Praktické využití a srovnání ­plynového tepelného čerpadla s elektrickým tepelným čerpadlem v režimu vzduch/voda

Dnešní doba přináší nový pohled na výstavbu a rekonstrukci objektů. Jeden ze základních faktorů při výstavbě je prvotní investice do technologií zajišťujících základní parametry budovy. V budově je třeba zajistit vytápění, chlazení, výměnu vzduchu a celkovou pohodu pro její uživatele. Neposledním faktorem ale začínají být i náklady na provoz zdroje tepla a chladu a optimalizaci spotřeby tepla a chladu pro použité technologie v budově.

Při navrhování systémů vytápění je prvním krokem návrh použitých konstrukcí a materiálů. Využití materiálů na výstavbu stanoví hlavní faktor spotřeby budovy.

Základem je použít materiály s nejlepšími tepelněizolačními vlastnostmi – otvorové konstrukce musí zajistit dostatečné udržení tepla ve vnitřním prostoru v zimním období, a naopak zabránit přehřívání vnitřního prostoru v sezoně chlazení. Z daných parametrů vychází energetická potřeba budovy.

V dnešní době je vhodné využít pro výpočet nejen normované výpočty potřeby tepla a chladu, ve velké míře se ale využívá i počítačová termodynamická simulace, která dokáže nahradit výpočet tepelných ztrát a zisků s přihlédnutím ke klimatickým podmínkám za poslední roky v dané lokalitě budoucího umístění stavby a s využitím posouzení dopadů působení slunečního záření. Z praxe existují srovnání výpočtu tepelných ztrát a zisků normovou metodou a metodou termodynamické simulace.

Základní princip pro úsporu

Výpočtové výsledky simulace dokázaly, že budovy potřebují reálně o 10–15 % menší výkon topných a chladicích zařízení při zohlednění reálných klimatických podmínek budoucího umístění stavby, zohlednění tvaru budovy a prvků stínění. Hlavní dopad se odrazí v investici do technologie vytápění a chlazení.

Špičkový výkon lze zajistit nižším výkonem s využitím akumulace budovy, případně akumulace energie ve strojovně vytápění nebo chlazení. Další, již všeobecně známou optimalizací je snižování výstupní teploty vytápění a zvyšování výstupní teploty pro chlazení.

Pro tyto možnosti jsou v dnešní době použitelná i konvenční zařízení, radiátory, fancoily, ale čím dál tím více se do popředí dostávají systémy využívající pouze dvoutrubkový systém. Těmi jsou podlahová vytápění, případně duální stropní systémy vytápění a chlazení.

Využitím jednoho systému pro vytápění a chlazení investor opět snižuje náklady na dvojitý rozvod, který by každý samostatně sloužil pro vytápění nebo chlazení. Při optimalizaci obvodového pláště a správného návrhu fasády je možné i eliminovat často potřebné rozdílné režimy na různých částech budovy.

Sálavé systémy

Využití sálavých plošných systémů je vhodné nejen energeticky, ale také zdravotně. Sálavý systém je bezúdržbový bez nutnosti pravidelného čištění od prachu a nečistot. To proto, že prach v prostoru nevíří, protože systém nevyužívá proudění vzduchu na předání tepla/chladu do prostoru.

Neméně významným parametrem je i estetika a možnost řešení volné dispozice prostoru. Sálavý systém využívá velké plochy stropu nebo stěny, kterou ohřívá nebo zchlazuje permanentním prouděním topné nebo chladicí vody.

Systém je nízkoteplotní, což znamená, že zdroj tepla nemusí vyrábět vysokou výstupní teplotu pro vytápění. Optimalizovaný teplotní spád je 36 °C / 32 °C. Pro chlazení také využívá minimální teplotu 16 °C, při spádu 16 °C / 19–20 °C. Danou optimalizací výstupních teplot má investor možnost bez problémů použít obnovitelný zdroj tepla a chladu.

Při výběru obnovitelného zdroje se vždy uvažuje s připojovacími možnostmi primární energie. Běžně používané energie jsou elektrická energie z distribuční sítě, plyn z distribuční sítě nebo biometan z přilehlého zdroje či LPG u vybraných typů zdrojů.

Jako obnovitelný zdroj se nejčastěji v komerční výstavbě využívá tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo jako zařízení má výhodu duálního využití pro vytápění i chlazení. Pro srovnání tepelných čerpadel s pohonem elektrickým a plynovým je základním faktorem dosahovaný výkon jedné jednotky pro jednotlivé potřebné energie.

Obvykle elektrické tepelné čerpadlo má mnohem nižší výkon v chlazení než ve vytápění. Plynová tepelná čerpadla jsou na tom různě, rozdíl mezi nominálním výkonem pro vytápění a chlazení se pohybuje od 3 % až do 30 % rozdílu mezi dosahovanými výkony jednotlivých režimů.

Tepelná čerpadla a jejich podmínky

Při dimenzování tepelného čerpadla se zohledňují hlavně klimatické podmínky. Tepelné čerpadlo pracuje v omezeném režimu výkonu při nižších venkovních teplotách – toto omezení výkonu pro elektrická čerpadla představuje již teplota pod 0 °C, kdy čerpadlo začíná spotřebovávat vlastní energii na odmrazování výparníku, což výrazně snižuje dosažený výkon.

U plynových tepelných čerpadel je chladivo do výparníku předehříváno zbytkovou energií spalovacího motoru, a tím pádem neomezuje výstupní výkon tepelného čerpadla a zařízení dokáže vyrábět nominální výkon až do venkovní teploty -20 °C.

Velkou výhodou určitých typů tepelných čerpadel je využití odpadního tepla z motoru a výfuku na vysokoteplotní ohřev. Tepelná čerpadla z tohoto výstupu dokážou vyrobit energii v hodnotě výkonu motoru. V praxi u motoru o výkonu 30HP je výstup možný až o teplotě 65 °C s celkovým výkonem cca 30 kW.

Při instalaci takového zdroje použitím plynového tepelného čerpadla je možnost dosáhnout celoroční účinnosti zdroje (SPER) při chlazení až 1,7. Při vytápění se u plynových tepelných čerpadel pohybuje SPER až na hodnotě 1,5. U srovnávání je třeba uvědomit si rozdíl nákupu jednotlivých energií.

V daném období se ceny energií od distribučních společností pohybují při elektrické energii na hodnotě 3,24 Kč/kWh a u plynu na hodnotě 1,35 Kč/kWh. Při využití odpadního tepla z plynových tepelných čerpadel může rozdíl úspory provozních nákladů na energie činit až cca 23 %.

Neposledním faktorem je ekologie zdroje. Při využití obnovitelných zdrojů se zpravidla využívá i konvenční zdroj pro zajištění tepla při nízkých venkovních teplotách. Při správné volbě topného systému – nízkoteplotního topného systému – a správné akumulaci lze využít pouze obnovitelný zdroj tepla.

Plynové tepelné čerpadlo je pro daný druh zdroje tepla optimálním zařízením, protože jeho dosažený výkon není omezen venkovní teplotou. Dané zařízení dokáže vůči konvenčnímu zdroji, který přímo spaluje plyn, ušetřit až 40 % emisí CO₂. Při správném dimenzování zdroje lze také snížit podíl primární energie pro spotřebu budovy až o 40 %.

Výpočtové srovnání rozdílu použití elektrického tepelného čerpadla vzduch/voda versus plynového tepelného čerpadla vzduch/voda pro objekt se spotřebou 368 387 kWh pro vytápění a 126 000 kWh pro chlazení:
Celková potřeba tepla: 386 387 kWh
Celková potřeba chladu: 126 000 kWh

Plyn. tepelná čerpadla:
max. výstupní teplota = 50 °C, Hot-kit – tep­lo z motoru 60/55 °C
Sezonní výkonové číslo pro vytápění při požadovaném teplotním spádu 45/40 °C, SPF = 1,54, vliv odmrazovacích cyklů 0 %
Sezonní výkonové číslo pro chlazení při požadovaném teplotním spádu 7/12 °C a chodu Hot-kitu do OPV ESER = 1,87
potřeba tepla vyrobeného kotlem 144 895 kWh
potřeba tepla vyrobená plynovými tepelnými čerpadly 241 492 kWh

El. tepelná čerpadla:
max. výstupní teplota 62 °C
Sezonní výkonové číslo pro vytápění při požadovaném teplotním spádu 45/40 °C, SPF = 2,74, po započtení odmrazovacích cyklů (-25 %) klesne SPF = 2,06
Sezonní výkonové číslo pro chlazení při požadovaném teplotním spádu 7/12 °C ESER = 2,36
potřeba tepla vyrobeného kotlem 144 895 kWh
potřeba tepla vyrobená plynovými tepelnými čerpadly 241 492 kWh

Výpočet provozních nákladů

1. Spotřeba plynu pro bivalentní kotelnu – plynová tepelná čerpadla GHP a kondenzační kotel KK.
   Cena plynu v sazbě M8 = 1,44 Kč/kWh, fixní sazba 7 705,5 Kč/měs.
   Tepelný výkon GHP25HP při výpočtové teplotě -11 ˚C a spádu 45/40 ˚C = 2 x 62 kW = 124 kW
   Chladicí výkon GHP25HP při výpočtové teplotě 35 ˚C a spádu 7/12 °C = 2 x 63,5 kW = 127 kW
   Náklady na ZP UK pro KK = 144 895 kWh x 1,44 Kč/kWh / 0,98 = 212 760 Kč
   Náklady na ZP UK pro GHP = 241 492 kWh x 1,44 Kč/kWh / 1,54 = 225 666 Kč
   Náklady na ZP chlazení pro GHP = 126 000 kWh x 1,44 Kč/kWh / 1,87 = 96 957 Kč
   Náklady na ZP fixní platby M8 = 7 705,5 Kč x 12 měsíců = 92 466,4 Kč
   Náklady na plyn spolu = 627 849 Kč
2. Spotřeba elektrické energie a plynu pro bivalentní kotelnu – elektrická tepelná čerpadla a kondenzační kotel KK
   Cena plynu v sazbě M7 = 1,45 Kč/kWh, fixní sazba 3 475,7 Kč/měs.
   Počet ETC pro výkon 124 kW při výp. teplotě -11 ˚C a spádu 45/40 ˚C 3 kusy
   Počet ETC pro výkon 124 kW s vlivem odmrazování -25 % = 4 kusy
   Výpočet potřebného jištění pro fixní platby 3 x 63 A x 4 kusy = 756 A
   Náklady na ZP UK pro KK = 144 895 kWh x 1,45 Kč/kWh / 0,98 = 214 353 Kč
   Náklady na ZP fixní platby M7 = 3 475,7 Kč x 12 měsíců = 41 688 Kč
   Náklady na silovou EE UK = 241 492k Wh x 2,08 Kč/kWh / 2,06 = 243 702 Kč
   Náklady na silovou EE pro chlazení = 126 000 kWh x 2,08 Kč/kWh / 2,36 = 110 997 Kč
   Náklady na distribuci EE (241 492 kWh + 126 000 kWh) x (0,023579 + 0,008145 + 0,00327) = 347 220 Kč
   Náklady na EE fixní platby 765A x 5,95 Kč/A x 12 měsíců = 54 567 Kč
   Náklady na EE a plyn spolu = 1 012 527 Kč

Závěr

Použití elektrických tepelných čerpadel vzduch/voda v bivalenci s kondenzačním kotlem zvyšuje provozní náklady na energie z úrovně 627 849 Kč/rok na 1 012 527 Kč/rok, což je nárůst o 60 %.

Poklesem výkonu elektrických tepelných čerpadel při výpočtové teplotě -11 ˚C a vlivem odmrazovacích cyklů bude potřeba pro zajištění stejného tepelného výkonu při -11 ˚C zakoupit 4 kusy elektrických tepelných čerpadel vzduch/voda místo dvou kusů plynových tepelných čerpadel GHP25HP.

Na tyto 4 kusy se vztahují investiční náklady a náklady na servis. Z uvedených údajů vyplývá, že využití plynových tepelných čerpadel GHP25HP namísto elektrických tepelných čerpadel by pro investora znamenalo významné snížení investičních a provozních nákladů.

Zároveň ale z toho vyplývá, že využití plynových tepelných čerpadel by při dané investici zajistilo kompaktnější sestavu plynových tepelných čerpadel a plnohodnotný zdroj tepla a chladu pro potřeby dané budovy se všemi výhodami popsanými v článku výše.

Pozn. autora: Zdrojové informace čerpány z dostupných on-line ceníků distribučních společností v SR. Všechny hodnoty mají informativní a nezávazný charakter.

Pro potřeby textu 1 euro = 27 Kč dle aktuálního kurzu 05/2020