asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví
Partneři kategorie

Tepelná čerpadla na bázi zeolitu

30.09.2013
Adsorpční (zeolitová) čerpadla patří k aktuálním novinkám, příliš se však o nich zatím nemluví. Životní prostředí značně zatěžují fosilní paliva, jejichž současná spotřeba převyšuje jejich tvorbu. Je proto nejvyšší čas začít myslet na budoucnost a náhradní zdroje energie. Zároveň je třeba hledat nové způsoby a možnosti vytápění a přípravy teplé vody. Mnozí sice považují koupi systémů využívajících obnovitelné zdroje energie (OZE) pro tyto účely za dlouhodobě nenávratnou investici, vložené finance se však uživateli několikanásobně vrátí už během několika let.
Na vytápění, ohřev vody i chlazení
 Jako efektivní a ekologicky výhodná řešení využívání OZE na vytápění a přípravu teplé vody se v podmínkách naší země jeví tepelná čerpadla. Tepelné čerpadlo odebírá jinak nevyužitelné nízkopotenciální teplo z přírody nebo průmyslové činnosti a mění ho pomocí elektrické energie na teplo s vyšším potenciálem. Takto vzniklé teplo se dá následně využívat pro různé účely – přípravu teplé vody, vytápění, chlazení nebo různé technologické ohřívací procesy. V porovnání s tradičními způsoby vytápění dokáže tepelné čerpadlo při spotřebě 1 kWh elektrické energie dodat ve formě tepla třikrát až čtyřikrát více energie. Efektivnost systému však závisí na délce provozu během roku, klimatických podmínkách a způsobu využití získané tepelné energie. Investice do tepelného čerpadla je sice dvojnásobná až trojnásobná, ale při porovnání s provozními náklady kotlů, které jsou vyšší, se návratnost pohybuje v rozpětí osmi až desíti let.


Obr. 1 Zeolitové kuličky

Efektivitu čerpadla určuje vytápěcí faktor
Rozhodujícím ukazovatelem při výběru tepelného čerpadla je vytápěcí faktor (COP), který je vyjádřením jeho efektivity. Vyjadřuje poměr dodávaného tepla a množství spotřebované energie. Vytápěcí faktor se u tepelného čerpadla mění podle podmínek, za kterých systém pracuje. Důležitá je teplota teplonosné látky při vstupu do tepelného čerpadla i při výstupu do vytápěcího systému. Čím je hodnota vytápěcího faktoru vyšší, tím je tepelné čerpadlo účinnější a jeho provoz je efektivnější. O efektivitě tepelného čerpadla se dá hovořit v případě, že hodnota vytápěcího faktoru je vyšší než 3,0.

Obr. 2 Hydraulické schéma s tepelným čerpadlem zeoTHERM
1 – kondenzační plynová jednotka, 2 – zeolitový modul, 3 – výměník zeolitového modulu, 4 – solární výměník zeolitového modulu, 5 – solární čerpadlová skupina, 6 – kolektorové pole, 7 – výměník externího zdroje, 8 – solární výměník, 9 – bivalentní zásobník TV, 10 – výstup teplé vody, 11 – vstup studené vody, 12 – vytápěcí systém


Dimenzování tepelných čerpadel
Tepelná čerpadla jsou jako alternativní zdroje energie určena především do nízkoteplotních systémů (podlahové a stěnové vytápění) s doporučenou provozní teplotou do 35 °C. Použít je lze také u klasického vytápění vytápěcími tělesy, kde se však počítá s maximální teplotou do 55 °C z důvodu hospodárného provozu tepelného čerpadla. Určujícím faktorem při provozu tepelného čerpadla je jeho správné dimenzování. Výkon tepelného čerpadla se nemusí instalovat na 100 % tepelných ztrát objektu. Postačí dimenzování na 70 %, zbytek ztrát pokryje doplňkový zdroj tepla. Instalace výkonu na 100 % tepelných ztrát je nevýhodná z hlediska zvýšení investičních nákladů a menší úspory provozních nákladů. Při poddimenzování tepelného čerpadla zase nastává omezení jeho činnosti a vyšší zatížení.

Základní dělení čerpadel
Podle typu zdroje, z jakého tepelná čerpadla odebírají teplo, a média, jemuž ho odevzdávají, rozeznáváme tepelné čerpadlo druhu:
•    zem – voda,
•    vzduch – voda,
•    voda – voda,
•    vzduch – vzduch.

V tomto článku se podrobněji zaměříme na rozdělení tepelných čerpadel podle principu činnosti, a to na:
•    kompresorová,
•    absorpční,
•    adsorpční (zeolitová).

Kompresorová a absorpční čerpadla
V současnosti pracuje drtivá většina tepelných čerpadel na principu kompresorového chladicího oběhu. Jako pohonný systém se k zabezpečení oběhu pracovní látky využívá kompresor s přívodem mechanické, případně elektrické energie. Absorpční tepelná čerpadla jsou na rozdíl od kompresorových poháněna termálně. V generátoru se zahřívají dvě látky s rozdílným bodem varu – absorbent a chladicí prostředek (nejčastěji je jím voda). Chemickou reakcí těchto látek vzniká teplo, které se následně využívá k vytápění. Absorpční tepelná čerpadla mají v porovnání s kompresorovými vyšší energetickou efektivnost, a to především u velkých tepelných výkonů. Doporučují se proto hlavně do větších průmyslových objektů.

Co je zeolit
Tajemstvím zeolitových tepelných čerpadel jsou malé keramické kuličky ze zeolitu (obr. 1), jejichž vnitřní povrch je extrémně velký – přibližně 800 až 1 000 m2/g. Zeolit představuje písčito-hlinitý křemičitan s výjimečnými fyzikálními sorpčními vlastnostmi, které vyplývají z jeho specifické krystalické (mikroporézní) struktury. Díky tomu je zeolit schopný opakovaně adsorbovat a následně uvolňovat velké množství vody bez toho, že by se změnila pevnost nebo struktura tohoto materiálu. Při procesu adsorpce vzniká exotermická reakce, při níž se uvolňuje teplo. Při adsorpci nenastává únik emisí do ovzduší, proto jde o ekologický proces. Zároveň jsou zeolity šetrné k životnímu prostředí, netoxické a nehořlavé.

Princip fungování zeolitového čerpadla zeoTHERM
Příkladem zeolitového tepelného čerpadla, které už můžeme najít na trhu, je tepelné čerpadlo zeoTHERM (Vaillant). Hydraulické schéma s tepelným čerpadlem je na obr. 2.

Fáze vysoušení zeolitu (desorpce)
Zeolitové tepelné čerpadlo funguje tak, že plynová kondenzační jednotka (1) ohřívá zeolitový vakuový modul (2) na teplotu kolem 110 °C, což způsobí odpařování vody. Výsledná pára (3) přechází do spodní, chladnější části modulu. Když se dostane do výměníku (4) na bázi vody, páry zkondenzují a produkují kondenzační teplo. Toto teplo se odevzdá do vytápěcího okruhu (5). Základní schéma procesu je zobrazeno na obr. 3. 

Fáze zvlhčení zeolitu (adsorpce)
Ihned, když zeolit dosáhne své maximální teploty (je úplně suchý), modul vychladne na teplotu okolního prostředí. Pomocí slunečních kolektorů (4) se voda při nízkých teplotách odpařuje (5) (odpařování probíhá díky vakuovému kontejneru (2) už při teplotě 5 °C), vodní pára (3) stoupá vzhůru a znova se rychle absorbuje do zeolitu. Při tomto procesu se uvolňuje teplo, které se taktéž odevzdá do vytápěcího okruhu (1). Jen co se odpaří veškerá voda a zeolit ji pohltí, celý proces začíná nanovo. Různé fáze procesu přitom probíhají v zařízení současně. Základní schéma procesu je zobrazeno na obr. 4. 

Zeolitové tepelné čerpadlo jako součást hybridního systému
K pokročilým progresivním vytápěcím systémům patří ty, které kombinují několik technologií šetrných k životnímu prostředí. Patří mezi ně i hybridní systémy se zeolitovým tepelným čerpadlem (například tepelné čerpadlo zeoTHERM na obr. 5) složené ze tří různých zdrojů tepla – kondenzačního kotle, zeolitu a solárních kolektorů. V porovnání s běžnými kondenzačními kotly je efektivnost samostatných zeolitových tepelných čerpadel o 20 % vyšší.

Systém, který kromě inovativního materiálu zeolitu (zeolitový modul) a kondenzační jednotky využívá i solární energii (solární výměník), dokáže dosáhnout celkové účinnosti až 136 %. Inovativní systém vytápění je ideálním doplňkem do každého nového rodinného domu s nízkoteplotním vytápěcím systémem, hlavně u podlahového nebo stěnového vytápění. Efektivně funguje v nízkoenergetických a pasivních domech nebo v budovách, které prošly rozsáhlou modernizací a snížením energetické náročnosti.


Článek vznikl z podkladů firmy Vaillant Group Slovakia, s. r. o.
Foto a obrázky: Vaillant

Článek vyšel v časopise TZB Haustechnik.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media