Vize domu bez spotřeby neobnovitelné energie se přiblížila

„Psal se rok 2010, když v budově Evropské unie v kanceláři výboru pro energeticky úsporné stavebnictví náhle rozrazil dveře šéf výboru a nadšeně k tázavě zvednutým obočím svých kolegů vyslovil tajemnou formuli: 20 – 20 – 20.“ I tak nějak mohl na počátku vypadat záměr na radikální snížení spotřeby energií a snížení emisí CO₂, který v současnosti nejen realizujeme, ale který má mnohem ambicióznější cíl. Dlouhodobá strategie velí do roku 2030 produkovat o 40 procent méně skleníkových plynů ve srovnání s rokem 1990 a do roku 2050 vytvořit v Evropě udržitelný, konkurenceschopný, bezpečný a z pohledu emisí CO₂ neutrální energetický systém.

Evropské směrnice zavedly pojem „budovy s téměř nulovou spotřebou energie“. A stavební průmysl včetně výrobců technických zařízení budov tento pojem umožňují zavést do praxe. Zvyšuje se tepelná izolace budov, na jejich střechách se instalují tepelné a především fotovoltaické solární panely, které se kombinují s tepelnými čerpadly, v řízení provozu se stále více využívá fuzzy logika, předpověď počasí, komunikace po internetu atd.

Obr. Experimentální rodinný dům se v zásadě výrazně neliší od ostatních dnes nejčastěji stavěných domů. Ani velikost fotovoltaické elektrárny není ohromující.

Zatím jsme se zcela vyhnuli tématům, do jaké míry a v jaké kvalitě jsou evropské směrnice uváděny do českého legislativního rámce a praxe, jak a jestli vůbec fungují kontrolní orgány dozorující toto zavádění, jakým způsobem se k problematice postavili projektanti a stavební firmy, do jaké míry jsou využívány obnovitelné zdroje energie a tak dále.

Nejen v českých poměrech si praxe přednostně hledá cestu, jak nařízení Evropské unie, respektive posléze požadavky národní legislativy, splnit s co nejmenší námahou. O to větší respekt je třeba mít k unikátnímu společnému projektu Technologické agentury ČR, Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) ČVUT a české společnosti REGULUS spol. s r.o., který řeší problematiku budoucnosti energetického hospodářství rodinného domu s cílem dosáhnout nezávislosti na neobnovitelných zdrojích energií.

Experimentální rodinný dům

Obr. Pod domem mezi základy je vytvořen zemní zásobník tepla, který akumuluje teplo

Nedaleko města Hlinska stojí v podstatě nenápadný, běžně obývaný rodinný dům. To, co z něj dělá testovací laboratoř, jejíž ambicí je naplnit pojem „téměř nulová spotřeba energie“ beze zbytku, na první pohled zastupuje jen fotovoltaická elektrárna s kolektory, které zakrývají přibližně jen jednu třetinu Sluncem osvícené plochy střechy a na stěně domu tepelný solární kolektor vzduch-voda. Technologický unikát domu řešící otázku „jak ukládat v létě teplo na zimu“ se odehrává pod základy domu. Řešení, jak vyhovět nejpřísnějším evropským nařízením na co největší využití energie z obnovitelných zdrojů, navrhl buštěhradský UCEEB v pozici výzkumného a realizačního pracoviště ČVUT v Praze ve spolupráci se společností REGULUS spol. s r.o., která dodala technická zařízení a finanční podporu poskytla Technologická agenturu.

Toky energií

V létě teplo z venkovního vzduchu prostřednictvím tepelného čerpadla ohřívá vodu pro koupelnu a kuchyni, a nespotřebované teplo se ukládá v zemním zásobníku. V odizolované vrstvě pod základovou deskou domu se hadovitě vine plastová trubka, kterou v létě proudí teplá voda a ohřívá okolní zem, v zimě teče trubkou chladná voda, která odebírá nastřádané teplo a pomocí tepelného čerpadla připravuje teplou vodu i otopnou vodu pro podlahové vytápění. V zemním zásobníku proudí skutečně jen voda. Nikoli dražší a méně ekologická směs vody a nízkotuhnoucí tekutiny, jejíž využití původně navrhovali vědci.

Obr. Schéma řešení energetického hospodářství experimentálního rodinného domu se sezónní akumulací tepla pod základem domu. V domě je použito nucené řízené větrání

Popis systému

V energetickém systému domu byly použity a instalovány nově vyvinuté prvky: tepelné čerpadlo, kombinovaný zásobník tepla a zemní zásobník tepla. Blíže viz literatura [1], [2] a [3].

Celý systém je napojen na inteligentní regulátor a měřicí systém pro účely dlouhodobého monitoringu. Vzhledem k demonstrační a výzkumné povaze systému byly instalovány nejen prvky, které zabezpečují komfort v rodinném domě a experimentální „ladění“ systému, ale umožňují i provádět další experimenty a optimalizaci provozu instalovaných prvků. Jedná se především o centrální energetický uzel tvořený teplovodním zásobníkem o objemu 300 l a záložní zemní smyčku pro činnost tepelného čerpadla. Na žádost majitele rodinného domu byl realizován kombinovaný zásobník ve větším objemu, než se původně předpokládalo jako výsledné optimum ze simulací.

V experimentu použité modifikované tepelné čerpadlo instalované v technické místnosti rodinného domu může svým výparníkem odebírat teplo buď z venkovního vzduchového chladiče (systém vzduch-voda) nebo z centrálního zásobníkového uzlu (systém voda-voda), do kterého je požadované teplo dodáváno buď ze zemního akumulačního zásobníku, a nebo v případě nedostatečné teploty v zásobníku ze záložní zemní smyčky, zemního kolektoru v okolí domu.

Regulátor automaticky spouští zemní zdroje tepla podle priority a podle nastavené teplotní diference (zimní období). V letním období je adaptivně řízeným tepelným čerpadlem podle výkonu FV systému přečerpáváno teplo z okolního prostředí (venkovní vzduch) přes kombinovaný zásobník tepla do sezónního zemního zásobníku (nabíjení podloží).

Na kombinovaný zásobník jsou napojeny tři odběrové okruhy:

• příprava teplé vody a její cirkulace,
• nízkoteplotní vytápění
• a okruh výměníku větrací VZT jednotky.

Tepelné čerpadlo je na kombinovaný zásobník napojeno čtyřtrubkově pro samostatné nabíjení horní zóny (příprava teplé vody vyžadující vyšší teplotu) a spodní zóny (vytápění vyžadující nižší teplotu). Regulace současně umožňuje při natápění spodní zóny kondenzátorem při nízké kondenzační teplotě chladiva malým průtokem nabíjet horní zónu teplem z chladiče přehřátých par chladiva s vysokou teplotní úrovní. Vysoká teplota je tak oproti běžným tepelným čerpadlům výhodně využita pro přípravu teplé vody bez navýšení spotřeby elektřiny kompresorem.

Regulátor vyhodnocuje podle měřeného výkonu FV systému a příkonu tepelného čerpadla potřebné nastavení otáček kompresoru tak, aby při nabíjení zemního zásobníku tepla tepelné čerpadlo nespotřebovávalo žádnou elektrickou energii ze sítě. Podobně je tomu v případě přehřívání kombinovaného vodního zásobníku tepla nad běžnou nastavenou teplotu.

Vzhledem ke skutečnosti, že celý primární okruh využívá jako teplonosnou látku vodu (nikoli nemrznoucí směs), regulátor velice detailně vyhodnocuje pracovní teploty na výparníku tepelného čerpadla a v obou zemních zdrojích tepla, aby nedošlo k podkročení zámrzné teploty. Při startu tepelného čerpadla regulátor snižuje otáčky na minimální úroveň 20 Hz, aby nedošlo k náhlému zchlazení výparníku pod teplotu zamrznutí.

Výsledky testu

Po úvodním testování během části sezóny 2017/2018, kompletním testu 2018/2019 a nyní probíhajícím testům 2019/2020 je k dispozici dost údajů k tomu, aby se mohlo konstatovat, že vše funguje dle předpokladu. Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., vedoucí výzkumného týmu Energetické systémy budov v UCCEB skromně tvrdí, že vlastně nevymysleli nic nového. Že jen vhodně využili již existující přístupy a zařízení. Navržené řešení bezpochyby významně snižuje uhlíkovou stopu domu například i tím, že se zemní zásobník se v letních měsících nabíjí 100 % jen pomocí plně obnovitelné solární elektřiny bez elektrického proudu ze sítě. Regulací otáček kompresoru tepelného čerpadla, a tedy jeho výkonu, je v době, kdy je intenzita slunečního záření nižší, teplo do zemního zásobníku dodáváno ve volnějším tempu a naopak. „Dům z 85 procent využil pro vytápění, ohřev vody a provoz otopného systému energii z fotovoltaiky a teplého letního vzduchu. Doporučení Evropské komise, které pro klimatickou oblast České republiky stanovuje rozmezí spotřeby neobnovitelné primární energie 15 až 30 kWh/m² za rok, splňuje dům v reálném provozu, nikoli pouze ve fiktivních bilančních výpočtech, kdy se od zimní spotřeby elektřiny jednoduše odečte letní produkce fotovoltaiky bez zohlednění skutečného využití. Podle dosažených hodnot energetický systém domu systém vykazuje méně než třetinový energetický nárok oproti českému požadavku na energetickou náročnost pasivních domů, které byly dosud považovány za špičku v oblasti výstavby,“ dodává Tomáš Matuška. Jedná se tedy o velmi dobrý výsledek, jehož širší uplatnění by přispělo ke splnění závazku, který Česká republika přijala.

Shrnutí

Dlouhodobá, sezonní akumulace sluneční energie ještě asi nějakou dobu zůstane v oblasti výzkumů, byť pokusů o její realizaci přibývá. V experimentálním rodinném domě je použit výzkumný prototyp tepelného čerpadla, o jehož sériové výrobě se zatím jen uvažuje. Nelze tedy hovořit o jeho ceně, neboť k dispozici není ani odhad případné poptávky. Některé poznatky z výzkumů jsou však již v praxi aplikovány. „Jedná se o sofistikovaný systém tepelného čerpadla využívající přebytky z fotovoltaické elektrárny s krátkodobou akumulací tepla. Tyto systémy jsou vhodné především pro novostavby rodinných domů a v současnosti je možné na takové systémy získat dotaci 150 000 Kč z programu Nová zelená úsporám. Vznikají nové příležitosti, na které by měli myslet nejen techničtí projektanti, ale i architekti. Aby tvarové řešení domů, jejich orientace vůči světovým stranám, neznemožňovaly využití aktuálních, ale i budoucích možností ke snížení jejich uhlíkové stopy.

Literatura:

1. SEDLÁŘ, J., T. STRAKA a M. BROUM. Tepelné čerpadlo s chladičem přehřátých par a kompresorem s řízenými otáčkami. Prototyp. 2016.
2. KALINA, J., J. BĚŤÁK, T. MATUŠKA a B. ŠOUREK. Kombinovaný vodní zásobník tepla. Prototyp. 2016.
3. MATUŠKA, T. a M. BROUM. Zemní zásobník tepla. Funkční vzorek. 2016