Náklady na ohřev vody zásobníkem (bojlerem) s tepelným čerpadlem ve vytápěné místnosti

1. Úvod

Ve dvou dílech článku, které byly zveřejněny na TZB-info v roce 2023, byla pozornost zaměřena na základní informace o funkci zásobníku pro přípravu teplé vody s integrovaným tepelným čerpadlem vzduch-voda (dále jen ZTČ), na možnosti jeho využití a naznačena byla i jeho energetická efektivita. Hlubší pozornost nebyla věnována rozboru situace, kdy je ZTČ umístěn ve vytápěném prostoru, ze kterého si odebírá teplo pro ohřev vody.
Podíváme se proto, jak náklady na energie spojené s přípravou teplé vody ovlivní umístění ZTČ do prostoru, ve kterém je během topné sezóny vytápěním udržována více méně konstantní teplota okolo 20 °C. Pro zjednodušení, s podobnou teplotou okolního vzduchu se počítá v místnosti se ZTČ i v době bez vytápění. Posuzovány jsou kombinace s různými zdroji tepla pro vytápění a s různou cenou energie.
Aby porovnání bylo komplexní, jsou posouzeny i náklady na energie, když je příprava teplé vody zajištěna jen zdrojem tepla k vytápění, bez využití ZTČ.

Přečtěte si také Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 1/2 Přečíst článek

Pokud je ZTČ instalováno v místnosti, ve kterém je tepla nadbytek, lze cenu tohoto tepla stanovit jako rovnou nule. Bylo by dokonce možné pro jeho cenu zvolit i zápornou hodnotu, protože ZTČ částečně nahrazuje činnost chladicího systému, tedy snižuje provozní spotřebu energie chladicího systému v daném prostoru. Záporná cena není v příkladech uvažována.

Pokud je ZTČ instalováno v místnosti, do které prostupuje dostatek tepla z venkovního prostoru, bez provozu vytápění, lze cenu tepla odebíraného z prostoru považovat za nulovou.

Pokud je ZTČ instalováno ve vytápěné místnosti, cena tepla, které ZTČ odebere z vytápěné místnosti, se bude měnit podle zdroje tepla k vytápění, jeho účinnosti a ceny energie, paliva pro daný zdroj tepla.

2. Základní analýza

Ceny energie

Cílem je provést orientační porovnání ročních nákladů na energie potřebné pro ohřev vody. Pro vytápění může být využit přímotopný kotel elektrický (KE) nebo jiný elektrický přímotopný způsob (konvektory, sálavé panely, teplovzdušné vytápění), tepelné čerpadlo (TČ), kotel na plyn (KP), kotel na dřevo (KD), ale mohl by to být i kotel na topný olej, kotel na dřevbí pelety. Pro každý z nich musíme stanovit jednotkovou cenu energie. Jednotková cena elektřiny, kterou využívá ZTČ, je značena Cje, u ostatních energií jde o Cjx.

Výpočty v článku jsou propojeny s Kalkulátorem cen energií na TZB-info.

Z kalkulátoru jsou každý měsíc vypočítávány průměrné nabídkové ceny elektřiny a zemního plynu a tyto ceny jsou následně přenášeny do níže uvedených výpočtů. Je možné, že když tento článek otevřete s určitým časovým odstupem, budou v tabulce výsledky změněné, aktualizované.

U elektřiny je pro činnost ZTČ při vytápění elektrokotlem nebo tepelným čerpadlem zvolena odběrová sazba D57d. Se sazbou D25d pro činnost ZTČ se počítá při kombinaci kotle plynového a kotle na dřevo.

Jednotková cena palivového dřeva je zvolena jako Cjx = 1,05 Kč/kWh. V realitě však může být velmi odlišná, například při těžbě a zpracování dřeva svépomocí.

Počty dnů provozu

Vzhledem k odlišnosti situace během topné sezóny (označeno indexem ts) a v době bez vytápění (označeno indexem bv) je třeba stanovit počet dnů topné sezóny Dts a počet dnů bez vytápění Dbv. V konkrétních výpočtech dále uváděných z 365 dnů v roce odečítám 25 dnů bez potřeby teplé vody (dovolená atp.) a počítám se 200 dny topné sezóny a 140 dny bez vytápění.

a 140 dny bez vytápění

Účinnost, topný faktor zdrojů energií

Vedle jednotkové ceny energie má na celoroční náklady za teplou vodu vliv účinnost, se kterou je nakupovaná energie využita. Účinnost stanovuji jako poměr vyrobené energie k energii vložené, tedy pro všechny zdroje tepla jako analogii topného faktoru TF. V konkrétních výpočtech dále uváděných je použito:

• ZTČ patří mezi technicky velmi dokonalá zařízení a v uvažovaných zjednodušených podmínkách teploty vzduchu v místnosti okolo 20 °C ohřívá vodu na teplotu 50 °C (přibližně režim A20/W50) s topným faktorem TFztč = 3,7.
  Topný faktor TČ v topné sezóně TFzdroj,ts volím 3,2. V sezóně bez vytápění vzhledem k vyšší venkovní teplotě vzduchu volím TFzdroj,bv = 3,7.
• Kotel na elektřinu (KE), případně elektrický přímotop mění elektrickou energii na tepelnou. Protože platí zákon zachování energie, pracuji s topným faktorem TFzdroj,ts = TFzdroj,bv = 1,0
• Kotel na plyn (KP) uvažuji kondenzační napojený na otopnou soustavu, která umožňuje dosáhnout vysoký stupeň kondenzace. Proto pro jeho činnost volím během topné sezóny průměrný topný faktor TFzdroj,ts = 0,96 a v době bez vytápění nižší, odhadem TFzdroj,bv = 0,90 vzhledem ke ztrátám tepla, cyklování hořáku aj.
• Kotel na dřevo (KD) je zplyňovací, elektronicky řízený. Pro jeho činnost volím během topné sezóny průměrný topný faktor TFzdroj,ts = 0,90 a v době bez vytápění odhadem TFzdroj,bv = 0,82.

Potřeba tepla a elektřiny na ohřev vody

Pro ohřev vody spotřebované za den je zapotřebí dodat teplo Qden,tv. Jeho velikost určuje počet osob PO a jejich spotřeba. V konkrétních výpočtech dále uváděných počítám s počtem osob PO = 4 se spotřebou na osobu o objemu V = 40 litrů teplé vody s teplotou T2 = 50 °C, která je připravována ze studené pitné vody o teplotě T1 = 10 °C, s průměrnou hustotou vody ρ = 1 kg/litr a průměrnou tepelnou kapacitou C = 0,00116 kWh/kg.K.

ZTČ k produkci tepla Qden,tv spotřebuje EEden,tv elektrické energie:

Náklad NEEden,tv na tuto energii je:

ZTČ k produkci tepla Qden,tv odebere z vytápěného prostoru za den teplo Qden,vyt:

Pro výrobu tohoto tepla, během topné sezóny, potřebuje zdroj tepla zajišťující vytápění energii nakupovanou, placenou, a to elektrickou energii nebo energii v palivu. Její množství závisí na účinnosti zdroje tepla, tedy jeho topném faktoru TFzdroj,ts. Množství nakupované energie stanovíme takto:

Náklad na nakupovanou energii pro zdroj tepla k ohřevu vody potom je:

Potřeba tepla na pokrytí ztráty tepla

Zásobník ZTČ má kvalitní tepelnou izolaci, ale i tak část tepla přes ni uniká do okolí, do vytápěného prostoru. Denní tepelná ztráta zásobníku je Qztr,den.

Velikost tepelné ztráty ZTČ, je umístěn ve vytápěném prostoru, závisí na objemu zásobníku, kvalitě jeho tepelné izolace a teplotě vody v něm. V konkrétních výpočtech dále uváděných zjednodušeně počítám s konstantními poměry, tedy s konstantním denním únikem tepla přes plášť ZTČ: Qztr,den = 1,6 kWh/den.

V sezóně bez vytápění
V sezóně bez vytápění musí ZTČ svou činností pokrývat jak potřebu tepla Qden,tv, tak i Qden,ztr. Ztrátové teplo odchází jako nevyužité, prostor okolo ZTČ není nutné vytápět.

Obr. 1 Diagram toku energií, topná sezóna. Tok tepla vyrobeného zdrojem tepla pro vytápění je značen žlutě a tok elektrické energie, která se v ZTČ mění na tepelnou je značen červeně.

V topné sezóně
V topné sezóně musí ZTČ svou činností pokrývat potřebu tepla Qtv,den a Qztr,den jako v době bez vytápění. Během topné sezóny však teplo Qztr,den uniká zpět do vytápěného prostoru a tedy se přičítá k vytápění, viz schéma na obr. 1. Pokud by byla cena ztrátového tepla ze ZTČ stejná jako cena tepla ze zdroje k vytápění, nemuseli bychom si jí všímat. Ve ztrátovém teple je však obsaženo nejen teplo ze zdroje k vytápění, tak i elektrická energie. A proto bude cena ztrátového tepla ze ZTČ většinou jiná, než cena tepla ze zdroje vytápění. Případný rozdíl je nutné zohlednit.

Aby k úniku tepla ze ZTČ docházelo, musela být zvýšena teplota z teploty vzduchu ve vytápěném prostoru na teplotu ohřáté vody a k tomu ZTČ spotřebovalo určité množství elektrické energie. Toto množství elektrické energie EEden,ztr ve ztrátovém teple Qztr,den určíme takto:

Náklad NEEden,ztr na tuto elektrickou energii EEden,ztr je:

Náklad Nden,ztr,zdroj na stejné množství energie jako je EEden,ztr, ale pocházející ze zdroje k vytápění se zohledněním jeho účinnosti, topného faktoru, je:

V nákladech na ohřev vody musíme rozdíl v nákladech Nden,ztr,rozdíl mezi NEEden,ztr a Nden,ztr,zdroj zohlednit:

Je-li rozdíl kladný, kombinace zdroje tepla vytápění a ZTČ během topné sezóny prodražuje provoz. Proto rozdíl přičítám k nákladům na přípravu teplé vody v ZTČ, neboť je činností ZTČ vyvolán. Pokud by byl, teoreticky, záporný, náklady by snížil.

3. Náklady na teplou vodu v sezóně bez vytápění

Náklady Nbv,tv na teplou vodu v sezóně bez vytápění s počtem dnů Dbv jsou stejné pro všechny uvažované kombinace ZTČ a zdrojů tepla pro vytápění. V této době je v činnosti jen ZTČ, který odebírá teplo, které je zdarma, viz kapitola Úvod. V sezóně bez vytápění vytápění jde tedy o náklady Nbv,tv:

4. Náklady na teplou vodu v topné sezóně

Náklady na teplou vodu Ntv,ts v topné sezóně s počtem dnů Dts zahrnují náklad na nakupovanou energii pro zdroj tepla, kterou si ZTČ k ohřevu vody z vytápěného prostoru odebírá NNQden,vyt, náklad na elektrickou energii NEEden,tv spotřebovanou k pohonu ZTČ na výrobu tepla Qden,tv a rozdíl Nden,ztr,rozdíl:

a) Kombinace tepelné čerpadlo TČ a ZTČ

Pro tuto kombinaci platí stejná cena elektřiny Cje = Cjx.

b) Kombinace elektrokotel KE a ZTČ

I bez výpočtu je zřejmé, že souběžný provoz elektrického kotle (KE) pro vytápění a ZTČ odebírajícího teplo z vytápěného prostoru by byl technickým nesmyslem a zbytečným provozem pracovního okruhu tepelného čerpadla v ZTČ. Za stejných nákladů na energie je jednodušší elektřinu k ohřevu vody využít přímo přímotopným prvkem obsaženým v ZTČ. Topný prvek je v něm vždy integrovaný jako záloha, pokud by tepelné čerpadlo v ZTČ nebylo schopné dodat do zásobníku potřebné teplo.

Zápočtem nákladů na ztrátové teplo ze ZTČ se nemusíme zabývat. Respektive teplo unikající ze zásobníku a vracející se zpět do vytápění má stejnou nákladovou cenu jako stejné množství tepla pro vytápění a rozdíl je nulový.

c) Kombinace kotel plynový KP a ZTČ

Tato kombinace přichází v úvahu například tehdy, pokud není možné využít kotel pro teplovodní přípravu teplé vody vzhledem k tomu, že v ZTČ není běžně integrovaný teplovodní výměník. Nebo při modernizaci po ukončení životnosti stávajícího kotlem vytápěného bojleru nebo elektrického bojleru, z důvodu jejich koroze. Nebo chce provozovatel omezit cyklování hořáku kotle aj.

Zajímavou motivací může být i snaha snížit podíl fosilních zdrojů energie v domě. Toto se může stát velmi významné již od roku 2027, kdy se do ceny fosilních paliv promítnou náklady na emisní povolenky na oxid uhličitý v rámci směrnice EU ETS II i pro domácnosti. ZTČ pak pomůže udržet vzrůst nákladů „na uzdě“. Nejen pro plyn, ale i topný olej.

d) Kotel na palivové dřevo KD a ZTČ

Konstrukční důvody využití této kombinace mohou být částečně stejné, jako při kombinaci ZTČ a kotle na plyn. Významná může být snaha omezit každodenní zatápění v kotli na dřevo pouze pro ohřev vody v době bez vytápění a s tím související nutnost čištění kotle aj.

5. Celoroční náklady na teplou vodu

Celoroční náklady na přípravu teplé vody pro jednotlivé kombinace se získají součtem nákladů v době bez vytápění v topné sezóně Ntv,bv + Ntv,ts. Konkrétní příklady jsou uvedeny v tabulce.

6. Porovnání kombinace s přípravou teplé vody jen zdrojem tepla k vytápění

Do tabulky je zahrnut i výpočet nákladů na energii na přípravu teplé vody, pokud by neprobíhala v ZTČ, ale zajišťoval ji celoročně konkrétní zdroj tepla pro vytápění. Cenové údaje za energie by zůstaly stejné.

U topných faktorů, účinností, však musíme rozlišit dobu bez vytápění a topnou sezónu. Během topné sezóny jsou topné faktory stejné, jako při kombinaci se ZTČ. V době bez vytápění volím pro tepelné čerpadlo TFzdroj,bv = 3,8, pro elektrokotel TFzdroj,bv = 1. U plynového kotle pro dobu bez vytápění, stanoveno orientačním odhadem, volím TFzdroj,bv = 0,92. U kotle na dřevo pak TFzroj,bv = 0,82.

Pro dobu mimo vytápění lze pro výpočet nákladů na energii použít modifikovanou rovnici:

Pro topnou sezónu pak:

Celoroční náklady na přípravu teplé vody pro jednotlivé varianty se získají součtem nákladů v době bez vytápění v topné sezóně Ntv,bv,zdroj + Ntv,ts,zdroj. Konkrétní příklady jsou uvedeny v tabulce.

Závěr

Závěry v konkrétních příkladech odpovídají předvoleným parametrům a cenám energií a paliv, z nichž některé se v měsíčním intervalu aktualizují na průměrný nabídkový stav. Předvolené parametry nemusí odpovídat konkrétní situaci.

a) Bez vytápění

Ze souhrnného přehledu v tabulce je zřejmé, že v době bez vytápění je využití ZTČ s ohledem na ceny energie pro přípravu teplé vody většinou výhodné. Jistě to platí pro přímotopné využití elektřiny. Při kombinaci TČ a ZTČ budou rozhodovat topné faktory obou zařízení. Nicméně mírně menší topný faktor ZTČ nemusí být nevýhodný, pokud zohledníme rozdíl cen provozní „motohodiny“ velkého tepelného čerpadla a malého v ZTČ, tedy nákladů na servis, náhradní díly a životnost. Znatelně výhodnější se ZTČ jeví při kombinaci s kotlem na plyn. Cena dřeva může být velmi proměnlivá vzhkledem ke způsobu, jakým si dřevo provozovatel opatří. Zde bude rozhodovat ochota provozovatele zatápět v kotli i mimo topnou sezónu a akceptovat s tím zvýšenou pracnost.
V tabulce ve sloupci „libovolně“ jsou jako výchozí předvoleny přibližné hodnoty pro olejový kondenzační kotel a ZTČ a i zde je patrná výhoda ZTČ, když je kotel v době bez vytápění odstaven.

b) Topná sezóna

Provoz ZTČ během topné sezóny, pokud odebírá teplo z vytápěného prostoru, je z hlediska nákladů na energie více či méně nevýhodný.

c) Celorok

V případě přímotopné elektřiny má ZTČ rozhodně přednost před běžným zásobníkem. Zajímavý úsporný potenciál ukazuje kombinace ZTČ s kotlem na plyn a případně i kotlem na topný olej.

Libovolně

V tabulce níže je sloupec „libovolně, který vám umožňuje si vygenerovat náklady pro odlišné výchozí parametry. Například lze generovat náklady na kombinaci ZTČ a kotle na dřevní pelety, neboť s peletami je spojeno méně obslužné práce než se dřevem. Průměrný topný faktor ZTČ i tepelného čerpadla mohou být v konkrétních poměrech také značně odlišné od použitých a mohou tak významně ovlivnit výhodnost ZTČ.

Výpočetní tabulka

Zdroje

1. Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 1/2. Základní vlastnosti, přehled možných druhů, jejich výhody a nevýhody.
   vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/25094-zasobnik-pro-pripravu-teple-vody-bojler-s-tepelnym-cerpadlem-vzduch-voda-cast-1-2
2. Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 2/2. Potřeba tepla a její pokrytí, tepelný výkon, spolupráce s fotovoltaikou, instalace, kondenzát.
   vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/25100-zasobnik-pro-pripravu-teple-vody-bojler-s-tepelnym-cerpadlem-vzduch-voda-cast-2-2