Provoz kombinovaného energetického systému

Příspěvek představuje výsledky monitorování a vyhodnocení provozu experimentálního energetického systému pro téměř nulové budovy realizovaného v rodinném domě v Hamrech u Hlinska. Vyhodnocení se zaměřuje zejména na nabíjení a vybíjení sezonního zásobníku tepla vybudovaného v podzákladí domu a na celkovou bilanci systému.

V letech 2015 až 2017 byly v rámci projektu TAČR TA04021243 vyvíjeny komponenty pro energetický systém kombinující fotovoltaickou elektrárnu s tepelným čerpadlem a zemním zásobníkem tepla pro dlouhodobou akumulaci.

Cílem bylo vybudovat experimentální instalaci systému pro rodinný dům, který bude minimalizovat odběr elektrické energie z rozvodné sítě a v reálném provozu bude vykazovat nízké hodnoty potřeby neobnovitelné primární energie díky vysokému využití obnovitelných zdrojů energie.

Postupně bylo vyvinuto tepelné čerpadlo s regulací otáček kompresoru pro přizpůsobování svého příkonu produkci instalovaného FV systému, kombinovaný zásobník tepla pro vytápění a přípravu teplé vody a nízkonákladový zemní zásobník tepla v podzákladí domu.

Experimentální systém

Experimentální systém byl realizován v novostavbě rodinného domu v Hamrech u Hlinska. Rodinný dům je vybaven podlahovým vytápěním a větracím systémem se zpětným získáváním tepla.

Z povahy experimentu byl systém vybaven více komponentami, než je zamýšleno pro komerční použití, a to jednak z důvodu samotné nejistoty možnosti provozu všech okruhů s vodou jako teplonosnou látkou v klimatické oblasti Vysočiny, ale i kvůli umožnění nastavení různých provozních stavů a testování strategií provozu systému.

Základem systému (obr. 1) je tepelné čerpadlo napojené na horní zónu (příprava TV) a dolní zónu (vytápění) kombinovaného vodního zásobníku tepla (vysokoteplotní uzel). V zimním období tepelné čerpadlo odebírá teplo z nízkoteplotního vodního zásobníku (nízkoteplotní uzel), do kterého dodávku tepla zajišťují nízkoteplotní zdroje tepla (zemní zásobník tepla v podzákladí, záložní zemní smyčka).

Pokud se v průběhu zimního období zemní zásobník vyčerpává (klesá teplota v nízkoteplotním uzlu), připíná se zemní smyčka. Mimo zimní období (při nadnulových teplotách) může tepelné čerpadlo odebírat teplo z chladiče venkovního vzduchu (mimo zimní období) a přečerpávat ho do kombinovaného zásobníku.

Jednou z hlavních funkcí systému je spolupráce tepelného čerpadla s fotovoltaickým systémem. V případě produkce elektrické energie FV systémem o dostatečném výkonu pro provoz tepelného čerpadla při minimálních otáčkách se nuceně spíná tepelné čerpadlo (změna nastavení požadované teploty v kombinovaném zásobníku tepla) a jeho provoz je hrazen pouze FV elektřinou.

Zároveň se v případě přebytků tepla spíná okruh nabíjení zemního zásobníku tepla, do kterého je teplo dodáváno z kombinovaného zásobníku. Zemní zásobník se pak během letního období dostává na teplotu výrazně vyšší, než je teplota okolního podloží, aby v zimním období sloužil jako zdroj tepla pro výhodnější provoz tepelného čerpadla.

V rámci experimentální instalace je umožněno i letní chlazení přepnutím zemní smyčky přímo na okruh podlahového vytápění. Veškerá elektrická energie z FV systému je zužitkována v domě, buď pro provoz tepelného čerpadla a příslušenství (regulace, oběhová čerpadla), nebo pro domácí spotřebiče.

Případné přebytky jsou mařeny v elektrických topných tělesech (s přesnou regulací příkonu) umístěných v kombinovaném zásobníku tepla, a tedy využitých pro přípravu teplé vody nebo pro akumulaci tepla do podloží.

Nabíjení zemního zásobníku

Systém je v plném provozu od října 2017, kdy byl opožděně zprovozněn fotovoltaický systém, a tak nebylo možné již v první zimní sezoně dosáhnout cílové teploty v zemním zásobníku. Nicméně kvůli zkouškám v rámci experimentu byl zemní zásobník nabíjen provozem tepelného čerpadla i bez součinnosti s FV systémem.

Zároveň díky relativně rychlému poklesu teploty v zemním zásobníku v zimním období byla ve střídavém provozu i záložní smyčka s ohledem na použití vody jako teplonosné látky. Od jara 2018 již systém pracoval podle zamýšlené strategie přizpůsobování příkonu tepelného čerpadla elektrickému výkonu FV systému a zemní zásobník se postupně nabíjel až do konce září 2018.

Obr. 2 ukazuje průběh nabíjení v září 2018 v horní vrstvě zemního zásobníku, ve které je uložen výměník tepla z plastových trubek. Teplota T_zem je teplota vrstvy, zatímco teploty T₁ a T₂ jsou měřeny na vstupní a výstupní trubce okruhu v kontaktu se zeminou.

Obr. 3 pak ukazuje průběh teplot při nabíjení a vybíjení v různých vrstvách zemního zásobníku – 1 m, 2 m, 3 m, 4 m a 5 m pod základovou deskou. Při hodnocení teplotního průběhu je dobré si uvědomit, že teplota v 1 m je v oblasti blížící se již spodnímu konci základových pasů (v hloubce 1,5 m).

Na obr. 4 je vyhodnoceno množství tepla odebrané a dodané do zemního zásobníku tepla a množství tepla odebrané ze záložní zemní smyčky. Odběr ze záložní zemní smyčky v zimním období 2017–2018 je způsoben nedostatečnou teplotou v zemním zásobníku a zkušebním provozem.

Odběr na přelomu let 2018 a 2019 je dán postupným vyčerpáním zásobníku, který nemá dostatečnou tepelnou kapacitu pro daný odběr rodinného domu. Dále je patrný rozdíl mezi energií dodanou do zemního zásobníku a odebranou během roku. Jak je u sezonní akumulace obvyklé, zhruba 50 % tepla představují mezisezonní tepelné ztráty.

Bilance systému

Výpočtová tepelná ztráta domu je 4,5 kW. Předpokládaná potřeba tepla byla 3400 kWh pro vytápění a 3060 kWh pro přípravu teplé vody. V době řešení projektu byla provedena řada analýz energetického systému počítačovými simulacemi a postupně byly upřesňovány, jak byly jednotlivé prvky vyvíjeny [2–3] (výsledky viz tab. 1).

Na realizovaném systému jsou v časovém kroku 10 s vyhodnocovány energetické toky, zejména výkon FV systému, odběr tepla do budovy (vytápění, příprava teplé vody), odběr a dodávka tepla do zemního zásobníku, případně záložní smyčky a elektrický výkon odebíraný technologií (v různém rozlišení) a také samotnou budovou (uživatelská energie).

Na obr. 5 je uvedena bilance samotného energetického systému během roku 2018. Produkce FV systému v roce 2018 byla 6250 kWh. Dům v roce 2018 odebral zhruba 8900 kWh tepla pro vytápění a přípravu teplé vody a spotřeboval k tomu 1400 kWh elektrické energie (SPF = 6,3).

Jako relativně významná položka ve spotřebě elektrické energie se ukázala pohotovostní spotřeba, zčásti způsobená také monitorovacím systémem. Efektivita provozu se nicméně blíží předpokládaným výsledkům předběžných bilancí.

Závěr

Experimentální systém, který se v reálném hodnocení potřeby neobnovitelné primární energie dostává pod poloviční hodnotu požadavku na pasivní domy, je v provozu od října 2017. Z pohledu energetické efektivity se potvrzují výsledky předběžných počítačových simulací.

Na druhou stranu je z detailních výsledků patrné, že tepelná kapacita zemního zásobníku v podloží budovy je nedostatečná pro akumulaci tepla pro celou zimní sezonu v klimatických podmínkách Vysočiny v případě, že celý systém má využívat vodu jako teplonosnou látku.

Tepelné ztráty zásobníku představují relativně velkou položku v energetické bilanci. Kromě uvedených výsledků z detailního monitorování byla získána řada provozních zkušeností, které umožní posunout další vývoj systému směrem k robustnějšímu řešení uplatnitelnému v praxi.

Literatura
[1] TA04021243. Udržitelný energetický zdroj pro téměř nulové budovy. Projekt TAČR 2025-2017.
[2] MATUŠKA T., ŠOUREK B., SEDLÁŘ J., BROUM M.: Kombinovaný zdroj s tepelným čerpadlem pro rodinný dům. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2016. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2016, s. 93–100. 1. vydání. ISBN 978-80-02-02666-2.
[3] BROUM M., SEDLÁŘ J., ŠOUREK B., MATUŠKA T.: Kombinovaný zdroj s tepelným čerpadlem pro rodinný dům. Sborník konference Vytápění Třeboň 2017. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017, s. 134–139. ISBN 978-80-02-02712-6.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.