Plynová tepelná čerpadla představují jednu z technologií umožňujících snižovat spotřebu primární energie a emise CO₂ při zachování výhod stávající plynárenské infrastruktury. Na rozdíl od běžných plynových kotlů nevyužívají pouze energii obsaženou v palivu, ale současně získávají významnou část energie z obnovitelného zdroje, kterým je okolní prostředí.

V současné době jsou plynová tepelná čerpadla využívána především v bytových domech, administrativních budovách, školách, zdravotnických zařízeních, sportovních objektech a průmyslových areálech. Jejich hlavní výhodou je schopnost kombinovat výhody tepelného čerpadla s využitím plynové infrastruktury a současně dosahovat vyšší účinnosti využití primární energie než konvenční plynové zdroje tepla.

Co odlišuje plynové tepelné čerpadlo od kotle

Rozdíl mezi kondenzačním kotlem a plynovým tepelným čerpadlem je zásadní. Kondenzační kotel vyrábí teplo výhradně spalováním paliva. Veškerá energie dodaná do budovy tak pochází ze zemního plynu, naproti tomu plynové tepelné čerpadlo kombinuje dva zdroje energie:

• energii získanou spalováním plynu,
• obnovitelnou energii odebranou z okolního prostředí.

Výsledný topný výkon je součtem obou energetických přínosů. Díky tomu může být spotřeba zemního plynu nižší než u tradičních plynových kotlů při zachování stejného topného výkonu. Právě schopnost využívat obnovitelnou energii z okolního prostředí je základním principem všech tepelných čerpadel bez ohledu na způsob jejich pohonu.

Elektrické a plynové tepelné čerpadlo

Přestože elektrická i plynová tepelná čerpadla využívají stejný základní princip získávání energie z okolního prostředí, liší se způsobem realizace termodynamického oběhu.

Elektrické tepelné čerpadlo

• využívá elektřinu k pohonu kompresoru (termodynamického cyklu),
• vyžaduje vyšší elektrický příkon,
• výkon, výstupní teplota i topný faktor jsou více závislé na venkovních podmínkách,
• zvyšuje zatížení elektrické distribuční soustavy.

Plynové absorpční tepelné čerpadlo

• využívá teplo vznikající spalováním plynu,
• má minimální požadavky na elektrický příkon,
• zachovává vysoký výkon ovýstupní teplotu i při nízkých venkovních teplotách,
• umožňuje využití stávající plynárenské infrastruktury.

Nejedná se proto o technologie, které by si přímo konkurovaly. V mnoha aplikacích, kde není možné elektrické tepelné čerpadlo umístit, mohou představovat plynová tepelná čerpadla zajímavé řešení (požadavky na elektrickou přípojku, vyšší výstupní teplotu, stabilní výkon).

Druhy plynových tepelných čerpadel

Plynová tepelná čerpadla lze rozdělit podle způsobu realizace termodynamického oběhu.

Kompresorová plynová tepelná čerpadla (GHP)

U kompresorových plynových tepelných čerpadel je kompresor poháněn spalovacím motorem využívajícím zemní plyn. Princip přenosu tepla je obdobný jako u běžných elektrických tepelných čerpadel, přičemž elektrický motor je nahrazen plynovým spalovacím motorem.

Absorpční plynová tepelná čerpadla (GAHP)

U absorpčních tepelných čerpadel není použit mechanický kompresor. Potřebná energie pro realizaci termodynamického oběhu je dodávána ve formě tepla vznikajícího spalováním plynu.

Právě absorpční tepelná čerpadla představují dnes nejrozšířenější skupinu plynových tepelných čerpadel určených pro vytápění budov.

Termodynamický princip tepelného čerpadla

Princip všech tepelných čerpadel vychází ze základních zákonů termodynamiky.

Teplo se v přírodě samovolně přenáší pouze z prostředí s vyšší teplotou do prostředí s teplotou nižší. Má-li být teplo přenášeno opačným směrem, je nutné dodat vnější energii. 

Tepelná čerpadla tuto energii využívají k přenosu tepla z okolního prostředí na vyšší teplotní hladinu využitelnou pro vytápění budov nebo přípravu teplé vody. Teoretickým základem této technologie je obrácený Carnotův cyklus,  označovaný také jako levotočivý termodynamický oběh.

1.     Izotermická expanze:  2.     Adiabatická komprese:  3.     Izotermická komprese:  4.     Adiabatická expanze:

Obr. 1: Schéma obráceného Carnotova cyklu

Obrácený Carnotův cyklus představuje ideální teoretický model tepelného čerpadla. Jeho účelem je přenos tepla z nižší teplotní hladiny na vyšší za dodání vnější energie. Stejný princip je využíván jak u kompresorových, tak u absorpčních tepelných čerpadel. Rozdíl spočívá pouze ve způsobu dodání energie potřebné pro realizaci oběhu.

Princip absorpčního oběhu

Na rozdíl od elektrických tepelných čerpadel nevyužívají absorpční tepelná čerpadla mechanický kompresor.

Zatímco u kompresorového tepelného čerpadla zajišťuje zvýšení tlaku chladiva kompresor poháněný elektromotorem, u absorpčního tepelného čerpadla je tato funkce nahrazena lokálním zvýšením teploty chladiva které probýhá v generátoru. 

Tepelná energie vznikající spalováním zemního plynu pohání absorpční proces a nahrazuje mechanickou práci kompresoru. Současně dochází k odebrání obnovitelné energie z okolního prostředí. Výsledný topný výkon je tak tvořen dvěma složkami:

• energií získanou spalováním plynu,
• energií získanou z okolního prostředí.

Obr. 2: Carnotův pravotočivý a levotočivý oběh a) Carnotův pravotočivý a levotočivý oběh  b) Schéma jednostupňového oběhu Na obrázku číslo dvě je výparník (1), redukční armatura (2), výměník - podchlazovač (3), kondenzátor (4), výměník - chladič (5), generátor (6), rekuperační výměník (7), absorbér (8), čerpadlo chladiva (9).

Obr. 2: Schéma absorpčního cyklu

V absorpčním tepelném čerpadle probíhá současně:

• pravotočivý tepelný oběh reprezentovaný spalováním plynu,
• levotočivý tepelně-čerpadlový oběh umožňující získávání energie z okolního prostředí.

Praktická realizace absorpčního cyklu

Praktický princip absorpčního oběhu lze demonstrovat na absorpční jednotce typu GAHP:

Obr. 3: Schéma absorpčního tepelného čerpadla

1. Celý proces začíná ve varníku, kde spalování plynu dodává tepelnou energii potřebnou k oddělení amoniaku od absorpční směsi.
2. Páry amoniaku následně postupují přes rektifikátor, ve kterém dochází k jejich vysušení. Poté proudí do kondenzátoru, kde předávají energii topnému systému a kondenzují.
3. Zkapalněný amoniak prochází expanzním ventilem a následně vstupuje do výparníku. Zde dochází k jeho odpařování při nízké teplotě a současně k odběru energie z okolního prostředí.
4. Vzniklé páry amoniaku jsou následně absorbovány do vodného roztoku v absorbéru. Absorpce je doprovázena uvolňováním tepla, které je opět předáváno do topného systému.
5. Směs vody a amoniaku je následně pomocí čerpadla vrácena zpět do generátoru a celý proces se opakuje.

Pracovní látka NH₃/H₂O (R717)

Jednostupňová absorpční tepelná čerpadla zpravidla využívají jako pracovní dvojici:

• amoniak (NH₃) jako chladivo,
• vodu (H₂O) jako absorbent.

Tato kombinace je využívána zejména díky velmi dobrým termodynamickým vlastnostem amoniaku:

• vysoké měrné chladivosti,
• dobrém přenosu energie,
• nízké teplotě tuhnutí,
• dobré mísitelnosti s vodou.

Významnou výhodou je rovněž skutečnost, že amoniak patří mezi přírodní chladiva. Jeho environmentální parametry jsou mimořádně příznivé:

ODP = 0 (nulový potenciál poškozování ozonové vrstvy),

GWP = 0 (nulový potenciál globálního oteplování).

Z tohoto pohledu představuje amoniak jednu z nejperspektivnějších pracovních látek pro dlouhodobě udržitelný rozvoj tepelné techniky.

Bezpečnost provozu

Amoniak je klasifikován jako hořlavá a toxická látka. V běžném provozu absorpčních tepelných čerpadel je však používán v hermeticky uzavřených okruzích. Významnou bezpečnostní výhodou je jeho charakteristický zápach, který umožňuje odhalení případných netěsností již při velmi nízkých koncentracích.

Moderní absorpční tepelná čerpadla jsou vyráběna jako kompletně svařované hermetické monobloky, které procházejí individuálními zkouškami těsnosti a kontrolou kvality během výroby.

Možnosti použití

Absorpční plynová tepelná čerpadla se nejčastěji využívají v objektech s tepelnou ztrátou přibližně od 50 do 500 kW, kde mohou pracovat samostatně nebo v kombinaci s dalšími zdroji tepla.

Typickými aplikacemi jsou:

• bytové domy,
• administrativní budovy,
• školy,
• nemocnice,
• sportovní haly,
• průmyslové objekty,
• hotely,
• domovy pro seniory.
• Vyšších výkonů se dosahuje kaskádovým zapojením více jednotek, případně kombinací s kondenzačními kotli.

Tento způsob návrhu umožňuje optimalizovat investiční i provozní náklady a současně zajistit vysokou provozní spolehlivost zdroje tepla.

Shrnutí

Plynová tepelná čerpadla využívají stejný základní princip jako ostatní tepelná čerpadla, tedy získávání obnovitelné energie z okolního prostředí. Od elektrických tepelných čerpadel se liší způsobem realizace termodynamického oběhu, který je poháněn tepelnou energií vznikající spalováním plynu.

Díky kombinaci energie z paliva a energie získané z okolního prostředí představují technologii schopnou snižovat spotřebu primární energie při zachování výhod stávající plynárenské infrastruktury. To z nich činí zajímavé řešení zejména pro modernizace stávajících budov, u nichž není úplná elektrifikace technicky nebo ekonomicky optimální.

V následujícím článku se budeme věnovat ekonomice provozu plynových tepelných čerpadel a způsobům objektivního posuzování jejich provozu.