Novinka tepelné čerpadlo Vaillant recoCOMPACT exclusive

Hodnota za peníze: Tepelná čerpadla správně dimenzovaná, plně využitá

3. prosince 2021

Partneři sekce:

Tepelná čerpadla pro nové i retrofitované budovy – správně dimenzovaná čerpadla mají vyrobit jak čím více tepla, tak i chladu. Tento příspěvek v rámci teze „Hodnota za peníze“ se věnuje otázkám, proč mají být tepelná čerpadla posuzována přednostně a proč tepelná čerpadla není z ekonomického hlediska vhodné kombinovat s jinými nákladnými zařízeními vyrábějícími teplo.

Na tepelná čerpadla spoléhají tvůrci evropské legislativy při konverzi dekarbonizované elektřiny na vytápění a chlazení. Zachovává se princip technologické neutrality, jelikož vývoj může přinášet nová řešení. Vývoj na trhu s tepelnými čerpadly ovšem ukazuje, že navzdory hluboko podprůměrnému počtu tepelných čerpadel na 1 000 obyvatel v rámci EU bylo jen na Slovensku za rok 2019 získáno prostřednictvím tepelných čerpadel 10 % z obnovitelné energie ze závazku SR pro rok 2020. Tento vývoj mohl být rychlejší, ale musíme být na něj připraveni, a to nejen finančně, ale také odborně, kapacitně a zkušenostmi.

Tepelná čerpadla jako první volba

Princip, že nejdříve posuzujeme využití tepelných čerpadel a až potom jiné technologie, a to zejména tam, kde je potřeba nejen vytápět, ale i chladit, je přijímán stále intenzivněji. Kromě budování inteligentních energetických sítí a inteligentních budov jsou důvodem i skutečnosti, že jedním zařízením se v podmínkách Slovenska dosahuje:

až čtyřikrát nižších emisí CO₂ na kWh vyrobeného tepla vůči teplu z plynu,
troj- a vícenásobného zvýšení energetické efektivnosti výroby tepla z elektřiny,
využití obnovitelné energie nejen při vytápění, ale i při chlazení budov,
30- a víceprocentního snížení potřeby primární energie vůči energii z plynu,
zvýšení připravenosti na zapojení do inteligentních systémů apod.

Tepelná čerpadla mají i své slabé stránky. Spotřebovávají elektrickou energii, kterou je třeba vyrobit. Jejich podíl na celkové spotřebě elektřiny (alespoň na Slovensku určitě) je zatím malý.

Přestože o čerpadlech bylo napsáno a řečeno hodně – a určitě ještě bude, protože výzkum postupuje a technologie se neustále vyvíjí – existují čerpadla, o kterých se tak často nemluví. Plynová čerpadla. Co umí, jaké mají výhody a nevýhody a jak se liší od těch „běžných“?

Čím více tepla, tím větší přínos

Z ekonomického hlediska není vhodné tepelná čerpadla kombinovat s jinými drahými zařízeními, která od nich přeberou část výroby tepla, a to zejména v obdobích jaro, podzim, léto, kdy tepelná čerpadla dosahují vysoké energetické účinnosti. Využití paralelních zařízení, a to zejména těch investičně náročnějších, využívajících obnovitelné energie, zhoršuje nejen ekonomiku tepelných čerpadel, ale také degraduje přínos paralelních zařízení.

Vyplývá to z obr. 1, který porovnává úspory emisí CO₂ a úspory na primární energii při výrobě tepla. Pokud část tepla vyrobeného plynovým kotlem 3 kWh (červené okénko) se nahradí teplem vyrobeným z obnovitelné energie (OE), tak se ušetří 0,666 kg CO₂ a 3,33 kWh primární energie podle normativních údajů ve vyhlášce č. 324/2016 Z.z. (v ČR vyhláška č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov).

Výhodná kombinace plynového kotle a solárního kolektoru v existujících domech. Plynový kotel po roce 2030 už nebude přijatelný, pokud nepřijde „zelený plyn“ (obr. dle vyhlášky 324/2016 Z.z.). |

Pokud nahradí zdroj z OE 3 kWh tepla vyrobeného tepelným čerpadlem, tak se ušetří jen 0,17 kg CO₂ a 2,26 kWh primární energie.

Kombinace s tepelným čerpadlem

Pokud se zdrojem z OE vyrobí 3 kWh tepla, a nahradí se tak teplo vyrobené tepelným čerpadlem, ušetří se téměř čtyřikrát méně emisí CO₂ a o téměř 33 % méně primární energie, než kdyby se nahradilo teplo vyrobené z energie zemního plynu. Z obrázku vyplývá výhodná kombinace plynového kotle a solárního kolektoru ve stávajících domech, jelikož se tak výrazně snižují emise při výrobě tepla z plynu.

Výroba vodíku energetický náročná

S energiemi souvisí i vodík – podle IZW e.W. (EChillventa 2020) bude zeleného vodíku nedostatek pro dopravu či průmysl. I v případě, že by ho bylo dost, vzhledem k nižší hustotě 0,0899 kg/m³ při přidání 20 % vodíku do zemního plynu se ušetří pouze 7–8 % emisí CO₂ a ve značné míře by bylo nutné měnit i starší plynové kotle.

Množství obnovitelné energie potřebné na výrobu zeleného vodíku podle Fraunhofer Institute for Energy v Kasselu prezentovaného na kongresu eChillventa na vytápění budov je o 500 až 600 % vyšší než energie potřebná pro tepelná čerpadla na generování tepla. To vyplývá z potřeby 45–50 kWh elektrické energie na výrobu 1 kg vodíku při elektrolýze 9 l vody. Spalné teplo vodíku je 33,3 kWh/kg, přičemž z 50 kWh elektrické energie potřebné na výrobu 1 kg vodíku získáme přibližně 150 kWh tepla pomocí tepelných čerpadel.

Krb jako hlavní zdroj tepla?

Jsou indicie, že v nových domech, kvůli zařazení do energetické třídy A0, se navrhuje jako hlavní zdroj tepla krb, který může být investičně poměrně náročný. V běžném životě domácnosti však krb nebude hlavním zdrojem tepla. Krb, pokud bude, bude využíván jako doplňkový zdroj tepla, a to často k přímému elektrickému vytápění, se kterým by byl dům zařazen do energetické třídy B.

Pokud investor na takové řešení přistoupí, cesta zpět bývá nemožná a ve skutečnosti jeho dům nebude fungovat ve třídě A, ale ve třídě B. Hodnota takového domu bude na trhu výrazně nižší. Navíc investor za krátký čas zjistí vysoké náklady nejen na převažující elektrické vytápění, ale také na přípravu teplé vody zejména v létě, kdy se krb neprovozuje – a zjistí také potřebu chlazení.

Dodatečně proto dům doplní o reverzibilní tepelné čerpadlo vzduch/vzduch, které nejen vytápí, ale také chladí. Nepřipravuje však teplou vodu. Provozní náklady a také výsledné emise budou stále vysoké a budou odpovídat způsobu provozu vytápění a přípravy teplé vody.

Takové řešení s fiktivním krbem (ale i jiná řešení) by mělo být na trhu omezeno právními normami, aby investoři nepoškozovali ekonomicky sami sebe a zároveň nezvyšovali emise pevných nečistot a oxidu uhličitého do ovzduší, a neohrožovali tak nejen sebe, ale i jiné lidi.

Uhlíková neutralita – dekarbonizace elektřiny

Využívání tepelných čerpadel umožní dosáhnout uhlíkové neutrality v odvětví vytápění a chlazení do roku 2050. Například u elektřiny zaznamenáváme neustálý pokles emisí CO₂ ekv na vyrobenou kWh elektrické energie. Teplo vyrobené tepelnými čerpadly je v současnosti zatíženo pouze 35 g CO₂ na kWh tepla.

Existuje tedy jistota, že vytápěním s tepelnými čerpadly se cíle uhlíkové neutrality do roku 2050 ve vytápění a chlazení dají splnit. V zájmu dosažení co nejnižších emisí a co nejnižší spotřeby pohonné energie vedle využití obnovitelné energie pro potřeby vytápění, přípravy teplé vody a chlazení lze doporučit v projektech nových investic a rekonstrukcí vždy posoudit nejdříve využití tepelných čerpadel se sálavým vytápěním, chlazením a jen v případě technických problémů nebo ekonomické nevýhodnosti zvažovat jiné řešení.

Doporučení vyhodnotit nejdříve technologii, která efektivně chladí i vytápí, umožní investorům a projektantům postupovat nejrychlejší, nejefektivnější cestou a vyhnout se zbytečnému zdržení kombinací jiných několika technologií. Teprve následně v případě potřeby či zájmu investora je vhodné doplňovat jiné technologie. Nejblíže k spolupráci s tepelnými čerpadly je elektřina z OE.

Budovy – citlivost výpočtu primární energie

PEF – primární energetický faktor, R – tepelný odpor a SPF – sezonní výkonnostní součinitel ovlivňují výpočet spotřeby primární energie v budově na m² za rok. Citlivost na PEF, R, SPF byla posouzena zařazením bytového domu s TČ do třídy A0 při výpočtu potřeby tepla měsíční metodou. Při stejném procentuálním navýšení R a SPF nebo snížení PEF má největší vliv na spotřebu primární energie SPF, potom R a nakonec PEF.

Citlivost výpočtu primární energie v kWh na m² za rok na parametry PEF, R, SPF a zařazení budovy do energetické třídy A0 můžeme vyjádřit při tepelném odporu budovy R = 3, R = 4,4 a při R = 6,5. Posun budov do energetické třídy A0 nejvýznamněji ovlivňuje vyšší SPF, potom vyšší R a nakonec nižší PEF.

Obr. 2 Obrázek znázorňuje prudký růst získané obnovitelné energie zejména v roce 2018, který je způsoben nejen dotacemi, ale také zvyšujícím se počtem oznamujících firem. | Zdroj: archiv autora

Hodinová metoda

Poměr vyrobené a spotřebované energie v budově se během roku mění. Nejpřesněji umí potřeby a spotřeby energií vyjádřit hodinová metoda, která nejenže je přesněji vypočítá, ale také rozliší, zda jde o potřebu chlazení nebo vytápění.

Hodinová metoda je výhodnější i na dimenzování fotovoltaiky pro vlastní spotřebu. Pokud budova vyrobenou elektřinu nezvládá spotřebovat, při nezabezpečeném odběru předimenzované výroby FVE může být provoz pro investora nevýhodný.

Obnovitelné teplo odebrané z prostředí

Hodnocení obnovitelné energie odebrané z prostředí tepelnými čerpadly je mírně konzervativní, vzhledem k uplatnění normativního způsobu výpočtu podílu obnovitelné energie podle Rozhodnutí EK, jakož i podle zvyšujícího se počtu oznamovatelů TČ za roky 2016–2018.

doc. Ing. Peter Tomlein, Ph.D.
Autor působí ve Slovenském svazu pro chladicí a klimatizační techniku. Článek byl přednesen na konferenci Vykurovanie 2020 a původně publikován ve stejnojmenné sborníku, jehož vydavatelem je SSTP.
Článek vyšel v časopisu TZB 4/2021.