Jsou tepelná čerpadla obnovitelným zdrojem energie?

Primárním energetickým zdrojem rozumíme takové zdroje, ze kterých získáváme energii přímo chemickou cestou (nejčastěji exotermickou reakcí - spalováním), bez technologické přeměny v jiný druh energie. Z tohoto pohledu elektrická energie není primárním zdrojem energie neboť je získávána dalším technologickým procesem v převážné míře parním Carnotovým cyklem. Za OZE je všeobecně považována energie vody, větru a slunce ale i biomasa, která je vzhledem k životnímu prostředí z pohledu "uhlíkové bilance" vypouštěného CO₂ neutrální. Pokud bude slunce svítit, budou OZE vždy k dispozici. Mělo by být otázkou ekonomické rozvahy zda a v jaké míře je vhodné příslušný druh OZE využít. Z tohoto pohledu je možno za OZE považovat i takový energetický zdroj, který šetří primární (fosilní) energetické zdroje a to jsou ekonomické energetické úspory. To jsou takové energetické úspory, kde investiční náklady vynaložené na realizaci těchto úspor jsou uhrazeny ziskem z nerealizované energetické spotřeby (v důsledku vyšší účinnosti energetické přeměny) v ekonomicky přijatelné době.

Běžná kompresorová tepelná čerpadla (TČ) používaná pro vytápění využívají pro přečerpávání tepla z nižší teplotní hladiny na vyšší parní cyklus chladiva, které je pro požadovaný pracovní tlak stlačováno kompresorem poháněným elektromotorem. Chodem TČ je spotřebovávána el. energie, která není primárním energetickým zdrojem. Úspornost TČ se posuzuje pouze z pohledu topného faktoru (ε_r) a úspory spotřeby el. energie vztažené k přímé výrobě tepla z elektrického přímotopu. Vyrobíme-li teplo "spálením" jedné kWh el. energie v odporovém tělese, potom v případě TČ při stejné elektrické práci dostaneme ε_r krát více tepla přímo úměrně topnému faktoru ε_r. Jinými slovy, vytápění TČ je v podstatě elektrické vytápění, které ve srovnání s přímotopem má vyšší produkcí tepla odpovídající násobku okamžitého topného faktoru.

Budeme-li posuzovat TČ z pohledu OZE a ekonomických energetických úspor, je nutno do celkové bilance zahrnout účinnost výroby el.energie, která se prakticky pohybuje okolo 30%. Abychom požitím TČ ušetřili jednu kWh energie primárního paliva (100%), musí být průměrný celoroční topný faktor ε_r = 100 / 30 = 3,3. Za obnovitelný zdroj energie je možno považovat jen tu část dodaného tepla, která převyšuje množství primární energie. Jak uvidíme dále z definice topného faktoru, je tento požadavek splnitelný pouze pro konkrétní oblast použití.

Dle ideálního obráceného Carnotova cyklu topný faktor TČ je definován jako poměr získané tepelné energie E_Q k dodané elektrické energii E_K kompresoru:

ε_r,i = E_Q / E_K = T_k / (T_k - T₀),

kde

T_k - teplota kondensátoru (°K) (tepelný výměník předávající teplo topnému okruhu) a
T₀ - teplota výparníku (°K) (tepelný výměník odebírající teplo z okolí, nízkopotenciální zdroj tepla).

Aby mělo TČ smysl, tak vždy platí, že T_k je větší než T₀. Skutečný topný faktor vzhledem ke konečné velikosti ploch výměníků, tepelných a mechanických ztrát je zhruba poloviční cca 0,4 až 0,5 ε_r,i.

Provedeme-li rozbor topného faktoru, tak již na první pohled vidíme, že rozhodující není teplota topného okruhu T_k (i když není bezvýznamná, jak bude uvedeno dále), ale rozdíl teploty zdroje nízkopotenciálního zdroje T₀ a teploty topného okruhu tedy (T_k - T₀). Jak je uvedeno v následující tabulce, je pro velikost topného faktoru naprosto zásadní, zda budeme teplo odebírat při venkovní teplotě -5°C nebo +10°C (předpokládáme, že nízkopotenciální zdrojem tepla je vzduch nebo okolní země) a budeme-li TČ ohřívat teplou vodu užitkovou s teplotou +50°C nebo pro podlahové topení +30°C.

ε_r,s = 0,45 * T_k / (T_k - T₀), (K)

TK	°C	30				40				50
T0	°C	-5	0	5	10	-5	0	5	10	-5	0	5	10
εr,s	-	3,9	4,5	5,5	6,8	3,1	3,5	4,0	4,7	2,6	2,9	3,2	3,6

V souvislosti s velikostí topného faktoru je nutno upozornit na skutečnost, že celkový topný výkon TČ odvozený od výkonu kompresoru a násobený topným faktorem je omezen konstrukcí TČ. I kdyby teplota výparníku a kondensátoru umožňovala zvýšený tepelný výkon dle definice topného faktoru, je tento omezen velikostí teplosměnných ploch a jejich umístěním dle rovnice:

Q = α * S * (T₁ - T₂), (W)

kde

α - součinitel přestupu tepla z teploty T₁ na T₂, (W / m² K)
S - plocha výměníku (m²)

Výše uvedená tabulka je definována v rozmezí teplot T₀ -5 až +10°C, protože pro vyšší teplotu nízkoteplotního zdroje může být z ekonomického hlediska vhodnější přímý tepelný výměník (kolektor). Jak vyplývá z tabulky, nelze TČ určené pro ohřev teplé užitkové vody s teplotou nad +50°C v topném období považovat za obnovitelný zdroj energie (OZE) ani částečně. Naopak využijeme-li TČ pro nízkoteplotní podlahové vytápění s teplotou okolo +30°C, je možno TČ částečně považovat za obnovitelný zdroj energie. Ovšem při nižších venkovních teplotách budeme dosahovat topného faktoru ε_r,s ≤ 3,3 a je na zvážení použití dalšího nezávislého zdroje tepla (bivalentní zdroj). Potom je výhodnější z hlediska PEZ spalovat primární palivo (uhlí, plyn, biomasa) přímo v kotli, zvláště pokud je doplňkovým zdrojem elektokotel nebo přímotop.

Další otázkou je proto ekonomická a obchodní stránka problému z titulu uživatele. Z tohoto pohledu můžeme TČ jako zdroj tepla pro vytápění považovat za elektrické topení, které uživateli zhodnocuje elektrickou energii v poměru topného faktoru ε_r,s. Vyrábíme-li z elektrické energie teplo, tak je tato energie, jak bylo řečeno v úvodu, zatížena nízkou účinností přeměny z primární energie, neboť teplo můžeme získávat přímo spalováním primárních zdrojů s takřka trojnásobnou účinností.

Přesto může být el. vytápění s TČ pro uživatele výhodné. Spotřeba elektrické energie je během dne vyjádřena odběrovým diagramem. Budeme-li odběr uskutečňovat v energetických špičkách, bude tato energie drahá. Proto jsou zaváděny odběrové tarify: nízký tarif, který zvýhodňuje odběry mimo špičku, a vysoký tarif pro odběr elektřiny v energetické špičce. Odběrem elektřiny v energetické špičce s vysokým tarifem by se měl uskutečňovat odběr nutný pro chod domácnosti, světlo, vaření, televize apod. Odběry mimo špičku jsou určeny pro relativně velké odběry, které není nutno uskutečnit ve špičce, jako akumulační topení, vytápění s TČ a akumulací. Významnou roli hraje množství spotřebovávané energie. Bude-li spotřeba tepla relativně malá, jako je to v případě nízkoenergetických domů (NED), může být vytápění s tepelným čerpadlem velice zajímavé.

Zda elektrické topení ve spojení s TČ je výhodné, nebo ne záleží na mnoha faktorech. Je proto vhodné, vzhledem k poměrně velké investici, provést energetický audit vytápěného objektu, který by měl posoudit jak technickou vhodnost toho kterého systému vytápění z pohledu typu objektu a jeho denního využití, tak i se zřetelem na finanční možnosti uživatele.

Literatura:

Z.Dvořák, L.Klazar, J.Petrák, Tepelná čerpadla, SNTL, Praha 1987

Luděk Klazar: Jak ovlivňuje tepelné čerpadlo spotřebu energie pro vytápění. Dostupné zde