logo TZB-info

estav.tv nový videoportál

Reklama

Porovnání tepelného čerpadla a solární soustavy pro ohřev vody

Studie porovnává použití tepelného čerpadla se solárními soustavami na přípravu teplé vody pro bytový dům v Praze. Pro porovnání je použito meteorologických údajů ze stanice Praha-Karlov a programu vyvinutého v rámci diplomové práce. Srovnání je provedeno jak energeticky, tak orientačně ekonomicky.

Reklama

Úvod

Ohřev vody tepelnými čerpadly a solární soustavou je v současné době na vzestupu a se zvyšující se cenou energií lze očekávat, že tento trend bude v budoucnu i nadále pokračovat. Energetická výhodnost obou systémů je vykoupena vyššími pořizovacími náklady a většinou nutností úprav současných systémů ohřevu vody a vytápění. Oba systémy patří mezi obnovitelné zdroje energie a jejich instalace byla v minulých letech podporována vládními dotacemi, především z programu Zelená úsporám.

Cílem provedené studie je popsat obecně jejich možnosti v podmínkách České republiky a vzájemně je porovnat jak energeticky, tak zjednodušeně i ekonomicky. K tomu účelu byl vytvořen program ve Visual Basic for Applications v MS Excel doplněný menší databází plochých solárních kolektorů a tepelných čerpadel. Pro porovnání byl zvolen bytový dům v Praze.

Klimatické veličiny

V geografických podmínkách ČR se během dne i roku mění podmínky pro práci tepelných čerpadel i solárních kolektorů. Výkon těchto zařízení je proto časově nestálý a je nutné je hodnotit v podrobných časových úsecích. V programu jsou proto obě zařízení porovnávaná ve stejném časovém okamžiku a následně v delším časovém období. Program pracuje s databází naměřených meteorologických veličin ze stanice Praha-Karlov z let 2003 až 2007, kde jsou k dispozici jednotlivě naměřené hodinové údaje teploty venkovního vzduchu te [°C], relativní vlhkosti φ [–], atmosférického tlaku p [Pa], globálního ozáření Gz [W/m2] a další.

Průměrné teploty

Teplota venkovního vzduchu má významný vliv na výkon tepelného čerpadla a je jí ovlivněn i výkon solárního kolektoru. S rostoucí teplotou roste za jinak stejných podmínek výkon obou zařízení. V tab. 1 jsou zobrazeny průměrné teploty v jednotlivých měsících pro roky 2003 až 2007.

Tab. 1 Průměrné teploty venkovního vzduchu ze stanice Praha-Karlov v letech 2003 až 2007
RokMěsícRoční průměr
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.
20030,0−1,56,59,817,021,720,722,715,87,26,21,610,6
2004−1,83,35,111,113,617,619,820,815,711,15,41,410,3
20052,4−1,14,111,815,418,520,018,116,711,74,11,110,2
2006−3,7−0,22,810,315,219,524,717,418,612,47,53,910,7
20074,94,47,413,216,620,320,219,413,09,02,80,911,0

Průměrná teplota venkovního vzduchu se během let příliš nemění. Výrazné jsou však rozdíly mezi jednotlivými měsíci v roce. To významně ovlivňuje především výkon tepelných čerpadel vzduch-voda. Závislost na teplotě venkovního vzduchu je menší u solárních kolektorů a velmi malá u tepelných čerpadel země-voda. U tepelných čerpadel vzduch-voda je situace ještě zhoršena nutným odtáváním výparníku, který namrzá již při teplotách okolo 5 až 10 °C.

Průměrné sluneční ozáření na vodorovnou plochu

Výkon solárních kolektorů se mění během roku spolu s dopadajícím slunečním zářením a je funkcí mnoha veličin (sluneční ozáření, úhel dopadu paprsků, teplota kapaliny atd.), z nichž některé se během dne i roku výrazně mění. Spolu s hodnotou globálního ozáření na vodorovnou plochu se mění i úhel dopadu paprsků a trvání slunečního svitu. To působí spolu s proměnnou teplotou venkovního vzduchu a výsledkem je značná výkonová nerovnoměrnost solárních soustav během roku.

Zařízení

Tepelná čerpadla

Tab. 2 Výkon nově instalovaných tepelných čerpadel v ČR [2]
Rok2005200620072008200920102011
Vzduch-vzduch  [kW]1904701 5227871 764621719
Vzduch-voda [kW]11 03917 96819 07323 34332 96752 28257 753
Země-voda [kW]11 28518 59324 58528 86826 74727 07826 055
Voda-voda [kW]1 5953 0154 1351 6941 6421 8981 533
Jiné [kW]639019301 3731741
Celkem [kW]24 74840 04649 50854 69264 49381 89686 101

Studie se zabývá pouze tepelnými čerpadly vzduch-voda, která jsou v současnosti nejpoužívanějším a nejčastěji instalovaným typem tepelných čerpadel na českém trhu (viz tab. 2).

 
Obr. 1 Závislost výkonu tepelného čerpadla vzduch-voda na venkovní teplotě t dolní index e
Obr. 1 Závislost výkonu tepelného čerpadla vzduch-voda na venkovní teplotě te

Tato tepelná čerpadla odčerpávají energii z venkovního vzduchu na primární straně a po navýšení její teplotní úrovně ji pak předávají vodě na sekundární straně. Oproti jiným typům mají hlavní nevýhodu v namrzání výparníku, a to již při nadnulových teplotách. Pro uživatele je důležité znát výkon, příkon nebo topný faktor. Topný faktor udává, kolikrát více tepla tepelné čerpadlo dodá do systému, než spotřebuje elektrické energie, a je funkcí teploty venkovního vzduchu te [°C] a teploty ohřevu teplé vody tw [°C]. Závislost výkonu zařízení na venkovní teplotě pro typ vzduch-voda není lineární. Při velice nízkých venkovních teplotách tepelné čerpadlo nepracuje (oblast 1 na obr. 1). Výkon zařízení roste s rostoucí venkovní teplotou (oblast 2 na obr. 1). Při teplotách blízkých 0 °C výkon stagnuje, což je dáno především zvýšenou potřebou odtávání (oblast 3 na obr. 1). Při nadnulových teplotách pak výkon opět výrazně roste s rostoucí teplotou te (oblast 4 na obr. 1). Námraza se může tvořit, ale odtává se pouze sepnutím ventilátoru okolním vzduchem při nečinnosti tepelného čerpadla. Po dosažení maximálního výkonu zařízení již výkon s rostoucí teplotou neroste (oblast 5 na obr. 1).

Průběh výkonu na obr. 1 je naměřen pro jednu teplotu ohřívané vody. Výrobce většinou udává pro potřeby projektanta ve formě tabulky celé spektrum výkonů při normou požadovaných teplotách vzduchu (a normou stanovené relativní vlhkosti) a teplotě ohřívané vody. Pro zákazníka jsou pak při výběru tepelného čerpadla výkonové hodnoty a hodnoty topného faktoru jedny z nejdůležitějších vodítek. Zákazník by si ale měl vždy dát pozor na to, že výkon ani topný faktor nejsou v žádném případě s měnícími se teplotami venkovního vzduchu, vlhkosti a teploty ohřívané vody konstantní. Pokud výrobce udává pouze jednu hodnotu topného faktoru, je třeba vědět, pro jaké podmínky tato konkrétní hodnota platí a nenechat se „nachytat“ marketingovou strategií firmy udávající pouze nejlepší výkonové parametry.

Solární kolektory

Solární kolektory jsou technická zařízení sloužící k přímé přeměně energie slunečního záření na tepelnou energii. Na českém trhu mají dlouhou tradici a v posledních letech byly předmětem dotace Zelená úsporám,podobně jako tepelná čerpadla. Plocha solárních kolektorů pracujících na území ČR se každoročně zvětšuje (viz tab. 3).

Tab. 3 Plocha solárních kolektorů v ČR [2]
Rok2005200620072008200920102011
Ploché zasklené [m2]73 76890 777109 899135 914175 766249 664298 814
Vakuové trubkové  [m2]10 12113 67320 22828 73940 55658 27574 925
Koncentrační [m2]805805805830830930930
Celkem [m2]84 694105 255130 933165 482217 151308 868374 668

Slunce je v současnosti nejlevnějším zdrojem energie. Na „výrobu“ tepla ze solárních kolektorů se nespotřebovává na rozdíl od tepelných čerpadel téměř žádná elektrická energie. Je potřeba pouze elektrická energie pro pohon oběhového čerpadla, které zabezpečuje průtok teplonosné látky kolektorem. Nevýhodou je značná proměnnost výkonu solárního kolektoru během dne i roku a s tím související nutnost větší akumulace.

Výpočtový program

Obecně o programu

Stěžejním bodem studie bylo porovnání obou systémů ohřevu v delším časovém období. Samotný výpočtový program je koncipován co nejobecněji tak, aby se nejednalo o jednoúčelový produkt aplikovatelný pouze na jedno konkrétní zadání.

Aby uvedený program pracoval na základě reálných dat, zpracovává databázi meteorologických hodnot ze stanice Praha-Karlov naměřenou od 1. 1. 2003 do 31. 12. 2007. Pro lepší uživatelskou použitelnost zpracovává vždy pouze zadaný interval a není tedy třeba počítat najednou celých 5 let. V meteorologické databázi jsou k dispozici naměřené hodnoty teploty, slunečního ozáření, relativní vlhkosti a další, které si program zkopíruje pro další použití.

Solární kolektory

Program pracuje s databází plochých solárních kolektorů. Uživatel programu si z databáze jednoduše vybere příslušný kolektor, nebo ručně vloží jeho charakteristiky. Databázi programu je možné i jednoduše rozšířit. Dále si uživatel zvolí geometrické charakteristiky (sklon, azimut kolektoru), nadmořskou výšku, albedo a celkovou plochu nebo počet kolektorů.

Po načtení meteorologických údajů program vyčíslí při známé teplotě vstupní vody do kolektoru jeho teoretický výkon pro každou hodinu sledovaného období.

Tepelná čerpadla

Z údajů od vybraných výrobců byla vytvořena databáze tepelných čerpadel vzduch-voda. Tato databáze obsahuje závislost výkonu a příkonu tepelného čerpadla na venkovní teplotě a na teplotě ohřevu vody ve formátu běžně uváděném jednotlivými výrobci. Následně byl pak vytvořen algoritmus výpočtu tepelného výkonu a příkonu čerpadla v závislosti na venkovní teplotě a teplotě teplé vody.

Protože výrobci uvádějí charakteristiky tepelného čerpadla formou tabulky bodů, je možné těmito body proložit přímky pro jednotlivé kondenzační teploty a zjistit jejich rovnice. Počet bodů nestačí k vykreslení průběhu výkonu jako na obr. 1, proto je nutné spokojit se s lineární aproximací. Z těchto rovnic pak program dokáže vyčíslit výkon a příkon pro jakoukoli kombinaci teploty venkovního vzduchu a teploty ohřevu teplé vody s respektováním technických možností tepelného čerpadla.

Potřeba teplé vody

Pro potřeby programu a pro jednoduchost nastavení potřeby teplé vody je program doplněn tabulkou, do které si uživatel zadá denní průběh potřeby tepla během každého dne v týdnu. Pro obecné výpočty v programu lze říci, že se potřeba teplé vody během roku nemění, pokud by uživatel chtěl počítat s proměnnou potřebou i během roku, musí výpočet rozfázovat. Program byl doplněn o model spotřeby z normy ČSN EN 16147:2011 [3].

Modely přípravy teplé vody

Program je vybaven modelem přípravy teplé vody tepelným čerpadlem a solární soustavou, který je v obou případech doplněn o záložní zdroj tepla. Model se solárními kolektory pracuje podobně jako tepelné čerpadlo. Solární kolektor, zjednodušeně řečeno, ohřívá teplonosnou látku na požadovanou teplotu výstupu. Při známé vstupní a výstupní teplotě na kolektoru, známých geometrických a geografických charakteristikách a slunečním ozáření se určí výkon kolektoru a následně průtok kolektorem (oběhové čerpadlo mění průtok podle výstupní teploty). Oproti skutečnosti se jedná o zkreslení. Model s tepelným čerpadlem pracuje podobně. Tepelné čerpadlo v modelu dodá vždy požadovanou teplotu na výstupu a podle jeho aktuálního výkonu ve výpočtu se nastaví průtok. Detailní popis výpočtového postupu včetně rovnic je uveden v [1].

Případová studie

Obr. 2 Růst ceny tepla Pražské Teplárenské a.s. [4]
Obr. 2 Růst ceny tepla Pražské Teplárenské a.s. [4]
Obr. 3 Růst ceny elektřiny od PRE a.s. [5]
Obr. 3 Růst ceny elektřiny od PRE a.s. [5]

Pro porovnání obou systémů byl zvolen bytový dům v Praze s ohřevem teplé vody soustavou centralizovaného zásobování teplem. Spotřeba teplé vody je 5 m3 denně. Teplota teplé vody je nastavena na 55 °C. Teplota vstupní studené vody je 13,5 °C. Projekt používá kolektory s celkovou plochou apertury 78,5 m2 a tři akumulační nádoby s objemem 1 m3. Cena realizace je 1,75 mil. Kč. Porovnávaný systém pracující s tepelným čerpadlem stojí 715 is. Kč bez dotace.

Ceny energií

Pro jednoduchost se uvažuje předchozí napojení objektu na centrální zásobování teplem z Pražské teplárenské soustavy Mělník–Třeboradice–Malešice–Michle–Jižní Město
v jednosložkovém tarifu od Pražské teplárenské (viz obr. 2). Průměrný meziroční růst cen tepla je ve sledovaném období 5 %.

Ceny elektřiny

Ceny elektřiny jsou převzaty za posledních 10 let od PRE v sazbě D 45d – dvoutarifová sazba s operativním řízením doby a platností nízkého tarifu po dobu 20 hodin.

Na obr. 3 je vidět zpočátku proces přibližování ceny za nízký a vysoký tarif a následně celkové zdražování obou. Ceny za jistič se v čase příliš nemění. Průměrný meziroční růst ceny elektřiny ve sledovaném období byl 7,2 %.

Model odběru teplé vody

Pro simulaci průběhu odběru je zvolen profil M z normy ČSN EN 16147:2011 [3] pro 41 bytových jednotek. Systém pracuje s jednou akumulační nádobu o objemu 3 m3. Pokud tepelné čerpadlo nebo instalovaná solární soustava nedodá potřebné teplo, voda v akumulační nádobě se dohřeje na požadovanou teplotu doplňkovým zdrojem tepla (v případě solární soustavy výměníkem soustavy centralizovaného zásobování teplem, pro tepelná čerpadla elektrickou energií).

Obr. 4 Účinnost solárního kolektoru KPS11ALP při G = 1000 W/m² [6]
Obr. 4 Účinnost solárního kolektoru KPS11ALP při G = 1000 W/m2 [6]
Obr. 5 Charakteristika tepelného čerpadla PZP řady HP3AW model 12 SE [7]
Obr. 5 Charakteristika tepelného čerpadla PZP řady HP3AW model 12 SE [7]

Pro výpočet bylo zvoleno období mezi lety 2003 a 2007. Použité solární kolektory jsou REGULUS KPS11APL. Účinnost je uvedena na obr. 4. Účinnost kolektoru je vztažena k rozdílu střední teploty teplonosné látky v kolektoru tm a okolí te, poděleným ozářením kolektoru G. Pro porovnání je použito tepelné čerpadlo od firmy PZP řady HP3AW model 12 SE. Průběh topného faktoru v závislosti na venkovní teplotě je uveden na obr. 5. Dále jsou zvoleny ztráty v rozvodech o velikosti 5  z celkově dodaného tepla.

Část získaného tepla je neustále odváděna z akumulační nádoby do okolí. Tento ztrátový tok je považován za konstantní a jeho velikost je určena pro válcovou akumulační nádobu o průměru 1 m, výšce 3,82 m, izolaci 5 cm (tepelná vodivost λ = 0,04 W/mK) na 100 W při teplotním rozdílu 20 K ;mezi vodou v akumulační nádobě a okolním vzduchem (součinitel přestupu tepla mezi nádobou a okolním vzduchem je 8 W/m2K).

Energetický rozbor

Potřeba tepla pro přípravu teplé vody v tab. 5 je součtem denních potřeb za celé období pěti let. Protože není systém lépe popsán, jsou ztráty definovány jako 5 % z vyrobeného tepla. Tepelné čerpadlo vyrobí celkově za rok daleko více tepla a je v chodu delší dobu než kolektory, proto je jeho ztráta v rozvodech větší (viz položka tepelné ztráty v rozvodech v tab. 5).

Tab. 5 Výsledky z modelu solární soustavy a modelu tepelného čerpadla za 5 let [kWh]
Systém ohřevu vodyTepelné čerpadloSolární soustava
Potřeba tepla v TV za 5 let437 592
Dodávka TČ/zisk kolektorů447 576196 523
z tohotepelné ztráty v rozvodech22 3799 826
tepelné ztráty akumulační nádoby4 3804 380
Čistá dodávka TČ/solárních kolektorů420 817182 317
Dodáno doplňkovým zdrojem16 742255 173
Spotřeba oběhového čerpadla2 018 2 326
Spotřeba elektřiny na pohon TČ za 5 let172 1590
Spotřeba elektřiny celkem190 9192 326

Při výpočtu potřeby pomocné elektrické energie pro pohon oběhového čerpadla se vycházelo z předpokládaných větších tlakových ztrát solární soustavy. Doba chodu oběhového čerpadla tepelného čerpadla je ale podstatně větší, proto je celková spotřeba obou systémů ve studii podobná.

Tab. 5 je doplněna o spotřebu elektrické energie na pohon samotného tepelného čerpadla za celou dobu provozu. Pro systém s tepelným čerpadlem je uvažován jako doplňkový zdroj elektrokotel, který dohřeje teplou vodu vždy na požadovanou teplotu. Pokrytí celkové potřeby tepla solární soustavou a tepelným čerpadlem a jejich topný faktor je uveden v tab. 6.

Tab. 6 Výsledky z modelu solární soustavy a modelu tepelného čerpadla za 5 let
SystémTepelné čerpadloSolární soustava
Pokrytí potřeby96 %42 %
COP2,5784,52

Použité modely soustav přípravy teplé vody jsou vzájemně srovnatelné svým zapojením a mohou sloužit k porovnání obou soustav z hlediska dlouhodobého provozu. Tepelné čerpadlo dokáže dodat dostatečné množství tepla při celoročním provozu. Spolu s akumulační nádobou pokrývá potřebu i ve špičkách. Solární soustava v zimě a přechodovém období svým výkonem nepostačuje krýt potřebu, a proto má ve sledovaném příkladu solární soustava velkou dodávku tepla z doplňkového zdroje.

Ekonomie provozu

To, co investora zajímá, je ekonomická výhodnost daného řešení. Na tomto místě je důležité zdůraznit, že se jedná o ekonomické hodnocení zjednodušeného modelu. Nezapočítaly se náklady na provoz oběhových čerpadel, na údržbu a servis, změny cen energií apod. Zároveň model nezohledňuje otázku spolehlivosti. Pro porovnání je uvažována životnost obou zařízení 20 let.

Pro další výpočty jsou uvažovány již pouze průměrné výsledné hodnoty za sledované období 2003 až 2007 (viz tab. 7 a tab. 8).

Tab. 7 Upravené výsledky modelu solární soustavy za rok
Průměrná potřeba tepla v TV za rok [kWh/rok]87 518
Průměrná dodávka solárních kolektorů za rok [kWh/rok]36 463
Průměrně dodáno doplňkovým zdrojem za rok [kWh/rok]51 035
Tab. 8 Upravené výsledky modelu TČ za rok
Průměrná spotřeba tepla v TV za rok [kWh/rok]87 518
Průměrná dodávka z TČ za rok [kWh/rok]84 163
Průměrně dodáno doplňkovým zdrojem za rok [kWh/rok]3 348
Průměrná spotřeba elektřiny na pohon TČ [kWh/rok]34 432

Roční náklady na provoz

Nově instalované zařízení (tepelné čerpadlo i solární soustava) oproti původní soustavě centralizovaného zásobování teplem generuje úspory. Nejprve je proto nutné si vyjádřit náklady původní i nové soustavy na přípravu teplé vody v jednotlivých letech podle vztahu

Ct = S ‧ c1 ‧ (1 + i)t (1)
 

kde je

Ct
– náklady na ohřev vody v roce t [tis. Kč]
S
– roční potřeba energie na přípravu teplé vody [kWh]
c1
– cena tepla v prvním roce realizace investice [Kč/kWh]
i
– průměrný roční přírůstek ceny energie [–]
t
– pořadové číslo roku provozu soustavy [–]
 

CZT:

Ct = 87518 ‧ 1,662 ‧ (1 + 0,05)t (2)
 

Solární systém:

Ct = 50858 ‧ 1,662 ‧ (1 + 0,05)t (3)
 

Tepelná čerpadla:

Ct = (34347 + 3320) ‧ 2,54 ‧ (1 + 0,072)t (4)
 

Obr. 6 Kumulované náklady na přípravu teplé vody
Obr. 6 Kumulované náklady na přípravu teplé vody

Na obr. 6 jsou znázorněny náklady na přípravu teplé vody pro původní systém CZT, tepelné čerpadlo i solární soustavu. Pro všechny soustavy platí, že z dlouhodobého pohledu mají přibližně stejné kumulované náklady na ohřev vody. Tepelné čerpadlo instalované pouze pro ohřev vody pracuje po většinu roku s nízkým COP, což spolu s rychleji rostoucí cenou elektřiny představuje limitující faktory pro jeho použití.

Pro obě soustavy platí, že jejich návratnost přímo závisí na ceně za teplo z původního zdroje, který budou nahrazovat, nebo na alternativách. Tepelné čerpadlo i solární soustavu lze doporučit všude tam, kde se používá k ohřevu vody a vytápění elektrická energie nebo jiný relativně dražší systém přípravy teplé vody.

Závěr

Solární soustava je v porovnání s tepelným čerpadlem v uvedeném systému finančně výhodnější (má menší kumulované provozní a investiční náklady za odhadovanou dobu živostnosti investice). Diskontovaná doba návratnosti investice je u tepelného čerpadla 15,7 let a u solární soustavy 18,3 let (viz obr. 6).

Velkou nevýhodou solární soustavy v uvažovaném systému je větší počáteční investice, která při uvažování inflace vede k prodražení systému (prodlouží se tzv. diskontovaná doba návratnosti investice). Pokud investor nemá prostředky, musí si je vypůjčit, což vede také k prodloužení diskontované doby návratnosti). Pro zmírnění tohoto efektu stát přistupuje k dotacím (např. program Zelená úsporám).

Návratnost investice do tepelného čerpadla v modelovaném případu závisí především na růstu ceny elektrické energie. Počítaný růst ceny elektřiny o 7,2 % je podle autora do budoucnosti spíše pesimistický odhad. Tepelná čerpadla obecně pracují při přípravě teplé vody s nízkým topným faktorem, což se také projevilo na dlouhé návratnosti.

V tab. 9 je cena tepla přepočtená přes investiční náklady při životnosti soustav 5, 10, 15 a 20 let.

Tab. 9 Cena tepla v Kč/GJ z jednotlivých zdrojů tepla při uvažování různé životnosti investice
Životnost investice
[let]
CZTTepelné čerpadloSolární soustava
[Kč/GJ]
55108051408
10580651894
15664669757
20763751722

Použité zdroje

English Synopsis
Comparison of Heat Pump and Solar System for Water Heating

The author compares use of heat pump with solar systems serving for heating hot water for a block of flats in Prague, in his study. The meteorological data from the station Prague-Karlov and the program developed in the framework of a diploma work are taken for the comparison. The comparison is elaborated both from the energy point of view and economically from an orientation view.

 
 

Reklama


© Copyright Topinfo s.r.o. 2001-2024, všechna práva vyhrazena.