Tepelné čerpadlo v úpravně vody
Tepelné čerpadlo (dále jen TČ) je unikátní zařízení, které umožňuje transformovat nevyužitelnou nízkoteplotní tepelnou energii do využitelné formy s vyšší teplotou. Obvykle se očekává, že se získá dvojnásobek až čtyřnásobek energie vložené.
S úspěchem se TČ používají při vytápění, kde se transformuje nízkoteplotní energie vody, země nebo vzduchu na teploty řádově do 60 °C, aby se transformace zvládla v rámci jednoho termodynamického cyklu, s jedním kompresorem. Čím je teplota primárního zdroje energie blíže požadované výstupní teplotě, tím lepší je poměr získané tepelné energie k vložené energie na pohon kompresoru.
Velkým zdrojem tepla je voda, která prochází úpravnou pitné vody. Její teplota se pohybuje řádově v rozsahu od 2 do 10 °C. Dalším příznivým faktorem, který hovoří ve prospěch elektricky poháněného TČ, je skutečnost, že vodárna s vodními čerpadly o značných výkonech je velkým odběratelem elektřiny a nakupuje elektřinu za příznivou cenu.
Nepříznivým faktorem je, že teplota upravované pitné vody v zimě klesá i pod 3 °C. Za těchto podmínek může primární okruh TČ pracovat jen s velmi malým teplotním spádem, řádově 1 až 2 stupně. To znamená, že tepelný výměník, který se obvykle vkládá mezi protékající pitnou vodu a nemrznoucí kapalinu primárního okruhu TČ by musel být velmi veliký a čerpadlo primárního okruhu by muselo mít rovněž velký výkon. Jenže spotřeba elektrické energie na takové čerpadlo negativně ovlivňuje efektivitu provozu a velký výměník zvyšuje pořizovací náklady. Taková soustava by byla velmi citlivá na nejrůznější i drobné odchylky s následným odstavováním TČ mimo provoz, jeho náhradou bivalentním zdrojem tepla, zpravidla elektrickým kotlem, s negativním dopadem na efektivitu provozu.
Variantním řešením je použití TČ pracujícího s venkovním vzduchem v systému vzduch-voda. Znamená však rezignovat na nabídku tepelné energie o nadnulové teplotě ve vodě i v zimě a smířit se s méně efektivním využitím energie s podnulovou teplotou vzduchu.
Karlovarská společnost TECHTRANS PT je technické veřejnosti známá inovativním přístupem k řešení tepelných soustav. Například o využití TČ při získávání tepla z vody vypouštěné z lázeňských koupelí pojednával článek v Topenářství instalace č. 3/2008. Primární okruh byl vytvořen z plastového potrubí a vložen do nádoby, kterou protéká poměrně teplá voda vypouštěná z van balneoprovozu. Primární okruh TČ byl rovněž využit pro ochlazování vody určené pro klimatizaci místností.
Akumulační nádoba PAST, kterou si společnost TECHTRANS PT vyvinula pro své potřeby v roce 2000, se stala základem dalšího inovativního kroku, o kterém jsme informovali v Topenářství instalace č. 1/2010. Principiálně šlo o náhradu deskového výměníku tepla na sekundární straně TČ, zajišťujícího kondenzaci chladiva při předávání tepla do otopné soustavy, lineárně řešeným výměníkem, který svisle prochází akumulační nádobou PAST s vrstveným ukládáním tepla. Odpadl tím obvyklý nabíjecí okruh vyžadující oběhové čerpadlo.
Zkušenosti, získané na řadě instalací TČ a akumulační nádoby PAST s vertikálním kondenzátorem, se staly základem k rozhodnutí vyzkoušet podobný princip i v primárním okruhu TČ.
Nejde o zcela neobvyklé řešení. V některých vyspělých evropských zemích se ve značné míře instalují pro vytápění TČ země-voda s odparem pracovní látky, chladiva v zemním vrtu nebo kolektoru. Do vrtu se místo plastových potrubí zavádí tenčí měděné potrubí. Do potrubí vtéká kapalné chladivo, které při odpařování odnímá teplo okolní zemině a jako pára je nasáváno kompresorem TČ. Odpadá okruh, který obsahuje deskový nebo trubkový výměník, nemrznoucí teplonosnou látku, cirkulační čerpadlo. Konstrukčně je toto řešení jednodušší a jeho zásadní výhodou je odstranění mezistupně – tepelného výměníku. Každý výměník pro svou činnost vyžaduje teplotní spád, o který musí být navýšen pracovní teplotní spád TČ. Zpravidla jde o 5 až 10 K, které vyžadují vložit do termodynamického cyklu více energie na pohon kompresoru a znamenají snížení energetické efektivity, snížení topného faktoru. A někdy, jak ukazuje příklad popsaný v tomto článku, tak velký teplotní spád není k dispozici. Dále za společnost TECHTRANS PT s.r.o. hovoří její majitelé, Ing. Václav Přech a Jindřich Tolar.
Koncem roku 2011 jsme se dozvěděli o požadavku Úpravny vody u obce Svobodka, nedaleko Tachova, kterou vlastní Vodohospodářské sdružení obcí západních Čech a jejímž provozovatelem je společnost Vodárny a kanalizace Karlovy Vary a.s., na změnu zdroje tepla s cílem maximálně snížit náklady. Vytápění objektů zajišťovala vlastní kotelna se třemi kotli po 264 kW na kapalný propan. Výkon byl počítán na stav počátkem devadesátých let. V následujících letech proběhla modernizace technologií, poklesla potřeba množství upravované pitné vody, došlo k maximální redukci vytápěných prostorů, a proto byl provozován již jen jeden kotel. Zejména v přechodných obdobích s velmi četným cyklováním, tedy sníženou účinností.
Tepelná čerpadla s odparem chladiva ve vrtu jsme viděli vystavovat na mnoha odborných výstavách, například v Rakousku, Německu, Francii. Když jsme se seznámili s podmínkami pro uplatnění TČ v úpravně vody, a především velmi malého využitelného teplotního spádu v primárním okruhu, tak jsme si řekli, že jde o ideální příležitost k aplikaci odparu chladiva přímo v primárním zdroji tepla – v protékající vodě.
První odhad potřebného tepelného výkonu okolo 120 kW vycházel ze spotřeby propanu. Vzhledem k neefektivnímu provozu kotle jsme došli k názoru, že kaskáda tří TČ s výkony po 35 kW, celkem tedy 105 kW, by měla být plně postačující. Pouze pro jistotu jsme uvažovali i o instalaci pomocných elektrických topných tyčí. V konečné fázi návrhu byla potřebná výše výkonu dále snížena racionalizačními opatřeními v energetickém hospodářství. Takže jsme nakonec instalovali pouze dvě soustrojí s celkovým výkonem 70 kW a mezi nimi zůstalo volné místo na třetí, pokud by si praxe jeho potřebu vyžádala.
Od prvního okamžiku umožnění přístupu k technologii úpravny vody jsme hledali možnost, jak výparník chladiva umístit do proudící vody. Příležitost se nejen našla, ale byla doslova ušitá našim potřebám na míru. Vytvořila ji kaskáda válcových nádrží hlubokých přibližně jeden a půl metru, protékaných vodou odspodu nahoru. Původně byly nádrže vybaveny míchadly a dávkováním chemikálií. Tuto chemickou technologii již dříve nahradila jiná, ale naštěstí, cesta vody s průtokem desítek litrů za sekundu skrz nádrže zůstala zachována. Pro instalaci naší technologie byl výhodný i volný prostor v blízkosti nádrží.
Věděli jsme, jaký tepelný výkon potřebujeme zajistit pro vytápění prostorů vodárny. Návrh sekundární části TČ s akumulačními nádobami PAST s vloženým kondenzátorem chladiva byl proto pro nás v podstatě rutinní záležitostí. Něco jiného byl okruh primární. V tomto případě jsme se museli poohlédnout po někom, kdo má zkušenosti s individuálním řešením výparníků a kdo bude ochoten s námi na jejich vývoji spolupracovat. Vynikajícím partnerem se ukázala francouzská společnost Géothermie Confort. Její zástupce, Alain Thieme, s námi velmi úzce spolupracoval. V procesu návrhu a realizace jsme se však neobešli ani bez spolupráce provozovatele úpravny, Jiřího Doubravy a Pavla Vaňka.
Při návrhu výparníku jsme museli vyjít z poznatku, že teplota protékající vody může v zimě poklesnout až na cca 2,5 °C. To znamená, že pro řešení primárního okruhu s výměníkem je k dispozici teplotní spád maximálně 2 K. Tento údaj dokumentuje, jak veliký by musel být deskový výměník, aby při spádu 2 K poskytoval 35 kW. Jiným řešením by mohl být výměník vytvořený z plastového potrubí vloženého do nádrže s vodou, ale pro něj by byly zapotřebí kilometry potrubí. Nám pro výstupní výkon 35 kW stačí necelých 350 metrů tenkého měděného potrubí potaženého ochranným plastovým pláštěm z polyetylenu. Zásluhu na tom má jak přímý odpar chladiva v potrubí, tak turbulentní proudění vody v nádrži. Teplotu protékající vody, i při maximálním odběru tepla, snižujeme o přibližně 0,5 K.
Výši topného faktoru ovlivňují vlastnosti otopné soustavy, na kterou jsme se pouze napojili. Výkon otopných těles dokazuje jejich dimenzování na přerušovaný provoz. Proto při trvalém vytápění plně postačuje teplota přívodu okolo 50 °C. Ale máme rezervu. Při zkouškách jsme si ověřili, že se kompresory kvůli vysokému tlaku chladiva odpojují až při 72 °C.
K řízení chodu TČ jsme zvolili standardní regulátory Siemens RVS 21. Ve zdroji máme osazena dvě TČ pracující paralelně v kaskádě. Každé má svůj výparník ponořený do protékající vodárenské vody a každé má svůj kondenzátor svisle procházející akumulační nádobou PAST. Režim řízení chodu jsme nastavili tak, aby se u obou kompresorů dosahovaly stejné doby proběhu, a tedy opotřebení. Střídají po 30 hodinách provozu, pokud nepracují společně. Při venkovní teplotě vzduchu okolo –5 °C je v trvalém provozu pouze jedno a druhé se připojuje přibližně každou druhou půlhodinu.
Zařízení jsme instalovali během cca tří týdnů na přelomu roku a uvedli do provozu v půlce ledna. Nejde o běžnou technickou konfekci. Vše je ušito na míru konkrétních podmínek. Ke skutečné realizaci jsme se dostali až po provedení množství výpočtů a praktických zkoušek. Primární bylo naše vítězství ve výběrovém řízení, ve kterém jsme mohli na základě naší technické koncepce nabídnout nejvyšší ekonomický efekt. Že jsme si nevymýšleli, dokládají již první zkušenosti. Například záložní zdroj tepla, elektrické topné tyče, nebyl během provozu od poloviny ledna do konce března v provozu. Z prvních provozních výsledků jsme odhadli dosažení topného faktoru okolo 3,8 při teplotě vodárenské vody okolo 3°C. Těšíme se na celoroční průměr, který zahrne i teplotně příznivější období.