Energetická účinnost TČ ve stávajících budovách
Častý názor, že tepelná čerpadla jsou vhodná pouze pro novostavby nebo zateplené budovy, lze pokládat za překonaný. Dokazují to výsledky výzkumu ve Fraunhoferově Institutu (ISE) zjištěné u starší zástavby v rámci více dlouhodobě sledovaných projektů.
Úvodem
- Tepelná čerpadla využívající k pohonu elektřinu jsou důležitým prvkem ke snížení uhlíkových emisí ve stavebnictví, a tedy i u starší zástavby.
- Proti používání tepelných čerpadel v budovách, které ještě nebyly po energetické stránce plně rekonstruovány, stále existují četné výhrady.
- Přesnější vědecká analýza a také studie z terénního výzkumu ukazují, že mnohé výhrady jsou nesprávné, zastaralé nebo nadhodnocené: z projektů dlouhodobého terénního výzkumu vyplývá, že o dobré energetické účinnost tepelného čerpadla nerozhoduje pouze druh otopných ploch, ale také pečlivě provedený projekt, instalace a seřízení soustavy.
- Výsledky terénního výzkumu kromě toho vyvrací názor, že je při provozu nutné časté přímotopné přitápění elektřinou a že v důsledku toho dochází k většímu nárůstu provozních nákladů na vytápění. Časté přitápění elektřinou nás však upozorňuje spíše na závady, chyby nebo nedostatky.
Obrázek 1. Příklad možného řešení. V tomto rodinném domě z roku 1994 s vytápěnou plochou 130 m2 byl po 25 letech provozu nahrazen uhelný kotel tepelným čerpadlem se dvěma geotermálními sondami (každá o délce 70 m a výkonu 10,4 kW). Tepelné čerpadlo bylo použito v kombinaci se solární soustavou a fotovoltaikou. (Zdroj: BWP)
Na otázku, jak dobře tepelné čerpadlo pracuje, lze odpovědět pomocí více hledisek a charakteristických údajů. Většinou se však touto otázkou ptáme na energetickou účinnost. Energetická účinnost TČ se zjišťuje nejprve ve zkušební laboratoři za definovaných pracovních podmínek, konkrétně se zjišťují hodnoty tzv. topných faktorů (hodnoty COP = Coefficient of Performance), což je poměr vyrobené tepelné energie ke spotřebované energii. Pomocí těchto hodnot je pak možné různé typy tepelných čerpadel spolu vzájemně porovnávat.
Poněkud názornější, a to nejen pro koncové uživatele, jsou hodnoty sezónní energetické účinnosti JAZ (z němčiny Jahresarbeitszahl, v českém a slovenském prostředí se častěji používá SCOP = sezónní topný faktor), které jsou vypočteny z hodnot COP pro různé provozní podmínky podle normativního, vzorového provozního profilu tepelného čerpadla. Udávají, jakou energetickou účinnost můžeme od TČ očekávat za určitých venkovních teplot a výstupních teplot otopné vody. Umožňují nám stanovit odhad provozních nákladů soustavy.
A konečně, existují ještě průměrné hodnoty energetické účinnosti zjišťované měřením v terénu za reálných podmínek během určitého období (většinou jeden rok). Také tyto údaje patří mezi provozní charakteristiky. Udávají průměrnou energetickou účinnost TČ za dané období skutečně dosaženou v konkrétním případě. Přehled charakteristik, týkajících se energetické účinnosti TČ, je na obrázku 2.
Obrázek 2. Klasifikace charakteristik pro energetickou účinnost tepelných čerpadel (©Fraunhofer ISE)
Průměrné hodnoty energetické účinnosti tepelných čerpadel v provozu
Fraunhoferův institut ISE provedl v průběhu 20 let terénní měření asi u 300 soustav s tepelnými čerpadly a vyhodnotil provozní charakteristiky TČ. Na obrázku 3 jsou uvedeny výsledky ze dvou projektů, realizovaných u starších budov.
Realizace projektů probíhala přibližně v rozmezí 10 let. Zjištěné zvýšení průměrné energetické účinnosti u tepelných čerpadel solanka-voda z hodnoty 3,3 na 4,1 lze proto částečně vysvětlit technologickou inovací TČ. Další příčinou rozdílných výsledků jsou odlišné energetické vlastnosti budov podrobených výzkumu.
V prvním projektu byly do výzkumu zahrnuty převážně budovy, u nichž ještě nedošlo k rekonstrukci a až 90 % z nich bylo vytápěno otopnými tělesy. Druhý projekt sice zahrnoval domy staré 15 až 150 let, z nichž ale některé již byly podrobeny částečné, případně celkové rekonstrukci. Všechny hodnoty energetické účinnosti byly zjišťovány u soustav s tepelnými čerpadly, která sloužila jak pro vytápění místností, tak pro přípravu teplé vody. Při vyhodnocování byla zohledněna také spotřeba elektrické energie na přitápění.
Obrázek 3. Hodnoty energetické účinnosti u soustav s tepelnými čerpadly, zjištěné v rámci dvou terénních měření u starších budov (©Fraunhofer ISE)
Při měření 29 tepelných čerpadel vzduch-voda, v době od června 2018 do června 2019, byly dosahovány hodnoty průměrné roční energetické účinnosti v rozmezí 2,5 až 3,8. Jejich aritmetický průměr činil přibližně 3,1. Dvě extrémně vysoké hodnoty, vycházející mimo uvedené rozmezí (u domů již plně rekonstruovaných), byly z vyhodnocení vyloučeny.
U 12 tepelných čerpadel solanka-voda vycházela hodnota průměrné roční energetické účinnosti v rozmezí 3,3 až 4,7 s aritmetickým průměrem asi 4,1. Z vyhodnocování zde byla vyloučena jedna extrémně nízká hodnota 1,8.
Z dosažených výsledků vyplývá, že tepelná čerpadla, napájená elektřinou pocházející z různých zdrojů v podmínkách Německa, jsou již dnes zdrojem nižších emisí CO2, než u otopné soustavy se zdrojem tepla na plyn nebo extralehký topný olej.
Vliv vstupních teplot vody a druhu otopné plochy
Obrázek 4. Průměrná roční energetická účinnost v závislosti na nejvyšší vstupní teplotě otopné vody, zjištěná u 41 soustav s tepelným čerpadlem vzduch-voda s různým řešením otopných ploch. (©Fraunhofer ISE)
Uvedené, velmi zhuštěné vyjádření hodnot nám podává pouze hrubou představu o zkoumaných soustavách s tepelnými čerpadly. Příklad s podrobnějším vyhodnocením je uveden na obrázku 4. Graf obsahuje hodnoty průměrné roční energetické účinnosti zjištěné u 41 tepelných čerpadel vzduch-voda v režimu dodávky tepla pro vytápění objektu.
U každé soustavy je v grafu patrná dosažená průměrná roční energetická účinnost společně s nejvyšší (denní) vstupní teplotou otopné vody. Použité tři barvy označují různé řešení otopných plochy Oranžová platí pro domy s otopnými tělesy, modrá pro domy s podlahovým vytápěním a zelená pro domy se smíšenými otopnými plochami.
Nejprve je zde patrná obecná závislost: čím jsou nižší vstupní teploty, tím vyšší vychází energetická účinnost. V praxi se tak potvrdila platnost teoretických úvah. V reálných podmínkách se také potvrdil i předpoklad, že otopné soustavy s podlahovým vytápěním mají tendenci dosahovat vyšších hodnot energetické účinnosti než soustavy, vyžadující vyšší vstupní teploty vody.
Obrázek 5. Místnost se zdrojem tepla tvořeným tepelným čerpadlem v rodinném domu z obrázku 1. Tepelné čerpadlo instalované v roce 2018 ve spolupráci s podlahovým vytápěním vykázalo hodnotu JAZ = 5,24. (©Fraunhofer ISE)
Na obrázku stojí za povšimnutí velký rozptyl hodnot. Většina výsledků se nachází někde mezi hodnotami energetické účinnosti 3 a 4. Její průměrná hodnota z výsledků ze všech soustav se blíží hodnotě 3,3. Jak u soustav s podlahovým vytápěním, tak s otopnými tělesy však byly dosahovány obdobné hodnoty energetické účinnosti. Naproti tomu u sedmi soustav, všechny s velmi podobnou vstupní teplotou vody kolem 48 °C, vycházely hodnoty průměrné roční energetické účinnosti 1,5 až 3,9. Je to rozmezí mimořádně velké a upozorňuje nás na možnou přítomnost dalších vlivů.
Vyskytly se například soustavy s nápadně nízkými hodnotami energetické účinnosti kolem 1,5, a to spíše u starších TČ, které již samy vykazovaly velmi nízké standardní hodnoty topného faktoru COP. Rozhodující zde je i zjištění, že vzhledem k nedostatkům v projektu musel být u těchto soustav poměrně často v provozu elektrický dohřev otopné vody.
Samotné teploty otopné vody tedy nejsou pro průměrnou roční energetickou účinnost soustav s TČ vždy rozhodující. Tento poznatek je povzbudivý zvláště pro případy, kdy jsou poměrně vysoké vstupní teploty otopné vody nutné. I u takových soustav lze zpravidla dosáhnout více příznivých hodnot energetické účinnosti.
Z poznatku však také vyplývá, že není rozhodující jen samotné řešení otopných ploch, ale také pečlivé provedení projektu, instalace a seřízení soustavy s tepelným čerpadlem.
Průměrné hodnoty energetické účinnosti lze považovat minimálně za příznivé
Z výsledků studií vyplývá, že tepelná čerpadla mohou být i u starších budov spolehlivým a z ekologického hlediska příznivým zdrojem tepla. Provoz jednotek TČ byl obvykle bezvadný, k poruchám docházelo jen zřídka. Projevuje se zde již i jejich postupná optimalizace, tj. významné vylepšení konstrukcí TČ v posledních letech, které bude jistě pokračovat dalšími inovacemi i do budoucna. Průměrné hodnoty energetické účinnosti však můžeme již dnes považovat minimálně za příznivé.
Vliv elektrického dohřevu na energetickou účinnost
Otopné soustavy s tepelnými čerpadly jsou většinou vybaveny i nějakým prvkem pro přímotopný dohřev elektřinou. To vstupuje do dodávky tepla obvykle až po dosažení určité venkovní teploty, například −5 °C, nazývané bivalentní bod, bod bivalence atp., a to buď samostatně nebo v současném provozu s tepelným čerpadlem. Díky tomu může projektant u tepelného čerpadla vzduch-voda snížit požadavek na jeho návrhový jmenovitý výkon.
Zvolený menší výkon TČ může jednak vylepšit hospodárnost soustavy nižší pořizovací cenou, jednak optimalizuje činnost tepelných čerpadel při vyšších venkovních teplotách. Příliš velký rozdíl mezi tepelnými ztrátami budovy a výkonem tepelného čerpadla, tedy volba neúměrně velkého výkonu TČ, způsobuje, že se musí častěji uvádět do provozu kompresor na kratší dobu, což se záporně projeví na jeho životnosti, pokud tento vliv není zohledněn při návrhu otopné soustavy. U tepelných čerpadel s regulovaným výkonem, schopných svůj výkon automaticky přizpůsobit existujícím podmínkám, k tomu dochází podstatně řídčeji.
Poznámka redaktora
Na druhou stranu, v TČ s regulovaným výkonem je kompresor v provozu delší dobu, a tedy podroben delší době případného mechanického opotřebení. Rychlost opotřebení silně závisí na konstrukci kompresoru, způsobu mazání pohyblivých částí aj. Nicméně TČ s regulovaným výkonem se mnohem jednodušeji přizpůsobují vlastnostem otopných soustav.
V porovnání s tepelným čerpadlem má elektrický dohřev výrazně horší energetickou účinnost. Vycházíme z toho, že přemění jednotku elektrické energie na stejnou jednotku tepla (pracuje s COP rovným 1). Většina tepelných čerpadel naproti tomu dodá tři až čtyři jednotky tepla při spotřebě jediné jednotky elektrické energie. Jsou proto 3krát až 4krát hospodárnější.
Jak často dochází k elektrickému dohřevu?
Obrázek 6. Vyhodnocení provozu elektrického přitápění u 266 otopných soustav s tepelnými čerpadly podrobených měření v reálných podmínkách (©Fraunhofer ISE)
Jestliže se elektrické topné těleso v otopné soustavě s tepelným čerpadlem uvádí do provozu často, je to špatné jak s ohledem na provozní náklady, tak i z ekologického hlediska. V některých zemích je proti tepelným čerpadlům často používán i předsudek, že jejich přímotopný elektrický dohřev je využíván často a náklady na vytápění proto výrazně rostou. Výzkum provedený v terénních podmínkách to však jednoznačně vyvrací.
Na obrázku 6 je porovnání průměrných výsledků terénního výzkumu, který se uskutečnil u 266 soustav s tepelnými čerpadly. Z toho bylo v uplynulých 15 letech v rámci čtyř výzkumných projektů podrobeno zkouškám celkem 117 tepelných čerpadel vzduch-voda a 149 solanka-voda (dva projekty z nové a dva ze starší zástavby).
Ze 100 % spotřebované elektrické energie (modrá plocha) bylo tepelnými čerpadly vzduch-voda dodáno 292 % tepelné energie a tepelnými čerpadly solanka-voda pak 382 % (zelená plocha). Odpovídá to hodnotám průměrné roční energetické účinnosti 2,9 a 3,8. Oranžová plocha zobrazuje spotřebu elektřiny elektrického topného tělesa při dohřevu.
U tepelných čerpadel vzduch-voda byl podíl elektrické energie spotřebované topným tělesem pouze 2,8 %. Je zde však třeba vzít v úvahu, že přibližně u poloviny soustav nebylo elektrické topné těleso vůbec v provozu (nezávisle na tom, zda u nové, či u starší zástavby).
V rámci projektu WPsmart vycházel poměrný podíl elektrického dohřevu při průběžném sledování u starších budov s tepelnými čerpadly vzduch-voda asi 1,9 %. Výraznější provoz elektrického dohřevu byl zjištěn jen při špatném seřízení, u soustav s provozními závadami, či v důsledku ochranného opatření, teplotní dezinfekce, proti legionelám při přípravě teplé vody.
U tepelných čerpadel země-voda byl podíl el. dohřevu znatelně nižší, než u tepelných čerpadel vzduch-voda a činil průměrně pouze 1,2 %. U 75 % soustav zde nebylo zjištěno žádné přitápění elektřinou. S tepelnými čerpadly solanka-voda však slouží elektrické topné těleso spíše pouze jako pojistka, pro případ výskytu nějaké závady.
Jaké náklady vznikají provozem elektrického dohřevu?
Vzniklé náklady závisí na více faktorech. V následujícím výpočtu byl uvažován domek se 150 m2 vytápěné plochy, s tepelným čerpadlem o průměrné energetické účinnosti 3,0, při ceně za elektřinu 25 Ct/kWh (cca 6,40 Kč).
Za předpokladu, že na el. dohřev připadá podíl 2 % z celkové spotřeby elektřiny, vychází jeho roční náklady u starší, nerekonstruované budovy s potřebou tepla na vytápění 150 kWh/(m2.a) na asi 37,50 Euro (přímý přepočet 950 Kč, není zohledněna skutečná cena elektřiny v ČR v tarifu pro TČ). U nové budovy s potřebou tepla na vytápění 50 kWh/(m2.a) je to pouze 12,50 Euro (přímý přepočet 318 Kč, není zohledněna skutečná cena elektřiny v ČR v tarifu pro TČ).
Z teorie i praxe vyplývá, že podíl dohřevu elektřinou na spotřebě tepla u správně vyprojektovaných a dimenzovaných soustav s tepelnými čerpadly nepřekročí 3 %. Vyšší podíl pak většinou signalizuje spíše potřebu optimalizace soustavy. Je tedy zřejmé, že elektrický dohřev nijak významně neovlivňuje energetickou účinnost tepelného čerpadla.
Poznámka redaktora
Výsledky prezentované v této práci je nutné vztahovat k podmínkám, za nichž byly zjištěny. Zásadní je v závěru zmíněná podmínka „u správně vyprojektovaných a dimenzovaných soustav s tepelnými čerpadly“.
Skutečný podíl přímotopného elektrického dohřevu závisí například i na tom, zda jsou otopná tělesa schopná při dané vstupní teplotě otopné vody z TČ přenést celý výkon TČ, který je v konkrétním případě k dispozici, bez dohřevu. Výkon otopných těles závisí na střední teplotě otopné vody, mezi vstupem a výstupem z tělesa, a s poklesem této teploty výkon exponenciálně klesá. Takže i když by TČ mohlo dodat více tepla, za daných teplotních podmínek jej nemusí být otopná tělesa schopná do místností přenést. Tuto podmínku v praxi České republiky, bohužel, neplní některé případy nasazení TČ do starších otopných soustav. A to se projevuje následnými stížnostmi provozovatelů na neočekávaně vysoké provozní náklady vznikající vlivem častějšího dohřevu. Přitom v rámci českých dotačních programů podporujících instalace TČ lze získat i podporu na inženýrskou činnost pro optimalizaci vztahu jmenovitého výkonu TČ a vlastností napojené otopné soustavy.
Překlad:
Ing. Antonín Chyba
Redakční úpravy a drobné doplňky s ohledem na české prostředí:
Ing. Josef Hodboď
The common view that heat pumps are only suitable for new or refurbished buildings with a focus on energy can be considered obsolete. This is evidenced by the results of research at the Fraunhofer Institute (ISE) found in older buildings in several long-term projects.