Tepelné čerpadlo 7 kW jako doplněk k plynovému kotli v domě s tepelnou ztrátou 14 kW

Existuje mnoho starších rodinných domů s plynovým kondenzačním kotlem, jejichž majitelé se obávají růstu nákladů za spotřebu zemního plynu. Často využívají zemní plyn i k přípravě jídla, a tak případné odstřižení od zemního plynu by pro ně znamenalo další vyvolanou investici spojenou s přechodem na plně elektrifikovanou domácnost. Mnozí z majitelů těchto domů pamatují cenové kotrmelce na trhu se zdroji energií v nedávné historii cca 30 let. Proto jsou velmi opatrní a nechtějí vsadit budoucnost svého domu jen na jednu kartu. Tepelné čerpadlo se jim líbí, ale jak se rozhodnout?

Výhradní přechod na tepelné čerpadlo není jediná možnost. Druhou je ponechání kotle jako doplňkového zdroje tepla a soustavu rozšířit o tepelné čerpadlo s menším výkonem, než jaký je zapotřebí na pokrytí celé výpočtové tepelné ztráty. A proč s menším výkonem? Protože hledáme řešení investičně úsporné, ale takové, které sníží náklady na teplo. Snížení investiční ceny může mít větší přínos než snížení provozních nákladů. Kde ale najít optimální hranici?

Dopad nižšího výkonu tepelného čerpadla na pokrytí potřeby tepla

Obr. 1 Graf popisující četnost potřebného výkonu zdroje tepla pro vytápění během otopné sezóny. Závislost není lineární! [1]

Spotřeba energie na vytápění rodinného domu (RD) se mění především podle teploty venkovního vzduchu. Je-li venku chladněji, spotřeba roste, je-li tepleji, spotřeba klesá. Průměrně se na základě historických dat počítá, že topná sezóna trvá 248 dnů. Je-li dům dobře zateplený, v dnešním standardu budov s téměř nulovou potřebou energií, může být délka topné sezóny výrazně kratší, 220 i méně dnů. Rozložení denní potřeby tepla na vytápění během topné sezóny však není rovnoměrné. Dnů s nízkými teplotami je poměrně málo, a to je fakt, který lze využit pro určení výkonu tepelného čerpadla, kterým by se doplnil plynový kotel.

Obr. 2 Tepelným čerpadlem navrženým na 50% pokrytí výpočtové tepelné ztráty vytápění lze pokrýt cca 83 % celoroční potřeby tepla [1]

Základem úvahy je četnost výskytu dnů podle venkovních teplot během otopné sezóny. Tato závislost není lineární. Proto určitému poměrnému snížení výkonu tepelného čerpadla oproti výpočtové tepelné ztrátě neodpovídá ve stejném poměru snížené pokrytí potřeby tepla. Pokles snížení pokrytí potřeby tepla je výrazně pomalejší než pokles výkonu tepelného čerpadla, viz obr. 1. Co to znamená?

Například autoři [1] odvodili, že tepelné čerpadlo s výkonem odpovídajícím pouhým 50 % výpočtové tepelné ztráty je schopné pokrýt cca 83 % celoroční potřeby tepla, viz obr. 2. A toto má velmi významný dopad na výslednou ekonomiku investice do tepelného čerpadla.

V jiné studii [2] autor uvádí rozbor, ve kterém zdroj tepla rozdělil do tří stejných výkonových stupňů. Při lineárním (nesprávném) průběhu rozdělení četnosti teplot během topné sezóny kryjí první dva stupně, tedy 2/3 potřebného výkonu zdroje vzhledem k výpočtové tepelné ztrátě domu, 88,7 % potřeby tepla. Na poslední třetí stupeň, tj. na 1/3 výkonu zdroje vzhledem k výpočtové tepelné ztrátě domu, zbývá nutnost pokrýt jen 11,8 % potřeby tepla. Pokud se použije správný nelineární průběh rozdělení četnosti teplot během topné sezóny, tak první dva stupně (tj. 2/3 výkonu zdroje) pokryjí dokonce 96,9 % potřeby tepla a na poslední třetí stupeň (tj. na 1/3 výkonu zdroje) připadá nutnost pokrýt pouhé 3,1 % potřeby tepla.

Obr. 3 Pokrytí potřeb tepla třemi shodnými výkonovými stupni zdroje tepla při vnější / vnitřní výpočtové teplotě −15 / 22 °C. [2]

Pokud bychom zmíněné 2/3 výkonu zdroje označili za základní výkon tepelného čerpadla (tedy 100 %), pak tento základní výkon bezpečně a s jistotou pokryje více než 90 % potřeby tepla pro vytápění během celého roku, viz obr. 3. Abychom zajistili zbývajících méně než 10 % potřeby tepla během roku, muselo by být zvoleno tepelné čerpadlo s výkonem o 50 % vyšším (o polovinu!), tedy 150 % oproti výkonu, který jsme označili jako základní. A to v pořizovací ceně TČ znamená zásadní zdražení. Toto pravidlo platí pro jakýkoliv zdroj tepla k vytápění, nejen pro TČ.

Nutno konstatovat, že mnozí výrobci TČ s výše uvedeným faktem počítají a skrytě ho využívají. Prakticky každé TČ má v sobě integrován elektrický přímotopný prvek, zpravidla elektrické topné tyče. Pokud výrobce výslovně neuvádí, že daný typ TČ dosahuje deklarovaný výkon potřebný pro pokrytí výpočtové tepelné ztráty domu při výpočtové teplotě venkovního vzduchu jen činností samotného TČ, je velká pravděpodobnost, že skutečný výkon TČ je nižší a výrobce ho doplnil právě tím přímotopným elektrickým prvkem. A proč to tak udělal? Protože mu to umožní snížit výrobní náklady použitím výměníků i kompresoru s menším výkonem a nabídnout TČ za nižší cenu. Na zkušebně se dosáhne s daným TČ velmi vysoký topný faktor, protože normy pro zkoušení umožňují výrobci si podmínky zkoušky do určité míry volit, ale pokud se v praxi musí využít plný deklarovaný výkon TČ, tak je topný faktor nižší. Protože ho sníží nutné použití přímotopného elektrického prvku. Sice jen pro výrobu menší části roční spotřeby tepla k vytápění, ale zcela jistě. Tento fakt je nutné vzít v potaz, neboť v další části článku je uvažována kombinace plynového kotle a TČ, které není vybaveno elektrickým přímotopným prvkem nebo je tento prvek vyřazen z provozu.

Například v článku Je výhodné vyměnit plynový kondenzační kotel za tepelné čerpadlo ve starším rodinném domě? byla uvedena měrná investiční cena TČ vzduch-voda, která se (červen 2022) pohybovala mezi cca 40 000 Kč/kW pro TČ s výkonem 5 kW a cca 19 000 až 25 000 Kč/kW pro TČ s výkonem 15 kW. Pokud by majitel domu chtěl TČ, ale nemá nadbytek financí, pak pro něj může být vhodné doplnit plynový kotel TČ například s polovičním výkonem oproti tepelné ztrátě domu. Pokud bychom uvažovali například starší RD s tepelnou ztrátou 14 kW, tak TČ vzduch-voda s výkonem 7 kW by mohlo stát cca 230 tisíc Kč a jeho instalace cca 20 tisíc Kč. Přitom toto TČ bude pracovat v poměrně příznivých provozních podmínkách. Tedy při dostatečně vysoké teplotě venkovního vzduchu pro dosažení vysokého topného faktoru. Současně s dostatečným objemem otopné vody v soustavě, neboť při výkonu 7 kW se doporučuje minimální objem otopné vody 70 litrů, což by soustava navržená na výkon 14 kW měla splňovat.

Orientační porovnání nákladů

Úvahu o ekonomice provozu si zjednoduším rozhodnutím, že vyloučím paralelní, současný, provoz obou zdrojů tepla. V provozu bude buď jen plynový kotel nebo jen tepelné čerpadlo, omezím se jen na vytápění a nezohledním tepelné zisky z ostatních elektrických spotřebičů.

Základní údaje

• Výpočtová tepelná ztráta 14 kW
• V domě bydlí 4 osoby, rodina s dětmi
• Nulová spotřeba teplé vody
• Nulová potřeba ostatních elektrických spotřebičů

K orientačnímu porovnání nákladů na vytápění, bez přípravy teplé vody, celoročně jen s plynovým kondenzačním kotlem pracujícím s účinností 102 % (Účinnost počítána k výhřevnosti. Ke spalnému a fakturovanému teplu je 92 %) s náklady, kdy 83 % celoroční potřeby tepla na vytápění pokrývá TČ vzduch-voda s průměrným topným faktorem 3,3 a zbytek 17 % pokrývá zmíněný plynový kondenzační kotel, využívám on-line pomůcku Porovnání nákladů na vytápění, teplou vodu a elektrickou energii – TZB-info, Výpočet provozních a investičních nákladů u rodinných domů.

Pomocí této pomůcky jsem provedl výpočet nákladů na vytápění jen se stávajícím plynovým kondenzačním kotlem. Při výpočtu se zjistí nejen náklady na vytápění zemním plynem, ale z výpočtu vyplyne i celoroční potřeba tepla na vytápění. Tuto potřebu tepla následně rozdělím na uvažovaných 83 %, pro které v samostatném výpočtu stanovím náklady s využitím TČ a zbývajících 17 %, pro které v jiném samostatném výpočtu stanovím náklady s využitím stávajícího plynového kondenzačního kotle.

V pomůcce použité výpočtové algoritmy stanovující potřeby tepla, energií a paliv, jsou nastaveny tak, aby výsledky byly využitelné pro základní porovnání. Velké množství parametrů, především cen, si může každý upravit podle svých konkrétních možností. Pro stanovení cen zemního plynu a elektřiny jsem využil další on-line pomůcku na TZB-info, a to Kalkulátor cen energií. Vzhledem k pohybům, které nyní na trhu s energiemi panují, je pravděpodobné, že v příkladu použité ceny mohou být odlišné od aktuálně platných.

O výsledku tedy rozhodne:

• Cena elektřiny
• Průměrný provozní topný faktor tepelného čerpadla
• Pořizovací cena TČ
• Zřízení samostatně jištěné elektrické přípojky pro napájení TČ od domovního rozvaděče, instalace HDO přijímače a revize elektro pro získání sazby na elektřinu D57d určenou pro TČ (Pokrytí 83 % potřeby tepla na vytápění je pro tuto sazbu plně postačující)
• Instalační náklady související s napojením TČ na otopnou soustavu
• Servisní náklady na provoz tepelného čerpadla
• Cena zemního plynu
• Účinnost kotle
• Servisní náklady na provoz plynového kotle

Ze zvolených základních parametrů vychází v Porovnávači nákladů tyto hodnoty:

V případě jen plynového kotle bude použita potřeba tepla pro vytápění 30 855 kW. Vzhledem k účinnosti kotle jde o roční potřebu 33 891 kWh, které musí být nakoupeny. V případě kombinace plynový kotel + TČ bude na plynový kotel připadat 17 %, tedy 5245 kWh tepla, a tomu odpovídá cca 5700 kWh v zemním plynu. Na TČ připadá pokrýt 83 %, tedy 25 610 kWh, a to vzhledem k topnému faktoru 3,3 znamená nakoupit 7760 kWh elektřiny.

Stávající jen plynový kotel

Jedná se o stávající stav, takže do výpočtu vstupují jen náklady na zemní plyn a roční servis kotle. Servis odhadem 2500 Kč ročně, cena zemního plynu 3,77 Kč/kWh (sumárně, Innogy, Start 12). Roční náklady RN_C jsou ve výši

Stávající plynový kotel doplněný tepelným čerpadlem

U kondenzačního plynového kotle se jedná se o stávající stav, takže do výpočtu vstupují jen náklady na zemní plyn a roční servis kotle. Servis vzhledem k nižšímu vytížení kotle odhadem 1500 Kč ročně, cena zemního plynu 4,14 Kč/kWh (sumárně, Innogy, Start 12). Roční náklady RN_KPK jsou ve výši

Tepelné čerpadlo musí být nově instalováno. Investiční náklady odhadem 230 000 Kč, instalace 20 000 Kč včetně zřízení elektrické přípojky. To vše s životností 15 let a pravidelným servisem přestavuje náklady cca 17 000 Kč ročně.

Cena elektřiny 8,3 Kč/kWh (prakticky již není rozdíl mezi nízkým a vysokým tarifem!) a měsíční paušál 527 Kč. Roční náklady RN_TČ jsou ve výši

Sečtením nákladů RN_KPK a RN_TČ se dostáváme k celkovým ročním nákladům na vytápění v kombinaci stávající plynový kondenzační kotel a nové tepelné čerpadlo a ty jsou

Závěr

Z uvedeného orientačního příkladu doplnění stávajícího plynového kondenzačního kotle tepelným čerpadlem s polovičním výkonem 7 kW oproti tepelné ztrátě domu 14 kW vychází za daných podmínek roční úspora na vytápění cca 17 tisíc Kč.

Další úspora vznikne uplatněním příznivější ceny elektrické energie pro ostatní elektrické spotřebiče v domácnosti, což může být ročně okolo 5 tisíc Kč.

Využitím tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody náklady na energie rovněž klesnou. Zde může jít o roční úsporu rovněž okolo 5 tisíc Kč.

Celkově se tak roční náklady za energie v domě sníží o cca 27 tisíc Kč a prostá návratnost investice do tepelného čerpadla se pohybuje v přijatelné době kolem 8,5 roku. Je to příznivější řešení, než prostá výměna plynového kotle za tepelné čerpadlo. Podmínkou je předpoklad, že plynový kotel je v dobrém technickém stavu a že tepelné čerpadlo nebude během uvažovaných 15 let provozu vyžadovat zásadní opravu, například výměnu elektroniky, kompresoru.

Přečtěte si také Je výhodné vyměnit plynový kondenzační kotel za tepelné čerpadlo ve starším rodinném domě? Přečíst článek

Výhodou kombinace se stane, že dům bude z hlediska tepla napojen na dva různé zdroje energie. Případný krátkodobý výpadek elektrické energie pro provoz tepelného čerpadla lze řešit plynovým kotlem a potřebu elektřiny pro jeho provoz řešit poměrně snadno malým záložním zdrojem. Tepelné čerpadlo s tepelným výkonem 7 kW lze provozovat jako jednofázové (s elektronickým řízením rozběhu plně postačí jistič 20 A), což snižuje nároky na složitost elektrické instalace v domě a snazší a levnější bude i případné využití fotovoltaické elektrárny.

Literatura

1. Snížení energetické spotřeby v budovách využitím alternativních zdrojů energie, Tomáš Matuška, Jan Schwarzer, Bořivoj Šourek, 2006, TZB-info.
2. Topný faktor tepelných čerpadel (III), Luděk Klazar,
   https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/2452-jak-je-to-vlastne-s-topnym-faktorem-iii.