Tepelné čerpadlo a inteligentní budova: Nerozlučná dvojka?

Hospodárné nakládání s energiemi je jednou z oblastí, kde koncept inteligentních budov bezpochyby boduje. Bez energetických služeb by inteligentní dům nebyl inteligentní, a tak již předem předpokládáme, že nízká spotřeba energií, uživatelský komfort a využívání alternativních zdrojů jsou u takového domu samozřejmostí.

Jak jednoduše shrnout odlišnosti inteligentní budovy v oblasti nakládání s energiemi? „Inteligentní budova se od ,hloupé‘ liší tím, že jednotlivé systémy jsou řízeny jednotně. Nemělo by tedy docházet třeba k tomu, že současně běží topení i chlazení, že jsou zatažené žaluzie, uvnitř se svítí a podobně,“ vysvětlil Karel Srdečný z poradenské společnosti v oblasti energetiky, ekonomiky a životního prostředí EkoWatt.

„Řídicí jednotka zajišťuje využívání nejvýhodnějšího zdroje tepla.“

Systémy řízení hospodaření s energiemi a běžný uživatelský komfort v podobě spínání kotle nebo regulace vnitřní teploty v systému chlazení a vytápění jsou v inteligentních budovách dovedeny mnohem dál. Umožňují třeba regulovat teplotu během dne v každé místnosti, využívat meteorologická data pro programování teplot nebo efektivně hospodařit se solárními zisky. Uživatel může tyto hodnoty regulovat na dálku i přes mobilní systém nebo webové rozhraní a užívat si tak pravý komfort ovládání.

Nezbytnou součástí systému vytápění, chlazení a ohřevu vody v inteligentních budovách je tzv. řídicí jednotka (či řídicí systém), která zajišťuje využívání vždy nejvýhodnějšího zdroje tepla. V rodinném domě to tedy může vypadat třeba tak, že pokud je venku slunečno, bude se voda ohřívat sluncem, a naopak v situaci, kdy je množství slunečního záření nedostatečné, se zapne tepelné čerpadlo. Běžné je kombinování více druhů vytápění a ohřevu vody, které vzájemně spolupracují.

Jednou z oblastí, v nichž se „inteligence“ systému projevuje, je i snaha o snižování nákladů. Využívání alternativních zdrojů vytápění přispívá nejen k ekonomičtějšímu, ale i k celkově ekologičtějšímu provozu. Běžné je využívání solárních či fotovoltaických panelů nebo tepelných čerpadel. A právě tepelná čerpadla nás dnes budou zajímat. Pojďme se tedy podívat, co je na tepelných čerpadlech v inteligentních budovách specifického.

Nerozlučné spojení

Byť spojení tepelné čerpadlo v inteligentní budově evokuje technologii vyvinutou v 21. století, samotné tepelné čerpadlo je překvapivě vynálezem starším než 150 let. Dnes ale tato technologie přitahuje stále víc příznivců díky tomu, že jde nejen o ekologický, ale v podstatě i bezobslužný zdroj vytápění. A proto nachází hojné využití právě v inteligentních budovách.

Pro odlehčení malá hádanka. Víte, co má tepelné čerpadlo společného s ledničkou? Nápověda zní jednoduše – velmi mnoho. Fungují totiž na stejném principu. Chladnička odebírá teplo potravinám a předává ho do místnosti. Stejně funguje i tepelné čerpadlo – odebírá teplo ze vzduchu, vody nebo země a získané teplo předává do domu. S nadsázkou můžeme ledničku postavenou do okna otevřenými dvířky ven přirovnat k tepelnému čerpadlu. Z venkovního prostředí odebírá teplo, zadní mřížkou směrem do bytu topí.

Zdroje energie tepelného čerpadla

Tepelná čerpadla se v zásadě dělí podle toho, odkud teplo získávají. Zdrojem mohou být přirozené přírodní zdroje, jako je podzemní či povrchová voda, půda, hlubší podloží či vzduch, anebo umělý zdroj jako zbytkové teplo z výrobních procesů, větrání budov a podobně. Označení typu tepelného čerpadla tedy napovídá, odkud teplo čerpá / jakému médiu teplo předává.

Tepelné čerpadlo země / voda

Země je pro tepelné čerpadlo vynikajícím zdrojem tepla. Pro vytápění inteligentní budovy ji lze využít hned dvěma způsoby – buď ve formě tepla podloží prostřednictvím hloubkového vrtu, anebo teplo získávat z půdní vrstvy, kde se akumuluje sluneční energie.

Pro vytápění a ohřev vody může tepelné čerpadlo jakékoliv inteligentní budovy využít teplotu zemského podloží, která se s rostoucí hloubkou zvyšuje – asi o 1 °C každých 30 metrů. V hloubce okolo 100 metrů je tedy teplota zhruba 10 °C. Teplo, které se dostane na povrch, se liší v závislosti na oblasti – tedy hlavně na složení podloží (vzhledem k tepelné vodivosti hornin). Teplo se z hloubi dostává prostřednictvím vrtu, které se realizují v délce 50 až 150 metrů.

Obecně je třeba na každý kW výkonu tepelného čerpadla – podle geologického podloží – asi 12–18 metrů vrtu. Vrt se pak realizuje buď ve formě dvou kratších, anebo jednoho delšího, tedy například pro 8kW tepelné čerpadlo je potřeba buď jeden zhruba 120metrový, nebo dva 60metrové vrty. Tepelné čerpadlo, které čerpá teplo z hloubi země, má velmi dobrý a stabilní topný faktor díky stálé teplotě, která se během roku nemění. Vzhledem k náročnému provedení je u něj ale potřeba počítat s vyššími pořizovacími náklady.

Druhý způsob získávání teplo ze země používá tzv. půdní kolektor. Ten má podobu potrubí (hadic) s nemrznoucí směsí, které se položí do hloubky 1,5–2 metry, kde se akumuluje sluneční energie. Teplota zeminy během roku kolísá, nejhorší je období koncem topné sezony, kdy je půda již vychlazená. Platí zde tedy: čím větší kolektor, tím lépe. Půdní kolektor je méně nákladná a přitom stále celkem stabilní varianta, například pro inteligentní rodinné domy tedy naprosto ideální. Je ale potřeba počítat s dostatečně velkým prostorem na pozemku, který už nelze použít k zastavění.

Tepelné čerpadlo voda / voda

Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo může být i voda. Povrchové toky a vodní plochy je sice málokde možné využít kvůli jejich nízké teplotě a znečištění, lepší variantou je však spodní voda, která má během roku relativně stálou teplotu 8–10 °C, v některých oblastech je dokonce možné využít vodu termální (například v Krušnohoří).

Omezením pro tuto variantu je nutnost celoročně dostatečně zásobené studny na pozemku, přičemž realizace vrtu opět není nejjednodušší záležitostí. Základním předpokladem je jednak vyšší investice, ale i vyjednání řady povolení (povolení pro vodní dílo). Samotné tepelné čerpadlo voda / voda odebírá teplo z vody, která se čerpá do výměníku a poté vrací zpět. Systém je celkově náročnější na údržbu, ideální je jeho použití v takových inteligentních budovách, kde vzniká nějaké odpadní teplo.

Tepelné čerpadlo vzduch / voda

Tento typ tepelného čerpadla má díky zdroji tepla v podobě venkovního vzduchu jednu velkou výhodu – snadno se instaluje a náklady za něj nejsou příliš vysoké. Příjemná je také možnost instalovat tepelné čerpadlo vzduch / voda i do inteligentní budovy s menšími prostorovými možnostmi, příp. do budovy rekonstruované. Nejčastější variantou je tepelné čerpadlo o dvou jednotkách – vnější a vnitřní, kdy vnější jednotka čerpá ventilátorem vzduch, jemuž je odebíráno teplo a využito pro ohřev vody v systému. Tuto funkci může ale zvládat i jednotka vnitřní v případě jednojednotkového čerpadla.

U tohoto typu zařízení platí: čím je venkovní teplota nižší, tím je nižší i výkon tepelného čerpadla. Dnes jsou však vzduchová čerpadla schopna pracovat až do teploty −12 až 15 °C, v prudších mrazech je potom třeba využívat doplňkový zdroj tepla. Daní za nižší pořizovací náklady jsou zpravidla o něco vyšší náklady provozní a riziko vyšší hlučnosti kompresoru, u velkých administrativních budov je však tato nevýhoda zanedbatelná vzhledem k širším možnostem jeho umístění.

Tepelné čerpadlo vzduch / vzduch

Funguje stejně jako typ předchozí, ale uvnitř je místo tepelného výměníku vzduch / voda o něco větší výměník typu chladivo / vzduch. Vzduchotechnika odtud ohřátý vzduch rozvádí do celého domu a teplota v každé místnosti se ovládá individuálně. V létě funguje i jako klimatizace, systém ale nelze použít pro ohřev vody. Tepelné čerpadlo vzduch / vzduch dokáže díky speciálním filtrům kvalitně vyčistit vzduch uvnitř budovy a udržovat tak zdravé vnitřní prostředí. I tento systém se rychle a vcelku jednoduše instaluje a podobně jako u předešlého typu čerpadla se pořizovací náklady nepohybují v horentních částkách.

Důležitý je řídicí systém

Zásadní otázka tedy zní: jak funguje tepelné čerpadlo v inteligentní budově? Odpověď není nijak složitá – v zásadě stejně jako v kterékoliv jiné budově, princip je stejný. „Inteligenci zde vytváří řídicí systém, je proto celkem jedno, jaký typ tepelného čerpadla řídicí systém ovládá,“ uvedl Karel Srdečný z EkoWattu.

„V systému může být zapojeno tepelné čerpadlo libovolného typu, záleží jen na tom, zda již má připravené rozhraní pro inteligentní nadstavbovou regulaci, nebo zda se tam musí nechat udělat nějaký převodní můstek řádově za 20 tisíc korun,“ doplnil David Šafránek ze společnosti Stiebel Eltron.

„Protože jde vesměs o větší administrativní budovy, používá se buď čerpadlo vzduch / voda, nebo země / voda, kdy se teplo odebírá například z vrtů pod budovou,“ dodal Srdečný. Jeho slova potvrdil i Štěpán Mastný ze společnosti ENBRA, podle něhož jsou právě tepelná čerpadla vzduch / voda na žebříčku množství instalací vedou v poslední době nejvýš.

Vše pod taktovkou centrální jednotky

Tepelné čerpadlo může v inteligentní budově sloužit jako zdroj tepla či chladu pro běžnou vzduchotechniku nebo pro teplovodní systém vytápění nebo chlazení. „Tepelné čerpadlo je obvykle v reverzním provedení. To znamená, že může topit, nebo chladit, podle požadavku řídicího systému,“ uvedl Srdečný.

Mezi základní podmínky pro efektivní fungování systému s tepelným čerpadlem patří podle Lubomíra Kuchynky ze společnosti Tepelná čerpadla AC Heating především:

• kvalitní komponenty;
• správné řízení s ohledem na provozní vlastnosti;
• správné nastavení řídicího systému, který musí obsahovat řadu parametrů a voleb;
• přívětivé uživatelské rozhraní dostupné například z počítače či přes telefon.

„Řídicí systém musí jednoduše respektovat skutečnost, že zdrojem tepla do topného systému je právě tepelné čerpadlo, které má zvýšenou účinnost, pokud pracuje s nižší teplotou topné vody a nižším výkonem nebo při vyšší venkovní teplotě,“ doplnil Kuchynka.

„Tepelné čerpadlo není zařízení, které by umělo podávat nárazově velký výkon. Proto je výhodné, když systém umí zařídit, aby se teplo nebo chlad akumulovaly do konstrukcí budovy, nejlépe v předstihu, podle předpovědi počasí,“ dodal Karel Srdečný.

Budova samozřejmě musí konstrukčně odpovídat, tedy musí mít třeba nezakryté betonové stropy, v nichž jsou vedeny chladicí registry. Inteligentní budovy většího rozsahu proto již vznikají jako inteligentní a systémy se integrují již během hrubé stavby. Využít toho lze třeba i u tepelných čerpadel, kdy se může výměník tepelného čerpadla zapustit do betonových zakládacích pilot, což snižuje investiční náklady.

Kde se to povedlo?

Nejlepším příkladem je ale vždy realita. Za povedenou realizaci můžeme považovat třeba Integrované centrum sociálních služeb ve středočeských Odlochovicích. Firma ENBRA zde realizovala jednu ze svých největších instalací – kaskádu tepelných čerpadel. Roční náklady na vytápění a ohřev vody se zde snížily téměř na polovinu. Další z velkých dodavatelů tepelných čerpadel Stiebel Eltron se zaměřuje hlavně na vytápění velkých budov – školek, škol, hotelů či penzionů. V takovém typu objektů nacházejí uplatnění právě kaskádové systémy se jmenovitým výkonem od 90 do 800 kW. Právě tyto se navrhují, regulují a provozují nejsnáze a ve velkých objektech se výsledné úspory projevují ještě ve větším měřítku.

Doplňkový zdroj tepla v inteligentní budově

Systém tepelného čerpadla je obvykle doplněn dalším zdrojem tepla pro situace, kdy požadavky na teplo dosahují maxima. „Tepelná čerpadla se obecně dají kombinovat s takřka libovolnými zdroji tepla,“ uvedl David Šafránek. Obvykle je to jeden zdroj pro pomoc při vytápění a další pro ohřev vody.

„U rodinných domků se tepelná čerpadla nejčastěji kombinují s malým elektrokotlem, který pomáhá vytopit objekt na komfortní teplotu v nejchladnějších dnech, když venkovní teplota klesne řádově pod mínus 10 °C. Malá tepelná čerpadla mívají většinou zabudovaný malý elektrokotel. V lokalitách, kde byl původním zdrojem tepla například kotel na tuhá paliva, se většinou kotel zachovává a kombinuje se s tepelným čerpadlem skrze akumulační nádobu,“ doplnil Šafránek.

V případě velkých objektů s inteligentním řízením se tepelné čerpadlo nejčastěji kombinuje s elektrokotlem, plynovou kotelnou nebo s kotelnou na dálkové teplo. Nejjednodušší bývá kombinace s elektrokotlem nebo s dálkovým teplem. Podle Šafránka se však kombinace s elektrokotlem většinou nerealizuje kvůli nedostatečné přípojce elektrické energie.

Důležitá je však nejen teplota, ale i kvalita vzduchu v interiéru. „Tepelné čerpadlo je proto vhodné kombinovat s rekuperační jednotkou VAM pro zajištění kvality vzduchu vnitřního prostoru,“ doporučuje Štěpán Mastný.

Jak se systém ovládá?

Pokud jako budoucí investor zvažujete koncepci inteligentního domu, zajímá vás jistě i pohodlnost ovládání. Tepelné čerpadlo je pro ovládání opticky integrované do celkového systému inteligentního domu. Ve skutečnosti ale v domě fungují dva nezávislé systémy. Takový příklad popsal Lubomír Kuchynka: „Jedním systémem jsou topné zdroje (tepelné čerpadlo, záložní elektrokotel, krbová vložka, solární panely a další) i veškeré topné spotřebiče (první okruh, směšované okruhy, bazénový výměník, filtrace bazénu, chlazení, cirkulace TUV atd.), které jsou řízeny plně kaskádním řídicím systémem xCC tepelného čerpadla.“ Do druhého systému spadají ostatní prvky jako osvětlení, zabezpečení objektu, multimédia a další, jež jsou zase plně v kompetenci systému inteligentních budov. Výsledkem je tedy jednotné ovládání a uživatelský komfort systému pracujícího v maximálně efektivním provozu.

„Pokroková tepelná čerpadla mají možnost ovládání přes webové rozhraní pomocí mobilu, tabletu nebo počítače. V řídicím systému lze některé vstupy a výstupy volně parametrizovat, programovat a ovládat přes webové rozhraní lokálně i na dálku přes internet,“ dodal Kuchynka. Pokud připojíte tepelné čerpadlo k internetu, získáte možnost ovládat celý systém topení přes internet a nastavovat takto i ostatní funkce (žaluzie, osvětlení, zabezpečení a další).

Úspory energií s tepelným čerpadlem

Inteligentní systém, inteligentní řízení, tepelné čerpadlo. Přináší takové řešení i nějaké úspory energií? Podle Davida Šafránka mohou úspory energií v inteligentní budově dosáhnout asi 70 % oproti vytápění pomocí elektrokotelny a zhruba 50 % úspor v porovnání s vytápěním plynem. Pokud systém využívá i chlazení, jsou podle něj úspory ještě výraznější. Když do výsledných nákladů zahrneme i doplňkové zdroje tepla, celkový rozdíl už nebude tak velký. „Cena doplňkového tepla je v podstatě zanedbatelná, neboť naprostou většinu tepla dodávají velice levně tepelná čerpadla,“ uvedl Šafránek.

Na tomto místě je ale třeba připomenout, že náklady na vytápění a chlazení v inteligentní budově snižují v první řadě již všechny použité systémy od rolet a žaluzií, přes použití markýz a slunečních clon, správné nastavení útlumových teplot pro momentálně nevyužívané prostory, větrání podle aktuální potřeby a další. V důsledku inteligentního řízení tedy dochází paradoxně k celkovému snížení úspor.

„Paradoxně čím je budova inteligentnější, tím menší úspory se použitím tepelného čerpadla dají očekávat. Inteligentní řídicí systém zajistí minimální spotřebu energie při dostatečném komfortu, takže čerpadlo pomáhá dále snižovat již tak nízkou spotřebu. Naopak v běžné budově ovládané neinteligentní obsluhou, kde je spotřeba vysoká, přinese totéž tepelné čerpadlo nejspíš výraznější úspory energie i nákladů,“ vysvětlil Karel Srdečný.