Prestup tepla z horniny do vrtu tepelného čerpadla

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA Prestup tepla z horniny do vrtu tepelného čerpadla Bakalárska práca Evidenčné číslo: SjF Študijný program: energetické strojárstvo Pracovisko: Ústav tepelnej energetiky Vedúci záverečnej práce/školiteľ: doc. Ing. František Ridzoň, CSc. Konzultant: Ing. Kristína Kazmerová Bratislava 2010 Milan Stribula

2 Čestné vyhlásenie Čestne vyhlasujem, že záverečnú prácu som vypracoval samostatne a že som uviedol všetku použitú literatúru. Dátum:...

3 Poďakovanie Chcem sa poďakovať za pomoc a pripomienky Ing. Kristíne Kázmérovej, ktorá bola mojím školiteľom.

4 Názov práce: Prestup tepla z horniny do vrtu tepelného čerpadla Kľúčové slová: prestup tepla, tepelné čerpadlo, horninový masív, hĺbkové vrty Abstrakt: STRIBULA, Milan: Prestup tepla z horniny do vrtu tepelného čerpadla. Slovenská technická univerzita v Bratislave. Strojnícka fakulta; ústav tepelnej energetiky. Vedúci záverečnej práce: Ing. Kristína Kázmérová. Bratislava: Strojnícka fakulta STU), 2011, 41 s. Cieľom záverečnej práce bolo ozrejmiť a poukázať na problematiku získavania zemskej energie, či uţ z menších, alebo z väčších hĺbok a jej efektívnejšie vyuţívanie. Práca je rozdelená do štyroch kapitol. Obsahuje 23 obrázkov a 3 tabuľky. Prvá kapitola je venovaná geotermálnej energii všeobecne a zahŕňa jej súčasné vyuţívanie na Slovensku ale aj vo svete. V druhej kapitole je charakterizovaný prehľad vyuţiteľnosti suchých hornín na našom území. Ďalšia kapitola je zameraná na princíp činnosti tepelného čerpadla, ako aj opis jeho hlavných a najdôleţitejších častí. Záverečná kapitola sa zaoberá samotnými výpočtami prestupu tepla z horniny do masívu pomocou jednotlivých metód. Spomenuté sú dve metódy, a to: výpočet prostredníctvom Gaussovho integrálu chýb (Kramplova metóda) a výpočet pomocou Forchheimerovej metódy. Title: Heat transfer from the rock into the borehole heat pump Keywords: heat transfer, heat pump, rock solid, deep drilling Abstract: STRIBULA, Milan: Heat transfer from the rock into the borehole heat pump. Slovak Technical University in Bratislava. Faculty of Engineering, Institute of thermal power. - Tutor: Ing. Kristina Kázmérová. - Bratislava: STU Faculty of Mechanical Engineering), 2011, 41 p. The aim of the thesis was to clarify and highlight the issue of acquisition of the earth's energy, whether smaller or greater depths, and its efficient use. The work is divided into four chapters. It contains 23 illustrations and 3 tables. The first chapter is devoted to geothermal energy in general and includes its current use in Slovakia but also in the world. The second chapter is characterized by an overview of utilization of dry rocks in our area. Another chapter focuses on the principle of operation of heat pumps, as well as a description of its main and most important parts. The final chapter deals only to calculate the heat transfer from the massive rocks by different methods. Mentioned two methods : the calculation by Gauss integral errors (Krampl method) and the calculation by Forchheimer method.

5 Obsah Úvod Geotermálna energia Tepelná bilancia a tepelné vlastnosti zeme Zdroje geotermálnej energie Hydrotermálne systémy Suché teplo hornín Geostlačené zóny Magmatické zdroje Prehľad vyuţiteľnosti tepla suchých hornín v SR Zemské teplo z vrtov malých hĺbok Termofyzikálne vlastnosti zemskej kôry Získavanie tepelnej energie pomocou tepelného čerpadla Princíp činnosti tepelného čerpadla Hlavné časti tepelného čerpadla Princíp činnosti tepelného čerpadla Hlavné časti tepelného čerpadla Kompresory Výparníky Kondenzátory Expanzný ventil Pracovné látky tepelného čerpadla Vedenie tepla v hornine Výpočet prestupu tepla v hornine Zhrnutie Záver Zoznam pouţitých značiek Bibliografické odkazy... 40

6 Úvod Ţijeme v dobe, kedy naša planéta čelí abnormálnej spotrebe jej prírodných zdrojov. Uţ niekoľko desaťročí sa vedú debaty v odborných ale i laických kruhoch ako by ľudstvo mohlo, ale aj malo zamedziť vyčerpaniu neobnoviteľných zdrojov. Ako jedna z moţných alternatív pre získanie nových zdrojov energie, pokiaľ moţno nevyčerpateľných, sa ponúka vyuţitie geotermálnej energie zeme. Pod týmto pojmom sa rozumie nielen vyuţitie horúcej vody nachádzajúcej sa pod zemským povrchom, ale aj teplo suchých hornín, ktoré je všade prítomné. Vzhľadom na vysoký technologický pokrok sa získavanie tepla práve zo suchých hornín stáva čoraz častejšou formou ako získať energiu. V mojej práci sa venujem opisu získavania tepelnej energie zo zemskej kôry, ale najmä prestupu a pohybu tepla z horúcej horniny do injektáţnych vrtov. Slovensko sa nachádza v oblasti Podunajskej panvy, čo mu dáva veľký potenciál pre získavanie práve takejto energie. Najväčší diel naakumulovanej energie sa však nachádza v hĺbke viac ako 5 km. V súčasnosti je spôsob získavania energie z týchto hĺbok veľmi náročný a finančne veľmi nákladný. Projekty získavania energie z hĺbok 5 km a viac sa preto nachádzajú ešte iba v štádiu pokusných experimentov. Prvé lastovičky však uţ môţeme sledovať v štátoch ako napr. USA, Filipíny alebo Nový Zéland. Oveľa častejšie sa na získavanie zemskej energie vyuţívajú vrty menších hĺbok (do hĺbky 200 m). Vďaka priaznivej polohe má Slovensko vhodné podmienky pre ťaţbu energie zeme a jej premenu na inú formu energie. V práci sú uvedené a popísané dve výpočtové metódy prestupu tepla v hornine. Prvým spôsobom je výpočet prostredníctvom Gaussovho integrálu chýb (Kramplova metóda) a druhý je výpočet pomocou Forchheimerovej metódy. V závere sú porovnané vypočítané hodnoty prostredníctvom oboch metód

7 1. GEOTERMÁLNA ENERGIA Geotermálna energia je jedným z najčistejších, najspoľahlivejších a hlavne obnoviteľných zdrojov energie [1]. Poskytuje teplo, ktoré pochádza z nasledovných dvoch zdrojov: z rádioaktívneho rozkladu v zemskej kôre a z tepla prenikajúceho z jadra cez zemský plášť. V minulosti bola zem horúca. Postupom času sa stále ochladzuje a tuhne. Jedným zo zdrojov tepla v zemskom jadre je trenie, ktoré vzniká pri slapových javoch a to tým, ţe na zem pôsobí gravitačné pole mesiaca a slnka, a tá sa následne rozťahuje. Geotermálna energia vystupuje na niektorých miestach na povrch v prírodných prameňoch horúcej pary alebo vody, ktoré boli v minulosti vyuţívané na kúpanie a varenie. Vyuţívanie tejto geotermálnej energie sa dosahuje vŕtaním vrtov do zásobární, aby sa vyuţila para z horúcej vody pod vysokým tlakom. Nasmerovaním pary a oddelenej horúcej vody sa poháňajú turbíny v elektrárňach. Tepelná energia sa tak premieňa na elektrickú energiu. Ochladená geotermálna kvapalina sa vstrekuje naspäť do zásobárne, kde sa opäť zohreje a zachová rovnováhu hmoty zdroja a jeho udrţateľnosť. Obr. č. 1: Schéma práce Braytonovho cyklu, P-v a T-s diagram Prameň: Geotermálny priemysel od čias vypuknutia naftových kríz v rokoch 1973 a 1978 zaznamenal prudký rozvoj. Elektrický výkon inštalovaný v roku 1980 bol asi 3000 MW a to v krajinách ako USA, Taliansko, Filipíny a Nový Zéland. Pre vyuţitie geotermálnej energie ako takej, je potrebná špecifikácia nasledovných podmienok [2]: dostupnosť energetického zdroja, energetický zdroj geotermálny vrt, výstroj a zariadenie geotermálneho energetického systému, druhy energetických systémov

8 Pre efektívne vyuţitie geotermálnej energie je potrebné uskutočniť rozsiahly prieskum daného terénu, v ktorom chceme realizovať výstavbu teplárne alebo zariadenia na výrobu elektrickej energie. Vstupné investičné náklady sú pomerne vysoké. Bez potrebných informácii by mohlo dôjsť k nerentabilnosti ako stavby, napríklad dôsledkom nízkej teploty zdroja, tak aj malého loţiska zásob (pokiaľ sa jedná o vyuţitie geotermálnych vôd alebo pár). Dôleţitým faktorom pri získavaní tepelnej energie zo suchých hornín je predovšetkým hĺbka vrtu a stabilnosť podloţia zemskej kôry. 1.1 Tepelná bilancia a tepelné vlastnosti zeme Chladnúci proces Zeme je veľmi pomalý. Odborníci odhadujú, ţe teplota vonkajšieho jadra sa za 3 miliardy rokov ochladila najviac o 300 C aţ 350 C. Teplota vonkajšieho jadra sa udrţuje na styku zemský plášť vonkajšie jadro zeme na úrovni cca 4000 C. Zároveň sa odhaduje, ţe tepelný obsah Zeme pri priemernej teplote zemského povrchu 15 C je radovo 12,6x10 24 MJ a pri priemernej teplote zemskej kôry 5,4x10 21 MJ [1]. Sedimentárne horniny s vysokou porozitou a málo kompaktné majú spravidla nízku tepelnú vodivosť, z čoho vyplývajú ich dobré izolačné vlastnosti. Naopak kompaktné horniny s nízkou porozitou majú v priemere vysokú tepelnú vodivosť. Dôsledkom toho je, ţe hlbinné teplo sa môţe šíriť horninami kryštalinika väčšou rýchlosťou, kde sa pod sedimentárnymi horninami postup tepla výrazne spomalí, čím môţe dôjsť ku zvýšeniu teploty pod menej vodivými horninami a tým k vytvoreniu tepelného bazénu. Najznámejším prejavom tejto energie je vulkanická činnosť, ale aj termálne pramene, gejzíry a výrony pár, ktoré sú takisto viazané na tieto zóny. Zaujímavosťou je, ţe mnoţstvo energie, ktoré sa dostane počas jedného roka zo zemských hlbín na povrch zodpovedá energii, ktorú moţno získať spaľovaním 35 miliárd ton čierneho uhlia. 1.2 Zdroje geotermálnej energie sú [5] : Zdroje geotermálnej energie existujú v štyroch hlavných formách, ktorými hydrotermálny systém, teplo suchých hornín, geostlačené zóny, magmatické zdroje. Tieto zdroje sú najviac dostupné na miestach, kde je zemská kôra relatívne tenká, alebo bola poznačená vulkanickou činnosťou alebo pohybom litosferických - 8 -

9 dosiek za posledných 8 miliónov rokov. Myslí sa tým tá časť geotermálnej energie, či uţ tuhej, kvapalnej alebo plynnej fázy zemskej kôry, ktorú je moţné ekonomicky ťaţiť všetkými moţnými a dostupnými technológiami. Takto získanú energiu je moţné vyuţívať na rekreačné, energetické, poľnohospodárske, priemyselné účely, a vôbec na uspokojovanie potrieb ľudstva Hydrotermálne systémy Na miestach, kde došlo k porušeniu zemskej kôry zvyčajne dochádza k poklesu spodnej vody pozdĺţ zlomov. Táto voda dosiahne aţ takých hĺbok, aby bola ohriata okolitými horninami. Vo veľkých hĺbkach a pri vysokých tlakoch ostáva kvapalná aj napriek tomu, ţe vysoko presiahla bod varu pri nadmorskej výške 0 m n. m. Takto prehriata podzemná voda sa nahromadí a vytvorí podzemný hydrotermálny rezervoár. Voda môţe byť vytlačená aţ na zemský povrch, kde sa následne vytvoria horúce pramene. Voda vystupujúca pod väčším tlakom je známa ako gejzír. Pre ilustráciu stavových veličín je na obr. č. 2 znázornený T-s diagram vody. Obr. č 2. : T-s diagram pre vodu Prameň: Hydrotermálne rezervoáre majú rôznu teplotu v závislosti na hĺbke zásobníka. Tie najhorúcejšie dosahujú teplotu aţ 300 C. Väčšina rezervoárov sa pohybuje v rozsahu teplôt C. Hovoríme o pribliţne dvoch tretinách. Najvýhodnejšie a zároveň najvyuţívanejšie je len niekoľko málo zdrojov, kde horúce fluidum je vo forme pary. Po odfiltrovaní kvapiek vody sa takto získaná para ţenie rovno na lopatky parných turbín. Turbíny premieňajú energiu pary na elektrickú energiu. Po ochladení para skondenzuje a ďalšími vrtmi sa vracia späť do zeme [5]

10 Prvá elektráreň takéhoto druhu bola spustená do prevádzky uţ v roku 1913 v talianskom meste Larderello. Pri jej spustení podávala výkon 250 kw. V súčasnosti je jej výkon 380 MW. Zaujímavosťou je, ţe výroba takto získanej elektrickej energie je oproti uhoľným elektrárňam aţ šesťkrát lacnejšia. Po úspechu takéhoto druhu elektrárne sa ďalšie elektrárne začali stavať na Novom Zélande, Mexiku a v USA. Najväčšia elektráreň, ktorej výkon je 950 MW sa nachádza v Kalifornii a na výrobu elektrickej energie vyuţíva suchú paru [6] Teplo suchých hornín Geotermálne zdroje, ktoré vyuţívajú teplo suchých hornín (hot dry rock) sa nachádzajú pod celým zemským povrchom. Ich vyuţitie je veľmi obtiaţne, nakoľko uloţenie pod zemským povrchom siaha aţ do hĺbky viac ako 3 km. Druhým problémom je neprítomnosť média nosiča, pomocou ktorého by sa obrovské mnoţstvo nahromadenej energie vynieslo na zemský povrch. Z tohto hľadiska je tento spôsob v súčasnej dobe nevyuţívaný, resp. málo vyuţívaný. Obr. č. 3: Technológia získavania geotermálnej energie zo suchého tepla hornín Prameň: Vysvetlivky: Production well produkčný vrt. Cirkulujúca horúca voda alebo para je čerpaná z rezervoára do elektrárne. Injection well injektáţny vrt. Ochladená voda sa vrtom vracia naspäť do rezervoára, kde uzatvára cyklus. Binary Geothermal Power Plant geotermálna elektráreň s binárnym cyklom Heat Exchanger tepelný výmenník Granite ţulová zemská kôra

11 V 70. a 80. rokoch 20. storočia prebiehali experimenty s vyuţitím energie tepla suchých hornín aj u Japoncov, Angličanov, Nemcov a Francúzov. Keďţe technológia na vyuţitie energetického potenciálu je pomerne nová, vyţaduje si mnoţstvo experimentov. Štáty si uvedomujú obrovský potenciál, ktorý môţe výrazne ovplyvniť blízku budúcnosť na celom svete. Ako môţeme vidieť na obrázku (obr. 3), spôsob získavania geotermálnej energie zo suchého tepla hornín umoţňuje vyuţívať naakumulovanú tepelnú energiu z horninového prostredia. Uvoľnenie takéhoto zdroja tepla začína tak, ţe sa navŕta prvý, tzv. úvodný vrt. Vo vrte, kde je energia naakumulovaná, sa pomocou trhaviny alebo vysokým tlakom vody vytvoria umelé trhliny. Tieto trhliny sú vyuţívané ako podzemný výmenník tepla. Následne sa vrtom zavedie do horúcej popraskanej horniny voda. Voda takto získa teplo zo suchých hornín a následne druhým vrtom (alebo niekoľkými vrtmi, ktoré vytvárajú s úvodným vrtom a podzemným výmenníkom sústavu) vystupuje horúca voda na zemský povrch. Môţe vystupovať aj vo forme pary. Na povrchu sa uţ teplo vyuţije na výrobu elektrickej energie alebo na vykurovanie [2]. Systém vyuţívania tepla suchých hornín má jedno a to dosť zásadné obmedzenie. Týmto obmedzením je, ţe pri tvorbe umelých trhlín v zemskom podloţí nemoţno predpokladať rozsah popraskania hornín. Základ je v tom, ţe pri nepoznaní rozsahu popraskania hornín hrozí riziko veľkých strát vháňanej vody v zemskej kôre. Počítať sa musí aj s odparením značnej časti tejto vody. Výstavba diela si vyţaduje obrovskú výdatnosť vodného zdroja a jeho ľahký prístup. Pri vytváraní trhlín dochádza často k zemetraseniam v rôznej škále Richterovej stupnici v závislosti na veľkosti detonácie podloţia Geostlačené zóny Geostlačené zóny sa nachádzajú v oblasti horúcich slaných vôd zachytených pod vysokými tlakmi medzi vrstvami nepriepustných hornín. Na výrobu energie môţu byť pouţité nie len horúce vody (teplota medzi C) ale aj hydraulický tlak. V týchto úloţiskách sa niekedy môţe nachádzať aj tretí zdroj energie, ktorým je metán rozpustený v slanej vode. Náklady na výrobu elektrickej energie z týchto zdrojov sú oveľa vyššie ako výroba energie z konvenčných zdrojov [1] Magmatické zdroje Vzhľadom na to, ţe v súčasnosti neexistuje vhodná vŕtacia technika, v blízkej budúcnosti sa nepredpokladá vyuţitie tohto zdroja tepelnej energie. Napriek tomu sa však dá magma nájsť aj v menších hĺbkach akými sú hĺbky v 30 kilometroch. Najperspektívnejším miestom na vyuţitie energie z magmy sa javia mladé kaldery, kde sa počíta s vŕtaním do hĺbky 7 kilometrov. Vrt bude rozdelený do niekoľkých etáp a očakávaná teplota magmy bude pribliţne 900 C. Do vrtu sa bude zo zemského povrchu vháňať studená voda, ktorá má za úlohu ochladiť steny vrtu, následkom čoho vznikne výmenník tepla hlboko pod zemským povrchom. Do výmenníka sa bude vháňať voda, ktorá sa

12 ohreje na vysoké teploty. Ohriata voda sa vytlačí na zemský povrch, pričom sa premení na paru [1]. 2. PREHĽAD VYUŽITEĽNOSTI TEPLA SUCHÝCH HORNÍN V SR Slovenská republika má vďaka svojim prírodným podmienkam významný potenciál vo vyuţívaní geotermálnej energie s tepelne vyuţiteľným výkonom, ktorý je na základe doterajších výskumov a prieskumov ohodnotený na MWt. Zdroje geotermálnej energie sú zastúpené predovšetkým geotermálnymi vodami, ktoré sú viazané na hydrogeologické kolektory nachádzajúce sa (mimo výverových oblastí) v hĺbkach m. V súčasnosti sa geotermálna energia na Slovensku vyuţíva na pribliţne 36 lokalitách s tepelne vyuţiteľným výkonom 131 MW. Významný potenciál je vo výrobe elektriny, čo predstavuje 60 GWh ročne [4]. Obr. č. 4: Mapa zásob geotermálnych vôd na Slovensku Prameň: Slovensko svojim geologickým zloţením, rôznorodosťou, členitosťou a polohou dáva našim odborníkom dobré vyhliadky pre začiatok zaoberania sa problematikou ťaţenia zemského tepla. Podľa Dušana Hovorku (2007) sú priaznivými aspektmi nášho územia najmä [6]: 1. Menšia hrúbka zemskej kôry oproti štandardu - toto sa týka najmä Podunajskej a Východoslovenskej panvy, čo má za následok

13 vyšší geotermálny gradient. Spomedzi viacerých priaznivých oblastí sa ako najideálnejšia javí oblasť medzi Trebišovom a Čiernou nad Tisou na východe Slovenskej republiky. Nemenej zaujímavé sú oblasti na juţnom Slovensku, predovšetkým územie v okolí Podunajskej níţiny. 2. Horniny - vulkanická aktivita, ktorá prebiehala v časovom období pribliţne 15 miliónov aţ 500 tisíc rokov pred Kristom mala za následok, ţe horniny nachádzajúce sa pod našim územím boli "nadštandardne prehriate". Tieto horniny predstavujú zvyškové teplo z obdobia tejto sopečnej činnosti. V polovici 90. rokov 20. storočia boli realizované pri Galante dva vrty, ktorým cieľom bolo získať horúcu vodu pre praktické vyuţitie. Tieto vrty skutočne narazili na podzemný zásobník teplej vody. Mnoţstvo vody pri hlave vrtov bolo v tom čase cca 50 l/s a jej teplota bola 78 C. V súčasnosti je prietok vrtov asi 35 l/s a je zachytávaná do obrovského zásobníka [2]. Problém je však v tom, ţe "vyťaţená" voda z týchto vrtov je do veľkej miery mineralizovaná. Pokiaľ by sme chceli túto vodu pouţívať priamo, nastali by do značnej miery problémy s inkrustáciou rozvodnej siete. Aby sme predišli takýmto problémom, je v zásobníku umiestnená medená platňa. Na jednej strane tejto platne sa nachádza vyťaţená mineralizovaná voda a na strane druhej je voda povrchová, nemineralizovaná a studená. Keďţe meď je skvelým vodičom tepla, dochádza k vzájomnej výmene tepla medzi tekutinami. Geotermálna energia sa vyuţíva aj v Topoľníkoch. V Podhájskej sa okrem termálnych vôd na kúpanie vyuţíva teplo aj na vykurovanie budov. Počíta sa aj s nepredvídateľnými udalosťami, preto je v zálohe kotolňa s kúrením na zemný plyn. Okrem týchto pár uvedených príkladov sa geotermálna energia vyuţíva aj na vykurovanie skleníkov. Teplo suchých hornín je pod zemským povrchom všade prítomné. Získavanie tohto tepla je technicky veľmi ťaţko prevediteľné. Ako príklady môţu slúţiť elektrárne v Taliansku, či v USA, ktoré vyuţívajú teplo suchých hornín. Výstavba takéhoto diela vo väčšom meradle má však ekologické a environmentálne dopady nielen na ţivotné prostredie, ale aj na samotný ţivot obyvateľov ţijúcich v blízkosti takéhoto diela. Do úvahy treba brať aj slovenskú legislatívu, ktorá nemá s takouto problematikou veľa skúseností. Vývoj získavania geotermálnej energie zo suchých hornín sa v posledných rokoch spomalil, čo môţeme pripísať v určitej miere celosvetovej kríze. Aj napriek spomínaným brzdným faktorom Slovenská republika má veľký potenciál z hľadiska vyuţívania geotermálnej energie

14 2.1 Zemské teplo z vrtov malých hĺbok Oveľa väčší význam a aj vyuţitie zemského tepla pre Slovensko majú vrty malých hĺbok. Vyuţitie zemského tepla formou vyuţitia tepelných čerpadiel si dal patentovať Švajčiar Zoelly v roku 1912 [5]. Princíp odberu energie spočíva vo výmenníku tepla zapusteného do vrtu. Pri premene energie na vyššiu teplotu sa pouţije tepelné čerpadlo a ako výmenník slúţia medené alebo polyetylénové trubky s médiom. Médium tvorí zmes vody a nemrznúcej kvapaliny. Čerpadlo a výmenník vytvoria uzatvorený okruh. Tepelné čerpadlo má schopnosť vyuţívať niţšie teploty (12 20 C) na ohriatie vody na teplotu C. Takto zohriatu vodu moţno vyuţiť na vykurovanie objektu. Rozhodujúcimi faktormi na hĺbky vrtov sú geotermické a geologické podmienky. Keďţe cena takéhoto systému je v súčasnosti pomerne vysoká, záleţí aj na dostupnosti finančných prostriedkov. Všeobecne platí, ţe maximálna hĺbka vrtu je 150 metrov, avšak v závislosti na tepelnom gradiente sa hĺbka vrtov môţe meniť. Ţivotnosť tepelného zariadenia najvyššej kvality sa pohybuje v intervale od 12 rokov do 50 rokov. Ţivotnosť zariadenia závisí od toho, či ide o elektronický alebo statický riadiaci systém: pri elektronickom riadiacom systéme sa ţivotnosť gradienta pohybuje v intervale od 12 do 15 rokov, pri statickom riadiacom systéme je ţivotnosť zariadenia vyššia, v rozmedzí od 30 do 50 rokov. Územie Slovenskej republiky má na vyuţitie tepla z menších hĺbok výborné podmienky. Väčší geotermický potenciál sa zistil v Podunajskej níţine, v stredoslovenských neovulkanitoch a najmä vo Východoslovenskej níţine a v Košickej kotline, kde sa na niektorých miestach zistil najväčší tepelný tok a geotermálny gradient v strednej a východnej Európe [4]. 2.2 Termofyzikálne vlastnosti zemskej kôry Termofyzikálne vlastnosti pôdy, ako napríklad tepelná kapacita, tepelná vodivosť alebo hustota, nie sú rovnaké. Menia sa v závislosti od druhu pôdy. Koeficient tepelnej vodivosti najviac ovplyvňujú hustota a obsah vlhkosti v pôde. Rozdiel koeficientov tepelnej vodivosti suchej a vlhkej pôdy môţe byť veľmi veľký. Ak sa jedná o vlhkú pôdu, pri ochladzovaní zamŕza. Dôsledkom je fakt, ţe v okolí výmenníka tepla vznikne voľný vzduchový priestor. Tým pádom sú zhoršené podmienky pre prestup tepla. Celkové technicko-ekomomické parametre sú v konečnom dôsledku tieţ horšie [6]. Zo skúseností je zrejmé, ţe na dosiahnutie tepelného výkonu 1 kw pri suchej pôde je za potreby rúrkový had dlhý asi 150 m. Ak sa jedná o vlhkú pôdu, stačí had dlhý 40 m

15 3. ZÍSKAVANIE TEPELNEJ ENERGIE POMOCOU TEPELNÉHO ČERPADLA Vzhľadom na to, ţe sa zmenšujú primárne energetické zdroje tepla, je nutné zniţovať spotrebu energie jej účelnejším vyuţívaním. Jeden zo spôsobov šetrenia energie v domácnosti ponúkajú tepelné čerpadlá. V dnešnej dobe povaţujeme tepelné čerpadlá za jeden z alternatívnych zdrojov obnoviteľnej energie [10]. Odoberajú teplo z okolitého prostredia (zem, vzduch, voda), a pretvárajú ho na vyššiu teplotnú úroveň. Tepelné čerpadlá sa zaradili k obnoviteľným zdrojom energie len v nedávnej minulosti. Hlavným argumentom proti zaradeniu tepelných čerpadiel medzi obnoviteľné zdroje energie bola skutočnosť, ţe sú závislé na dodávaní elektrickej energie. Zmena nastala aţ v roku 2008, kedy prijal Európsky parlament stratégiu vyššieho vyuţívania obnoviteľných zdrojov energie. Tepelné čerpadlá vyuţívajú pre svoju činnosť energiu zo svojho okolia. Druhy energie prostredia sa z hľadiska dostupnosti delia na dve základné skupiny [6]: prírodné zdroje tepla druhotné zdroje tepla z technologických procesov V praxi sa vyuţívajú dva spôsoby odberu tepla. Sú to [8]: odber naakumulovanej energie slnečného ţiarenia z povrchu a z hĺbky. Pri oboch prípadoch ide o vyuţitie zavretých výmenníkov na primárnej strane tepelného čerpadla. Výmenníky sú naplnené nemrznúcou zmesou. V súčasnosti existuje viacero spôsobov ako získať tepelnú energiu zemskej kôry. Na Slovensku sú najrozšírenejšie dva spôsoby [2]: získavanie energie prostredníctvom zemných kolektorov a získavanie energie pomocou hĺbkovej sondy 3.1 Zemné kolektory na získavanie energie prostredia Prepojenie tepelného čerpadla s výmenníkom tepla uloţeným v zemi moţno zrealizovať dvoma spôsobmi technického riešenia po prvé výmenník tepla sa uloţí horizontálne v menšej hĺbke povrchom zeme, napríklad vo forme rúrkového hada, alebo po druhé, výmenník tepla sa uloţí do vertikálneho vrtu v hĺbke do 150 m [6]. Samotné prepojenie výparníka tepelného čerpadla s výmenníkom uloţeným v zemi jedným alebo druhým spôsobom moţno uskutočniť buď pomocou sekundárneho obehu a cirkulačného čerpadla, alebo priamym prívodom obehovej pracovnej látky, pričom výmenník tepla v zemi je súčasne aj výparníkom tepelného čerpadla [6]

16 Obr. č. 5: Prepojenie čerpadla s výmenníkom tepla uloţeným v zemi Spracované podľa: MACKAY, D. J.: Sustainable Energy - Without the Hot Air. England. Vydavateľstvo Uit Cambridge Ltd, Vysvetlivky: 1 tepelné čerpadlo 2 zásobníkový ohrievač vody 3 akumulačný zásobník vykurovacej vody Vo všeobecnosti je známe, ţe na juhovýchodnom Slovensku ani počas najchladnejších dní neklesne teplota pôdy v hĺbke 0,8 aţ 1 m pod bod mrazu. Tento fakt privádza návrhárov tepelných čerpadiel k tomu, aby vyuţili pôdu pre získavanie nízkoteplotnej energie [1]. Je známych viacero spôsobov rozloţenia zemných kolektorov pod zemským povrchom. Ako budú kolektory pod zemským povrchom uloţené do veľkej miery závisí od jej vlastností a od toho, či je pôda suchá alebo vlhká. Pri pouţití systému horizontálnych zemných kolektorov sa na odber tepla zo zemskej kôry uloţia v hĺbke 0,5 aţ 3 m plastové rúry. Rúry mávajú zvyčajne priemer 20 aţ 25 mm, vo vzdialenosti 0,3 aţ 1,5 m. V rúrkach cirkuluje nemrznúca zmes, najčastejšie sa pouţíva roztok polyetylénglykolu s vodou. Niektorí výrobcovia odporúčajú pre tieto účely špeciálne vyvinuté, ekologicky neškodné nemrznúce kvapaliny. Teplota teplonosnej látky je zruba 0 aţ 5 C, pri zmene teploty o 5 K [6]. Maximálna dĺţka by nemala prekročiť hranicu 100 m. V okruhu zemných kolektorov sa musí nachádzať expanzná nádoba a poistný ventil. Technológia výroby kolektorov musí zabrániť vzniku spojov na rúrkach pod zemou. Pri zapájaní slučiek do rozdeľovacích a zberných komôr musí existovať aj moţnosť odpojenia slučiek z prevádzky v prípade poruchy. Rozdeľovacie a zberné komory by mali byť uloţené v ľahko dostupných šachtách. Ak sú rúrky uloţené v kamenistej pôde, je nutné chrániť ich pieskovým obsypom [2,6]. 3.2 Hĺbkové sondy na získavanie energie prostredia Pri pouţití systému vertikálnych hĺbkových sond, sa na odber tepla zo zeme pouţívajú dve aţ tri hĺbkové sondy, ktoré tvorí zväzok medených rúrok s plastovým povlakom, aby sa zabránilo korózii. Sondy by sa mali rozmiestniť vo vzdialenosti pribliţne 5 m od seba. Aby umoţňovali dobrý prestup tepla, musia byť medzery vyplnené ílom. Priemer vrtov pri hĺbkových sondách je do 150 mm

17 a hĺbky vrtov sú 40 aţ 150 m. Na obr. č. 5 sú znázornené moţnosti napojenia objektu na vyuţitie zemného tepla [6]. Obr. č. 5: Spôsoby zaradenia tepelného čerpadla na vyuţitie zemského tepla Spracované podľa: PETRÁŠ, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Vydavateľstvo JAGA Bratislava, Ak je hodnota hustoty tepelného toku zo zeme pribliţne 50 W na meter beţnej hĺbky uvedeného vrtu, moţno získať zdroj pre potreby rodinného domu so spotrebou 12 kw pomocou dvoch vrtov do hĺbky 120 m [2,6]. Zemné sondy ako tepelné trubice sú zariadenia na dopravu tepelnej energie princípom tepelnej trubice. Pouţitie zemnej sondy ako tepelnej trubice tam, kde sa získa teplo zo zeme s pomerne dlhým úsekom vyparovania náplne, by bolo pre kondenzačný úsek neporovnateľne kratšie. Kondenzačný úsek tepelnej trubice sa rieši ako výmenník tepla z vinutej rúry zabudovanej do hornej časti zemnej sondy. Tento výmenník tepla môţe byť súčasne aj výparníkom tepelného čerpadla [6]. Vzniknutá zvislá trubica z rúrky je na oboch koncoch rovnako tesne vákuovo uzavretá a naplnená vhodnou pracovnou látkou (napríklad oxidom uhličitým). Vo vnútri ohrievanej časti rúrky sa pracovná látka vyparuje a na vnútornom povrchu ochladzovaného konca rúrky sa kondenzuje. V prípade gravitačných rúrok termosifónov, vratný tok kvapalnej pracovnej látky z kondenzačnej časti do výparnej časti umoţňuje gravitačná sila. Zemná hĺbková sonda pozostáva z tlaku odolnej kovovej rúry, ktorá je napustená určitým mnoţstvom kvapalinovej náplne, ktorá sa vo vnútri sondy premieňa z tekutého na parné skupenstvo a opačne. Sonda sa umiestňuje vertikálne do zeme. Zemské teplo, prechádzajúce vedením do sondy, spôsobuje vyparovanie náplne a pary stúpajú smerom nahor k výparníku tepelného čerpadla (zabudovaného do hornej časti sondy), na výmenníkovej ploche kondenzátora (tepelnej trubice/výparníka TČ) náplň v kvapalnom skupenstve steká smerom nadol, kde pri cyklickom vyparovaní umoţňuje plynulé odoberanie zemského tepla

18 [6]. Na obr. č. 6a/b sú zobrazené moţné spôsoby usporiadania zemných sond, respektíve moţnosti napojenia vykurovaného objektu na tepelné čerpadlo [6]. a) umiestnenie podľa Tischelmanna b) jednotlivé sondy s rozdeľovačom Pomocou experimentálneho vyhotovenia zemných sond boli odskúšané funkcie v laboratórnych podmienkach, kde na dĺţke (hĺbke) tepelnej trubice dosahovali výkony maximálne 150 kw. Podobné pilotné testy s dĺţkou sondy 18 m, v hĺbke vykazovali 50 W tepelného výkonu na beţný meter pri teplote vyparovania oxidu uhličitého. Vlastnosti zemných sond na princípe tepelných trubíc, respektíve vertikálnych termosifónov, sú zatiaľ v štádiu výskumných prác. Overujú sa ich tepelno technické vlastnosti, počas ktorých sa rieši optimalizácia náplne pracovnej látky a rôzne ďalšie otázky spoľahlivosti týchto konštrukcii. Z teplotného a kapacitného hľadiska môţe zemská kôra úplne pokryť potreby energie na vykurovanie a na prípravu teplej vody pomocou tepelného čerpadla obytnej budovy počas celej vykurovacej sezóny. Vzhľadom na zmenšovanie zásob primárnych energetických zdrojov, významnou črtou úspor energie je jej účelnejšie vyuţitie. 3.3 Princíp činnosti tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo pracuje na princípe odberu tepla prostrediu z nízkou teplotou, následne ju pretransformuje na vyššiu úroveň a odovzdá ho prostrediu z vyššou teplotou. Na to, aby mohlo tepelné čerpadlo pracovať je potrebné mu dodať elektrickú energiu z externého zdroja [12]. Energia dodaná čerpadlu na vstupe sa však viacnásobne vráti na jeho výstupe. Na uskutočnenie takéhoto procesu sú vyuţívané princípy známe z prostredia chladiacej techniky na báze termodynamického chladiaceho okruhu. V okruhu za sebou nasledujú vyparovanie, kompresia, kondenzácia a expanzia. Na obrázku (obr. č. 7) je znázornený princíp činnosti tepelného čerpadla. Ako vidno, okruh sa skladá zo štyroch základných častí: výparník, kompresor, kondenzátor a expanzný ventil

19 Obr. č. 7: Princíp činnosti tepelného čerpadla Spracované podľa: ŢERAVÍK, A.: Stavíme tepelné čerpadlo. Přerov. Vydavateľstvo EURO- PRINT, Chladiaca zmes je vo výparníku pri niţšej teplote a tlaku odparovaná. Zmes sa pri tomto procese mení z kvapalného skupenstva na plynné. Pri procese zmeny skupenstva získava energiu z primárneho okruhu, ktorý je zdrojom nízko potenciálneho tepla [8]. Takto zohriata chladiaca zmes, ktorá vo výparníku odobrala teplo z prvotného zdroja je v plynnom skupenstve nasávaná kompresorom. Pri stláčaní v kompresore sa chladiaca zmes prudko zohrieva. K ohrevu navyše prispievajú aj straty z motora, ktorý poháňa kompresor. Prehriata chladiaca zmes má následne vyššiu teplotu ako zohrievané médium v sekundárnom okruhu. V kondenzátore predá určitú časť svojej teploty látke v sekundárnom okruhu (môţe to byť napr. voda v zásobníku, alebo je odvádzaná do vyhrievaného priestoru). Počas procesu kondenzácie sa mení chladiaca zmes z plynného skupenstva na kvapalné. Zmes následne prechádza cez expanzný ventil. Ventil chladiacu zmes vstrekuje späť do výparníka. Podľa toho, ako získavame teplo, moţno rozdeliť tepelné čerpadlá do niekoľkých skupín. Najväčší vplyv na vlastnosti a konštrukciu tepelných čerpadiel má voľba primárneho zdroja tepla [8]. Tepelné čerpadlo vzduch vzduch odoberá vzduch z okolitého prostredia, alebo odpadový vzduch. Vzduch je nasávaný priamo do tepelného čerpadla. Takto získané teplo sa vyuţíva na ohrev alebo chladenie objektu (obr. 8)

20 Obr. č. 8: Tepelné čerpadlo vzduch vzduch Spracované podľa: Tepelné čerpadlo vzduch voda odoberá vzduch z okolitého prostredia, alebo odpadový vzduch. Vzduch je nasávaný do tepelného čerpadla. Takto získané teplo sa vyuţíva pre ohrev vody na kúrenie, alebo v zásobníku teplej úţitkovej vody(obr. 9). Obr. č. 9: Tepelné čerpadlo vzduch voda Spracované podľa: ŢERAVÍK, A.: Stavíme tepelné čerpadlo. Přerov. Vydavateľstvo EURO-PRINT, 2003 Tepelné čerpadlo voda voda odoberá teplo z vody (geotermálnej alebo spodnej). Tá preteká cez výmenník, ktorý sa nachádza na primárnej strane tepelného čerpadla. Teplo sa ďalej predáva do ohrievanej vody

21 Obr. č. 10: Tepelné čerpadlo voda voda Spracované podľa: Tepelné čerpadlo zem voda odoberá teplo z väčších alebo menších hĺbok zemskej kôry. Tento proces umoţňujú väčšinou plastové výmenníky, tzv. kolektory. Primárny okruh tepelného čerpadla je uzavretý a plnený nemrznúcou zmesou. Teplo je predávané do ohrievanej vody (obr. 11). Obr. č. 11: Tepelné čerpadlo zem voda Spracované podľa: V názvoch systémov tepelných čerpadiel prvé slovo značí zdroj nízkopotenciálneho tepla. Druhé slovo predstavuje médium, do ktorého je získané teplo predávané

22 3.4 Hlavné časti tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo sa skladá zo štyroch základných častí, ktorými sú [13]: Kompresor Výparník Kondenzátor Expanzný ventil Kompresory Kompresor je najdôleţitejšou súčasťou systému tepelného čerpadla. Ovplyvňuje dosiahnuté hodnoty výkonového čísla, prevádzkový výkon, ţivotnosť daného systému, ako aj jeho údrţbu a opravy. Kompresor v tepelnom čerpadle by mal zodpovedať týmto poţiadavkám [13]: Kompresor by mal dosiahnuť ţivotnosť aspoň päť rokov od úvodnej generálnej opravy. Tepelné čerpadlo, ktoré vyuţíva vzduch, je nutné, aby kompresor pracoval v rozmedzí výparnej teploty od -35 C do + 15 C a kondenzačná teplota by nemala presiahnuť 65 C. Kompresor musí byť odolný voči stavu nasávanej pary pracovnej látky vstupujúcej do kompresora. Náhle zmeny tlakov nesmú mať za následok spenenie oleja v kľukových mechanizmoch. Elektromotor, ktorý poháňa kompresor by mal mať ploché max. krivky účinnosti v širšom rozsahu výkonu. Kompresor sa musí vedieť prispôsobiť zmene potreby tepelného výkonu. Kompresory by mali byť skonštruované tak, aby tok energie vo forme tepla odchádzal do okolia v čo najmenšom mnoţstve. Kompresor poháňaný motorom musí mať najväčšiu moţnú účinnosť

23 Rozdelenie kompresorov je znázornené na obr. č. 12. Ďalšímy aspektmi pre rozdelenie kompresorov môţe byť napr. druh stlačovanej látky, oblasti tlakov, počet stupňov a iné [14]. Kompresory Objemové Rýchlostné S vratným pohybom piestu Membránové Rotačné Lopatkové (Turbokompresory) Prúdové (Ejektory) S mechanicky hnaným piestom S voľnými piestami Ostatné Odstredivé (Radiálne) Osové (Axiálne) S jedným hriadeľom S dvoma a viac hriadeľmi Vodokružné krídlové S valivým piestom Ostatné Rootsové Skrutkové Ostatné Obr. č. 12: Rozdelenie kompresorov Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Výparníky Výparník je vlastne výmenník tepla v okruhu chladiva, kde je smer toku tepla z chladnej látky do chladiva. Podľa spôsobu styku kvapalného chladiva s teplosmennou plochou výparníka ich delíme na [14]: Zaplavené výparníky typ výparníka, kde priestor pre chladiacu zmes je zaplnený kvapalným chladivom tak, ţe teplosmenná plocha je do stanovenej výšky zaplavená. Výhodou je skvelé zuţitkovanie plochy, nevýhodou je pouţitie veľkého mnoţstva náplne (obr. č. 13)

24 Obr. č. 13: Schéma zaplaveného výparníka Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladeni a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 výparník 2 odlučovač kvapaliny 3 škrtiaci ventil 4 prívod kvapalnej chladiacej zmesi 5 odvod pár do kompresora Suché výparníky typ výparníka, kde kvapalná chladiaca zmes vstupuje na teplonosnú plochu v smere odsávaných pár. Zmes sa vyparí skôr ako sa dostane na koniec teplosmennej plochy. Týmto procesom vzniká prehriatie vychádzajúcich pár. Pri suchých výparníkoch je výhoda to, ţe je potrebné len malé mnoţstvo chladiacej zmesi (obr. č. 14). Obr. č. 14: Schéma suchého výparníka Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 výparník 3 škrtiaci ventil 4 prívod kvapalnej chladiacej zmesi 5 odvod pár do kompresora

25 Sprchované výparníky - typ výparníka, kde sa chladiaca zmes privádza na teplosmennú plochu zhora v niekoľko krát väčšom mnoţstve, ako je vyparené mnoţstvo. Zmes privádzaná po tejto ploche steká a zostatkové chladivo sa následne recirkuluje čerpadlom. Pri sprchovaných výparníkoch je hlavnou nevýhodou nutnosť pouţitia čerpadla (obr. č. 15). Obr. č. 15: Schéma sprchovaného výparníka Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 výparník 3 škrtiaci ventil 4 prívod kvapalnej chladiacej zmesi 5 odvod pár do kompresora Výparníky s nútenou cirkuláciou chladiva typ výparníka, kde je cirkulujúca chladiaca zmes nútene hnaná v niekoľko krát väčšom mnoţstve, ako je vyparené mnoţstvo, čím sa dosiahne bezpečné zmáčanie teplonosnej plochy (obr. č. 16). Obr. č. 16: Schéma sprchovaného výparníka Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 výparník 5 odvod pár do kompresora 3 škrtiaci ventil 6 nízkotlakový zberač 4 prívod kvapalnej chladiacej zmesi 7 čerpadlo na chladiacu zmes

26 3.4.3 Kondenzátory Kondenzátor [140] je vlastne výmenník tepla v okruhu chladiacej zmesi, vnútri ktorého sa stlačeným parám odoberá teplo. Chladivo sa pri tomto procese skvapalňuje. Kondenzátory sa rozdeľujú podľa konštrukcie a podľa látky, ktorou je kondenzátor ochladzovaný: Kondenzátory chladené vodou volajú sa aj prietočné. Konštrukčne môţu byť riešené ako ponorné, leţaté/stojaté, zväzkové a kotlové. Väčšie mnoţstvo prietočných kondenzátorov je tvorených valcovým plášťom. V plášti sa nachádza jedna poprípade celý zväzok rúrok. Ak sa v kondenzátore nachádza väčšie mnoţstvo rúrok, takýto typ kondenzátora nazývame kotlový. Schéma kotlového kondenzátora je na obr. č. 17. Obr. č. 17: Schéma kotlového leţatého kondenzátora Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 vstup pár chladiva 2 vstup kvapalného chladiva 4 vstup chladiacej vody 5 výstup chladiacej vody 6 čistenie rúrok 7 prepáţky na tvorenie ťahu vody 8 vypúšťanie oleja Sprchové kondenzátory tvoria sa ako zväzky do väčšej miery vodorovne uloţených rúrok (obr. č. 18). V rúrkach kondenzuje chladiaca zmes. Po vonkajšej strane rúrok steká voda, ktorá sa odparuje v takom mnoţstve, ktoré zodpovedá veľkosti stykovej plochy so vzduchom, jeho teplote, vlhkosti a rýchlosti. Výhodou takýchto kondenzátorov je ich jednoduché čistenie aj počas prevádzky

27 Obr. č. 18: Schéma kotlového leţatého kondenzátora Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT, Vysvetlivky: 1 vstup pár chladiva 2 vstup kvapalného chladiva 3 rúrkový zväzok 4 sprchovací systém 5 zberná misa 6 odpad 7 cirkulačné čerpadlo na vodu 8 prívod prídavnej vody Odparovacie kondenzátory konštrukcia odparovacieho kondenzátora je tvorená zväzkom rúrok uloţených vodorovne. Schéma odparovacieho kondenzátora je znázornená na obr. č. 19. Obr. č. 19: Schéma odparovacieho kondenzátora Spracované podľa: HAVELSKÝ, V. FŰRI, B. Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava. Vydavateľstvo SVŠT,

28 Vysvetlivky: 1 vstup pár chladiva 2 vstup kvapalného chladiva 3 rúrkový zväzok 4 vstup vzduchu 5 výstup vzduchu 6 odlučovač kvapiek 7 ventilátor 8 čerpadlo cirkulačnej vody 9 prívod prídavnej vody 10 sprchovací systém 11 odpad Rúrky môţu mať hladký alebo rebrovaný povrch, sú uschované v skrini a sprchované vodou. Vzduch sa vháňa okolo rúrok prostredníctvom ventilátora v takom mnoţstve, aby sa doň odparila hmotnosť vody daná kondenzačným výkonom [14]. Odparená voda sa následne nahrádza prídavnou vodou. Voda, ktorou sa sprchujú rúrky recirkuluje v niekoľkonásobnom mnoţstve odparenej vody. Proces musí zabezpečiť úplné zmáčanie všetkých rúrok. Na základe toho, ţe všetko teplo odovzdávané vode sa odparuje do vzduchu, teplota vody sa nemení a udrţuje si konštantnú teplotu. Kondenzátory chladené vzduchom sú chladené prirodzene prúdiacim vzduchom. Súčiniteľ prestupu tepla je na strane vzduchu pomerne nízky. Následkom je skutočnosť, ţe sa pouţívajú iba pre domáce chladničky, kde nie je vhodná montáţ ventilátora Expanzný ventil Expanzný ventil (termostatický expanzný ventil TEV) sa často nazýva aj vstrekovací ventil. Hlavnou úlohou expanzného ventilu je vstrekovanie kvapalnej chladiacej zmesi do výparníka. Výparník musí byť plnený optimálnym mnoţstvom aby dosiahol optimálny pracovný chod (obr. č. 20). Obr. č. 20: Principiálna schéma termostatického expanzného ventilu Spracované podľa: Ţeravík, A.Stavíme tepelné čerpadlo. Přerov. Vydavateľstvo Euro-Print,

29 Konštrukčne je expanzný ventil riešený pomerne rovnako, aţ na pár drobných odchýliek u jednotlivých výrobcov. Hlavnou časťou termodynamického expanzného ventilu je tryska, ktorá je regulovaná silou, tvorenou vzájomným pôsobením viacerých veličín. Jednotlivé sily vznikajú tlakom plynov na membránu ventilu a pruţinou regulačnej skrutky [8]. Dôleţitou časťou ventilu je teplotné čidlo (tykavka). Je to vlastne menšia nádoba naplnená vhodným médiom, pri ktorom ak sa zvýši teplota, zvýši sa aj jeho tlak. Tlak sa prostredníctvom kapiláry prenáša na membránu. Hodnota tlaku nad membránou sa zvyšuje so stúpajúcou teplotou tykavky. Tlak pod membránou stúpa s vyparovanou teplotou. Rozdiel týchto tlakov zodpovedá prehriatiu chladiacej zmesi a vytvára silu, ktorá pôsobí proti sile pruţiny vo ventile a otvára alebo zatvára trysku ventilu. Ak prehriatie chladiacej zmesi vo výparníku stúpne, ventil sa otvára a naopak [8]. 3.5 Pracovné látky tepelného čerpadla Pracovná látka v okruhu tepelného čerpadla prechádza termodynamickými zmenami. Počas týchto zmien sa pri menšom tlaku a teplote do pracovnej látky teplo dodáva a pri vyššom tlaku a teplote je pracovnej látke teplo odoberané. Privádzanie a odvádzanie tepla je väčšinou spojené so zmenou skupenstva pracovnej látky, a to odparovaním pri prívode tepla a kondenzácii pri odbere tepla [13]. Tepelné čerpadlo vzniklo z chladiaceho stroja vyuţívaním vychádzajúcich energetických tokov, pričom pracuje pri nadnulových teplotách. Beţné chladivá pouţívajúce sa pri chladiacich strojoch sa preto môţu pouţívať pre tepelné čerpadlá iba čiastočne. V chladiacej technike poznáme zhruba 70 chladív, z ktorých sa môţe v okruhoch tepelných čerpadiel pouţiť iba zlomok [13, 8]. Súhrn pracovných látok vhodných pre tepelné čerpadlá je uvedený v tab. 1. Tab. č. 1: Pracovné látky tepelných čerpadiel

30 Pracovné látky tepelných čerpadiel uvedené v tab. 1 môţeme rozdeliť do troch skupín [13, 8]: 1. Klasické pracovné látky voda a čpavok Voda (H2O) ako pracovná látka tepelných čerpadiel je charakteristická nízkymi tlakmi v pracovných oblastiach a vyššími špecifickými objemami. Objemový kondenzačný tepelný výkon je pomerne niţšej hodnoty, čo má za následok vysoké prietokové objemy. Voda môţe byť pouţitá v niektorých špeciálnych prípadoch, najčastejšie v paroprúdových zariadeniach a v tepelných čerpadlách pracujúcich pri vyšších kondenzačných teplotách (90 C a vyšších). Je charakteristická veľmi vysokými výkonovými číslami pri pouţití v Rankinovom obehu tepelného čerpadla. Najviac je však pouţívaná ako dvojica s inými pracovnými látkami (NH3 H2O, LiBr H2O) [8]. Čpavok (NH3) je jednou z najstarších pracovných látok, ktorá je pouţívaná ako chladivo v chladiacich zariadeniach pre parné a sorpčné obehy. Moţno ju pouţiť pri všetkých druhoch objemových kompresorov stredných a veľkých výkonov. Vyznačuje sa vysokým hmotnostným a objemovým kondenzačným tepelným výkonom a pri vyšších teplotách neprimerane vysokými tlakmi. Čpavok má relatívne nízke výrobné náklady. Nevýhodou je jeho výbušnosť a je prudko jedovatý. Vytvára nepríjemný zápach uţ pri nízkych koncentráciách a pri jeho úniku včas signalizuje hroziace nebezpečenstvo zamorenia. Pre pouţitie v tepelných čerpadlách s parným obehom je menej vhodný kvôli vysokým tlakom v pracovnej oblasti [13]. 2. Uhľovodíky a halogénderiváty uhľovodíkov Uhľovodíky sa pouţívajú len veľmi zriedka. Oveľa častejšie sa pouţívajú halogénderiváty uhľovodíkov [13, 8]. Halogénderiváty uhľovodíkov v týchto zlúčeninách je minimálne jeden, alebo všetky atómy vodíka nahradené halovými prvkami (chlórom, fluórom). Prvá látka tohto druhu bola vyrobená v roku 1930 v USA. Pomenovali ju freón s číselným označením 12, ktoré je v platnosti aj v dnešnej dobe. Pouţívanie halogénderivátov uhľovodíkov spôsobilo rozvoj chladiacej techniky s moţnosťou odstránenia nepriameho chladenia a zároveň zvýšilo ich bezpečnosť prevádzky. V súčasnej dobe sú halogénderiváty uhľovodíkov pre tepelné čerpadlá veľmi dôleţité a bez nich sa len ťaţko posunie rozvoj výroby tepelných čerpadiel smerom dopredu. Najdôleţitejšie vlastnosti halogénderivátov uhľovodíkov podľa Mečárika moţno zhrnúť do niekoľkých bodov: z bezpečnostného hľadiska sú nehorľavé a nevýbušné, takmer nejedovaté a do určitej teploty sú chemicky stále majú veľmi dobrú rozpustnosť v olejoch a tukoch vyznačujú sa vysokou prelínavosťou, čo si vyţaduje pouţitie kompletnej konštrukcie s minimom dokonale tesniacich spojov

31 malá rozpustnosť vody, ktorá môţe pri teplotách pod bodom mrazu narušiť funkciu zariadenia a celej konštrukcie poţiadavky na vysokú kvalitu sú kompenzované vysokými výrobnými nákladmi Okrem pracovných látok uvedených v tab. 1 poznáme aj binárne zmesi (skladajú sa z dvoch zloţiek), ktoré sa pouţívajú v sorpčných obehoch (absorpčné a adsorpčné tepelné čerpadlá). Okrem tohto rozdelenia delíme chladivá aj podľa teplotných vlastností a pomeru zloţiek na azeotropné a zeotropné 4. VEDENIE TEPLA V HORNINE Vo všeobecnosti platí, ţe čím je teplotný rozdiel v termodynamickom prostredí vyšší, tým je vyššia aj kvalita príslušného zdroja tepla. Z tohto dôvodu zdroje tepla s vysokou teplotou umoţňujú efektívnejšiu premenu tepla na mechanickú prácu. Výstavba geotermálnych elektrární zaloţených na vyuţití tepla horúcej suchej horniny je reálne moţná na miestach, kde teplota masívu vo vhodnej hĺbke presahuje 150 C. Zdroj tepla nepresahujúci teplotu 130 C nie je povaţovaný za vhodný pre premenu energie na mechanickú prácu. Nízkopotenciálne teplo z takéhoto zdroja je vyuţívané priamo a výhradne pre diaľkové vykurovanie, alebo na vykurovanie bazénov a skleníkov [17]. Masív, ktorého hranicu tvorí rovinný povrch a je neohraničený v smere osi x kolmej na povrch sa podľa Šorina nazýva poloohraničený masív, alebo polonekonečné teleso pre šírenie tepla smerom x. Rovnorodý poloohraničený masív (obr. č. 21) neobmedzených rozmerov a s rovinným povrchom, ktorý má v začiatočnom okamihu určité rozloţenie teplôt Ta(x), je vystavený na povrchu náhlemu ohrevu (resp. ochladeniu), po ktorom ostane v ďalšom priebehu teplota povrchu Ts konštantná [16]. Obr. č. 21: Šírenie tepla v poloohraničenom masíve Spracované podľa: ŠORIN. S. N.Sdílení tepla. Bratislava. Vydavateľstvo Alfa,

32 Pre určenie rozmerov podzemného výmenníka tepla spĺňajúceho poţadovanú energetickú náročnosť je potrebné poznať vzťahy pre prenos tepla. Pre stanovenie tohto kľúčového parametra prenosu tepla vo výmenníku tepla sa pouţil zjednodušený model. Ako okolitý skalný masív bola uvaţovaná ţula. Ako pracovná látka bola uvaţovaná voda s turbulentným prúdením v potrubí vedúcim cez horúci horninový masív. Všetky výpočty boli vykonávané na vyššie uvedenom geometrickom modely. Fyzikálne vlastnosti vody a hornín sú uvedené v tab. 2 a 3. Tab. 2 Vlastnosti horninového masívu Hustota ρ h kg.m Merná tepelná kapacita C ph J.(kg.K) Teplota horniny T h C 200 Tepelná vodivosť λ h W.(m.K) -1 2,5 Hĺbka výmenníka tepla h m 3000 Tab. 3 Vlastnosti vody Hustota ρ kg.m ,2 Merná tepelná kapacita C p J.(kg.K) Teplota t 0 C 40 Tepelná vodivosť λ W.(m.K) -1 0,651 Koeficient tepelnej vodivosti α W.m -2.K Výpočet prestupu tepla v hornine Prestup tepla v hornine je výpočtovo komplikovanejší. Podľa Masaryka (2009, s. 32) komplikácia spočíva v tom, ţe hornina v bezprostrednom okolí rúrky je postupne ochladzovaná a tepelný tok je privádzaný zo vzdialenejších častí horninového masívu, pričom ochladená časť horniny v okolí rúrky predstavuje postupne rastúci tepelný odpor, resp. rastúci aţ do fázy ustáleného stavu, ktorá nastane po niekoľkých mesiacoch. Poznáme niekoľko analytických metód pre výpočet prenosu tepla v horninovom masíve [18]. 1. Výpočet prostredníctvom Gaussovho integrálu chýb (Kramplova metóda) Keďţe horninu skúmame ako poloohraničený masív, ktorý bol vystavený následnému ochladeniu, musíme dodrţať počiatočné podmienky: v čase τ = 0s, a na povrchu (ústie vrtu) x = 0m, musí byť zvyšková teplota nula ʘ = 0. Diferenciálna rovnica nestacionárneho vedenia tepla [17]: Člen A( i) musíme poloţiť rovný nule a riešenie bude mať tvar:

33 Keďţe nie sú rozmery telesa v osi x ohraničené, neexistuje ţiadna druhá okrajová podmienka. Vzhľadom k tejto skutočnosti je nutné pouţiť veľké spektrum nekonečného počtu hodnôt i. riešenie rovnice pre vedenie tepla napíšeme v tvare integrálu [16]: Pre počiatočnú podmienku (τ=0): Podľa Šorina (1968, s. 187) pre funkciu predstavujúcu rozloţenie určovanej veličiny v nekonečne veľkom systéme existuje Fourierov integrál, ktorý pre teplotné pole v polonekonečnom masíve v počiatočnom okamihu moţno napísať v takomto tvare [16]: Takţe pre určenie teplotného pola v polonekonečnom masíve je treba vypočítať integrál: Takýto integrál môţeme napísať aj v tvare: Po ďalších úpravách dostaneme riešenie úlohy: Ak máme s premennou a vzhľadom k tomu, ţe so zhodou s prijatým významom je, nájdeme diferenciál premennej veličiny:

34 vzorec: Ak zameníme v predchádzajúcom vzorci dolný integračný interval ( =0 za a nezmeníme horný interval, pretoţe pre, dostávame Získame funkciu ktorá predstavuje Gaussov integrál chýb (Kramplova funkcia) [16]. Kramplovu funkciu a jej vlastnosti nám popisuje obr. č. 22 a to tak, ţe pre:,, τ Obr. č. 22: Vlastnosti Kramplovej funkcie pre výpočet tepelného poľa v ochladzovanom alebo ohrievanom poloohraničenom masíve Spracované podľa: ŠORIN. S. N.Sdílení tepla. Bratislava. Vydavateľstvo Alfa, 1968 Na obr. č. 23 je znázornená krivka teplotnej funkcie τ v masíve suchej. piesčitej pôdy pre rôzne časové obdobia (α=0, m 2 /s)

35 Obr. č. 23: Teplotná funkcia pri ochladzovaní alebo ohreve suchej piesočnatej pôdy Spracované podľa: ŠORIN. S. N.Sdílení tepla. Bratislava. Vydavateľstvo Alfa, 1968 Merný tepelný. tok na povrchu masívu určíme výrazom [16]: Po zderivovaní dostaneme vzorec pre určenie. merného tepelného toku na povrchu horniny: [W/m 2 ] Na základe tohto vzorca je na začiatku merný tepelný tok v horninovom masíve, ktorý vznikol pôsobením ochladzovania alebo ohrievania, pomerne veľký a postupne sa zmenšuje. Ešte je treba povedať, ţe časový interval τ nachádzajúci sa v tomto vzorci môţe byť pouţitý iba podstatne väčší, ako je doba medzi.dvoma jednorazovými výmenami energií.nosičov energie a látkovými časticami. Teoretická moţná veľkosť merného tepelného toku od ochladenia alebo ohrevu povrchu horninového masívu sa určí pomocou vzorca [16]:, pričom: je stredná rýchlosť nosičov energie (ρc) je objemové merné teplo masívu TS Ta je rozdiel teplôt na povrchu masívu od ochladenia (alebo ohrevu) Ta je začiatočná teplota telesa

36 2. Výpočet pomocou Forchheimerovej metódy Podľa Parščakova moţno vyjadriť hustotu tepelného toku do horniny rovnicou: [W.m -1 ] Výpočet tejto metódy je znázornený na nasledujúcom príklade. Ako model poslúţi masív, v ktorom je uloţený vrt v hĺbke 500 m. Teplota masívu bude aj vo výške 500 m nad potrubím 200 C a táto teplota je teplota na povrchu masívu. Priemer vrtu bude 0,21 m. Teplotu vonkajšej strany potrubia poloţíme rovnú teplote vody kolujúcej v potrubí TS=40 C pre malý odpor steny rúrky voči vedeniu tepla [18]. Do vyššie uvedenej rovnice dosadíme hodnoty z modelu a dostávame: Hustota tepelného toku nie je konštantná po celej dĺţke vrtu v dôsledku poklesu rozdielu teplôt. V tabuľke č. 4 sú uvedené hodnoty, ktoré boli prepočítané prvou a druhou metódou na tepelný tok pripadajúci na meter rúrky s priemerom 0,21 m pre rôzne teplotné gradienty [18]. Tab. 4 Porovnanie Kramplovej a Forchheimerovej metódy hustoty tepelného toku v závislosti od teplotného rozdielu Stredná teplota média [ C] Rozdiel teplôt [ C] Hustota tepelného toku [W/m] 1. metóda 2. metóda , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

37 4.2 Zhrnutie Ak prihliadneme na to, ţe horninový masív má pomerne nízku tepelnú vodivosť, z čoho vyplýva aj malá hustota tepelného toku na meter štvorcový teplovýmennej plochy (pohybujúca sa v niekoľkých desiatkach W/m 2 ), je jasné, ţe na dosiahnutie poţadovanej výstupnej hodnoty musí mať výmenník tepla dostatočne rozsiahlu teplovýmennú plochu. Podľa Masaryka je toto moţné zabezpečiť hydraulickým štiepením nepriepustných hornín, pričom je vhodné, aby boli vytvorené prietokové kanáliky v hornine od seba vzdialené najmenej 10 metrov, resp. niekoľko desiatok metrov. Výmenníky tepla tvaru U, ktoré sú umelo vytvorené, nie sú vzhľadom na dosiahnutie primeraných dĺţok horizontálnych vrtov reálne uskutočniteľné

38 Záver Alternatívne zdroje energie sú v súčasnosti vyuţívané vo veľmi malej miere. Medzi tieto zdroje sa radí aj geotermálna energia. Po nedávnych udalostiach v Japonsku, ktoré mali takmer katastrofické následky sa do popredia dostáva popri energii slnka a veternej energii aj práve geotermálna energia. Získavanie energie zo zeme sa čoraz viac javí ako atraktívnejšia moţnosť získavania práve takejto energie aj napriek komplikovanej technológii a pomerne vysokým vstupným nákladom. Cieľom mojej práce bolo zhodnotenie vyuţiteľnosti geotermálnej energie, konkrétne teplo suchých hornín, na Slovensku, ale aj vo svete. Práca bola sústredená na vedenie a prestup tepla z horniny do vrtu tepelného čerpadla. Zameral som sa podrobnejšiemu opisu tepelných čerpadiel, jeho hlavným častiam a tak isto aj pracovným látkam, ktoré sú nositeľom tepelnej energie. Ďalšia časť bola venovaná podrobnejšiemu opisu a rozdeleniu častí tepelných čerpadiel a samotným tepelným čerpadlám. Keďţe v súčasnej dobe poznáme viac druhov čerpadiel pracujúcich na rôznych princípoch, spôsob prevedenia vrtov a uloţenie výmenníkov tepla v zemi, ďalšia kapitola je venovaná práve tejto problematike. Výmenníky sú kľúčovou súčasťou obehu tepelných čerpadiel. Na zvýšenie efektívnosti pouţívania tepelných čerpadiel nie len vo veľkom meradle, ale aj pre rodinné domy je práve teplovýmenná plocha najdôleţitejším parametrom. Posledná časť bola venovaná samotným výpočtom prestupu tepla. v práci som uviedol dva spôsoby výpočtov. Ako prvý je uvedený výpočet prostredníctvom Gaussovho integrálu chýb, resp. Kramplova metóda. Druhý výpočet je výpočet pomocou Forchheimerovej metódy, pričom v samotnom závere je v tab. č. 4 uvedené porovnanie Kramplovej a Forchheimerovej metódy hustoty tepelného toku v závislosti od teplotného rozdielu

39 Zoznam použitých značiek Veličina Názov veličiny Jednotka T Teplota K α Tepelná vodivosť m 2 /s c Špecifická tepelná kapacita J/kg.K l Určujúci rozmer rúrky m q Špecifické teplo J/kg qs Tepelný tok W/m 2 x Dĺţkový rozmer M ʘ Bezrozmerná teplota - Kramplova funkcia (erf) - Argument Besselovej funkcie - λ Tepelná vodivosť W/m.K ρ Hustota kg/m 3 τ Čas s h Špecifická entalpia J/kg d Priemer rúrky M

40 Bibliografické odkazy 1. MACKAY, D. J Sustainable Energy - Without the Hot Air. 1. edition. England : Uit Cambridge Ltd, s. ISBN RYBÁR, P. KUZEVIČ, Š Alternatívne zdroje energie II. Elfa Košice, s. ISBN RYBÁR, P Zdroje geotermálnej energie a moţnosti ich vyuţívania. In Acta Montanistica Slovaca, 2007, roč. 12, č. 1, s ISSN DOBRA, E Geotermika na východnom Slovensku. Košice: [vl. n.], s. 5. RYBÁR, P. SASVÁRI, T Zem a zemské zdroje. Štroffek Košice, s. ISBN PETRÁŠ, D. a kol Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. JAGA Bratislava, s. ISBN SRDEČNÝ, K. TRUXA, J Tepelná čerpadla. EkoWATT Praha, s. ISBN ŢERAVÍK, A Stavíme tepelné čerpadlo. EURO-PRINT Přerov, s. ISBN X. 9. PETRÁŠ, D. a kol Vykurovanie rodinných a bytových domov. JAGA Bratislava, s. ISBN KARLÍK, R Tepelné čerpadlo pro váš dúm. Grada Publishing Praha, s. ISBN SRDEČNÝ, K. TRUXA, J Tepelná čerpadla. ERA Brno, s. ISBN TKÁČ, J Experimentálne tepelné čerpadlo. In Alternatívne zdroje energie [CD-ROM]. Liptovský Ján, EDIS Ţilina, 2010, s ISBN MEČÁRIK, K. a kol Tepelné čerpadlá. ALFA Bratislava, 1988, 328 s HAVELSKÝ, V. FŰRI, B Chladenie Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. SVŠT Bratislava, 1990, 256 s. ISBN CHROMÍK, R. KLEIN, Š Stavebné tabuľky 4.1 Vykurovanie budov, časť 1. A-PROJEKT Bratislava, s. ISBN

41 16. ŠORIN, S. N Sdílení tepla. ALFA Bratislava, 1968, 398 s KÁZMÉROVÁ, K. MASARYK, M Mathematical simulation of geothermal heat transfer in hot dry rock underground heat exchangers. In Scientific proceedings s ISBN MASARYK, M Vyuţitie geotermálnych zdrojov na výrobu elektrickej energie. Bratislava : SF STU, s. ISBN