Centrální systémy zásobování teplem nebo tepelná čerpadla?
Příspěvek se zabývá aktuálním vážným problémem soustav CZT, kterým je odpojování jednotlivých zákazníků a z toho vyplývající hrozbou možného rozpadu celé teplárenské soustavy v dané lokalitě. Konkurence CZT ve formě tepelných čerpadel je jednou z reálných možností náhrady CZT individuálním zdrojem tepla. Jsou uvedeny důvody pro použití včetně výhod a nevýhod vůči CZT.
1. Soustavy zásobování teplem a kogenerace – platí fyzikální zákony?
Teplárenství je energetické odvětví zajišťující zejména výrobu, dodávku a rozvod tepelné energie. Teplárenství je jedním ze způsobů snižování negativních vlivů energetiky na životní prostředí, zejména úsporou primárních paliv oproti oddělené výrobě elektrické energie a tepelné energie. Dále pak i absolutním snížením množství znečišťujících látek centralizací a následným čištěním vypouštěných produktů spalování s předpokladem lepšího monitoringu výstupních emisí. Takto se o teplárenství léta píše v odborné literatuře. Studenti mi v posledním roce kladou otázku, proč fyzikálně zdůvodněná fakta o kterých se v teplárenství učí, občas neplatí? Proč dochází k odpojování zákazníků od tak výhodných zdrojů tepla s vysokou účinností. Za vším je nutno hledat kromě fyziky i peníze.
Historicky se teplárenství rozvíjelo v souladu s rostoucími požadavky na zásobování teplem vyvolanými růstem urbanizace a industrializace. Z původního lokálního vytápění v malých kotelnách pro jednotlivé domy nebo skupinu domů a průmyslových kotelnách se postupně přešlo k centralizovanému zásobování teplem (CZT). Pomocí několika centrálních zdrojů propojených distribuční tepelnou soustavou jsou takto dálkově zásobovány tepelnou energií velké urbanistické celky i průmysloví spotřebitelé. Pokud se v centrálních zdrojích vyrábí současně i elektrická energie, mluvíme o kogeneraci – jinými slovy o společné výrobě elektrické energie a tepla v jednom tepelném oběhu.
Naproti tomu stojí trend decentralizovaného zásobování tepelnou energií (DZT), při němž je tepelná energie vyráběna v místě spotřeby a odpadá tak potřeba dopravy a rozvodu tepla. Zdrojem tepla může být spalovací zařízení na libovolné fosilní palivo nebo biopalivo. Z environmentálního hlediska však nejsou některá paliva pro decentralizované zdroje v městské zástavbě vhodná z důvodu imisní zátěže lokality zejména NOx vlivem nízkých komínů.
Kromě toho však existují lokální zdroje tepla, které v místě neemitují žádné znečišťující látky, jsou tedy ekologické a hodí se i do lokalit vystavených zvýšené imisní zátěži prakticky stejně jako CZT. Jsou to všechny zdroje založené na vytápění elektrickou energií (přímotopy, akumulace, hybridní zdroje) a dále v poslední době tepelná čerpadla (TČ).
2. Tepelná čerpadla
O tepelných čerpadlech bylo napsáno mnoho populárních i ryze technických článků s různou mírou zjednodušení a objektivity podle příslušného autora. Zjednodušeně lze říci, že tepelné čerpadlo spotřebovává přibližně jednu třetinu svého výkonu ve formě elektrické energie. Zbývající dvě třetiny tvoří teplo, které je odnímáno z ochlazované látky (v současnosti zejména vzduchu). Pro přečerpání tepla na vyšší teplotní hladinu (tedy pro provoz tepelného čerpadla) je třeba dodat určité množství energie. Prakticky to znamená, že tepelné čerpadlo spotřebovává pro pohon kompresoru elektrickou energii.
Technický princip: Každé tepelné čerpadlo obsahuje čtyři základní části okruhu: výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. Teplo odebrané venkovnímu prostředí se ve výparníku předává pracovní látce (kapalnému chladivu) při relativně nízké teplotě. Ohřátím chladiva dojde k jeho odpaření a páry jsou následně stlačeny v kompresoru na vysoký tlak. Stlačené chladivo je přiváděno do kondenzátoru, kde při kondenzaci předává kondenzační teplo do topné vody za teploty vyšší, než byla teplota ve výparníku. V expanzním ventilu se cyklus uzavírá a dochází ke snížení tlaku chladiva na původní hodnotu ve výparníku.
Základní technický údaj, který je sledován u TČ je topný faktor COP (Coefficient of Performance).
Už zde narážejí příznivci a odpůrci tepelných čerpadel na způsob definování COP a hlavně prokazování reálné hodnoty u zákazníka. Teoretický topný faktor je uváděn jako podíl tepelného výkonu čerpadla k elektrickému příkonu obvykle za laboratorních podmínek definovaných v ČSN EN 14511, ČSN EN 14825, ČSN EN 15879. Samozřejmě podmínky zkoušek neodpovídají reálnému provozu (konstantní teplota a vlhkost vzduchu, konstantní vstupní a výstupná teplota vody).
Skutečná okamžitá hodnota COP je z výše uvedeného vždy proměnná a závislá na meteorologických podmínkách a nastavení vytápěcího systému objektu.
Dále se v literatuře objevuje sezónní (roční) topný faktor (SCOP), který bývá ještě uváděn jako netto hodnota bez doplňkového zdroje tepla a konečně se započítáním doplňkového elektrického zdroje, kdy v podstatě již tepelné čerpadlo pracuje po určitou dobu v režimu přímotopného kotle.
V prezentaci různých hodnot COP spatřuji největší možnosti a zároveň rizika zdravé propagace TČ. Je to boj seriózních dodavatelů tepla proti účelové manipulaci s daty při prezentacích pro technicky neznalé potenciální zákazníky.
3. Porovnání způsobu vytápění
Pokud budeme porovnávat CZT a jeho případnou náhradu TČ pro vytápění (dodávku TUV) obecně, tak se nikdy nepodaří najít jasného vítěze, protože se nepodaří vyvrátit protichůdné argumenty obou stran.
Je to souboj dvou koncepcí: Na jedné straně poskytovatele tepla z centrálního zdroje, mnohdy kogeneračního a na druhé straně projektanta nebo dodavatele TČ, který se snaží nalézt vhodné uplatnění pro novou a stále se zdokonalující technologii. Společným cílem obou by pak měl být spokojený zákazník a konzument služeb tepelného hospodářství. Vždy je nutno vycházet z konkrétní lokality, charakteru užívání objektu, stavu otopného systému a zejména si stanovit výsledné cíle srovnání (technické, provozní, ekonomické). Pro ekonomické porovnání, které ve finále zajímá potenciální investory, je vždy zásadní druh a cena paliva používaného pro srovnávací CZT. Stále se bavíme o bytových domech, napojených na stávající systémy CZT, zejména na sídlištích ne o rodinných domcích a nové výstavbě.
Při argumentaci o výhodnosti a nevýhodnosti záměny CZT za TČ vychází každá strana z nějakých předpokladů. Výsledná čísla ekonomické návratnosti vložené investice se někdy diametrálně liší. Přitom každá strana má svoji pravdu. Jen vychází z jiných předpokladů.
Zmatený netechnicky vzdělaný zákazník pak snadno podlehne jednoduchým a někdy zkratkovitým závěrům. Jak se má orientovat v článcích, které na jedné straně vydává Teplárenské sdružení nebo jednotlivé teplárny a na druhé straně inzerci dodavatelů TČ?
Pokusím se odpovědět:
Nezpochybňuji žádné články nebo v nich uvedená čísla, jsem už dost zkušený a znám i důvody argumentů obou stran. Proto nechci dělat arbitra a vytvářet v technické komunitě (která tento problém sleduje z obou stran) další spory.
Zde jasně vidíme, že každá strana musí mít na věc náhrady CZT za TČ přímo existenčně jiný pohled. Proto je potřeba se zamyslet obecněji a cílem by měl být vždy spokojený zákazník s přiměřeným komfortem dodávek tepla.
Vyplatí se podívat zpět a poučit se, aby se neopakovaly historické omyly, které dláždily cestu do pekel mnoha „výhodným“ projektům.
Podívejme se na velké projekty v ČR související i s vytápěním od roku 1990:
Lze je nazvat omyly MŽP s dotacemi, kdy po masivní kampani uvěřila skupina obyvatel v deklarovanou okamžitou ekonomickou výhodnost vytápěcích systémů:
- Elektrický přímotop s dotacemi na pořízení investice, kdy byla 1 kWh v nízkém tarifu nabízena za 0,30 Kč. Kolik stojí dnes?
- Plošná plynofikace s dotovanými přípojkami do každé vesnice s cenou plynu 2,40 Kč/m3. Kdo dnes v těchto vesničkách topí plynem?
- Biomasa a její spolu-spalování s uhlím s výhodnou výkupní cenou elektrické energie a následný dopad na teplárenské společnosti po jeho zrušení.
- Zelená úsporám – dotace do TČ? Bude to stejné? To se pozná až za několik let.
Pokřivené ceny vstupů za paliva, energie a dotované investice, způsobené nekoncepční dotační politikou, aktuálně zvýhodňují některé druhy vytápění vůči jiným. Otázka je i podle historie jasná: jak dlouho vydrží v tomto případě zvýhodnění tarifů pro TČ?
Problém je ale hlubší: svoboda při rozhodování občanů o způsobu vytápění. Napojení na soustavu CTZ vnímají v bytových domech jako historicky danou závislost, která najednou může mít alternativu v TČ. Tento pocit se nedá vyjádřit penězi.
Je to podobně jako s mobilními telefony: proč existuje dodnes předplacená karta? Když mobilní operátoři nabízejí výhodné tarify s voláním zdarma? Je to svoboda uživatele telefonu, který nechce být svázán smlouvami a pravidelnými fakturami. Svoboda rozhodování a nezávislost na dodavateli něco stojí. Tak by měly vnímat teplárenské společnosti odpojování některých svých dlouholetých zákazníků.
Cenová kalkulace provozních a investičních nákladů na pořízení a provoz TČ je exaktní, ale vnímání lidí bez hlubšího ekonomického pohledu je vždy jen o okamžitých penězích a fakturách za energie.
Nájemníci v bytových domech a majitelé bytů v SVJ nevnímají investiční náklady na pořízení TČ tak jako teplárenské společnosti, které musí do ceny tepla pro konečného spotřebitele zahrnout veškeré náklady, nejen náklady za palivo.
Pro SVJ a bytová družstva je fond oprav, ze kterého se hradí investice do TČ, jen jakási univerzální platba, která není vnímána jako přímo spojená s fakturou za dodávku tepla – tedy zejména s provozními náklady. Dalším logickým argumentem ze strany SVJ je možnost umoření investice pouze z rozdílu mezi původní cenou tepla z CZT a novou po instalaci TČ tím, že je ponechána původní cena tepla jako z CZT po dobu splatnosti celé investice (pokud je palivo pro CZT zemní plyn, vychází cca 5 roků).
Oproti tomu teplárny musí (jsou podnikatelské subjekty, které mají obvykle akcionáře a generují zisk) do výsledné ceny tepla zahrnout úplně všechny oprávněné náklady, tedy včetně odpisů a přiměřeného zisku. Pokud dodávají teplo vyrobené pouze ze zemního plynu, je jejich aktuální obrana oproti TČ obtížná.
Možná obrana dodavatelů CZT: dvoutarifová platba za příkon a odebrané množství. Nikdo se nepozastavuje nad dodavateli elektrické energie a plynu, proč nepoužít podobný model tvorby výsledné ceny za GJ tepla pro teplárny?
Ve stálé složce zákazník, který používá TČ jako hlavní zdroj vytápění, platí za připojení k soustavě zásobování teplem a za připravenost dodavatele kdykoliv dodat teplo. Výše stálé platby se liší podle nároků odběratele na dodávky tepla – podle teploty bivalence TČ. Proměnná složka závisí zejména na ceně paliva použitého k výrobě tepla a je vázána na skutečné množství tepla odebraného zákazníkem.
Odběratel může hospodařením ovlivnit celoroční náklady na teplo, úspory se projeví v nižších nákladech. Dvousložkové ceny známe z vyúčtování spotřeby elektřiny nebo zemního plynu. Na dvousložkovou cenu přecházejí i některé vodárny.
Při dvousložkové ceně odběratel přesně ví, kolik platí za připojení k síti a kolik za odebrané teplo. To má význam i při rozhodování o novém způsobu vytápění, respektive při úvahách o možném odpojení od soustavy zásobování teplem.
V tomto případě musí teplárna velmi citlivě nastavit dvoutarifové ceny vůči zákazníkům používajícím TČ. Teplárny v tomto případě mají silnou konkurenci v dodavateli elektrické energie – elektrokotel s dobrým tarifem jako doplňkový zdroj TČ může být levnější řešení.
4. Výhody a nevýhody obou technologií dodávky tepla do bytových domů, dříve napojených na CZT:
Shrnutí základních výhod CZT oproti TČ:
- vybudovaná rozvodná síť a otopný systém vhodný pro teploty topné vody v radiátorech
- rychlý náběh vytápění ve špičkách (tzv. tvrdý zdroj)
- záloha špičkových výkonů pro extrémní (nevýpočtové) mrazy
- u propojených soustav CZT s více zdroji zajištění zálohování při výpadku jednoho zdroje
- zavedený servis, monitorování a údržba vytápěcího systému.
- tzv. „teplo bez starostí“ inzerované teplárenskými společnostmi
Nevýhody CZT:
- palivová základna CZT v dané lokalitě. Obvykle nelze operativně měnit druh paliva podle aktuálních cen a tím je omezena konkurenceschopnost zdroje – v současnosti se to týká zejména zemního plynu
- náklady na provoz a údržbu sítí CZT zvyšují cenu tepla pro konečné zákazníky
- odpojením zákazníka ze soustavy rostou fixní náklady pro zbývající odběratele
- náklady na provoz sítí a jejich ztráty nemůže zákazník ovlivnit
- legislativně nelze bránit získání stavebního povolení na změnu způsobu vytápění, i když některé obce to zkoušejí. Pro odpojování zákazníků platí legislativní úprava daná zákony č. 406/2000 Sb. (o hospodaření energií) a č. 58/2000 Sb. (energetický zákon) o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích. V tomto případě se jedná o podnikatelský vztah dodavatele a odběratele tepla. Dále je nutné postupovat v souladu s občanským zákoníkem a vyhláškou č. 372/2001Sb. o rozúčtování nákladů na vytápění a přípravu TUV mezi konečné spotřebitele. Odpojování zákazníků od CZT vede některá města k tomu, že nechávají do územního plánu zapracovat instrukce a doporučení pro zachování CZT. Takové instrukce jsou v přímém konfliktu s ustanoveními „Listiny základních práv a svobod“ a Ústavy ČR, podle které mohou být povinnosti ukládány jen na základě zákona. Jednoznačný nález Ústavního soudu ze dne 18. 3. 1997 v kauze CZT Mladá Boleslav (spisová značka P1.ÚS 37/96).
Výhody TČ při náhradě za CZT:
- ekologicky přijatelný zdroj i v husté zástavbě (oproti místním kotelnám na ZP nebo biomasu). Podle § 3, odst. 8 Zákona o ochraně ovzduší je stanovena povinnost připojení k centrálnímu zdroji tepla při splnění podmínek technické proveditelnosti a ekonomické přijatelnosti, popřípadě využít alternativních zdrojů. Mezi alternativní zdroje jsou počítána tepelná čerpadla.
- v současnosti nahrává výhodnosti provozu TČ oproti CZT zejména s palivem zemní plyn i rozvírání cenových nůžek mezi cenou zemního plynu a cenou elektrické energie nejen v tarifu pro TČ. V současnosti navíc není propad cen elektrické energie krátkodobou záležitostí, bude trvat do zrušení deformací výkupních cen z obnovitelných zdrojů v EU. Také nejistota v dodávkách plynu z Ruska drží vysokou cenu ZP i přes hrozbu dovozu břidličného plynu z USA a Kanady.
- investor do TČ jasně vidí všechny náklady a může udělat provozní opatření k jejich minimalizaci. To je svoboda rozhodnutí nevyčíslitelná v penězích
Nevýhody TČ:
- čistá vazba nákladů na cenu elektrické energie. Nyní stále zvýhodněný tarif pro TČ (D56d) nemusí být při masivním rozšíření TČ pro distribuční společnosti atraktivní a budou jej rušit (poučení z historie). Zákazník nemůže nijak ovlivnit.
- ekologicky nejsou TČ tak „alternativní“, jak je uvedeno v § 3, odst. 8 Zákona o ochraně ovzduší. Spotřebovávají elektrickou energii (cca 1/3 topného výkonu), kterou v ČR vyrábíme z 94 % z neobnovitelných zdrojů. Jen se problém emisí přesouvá do elektráren (uhelných, jaderných).
- protože z hlediska investic se v bytových domech jedná převážně o TČ vzduch-voda, je vždy nutno řešit problém bivalence a doplňkového zdroje tepla
- otopný systém v domě musí vyhovovat jinému teplotnímu spádu, než byl původně počítán pro CZT (vysokoteplotní TČ jsou dnes zvládnutým řešením problému)
- odběratel tepla musí změnit svoje regulační návyky z dob CZT, vypínání přes noc a ranní starty. Pro TČ je vhodný jiný režim provozu, včetně priority dodávky TUV před vytápěním a možností akumulace.
Za nevýhody TČ již dnes kvůli učiněnému technickému pokroku nepovažuji hlučnost a dříve nízký topný faktor u TČ vzduch-voda. Navíc dělené jednotky řeší problém umístění vzhledem k obytným místnostem.
5. Závěr si musí udělat vždy zákazník – měl by dostat všechny informace
Cesta pro společnou existenci obou způsobů vytápění v ČR existuje. Rozhodování o způsobů vytápění bytových domů musí probíhat vždy na základě úplných nezkreslených informací, kde bude posouzena výhodnost na základě ekonomiky a osobních priorit investora a ne na základě různých krátkodobých kampaní a dotací.
Zde vidím i možnost využit stávající soustavu CZT a nabídnout doplňkový zdroj k TČ (vytápění, ohřev TUV) za zajímavých podmínek.
Metody zavázání koncového spotřebitele tepla ze strany teplárenských společností musí mít racionální základ. Dnes každý očekává nějakou výhodu, slevu, lepší podmínky. Pokud to teplárenské společnosti nepochopí, bude mít „svoboda“ při rozhodování o způsobech vytápění stále větší význam. Z ekonomických důvodů se mohou některé části velkých městských sítí CZT stát do budoucna ztrátové právě vlivem odpojování celých skupin velkých bytových domů. To je realita současných netržních podmínek v ČR. Na to se musí teplárenské společnosti připravit a případně se aktivně vložit do nabídek nových způsobů vytápění, jinak svoje dlouholeté zákazníky definitivně ztratí!
Navíc nutno konstatovat, že za poslední 3 roky se zejména vlivem rozšiřující se poptávky výrazně zvýšila technická úroveň TČ, zejména TČ vzduch-voda, která jsou nejvíce využívaná pro bytové domy (pokrok v konstrukci, rotační kompresory, dělené jednotky, hlučnost, vysokoteplotní TČ i pro ohřev TUV).
Z hlediska životnosti celého TČ je klíčová životnost kompresoru – moderní dvojité rotační kompresory jsou konstruovány na životnost 100 000 moto-hodin, což odpovídá životnosti až 20 roků. Proto jsou výrobci TČ standardně nabízeny záruky 7 roků.
Další novinkou v používání TČ pro menší výkony je instalace uvnitř teplého objektu (výměníkové stanice, kotelny). Tím je dosahován lepší topný faktor a současně využití odpadního tepla.
Je stále nutno mít na paměti, že ve vytápěcím systému s TČ je tepelné čerpadlo důležité, ale ještě důležitější je komplexní návrh celého topného systému včetně všech součástí a také vzájemných vazeb (regulace, řídící jednotka). Snaha použít TČ s vysokým topným faktorem určitého řešení není ještě zárukou jeho ekonomické efektivity.
Použitá literatura
- [1] Osterreicher D., Pol O., Concerto Inititiative and Polygeneration, Proceedings of the 1st European Conference on Polygeneration, Vol. 1, No. 1, pp. 39–54., 2007
- [2] Petchers, Neil, Combined heating, cooling & power handbook, Lilburn: The Fairmont Press, Inc. 2003
- [3] ČSN EN 14511:2013 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru
- [4] ČSN EN 14825:2014 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Zkoušení a klasifikace za podmínek částečného zatížení a výpočet při sezónním nasazení
- [5] Nová zelená úsporám. Směrnice programu č. 1-2014 Dostupné z:
http://www.novazelenausporam.cz/file/205/dod-prilohy-ii-smernice-1-2014.pdf. - [6] Asociace pro využití tepelných čerpadel. O značce kvality [cit. 22. 4. 2014] Dostupné z:
http://www.avtc.cz/?page=znacka-kvality-q - [7] Klazar L.: Jak je to vlastně s topným faktorem: Chlazení, klimatizace, č. 5/2004
- [8] Firemní podklady výrobců tepelných čerpadel a podklady Teplárenského sdružení ČR
The paper discusses current serious problem of district heating systems (DHS) – disconnecting of individual users and consequent threat of a possible entire heating system collapse in the given locality. Realistic alternatives to the DHS could be heat pumps as individual heat sources. Reasons, advantages and disadvantages of heat pumps in comparison to the DHS are presented in the paper.