Praktické využitie a porovnanie plynového tepelného čerpadla s elektrickým tepelným čerpadlom v režime vzduch/voda

Dnešná doba prináša nový pohľad na výstavbu a rekonštrukciu objektov. Jeden zo základných faktorov pri výstavbe je prvotná investícia do technológií zabezpečujúcich základné parametre budovy. V budove je potrebné zabezpečiť vykurovanie, chladenie, výmenu vzduchu a celkovú pohodu pre užívateľov budovy. Neposledným faktorom ale začínajú byť aj náklady na prevádzku zdroja tepla a chladu a optimalizáciu spotreby tepla a chladu pri použitých technológiách v budove.

V ďalšom texte si opíšeme možnosti zníženia investičných nákladov s pohľadom na adekvátne zníženie prevádzkových nákladov budovy využitím vhodných prvkov a zariadení. Pri navrhovaní systémov vykurovania je prvým krokom návrh použitých konštrukcií a materiálov.

Materiály využité na výstavbu stanovujú hlavný faktor spotreby budovy. Základom je použiť materiály s najlepšími tepelnoizolačnými parametrami, otvorové konštrukcie musia zabezpečiť dostatočné udržanie tepla vo vnútornom priestore v zimnom období a naopak, zabrániť prehrievaniu vnútorného priestoru v sezóne chladenia. Z daných parametrov vychádza energetická potreba budovy.

V dnešnej dobe je vhodné využiť na výpočet nielen normované výpočty potreby tepla a chladu, ale taktiež sa vo veľkej miere využíva počítačová termodynamická simulácia, ktorá dokáže nahradiť výpočet tepelných strát a ziskov s prihliadnutím na klimatické podmienky za posledné roky v lokalite budúceho umiestnenia stavby s využitím posúdenia vplyvu pôsobenia slnečného žiarenia.

Z praxe existujú porovnania výpočtu tepelných strát a ziskov normovou metódou a metódou termodynamickej simulácie.

Základný princíp pre úsporu

Výpočtové výsledky simulácie dokázali, že budovy potrebujú reálne o 10 – 15 % menší výkon vykurovacích a chladiacich zariadení pri zohľadnení reálnych klimatických podmienok budúceho umiestnenia stavby, zohľadnení tvaru budovy a prvkov tienenia.

Odzrkadlí sa to hlavne v investícií do technológie vykurovania a chladenia. Špičkový výkon je možné zabezpečiť nižším výkonom s využitím akumulácie budovy, prípadne akumulácie energie v strojovni vykurovania alebo chladenia.

Ďalšou, už všeobecne známou optimalizáciou je znižovanie výstupnej teploty vykurovania a zvyšovanie výstupnej teploty pre chladenie. Pre tieto možnosti sú v dnešnej dobe použiteľné aj konvenčné zariadenia, radiátory, fancoily, ale čím ďalej, tým viac, sa do popredia dostávajú systémy využívajúce iba dvojrúrkový systém.

Ide o podlahové vykurovanie, prípadne duálne stropné systémy vykurovania a chladenia. Využitím jedného systému na vykurovanie a chladenie investor opäť znižuje náklady na dvojitý rozvod, pričom by každý samostatne slúžil na vykurovanie alebo chladenie. Pri optimalizácii obvodového plášťa a správnom návrhu fasády je možné aj eliminovať často potrebné rozdielne režimy v rôznych častiach budovy.

Sálavé systémy

Využitie sálavých plošných systémov je vhodné nielen energeticky, ale aj zdravotne, sálavý systém je bezúdržbový bez potreby pravidelného čistenia od prachu a nečistôt. To znamená, že prach v priestore ani nevíri, keďže nevyužíva prúdenie vzduchu na odovzdanie tepla/chladu do priestoru.

V neposlednom rade je dôležitým parametrom aj estetika a možnosť riešenia voľnej dispozície priestoru. Sálavý systém využíva veľké plochy stropu alebo steny, ktorú ohrieva alebo ochladzuje permanentným prúdením vykurovacej alebo chladiacej vody.

Systém je nízkoteplotný, čo znamená, že zdroj tepla nemusí vyrábať vysokú výstupnú teplotu na vykurovanie. Optimalizovaný teplotný spád je 36 °C/32 °C. Na chladenie taktiež využíva minimálnu teplotu 16 °C. Pri spáde 16 °C/19 °C – 20 °C. Vďaka optimalizácii výstupných teplôt má investor možnosť použiť bezproblémovo obnoviteľný zdroj tepla a chladu.

Pri výbere obnoviteľného zdroja sa vždy uvažuje o pripojovacích možnostiach primárnej energie. Bežne používané energie sú elektrická energia z distribučnej siete, plyn z distribučnej siete alebo biometán s priľahlého zdroja, prípadne LPG pri vybraných typoch zdrojov.

Ako obnoviteľný zdroj sa najčastejšie v komerčnej výstavbe využíva tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo má výhodu duálneho využitia na vykurovanie aj chladenie. Pri porovnaní tepelných čerpadiel s pohonom elektrickým a plynovým je základným faktorom dosahovaný výkon jednej jednotky pre jednotlivé potrebné energie.

Obvykle má elektrické tepelné čerpadlo omnoho nižší výkon pri chladení ako pri vykurovaní. Plynové tepelné čerpadlá sú na tom rôzne, rozdiel medzi nominálnym výkonom na vykurovanie a chladenie sa pohybuje od 3 % až do 30 % rozdielu medzi dosahovanými výkonmi jednotlivých režimov.

Tepelné čerpadlá a ich podmienky

Pri dimenzovaní tepelného čerpadla sa zohľadňujú hlavne klimatické podmienky. Tepelné čerpadlo pracuje v obmedzenom režime výkonu pri nižších vonkajších teplotách. Obmedzenie výkonu pre elektrické čerpadlá predstavuje už teplota pod 0 °C, keď začína tepelné čerpadlo spotrebovávať vlastnú energiu na odmrazovanie výparníka, čo výrazne znižuje dosahovaný výkon vyrobený a odovzdaný do budovy.

Pri plynových tepelných čerpadlách je chladivo do výparníka predhrievané zvyškovou energiou spaľovacieho motora, tým pádom neobmedzuje výstupný výkon tepelného čerpadla a zariadenie dokáže vyrábať nominálny výkon až do vonkajšej teploty -20 °C.

Veľkou výhodou určitých typov tepelných čerpadiel je využitie odpadového tepla z motora a výfuku na vysokoteplotný ohrev. Tepelné čerpadlá z tohto výstupu dokážu vyrobiť energiu v hodnote výkonu motora. V praxi pri motore s výkonom 30 HP je výstup možný až pri teplote 65 °C s celkovým výkonom cca 30 kW.

Pri inštalácii takéhoto zdroja použitím plynového tepelného čerpadla je možnosť dosiahnuť sezónnu účinnosť zdroja (SPER) pri chladení až 1,7 a pri vykurovaní sa pri plynových tepelných čerpadlách pohybuje SPER až na hodnote 1,5.

Pri porovnávaniach je potrebné uvedomiť si rozdiel v nákupe jednotlivých energií. V danom období sa ceny energií od distribučných spoločností pohybujú pri elektrickej energii na 0,12 €/kWh a pri plyne na 0,05 €/kWh. Pri využití odpadového tepla z plynových tepelných čerpadiel môže rozdiel úspory prevádzkových nákladov na energie činiť až cca 23 %.

Nezanedbateľný faktor je ekológia zdroja. Pri využití obnoviteľných zdrojov sa spravidla využíva aj konvenčný zdroj na zabezpečenie tepla pri nízkych vonkajších teplotách. Pri správnej voľbe vykurovacieho systému (nízkoteplotného vykurovacieho systému) a správnej akumulácii je možné využiť iba obnoviteľný zdroj tepla.

Plynové tepelné čerpadlo je pre daný druh zdroja tepla optimálnym zariadením, keďže nie je jeho dosahovaný výkon obmedzený vonkajšou teplotou.

Dané zariadenie (tepelné čerpadlo s využitím okolitého vzduchu) dokáže oproti konvenčnému zdroju, ktorý priamo spaľuje plyn, ušetriť až 40 % emisií CO₂. Pri správnom dimenzovaní zdroja je možné taktiež znížiť podiel primárnej energie pre spotrebu budovy až o 40%.

Výpočtové porovnanie rozdielu použitia elektrického tepelného čerpadla vzduch/voda verzus plynového tepelného čerpadla vzduch/voda pre objekt so spotrebou 368 387 kWh na vykurovanie a 126 000 kWh na chladenie:
Celková potreba tepla: 386 387 kWh
Celková potreba chladu: 126 000 kWh

Plynové tepelné čerpadlá
Max. výstupná teplota = 50 °C, Hot-kit – teplo z motora = 60/55 ˚C.
Sezónne výkonové číslo pre vykurovanie pri požadovanom teplotnom spáde 45/40 ˚C – SPF = 1,54, vplyv odmrazovacích cyklov – 0 %
Sezónne výkonové číslo pre chladenie pri požadovanom teplotnom spáde 7/12˚C a chodu Hot-kitu do OPV – ESER = 1,87.
Potreba tepla vyrobená kotlom 144 895 kWh.
Potreba tepla vyrobená plyn. tep. čerpadlami 241 492 kWh.

Elektrické tepelné čerpadlá
Max. výstupná teplota = 62 °C.
Sezónne výkonové číslo pre vykurovanie pri požadovanom teplotnom spáde 45/40 ˚C – SPF = 2,74 ,po započítaní odmrazovacích cyklov (-25 %) klesne SPF = 2,06.
Sezónne výkonové číslo pre chladenie pri požadovanom teplotnom spáde 7/12 ˚C – ESER = 2,36.
Potreba tepla vyrobená kotlom 144 895 kWh.
Potreba tepla vyrobená plyn. tep. čerpadlami 241 492 kWh.

Výpočet prevádzkových nákladov

1. Spotreba plynu pre bivalentnú kotolňu – plynové tepelné čerpadlá (GHP) a kondenzačný kotol (KK).

Cena plynu v sadzbe M8 = 0,0533 €/kWh , fixná sadzba 285,39 €/mes.
Tepelný výkon GHP25HP pri výpočtovej teplote -11 ˚C a spáde 45/40 ˚C = 2 x 62 kW = 124 kW
Chladiaci výkon GHP25HP pri výpočtovej teplote 35 ˚C a spáde 7/12 ˚C = 2 x 63,5 kW = 127 kW
Náklady na ZP UK pre KK = 144 895 kWh x 0,0533 €/kWh/0,98 = 7 880 €
Náklady na ZP UK pre GHP = 241 492 kWh x 0,0533 €/kWh/1,54 = 8 358 €
Náklady na ZP chladenie pre GHP = 126 000 kWh x 0,0533 €/kWh/1,87 = 3 591 €
Náklady na ZP fixné platby M8 = 285,39 € x 12 mesiacov 3 424 €
Náklady na plyn spolu = 23 253 €

2. Spotreba elektrickej energie a plynu pre bivalentnú kotolňu – elektrické tepelné čerpadlá a kondenzačný kotol (KK)

Cena plynu v sadzbe M7 = 0,0537 €/kWh, fixná sadzba 128,73€/mes.
Počet ETČ pre výkon 124 kW pri výp. teplote -11 ˚C a spáde 45/40 ˚C 3 kusy
Počet ETČ pre výkon 124 kW s vplyvom odmrazovania -25 % = 4 kusy
Výpočet potrebného istenia pre fixné platby 3 x 63A x 4 kusy = 756A
Náklady na ZP UK pre KK = 144 895 kWh x 0,0537€/kWh/0,98 = 7 939 €
Náklady na ZP fixné platby M7 = 128,73 € x 12 mesiacov 1 544 €
Náklady na silovú EE UK = 241 492 kWh x 0,077 €/kWh/2,06 = 9 026 €
Náklady na silovú EE pre chladenie = 126 000 kWh x 0,077€/kWh/2,36 = 4 111 €
Náklady na distribúciu EE (241 492 kWh + 126 000 kWh) x (0,023579 + 0,008145 + 0,00327) = 12 860 €
Náklady na EE fixné platby 765A x 0,2202 €/A x 12 mes. = 2 021 €
Náklady na EE a plyn spolu = 37 501 €

Záver

Použitie elektrických tepelných čerpadiel vzduch/voda v bivalencii s kondenzačným kotlom zvyšuje prevádzkové náklady na energie z úrovne 23 253 €/rok na 37 501 €/rok, čo je nárast o 60 %.

Poklesom výkonu elektrických tepelných čerpadiel pri výpočtovej teplote -11 ˚C a vplyvom odmrazovacíích cyklov bude potrebné na zabezpečenie rovnakého tepelného výkonu pri -11 ˚C zakúpiť 4 kusy elektrických tepelných čerpadiel vzduch/voda namiesto 2 kusov plynových tepelných čerpadiel GHP25HP.

Na tieto 4 kusy sa vzťahujú investičné náklady a náklady na servis. Z uvedených údajov vyplýva ,že využitie plynových tepelných čerpadiel GHP25HP namiesto elektrických tepelných čerpadiel by pre investora znamenalo významné zvýšenie investičných a prevádzkových nákladov.

Zároveň ale z toho vyplýva, že využitie plynových tepelných čerpadiel by pri danej investícii zabezpečilo kompaktnejšou zostavou plynových tepelných čerpadiel plnohodnotný zdroj tepla a chladu pre potreby danej budovy so všetkými výhodami opísanými v článku vyššie.

ZDROJ: Zdrojové informácie čerpané z dostupných online cenníkov distribučných spoločností v SR. Všetky hodnoty majú informatívny a nezáväzný charakter.