Solární termické kolektory nebo malé tepelné čerpadlo (mikročerpadlo) se solární elektřinou?
1 Shrnutí
Předmětem posouzení je porovnání přípravy teplé vody pomocí fotovoltaického zařízení v kombinaci s malým tepelným čerpadlem a běžných solárních termických kolektorů. Výzkumy ukazují, že při stejných plochách kolektorů jsou investiční náklady podobné, avšak variantou solární elektřina + malé tepelné čerpadlo (mikročerpadlo) se dá ušetřit výrazně více energie. Tím se stává tato varianta – i bez dotace – investičně zajímavější. Při zohlednění dotací (pozn. překladatele: jedná se o německé dotační programy) přináší solární elektřina s tepelným mikročerpadlem výrazné finanční výhody oproti variantě se solárními termickými kolektory. Tento trend by mohl v budoucnu ještě zesílit, protože fotovoltaická zařízení a tepelná čerpadla vykazují velký potenciál, co se týče poklesu ceny.
Příprava teplé vody pro rodinný dům může být zajištěna tepelný mikročerpadlem sestaveným nenákladným způsobem z komponentů, které najdeme u běžné ledničky. Tím pádem lze využít přírodní chladiva a energetické zdroje se stanou cenově výhodnými. Varianta se solární elektřinou navíc nabízí tu výhodu, že může být v létě využívána k letnímu chlazení. Dále tepelné mikročerpadlo umožňuje úplné pokrytí potřeby teplé vody v létě i v přechodném období a je vhodným doplňkem k vytápění dřevěnými peletami, které už tím pádem není nutné provozovat v létě.
2 Úvod
Jižně orientované plochy budovy jsou velmi cenné, protože je lze nejefektivněji využít k výrobě energie z obnovitelných zdrojů. Energii lze získávat jak „pasivně“ okny (vytápění), tak „aktivně“ solárními kolektory (termickými či fotovoltaickými), které najdou celou řadu využití. Vzhledem k tomu, že jižně orientované plochy obvykle nedokážou plně pokrýt potřebu energie budovy, má velký význam
- dobré využití těchto ploch
- vysoký stupeň účinnosti solárního zařízení.
U aktivního využívání sluneční energie si navzájem konkurují termické a fotovoltaické solární systémy. Z hlediska využití plochy a stupně účinnosti se tyto systémy vzájemně značně odlišují: Zatímco u termického systému vedou větší plochy (resp. větší stupeň pokrytí potřeby) kvůli vyšším teplotám v systému a většímu zásobníku k větším ztrátám a tím pádem lze plochy termických systémů zvětšovat jen omezeně, fotovoltaické systémy lze díky prakticky bezztrátovému napojení do elektrické sítě realizovat v podstatě v libovolné velikosti. Z hlediska energetické účinnosti vykazují především malé solární termické systémy výrazné výhody oproti fotovoltaice, ale je třeba zohlednit, že ve formě „tepla“ a „elektřiny“ je dodávána energie různé kvality.
S ohledem na výše uvedené následuje kritické porovnání obou aktivních solárních variant se zohledněním jejich hospodárnosti. V návaznosti na porovnání je představen koncept tepelného mikročerpadla pro rodinné domy a bytové jednotky a jejich smysluplné zapojení do systému domovní techniky pasivního domu.
3 Energetické porovnání
Souvislost mezi výtěžkem solárního termického systému a plochou kolektorů byla zkoumána na Hochschule Bremen [Müller 2009] pro typický rodinný dům v pasivním standardu1). Pomocí programu GetSolar2) byla postupně zvětšována plocha kolektorů3) a počítalo se, kolik konečné energie se ušetří díky solárnímu systému (v podobě plynu, protože jako zdroj tepla byl uvažován plynový kondenzační kotel). Výpočty byly provedeny pro solární systém určený k přípravě teplé vody a navíc ještě pro systém, který se podílí i na přitápění objektu. Na Obr. 1 jsou zobrazeny výsledky.
Je zřetelné, že se zvětšující se plochou kolektorů na m2 lze uspořit stále méně konečné energie. To je způsobeno vyššími teplotami v systému a větší plochou povrchu zásobníku, což vede k pozoruhodně vyšším tepelným ztrátám solárního systému. Zatímco čárkovaná čára představuje střední hodnotu úspory energie vztaženou na plochu, body ukazují úspory příslušného metru čtverečního: např. solární zařízení o ploše 6 m2 ušetří v průměru 340 kWh/(m2a) konečné energie; avšak šestý čtvereční metr ušetří jen 155 kWh za rok. Pokud bychom zařízení zvětšili o další m2, uspořil by tento sedmý metr čtvereční ještě 125 kWh.
Tuto poměrně vysokou střední hodnotu úspory energie dosahuje solární systém především svými „prvními“ čtverečními metry, nebo obecněji řečeno, především při nízkém stupni pokrytí potřeby.
Obr. 1: Úspora energie solárním termickým systémem u pasivního rodinného domu, znázorněno jako střední hodnoty (čárkované čáry) a jako úspora na každý další metr čtvereční plochy kolektorů (body)
Zajímavé je porovnání s výtěžkem z fotovoltaických kolektorů; ty získávají na m2 plochy fotovoltaiky za průměrných podmínek4) cca 125 kWh/a. Za těchto okolností získávají solární termické kolektory s více než cca 6 m2 pro domácnost o 4 osobách méně energie než stejně velké fotovoltaické zařízení! Přitom je třeba ještě zohlednit rozdílnou hodnotu elektřiny a tepla (teplé vody), protože z fotovoltaické elektřiny se dá tepelným čerpadlem získat podstatně více tepla. Kolik tepla je možné získat, záleží na sezónním topném faktoru tepelného čerpadla. To je silně závislé na teplotním rozdílu mezi okolním prostředím a ohřátou vodou.
Kvůli velkému vlivu teplotního rozdílu na topný faktor je třeba při porovnání dávat pozor na stejné teplotní okrajové podmínky. Solární termický systém má k dispozici obzvlášť hodně energie v létě, kdy jsou vysoké okolní teploty. Teplota, na kterou se voda v systému předehřívá, závisí silně na stupni pokrytí a na teplotě topného okruhu při využití pro přitápění. Na Obr. 2 je znázorněno množství elektřiny vyrobené fotovoltaickým systémem (vztaženo na plochu) a dále teplo, které lze z této elektřiny pomocí tepelného čerpadla vyrobit.
Obr. 2: Teplo získané pomocí tepelného čerpadla z elektřiny vyrobené fotovoltaikou v porovnání s teplem, které lze vyrobit solárním termickým systémem.
Na Obr. 2 lze vidět, že výroba tepla tepelným čerpadlem poháněným elektřinou z fotovoltaiky přináší ročně cca o 100–150 kWh/m2 více tepla než při výrobě tepla solárním termickým systémem. Tím je výrazně efektivnější než tradiční výroba tepla solárními kolektory, zejména při vysokém stupni pokrytí a v porovnání se solárními systémy využívanými pro přitápění.
Tato výhoda se v budoucnu ještě zvětší, protože u fotovoltaiky a tepelných čerpadel se skrývá ještě velký potenciál pro jejich optimalizaci, výrazně větší než u solárních termických systémů. Kromě toho je v případě delší nepřítomnosti v létě (např. dovolená) solární elektřina využitelná i pro ostatní, zatímco teplo získané ze solárních kolektorů zůstává nevyužité.
4 Návrh tepelného čerpadla a přírodní energetické zdroje
Abychom náklady na tepelné čerpadlo udrželi nízko, je důležité minimalizovat jeho výkon. To ušetří hlavně nároky na získávání tepla z okolního prostředí. Pro pokrytí potřeby teplé vody (cca 2,5 kWh/den) je potřeba trvalý výkon v průměru cca 100 W na osobu. K tomu je potřeba zásobník teplé vody5), který je o něco větší než obvykle (cca 50 l/os. místo 35 l/os.). Pro čtyřčlennou domácnost je tím pádem potřeba tepelné čerpadlo s topným výkonem min. 400 W v kombinaci se zásobníkem o objemu 200 l6). Přidáme-li ještě určitou rezervu, je tepelné čerpadlo s výkonem cca 600–1000 W dostačující pro pokrytí potřeby teplé vody bytové jednotky a pro přitápění v pasivním domě.
Je tedy potřeba, aby tepelné čerpadlo vygenerovalo 400 až 700 W. Tato energie by se měla pokud možno připravovat při vysokých teplotách okolního prostředí – k tomu se hodí zejména zemina a vzduch odváděný z objektu v létě a v přechodném období. Odváděný vzduch lze – podobně jako u kompaktní jednotky – ve spojení s malým výparníkem výhodně použít jako přírodní zdroj7). Zemi lze také výhodně využít zapojením malého zemního solankového výměníku okolo nebo pod budovou, podobně jako při využití k ochraně proti zamrznutí u větracích systémů. V tomto případě je solankový výměník v zimě provozován jako ochrana proti zamrznutí a v létě v přechodném období slouží tepelnému čerpadlu k odběru energie z okolního prostředí. Dalším zajímavým obnovitelným zdrojem energie v létě je topný okruh8), pokud je objekt vybaven běžnou otopnou soustavou. V takovém případě může být topný okruh použit dokonce pro chlazení objektu. I když chladicí výkon cca 500 W není příliš velký, postačí to ke kompenzaci vnitřních zisků budovy (cca 2–3 W/m2).
Znakem všech uvedených zdrojů energie je, že jsou k dispozici v podstatě zdarma, protože jsou potřeba z jiného důvodu – nyní ale stále hojněji využívány. Dále vykazují poměrně vysoké teploty, což má příznivý dopad na topný faktor.
Díky malým topným výkonům tepelného čerpadla lze použít přírodní chladiva. Ta jsou velmi šetrná k životnímu prostředí. Kromě toho mají velmi dobré termodynamické vlastnosti, takže lze dosáhnout dobrého topného faktoru. Vedle přírodních chladiv umožňuje malý topný výkon také použití komponentů z chladicích systémů ledniček. Tyto sériově vyráběné prvky jsou již dobře vyvinuté, cenově výhodné a spolehlivé.
5 Hospodárnost
Solární termické zařízení o ploše 10 m2 pro přípravu teplé vody a přitápění s bivalentním solárním zásobníkem včetně zabudování stojí cca 9 000 € (vícenáklady v porovnání s otopným systémem bez solárního zařízení). V pasivním domě ušetří cca 2650 kWh konečné energie ročně. Z toho získáváme cenu9) za uspořenou konečnou energii ve výši cca 0,26 €/kWh. Při dotaci 90 € / m2 se cena snižuje na 0,24 €/kWh.
Fotovoltaické zařízení o ploše 10 m2 má špičkový výkon téměř 1,4 kW a stojí při ceně vztažené na výkon 3500 €/kWpeak, tj. celkem okolo 5000 €. Tepelné mikročerpadlo se odhaduje na 2500 €; při započítání vícenákladů ve výši 500 € na o něco větší zásobník a 1000 € na instalaci10) se opět dostáváme k ceně 9.000 €. Při této kombinaci zařízení lze vyrobit cca 4140 kWh/a tepla (1250 kWhel/a)11). Z toho vyplývá cena12) za ušetřenou konečnou energii cca 0,18 €/kWh. Při zohlednění zvýhodnění dodávky (momentálně 0,287 €/kWhel v Německu, bez regulace vlastní spotřeby) se cena snižuje na 0,09 €/kWh.
Oba systémy mají při stejných solárních plochách přibližně stejné náklady. V souvislosti s výrazně vyšší úsporou energie ve variantě se solární elektřinou poskytuje toto zařízení významně výhodnější cenu energie (bez zohlednění dotace). Při zohlednění dotace si stojí fotovoltaika s tepelným mikročerpadlem ještě lépe, protože dotace na ni je vyšší.
Nebylo zde posuzováno, že u varianty se solární elektřinou lze navíc v létě využít chlad. Kromě toho je potenciál pro další vývoj u tepelných čerpadel a fotovoltaiky podstatně větší než u solárních termických systémů, takže rozdíl by do budoucna mohl být ještě výraznější.
6 Výsledek
Výroba tepla s využitím solární elektřiny a tepelného čerpadla je v mnoha ohledech výhodnější než běžná solárně-termická varianta. Lze ji hlavně dobře propojit v budoucími systémy zásobování energií z obnovitelných zdrojů. V kombinaci s kotlem na peletky tak lze – na rozdíl od kompaktní jednotky – poměrně snadno vytvořit dům s přebytkem energie.
7 Zdroje
- [Müller 2009] Müller, Florian: „Einheitliche Bewertung von Solarthermie- und Photovoltaikanlagen“, studentská práce, říjen 2009, Hochschule Bremen
Poznámky
1) Měrná potřeba tepla na vytápění 15 kWh/(m2a), upravená podlahová plocha 150 m2, 4 osoby, kvalitní ploché kolektory, jižně orientovaná střecha se sklonem 35°, lokalita: Würzburg se 1138 kWh/(m2a), plynový kondenzační kotel pro dotápění.Zpět
2) Verze 8.2 z roku 2007Zpět
3) Paralelně s plochou kolektorů byla zvětšována i velikost zásobníku.Zpět
4) Na základě výtěžku 900 kWh/a na kWpeak a účinnosti modulu 14 % dostáváme plochu cca 7 m2 na kWpeak.Zpět
5) O něco větší zásobník nemá z hlediska nároků na místo, nákladů a vzhledu význam.Zpět
6) Tepelné čerpadlo je denně provozováno o něco déle, než fotovoltaika dodává elektřinu. Prakticky je elektrická síť využívána jako krátkodobý zásobník (denní zásobník). Tento zásobník je v podstatě bezztrátový, dokud se nevyrábí více fotovoltaické elektřiny než je současně potřeba.Zpět
7) Díky nižšímu výkonu výparníku se vytváří menší teplotní rozdíl než u kompaktní jednotky a tím také lepší topný faktor.Zpět
8) Díky menšímu výkonu výparníku nebude topný okruh chladit tolik, aby se vytvářel kondenzát.Zpět
9) Délka užívání 20 let, úrok 4 %, náklady na údržbu 0,5 %/a, bez započtení dotace.Zpět
10) Včetně napojení na kanál s odváděným vzduchem nebo solankový zemní výměník pro odběr tepla z okolního prostředí.Zpět
11) Viz Obr. 2.Zpět
12) Délka užívání 20 let, úrok 4 %, náklady na údržbu 1,0 %/a, bez započtení dotace.Zpět
The assessment is a comparison of hot water production using photovoltaic devices in combination with a small heat pump and conventional solar thermal collectors. Research shows that with the same areas of the collectors, investment cost are similar, but a variant of solar electricity with small heat pump can save significantly more energy.