Tepelná čerpadla v praxi

Energie prostupuje naším světem tak intenzivně, že ji často ani nevnímáme. Přináší nám pohodlí, které je však draze vykoupeno značnou devastací přírody. Mezi přední \"ničitele\" životního prostředí bezesporu patří odvětví energetiky s jedinou výjimkou, kterou je využívání obnovitelných zdrojů energie. K nim počítáme kromě solární, větrné, vodní energie a energie biomasy také využití nízkopotenciální energie prostředí pomocí tepelných čerpadel (TČ). Princip tepelného čerpadla je všeobecně znám. Byl popsán v předminulém století (roku 1852) anglickým fyzikem lordem Williamem Thomsonem Kelvinem. TČ umožňuje odčerpávat teplo okolního prostředí (tím, že ho ochlazuje) a přečerpává ho na vyšší teplotní hladinu, která je dostatečná pro potřeby vytápění nebo pro přípravu teplé užitkové vody (dále TUV). Podobně jako vodní čerpadlo přečerpává vodu z nižší hladiny na vyšší, TČ převádí teplo o nízké teplotě na teplotu vyšší. Pokud jde o fungování TČ, ve výparníku za nízkého tlaku a teploty chladivo odnímá teplo ochlazované látce (zdroji nízkopotenciálního tepla). Dochází k varu a kapalné chladivo přiváděné do výparníku se postupně mění v páru. Páry chladiva jsou z výparníku odsávány a stlačeny kompresorem na kondenzační tlak. V kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané látce a mění své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je po snížení tlaku přiváděno zpět do výparníku, kde doplňuje vypařené chladivo. Tím je oběh uzavřen. TČ pro svoji funkci potřebuje vnější zdroj energie - obvykle elektrické -pro pohon kompresoru. Poměr tepelného výkonu čerpadla (energie dodané pro ohřev) k příkonu kompresoru (energii spotřebované pro pohon), resp. poměr energie dodané pro ohřev k energii spotřebované, se nazývá topný faktor epsilonT. Čím je vyšší, tím účinněji lze získávat energii z vnějšího prostředí při menší spotřebě vlastní energie. Topný faktor však během roku kolísá. Jeho hodnota klesá s rostoucím rozdílem vstupní teploty nízkopotenciálního zdroje tepla a výstupní teploty do otopné soustavy. Pro hodnocení provozu se proto používá tzv. roční topný faktor, což je poměr celoroční spotřeby energie a celoroční produkce tepla. MEZITITULEK: Používané systémy TČ se využívá téměř výhradně na vytápění a k ohřevu TUV. Nejlepší parametry mají kompresorová čerpadla, ať už s klasickým pístovým kompresorem, nebo s moderním rotačním kompresorem \"scroll\". Jiná se již téměř nevyrábějí. Hlavní rozdíly při vytápění TČ spočívají ve zdroji nízkopotenciálního tepla. Jsou jím především hlubinné vrty. Jedná se o nejrozšířenější systém (nazývaný země/voda). Jeho výhodou je vynikající průměrný roční topný faktor, bohužel dosažený za cenu vyšších nákladů. Vrty mají hloubku od 50 do 120 m s minimálním rozestupem 10 m (aby se neovlivňovaly). TČ o výkonu 10 kW vyžaduje vrt přibližně 140 m (nebo dva 60 m). Vrtá se kladivem průměru minimálně 130 mm bez pažení. PE (LDPE) hadice kolektoru se do vrtu zasune ihned po odvrtání a vrt se pak zasype pískem nebo vytěženým materiálem. Kromě vrtů lze odnímat zemské teplo také zemním plošným kolektorem. Jde zřejmě o druhý nejrozšířenější systém, který má oproti vrtům nižší pořizovací náklady za cenu mírně horšího průměrného ročního topného faktoru. PE (LDPE) hadice se pokládají do \"hadovitého\" výkopu. Desetikilowattové TČ vyžaduje přibližně 500 m dlouhý výkop (při rozteči hadic 1 m je nutná plocha 500 m2). Zemní kolektor zhoršuje využitelnost pozemku (nelze zde stavět, např. bazén). Nízkopotenciálním zdrojem tepla je také okolní vzduch. Jedná se v pořadí o třetí nejrozšířenější systém (nazývaný vzduch/voda). Jeho výhodou je velmi dobrý průměrný roční topný faktor, zejména v klimaticky mírnějším pásmu s menším počtem mrazových dnů. Má nižší pořizovací náklady a snadnou instalaci. Nevýhodou je, že v době největší potřeby tepla (mrazy) pracuje tepelné čerpadlo s nejnižším topným faktorem. Má nižší životnost (zvláště venkovní jednotka s pomaloběžným ventilátorem) a zatěžuje okolí určitým, byť malým hlukem (při splnění hygienické normy). Pomaloběžný ventilátor vnější jednotky nasává řádově tisíce metrů krychlových vzduchu za hodinu. Nejméně rozšířený systém (voda/voda) využívá jako nízkopotenciální zdroj spodní vodu. Jeho výhodou je nejvyšší průměrný roční topný faktor při nejnižších nákladech. Nevýhodou je, že na pozemku musí být zdrojová studna s celoročně dostatečnou vydatností vody (přibližně 40 - 50 l/min. pro desetikilowattové tepelné čerpadlo) a vsakovací studna pro vracení ochlazené vody do podloží. Voda nesmí být mineralizovaná, aby nezanášela výměník TČ (nutný chemický rozbor). Vydatnost pramene je vhodné ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou. TČ musí být chráněno proti výpadku dodávky zdrojové vody, jinak hrozí okamžité zamrznutí výměníku, případně jeho poškození. MEZITITULEK: Technické odlišnosti Tepelné čerpadlo má celou řadu odlišností a specifik, které je nutné při návrhu systému vytápění respektovat. Pro dodržení co nejlepšího topného faktoru a díky dalším technickým vlastnostem TČ (např. chladiva) je max. provozní výstupní teplota otopné vody 50 - 55 °C. TČ tedy vyžaduje nízkoteplotní otopnou soustavu, která je o něco dražší (větší otopné plochy, větší světlosti potrubí) a mnohem citlivější na správný návrh a provedení. Nejvýhodnější je podlahové vytápění, jemuž stačí nízké vstupní teploty (kolem 35 - 45 °C), což zvyšuje topný faktor tepelného čerpadla. Otopná soustava by měla mít dostatečné akumulační vlastnosti pro zrovnoměrnění chodu TČ. Časté starty s krátkým během nejsou žádoucí, protože zkracují životnost zařízení (podobně jako automobilový motor). Proto je vhodné moderní \"pružné\" radiátorové otopné soustavy doplnit akumulačním zásobníkem. Pro snížení instalovaného výkonu TČ (výrazná úspora investičních nákladů) a rovnoměrnější chod se téměř vždy zapojuje druhý zdroj tepla (elektrokotel), s nímž TČ v některých režimech pracuje paralelně v bivalentním chodu. Ten slouží k vykrývání špičkových příkonů otopné soustavy a zálohování. Z celkového výkonu připadá na TČ obvykle kolem 45 - 75 %. Celá řada TČ má integrovaný bivalentní zdroj. MEZITITULEK: Ekonomicko - provozní odlišnosti Investiční náklady na pořízení systému vytápění s TČ jsou velmi závislé na požadovaném topném výkonu (podle tepelné ztráty domu). S požadavky na větší výkon roste nejen cena vlastního TČ, ale také vrtů (plošného zemního kolektoru) a otopné soustavy. Proto je velmi výhodné před instalací snížit spotřebu tepla tepelně technickými úpravami budovy na minimum (zateplení, výměna oken apod.). TČ pro svůj chod využívá zvýhodněné sazby elektrické energie (pro domácnosti D55), kde jsou oproti klasickému elektrickému vytápění sníženy měsíční paušální platby, cena kWh a prodloužena doba nízkého tarifu z 20 na 22 hodin denně. Díky této sazbě klesají provozní náklady na ostatní elektrické spotřebiče. Dům vytápěný TČ má tedy obecně velmi nízké provozní náklady na vytápění a spotřebu elektrické energie. MEZITITULEK: Výhody a nevýhody -TČ dodá několikanásobně více energie než spotřebuje (běžně až trojnásobek). -Plně automatický provoz s vynikající regulací (je to vlastně elektrické vytápění). -Ekologicky čistý provoz v místě (lokálně neprodukuje žádné emise). -Snížení ekologické zátěže v důsledku snížení spotřeby elektřiny vůči klasickému elektrickému vytápění. -Nižší požadavky na instalovaný příkon (stačí slabší přípojka než při běžném el. vytápění). -Snadno dostupná energie pro pohon (elektrickou přípojku má téměř každý objekt). K nevýhodám patří: -Vysoké pořizovací náklady (instalace na klíč pro běžný rodinný domek přijde na 280 až 450 tis. Kč podle typu TČ a tepelné ztráty vytápěného domu). -Výstupní teplota otopné vody je max. 55 °C, a proto je nutná nízkoteplotní otopná soustava, která je nákladnější (větší světlost trubek, větší otopné plochy radiátorů, případně zvětšení otopných ploch stávající otopné soustavy). -U systémů voda/voda nutnost provedení chemické analýzy vody, limity pro poměr pH a tvrdosti vody, potřeba dostatečné propustnosti podloží a provedení čerpací zkoušky (dostatečná vydatnost vodního pramene). -U systému země/voda potřeba dostatečné plochy pro zemní kolektor, zábor půdy zemním kolektorem (nelze zde stavět např. základy stavby, bazén), možné snížení teploty půdy nad kolektory (zejména jsou-li poddimenzovány a chybně provedeny). -Pro pohon se používá drahá neobnovitelná elektrická energie. MEZITITULEK: správný výkon čerpadla Je výhodné, aby TČ pracovalo v bivalentním chodu. Čím větší část pokryje TČ, tím budou vyšší investiční náklady a nižší provozní náklady a naopak (pozor -vztah je nelineární). Obvykle se výkon TČ pohybuje v rozmezí 45 - 75 %. Jaký poměr zvolit by mělo být na projektantovi, který by měl spočítat přesné energetické bilance pro dvě až tři v řadě výkonově blízká TČ a rozhodnout se ve spolupráci s investorem, který výkon vybrat (v ideálním případně provést ekonomickou analýzu). S tím souvisí i správný výběr vhodného TČ. Radit v tomto směru není jednoduché. Nicméně určité vodítko mohou poskytnout nezávislá poradenská střediska České energetické agentury (EKIS ČEA). MEZITITULEK: Ohřev teplé užitkové vody Z technického pohledu lze říci jednoznačně, že je výhodný ohřev teplé užitkové vody. Ekonomicky nelze problém zevšeobecňovat. Je nutné vyčíslit vícenáklady na instalaci zásobníku TUV pro TČ a porovnat je s náklady na ohřev bez TČ (ve zvýhodněné sazbě, např. D55). Vícenáklady na ohřev TUV se u různých firem a TČ velmi liší. Některá TČ mají ohřev TUV již integrovaný (\"vše v jedné krabici\"). Budou-li např. vícenáklady 60 000 Kč a rozdíl nákladů na ohřev klasickým zásobníkem s elektrickou topnicí a TČ 3000 Kč, bude prostá návratnost 60/3 = 20 let. Poté musí investor sám zhodnotit, zda je tato investice pro něj přijatelná. Čím nižší vícenáklady a čím vyšší cena energie na klasický ohřev, tím je investice výhodnější. MEZITITULEK: Možnost získání dotací Na TČ bylo možné získat státní dotaci až do výše 30 %, max. však 100 tis. Kč, ale nebyla nároková. Žadatel ji tedy nemusel obdržet, i když splnil všechny podmínky. Dotaci poskytuje Státní fond životního prostředí (SFŽP) a bližší informace lze najít na jeho webových stránkách. Základem pro výpočet dotace jsou náklady na pořízení, případně instalaci zdroje tepla, včetně příslušenství (bez otopných soustav v objektech). Vztahuje se pouze na dokončené akce, jejichž realizace byla zahájena po 1. 1. 2002 a které nebyly podpořeny ze SFŽP dříve. Žádost o dotaci lze podat nejdříve po uvedení zařízení do trvalého provozu a nejpozději 9 měsíců ode dne, kdy se tak stalo. Podmínky pro získání dotace platné do konce září 2003: předložení energetického auditu zpracovaného dle požadavků uvedených v příloze II.6. příslušné směrnice SFŽP; audit zároveň musí potvrdit, že budova, v níž bude TČ instalováno, splňuje tepelně technické parametry v hodnotě max. 60 % příslušné hodnoty měrné spotřeby tepla (eVA, resp. eVN), udávaných vyhláškou Ministerstva průmyslu a obchodu ČR č. 291/2001 Sb. ze dne 27. července 2001, kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách (tato podmínka neplatí v případě, že je TČ instalováno v objektu nahrazujícím objekt prokazatelně zničený povodní v srpnu 2002); použité technologie musí být s garantovanými parametry a minimálním průměrným ročním topným faktorem 3,0 (vše musí být doloženo certifikátem státní zkušebny nebo jiného uznávaného referenčního centra -výzkumný ústav, vysoká škola apod.); TČ nesmí obsahovat látky uvedené v odstavcích 1 a 2 § 23 zákona č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší; závazek provozovatele provozovat zařízení po dobu nejméně 10 let; jde výhradně o instalaci TČ pro vytápění jednoho nebo malé skupiny objektů, případně v kombinaci s jiným zdrojem. žádosti neuspokojené z důvodu nedostatku finančních prostředků budou vráceny žadatelům. Nové podmínky pro získání dotace v roce 2004 zatím nebyly vydány. MEZITITULEK: Rozhodne správná volba Tepelné čerpadlo poskytuje nejvyšší možný uživatelský komfort díky plně automatickému chodu s programovatelným řízením. Provozovatel se nemusí starat o dodávku paliva, údržbu komína a další věci související s jednotkami spalujícími tuhá, plynná či kapalná paliva. To vše při nízkých provozních nákladech. Obsluha je velmi jednoduchá a při správném nastavení regulace jsou uživatelské zásahy minimální. Při pořizování TČ by se mělo postupovat s rozvahou a raději než volit cestu kompromisů počkat, nepodaří-li se zajistit potřebné finanční prostředky. Každý by si měl uvědomit, že volí zdroj, se kterým bude bydlet 15 - 20 let do prvé generální opravy. Jaké to bude bydlení, lze ovlivnit pouze na začátku: správ-nou volbou. AUTOR: Ing. Jan Truxa EkoWATT Středisko pro obnovitelné zdroje a úspory energie ZDROJ: STAVITEL