tak, aby došlo  minimálne k otvoreniu flow-switcha na výstupe do odčerpávacej studne  a  teplota ochladenej vody bola vždy nad úrovňou kritickej teploty.  Keďže sekundárna (vykurovacia) strana je tiež chránená flow-switchmi,  aj tie rovnako zaisťujú a podmieňujú chod tepelného čerpadla.

Sekundárny okruh (rozvod do ÚK) je zapojený cez uzatváracie armatúry  do okruhu vykurovania pomocou dvoch nezávislých obehových  čerpadiel. Obehové čerpadlá sú ovládané a spúšťané riadiacim  systémom tepelného čerpadla, alebo aj ručne.

Pred spustením sekundárneho okruhu bolo potrebné systém naplniť   upravenou vykurovacou vodou, tlakovo odskúšať, dokonale odvzdušniť   aby nedošlo k poruche na strane odberu energie.

Ovládanie zariadenia zabezpečuje riadiaca jednotka, ktorá je súčasťou  dodávky zariadenia YORK-Johnson Controls.  Ovládací panel zobrazuje  všetky potrebné prevádzkové údaje a dovoľuje ľubovoľne meniť   prevádzkové parametre.

Tepelné čerpadlo teda pracuje buď celkom nezávisle, alebo aj  paralelne s jestvujúcimi kondenzačnými kotlami a dokonca v  prípade nutnosti dokáže pracovať s rovnakým tepelným spádom ako  plynokotle idúce v kondenzačnom režime.

Pokiaľ je tepelné čerpadlo v prevádzke a produkuje dostatok tepelnej energie, sú plynokotle blokované. Ak tomu tak nie je, automaticky sa kotle spustia do pomocnej a potom prípadne aj do  trvalej prevádzky.

STAV REALIZÁCIE:

Zariadenie je v skúšobnej prevádzke.                               

Na obrázku: najmenší vyrábaný model YLCS o výkone 350 kW.

     32 kolektorov pre postihnuté deti...     

Detský klub zdravotne postihnutých detí v Košiciach úspešne využil možnosť čerpania prostriedkov na realizáciu projektu z Fondu sociálneho rozvoja - Rozvoj lokálnej infraštruktúry pod názvom: "Otvorme sa ešte viac cez zvýšenie kvality poskytovaných sociálnych služieb". Konatelia tejto neziskovej organizácie si dali za cieľ nájsť financie  na riešenie energetických úspor pomocou solárneho systému a možno s potešením konštatovať, že sa im to v spolupráci s nami aj podarilo dotiahnuť do zdarného konca.

Detský klub poskytuje totiž unikátne rehabilitačné služby predovšetkým pre deti s trvalým postihnutím pohybového a neurovegetatívneho aparátu a umožňuje im spolu aj s rodičmi a rehabilitačnými vozíčkami vojsť do špeciálne upraveného bazéna. Bohužiaľ doterajšia technológia ohrevu bazénovej vody pomocou elektrickej energie brala pri prevádzke tohoto bazéna neskutočne vysoké náklady a bazén sa ani pri maximálnej snahe sponzorov nemohol prevádzkovať celoročne.

Solárny systém teraz pokrýva nielen potreby krytého bazéna, ale vyrába aj teplú úžitkovú vodu. Na objekte je teraz inštalovaných 32 kolektorov Heliostar, ktoré prinášajú  ročú úsporou okolo 30 000 kWh elektrickej energie na ohrev bazéna a TÚV.