Nasadenie tepelných čerpadiel v bytových domoch
Či už ide o budovy po obnove, alebo neobnovené budovy, efektivita prevádzky tepelných čerpadiel v nich môže byť problematická. Aké sú úskalia energetickej efektivity takýchto inštalácií? Odpoveď prináša analýza správania sa tepelného čerpadla v sústave vykurovania a prípravy teplej vody v reálnom bytovom dome.
Bežné tepelné čerpadlá pracujú pri príprave teplej vody s nízkymi výkonovými číslami. Štruktúra potreby tepla v bytových domoch, kde veľkú časť tvorí 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
Analýza prevádzkového správania tepelného čerpadla v bytovom dome sa realizovala v osempodlažnom panelovom dome z 90. rokov minulého storočia v dvoch variantoch. Uvažovalo sa s variantmi „bez zateplenia“ a „po obnove“ (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 teplote -15 °C na nižšej teplotnej úrovni 70/50 °C. Pri variante „po obnove“ možno návrhové teploty vykurovacej vody znížiť až na 51/40 °C pri zachovaní takmer rovnakého prietoku vo vykurovacej sústave (bez potreby úprav vyváženia vykurovacej sústavy). Vykurovacia sústava využíva v oboch prípadoch ekvitermickú reguláciu teploty vykurovacej vody podľa vonkajšej teploty.
Bytový dom má na každom poschodí štyri 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/(osoba . deň), tzn. celková ročná potreba 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 približne 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 obnove“ dosahuje podiel teplej vody 58 %.
Výber tepelných čerpadiel
Do domu sa vybrali 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 vykurovanej 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 obnove“ 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.
Prevádzkové správanie 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 (do obehových čerpadiel). 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 obnove 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.
Reálne hodnoty
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 neobnovené, alebo obnovené 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.
Podarilo sa teda preukázať, 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 celej tepelnej sústavy s tepelnými čerpadlami (vrátane elektrického dohrevu a pomocnej elektrickej energie do obehovýché čerpadiel).
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 poukázali aj na nevyhnutnosť zodpovedne bilancovať reálnu prevádzku tepelného čerpadla. Pri výpočtoch sa nemožno spoliehať na menovité hodnoty výkonov a výkonových čísel uvádzaných často pri 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.
|
Komentár recenzenta Autor článku približuje problematiku inštalácie tepelného čerpadla do bytového domu prostredníctvom simulácie s hodinovým krokom a následne zjednodušenej energetickej analýzy podľa TNI 73 0331 Energetická náročnosť budov – Typické hodnoty na výpočet. Výsledky správne poukazujú na relatívne neefektívne parametre tepelných čerpadiel pri príprave teplej vody. To je aj dôvod, prečo sú pri oboch variantoch (zateplený dom/nezateplený) celkové parametre tepelného čerpadla prakticky totožné. Autor sa snaží analýzou ukázať, že súčasné kvalitné tepelné čerpadlá vzduch/voda disponujú vysokým výkonovým číslom pri veľmi nízkych vonkajších teplotách (ako ukazujú výsledky pri vykurovaní), avšak pri „priemernej“ vonkajšej teplote a vysokej teplote kondenzácie (požadovaná teplota teplej vody) nemusia byť výsledky úplne presvedčivé. Je otázkou, akým spôsobom sa riešila príprava teplej vody. Výsledky ukazujú na štandardnú jednostupňovú prípravu teplej vody (tepelné čerpadlo + zásobník). Dnes však bude tepelné čerpadlo častejšie pripravovať teplú vodu formou predohrevu a dohrevu. Tepelné čerpadlo bude pracovať väčšinu času (v čase predohrevu) s lepšími parametrami a celkové priemerné výkonové číslo sa zvýši, lebo pri dohreve bude výkonové číslo takmer rovnaké ako pri jednostupňovej príprave TV. Vo vývoji sú aj tepelné čerpadlá s odberom tepla na viacerých úrovniach. To všetko snáď už v dohľadnom čase prinesie významné zlepšenie parametrov prípravy teplej vody. Autor na adresu dodávateľov konštatuje, že „ani pri jednom variante nemožno predpokladať prevádzku s ročným výkonovým číslom nad hodnotou 2,9, nieto s menovitým výkonovým číslom 3,5, ktorý výrobcovia tepelných čerpadiel uvádzajú často ako jedinú hodnotu“. To, že výrobcovia deklarujú parametre výkonových čísel, nie je až tak problém ich samotných. Čo iné by mali pri svojich zariadeniach udávať než prevádzkové technické parametre, ak pri výrobe príliš nevedia, v akej aplikácii hodlá investor zariadenie použiť? Kvalitní dodávatelia, ktorých ani v Českej republike nie je málo, udávajú vo verejne dostupnej technickej dokumentácii celý rad hodnôt nielen výkonových čísel v rozličných prevádzkových bodoch. Možno však súhlasiť so záverom, že je nevyhnutné zodpovedne bilancovať reálnu prevádzku tepelného čerpadla. Tieto analýzy sa dnes viac než inde vyžadujú práve pri bytových domoch, a to ruka v ruke s podrobnou ekonomickou analýzou, ktorá v článku chýba. Bytové domy tvoria pritom na trhu špecifický segment, v ktorom hrá ekonomika najdôležitejšiu úlohu. Prakticky žiadne iné kritérium než krátka ekonomická návratnosť v prípade spoločenstiev vlastníkov jednotiek, bytových družstiev aj samostatných vlastníkov bytových domov neexistuje. V situácii, keď cena energie prevyšuje približne 700 Kč/GJ, je týmto vlastníkom úplne jedno, či je tepelné čerpadlo z hľadiska spotreby primárnej energie efektívnejšie alebo menej efektívne než jednoduché spaľovanie fosílnych palív. Podstatný je práve ekonomický efekt. Uvedený parameter (celkové výkonové číslo > 2,5) by mal mať vplyv v prípade žiadosti o podporu z niektorého z programov podporujúcich zdroje šetriace primárnou energiou, čo logicky vyplýva z článku, nariadení a smerníc EÚ. Ako vidieť z výsledkov, obidva analyzované prípady túto podmienku splnili. Ak by mal článok ambície postihnúť problematiku inštalácie tepelného čerpadla do bytového domu v čo najširšej miere, bolo by dobré vymenovať ďalšie podnety na diskusiu, ako sú typy inštalácie – vnútorná (hluk), vonkajšia (únosnosť strechy, inštalácia na fasádu, odvod kondenzátu), komplikované rokovania s aktuálnymi dodávateľmi tepla, stavebné úrady, rokovania vo vnútri organizácie investora, nedostatočné elektrické príkony. To všetko k problematike tepelných čerpadiel v bytových domoch patrí rovnako ako kvalitná energetická bilancia. Cestou ku kvalitnejším bilanciám by mohlo byť širšie uvedenie metodiky TNI 73 0351 Energetické hodnotenie sústav s tepelnými čerpadlami – Zjednodušený výpočtový postup do praxe, na ktorej mimochodom spolupracoval sám autor článku. |
|
Na Slovensku je to trochu inak Do diskusie o tepelných čerpadlách sa v rámci tohto článku pridávame aj z geografického hľadiska a súvisiacich podmienok výroby elektrickej energie a dovoľujeme si tak doplniť poznatky o rozdielnosti situácie na Slovensku. Predmetná analýza vyžitia tepelných čerpadiel typu vzduch/voda na výrobu tepla v bytových domoch dokumentuje dosiahnuteľnú energetickú efektívnosť v hodnotách výkonových čísiel (v origináli „topných faktorov“) na úrovni 2,6, z čoho autor celkom správne vyvodzuje záver o problematickej efektivite ich prevádzky z hľadiska úspor primárnej energie (tepelnej energie získanej spaľovaním fosílnych palív). Takýto záver by sa však nedal vyvodiť v podmienkach využitia tepelných čerpadiel na Slovensku, kde je podiel výroby elektrickej energie spaľovaním fosílnych palív približne trikrát menší ako v Českej republike a dosiahnuteľná úspora primárnej energie je pri tepelných čerpadlách s výkonovým číslom COP = 2,6 viac ako 80-percentná, čiže aj z ekologického hľadiska (vplyv na globálne otepľovanie produkciou CO2) sa na Slovensku spotrebuje pri prevádzke tepelného čerpadla približne päťkrát menej primárnej energie (a úmerne tomu sa, samozrejme, zmenší aj vplyv na globálne otepľovanie) ako pri produkcii tepelnej energie spaľovaním fosílneho paliva. Stupeň úspor primárnej energie však nemá prakticky žiadny vplyv na komplexné ekonomické hodnotenie takejto investície (výpočet čistej návratnosti v porovnaní s konvenčným systémom výroby tepla). Pre vlastníkov bytových domov, resp. bytov, ako zdôraznil aj recenzent, je rozhodujúca len návratnosť investícií, ktorá sa pri tepelných čerpadlách blíži často k desiatim rokom alebo túto hranicu prekračuje, čo už môže byť z pohľadu vlastníkov a investorov problematické. |
Článok aj s komentárom recenzenta bol publikovaný na portáli tzb-info.cz. Za redakciu TZB Haustechnik bol do článku doplnený komentár prof. Havelského o odlišnosti situácie na Slovensku.
TEXT: doc. Ing. Tomáš Matuška, PhD., Ústav techniky prostredia na Strojníckej fakulte ČVUT v Prahe
Recenzoval: Jiří Kalina
FOTO: i-energy
Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 4/2016.
