Spojení tepelného čerpadla a vakuových kolektorů

31. října 2013

Partneři sekce:

Dosažení parametrů nízkoenergetického domu (s potřebou tepla na vytápění do 50 kWh/m² a rok), by mělo být při dnešní úrovni znalostí a dostupnosti vhodných stavebních materiálů rutinou. V případě rekonstrukcí a revitalizací je však pro dosažení očekávaných úspor energie nezbytná i nová regulace otopné soustavy a zdroje tepla.

Při dosahování co nejnižší potřeby tepla na vytápění mají uplatnění obnovitelné a alternativní zdroje energie, zejména termické solární kolektory a tepelná čerpadla. V současné době nejběžněji používané paralelní zapojení těchto dvou zdrojů staví tyto dva systémy do pozice zařízení, které si vzájemně konkurují (obr. 1 až 2).

Ze solárního systému jsou nízké teploty nevyužitelné, pro tepelné čerpadlo je zase nutná velká plocha pro zhotovení zemního kolektoru nebo vrtu. Další nevýhodu způsobují obvykle různí dodavatelé zařízení, což ztěžuje soulad regulačních prvků. COP tepelného čerpadla je navíc limitovaný teplotou vstupního zdroje tepla (vzduch, země, voda).

Obr. 1 Základní součásti systému: bojler a plochý vakuový kolektor

Princip řešení
DUO systém (výrobce THERMO/SOLAR ŽIAR, s. r. o.) spojuje výhody obou zařízení. Kombinuje oba zdroje energie tak, aby se systémy tepelného čerpadla a solárních kolektorů vzájemně podporovaly.

Zařízení se skládá ze spojení plochých vakuových kolektorů, kompaktní jednotky tepelného čerpadla s nízkoteplotním zásobníkem a akumulační nádrží pro kombinovaný ohřev teplé vody a vytápění. DUO systém využívá všeobecně známý fakt, že pro solární kolektory je nanejvýš výhodné, pokud je teplota spotřebiče co nejnižší – v extrémním případě může dosáhnout až 0 °C. Na druhé straně tepelné čerpadlo se za vyšší teplotu na straně výparníku odvděčí vyšším výkonem a růstem topného faktoru, tzv. COP (obr. 3).

Systém v otopné soustavě
V praxi pak systém funguje takto: při dostatečně vysoké denní intenzitě slunečního záření se teplo z vakuových slunečních kolektorů ukládá přímo do akumulační nádrže, která je zdrojem tepla na přípravu teplé vody a na vytápění.

Při nízké intenzitě slunečního záření se získané teplo ukládá do nízkoteplotního zásobníku. Prostřednictvím tepelného čerpadla se pak teplo transformuje na vyšší teplotní úroveň a opět se ukládá do kombinované akumulační nádrže.

Podmínkou správné funkce celého zařízení je použití plochých vakuových kolektorů – pokud se teplota absorbéru solárního kolektoru dostane pod teplotu rosného bodu, začne na něm intenzivně kondenzovat vodní pára, která především v zimním období pravidelně namrzá. Výskyt velkého množství vlhkosti uvnitř kolektoru vede ke korozi absorbéru a zničení tepelné izolace, takže takto provozovaný standardní kolektor se stane po dvou až třech letech nepoužitelným. Obdobně v případě trubicových vakuových kolektorů dochází k tvorbě a vymrzání kondenzátu ve výměníku v manifoldu. Ploché vakuové kolektory jsou v hermeticky těsné skříni z korozně odolné hliníkové slitiny, což zamezuje vzniku kondenzátu. Pokud má DUO systém fungovat jako jediný zdroj na přípravu teplé vody a vytápění, doporučuje se systém doplnit malým zemním kolektorem ve tvaru vertikálního koše, případně elektrickým dohřevem (obr. 4).

Obr. 3 Základní schéma zapojení DUO systému

Praktické zkoušky
Ve Školicím středisku OZE v Plavsku (obr. 5) je možné porovnat funkci standardně zapojeného solárního systému a výkon DUO systému. V prvním případě je instalováno 28 kusů plochých vakuových kolektorů, které slouží pro ohřev kombinované akumulační nádrže o celkovém objemu 3 m³, která slouží pro vytápění objektu a ohřev teplé vody. V zimním období bez slunečního svitu, kdy se teplota na kolektorech pohybuje do 20 °C a je pro ohřev akumulační nádrže nevyužitelná, dohřívá nádrž tepelné čerpadlo země – voda.

V případě příhodných slunečných podmínek systém funguje mezi 10. až 15. hodinou. Pro DUO systém byla ve školicím středisku vyčleněna část objektu, kde je pro vytápění použito nízkoteplotní podlahové topení. V době, kdy je dostatek slunečního záření, 6 kusů plochých vakuových kolektorů ohřívá akumulační nádrž o objemu 800 litrů. V době nízké intenzity slunečního svitu je předehříván nízkoteplotní zásobník pro zvýšení teploty na výparníku tepelného čerpadla.

Obr. 5 Školicí středisko OZE s instalovaným DUO systémem

Pracovní běh systému během dne je následující: v ranních hodinách, kdy je nízkoteplotní zásobník vyčerpán z nočního provozu, začínají solární kolektory ohřívat tuto nádrž, která může mít teplotu kolem 0 °C, ale může být i v minusových teplotách. Tak, jak zesiluje sluneční svit, regulace systému vyhodnocuje, kdy je vhodné začít s ohřevem akumulační nádrže, a zároveň ve vhodnou dobu v odpoledních hodinách její ohřev ukončit. Následně je při nízké intenzitě svitu ještě opět dohřívána nízkoteplotní nádrž, která v nočních hodinách slouží jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo.

Solární systém je schopen dodávat energii v době od rozednění, tj. v zimním období od 7 asi do 18 hodin. Prostorové nároky na DUO systém jsou především v technické místnosti objektu, kde je systém instalován. Zde je nutné počítat s umístěním akumulačního zásobníku o objemu cca 800 litrů a kompaktní jednotky zásobníku chladu s tepelným čerpadlem. Minimální výška pro instalaci je 2 100 mm. Solární kolektory jsou upevněny obvykle na střeše objektu nejlépe s jižní orientací. Sklon kolektorů je v případě zapojení v DUO systému doporučen kolem 60 °. Tento sklon zajistí plošší křivku solárních zisků v letním období a zároveň se podpoří výkon kolektorů v zimním půlroce. Pro kotvení kolektorů do střechy je výrobcem doporučená nosná konstrukce pro všechny typy střešních krytin. U DUO systému je možná i integrace do střešní krytiny nebo do fasády. Při instalaci solárních kolektorů i tepelného čerpadla je nutné se řídit pokyny výrobce (obr. 6). Zároveň je možné se u autorizovaného dovozce nechat proškolit na instalaci obou zařízení.

Obr. 6 Instalace solárních kolektorů na RD v Plavsku.

Použití
U DUO systému se tedy dá získat v našich klimatických podmínkách dvoj- až 2,5násobek tepelné energie z 1 m² kolektorové plochy oproti standardnímu systému zapojení. Pokud sluneční kolektory byly dosud ve standardních řešeních pouze podpůrným tepelným zdrojem, ve spojení s tepelným čerpadlem v DUO systému se v energeticky úsporných domech stávají dominantními. Vzhledem k tomu, že v současné době vyráběný typ tepelného čerpadla má výkon do 3 kW, jedná se o systém nanejvýš vhodný pro vytápění nízkoenergetických staveb. Do konce letošního roku bude uveden na trh DUO systém s výkonem tepelného čerpadla až 6 kW.

Obr. 7 Průběh energetických zisků