Sluneční energie a tepelná čerpadla

Úvod

V posledních letech se problém tepelného čerpadla, využívajícího teplo vyrobené aktivním solárním systémem, objevil v řadě souvislostí. Ta nejstarší (podle mne) byla velmi zavádějící. Před několika lety byl počet poskytnutých dotací z České energetické agentury pro kombinované zařízení TČ/SE několikrát vyšší než pro samotné zařízení na využití sluneční energie. Důvodem mohl být samozřejmě momentální nepoměr těchto žádostí, ale ve své době mohl vyvolat dojem, že budoucnost TČ patří kombinaci se sluneční energií.
Nikde však nebylo uvedeno, o jaké řešení se jednalo:

• zda o řešení: solární voda/voda
• nebo "přepínací" řešení: voda + solární voda/voda

V následujícím rozboru nebudeme řešit, zda se jedná o systém pro přípravu TUV nebo vytápění, ale podíváme se na vše obecněji.

Stávající technika

Výhoda tepelného čerpadla je v tom, že dovede získat prakticky využitelné teplo o vyšším potenciálu z okolního prostředí, ve kterém je o nižším potenciálu obsaženo přirozeným způsobem tj. pro nás zdarma. To ale znamená, že jeho teplota je poplatná zeměpisnému místu (zatím ho nebudeme uvažovat), ale hlavně času (střídání den/noc, léto/zima). Proto se pro minimalizaci teplotního rozdílu v zimě využívá zemní teplo nebo teplo podzemní vody. Odběr tepla z venkovního vzduchu ale dovedeme také, za určitých přijatelných podmínek, prakticky využívat. Technicky i energeticky tedy víme, kde se nacházíme a co si můžeme dovolit.

Množství získaného tepla

Dalším v pořadí řešení je množství získávaného tepla. U běžného, výše popsaného stavu, se jedná o výpočet velikosti "teplosměnné plochy" tj. hloubky podzemního vrtu nebo dráhy horizontálního vedení, které jsou schopny zabezpečit ještě přijatelné okrajové podmínky. Zde můžeme řešit rozdělení "plochy" do několika vrtů i smyček, abychom je v případě mimořádného stavu tepelně (i teplotově) nepřetěžovali a ta nejzatíženější část se mohla "odpočinutím" zregenerovat. Při podnulových venkovních teplotách běžně využíváme přídavného topného zařízení.
U TČ odebírající teplo ze vzduchu jsme na tom obtížněji. Jeho teplotu neovlivníme a musíme se smířit s dlouhodobějším provozem přídavného topného zařízení, tj. finančně náročnějším provozním stavem, který však v "ročním rozložení" zase tak závažný není.
Energeticky tedy také víme, kolik tepla můžeme v našich zeměpisných podmínkách získat. Vyšší náklady na pořízení TČ s konkrétní technologií získávání tepla okolního prostředí vnímáme a výrazně nižší provozní náklady také.

Jaký je vlastně solární systém?

Solární systém je teplotou dodávaného tepla lepším řešením než odběr tepla z okolního prostředí, ale také dodavatelem tepla nestabilním, přerušovaným. Svým způsobem má společný prvek s tepelným čerpadlem. Také dovede přeměnit nízkopotenciální teplo slunečního záření na teplo o vyšším využitelném potenciálu. U TČ za přeměnu platíme elektrický proud pro pohon kompresoru (současně ho využíváme jako placené elektrické teplo), u solárního systému nám to zajišťuje zdarma (náklady na provoz nepoměrně výkonově menšího oběhového čerpadla než je výkon kompresoru u TČ zanedbáme) skleníkový efekt.
Další nectností je opět roční rozložení zisku tepla a úměrně i jeho teploty. To totiž věrně celoročně "kopíruje" počet hodin přímého slunečního svitu i teplotu venkovního vzduchu. Nejlacinější solární systém je takový, který má jednodenní akumulaci - teplo získané dnes musíme spotřebovat do zítřka do rána, abychom zítra dopoledne měli "studený" solární ohřívač (nebo solární prostor v kombinovaném ohřívači) pro zisk nového slunečního záření. Dále budeme řešit jen tento stav.

Jaká tedy kombinace?

Z hlediska časové součinnosti bychom měli mít TČ voda/voda dimenzované na spolehlivý výkon v době, kdy je oblačné počasí a "solární voda" není k dispozici. To je logický běžný stav. V době slunečního svitu využití "solární vody" o vyšší teplotě jeho výkon zvyšuje, protože přerušuje odběr tepla o nižší teplotě z okolního prostředí! (množství solárního tepla můžeme určit volbou velikosti solárního zařízení) a roste nám topný faktor. Na jeho pořízení jsme však museli realizovat další technický systém, čímž toto teplo stojí peníze. To se zamlčet nedá. Přírodní teplo má však nižší teplotu než teplo sluneční a je pro nás zdarma.

Schema kombinace TČ: voda + solární voda/voda

Kde je optimum kombinace? Existuje vůbec?

Když se podíváme na optimální vstupní teplotu tepla do TČ, tak zhruba od nuly stupňů u země a vody a -20 °C u vzduchu až po maximálně +30 °C u všech těchto médií. Tak široký musí být primární teplotní záběr TČ, abychom mohli získat kolem 55 °C na sekundárním výstupu. U nižších teplot je topný faktor méně výhodný, u vyšších výhodnější.
Tepelné čerpadlo musí mít vlastní zásobník tepla, solární systém ho musí mít také, prostor ve strojovně je více zaplněn. Přitom princip obou akumulátorů je rozdílný - první tvoří rezervu pro přerušovaný provoz TČ, druhý je ohříván menším množstvím solárního tepla o vyšší teplotě.

Nejdůležitějším faktorem je ekonomika

Rozhodující v tomto dilematu bude odpověď na následující otázku:
Jednotka tepla ze solárního systému stojí určité peníze, jednotka tepla z běžně používaného TČ také. Co nás bude stát více? Náklady na teplo o teplotě 30 °C ze solárního systému nebo náklady na "dotažení" běžné teploty přírodního tepla na teplotu 30 °C jako ze solárního systému? Další dotažení teplot z obou zdrojů na 55 °C je už stejné.
Jsou již publikované výsledky, kolik stojí jedna kWh v TUV vyrobené celoročně sluneční energií: pokud počítáme životnost 20 let, tak kolem 2 Kč, při životnosti 25 let cca kolem 1,50 Kč. Připusťme, že se jedná o teplotu TUV kolem 50 - 60 °C. Pokud bychom pro TČ používali teplou vodu max 30 °C, množství získaného tepla se zvýší a cena solární kilowatthodiny by se mohla pohybovat kolem 1,40 a nad 1,05 Kč. Předpokladem ovšem je, že solární teplo umíme smysluplně využít po celé léto, což je pro vytápění např. rodinného domu nemožné. Přitom kilowatthodina z TČ v teple z okolního prostředí stojí cca 1 Kč dělená topným faktorem tj. kolem 0,30 Kč!
Co zjišťujeme? Že zatímco jakékoliv jiné místní přírodní teplo je zdarma (odpadní také, pokud nám ho třeba výrobce nezačne z tržních důvodů účtovat), za solární teplo platíme! Nyní už můžeme odpovědět na předchozí otázku:

• zisk solárního tepla solárním systémem bude stát více
• zisk tepla z okolního prostředí tepelným čerpadlem bude lacinější

Závěr

Součinnost TČ/solár (varianta s jednodenní akumulací) je technicky proveditelná, ale ekonomicky nevýhodná. Kdo ji chce využívat, nemůže mu v tom nikdo zabránit. Výsledná cena tepla z této kombinace je však vyšší a kombinace se může v tabulce nákladů na vytápění posunout na méně výhodné místo než známe u samotného tepelného čerpadla. A to jsme ještě neřešili otázku, kolik solárního tepla na vytápění získáme v zimě a kolik ho neumíme na vytápění u této varianty využít v létě. Solární systém umí vyrobit o vyšší teplotě pouze část tepla ze slunečního záření, které dopadne na kolektory, zatímco TČ pomocí jednoho placeného dílu tepla "pochytá" minimálně další dva díly tepla "zvenčí" a na vyšší teplotu je přitom "povýší" také. Nejen při slunečném dnu, ale i při oblačnosti a v noci.
Vícedenní nebo letní akumulace solárního tepla se zimním využitím tepelným čerpadlem je jiný problém s jiným řešením. To můžeme čtenáře hned navést k publikovaným výsledkům využití solárního systému se sezónní akumulací tepla ve Slatiňanech.

Poznámka:
Pokud by to bylo možné, prosíme naše čtenáře i odborníky v oboru, aby nám zaslali k publikování výsledky svých nebo i cizích funkčních kombinací TČ/solár.