Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 5.: Pasivní chlazení

Pasivní chlazení plošným kolektorem TČ, návrh výměníku

Primární okruh TČ země–voda lze využít k pasivnímu chlazení, při kterém se spotřebovává elektrická energie pouze na čerpací práci čerpadel a regulaci. Takové chlazení je šetrné nejen k peněžence, ale i k přírodě.

Zemní vrt je vzhledem k celoročně nižší teplotě použitelný pro chlazení i s fancoily, zatímco plošný kolektor, jehož teplota je v letních měsících vyšší, vyžaduje velkoplošný systém přestupu tepla, tedy zpravidla podlahový, stěnový nebo nejlépe stropní. Jsou známé příklady instalací pasivního chlazení s plošným kolektorem umístěným v hloubce cca 1,5 m v jílovité zemině, ve kterých je v největších letních vedrech dosahováno v chlazeném interiéru cca 26 °C i méně. Samozřejmou součástí takových systémů chlazení musí být zabránění nežádoucích tepelných zisků skrz okna od slunečního záření, tedy důsledné uplatnění stínících prostředků jako jsou žaluzie (vnitřní/venkovní), markýzy, závěsy, slunolamy atp. Nejvýhodnějším řešením je jejich venkovní umístění. Protože každý stínící prvek se vlivem slunečního záření více či méně ohřívá a pokud jím zachycené teplo zůstane ve venkovním prostředí, tím lépe. Část slunečního záření pohlcuje i okenní sklo, a i proto je venkovní umístění stínění výhodnější. Stínění však nemusí být řešeno jen žaluzií, markýzou atp. Hodně pomůže i optimálně navržený přesah okraje střechy nad oknem.

Jak navrhnout výměník

Častý dotaz je, z jakých hodnot vycházet při návrhu deskového výměníku pasivního chlazení v systému s plošným kolektorem. Tedy výměníku, na jehož primární straně proudí nemrznoucí směs z kolektoru a na druhé straně otopná voda, respektive v daném režimu bychom měli spíše hovořit o chladicí vodě, byť se jedná o jednu a tutéž tekutinu.

Podle typu zeminy doporučujeme uvažovat s možným chladicím výkonem 12 až 24 W/m² kolektoru. Pro běžnou zeminu nejčastěji 16 W/m².

Pokud je pro potřeby vytápění a přípravy teplé vody v domě uplatněno TČ země–voda s nominálním topným výkonem 5,8 kW, je zapotřebí plošný kolektor o ploše cca 300 m². U takového kolektoru lze předpokládat chladicí výkon i pro potřeby pasivního chlazení asi 4,8 kW. Pak volíme návrhový chladicí výkon deskového výměníku 4,8 kW. Teplotní návrhové podmínky výměníku jsou níže na obrázku 1.

Obr. 1 Návrhové parametry deskového výměníku pro pasivní chlazení

Rozdíl teploty zpátečky z kolektoru a teploty výstupní chladicí vody

je tzv. teplotní přiblížení. Doporučené teplotní přiblížení je 1 až 2 K. Čím je menší, tím větší výměník musí být zvolen, ale tím bude i vyšší následný výkon chlazení. Návrh uvažuje teplotu zpátečky z kolektoru 18 °C při nejteplejších letních dnech s venkovními teplotami vzduchu okolo 30 °C. Po ukončení otopné sezóny, na začátku chladicí sezóny je teplota v plošném kolektoru nižší. Postupem času, přes léto, však roste, což následně snižuje výkon celého chladicího systému.

Teoreticky by stačilo navrhnout výměník tak, aby byl schopný řešit předpokládané tepelné zisky. Návrhem na předpokládatelný chladicí výkon kolektoru se však vnáší do návrhu zvýšená bezpečnost a rezerva pro možné nepředvídané skutečnosti. Ty mohou být zásadní a trvalé, například může dojít ke změně velikosti oken, změní se typ stínění (slunolamy, žaluzie atd.), a projeví se i méně zásadní a dočasné změny podle užívání stínících prvků (ruční, řízené časovým programem, plně automatizované podle intenzity slunečního záření).

Zásadní je samozřejmě výpočet tepelných zisků, aby se vědělo, zda není pasivní chlazení v daném domě a situaci úplnou utopií. Takový výpočet se většinou vůbec neprovádí, pokud o něj není projektant vyloženě požádán. Zákazník zpravidla nechce platit za projekt. Jindy je důvodem neschopnost výpočtových programů takový výpočet provést, často i ve spojení s malými zkušenostmi projektanta a jeho potřebou se „pojistit proti eventuální reklamaci“. A tak se bez posouzení možnosti pasivního chlazení zvolí rovnou dražší varianta aktivního chlazení (viz obr. 2). Tato varianta je proti pasivnímu chlazení dražší jak na pořízení, tak na provoz, a přitom by mohlo často stačit chlazení pasivní (viz obr. 3).

Obr. 2 Schéma pro aktivní chlazení s TČ země–voda

Obr. 3 Schéma pro pasivní chlazení s TČ země–voda

Při pasivním chlazení vynecháním systému fancoilů a využitím podlahového vytápění pro chlazení by zákazník v domě s podlahovou plochou asi 200 m² (tepelná ztráta okolo 6 kW) a s tepelnými zisky okolo 2 až 4 kW v pořizovacích nákladech ušetřil cca 60 až 100 tis. Kč!

Další úspora v pořizovacích nákladech min. 70 tis. Kč vzniká upřednostněním pasivního chlazení před aktivním. Jak vyplývá ze schémat na obr. 2 a obr. 3, tak rozdíl v jejich složitosti je značný. Pasivní chlazení nevyžadující další prvky v místnosti je i prostorově mnohem přátelštější.

Stínění

Obr. 4 Na stínění lze získat dotaci z programu NZU 2021+. Optimální řízení činnosti stínění příznivě ovlivňuje potřebu tepla na vytápění, ale i na chlazení a tím vytváří prostor pro pasivní chlazení.

Je důležité si uvědomit, že při použití dnes stále oblíbenějších venkovních žaluzií se snižuje hodnota tepelných zisků okny, která běžně mají největší podíl na nežádoucích tepelných ziscích, a to až na pouhých 15 % z původní hodnoty bez jakéhokoliv stínění. Při použití vnitřních žaluziích se tepelné zisky snižují asi jen na 50 (světlé žaluzie) až 70 (tmavé) % původní hodnoty bez stínění. Cílená instalace stínicích prvků, ideálně venkovních, by měla být automatickou záležitostí novostaveb a samozřejmě i zateplovaných stávajících budov. Toto opatření poskytuje velký prostor pro správnou a dostatečnou funkci pasivního chlazení. A že jde o energeticky velmi potřebné opatření, dokazují možnosti dotačního programu NZU 2021+. Do nich je zahrnuta i instalace stínicí techniky s podporou 1 000 až 50 000 Kč. A pokud je spojena s instalací tepelného čerpadla, lze získat i bonus navíc.

Závěr

Zkušenosti z provozu tepelných čerpadel země–voda potvrzují vysoký potenciál snížení spotřeby elektrické energie na chlazení domu, pokud je správně navržen výměník tepla vzhledem ke konkrétním možnostem vrtu nebo zemního kolektoru navrženého primárně pro potřeby vytápění. A co je pro investora rovněž velmi zajímavé, tak i při snížených investičních nákladech proti systémům aktivním.