Využívání a provozování tepelných čerpadel v nízkoenergetických domech

1. Parametry nízkoenergetických domů

1.1. Tepelnětechnické parametry

Budova v nízkoenergetickém standardu by neměla překročit měrnou roční potřebu tepla na vytápění 70 kWh*m^-2 pro rodinné domy a 55 kWh*m^-2 pro bytové domy. Při výpočtu se postupuje podle normy ČSN EN ISO 13 790 Energetická náročnost budov – výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení, v souladu s TNI 73 0329 (30) Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění a s normou ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov.

Budova v pasivním standardu by neměla překročit měrnou roční potřebu tepla na vytápění 20 kWh*m^-2 pro rodinné domy a 15 kWh*m^-2 pro bytové domy a měla by splňovat další podmínky uvedené v tabulce č. 1, dané směrnicí MŽP č.9/2009. Při výpočtech se postupuje podle předpisů stejných jako pro nízkoenergetické domy, uvedených v odstavci výše.

Veličina	Ozn.	Jednotka	Požadavek	Způsob prokázání	Poznámka
PROSTUP TEPLA
Součinitel prostupu tepla jednotlivých konstrukcí na systémové hranici	U	W/(m2K)	Doporučené hodnoty dle ČSN 73 0540-2	Výpočet v souladu s ČSN 73 0540-2
Střední hodnota součinitele prostupu tepla	Uem	W/(m2K)	Uem ≤ 0,3	Výpočet v souladu s ČSN 73 0540-2
KVALITA VZDUCHU A TEPELNÁ ZTRÁTA VÝMĚNOU VZDUCHU
Přívod čerstvého vzduchu do všech pobytových místností	-	-	zajištěn	Kontrola projektové dokumentace
Účinnost zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu	η	%	η ≥ 70	Podle ověřených podkladů výrobce	V energ. bilančních výpočtech snížená hodnota o 10 %
Neprůvzdušnost obálky budovy ve fázi přípravy stavby	n50	1/h	n50 = 0,6		Projektový předpoklad
Neprůvzdušnost obálky budovy po dokončení stavby	n50	1/h	n50 ≤ 0,6	Měření metodou tlakového spádu a výpočet v souladu s ČSN EN 13 829 metoda B, podrobněji v TNI 0330
ZAJIŠTĚNÍ POHODY PROSTŘEDÍ V LETNÍM OBDOBÍ
Nejvyšší teplota vzduchu v pobytové místnosti	Θ	°C	≤ 27	Výpočet podle ČSN 73 0540-4	Strojní chlazení se nepředpokládá
POTŘEBA TEPLA NA VYTÁPĚNÍ
Měrná potřeba tepla na vytápění	Ea	kWh/m2a	≤ 15
POTŘEBA PRIMÁRNÍ ENERGIE
Potřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů na vytápění, přípravu TV a technické systémy budov	PEa	kWh/m2a	≤ 60

1.2. Výkonové parametry – stanovení návrhového výkonu

Pro posouzení energetické náročnosti budovy se vychází z hodnotícího kritéria, které představuje roční měrnou potřebu tepla na vytápění QR. Kritéria pro jednotlivé typy budov jsou následující:

• budovy ze 70. a 80. let QR = 200 kWh×m^-2×a^-1
• budovy z 90. let QR = 80 až 140 kWh×m^-2×a^-1
• nízkoenergetické budovy QR = 50 kWh×m^-2×a^-1
• pasivní budovy QR = 15 kWh×m^-2×a^-1
• nulové domy QR = 5 kWh×m^-2×a^-1

Pro výpočet návrhového výkonu zdroje tepla na vytápění lze vycházet z výpočtu založeného na délce otopné sezóny (h) a součiniteli denní nerovnoměrnosti (sn). Návrhový výkon pro vytápění pak z roční měrné potřeby tepla stanovíme podle vztahu:

Příklad stanovení návrhového výkonu pro byt v nízkoenergetickém domě o ploše 60 m², délka otopné sezóny h= 5500 hodin, součinitel denní nerovnoměrnosti sn = 0,5:

Příklad stanovení návrhového výkonu pro bytový dům s 10 ti byty á 60 m², délka otopné sezóny h= 5500 hodin, součinitel denní nerovnoměrnosti sn = 0,5:

2. Návrh tepelného čerpadla do nízkoenergetického domu

V otopném období se mění požadovaný tepelný výkon zdroje tepla a otopné soustavy v závislosti na venkovní teplotě. Mezní hodnoty tepelného výkonu jsou dány nejnižší venkovní výpočtovou teplotou a nejvyšší teplotou, při které se vytápění ukončí, 13 °C. Venkovní teplota pro ukončení vytápění je udána zvýšením teploty nad průměrnou denní teplotu, která je dosahována dva dny po sobě a není pravděpodobné, že se teplota sníží třetí den.

2.1. Diagram četnosti teplot a potřeby energie

Potřebu energie na vytápění lze zobrazit do diagramu znázorněného na obrázku č. 1. Potřeba tepla pro vytápění je úměrná ploše vymezené křivkou četnosti teplot a délkou otopného období. Diagram je vytvořen pro rozsah vnějších výpočtových teplot – 17 °C až do 20 °C. Hlavní částí diagramu je charakteristická křivka četnosti teplot. Ke každé venkovní teplotě přiřazuje počet dnů v otopném období, kdy je teplota vyšší než tato venkovní teplota.

2.2. Obecný průběh jmenovitého výkonu zdroje energie

Následující výpočty vycházejí z obrázku č. 1, který graficky znázorňuje závislost návrhového výkonu a venkovní výpočtové teploty.

Jak je vidět na obrázku č. 1, největší četnost výkonů zdroje tepla je v tomto případě v rozmezí venkovních teplot -7 až +8 °C. Toto období je v obrázku označeno jako pásmo 2. Pro tuto oblast by měla být účinnost zdroje nejvyšší.

2.3. Výpočet měrného výkonu v procentech

Následuje výpočet měrného výkonu zdroje tepla pro vytápění. Maximální výkon zdroje tepla je 100 %.

• pro teplotu -6,8 °C
  
• pro teplotu +8,2 °C
  

	Rozdělení topného období do pásem podle doby trvání
	Pásmo 1	Pásmo 2	Pásmo 3
Rozsah venkovních teplot (°C)	-17 až -6,8	-6,8 až 8,2	8,2 až 13
Doba trvání (%)	10	80	10
Doba trvání z 6504 hodin (271 dnů)	650 h	5204 h	650 h
Rozsah měrných výkonů (%)	100 až 72,4	72,4 až 31,9	31,9 až 18,9

3. Kombinovaná příprava teplé vody a vytápění – ano či ne

V rodinných a bytových domech je potřeba navrhnout zdroj energie, který bude mít dostatečný výkon jak pro vytápění, tak pro přípravu teplé vody. Tyto dva požadavky mohou být pokryty jedním zdrojem energie nebo je možné je od sebe oddělit.

Teplá voda by měla být v zásobníku ohřívána na 55 až 60 °C a teplotní spád nízkoteplotní otopné soustavy se pro nejnižší venkovní výpočtové teploty obvykle pohybuje v rozsahu od 40/30 °C do 55/45 °C. Pokud je zdroj tepla pro vytápění regulován ekvitermní regulací, mění se teplota otopné vody v závislosti na venkovní teplotě podle diagramu na obrázku č. 2. Rozdíl mezi teplotou teplé pitné vody, která je připravována na konstantní hodnotu, a proměnnou teplotou otopné vody, má nezanedbatelný vliv na provoz tepelného čerpadla. Zjednodušeně lze říci, že čím větší je rozdíl mezi teplotou na straně výparníku a na straně kondenzátoru, tím je horší účinnost provozu tepelného čerpadla.

3.1. Příprava teplé vody a otopné vody je zajišťována jedním zdrojem energie

V případě, že je teplá voda a otopná voda připravována jedním zdrojem energie, má obvykle příprava teplé vody předost před vytápěním. Pokud jediným zdrojem energie je tepelné čerpadlo, musí pracovat s výstupní teplotou 55 až 60 °C. Jak je uvedeno výše, čím je větší rozdíl mezi teplotou primárního zdroje (vzduchu, vody, země) a teplotou výstupu z kondenzátoru (topná voda, TV), tím je horší provozní účinnost tepelného čerpadla. Proto je z tohoto pohledu příprava teplé vody současně s otopnou vodou tepelným čerpadlem nevýhodná.

Otopnou soustavu lze nastavit také tak, aby tepelné čerpadlo pracovalo jen s takovými teplotami na výstupu z kondenzátoru, dokud je to pro něj energetický výhodné. Jinak řečeno, tepelné čerpadlo by zajišťovalo předehřev teplé pitné vody na takovou teplotu, jakou má topná voda jdoucí do otopné soustavy a dohřev teplé vody na konečnou výstupní teplotu by zajišťoval bivalentní zdroj.

3.2. Příprava teplé vody a topné vody je oddělena

Provoz, kdy je příprava teplé vody a vytápění od sebe oddělena, je pro standardní tepelné čerpadlo výhodnější. Tepelné čerpadlo může pracovat s nízkými teplotami otopné vody. Příprava teplé pitné vody je zajištěna jiným zdrojem, který může zároveň sloužit jako bivalentní zdroj tepelného čerpadla.

Trendem moderních budov je snižovat potřebu tepla na vytápění. Potřeba energie na přípravu teplé vody nemá tak výrazně snižující se hodnoty a proto zastává čím dál tím větší podíl spotřebovaných energií. Vývojáři tepelných čerpadel určených pro bytové domy by tento fakt měli reflektovat a přizpůsobit konstrukci tomuto stavu.

4. Nízkoteplotní otopné plochy

Pro efektivní provoz tepelného čerpadla jsou vhodné nízké teploty otopné vody v otopném systému budovy. V novostavbách jsou otopné plochy navrženy pro nízkoteplotní zdroje energie. Nízkoteplotní otopnou plochou jsou například:

• velkoplošné otopné plochy (podlahové, stěnové nebo stropní vytápění),
• otopná tělesa, která jsou navržena pro nízké teploty otopné vody.

Při rekonstrukci objektu, pokud to technický stav otopného tělesa dovoluje, je možné zachovat stávající otopná tělesa a pouze snížit teplotu přívodní otopné vody. Výkon stávajících otopných těles s nižší teplotou otopné vody bude pravděpodobně dostačující i při nejnižších venkovních teplotách a to tak, že se zvyšuje tepelný odpor zatepleného obvodového pláště a snižuje se infiltrace těsnými spárami plastových oken. Pokud přesto vznikne nedostatek výkonu, je možné dodat teplo další teplosměnnou plochou. Tímto doplňkovým vytápěním mohou být elektrické sálavé panely, elektrické topné žebříky v koupelnách nebo systém teplovzdušného vytápění. Výhodou teplovzdušného vytápění je, že rychle a pružně reaguje na požadavek obyvatele na teplotu vzduchu v místnosti a výhodou sálavých panelů je, že rychle zvyšují povrchovou teplotu místnosti.

5. Bivalentní zdroj energie k tepelnému čerpadlu

Monovalentní provoz tepelného čerpadla vyžaduje vysoké nároky na zdroj nízkopotenciálního tepla. Výkon tepelného čerpadla se navrhuje na tepelnou ztrátu při venkovní výpočtové teplotě zvětšený o:

• výkon potřebný pro odtávání námrazy,
• tepelné ztráty do okolí,
• výkonový přírůstek pro pokrytí doby, kdy čerpadlo nepracuje (vysoký tarif elektrické energie),
• případný výkon potřebný pro ohřev TV.

Pořizovací náklady tepelného čerpadla navrženého v monovalentním provozu jsou velmi vysoké a maximální navržený výkon je využit velmi zřídka. Takto navržené zařízení nepracuje v optimálním režimu a dochází k častým startům a odstávkám.

Výhodnější je kombinovat tepelné čerpadlo s bivalentním (záložním) zdrojem. Do určité venkovní teploty je využíváno pouze tepelné čerpadlo, a když už je jeho výkon nedostačující, zapojí se bivalentní zdroj. Pro každý konkrétní objekt je teplota bivalence dána tepelnou ztrátou objektu, druhem otopné plochy, výkonem tepelného čerpadla a teplotou na kterou je tento zdroj schopen topnou látku ohřát. Zkušenostmi je ověřeno, že bod bivalence pro tepelné čerpadlo vzduch-voda se pohybuje v rozmezí teplot -7 až – 10 °C.

V případě, že je špatně nadimenzováno tepelné čerpadlo, může se stát, že podíl využití bivalentního zdroje je nadměrný a efektivita provozu TČ klesne. Podíl využití bivalentního zdroje lze ovlivnit nastavením regulace a systému spínání.

5.1. Stanovení bodu bivalence

Při určité venkovní teplotě nastane stav, kdy se výkon tepelného čerpadla rovná aktuální tepelné ztrátě objektu. Tuto teplotu nazýváme bodem bivalence. Pokud venkovní teplota stále klesá, tepelná ztráta objektu se zvětšuje a deficit doplňuje bivalentní zdroj tepla.

V případě, že je navržen malý výkon tepelného čerpadla vzhledem k celkové potřebě tepla, nastane bod bivalence při vyšší venkovní teplotě. Vhodně zvolený výkon tepelného čerpadla dokáže posunout teplotu bivalence do nižších teplot a snížit tak dobu provozu bivalentního zdroje.

Bod bivalence lze určit z průsečíku křivek výkonu tepelného čerpadla a průběhu tepelné ztráty v závislosti na venkovní teplotě.

5.2. Typy bivalentního provozu

Podle způsobu průběhu využití nízkopotenciálního tepla tepelným čerpadlem se rozlišují tři druhy provozu tepelného čerpadla a bivalentního zdroje energie.

5.2.1. Alternativně – bivalentní provoz

Do doby, než venkovní teplota dosáhne teploty bivalence, je využíváno jen tepelné čerpadlo. Při teplotách nižších pracuje jen záložní zdroj. Záložní zdroj musí pokrýt potřebu tepla při nejnižších teplotách.

5.2.2. Paralelně - bivalentní provoz

Tepelné čerpadlo pracuje celou topnou sezónu. V okamžiku, kdy venku klesne teplota tak, že výkon tepelného čerpadla již nestačí k pokrytí tepelné ztráty, zapojí se bivalentní zdroj energie. Oba dva zdroje jsou v provozu současně. Okamžik aktivace bivalentního zdroje a dodávaný výkon řídí regulace tepelného čerpadla.

5.2.3. Částečně paralelně - bivalentní provoz

Tepelné čerpadlo je odstaveno při nejnižších teplotách, kdy pracuje záložní zdroj. Před odstavením tepelného čerpadla pracují oba zdroje současně

6. Primární zdroje energie pro tepelné čerpadlo

Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo lze rozdělit do dvou kategorií. V první skupině jsou přírodní zdroje primární energie (voda, vzduch, země) a ve druhé skupině je odpadní teplo. Vzhledem k tomu, že v bytových domech nevzniká využitelné odpadní teplo, bude tato kapitola věnována přírodním zdrojům energie.

6.1. Vzduch

Nejčastěji používaný primární zdroj pro tepelné čerpadlo je právě vzduch. Investiční náklady na instalaci tepelného čerpadla vzduch-voda nebo vzduch-vzduch jsou nejnižší. Instalace nevyžaduje žádná speciální povolení úřadů. Teplota venkovního vzduchu je v průběhu roku i dne velmi proměnná a tato proměnná je větší v letním období. Teploty venkovního vzduchu jsou dlouhodobě měřeny, a proto jsou předvídatelné. Tato předvídatelnost umožňuje přesnou analýzu získané a dodané energie z tepelného čerpadla, nejlépe hodinovou simulací ze skutečně naměřených dat pro danou lokalitu (viz. kapitola č. 7).

Nevýhodou vzduchových tepelných čerpadel je vznikající hluk z venkovního ventilátoru. Míra hluku přímo souvisí s velikostí ventilátoru. Další nevýhodou systému je námraza vznikající na výparníku tepelného čerpadla. Množství námrazy souvisí se vzdáleností lamel výparníku. Vznikající led je nutné odmrazovat, což zvyšuje provozní náklady systému.

6.2. Země

Energii ze země lze získávat prostřednictvím horizontálních a vertikálních kolektorů. Množství energie, které lze ze země získat souvisí s parametry zeminy a přítomností podzemní vody v dané lokalitě. Před instalací tepelného čerpadla země-voda je nutností znát přesné parametry podloží z geologického průzkumu. Typizované tabulky s danou tepelnou vodivostí zemin mohou sloužit pouze pro předběžnou bilanci nebo orientační návrh tepelného čerpadla.

6.3. Voda

Vodu lze využívat podzemní nebo povrchovou. Vodní zdroj musí mít během celého roku dostatečnou a nejlépe konstantní vydatnost (průtok), aby bylo účelné ho využívat.

Podzemní voda má většinou konstantní teplotu během celého roku, proto tepelná čerpadla využívající tento systém dosahují vysokého sezónního topného faktoru.

Povrchová voda, například z řeky nebo jezera, má v průběhu roku proměnnou teplotu. V létě je u povrchu teplota vyšší než na dně a v zimě je tomu naopak. Závisí proto na plánované roční době využití tepelného čerpadla, z jakého zdroje bude voda odebírána. Nevýhodou povrchových vodních zdrojů je, že za jejich využívání (odběr a vrácení vody o vyšší teplotě) se platí poplatky zúčastněným orgánům. Další nevýhodou je, že využívání podléhá povolením vodoprávního úřadu.

7. Hodnocení provozu tepelného čerpadla

Hodnotit oběh tepelného čerpadla lze ze dvou hledisek. Jednak z hlediska energetického, kterým se hodnotí pouze oběh porovnáním energie získané a přivedené. Hodnotit lze také z hlediska ekonomického, které bere v úvahu náklady spojené s realizací a provozem celého systému.

7.1. Topný faktor – Coefficient of Performance - COP

Energetické hodnocení vychází z toho, že pro přečerpání tepla odebraného zdroji je nutno přivést poháněcí energii (podle II. zákona termodynamiky) a tím se získá celkové množství tepla. Poměr těchto dvou hodnot je nazýván topný faktor. Topný faktor je ukazatel efektu tepelného čerpadla. Opatření zvyšující topný faktor je ekonomicky efektivní, pokud zvýšené investiční náklady budou uhrazeny zvýšenou úsporou energie a úsporou nákladů při únosné době návratnosti. Topný faktor je nutné stanovovat za přesně stanovených teplotních podmínek v daném časovém úseku.

7.2. Sezónní topný faktor - SPF

Ukazuje se, že nejdůležitějším ukazatelem efektivnosti tepelného čerpadla není topný faktor COP, ale dlouhodobý sezónní topný faktor se zkratkou SPF. Sezónní topný faktor se stanoví dlouhodobým měřením, kdy se do příkonu zahrnují veškeré energie, tzn. energie na pohon kompresoru, pro pohon oběhových čerpadel primárního i sekundárního okruhu, energie pro ohřev oleje kompresoru, příkony cívek elektromagnetických ventilů apod. V případě, že se jedná o tepelné čerpadlo systému vzduch-voda, připočte se i příkon pro pohon venkovního ventilátoru a ztráty energie, která se spotřebuje na odtávání námrazy na výparníku. Výsledné číslo SPF je nižší než COP, ale je objektivním měřítkem energetické výhodnosti celého topného systému.

Reálný topný faktor může být ovlivněn například:

• použitým chladivem
• typem kompresoru
• vnitřními pracovními teplotami v okruhu TČ (vypařovaní a kondenzační teplota)
• pracovním rozdílem teplot médií na primární a sekundární straně

Reálný topný faktor se od teoretického liší neboť:

• na využitelné teplo se nepřemění veškerá energie dodaná do kompresoru - ztráty do okolí jsou cca 5 %
• při bivalentním zapojení je do příkonu potřeba zahrnout i příkon doplňkového zdroje
• je třeba zohlednit i ohřev TV, i když ji tepelné čerpadlo nezajišťuje. Negativní vliv na topný faktor bude tím větší, čím větší podíl na celkové potřebě tepla má příprava TV

7.3. Intervalová metoda hodnocení provozu tepelného čerpadla

Výpočetní hodnocení provozu soustavy s tepelným čerpadlem intervalovou metodou využívá křivku trvání teplot pro otopné období. Otopné období se při výpočtu rozdělí do časových úseků, kterým odpovídá teplotní interval venkovní teploty. Každý z intervalů má přiřazenou střední teplotu a dobu trvání. V intervalech je bilancován tepelný výkon, topný faktor, teplo dodané tepelným čerpadlem a bivalentním zdrojem, energie spotřebovaná tepelným čerpadlem, doba provozu tepelného čerpadla a celková potřeba pomocné energie. Výsledkem hodnocení jsou roční provozní parametry otopné soustavy s tepelným čerpadlem.

Výpočet je popsán v normě ČSN EN 15 316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla. Tato norma se týká tepelných čerpadel pro vytápění a kombinovaných čerpadel pro vytápění a ohřev teplé vody se střídavým nebo současným provozem.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory grantu SGS 14/119/OHK1/2T/11.