Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (II)
Článek ukazuje možnosti využití tepelných čerpadel v kombinovaných systémech. Cílem této studie je posouzení zda je přínosná spolupráce tepelného čerpadla s aktivním solárním systémem.
Článek popisuje reálný návrh kombinovaného systému a jeho hodnocení z energetického hlediska. Je zde podrobně popsán navržený kombinovaný systém a dále je zde vyhodnocen vliv aktivního solárního systému na provoz tepelného čerpadla. Částečně je také zmíněna ekonomická stránka kombinovaného systému, především z hlediska investičních nákladů.
Podrobná ekonomická analýza kombinovaného systému vycházející z peněžních toků bude součástí posledního článku této série.
Veškeré níže uvedené informace jsou podloženy dlouhodobým měřením na kombinovaném systému, takže je možno konstatovat, že nejde pouze o "papírovou" teorii. Cílem je poukázat na další varianty kooperace alternativních zdrojů energie.
1. ENERGETICKÉ HODNOCENÍ KOMBINOVANÉHO SYSTÉMU
Energetické hodnocení je z hlediska provozu kombinovaného systému tepelného čerpadla a solárního systému základním provozním ukazatelem. Pro energetické posouzení spolupráce těchto energetických zdrojů vycházím z naměřených hodnot na sestaveném kombinovaném systému, který byl popsán v článku Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (I).
Je nutno upozornit na skutečnost, že samotné energetické hodnocení provozu kombinovaného systému není dostačujícím ukazatelem vhodnosti jeho využití. Nedílnou součástí hodnocení tohoto systému musí být také ekonomické hodnocení.
Výsledkem energeticko - ekonomické analýzy bude nalezení optimální velikosti solárního systému pro možnost zvyšování teploty média na vstupu tepelného čerpadla v požadovaném rozmezí Δt = 5 - 10°C. [1], [2]
2. POPIS VYTÁPĚNÉHO OBJEKTU
Pro možnost srovnání vytápění pomocí tepelného čerpadla s jinými možnými zdroji energie jsem vyšel z výchozího projektu obytného domu, jehož stavba byla realizována v blízkosti města Brna. Výchozí parametry uvažovaného objektu potřebné pro výpočet jsou uvedeny níže.
Aktuálně k terminologii viz níže: Správná nová terminologie je teplá voda, ohřívání vody nebo příprava teplé vody. Dříve používaný termín TUV, teplá užitková voda již neodpovídá legislativě a požadavkům.
Nejdříve jsem určil potřebné množství tepla pro vytápění a ohřev TUV. Postup výpočtu je také popsán níže. Po určení celkové roční spotřeby energie na vytápění a ohřev TUV jsem provedl srovnání z hlediska vynaložených nákladů na vytápění podle druhu použitého paliva.
2.1 Konstrukční popis vytápěného objektu
Jako vzorový objekt, na kterém provedu analýzu vhodnosti spolupráce tepelného čerpadla s aktivním solárním systémem, jsem zvolil novostavbu nízkoenergetického rodinného domu, který je situován v okolí Brna. Jedná se o dvoupodlažní dřevostavbu se zastavěnou plochou 79 m2.
V 1. NP se nachází obývací pokoj, jídelna, kuchyň, sociální zařízení a technická místnost (pro jednotky větrání, vytápění a ohřevu TUV). V 2. NP se nachází ložnice, dva pokoje a koupelna.
Svou polohou je objekt situován tak, že hlavní vstup do objektu je orientován na severní stranu. Prosklené části domu jsou situovány převážně na jižní stranu. Ve svém návrhu dále uvažuji o umístění solárního systému právě na jižní stranu. Solární systém bude součástí jednoho z porovnávaných koncepčních řešení.
V tabulce 1 uvádím výchozí parametry pro výpočet potřeby tepla pro uvažovaný objekt. V objektu uvažuji s nízkoteplotní otopnou soustavou, realizovanou s využitím nízkoteplotního podlahového vytápění.
| Lokalita | te | tem | d | tes | QC | tis |
|---|---|---|---|---|---|---|
| °C | °C | dny | °C | kW | °C | |
| Brno | -12 | 13 | 224 | 4,4 | 8,4 | 19 |
Tabulka 1 - Parametry vytápěného objektu pro výpočet potřeby tepelné energie
Pro výpočet potřeby tepla na vytápění objektu jsem využil normu ČSN EN 832 "Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění - Obytné budovy" a vyhlášku MPO č. 291/2001 Sb. "Stanovení podrobností užití energie při spotřebě tepla v budovách".
Pro vybranou oblast jsem využitím rovnic (2.1) - (2.4) postupně určil potřebné množství tepla pro vytápění objektu a potřebné množství tepla pro ohřev TUV.
Celkové množství tepelné energie pro uvažovaný objekt s tepelnou ztrátou Qc = 8,4 kW na vytápění a ohřev TUV je dán jako součet energií určených z výše uvedených rovnic.
Souhrnné výsledky energetických nároků objektu jsou uvedeny v tabulce 2.
| D | QVYT,r | QTUV,d | QTUV,r | e | ηo | ηr | t1 | t2 | V2p | z | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K.dny | MWh.rok-1 | GJ.rok-1 | kWh | MWh.rok-1 | GJ.rok-1 | - | - | - | °C | °C | m3.den-1 | - |
| 3270 | 17,0 | 61,2 | 17,4 | 5,4 | 19,6 | 0,72 | 0,95 | 0,95 | 10 | 50 | 0,25 | 0,5 |
Tabulka 2 - Souhrn potřeb tepelné energie pro uvažovaný objekt [4]
3. NÁVRH ENERGETICKÉHO SYSTÉMU PRO VZOROVÝ OBJEKT
3.1 Tepelné čerpadlo v bivalentním zapojení - varianta "A"
Pro první variantu jsem zvolil tepelné čerpadlo vzduch-voda o jmenovitém tepelném výkonu 7,7 kW v bivalentním zapojení v provedení pro podlahové vytápění. Topný výkon tohoto tepelného čerpadla při teplotě primárního zdroje 2°C a výstupu 35°C je Pt = 8,3 kW a topný faktor ε = 3,5. Tento tepelný zdroj pokryje tepelné potřeby objektu přibližně do výše 98%. Pro úplné pokrytí tepelných potřeb objektu jsem k tepelnému čerpadlu přiřadil klimatizační jednotku (tepelné čerpadlo vzduch-vzduch) s dosažitelným topným výkonem 2,5 kW.
Spolupráce těchto dvou zdrojů zaručí plné pokrytí tepelných ztrát objektu. Pro možnost využití systému s tepelným čerpadlem je v domě realizována nízkoteplotní podlahová otopná soustava, což zlepšuje parametry celého vytápěcího systému.
Pro úplnost uvádím v tabulce 3 výši investičních nákladů pro variantu "A".
Investiční náklady - varianta "A"
| varianta "A" | |
|---|---|
| TČ | 205.000,- |
| klimatizační jednotka | 90.000,- |
| montáž | 30.000,- |
| akumulační nádrž | 17.600,- |
| celkem | 352.600,- |
Tabulka 3 Investiční náklady pro systém s TČ - varianta "A"
3.2 Tepelné čerpadlo ve spojení se solárním systémem - varianta "B"
Tato varianta realizuje předpoklad uvedený v prvním článku Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (I).
Solární systém je v této variantě využíván jako bivalentní zdroj k tepelnému čerpadlu s tím, že jeho hlavním úkolem je zvyšovat teplotu vstupního média do tepelného čerpadla v rozmezí 5 - 10°C. Tento systém zapojení lze prezentovat jako "paralelně - bivalentní zapojení". Tepelné čerpadlo je v tomto případě využito po celou topnou sezónu, a to i v době, kdy jeho tepelný výkon nestačí na plné pokrytí tepelných ztrát objektu. Společně s tepelným čerpadlem je v období nedostatečného tepelného výkonu v provozu i solární systém a oba tepelné zdroje pracují současně.
Pro tuto variantu jsem zvolil tepelné čerpadlo vzduch-voda o jmenovitém tepelném výkonu 5,3 kW. Při teplotě primárního zdroje 2°C a výstupu 35°C je topný výkon Pt = 5,8 kW a topný faktor ε = 3,6. Typ tepelného čerpadla je navržen tak, že poměr výkonu tepelného čerpadla ku tepelným ztrátám objektu je 63%, což odpovídá 90% dodané tepelné energie na vytápění objektu (viz. tabulka 4).
Zbývající potřebnou část tepelné energie potřebnou pro vytápění a ohřev TUV bude zajištěna kooperací tepelného čerpadla se solárním systémem.
Pro spolupráci s TČ jsem zvolil teplovzdušný kombinovaný solární kolektor, který je určen pro teplovzdušné vytápění i ohřev vody.
Technologické schéma kombinovaného systému je vidět na obrázku 1.
Solární systém je po část roku využit jako bivalentní zdroj k TČ, kde zvyšuje teplotu na vstupu TČ. V tomto případě je pracovní látkou solárního systému vzduch. V případě, že není potřeba zvyšovat výkon tepelného čerpadla, je solární kolektor využit pro ohřev TUV, tedy pracovní látkou je v tomto případě voda.
| Podíl TČ (%)1 | 0 | 30 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| Krytí spotřeby (%)1 | 0 | 61 | 72 | 78 | 82 | 86 | 89 | 91 | 93 | 96 | 98 | 100 |
Tabulka 4 - Krytí potřeby tepla při různých výkonech tepelných čerpadel [3]
Obrázek 1 - Technologické řešení kombinovaného systému - varianta "B" [1], [4]
Na základě provedených měření na modelu kombinovaného systému bylo možné určit přímý vliv přiřazeného solárního systému na topný faktor. Procentuální zvýšení topného faktoru pro různou velikost plochy solárního systému je vidět v tabulce 5.
Jako velmi zajímavé se také jeví porovnání ročních nákladů na vytápění pro jednotlivé varianty. Výhoda kombinovaného systému je patrná z obrázku 2.
| Δt = 4,5°C (S = 10 m2) |
Δt = 6°C (S = 14 m2) |
Δt = 8°C (S = 20 m2) |
Δt = 10°C (S = 24 m2) |
|
|---|---|---|---|---|
| ΔCOP | ΔCOP | ΔCOP | ΔCOP | |
| (%) | (%) | (%) | (%) | |
| 20,9 | 28,0 | 47,5 | 62,1 | |
| 18,1 | 25,0 | 44,1 | 58,4 | |
| 17,3 | 24,2 | 43,1 | 57,3 | |
| 14,4 | 21,1 | 39,6 | 53,4 | |
| 13,5 | 20,1 | 38,4 | 52,2 | |
| 10,1 | 16,6 | 34,3 | 47,7 | |
| 9,4 | 15,8 | 33,4 | 46,6 | |
| 8,9 | 15,2 | 32,8 | 46,0 | |
| 10,9 | 17,4 | 35,3 | 48,7 | |
| 16,5 | 23,3 | 42,1 | 56,2 | |
| 16,9 | 23,7 | 42,5 | 56,7 | |
| 19,2 | 26,2 | 45,4 | 59,8 | |
| ΔCOPstř (%) | 14,7 | 21,4 | 39,9 | 53,8 |
Tabulka 5 - Procentuální nárůst COP po přiřazení odpovídající plochy kolektorů určený na základě
provedených výpočtů a měření (varianta "B") [1], [4]
Obrázek 2 - Porovnání ročních nákladů na vytápění pro varianty "A" a "B" s přiřazeným solárním systémem (sazba D55 a D56) [1], [4]
Investiční náklady - varianta "B"
| varianta "B" | |
|---|---|
| cena TČ | 189.300,- |
| montáž | 18.000,- |
| akumulační nádrž | 17.600,- |
| celkem | 224.900,- |
Tabulka 6 - Investiční náklady pro TČ TCLM komplet 5.3 - varianta "B"
| Teplovzdušný kombinovaný solární kolektor | |
|---|---|
| cena panelu (2 m2) | 17. 999,- |
| příslušenství | dle počtu kolektorů |
| montáž | dle počtu kolektorů |
Tabulka 7 - Investiční náklady pro teplovzdušný solární kolektor - varianta "B"
K ceně teplovzdušného solárního kolektoru je nutno připočítat cenu regulace a montáže tohoto systému. Tyto náklady se odvíjí od velikosti kolektorového systému.
| systém | cena bez dotace | cena s dotací3 |
|---|---|---|
| Kč | Kč | |
| TČ +2m2 | 255.499,- | 172.730,- |
| TČ +4m2 | 275.798,- | 182.879,- |
| TČ +6m2 | 296.679,- | 193.329,- |
| TČ +8m2 | 316.496,- | 203.228,- |
| TČ +10m2 | 337.295,- | 213.628,- |
| TČ +12m2 | 361.894,- | 225.927,- |
| TČ +14m2 | 382.033,- | 244.563,- |
| TČ +16m2 | 402.372,- | 264.902,- |
| TČ +18m2 | 422.811,- | 285.341,- |
| TČ +20m2 | 443.650,- | 306.180,- |
| TČ +22m2 | 464.989,- | 327.519,- |
| TČ +24m2 | 484.388,- | 346.918,- |
Tabulka 8 - Investiční náklady na kombinovaný systém TČ + solární systém
Celkové náklady pro variantu "B" jsem podle podkladů výrobců a dodavatelů TČ vyčíslil na částku 224.900,- Kč zvýšenou o náklady na pořízení odpovídající plochy solárního systému. Výši investičních nákladů na kombinovaný systém TČ + solární systém pro různé plochy přiřazeného solární systému uvádím v tabulce 8.
4. ZÁVĚR
Na základě provedených měření je možno říci, že z energetického hlediska je spolupráce tepelného čerpala s aktivním solárním systémem v navrhovaném kombinovaném provozu reálná. Jak je vidět na obrázku 2 roční náklady na vytápění jsou u kombinovaného systému nižší než u klasického systému s tepelným čerpadlem. Úspora nákladů je dána zvýšením teploty na vstupu tepelného čerpadla pomocí solárního systému. Oproti klasickému řešení je u kombinovaného systému možno použít tepelné čerpadlo s nižším topným výkonem, což má pozitivní vliv na investiční náklady do celého systému.
Jak již bylo uvedeno výše, z energetického hlediska je spolupráce tepelného čerpadla s aktivním solárním systémem výhodná a tento systém je schopen plně zajistit energetické potřeby objektu, jak z hlediska vytápění, tak i TUV. Pro komplexní posouzení kombinovaného systému je také velmi důležité hledisko ekonomiky provozu. Výsledky ekonomické analýzy budou uvedeny v posledním článku této série.
Po skloubení výsledků energetické a ekonomické analýzy budeme mít k dispozici jasné odpovědi na otázku vhodnosti spolupráce těchto zdrojů v kombinovaném provozu, a také budeme znát optimální velikost přiřazeného solárního systému tak, aby byl systém výhodný.
Je potřeba upozornit na skutečnost, že studie byla prováděna v období, kdy byly v platnosti tarify D55 a D56.
Cílem celé práce je poukázat na možné využití kooperace netradičních zdrojů energie.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek prezentuje výsledky výzkumu financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci projektu č. MSM0021630516.
LITERATURA
[1] Mastný, P. Tepelná čerpadla v kombinovaných tepelných systémech. Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně, Edice PhD Thesis, sv. 392, ISSN 1213-4198, Brno 2006
[2] Mastný, P. Use of solar energy connected to heat pump. Energyspectrum, Brno 2005, roč. 2005, č. 10, ISSN 1214-7044
[3] Dvořák, Z., Klazar, L., Petrák, J. Tepelná čerpadla. Praha: SNTL 1987, 340 s.
[4] Mastný P., Tepelná čerpadla v kombinovaných tepelných systémech. Disertační práce, UEEN VUT FEKT v Brně, Brno 2006
[5] Kolektiv autorů, Státní program na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie, směrnice Ministerstva životního prostředí - program 1.A. a 4.A., zákon č. 406/2000 Sb.
1 podíl tepelného čerpadla je poměr výkonu TČ a tepelné ztráty objektu
2 krytí potřeby je podíl tepelné energie dodané do objektu tepelným čerpadlem
3 je uvažováno s případným získáním státní dotace v maximální výši dle podmínek uvedených v podkladech [5] pro poskytnutí státní dotace programů 1.A a 4.A