Energetická efektivita nasadenia tepelných čerpadiel v bytových domoch

Článok sa na príklade reálneho bytového domu snaží prostredníctvom analýzy správania sa tepelného čerpadla v sústave vykurovania a prípravy teplej vody poukázať na úskalie energetickej efektivity takýchto inštalácií.

 Bežné tepelné čerpadlá pracujú pri príprave teplej vody s nízkymi výkonovými číslami. Štruktúra potreby tepla v bytových domoch, kde tvorí veľkú časť práve príprava teplej vody, potom ovplyvňuje aj celkovú energetickú efektivitu prevádzky tepelného čerpadla. Kombinácia s vykurovaním znamená navyše vysoký inštalovaný výkon zariadenia, ktorý sa počas roka významne neuplatní.

Výber bytového domu

Na analýzu prevádzkového správania sa tepelného čerpadla v bytovom dome sa vybral osempodlažný dom s panelovou konštrukciou z 90. rokov minulého storočia v dvoch variantoch.

Uvažovalo sa s variantmi „bez zateplenia“ a „po rekonštrukcii“ (tab. 1). Vykurovacia sústava v dome je teplovodná dvojrúrková s článkovými vykurovacími telesami, ktoré sú projektovo navrhnuté na teplotný rozdiel 80/60 °C. Pri stave bez zateplenia skúsenosti ukázali, že vykurovacia sústava môže pracovať aj pri −15 °C na nižšej teplotnej úrovni 70/50 °C. Pri variante „po rekonštrukcii“ možno návrhové teploty vykurovacej vody znížiť až na 51/40 °C, pri zachovaní takmer rovnakého prietoku vo vykurovacej sústave (bez nutnosti úprav vyváženia vykurovacej sústavy). Vykurovacia sústava využíva v oboch prípadoch ekvitermnú reguláciu teploty vykurovacej vody podľa vonkajšej teploty.

Bytový dom má na každom poschodí 4 byty, ktoré obýva v priemere 2,5 obyvateľa na byt. Celkový počet obyvateľov je 80. Pri potrebe teplej vody na teplotnej úrovni 55 °C sa počítalo s množstvom 40 l/os./deň, tzn. celková ročná spotreba teplej vody v dome je takmer 1 200 m³/rok. Teplota studenej vody je 10 °C. Teplá voda sa odoberá podľa hodinového profilu s dennou a večernou špičkou a letným poklesom odberu o cca 25 % oproti zimnej časti roka. Tepelné straty cirkuláciou, ktorá je v prevádzke v dome po celý deň, sa berú paušálne na úrovni 70 % potreby tepla na samotný ohrev uvedeného množstva vody. Celková potreba tepla na prípravu teplej vody je 375 GJ. Pri variante „bez zateplenia“ sa podieľa teplá voda na celkovej potrebe tepla zhruba 38 %, pri variante „po rekonštrukcii“ dosahuje podiel teplej vody 58 %.

Výber tepelných čerpadiel

Vybrali sa tepelné čerpadlá typu vzduch/voda vo vonkajšom vyhotovení od renomovaného výrobcu s vierohodnými podkladmi o výkone a výkonovom čísle udávanom v technickej špecifikácii pri veľkom počte okrajových podmienok (kombinácia teploty vonkajšieho vzduchu na vstupe do výparníka a teploty vykurovacej vody na výstupe z kondenzátora). Menovitý výkon zvoleného tepelného čerpadla je 14,8 kW a výkonové číslo je 3,5 pri teplotných podmienkach A2/W35. Tepelné čerpadlo umožňuje prevádzku až do vonkajšej teploty −20 °C pri výstupnej teplote vykurovacej vody 60 °C.

Na zabezpečenie požadovaného výkonu inštalácie sa počíta s kaskádou týchto tepelných čerpadiel. Pri variante „bez zateplenia“ sa počíta so 4 ks tepelných čerpadiel s celkovým menovitým výkonom 59,2 kW pri A2/W35 s návrhom na približne 68 % tepelnej straty domu. Pri variante „po rekonštrukcii“ ide o 3 ks tepelných čerpadiel s celkovým menovitým výkonom 44,4 kW pri
A2/W35 s návrhom na približne 91 % tepelnej straty domu. Návrhový výkon zohľadňuje v tomto prípade predovšetkým potrebu výkonového krytia prípravy teplej vody. Pri tepelných čerpadlách sa nepočíta s reguláciou výkonu, len so spínaním v kaskáde.

Výpočet prevádzkového správania sa TČ

Výpočet prevádzkového správania sa tepelných čerpadiel sa vykonal metódou podrobnej hodinovej bilancie potreby tepla na prípravu teplej vody a vykurovanie a dostupnej tepelnej energie dodávanej tepelným čerpadlom pri daných prevádzkových podmienkach na krytie energetických potrieb domu.

Výpočet sa realizoval s klimatickými údajmi typického meteorologického roku charakterizovaného minimálnou teplotou vonkajšieho vzduchu −15,1 °C, maximálnou teplotou vonkajšieho vzduchu +30,8 °C a priemernou teplotou 8,0 °C. Druh záložného (bivalentného) zdroja sa v tomto prípade nerieši, potrebu energie zo záložného zdroja vyjadruje rozdiel medzi potrebou tepla domu a teplom dodaným z tepelných čerpadiel do domu. Pri variante „bez zateplenia“ nemôžu tepelné čerpadlá pracovať pri požadovaných teplotách vykurovacej vody nad 60 °C. Vo výpočte sa uvažuje, že len predhrievajú vratnú vykurovaciu vodu z vykurovacej sústavy na teplotu 60 °C a záložný ohrev dohrieva vodu na aktuálne potrebnú teplotu prívodnej vody. Príprava teplej vody (zásobníkový ohrev) má vždy prednosť. Tepelné straty zásobníkov (teplá voda, nárazový zásobník na vykurovaciu vodu) sa vo výpočte neberú do úvahy, možno však predpokladať, že vzhľadom na množstvo tepla dodávaného tepelnými čerpadlami budú zanedbateľné. Podobne sa zanedbávajú aj tepelné straty rozvodov medzi tepelnými čerpadlami situovanými na streche domu a pätou tepelnej sústavy v dome.

V rámci výpočtu sa vyhodnocuje (zvlášť na prípravu teplej vody a na vykurovanie) tepelná energia dodaná z tepelného čerpadla na krytie potrieb, elektrická energia spotrebovaná tepelným čerpadlom, ročné výkonové číslo samotných tepelných čerpadiel, potreba záložného zdroja, čas prevádzky a potreba pomocnej elektrickej energie (pre obehové čerpadlá). V tab. 2 sú uvedené výsledky celoročnej bilancie pri oboch variantoch domu.

Inštalácia štyroch tepelných čerpadiel typu vzduch/voda v bytovom dome vo variante „bez zateplenia“ pokryje spolu 94 % potreby tepla. Vzhľadom na vysoké požadované teploty nielen na vykurovanie (vysokoteplotná vykurovacia sústava), ale aj na prípravu teplej vody (hygienické dôvody) sa ročné výkonové číslo v oboch režimoch pohybuje na úrovni 2,6 až 2,7. Inštalácia troch tepelných čerpadiel vzduch/voda v bytovom dome pri variante po rekonštrukcii zateplením pokryje 97 % potreby tepla. Zníženie teploty vykurovacej vody na vykurovanie pri zachovaní vykurovacích telies zvýšilo efektivitu prevádzky tepelného čerpadla v režime vykurovania, pričom ročné výkonové číslo tepelného čerpadla sa pohybuje na úrovni 3,2. Pri príprave teplej vody zostáva ročné výkonové číslo na úrovni 2,6. Vzhľadom na významný podiel prípravy teplej vody na potrebe tepla domu je hodnota celkového výkonového čísla 2,8.

Hodnotenie

Z výsledkov je zrejmé, že na správne zhodnotenie inštalácie tepelného čerpadla nemožno predpokladať ani pri jednom ­variante prevádzku s ročným výkonovým číslom nad hodnotou 2,9, nieto s menovitým výkonovým číslom 3,5, ktoré výrobcovia tepelných čerpadiel často uvádzajú ako jedinú hodnotu. Normový dokument TNI 73 0331, ktorý má slúžiť ako pomôcka energetickým špecialistom pri posudzovaní energetickej náročnosti budov, obsahuje zjednodušený prístup k hodnoteniu. Výpočet používa hodnotu menovitého výkonového čísla a korekčné činitele na teplotné podmienky prevádzky tepelného čerpadla na prepočet. Výsledky zjednodušeného postupu podľa TNI 73 0331 sú uvedené v tab. 3 – za predpokladu krytia celkovej potreby tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody tepelnými čerpadlami (zanedbanie záložného zdroja). Aj napriek tomu, že sú výsledné hodnoty zaťažené významným zjednodušením, sú relatívne podobné výsledkom detailného výpočtu s hodinovým krokom a zjednodušený postup je tak použiteľný pri rámcovej bilancii.

Efektivita prevádzky tepelných čerpadiel v existujúcich bytových domoch je problematická – či už ide o nerekonštruované, alebo rekonštruované domy. Pri nezateplených domoch znižuje efektivitu vysoká teplota vykurovacej vody, pri zateplených domoch začína významne prevažovať vplyv efektivity prípravy teplej vody. Tá má pri zabezpečení legislatívou požadovanej teploty 55 °C negatívny vplyv na prevádzku inštalácií tepelných čerpadiel.

Analýza ukázala, že pri oboch variantoch sa ročné výkonové číslo samotných tepelných čerpadiel pohybuje len tesne nad hodnotou 2,5, ktorú definuje nariadenie EÚ č. 2013/114 (v nadväznosti na smernice EÚ o podpore obnoviteľných zdrojov energie) ako minimálnu hodnotu sezónneho výkonového čísla pre celú tepelnú sústavu s tepelnými čerpadlami (vrátane elektrického dohrevu a pomocnej elektrickej energie pre  obehové čerpadlá). Iba inštalácie s hodnotou výkonového čísla nad 2,5 sa môžu označiť ako inštalácie, ktoré šetria primárnou energiou. V opačnom prípade je energeticky výhodnejšie využívať fosílne palivá priamo na ohrev spaľovaním, než ich komplikovane využívať na výrobu elektriny a tú následne na pohon neefektívne pracujúcich tepelných čerpadiel. Výsledky analýzy poukázali aj na nevyhnutnosť zodpovedne bilancovať reálnu prevádzku tepelného čerpadla. Pri výpočtoch sa nemožno spoliehať na menovité hodnoty výkonov a výkonových čísel uvádzaných často v podmienkach, ktoré pri skutočnej prevádzke pravdepodobne nenastanú. Na získanie spoľahlivej informácie o dosiahnuteľnej úspore energie je nevyhnutné vyžadovať podrobný výpočet prevádzky tepelného čerpadla v konkrétnej inštalácii.

Článok aj s komentárom recenzenta bol publikovaný na portáli tzb-info.cz. Za redakciu TZB Haustechnik sa do článku doplnil komentár prof. Havelského o odlišnosti situácie na Slovensku.

doc. Ing. Tomáš Matuška, PhD.
Autor pôsobí v Ústave techniky prostredia na Strojníckej fakulte ČVUT v Prahe.   
Recenzoval: Jiří Kalina

Foto: archív i-energy

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.