Tepelné čerpadlo země-voda. Přímá cesta ke splnění přísných požadavků PENB
Tepelné čerpadlo země-voda plní kritéria energetické náročnosti pro průkaz energetické náročnosti PENB bez nutnosti kombinace s dalšími technickými zařízeními, jako je řízené větrání s rekuperací, tepla, fotovoltaická elektrárny, kamna na dřevo, pelety, tepelný solární systém atp.
Tento článek vznikl na základě přednášky Ing. Ondřeje Kaňky z firmy GEROtop spol. s r.o., kterou přednesl na semináři uspořádaném portálem TZB-info jako součásti osvětové a informační kampaně podporující snižování emisí v rámci Norských fondů. Z podkladů k přednášce článek připravil a mírně doplnil Ing. Josef Hodboď.
Obr. 1 Příklad běžně stavěného rodinného domu typu bungalov
Představte si, že si chcete postavit rodinný dům typu bungalov se zastavěnou plochou 150 m2. Někteří stavebníci si to ani představovat nemusí, protože velmi podobný dům staví. Těch už se tento článek zřejmě nebude týkat, pokud již vše technické mají vyřešeno, včetně energetického hospodářství domu, a tedy jak se obrazně říká, „kostky již byly vrženy“. Pokud jste však ve fázi, kdy ještě můžete něco změnit, nebo se nacházíte ve stavu studie, zpracování projektu, pak vás musí zajímat, jak váš nový dům splní kritéria energetické náročnosti ENB, jejichž výsledkem bude průkaz energetické náročnosti domu PENB. Protože splnění aktuálně platných kritérií energetické náročnosti je zásadní pro kolaudaci domu. Právě pro vás je tento článek určen.
Na úvod základní parametry. Jde o jednopodlažní rodinný dům typu bungalov, který je velice kvalitně zateplen. Tepelná izolace obvodových stěn má tloušťku 20 cm, na stropě je 45 cm tepelné izolace. Nepřekvapuje tedy velmi nízká tepelná ztráta cca 3,7 kW.
Jaké jsou možnosti řešení vytápění takového domu? Řekněme, že se rozhodujete mezi dvěma základními variantami. A to klasickou s využitím plynového kondenzačního kotle, nebo s využitím tepelného čerpadla, se kterým chcete dosáhnout i nezávislosti na importovaném zdroji energie a snížení produkce emisí CO2.
Co se týká spotřeby energie na vytápění, tak s uvedenou tepelnou ztrátou, v oblasti s výpočtovou teplotou venkovního vzduchu v zimě −15 °C a při obývání domu čtyřčlennou rodinou, lze uvažovat s roční potřebou tepla cca 9000 kWh v zemním plynu a 2500 kWh elektrické energie s tepelným čerpadlem, pokud by mělo průměrný roční tepelný faktor cca 3,3. Orientačně si lze tyto parametry simulovat v Porovnání nákladů na vytápění, teplou vodu a elektrickou energii. V této fázi úvah zatím nehledíme na provozní náklady, ale sledujeme realizovatelnost s ohledem na kritéria přípustné energetické náročnosti. Za podmínek daných energetickou legislativou pro stanovení průkazu energetické náročnosti budovy vychází pro daný dům následující možnosti a jim odpovídající splnění nebo nesplnění kritérií, viz tabulka 1.
Tabulka 1. Příklady technických řešení
Z tabulky 1 je zřejmé, že podmínky plní poměrně složitá kombinace plynový kondenzační kotel + rekuperační větrání + krbová kamna + solární ohřev teplé vody. Ani v případě využití tepelného čerpadla vzduch-voda nestačí samo tepelné čerpadlo, ale musí se kombinovat například s fotovoltaickou elektrárnou, kdy v úvahu by přicházelo i větrání s rekuperací, tedy zpětným získáváním tepla.
Jedině varianta s tepelný čerpadlem země-voda, které pracuje s vyšším topným faktorem než tepelné čerpadlo vzduch-voda, vyhovuje bez doplňujících opatření.
Jak mohou vypadat pořizovací náklady vyhovujících variant je uvedeno v tabulce 2.
Tabulka 2 Orientační pořizovací náklady
V tabulce 2 zaujmou nejnižší pořizovací náklady podmínkám PENB vyhovující varianty tepelného čerpadla se zemním plošným kolektorem.
U tepelných čerpadel s vrtem nebo zemním kolektorem se samozřejmě vychází z nákladů na odborně dokonalé provedení jak vrtu, tak zemního kolektoru a v obou případech dostatečně dimenzovaných. Neboť poddimenzování s cílem získat zákazníka za každou cenu a výběr firmy pro realizaci vrtu jen podle nabídkové ceny jsou právě zdrojem mýtů a omylů kolujících v laické veřejnosti o zemních tepelných čerpadlech, především těchto:
- Vrt dává teplo cca 10 let. Pak se vyčerpá, vymrazí a je nutné udělat nový vrt
- „U nás se nedá vrtat,“ blízko pod povrchem je skála
- Plošný kolektor vymrazí zahradu a nic tam neporoste
- Tepelné čerpadlo vzduch/voda má stejnou účinnost jako země/voda
- Investice do tepelného čerpadla země-voda se nikdy nevrátí
- Hloubka vrtu nebo velikost plošného kolektoru se určuje podle typu a výkonu TČ.
Základním hodnotícím kritériem tepelných čerpadel země voda je energetická efektivita jejich provozu, která se číselně vyjadřuje bezrozměrnou veličinou nazývanou topný faktor COP, respektive sezónní topný faktor SCOP, což je poměr mezi tepelnou energií získanou tepelným čerpadlem a elektrickou energií do činnosti tepelného čerpadla dodanou. Topný faktor zásadně ovlivňují pracovní teploty na vstupu a výstupu tepelného čerpadla, přičemž je nutné zajistit:
- Optimální výstupní teploty na straně vytápění, které zajistí správný návrh otopné soustavy včetně přípravy teplé vody. Například pro výstupní teplotu v rozmezí cca 55–60 °C lze uvažovat s SCOP mezi 2,5–3,0. Pro výstupní teplotu 45 °C s SCOP okolo 4,4 a více (při správném návrhu primárního okruhu)
- Optimální teploty na primárním okruhu dané správným dimenzováním vrtu, zemního kolektoru a potrubí, kterým v primárním okruhu proudí směs vody a nízkotuhnoucí kapaliny (mezinárodně se označuje BRINE, proto zkratka B), aby byl primární okruh zajištěn proti zamrznutí, například pokud není využíván atp. Při obvykle uváděných parametrech B0W35, tedy při teplotě v primárním okruhu nejméně 0 °C a na výstupu v sekundárním okruhu pro vytápění při maximální teplotě 35 °C lze uvažovat s ročním SCOP okolo cca 4,4. Pokud se vrt nebo kolektor navrhnou velmi dobře, pak lze uvažovat i příznivější podmínky B5W35 a SCOP se přiblíží hodnotě 5,0. S teplotou 35 °C v sekundárním okruhu lze počítat při dobře navrženém velkoplošném vytápění, ať již podlahovém, stěnovém nebo stropním.
Údaje v tabulce 3 byly získány měřením ve více novostavbách rodinných domů s podlahovým vytápěním.
Tabulka 3. Změřené sezónní topné faktory v RD s podlahovým vytápěním v sezónách s odlišnými klimatickými poměry. Rozdíl ve prospěch tepelných čerpadel země-voda je značný.
V rodinném domě realizovaném v roce 2019 s tepelným čerpadlem země-voda 5 kW a vrtem o hloubce 90 metrů, o kterém je zmínka v úvodu, byly zjištěny parametry uvedené v tabulce 4. V domě je podlahové vytápění. Je využito i pro pasivní chlazení po dobu cca 700 hodin během roku s průměrnou teplotou vody vstupující do podlahy okolo 18 až 19 °C. Výkon chlazení je cca 30 W/m2. Při využité aktivní chlazené ploše cca 70 m2 vychází chladicí výkon okolo 2,1 kW. Pasivní chlazení vyžaduje v zásadě jen doplnit primární okruh tepelného čerpadla vhodně dimenzovaným výměníkem tepla, směšovací armaturou regulovanou podle teploty a toto zapojit paralelně k TČ. Viz například článek Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 5.: Pasivní chlazení. Teplota ve vrtech po letním období s uplatněním pasivního chlazení se pohybovala v rozmezí 12 °C až 14 °C.
Tabulka 4 Konkrétně zjištěné parametry vytápění a přípravy teplé vody v RD typu bungalov. Množství tepla je uvedeno v MWh, příkon – respektive spotřeba nakupované elektrické energie pro tepelné čerpadlo je rovněž v MWh.
Hloubkové vrty pro TČ do 20 kW
Realizace vrtu vyžaduje projektovou dokumentaci, a to:
- Projekt stavby dle přílohy č. 1 vyhl.499/2006 Sb. v platném znění
- Vyjádření osoby s odbornou způsobilostí (Hydrogeologický posudek)
Obr. 2 Odborně zdatná firma zajistí zhotovení vrtu i v relativně těsném prostoru mezi domem a hranicí pozemku, a to bez výskytu bláta vznikajícího vyplavováním odvrtaných částic zeminy vyplavovaných z vrtu vodou pod tlakem. Řešení s vrtem může být výhodné i tehdy, když okolí domu je natolik zatíženo hlukovým pozadím, že instalace venkovní jednotky tepelného čerpadla využívajícího jako zdroj přírodního tepla vzduch není vzhledem k hygienickým poměrům a i vztahům se sousedy možná či žádoucí.
Povolení vrtů v územním řízení trvá cca 4 až 6 měsíců. V CHKO o něco déle, cca 7 až 10 měsíců. Nejlépe je informovat se předem na stavebním úřadě, jaká vyjádření a stanoviska budou požadována. Zpravidla jde o:
- Souhlas vodoprávního úřadu (města, obce, ...) dle § 17 odst. 1 písm. g)
- Stanovisko Obvodního báňského úřadu OBÚ
- Stanovisko podniku spravujícího povodí (např. Povodí Vltavy, státní podnik aj.), kde se nachází dům
- Souhrnné stanovisko odboru životního prostředí MěÚ/magistrátu
- Vyjádření krajského úřadu, odboru životního prostředí
- Stanoviska správců inženýrských sítí
S výše uvedenými termíny je nutné počítat zejména tehdy, pokud má být instalace tepelného čerpadla podpořena dotací z programu Nová zelená úsporám, ve kterém je dána lhůta 24 měsíců na realizaci po schválení dotace.
Zemní kolektor
Obr. 3 Z hlediska nejmenšího zásahu do pozemku je ideální použití rýhovače, kdy se souběžně s frézováním rýhy do ní vkládá potrubí kolektoru. Podmínkou je dostatečná hloubka půdy bez větších kamenů.
Obr. 5 Pokud se zvolí bagr s větší šíří lžíce, lze do jednoho výkopu uložit i více potrubí
Realizace zemního kolektoru je levnější, ale vyžaduje relativně větší přírodní plochu, která musí být nejlépe trvale porostlá s dobrými zasakovacími parametry pro dešťovou vodu, nebýt trvale zastíněna stromy, budovami. Potrubí se ukládá do hloubky 1,2 až 1,5 m buď s využitím zemního rýhovačem za cca 100 Kč/bm nebo výkopem bagrem za cca 20 až 30 tis. Kč pro RD. Náklady na kladečský plán jsou nízké, cca 3 tis. Kč. Výhodou je, že zemní kolektor nevyžaduje žádné jednání s úřady.
Obr. 4 Příklad výkopu pro zemní kolektor bagrem
Při vhodných půdních podmínkách je výhodné použít bezvýkopovou technologii rýhovačem, viz obr. 1. Zde šlo o 16 okruhů potrubí DN 32 - PE100 RC FAST d32 po 200 m s roztečí 0,8–1,0 m na mírně svažitém pozemku 10 % s plochou 6.000 m2, které byly napojeny na šachtu v nejvyšší části pozemku. Rychlost pokládky se pohybovala okolo 1 metru během 10 sekund. Páteřní rozvod 190 metrů s potrubím DN90 mezi šachtou a domem byl rovněž realizován rýhovačem. Cena okolo 160 až 200 Kč/bm.
Závěr
Využití dobře navrženého tepelného čerpadla s vrtem nebo zemním kolektorem a k tomu přizpůsobené otopné soustavy je výhodným řešením jak pro splnění kritérií energetické náročnosti budov, tak s ohledem na spotřebu nakupované energie. Jde o řešení technicky jednoduché, nevyžadující kombinace různých zařízení. Přitom má potenciál pro další snížení energetické náročnosti domu, který bude při jiných způsobech založených na kombinacích zařízení již vyčerpán.
The ground-to-water heat pump fulfills the energy efficiency criteria for the PENB energy efficiency certificate without the need for combination with other technical devices, such as controlled ventilation with recuperation, heat, photovoltaic power plants, wood stoves, pellets, thermal solar system, etc.