Efektivita přípravy vody tepelným čerpadlem s FV systémem

Vzhledem k vysokému konverznímu faktoru neobnovitelné primární energie a vysokému emisnímu faktoru pro elektrickou energii nejen v České republice, ale i v mnoha jiných evropských zemích, může být v budoucnu problematizované nasazení elektricky poháněných tepelných čerpadel. Z pohledu neobnovitelné primární energie patří mezi energeticky náročné aplikace například soustavy s tepelnými čerpadly nasazené v běžných bytových domech [1] nebo v energeticky úsporných rodinných domech [2], kde se významná potřeba tepla spotřebovává na přípravu teplé vody.

Především při snaze o zabezpečení komfortu, kdy se může požadovat příprava teplé vody na vysoké teplotní úrovni, je příprava teplé vody tepelným čerpadlem energeticky velmi náročná. Tepelné čerpadlo pracuje potom s velmi nízkým vytápěcím faktorem na úrovni 2,2 až 2,6. Kromě zvyšování efektivity využití elektrické energie pokročilými tepelnými čerpadly [3] je významnou cestou ke snížení spotřeby elektrické energie z rozvodné sítě využití místní produkce elektrické energie z OZE.

V posledních letech se realizace v oblasti místního využití obnovitelných zdrojů elektrické energie stále více soustředí na instalace FV systémů, a to hlavně pro účely maximalizace pokrytí vlastní spotřeby v budově s ohledem na legislativní a ekonomicky zproblematizovanou dodávku do nadřazené sítě.

Produkce elektřiny FV systémem a její spotřeba tepelným čerpadlem se zdá být ideální kombinací, která by měla vést k výraznému snížení externí dodávky z rozvodné sítě na dodávku tepla pro přípravu teplé vody během roku. Realita však není až tak jednoduchá, jak se na první pohled zdá. Příspěvek ukazuje, do jaké míry lze při ohřevu vody tepelným čerpadlem krýt potřebu elektrické energie FV systémem.

Příspěvek představuje systém kombinující tepelné čerpadlo zem-voda a fotovoltaický systém a s využitím počítačové simulace v TRNSYS [4] vyhodnocuje potenciální přínos z pohledu využití produkce FV systému na snížení místní spotřeby tepla a snížení energetické náročnosti samotné přípravy teplé vody v rodinném domě. Prostředí TRNSYS umožňuje matematické modelování chování dynamických systémů, hlavně komplexních energetických (tepelných, elektrických) soustav budov.

Ohřev vody tepelným čerpadlem

V analyzovaném případě se počítalo s odběrovým profilem, který charakterizuje denní odběr teplé vody 206 l při teplotě 45 °C, výrazná ranní a večerní špička a další menší odběry během dne (obr. 1). Roční odběr tepla v teplé vodě je přibližně 3 060 kWh. K analýze se vybralo tepelné čerpadlo zem-voda s výkonem 5,5 kW při B0/W35, které je napojeno na zásobník teplé vody s definovaným objemem přes vnitřní trubkový výměník s definovanou plochou, umístěný v dolní polovině zásobníku.

Tepelné čerpadlo zem-voda se obecně považuje za energeticky úspornější zařízení než tepelné čerpadlo vzduch-voda, i když v oblasti přípravy teplé vody je jejich celoroční efektivita v podstatě stejná [5]. Schéma systému přípravy teplé vody můžeme vidět na obr. 2. Zásobník se nabíjí na teplotu 50 °C, termostatický směsný ventil na výstupu zabezpečuje požadovanou teplotu 45 °C. V systému přípravy teplé vody se nepočítá s cirkulací teplé vody.

Nejprve byl analyzován vliv velkosti zásobníku teplé vody na spotřebu elektrické energie systému s tepelným čerpadlem na přípravu teplé vody. U daného tepelného čerpadla se počítačovou simulací hodnotila spotřeba elektrické energie v rámci jednotlivých kombinací se zásobníky teplé vody za stejných provozních podmínek.

V tab. 1 jsou uvedeny parametry zásobníků teplé vody podle údajů převzatých z technických listů výrobce. Jednotně se počítalo s výškou teplotního snímače v zásobníku v 70 % výšky zásobníku. K samotné simulaci byly použity pokročilé modely zásobníku (typ 340), tepelného čerpadla (typ 250) a zemního vrtu (typ 451), dostupné v simulačním prostředí TRNSYS.

Spotřeba elektrické energie systému přípravy teplé vody tepelným čerpadlem se při volbě různé velikosti akumulačních zásobníků pohybuje v rozmezí od 1 250 až po 1 280 kWh/rok, sezonní výkonnostní součinitel SPF se pohybuje na úrovni 2,4 až 2,5 (tab. 2). To je realistická hodnota potvrzená řadou měření u reálných instalací menších i větších systémů [2, 3].

Z pohledu neobnovitelné primární energie jako souhrnného hodnotícího kritéria používaného v současnosti u budov vychází potom příprava teplé vody tepelným čerpadlem jako náročnější než v případě solárního termického systému s elektrickým dohřevem a daleko náročnější než v případě solárního termického systému kombinovaného s plynovým kotlem (při účinnosti 93 %). V tab. 3 vidíme srovnání u solárního termického systému s plochou 5 m2, ročním přínosem kolem 1 850 kWh a s pokrytím potřeby tepla na přípravu teplé vody na úrovni asi 60 %.

Když se ke konvenčnímu systému přípravy teplé vody s tepelným čerpadlem přidá fotovoltaický systém s různým instalovaným výkonem, potřeba elektrické energie ze sítě se může výrazně snížit a adekvátně tomu se zvýší i hodnota sezonního výkonnostního součinitele SPF jako ukazatele celkové efektivity systému. Energetická náročnost přípravy teplé vody s ohledem na neobnovitelnou primární energii se potom může výrazně snížit.

Kombinace s FV systémem

Kombinace přípravy teplé vody tepelným čerpadlem s FV systémem byla nejprve analyzována jako konvenční spojení, kde FV systém v případě současného provozu s tepelným čerpadlem kryje část jeho spotřeby bez jakékoliv regulační vazby. V tab. 4 jsou uvedeny výsledky bilance spotřeby elektrické energie a hlavní sledované parametry u referenčního systému (bez FV systému) a u konvenční kombinace s různě velkým FV systémem (s instalovanými výkony 1 kWp, 3 kWp a 6 kWp) ve variantě se zásobníkem teplé vody s objemem 200 l.

Kromě potřeby elektrické energie ze sítě Wel a sezonního výkonnostního součinitele systému SPF bylo sledováno i solární pokrytí fFV, tj. podíl využité fotovoltaické elektřiny na krytí potřeby elektrické energie a využití produkce fotovoltaické elektřiny rFV jako poměr využité FV elektřiny a roční produkce FV systému.

S rostoucím instalovaným výkonem je zřejmý i nárůst úspory, využití produkce FV systému se však pohybuje u všech variant kolem 10 %. Pro zvýšení využití produkce elektrické energie se dále počítalo s adaptivní regulační strategií, která přizpůsobuje provoz tepelného čerpadla aktuálnímu výkonu FV systému.

V případě dosažení definované prahové hodnoty výkonu FV systému regulátor nuceně spustí tepelné čerpadlo tím, že na monitorování požadavku ohřevu vody na 50 °C použije teplotní snímač S2 ve spodní části zásobníku (obr. 3). Cílem je – v případě dostatečné produkce elektrické energie – ohřát celý objem nádrže na požadovanou teplotu bez významného využití elektrické energie ze sítě.

Zatímco elektrický příkon celého systému s tepelným čerpadlem se při nabíjení zásobníku teplé vody na 50 °C pohybuje kolem hodnoty 2,2 kW, z výsledků představené simulační analýzy u všech variant kombinací výkonu FV systému a objemu zásobníku teplé vody (obr. 4) nevyplývá, že by tato hodnota měla být prahovou hodnotou pro zabezpečení minimální potřeby elektrické energie systému odebírané ze sítě.

V podstatě bez ohledu na velikost zásobníku teplé vody je u FV systému s instalovaným výkonem 6 kWp optimální prahovou hodnotou na spuštění nabíjení celého objemu zásobníku aktuální výkon FV systému 1,25 kW, u FV systému s instalovaným výkonem 3 kWp je to hodnota 1,0 kW a u FV systému s instalovaným výkonem 1 kWp se optimum pohybuje relativně nezřetelně mezi hodnotami 0,50 a 0,75 kW.

Při použití optimalizované prahové hodnoty výkonu FV systému na nucené spuštění tepelného čerpadla je na obr. 5 zobrazena závislost sezonního výkonnostního součinitele SPF celého systému od instalovaného výkonu FV systému. Sezonní výkonnostní součinitel vyjadřuje energetickou efektivitu celého kombinovaného systému. Závislosti jsou při objemu zásobníku 160 a 200 l v podstatě shodné, podobně při objemu 300 a 500 l.

Z grafu vyplývá, že optimálním objemem zásobníku v daném případě přípravy teplé vody tepelným čerpadlem s adaptací na výkon FV systému je 300 l. Větší objem zásobníku teplé vody už nepřináší významnou úsporu, menší objem zásobníku je při vyšších instalovaných výkonech FV systému též méně úsporný.

V tab. 5 vidíme podrobné výsledky při vybraných výkonech FV systému při použití objemu zásobníku teplé vody 200 l (na porovnání s výsledky bez adaptace provozu v tab. 4). Je zřejmé, že u FV systému s instalovaným výkonem 1 kWp nepřináší adaptivní provoz žádnou výhodu ve snížení spotřeby elektrické energie systému v porovnání s konvenčním použitím FV systému.

U varianty FV systému 3 kWp se spotřeba sníží o 11 %. Největší přínos 32 % oproti konvenčnímu přístupu má adaptace provozu tepelného čerpadla u velkého FV systému 6 kWp. Zvýšením objemu zásobníku na 300 l lze při využití adaptace provozu tepelného čerpadla podle výkonu FV systému snížit roční spotřebu elektrické energie na přípravu teplé vody až na 458 kWh/rok (při kombinaci s FV systémem 6 kWp).

Závěr

Využití FV systému v kombinaci s tepelným čerpadlem může výrazně snížit spotřebu elektrické energie pro účely přípravy teplé vody, když se využije tzv. adaptivní regulace provozu tepelného čerpadla podle aktuálního výkonu FV systému.

Adaptivní regulace má význam především při použití FV systémů s vyšším instalovaným výkonem, u nichž umožňuje snížit potřebu elektrické energie až o 30 % oproti konvenčnímu využití elektrické energie z FV systému. Prahová hodnota elektrického výkonu na adaptivní regulaci nekoresponduje s maximálním provozním elektrickým příkonem systému s tepelným čerpadlem, ve skutečnosti je mnohem nižší – na úrovni přibližně 50 %.

Při hodnocení z pohledu neobnovitelné primární energie dochází u varianty systému s tepelným čerpadlem se zásobníkem 300 l při použití největšího uvažovaného FV systému k nižší energetické náročnosti než u kombinace malého solárního termického systému s plynovým kotlem. Potřeba neobnovitelné primární energie je v tomto případě jen 1 374 kWh/rok při použití jen 14 % ročně vyprodukované FV elektřiny.

Literatura
1.    Krainer, R. – Matuška, T.: Efektivita provozu tepelných čerpadel v bytových domech, V. sympozium Integrované navrhování a hodnocení budov 2014. 2014.
2.    Matuška, T.: Přínosy tepelných čerpadel v pasivních domech. In: Pasivní domy 2012. Brno: Centrum pasivního domu, 2012, pp. 280 – 287.
3.    Sedlář, J. – Krainer, R.: Zvýšení efektivity přípravy teplé vody tepelným čerpadlem v bytovém domě. Vytápění, Větrání, Instalace. 2016, 25(5), 274 – 279.
4.    Transient System Simulation Tool – TRNSYS 17.1, The University of Wisconsin, Madison, http://sel.me.wisc.edu/trnsys.
5    Matuška, T. – Šourek, B.: Výpočet ročního provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle TNI 73 0351. In: Topenářství, instalace, vol. XXXXVIII, no. 7, pp. 42 – 48, 2014.

Text: Ing. Yauheni Kachalouski, doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.
Obrázky: autoři

Ilustrační foto: Dano Veselský
Autoři pracují v týmu oddělení Energetických systémů budov v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze.
Článek vznikl s finanční podporou MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2017.