Obnoviteľné zdroje v bytovom dome: Tepelné čerpadlá v novostavbe

Článok predstavuje technologické riešenie aplikácie obnoviteľného zdroja energie v bytovom dome. Konkrétne ide o využitie tepelných čerpadiel na vykurovanie, chladenie a prípravu TV v kombinácii s riadeným vetraním s rekuperáciou.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Aplikácie obnoviteľných zdrojov energie sa stali v posledných rokoch štandardnou voľbou pri riešení zdrojovej časti v realizáciách novostavieb rodinných domov, bytových domov aj nebytových objektov. Hlavným dôvodom takéhoto využitia OZE je najmä legislatíva, konkrétne zákon o energetickej hospodárnosti budov [1].

V súčasnosti sa budovy v EÚ podieľajú na emisiách skleníkových plynov viac ako jednou tretinou. Podľa nových pravidiel by mali byť do roku 2030 všetky nové budovy s nulovými emisiami a do roku 2050 by sa mal celý stavebný fond EÚ zmeniť na budovy s nulovými emisiami.

Členské štáty sa zaviazali, že priemer spotreby primárnej energie obytných budov sa zníži o 16 % do roku 2030 a o 20 až 22 % do roku 2035. Aspoň 55 % zníženia spotreby energie sa dosiahne renováciou 43 % najhoršie fungujúcich obytných budov. Smernica tiež zaväzuje členské štáty prijať opatrenia na dekarbonizáciu vykurovacích systémov a postupné vyradenie fosílnych palív z vykurovania a chladenia [2].

Vzhľadom na uvedené informácie je zrejmé, že záujem o implementáciu energetických riešení na báze obnoviteľných zdrojov narastá a mnohí výrobcovia zvyšujú svoje výrobné kapacity, aby vyhoveli potrebám trhu. Na druhej strane aktuálne nepriaznivá cena elektrickej energie v porovnaní s cenou plynu môže mať negatívny vplyv na efektivitu implementácie potrebných opatrení, najmä v oblasti eliminácie zdrojov na fosílne palivá a zavádzania OZE.

Novostavba bytového domu v Bratislave a technické riešenie

Požiadavkou developera bolo vyriešiť vykurovanie, chladenie a prípravu TV v bytovom dome s trinástimi bytovými jednotkami. Išlo o podlahové vykurovanie, stropné chladenie a centralizovanú prípravu teplej vody. Neskôr, vo fáze projektovania, bol projekt bytového domu doplnený aj o riadené vetranie prostredníctvom samostatnej centrálnej rekuperácie v každom byte, ktoré bude v dlhodobom horizonte zabezpečovať nielen efektívnu prevádzku, ale aj príjemnú mikroklímu pre budúcich obyvateľov.

Projekt novostavby bytového domu v Bratislave rieši nízkoteplotné podlahové vykurovanie, stropné chladenie a prípravu TV aplikáciou OZE prostredníctvom kaskády tepelných čerpadiel a tiež riadené vetranie formou centrálnej rekuperácie osobitne v každom byte. Bytový dom má tepelnú stratu 50 kW a potrebu chladu 32 kW.

Systém tepelných čerpadiel

Zdrojom tepla pre bytový dom sú štyri reverzibilné tepelné čerpadlá typu monoblok vzduch – voda HPA-O 13 C Premium s menovitým výkonom 12,9 kW pri A-7/W35. Tepelné čerpadlá budú zapojené v kaskáde pozostávajúcej zo 4 jednotiek. Hlavnou prednosťou tohto riešenia je vysoká modulácia a plynulá regulácia výkonu kaskády v závislosti od aktuálnej potreby tepla. Ďalšou veľkou výhodou je možnosť prevádzky strojovne na čiastočný výkon v prípade poruchy jedného tepelného čerpadla.

Vonkajšie jednotky pre odber energie z okolitého vzduchu, ktorých súčasťou sú kompresory, prispôsobujú svoj výkon aktuálnej potrebe energie na vykurovanie. Pri takomto riešení pracuje zariadenie s optimálnym príkonom, čo prináša maximálne prevádzkové úspory, zároveň sa minimalizuje počet štartov kompresora, čo predlžuje jeho životnosť.

Tepelné čerpadlá STIEBEL ELTRON majú veľmi tichú prevádzku vďaka zapuzdrenému chladiacemu okruhu a oddelenému kompresoru. K nízkej hladine akustického výkonu prispieva modulačný ventilátor aj veľký rozstup rebier výparníka, ktorý znižuje odpor vzduchu. Vďaka inverterovej technológii tepelných čerpadiel HPA-O 13 C Premium sa v tomto systéme optimálne prispôsobujú otáčky kompresora na základe vonkajšej teploty, čo tiež prispieva k efektívnej a tichej prevádzke.

Tepelné čerpadlá sú schopné neustále monitorovať exteriérovú teplotu pomocou vonkajších snímačov a podľa nastavenej ekvitermickej krivky a regulácie systémových jednotiek menia teplotu vykurovacej vody tak, aby bola prevádzková úspora čo najvyššia.

Regulácia meria ďalej prostredníctvom snímača teplotu vody v akumulačnom zásobníku SBP 1000 E COOL s objemom 1 006 l, v ktorom sa podľa nastavených parametrov pripravuje technologická voda pre stropné chladenie, a v akumulačnom zásobníku SBP 1000 E s rovnakým objemom, kde sa podľa nastavených parametrov ohrieva vykurovacia voda.

Akumuláciu teplej pitnej vody zabezpečuje zásobník SBB 800 WP SOL s dostatočnou teplovýmennou plochou na kombináciu s tepelným čerpadlom (4 kW tepelného čerpadla/1 m2 teplovýmennej plochy). Súčasťou celej technológie je aj záložný elektrický zdroj.

Tepelné čerpadlá sú regulované pomocou základného modulového digitálneho regulátora WPM internacionál. Ovláda jeden priamy a dva zmiešané okruhy, ale dokáže napríklad dať pokyn aj na zopnutie externého zdroja tepla alebo prijímať signál z fotovoltického systému.

V technickej miestnosti je diaľkové ovládanie ISG web (diaľková správa), ktorým sa bude optimalizovať prevádzka. Teplotu vody v akumulačnom zásobníku, výstupnú teplotu vykurovacej (chladiacej) vody, teplotu v zásobníku teplej pitnej vody a vonkajšiu teplotu snímajú teplotné snímače TAF PT.

Efektívnosť navrhnutého systému kaskády tepelných čerpadiel deklaruje aj pomer medzi skutočne vyrobenou tepelnou energiou na vykurovanie (56,414 MWh so spätným získavaním tepla 21,215 MWh, obr. 4) a spotrebovanou elektrickou energiou (13,687 MWh, obr. 5), čo predstavuje sezónne výkonové číslo (SCOP) inštalovaného systému na úrovni 4,12.

Príprava teplej pitnej vody sa rieši dvomi zo štyroch tepelných čerpadiel zapojených v kaskáde. Vyrobená tepelná energia do teplej vody je na úrovni 24,911 MWh (obr. 4), spotrebovaná elektrická energia na úrovni 8,593 MWh (obr. 5), čo predstavuje výkonové číslo (COP) pre prípravu TV 2,9.

Systém riadeného vetrania so spätným získavaním tepla

Rekuperácia využíva riadené vetranie prostredníctvom výmenníkového systému, ktorý dodáva filtrovaný vzduch do miestnosti. V zime sa čerstvý vzduch ohrieva nepriamo teplom z vnútorného odpadového vzduchu, ktorý sa odvádza von. V lete je to naopak – vzduch privádzaný dnu sa v noci chladí z vonkajšieho prostredia. Klasický „okenný“ spôsob vetrania by bol živelný a neefektívny.

Každý byt má centrálnu rekuperačnú jednotku LWZ 130 E-W s objemovým prietokom 50 až 180 m3/hod. s krížovým protiprúdovým entalpickým výmenníkom s voliteľnou možnosťou umiestnenia pod strop alebo na stenu.

Prevádzka tepelných čerpadiel

Na simuláciu prevádzky sa použil nástroj PREVÁDZKA TEPELNÝCH ČERPADIEL z balíka online nástrojov TOOLBOX [4], ktorý je prístupný online. Nástroj na dimenzovanie tepelných čerpadiel umožňuje navrhnúť celý systém. Určuje napríklad bod bivalencie, pracovný bod invertera, ročnú spotrebu energie, spotrebu tepla a teplej vody v systéme. Umožňuje kombináciu so systémami, ako sú solárne panely, iné zdroje tepla či s vetraním so spätným získavaním tepla.

Prehľadne pritom zobrazuje prevádzkové náklady a tým opodstatnenosť kombinácie viacerých systémov. Získané dáta zahŕňajú predpokladanú spotrebu energie, náklady na energiu pre daný systém, ale aj porovnanie nákladov s inými palivovými hospodárstvami.

Tepelná záťaž a bod bivalencie

Tepelná záťaž bytového domu bola stanovená na 50 kW. Na pokrytie tepelných strát objektu sa navrhli 4 tepelné čerpadlá s inštalovaným výkonom 51,6 kW pre A-7/W35, pričom bod bivalencie je v tomto prípade –10 °C (obr. 6).

Klimatické dáta

Treba brať do úvahy, že tepelná strata bola stanovená pri uvažovaná vonkajšej výpočtovej teplote –11 °C. Z klimatických dát je však zrejmé, že v Bratislave je najfrekventovanejšia teplota +5 °C (obr. 7). Vonkajšia teplota –11 °C alebo chladnejšia sa v Bratislave vyskytla za uplynulé roky priemerne len 16,5 hodiny.

Porovnanie primárnej energie

Primárny zdroj energie je surovina, ktorá je k dispozícii v pôvodnej, nespracovanej podobe. Porovnaním elektrickej energie potrebnej na chod tepelného čerpadla s energiou obsiahnutou v plyne alebo elektrickou energiou pri prevádzke potrebnou na prevádzku plynového či elektrického kotla môžeme jednoznačne konštatovať, že navrhnuté riešenie je efektívne a ekologické. Z grafu na obr. 8 jasne vyplýva, že energia vynaložená na chod tepelného čerpadla je v porovnaní s ostatnými zdrojmi výrazne menej než polovičná (obr. 8).

Prevádzka s riadeným vetraním so spätným získavaním tepla

Rekuperácia a plošné chladenie, resp. vykurovanie sa dokážu pri správnom nastavení vhodne dopĺňať. Kľúčové je však vyváženie, nastavenie systému tak, aby vzduch neprúdil príliš rýchlo. Rekuperovaný vzduch je odvlhčený, na strope sa teda nebude kondenzovať. Pri tejto kombinácii je tiež dôležité nastaviť prahovú hodnotu vlhkosti (napr. pri vlhkosti nad 55 % sa spustí vetranie a pri vlhkosti pod 55 % bude minimálne/útlmové vetranie).

Pri plošnom chladení sa samotný strop ochladzuje na mierne nízku teplotu (asi 19 °C), pričom teplotu rosného bodu stráži termostat FET (teplomer a vlhkomer). Celá plocha stropu potom odvádza teplo z miestnosti, čo poskytuje príjemný pocit chladu, podobný tomu v starých budovách s hrubými obvodovým murivom.

Pridaním riadeného vetrania so spätným získavaním tepla do prevádzky klesli pri tejto aplikácii náklady na vykurovanie o 27 %.

Záver

Pri návrhu a projekcii zložitých, ale aj jednoduchých systémov tepelného čerpadla a rekuperácie možno využiť nástroj tepelného čerpadla v TOOLBOXE, ktorý prináša pomerne presné výsledky efektivity budúcej prevádzky navrhovaného systému.

Kombináciou nízkoteplotného podlahového vykurovania a stropného chladenia s riadeným vetraním so spätným získavaním tepla a ich správnym vyladením vytvárame okrem efektívnej prevádzky aj komfortnú, príjemnú a zdravú vnútornú klímu (až 90 % času, takmer 22 hodín denne trávime v interiéri) pre budúcich obyvateľov bytového domu. Daná aplikácia zároveň spĺňa požiadavky Zelenej dohody EÚ na dekarbonizáciu vykurovacích a chladiacich zdrojových systémov.

Príspevok bol v modifikovanej podobe publikovaný na konferencii Obnoviteľné zdroje energie 2024. Organizátorom podujatia a zároveň vydavateľom zborníka je Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia.

TEXT: Ing. Alžbeta Jendrichovská, STIEBEL ELTRON Slovakia, s. r. o.
FOTO: STIEBEL ELTRON Slovakia, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise TZB 5/2024