Tepelné čerpadlá v Kalnej nad Hronom spoľahlivo pracujú už sedem rokov

Tepelné čerpadlá sa ako zariadenia na využívanie voľne dostupného tepla vo vzduchu, v zemi alebo vo vode tešia čoraz väčšiemu záujmu. Okrem zabezpečenia tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody ich možno využívať v lete aj na chladenie. Tento perspektívny obnoviteľný zdroj síce prináša mnohé výhody, ale vzhľadom na široké spektrum možností, aké riešenie zvoliť, výsledky viac ako pri iných technológiách závisia od skúsenosti projektanta a dodávateľa.

 Príklady z praxe, kde tepelné čerpadlá vykurujú verejnú budovu, u nás zatiaľ nie sú bežné. Jedno z prvých obecných čerpadiel na Slovensku majú v základnej škole v Kalnej nad Hronom. Cesta, ktorá viedla k jeho využitiu, a výsledky zo sedemročnej prevádzky môžu byť inšpiratívne a užitočné.

V zahraničí aj na Slovensku sa viacero inštalácií nevydarilo, respektíve ich návrh nebol optimálny. V horšom prípade čerpadlo nezabezpečovalo dostatok tepla na vytvorenie tepelnej pohody v budove. V lepšom bolo predimenzované, čiže tepla bolo dostatok, ale návratnosť vložených investícií sa zbytočne predlžovala.

Pilotný verejný projekt s dvoma čerpadlami
Tepelné čerpadlá nainštalovali v základnej škole v Kalnej nad Hronom v roku 2005 (obr. 1). Investíciu financovala obec. Podstatná časť nákladov sa kryla z povinných príspevkov Jadrovej elektrárne Mochovce, ktorá sa nachádza v katastri obce. Celá investícia vrátane rekonštrukcie rozvodov vody, realizácie studní a ostatných nákladov dosiahla približne 5,5 mil. Sk (približne 180 000 €).

Prvým krokom k úspešnosti projektu bolo zistenie, že pod areálom základnej školy je dostatočné množstvo podzemnej vody, dostupné v neveľkej hĺbke od 6 do 20 m. Na zabezpečenie tepla na vykurovanie sa nainštalovali dve rovnaké čerpadlá, každé s nominálnym tepelným výkonom 125 kW. V areáli školy sa nachádzajú dva oddelené vyučovacie pavilóny, jedáleň, samostatná telocvičňa a budova materskej školy. Jedno tepelné čerpadlo dnes zásobuje prvý z vy­učovacích pavilónov a pôvodne malo slúžiť aj na zásobovanie škôlky a telocvične. Ďalšie je určené na zásobovanie druhého učebného pavilónu a s ním spojenej jedálne. Na obidve čerpadlá pripadá približne rovnaká vykurovacia plocha. Jeden pavilón má rozlohu približne 3 000 m². Celý areál školy predtým zásobovala centrálna plynová kotolňa s dvoma teplovodnými kotlami ČKD, každý s výkonom 250 kW.

Kompromis s pôvodnými vykurovacími telesami
Potreba teplej vody vo vyučovacích pavilónoch je nízka. Preto bolo hospodárnejšie ponechať klasické elektrické ohrievače vody – či už prietokové, alebo s malými zásobníkmi. Väčšina budov školy sa tesne pred inštaláciou tepelného čerpadla zrekonštruovala. Zateplili sa plášte budov a vymenili okná. Dimenzovanie tepelných čerpadiel vychádzalo už z nových potrieb tepla. Pôvodný zámer zahŕňal aj výmenu klasického systému s radiátormi za nízkoteplotné kapilárne vykurovanie. Takéto riešenie by bolo určite prínosom z hľadiska dosiahnutia čo najvyššieho pomeru vstupujúcej a vystupujúcej energie. No s prihliadnutím na zvýšenie ceny celkovej rekonštrukcie sa ukázala takáto investícia ako nerentabilná. Po zateplení budov sa stal tepelný okruh s jestvujúcimi vykurovacími telesami prirodzene predimenzovaný. Preto sa po technickom prehodnotení ponechal pôvodný vykurovací systém ako vyhovujúci s dostatočnou odovzdávacou plochou aj pri podstatne nižších teplotách vykurovacieho média.

Nárok na zvýhodnenú tarifu za elektrinu
Pri výbere sa zvolili tepelné čerpadlá od nemeckého výrobcu Waterkotte DS 5194.4 (obr. 2), ktorých kompresory sú poháňané elektrickým prúdom. Tepelný výkon udávaný výrobcom je 134 kW pri režime W10/W35. Toto označenie znamená teplotu vstupnej vody 10 °C a výstupnej ohriatej vody 35 °C, pričom odoberaný elektrický výkon pri maximálnom výstupnom tepelnom výkone je na úrovni 23,6 kW. V reálnej prevádzke klesá výstupný tepelný výkon so zvyšujúcou sa teplotou na výstupe, ktorá môže výnimočne dosahovať až 70 °C. Toto čerpadlo nepo­užíva priamy elektrický ohrev pri nedostatku ­tepla.

Obr. 2 Tepelné čerpadlá Waterkotte DS 5194.4 s kompresormi poháňanými elektrickým prúdom

V primárnom okruhu je zapojený výmenník tepla (na obr. 2 strieborný kváder vľavo), ktorý slúži na hydraulické oddelenie spodnej vody zo studne ako nosič tepla od vnútorného okruhu samotného tepelného čerpadla. Toto je bežné riešenie pri štandardnej kvalite a mineralizácii podzemnej vody. Jej tvrdosť a zloženie treba vždy najskôr overiť prostredníctvom chemického rozboru, pretože majú zásadný vplyv na životnosť čerpadla. Tepelné čerpadlo „pumpuje“ teplo do inštalovaného 1 000-litrového zásobníka tepla (obr. 3). Zo zásobníka sú vyvedené cez rozdeľovač dve vykurovacie vetvy so svojimi obehovými čerpadlami.

Obr. 3 Tisíclitrový zásobník tepla stabilizuje vykurovací systém.

Keďže tepelné čerpadlá patria medzi obnoviteľné zdroje energie, vzťahuje sa na ne zvýhodnená sadzba elektriny. Každá strojovňa má vlastné samostatné elektrické prípojky s jedným spoločným fakturačným elektromerom.

Čerpacie aj vsakovacie vrty
Návrhu studní predchádzal hydrogeologický prieskum a georadarové merania. Celý systém odberu tepla z podzemnej vody z tzv. plytkých vrtov musí pozostávať z čerpacích a vsakovacích vrtov, prostredníctvom ktorých sa vyčerpaná voda po odobratí tepla a ochladení vracia späť. Za takto využitú vodu na energetické účely sa neplatia žiadne poplatky.

Postupne sa v areáli školy zrealizovalo deväť vrtov (obr. 4 a 5). Časť je určená na čerpanie vody, časť na jej vsakovanie a ďalšie vrty sú zálohové. Vrty na odber aj vsakovanie majú maximálnu hĺbku 30 m s priemerom 220 mm. K šachtám z betónových skruží s poklopom vedú elektrické rozvody, z ktorých sú napájané čerpadlá primárneho okruhu ponorené vo vode. Hladina podzemnej vody v lokalite sa zvyčajne pohybuje približne 7 m pod terénom. Podzemná voda dosahuje teplotu od 11 do 12 °C. V Kalnej nad Hronom je každé z tepelných čerpadiel zásobované približne 15 000 litrami vody za hodinu, čo predstavuje prietok približne 4,17 l/s. Tomu zodpovedá tepelný výkon približne 125 kW. O tom, ktorý vrt sa práve využíva, rozhoduje obsluha strojovne.

Teplo aj počas mrazivých dní
Na analýzu tejto inštalácie sa použili skutočne namerané hodnoty na jednom tepelnom čerpadle v roku 2010. Čerpadlom sa vtedy vykuroval len vyučovací pavilón. Pripojené bolo na dva zásobovacie vrty a jeden vsakovací. Keďže čerpadlá majú zabezpečovať tepelnú pohodu počas vyučovacích hodín, väčšina elektriny sa spotrebovala v čase platnosti drahšej dennej tarify. Podľa faktúr za obidve čerpadlá sa vo vysokej tarife spotrebovalo až 65,6 %.

Vedenie základnej školy sa mohlo na čerpadlo spoľahnúť aj počas mrazivých dní. Napríklad 27. januára 2010 pri teplote vonkajšieho vzduchu –13 °C tepelné čerpadlo dodalo na výstupe vodu s teplotou 66,6 °C. Podobné výsledky však nemusia byť dosiahnuteľné v iných projektoch. Aj z analyzovaných hodnôt vyplýva, že toto konkrétne čerpadlo nebolo maximálne vyťažené. Mohlo pracovať ešte viac hodín denne, čím by zabezpečilo viac tepla. Na dokúrenie pavilónu využila šikovná obsluha výnimočne v zimných špičkách aj plyn. No ročná spotreba bola zanedbateľná – iba 500 m³. Vďaka tomu sa čerpadlo nemuselo zbytočne namáhať a následne pracovalo efektívnejšie.

Škola mieni, realita mení
Hoci čerpadlo bolo pôvodne naprojektované aj na vykurovanie materskej školy a telocvične, dodávku tepla na vykurovanie škôlky dnes zabezpečuje kondenzačný kotol, ktorý mal pôvodne slúžiť iba ako záložný zdroj. Jedným z podstatných dôvodov je to, že ani na zateplenie škôlky, ani na výmenu okien nezostali počas rekonštrukcie v roku 2005 finančné prostriedky.

Samozrejme, že potreba tepla na zabezpečenie optimálnej teploty v škôlke bola oveľa vyššia ako v zateplenej budove školy, ktorá sa napájala z toho istého čerpadla. No zvyšovanie teploty vody na výstupe tepelného čerpadla tak, aby bola dostatočná teplota na vykurovanie škôlky, bolo nehospodárne. Podstatne sa zhoršil pomer privedenej elektrickej energie a vystupujúceho tepla. Hoci škôlka reprezentuje zhruba štvrtinu celkovej vykurovanej plochy prislúchajúcej k tomuto čerpadlu, v extrémnych prípadoch sa stalo, že dokázala spotrebovať až polovicu tepla vyprodukovaného čerpadlom. Zistenie, že nezateplená škôlka môže dosiahnuť až trikrát vyššiu spotrebu tepla ako dobre zateplená škola, si vyžadovalo zmenu plánovaného spôsobu prevádzky až dovtedy, kým sa nepodarí aj túto budovu zatepliť.

Na mínovom poli
Telocvičňa, ktorá mala byť tiež pripojená na okruh s čerpadlom, je už zateplená a má aj vymenené okná. Žiaľ, rozvody nového systému sa k nej nedoviedli pre komplikácie s trasou. Za šťastie možno považovať, že pri výkopových prácach prepojovacieho potrubia sa bezpečne odstránili míny z 2. svetovej vojny, o ktorých dovtedy nik netušil. Vykurovanie je taktiež zabezpečené záložným plynovým kotlom. Potreba plynu na vykurovanie a dohrev teplej vody telocvične je dnes približne 4 500 m³ ročne. V mesiacoch máj a jún je prakticky nulová. Vtedy sa využíva na ohrev vody solárny systém z 90. rokov minulého storočia. V mesiaci január môže spotreba plynu dosahovať približne 1 100 m³.

Teoretická a skutočná efektívnosť
Tepelné čerpadlo napojené na radiátorový vykurovací systém sa musí zvyčajne prevádzkovať v širokom rozsahu výstupných teplôt. Preto je zaujímavé v praxi sledovať, ako sa líšia teoretické hodnoty a realita. Údaje o spotrebe elektriny zahŕňajú aj spo­trebu inej technológie strojovne, čiže čerpadlá primárneho okruhu na dodávku vody zo studní, obehové čerpadlá vykurovacích vetiev a spotrebu samotného riadenia a regulácie. Reálne sa dosiahol priemerný tepelný výkon počas prevádzky čerpadla 119,5 kW za rok. O efektívnosti čerpadla hovorí hodnota priemerného ročného vykurovacieho faktora čerpadla – tzv. COP (z anglického Coeficient of Power).

Ak sa do vykurovacieho faktora zahrnú všetky elektrické spotreby a straty, teda zohľadní sa celková spotreba strojovne, bol podľa nameraných reálnych hodnôt skutočný celoročný vykurovací faktor na úrovni 3,014 (tab. 1). Z uvedeného vyplýva, že v školskom pavilóne v Kalnej sa len jedna tretina tepla vyrobila vďaka spotrebovanej elektrine a až dve tretiny tepla poskytol obnoviteľný zdroj – spodná voda (obr. 6).

Obr. 6 Graf získaného tepla a podielu spotrebovanej elektriny

Dva pohľady
Je teda vhodné investovať do tepelných čerpadiel, ak zohľadníme všetky vstupné a prevádzkové náklady vrátane všetkých skrytých spotrieb energie či nákladov na obsluhu a servis? Podstatné je, v akom časovom horizonte sa vnímajú investičné náklady. Pri čo najdlhšom technicky možnom využívaní zariadenia, ktoré vyplýva zo životnosti, alebo pri minimálnom, za ktorý ekonómovia považujú napríklad čas splácania bežného komerčného úveru? Niekde medzi tým. Samozrejme, ekonomické výsledky vychádzajú lepšie, ak sa podarí využiť podporný mechanizmus či zohnať výhodnejší spôsob financovania ako komerčný úver.

K investícii do tepelného čerpadla a radikálnej rekonštrukcii vykurovacieho systému sa zvyčajne pristupuje v prípade, ak starý zdroj tepla dosluhuje. Situácia je podobná ako v novostavbe. Aké riešenie zvoliť? Tepelné čerpadlo s možnosťou vykurovania plynom patrí v tomto porovnaní k menej výhodným kombináciám.

Ako porovnať čerpadlo s iným zdrojom
Merná cena inštalácie tepelného čerpadla bola v tomto prípade približne 680 € na inštalovaný kilowatt výkonu so zahrnutím všetkých nákladov na studne, rozvody vody a iných súvisiacich nákladov s rekonštrukciou vykurovania.

Čerpadlo sa v praxi osvedčilo aj v prípade ponechania starého systému vykurovacích telies v zateplenej budove. Dosiahnutý výsledok v podobe celoročného COP väčšieho ako 3 je z energetického hľadiska výborný.

Cena elektriny vrátane poplatkov za odberné miesto zriadené len pre tepelné čerpadlá bola pri ich dominantnom využívaní najmä počas dňa, teda vo vyššej tarife, 0,188 €/kWh vrátane DPH. Z podielu nákladov na elektrinu vrátane kompletnej energetickej réžie celého vykurovacieho okruhu a ročného COP s hodnotou 3 možno určiť priamu cenu tepla. Je to maximálne 0,063 € na 1 kWh tepla, respektíve do 17,50 €/GJ (tab. 2).

Jednoznačnejšie ekonomické výsledky v pro­spech tepelných čerpadiel dosahujú určite inštalácie v stavbách s nízkoteplotným okruhom vykurovania v lokalitách, kde nie je k di­spozícii plyn.

Nefinančné výhody
Tepelné čerpadlo inštalované v základnej škole v Kalnej nad Hronom funguje spoľahlivo bez porúch už sedem rokov. Regulácia sa musela reštartovať len raz – pre úder blesku. Plnoautomatické zariadenie prevádzkovateľov raz upozornilo na potrebu vyčistiť filter vody zo studne mimo plánovaného cyklu. Dôvodom mohlo byť zakalenie spodnej vody po dlhodobých a silných dažďoch alebo slabé zemetrasenie v tom istom čase. Náročnosť obsluhy je porovnateľná s plynovou kotolňou. Životnosť tepelných čerpadiel bý­va zvyčajne 15 rokov. Neskôr stačí vymeniť kompresor tepelného čerpadla alebo čerpadlo v studni v hodnote do maximálne 15 % ceny tepelného čerpadla. Systém následne funguje ďalších 15 rokov. Keďže ide o obnoviteľný zdroj energie, technológia je, samozrejme, bez emisií.

TEXT: Ing. Peter Štibraný
FOTO: SIEA

Ing. Peter Štibraný pracuje ako odborný konzultant v bezplatnom poradenskom centre ŽIŤ ENERGIOU v Banskej Bystrici.

Analýzu inštalácie pripravila Slovenská inovačná a energetická agentúra v rámci projektu bezplatného energetického poradenstva ŽIŤ ENERGIOU, ktorý je financovaný zo štrukturálnych fondov EÚ prostredníctvom Operačného programu Konkurencieschopnosť a hospodársky rast.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.