Tepelná čerpadla a biomasa

Se snižováním energetické náročnosti budov se snižuje potřeba tepla na vytápění, přičemž zůstává v podstatě stejná spotřeba teplé vody (TV), neboť ta je dána požadovaným stupněm komfortu (a ten se prozatím nemění). U bytových jednotek již v současnosti platí, že maximální tepelný výkon pro vytápění je orientačně třikrát až osmkrát menší oproti požadavku na výkon, potřebný pro průtokovou přípravu TV (ten se pohybuje na hranici 24 kW výše). U průměrných rodinných domů byly ještě relativně nedávno požadavky na tyto výkony téměř shodné, ovšem v současnosti, při stále významnějším využívání energeticky úsporných opatření (zateplování, výměna oken, nová výstavba energeticky úsporných domů), se poměry mezi požadavky na výkon pro vytápění a přípravu TV přibližují poměrům v oblasti bytů. A tato skutečnost má významný vliv na projektování a provozování TČ i zdrojů na biomasu.

Tepelné čerpadlo

Vysoce účinný, plně automatizovaný zdroj tepla (případně chladu), využívající jako zdroj energie především teplo okolního prostředí, v menší míře elektrickou energii. Díky využívání elektrické energie může domácnost vytápěná TČ využívat výhodnou sazbu D57d na odběr veškeré elektřiny (nejen té na provoz TČ). Při vytápění je provoz TČ v převážné míře doplňován tzv. bivalentním zdrojem tepla. Čerpadlo pokrývá většinovou potřebu tepla při průměrných klimatických podmínkách, při nízkých venkovních teplotách se aktivuje doplňkový/bivalentní zdroj tepla, který buď doplňuje výkon TČ, nebo ho zcela zastoupí. V současnosti je jako bivalentního zdroje využíváno převážně elektrického přímotopu, což bohužel snižuje podíl obnovitelných zdrojů energie na vytápění budovy (v České republice se OZE podílejí na výrobě elektrické energie z necelých 12 %). Podle novelizované vyhlášky o energetické náročnosti budov má elektřina vysoký faktor primární neobnovitelné energie 2,6. Využívání elektrické bivalence je tudíž limitním faktorem pro další rozvoj TČ v sektoru novostaveb rodinných i bytových domů.

Pořizovací cena TČ je významně závislá na jeho velikosti, tedy výkonu. Vzhledem k tomuto faktu, ale i s ohledem na provozní podmínky, se v otopných soustavách s tepelným čerpadlem volí zásobníkový systém pro přípravu TV, což umožňuje snížení požadovaného špičkového výkonu TČ. V novostavbě rodinného domu stavěného podle aktuálně nastaveného standardu pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie (NZEB) tak lze výkon TČ snížit na cca 5 až 8 kW. Další snižování pořizovací ceny TČ, a tedy i jeho jmenovitého výkonu, by znamenalo zvyšování podílů bivalentního zdroje, což je v případě využití elektrického přímotopu legislativně neprůchodné (nesplní se požadavky vyhlášky na NZEB). Možností je hledání vhodnějšího bivalentního zdroje.

Zdroj na biomasu

Nízkoemisní zdroj tepla s „vyrovnanou“ bilancí emisí CO₂. V současnosti jsou na trhu dostupné moderní zdroje s ručním přikládáním kusového dřeva (lokální topidla, kotle), nebo automatické peletové spalovací zdroje. Výhodou biomasy je její lokální dostupnost (nezávislost na dodávkách ze zahraničí) a možnost předzásobit se palivem i na několik sezón dopředu. Topidlo umístěné v místnosti (krbová kamna) je navíc často pozitivně vnímáno jako atraktivní doplněk interiéru. Nespornou výhodou je v případě využití v NEZB faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů, který je u spalování kusového dřeva 0,1 a u spalování dřevních pelet 0,2.

Nevýhodou ručně přikládaných teplovodních kotlů je povinná akumulace, jejíž minimální velikost je 30–55 l/kW jmenovitého výkonu kotle (podle požadavků výrobce, 55 l/kW je legislativní požadavek pro dotované kotle).

V úvodu popsané problémy s rozdílnými požadavky na výkon pro vytápění a přípravu TV se u zdrojů na biomasu řeší dvojím způsobem. Méně využívanou variantou je volba výkonu zdroje tepla na úrovni potřeby pro průtokovou přípravu TV. Toto řešení je technicky jednodušší, ale větší výkon zdroje tepla se projevuje vyšší pořizovací cenou. Častěji se příprava TV řeší použitím zásobníku TV (bojler), popřípadě s využitím akumulační nádrže. Toto řešení je technicky a prostorově složitější, vyžaduje investici do zásobníku či nádrže, ale umožňuje zvolit levnější zdroj tepla o nižším jmenovitém výkonu.

Kombinace TČ a zdroje na biomasu

Poměrně novou variantou při řešení vytápění domácností je kombinace TČ se spalovacím zdrojem tepla, který využívá biomasu, a který nahrazuje elektrický bivalentní zdroj. Zejména plně automatizovaný režim provozu spotřebičů na dřevní pelety nabízí vysoký provozní komfort, jak to uživatel očekává od moderního zdroje tepla. Přitom uhlíková stopa peletového bivalentního zdroje tepla k tepelnému čerpadlu je velmi nízká. Nízký faktor primární neobnovitelné energie dává tato kombinace zdrojů tepla další prostor pro rozšíření TČ i v nových budovách odpovídajících standardům pro NEZB.

Základní vlastnosti kombinace tepelného čerpadla a zdroje na biomasu:

Kombinace umožňuje optimalizovat využití obou zdrojů tepla. U tepelného čerpadla omezit jeho provoz jen na nižší teplotu otopné vody s vyšším topným faktorem a nejnižšími emisemi hluku, pro odtávání výparníku tepelného čerpadla vzduch – voda zajistit větší vodní objem soustavy bez potřeby jeho zvyšování dodatečnou nádobou. Zdroj spalující biomasu využívat přednostně při potřebě vyšší teploty otopné vody, kdy klesá úsporný efekt tepelného čerpadla, a který je pro něj i příznivější z hlediska tvorby emisí, provozních podmínek spalinové cesty(komín, kouřovod). U kotlů s ručním přikládáním to umožňuje přizpůsobit délku jejich provozu osobní přítomnosti v domě. Neméně významným faktorem je ekonomicky výhodná náhrada elektrické bivalence levnější biomasou.

K optimálnímu využití obou zdrojů tepla je důležité jejich napojení na kombinovaný akumulační zásobník, ve kterém se připravuje i teplá voda. Zásobník musí být řešen tak, aby se v něm udržovalo teplotní rozvrstvení, tedy stratifikace. Taková konstrukce umožňuje nechat pracovat tepelné čerpadlo s nižší výstupní teplotou pro vytápění do spodní části zásobníku a teprve v případě, kdy je zapotřebí například příprava teplé vody a není v provozu zdroj na biomasu, tak upravit činnost tepelného čerpadla na vyšší výstupní teplotu a přepnout je na dohřívání horní části zásobníku.

Obr. Příklad provozních stavů, teplot, v soustavě kombinující tepelné čerpadlo, spalovací zdroj na biomasu, centrální kombinovaný zásobník s přípravou teplot a otopnou soustavu s radiátory v zimě.

Provozních stavů a možností využití kombinace tepelného čerpadla a například kotle na pelety nebo kamen s teplovodním výměníkem je mnoho, některé jsou na níže uvedených obrázcích.

Zima = tepelné čerpadlo topí do spodní části nádoby na ekvitermní teplotu

Léto – tepelné čerpadlo připravuje teplou vodu

Zima – krb ohřívá topnou i teplou vodu

Je zřejmé, že navrhnout úspěšně pracující soustavu více zdrojů tepla s různými vlastnostmi vyžaduje velké zkušenosti a propracovaný systém řízení. V tomto směru má společnost Regulus spol. s r.o. zkušenosti jak s jednotlivými zdroji tepla, tak jejich kombinací, konstrukcí a výrobou vyrovnávacích a akumulačních zásobníků tepla s teplotním rozvrstvením, čerpadlových skupin pro nejrůznější druhy otopných soustav a zdrojů tepla, elektronických systémů řízení atp. Snaha co nejvíce využít zdroje energií, které jsou zdarma, ale i co nejmenší závislost na dodavatelích energií, vede i k použití termických a fotovoltaických solárních kolektorů.

Obr. Příklad schéma soustavy kombinující TČ, teplovodní zdroj tepla na biomasu, tepelné solární kolektory, a kde ústředním prvkem je kombinovaný akumulační stratifikační zásobník pro vytápění a přípravu teplé vody.

Závěr

Kombinace tepelného čerpadla a zdroje tepla na biomasu je jedním ze způsobů vytápění a přípravy teplé vody, kdy není nutné využívat zařízení s nejvyššími technickými parametry a tomu odpovídající vyšší pořizovací cenou. Přispívá k plnění závazku České republiky na snižování emisí CO₂, což se příznivě projeví při stanovení energetické náročnosti budovy s ohledem na potřebu primárních neobnovitelných energií, kdy závazné limity pro kolaudaci nového domu určuje vyhláška. Umožňuje, podle potřeby a osobních preferencí, omezovat nebo prodlužovat činnost zdroje s ručním přikládáním dřeva, v případě zdroje na pelety se i automatizovaně řídit aktuálními cenovými poměry mezi elektřinou, tedy teplem z TČ a cenou pelet. Provozní úspěšnost takové soustavy je však závislá na zkušenostech opřených o dlouhodobý výzkum, ověřování provozních stavů a vhodné konstrukci použitých zařízení.