Výzkumná skupina navrhla solární systém transkritického tepelného čerpadla CO2. Ten může údajně dosáhnout nižších vyrovnaných nákladů na energii než plynové kotle v obytných budovách ve Spojeném království. Systém má potenciál dosáhnout koeficientu 5,1. Vědci z Brunel University

Výzkumná skupina navrhla solární systém transkritického tepelného čerpadla CO₂. Ten může údajně dosáhnout nižších vyrovnaných nákladů na energii než plynové kotle v obytných budovách ve Spojeném království. Systém má potenciál dosáhnout koeficientu 5,1.

Vědci z Brunel University v Londýně vyvinuli nový systémový design pro obytná tepelná čerpadla využívající jako chladivo transkritický oxid uhličitý (CO₂).

CO₂ má velmi nízký bod varu a považuje se za ideální řešení chladiva pro tepelná čerpadla. Je také netoxický, nehořlavý a má nízký potenciál globálního oteplování (GWP). „CO₂ má mnohem nižší GWP a vliv na poškozování ozónové vrstvy než běžně používaná syntetická chladiva. A při použití v transkritickém cyklu může udržovat výkon tepelného čerpadla při nižších teplotách zdroje a vyšších výstupních teplotách než většina syntetických chladiv,“ uvedli vědci.

Ve studii „Aplikace transkritických CO₂ tepelných čerpadel na výměnu kotlů v projektech renovace s nízkým dopadem“, publikované v Heliyon, výzkumná skupina vysvětlila, že CO₂ tepelná čerpadla jsou na trhu od začátku tohoto století. A taky uvedla, že dobře známým produktem, který je v současnosti na trhu, je model Eco Cute pro ohřev užitkové vody (DWH). Ten se stal představen japonským výrobcem Sanyo v roce 2001. Tato zařízení běžně dosahují koeficientu výkonu (COP) až 4 a je schopen dodávat teploty teplé vody až 60 °C.

Obytná tepelná čerpadla využívající jako chladivo transkritický oxid uhličitý

Vědci uvedli, že navrhli transkritický design tepelného čerpadla CO₂ včetně systémových úprav. Ty jsou mimo cyklus tepelného čerpadla a jsou určeny k rekuperaci nízkoteplotního tepla. Jejich cílem je vytvořit systém s COP 3 se stejnými náklady jako plynový kotel.

Prostřednictvím série simulací skupina navrhla 1 kW systém tepelného čerpadla pro britský dvojdomek o ploše 91 m² s hydronickým rozvodem tepla a přidanou 50 mm vnější izolací stěn. Skládá se z kompresoru, chladiče plynu, vnitřního výměníku tepla, výparníku, expanzního ventilu a přijímače.

Tepelné čerpadlo také integruje subsystém zahrnující vzduchový výměník tepla s námrazou a odmrazováním a zásobníky tepla s materiály s fázovou změnou (PCM). PCM mohou absorbovat, ukládat a uvolňovat velké množství latentního tepla v definovaných teplotních rozsazích. Často se používají na úrovni výzkumu pro chlazení FV modulů a akumulaci tepla.

Využití termální kapaliny

„Strana zdroje tepla využívá termální kapalinu,“ vysvětlili akademici. A zároveň poznamenali, že kapalina vytváří v tepelném čerpadle další stupeň výměny tepla, ale umožňuje použití více zdrojů tepla. A taky zároveň snižuje tlak a náklady na instalaci. „Topná strana modeluje přenos tepla z vlhkého vzduchu přes vrstvu námrazy, pokud je přítomna, do výměníku tepla. Modely mrazu vytvářejí a rozpouštějí vrstvu mrazu v souladu s matematickými modely da Silvy et al. Zahrnují vliv mrazové vrstvy na přenos tepla a proudění vzduchu.“

Simulace ukázaly, že systém tepelného čerpadla může dosáhnout COP přes 3 po celý rok, s maximálními hodnotami v rozmezí od 3,5 v zimě do 3,7 v létě. „Výsledky ukazují, že celkový roční požadavek na vytápění a TUV se splnil s COP mezi 3,14 a 3,27,“ zdůraznili vědci. „Až třetinu času bylo v provozu zimní odmrazování. Tepelné čerpadlo se nikdy nepoužívalo déle než 25 % času. Recyklace byla významná pouze v létě a dosáhla 16 % provozní doby tepelného čerpadla.“

Jejich analýza také ukázala, že za pomoci fotovoltaických panelů nebo tepelných kolektorů se COP systému může potenciálně zvýšit na 5,1. „Se solárními kolektory a současnými vládními granty Spojeného království a cenami energie může systém tepelného čerpadla CO₂ dosáhnout vyrovnaných nákladů na energii (LCOE) ve výši 5,94 Kč/kWh. Což je o 23 % méně než 770/kWh při výměně kondenzačního plynového kotle,“ vysvětlili dále.

Zdroj: pv-magazine, Vapol