ZDROJE NÍZKOTEPLOTNEJ ENERGIE

Parametre zdroja nízkoteplotnej energie pre výparník obehu tepelného čerpadla, najmä jeho teplotná úroveň, hmotnostný tok a dostupnosť podstatne ovplyvňujú energetickú aj ekonomickú efektívnosť systému tepelného čerpadla ako aj dosiahnuteľné množstvo (kvantitu) získanej tepelnej energie zo. V tabuľke 1 sú uvedené základné možné zdroje tepla pre výparník obehu s rozmedzím  ich teplotnej úrovne v našich klimatických podmienkach (čiastočne prevzaté zhttp:// www.heatpumpcentre.org).

Tabuľka 1

Okolitý (vonkajší ) vzduch

            Je to všeobecne dostupný a najčastejšie používaný zdroj tepla, na ktorého získanie sú potrebné minimálne investičné náklady. Hlavnou nevýhodou sú veľké fluktuácie (zmeny) jeho teplotnej úrovni počas roka aj v priebehu dňa a nízka teplotná úroveň v zimných mesiacoch, kedy je najvyššia  kvantitatívna aj kvalitatívna (teplotná) potreba produkcie tepelnej energie pre vykurovacie účely.

Obrázok 3  Tepelné čerpadlo vzduch voda umiestnené vo vonkajšom prostredí

Fluktuácie teplotnej úrovne vyžadujú dokonalú a hospodárnu reguláciu prevádzky systému tepelného čerpadla, nízka teplotná úroveň v zimných mesiacoch vyžaduje veľký teplotný rozdiel medzi kondenzačnou a výparnou teplotou z čoho vyplýva nízka energetická efektívnosť prevádzky v tomto období.

Na znižovanie energetickej efektívnosti systému tepelného čerpadla so vzduchom ako zdrojom nízkoteplotnej energie vplýva tiež v mnohých praktických aplikáciách potreba zabezpečiť odmrazovanie námrazy vznikajúcej na výparníku v dôsledku obsahu vody vo vzduchu vo forme atmosférickej vlhkosti. Z toho vyplýva aj nutnosť optimálnej regulácie odmrazovania výparníkov pre dosiahnutie čo najvyššej energetickej efektívnosti takýchto aplikácií.

Odpadný (ventilačný) vzduch

Je veľmi výhodným zdrojom tepelnej energie pre tepelné čerpadlá v obytných budovách najmä z hľadiska relatívne vysokej teplotnej úrovne bez teplotných fluktuácií. Pre veľké budovy je výhodné použiť tepelné čerpadlá s odpadným vzduchom v kombinácii s výmenníkmi tepla vzduch-vzduch pre znovuzískanie tepelnej energie. Nevýhodou tohto zdroja tepla je jeho limitované dostupné množstvo, čo potom obmedzuje aj veľkosť dosiahnuteľného tepelného výkonu tepelného čerpadla. Takéto riešenia sú vhodné pre nízkoenergetické domy.

Podzemná voda

Je z energetického hľadiska veľmi výhodným zdrojom tepla o teplotnej úrovni 4 až 10 °C bez výraznejších teplotných fluktuácií. Pre otvorené systémy je ale potrebná vzhľadom na vodohospodárske predpisy reinjektáž použitého prietoku do ďalšieho podzemného vrtu, zatvorené systémy vyžadujú vyparovanie pracovnej látky v podzemnom výmenníku tepla, čo prináša zníženie teplotnej úrovne vo výparníku a tak zníženie energetickej efektívnosti inštalácie. Hlavnou nevýhodou obidvoch systémov sú investične pomerne vysoké náklady pre získanie predmetného vodného zdroja tepelnej energie.

Povrchová voda

Povrchová voda jazier, tokov a pod. je z hľadiska dostupnosti a investičnej náročnosti pre jej získanie výhodným zdrojom tepelnej energie, ale hlavnou nevýhodou je jej nízka teplotná úroveň počas zimných mesiacov, čo môže zapríčiniť jej zamrznutie vo výparníku systému. Preto je jej použitie obmedzené do teplotnej úrovne cca 6 až 7 °C. Morská voda je výborným zdrojom tepla pre inštalácie tepelných čerpadiel, pretože v hĺbke 25 až 50 m dosahuje stabilnú teplotnú úroveň 5 až 8 °C. Nevýhodou sú vyššie investičné náklady na jej získanie a vysoká korozívnosť, čo vyžaduje zasa zvýšené náklady na výmenníky tepla.

Geotermálna voda

Geotermálna voda o teplotnej úrovni 15 až 90 °C je energeticky veľmi výhodným zdrojom pre tepelné čerpadlá, základnou nevýhodou sú veľmi vysoké investičné náklady na jej získanie (vrty do hĺbky až niekoľko km), vysoký stupeň korozívnosti a jej dostupnosť len v mieste výskytu. Výhodným riešením môže byť využitie geotermálnej vody o vysokej teplote najprv  na získanie tepla priamo vo výmenníkoch tepla voda–voda a potom pri jej ochladení na 15 až 25 °C ako zdroj tepla pre tepelné čerpadlá (takáto inštalácia je efektívne prevádzkovaná na zabezpečenie tepelných potrieb nemocnice a sídliska v Galante).

Zemská kôra (pôda)

Tepelná energie obsiahnutá v zemskej kôre vzhľadom na jej vysokú teplotnú úroveň (teplota pôdy v hĺbke 10 metrov dosahuje približne priemernú ročnú teplotu vzduchu) a  minimálnu fluktuáciu počas roka je z energetického hľadiska vysoko efektívna pre využitie v tepelných čerpadlách pomocou vertikálnych vrtov do hĺbky 100 až 150 metrov (energetické potreby rodinného domu je možné zabezpečiť vrtom o priemere cca 12 cm do hĺbky cca 120m), alebo pomocou podzemných horizontálnych výmenníkov v hĺbke cca 1,5 až 3 m. Základnou nevýhodou sú mimoriadne vysoké investičné náklady pre inštalácie takýchto podzemných systémov.

Slnečná energia

Slnečná energia premenená na tepelnú energiu pomocou slnečných kolektorov je z energetického hľadiska veľmi výhodným zdrojom pre tepelné čerpadlá, teplotnú úroveň tohto zdroja je možné plne prispôsobiť požiadavkám užívateľa (je  daná druhom a kvalitou slnečného kolektora). Základnou nevýhodou okrem pomerne vysokých nákladov inštalácie je sezónny charakter tohto zdroja (v našich klimatických podmienkach sa v zimnom období  vyskytujú periódy bez slnečného svitu bežne až v dĺžke 10 dní), čo vyžaduje používať alternatívne systémy výroby tepla alebo systémy s veľkými akumulátormi tepla, čo okrem vysokej finančnej náročnosti prináša aj ďalšie priestorové a iné problémy.

Odpadné tepelné toky

Odpadné energetické toky vo forme hmotnostných tokov tekutín (plynov a kvapalín) z technologických (napríklad tepelné odpady z potravinárskeho a energetického priemyslu)  aj iných tepelných procesov (napríklad domové odpady, kanalizácia a iné) sú vzhľadom na ich vo všeobecnosti vysokú teplotnú úroveň bez teplotných fluktuácií z energetického hľadiska veľmi výhodným zdrojom energie pre veľké priemyselné tepelné čerpadlá. Nevýhodou je  nutnosť ich využitia  v mieste výskytu, kde často chýba požiadavka potreby výroby ďalšej tepelnej energie.

Výber zo zdrojov tepla

Na základe uvedeného je možné konštatovať, že zo všetkých uvedených zdrojov nízkoteplotnej energie je v podmienkach Slovenska z hľadiska najmä investičnej náročnosti na jeho získanie základným, všeobecne dostupným zdrojom okolitý (vonkajší) vzduch. Uvedené nevýhody tohto zdroja, ktoré zapríčiňujú nižšiu energetickú efektívnosť prevádzky v mnohých aplikáciách, je možné v budúcnosti zmenšovať nielen samotným vývojom systémov tepelných čerpadiel s vyššou energetickou efektívnosťou (optimalizáciou jednotlivých komponentov, hospodárnejšou reguláciou a pod.) ale aj inštaláciou rôznych kombinovaných systémov výroby tepla, chladu aj elektrickej energie pre špeciálne podmienky jednotlivých užívateľov uvedených tokov energií.

 Pre efektívne využitie systémov tepelných čerpadiel so vzduchom ako zdrojom nízkoteplotnej energie pre vykurovanie rodinných domov, bytov a pod. bude potrebná aj štátna  finančná podpora takýchto inštalácií, aby bolo možné dosiahnuť pre užívateľa ekonomickú efektívnosť investície.