Energetická efektivita nasazení tepelných čerpadel v bytových domech
Ať už jde o nerekonstruované nebo rekonstruované domy, efektivita provozu tepelných čerpadel v nich může být problematická. Článek se snaží pomocí analýzy chování tepelného čerpadla v soustavě vytápění a přípravy teplé vody poukázat na příkladu reálného bytového domu na úskalí energetické efektivity takových instalací.
Běžná tepelná čerpadla pracují do přípravy teplé vody s nízkými topnými faktory. Struktura potřeby tepla v bytových domech, kdy velká část je tvořena právě přípravou teplé vody, ovlivňuje celkovou energetickou efektivitu provozu tepelného čerpadla. Kombinace s vytápěním znamená navíc vysoký instalovaný výkon zařízení, který se během roku významně neuplatní.
Výběr bytového domu
Pro analýzu provozního chování tepelného čerpadla v bytovém domě byl zvolen osmipodlažní dům panelové konstrukce z 90. let ve dvou variantách. Uvažovány byly varianty bez zateplení a po rekonstrukci (tab. 1). Otopná soustava v domě je teplovodní dvoutrubková s článkovými topnými tělesy projektově navrženými na teplotní rozdíl 80/60 °C. Pro stav bez zateplení zkušenost ukázala, že otopná soustava může pracovat i při −15 °C na nižší teplotní úrovni 70/50 °C. Pro variantu rekonstrukce lze návrhové teploty otopné vody snížit až na 51/40 °C při zachování téměř stejného průtoku v otopné soustavě (bez nutnosti úprav vyvážení otopné soustavy). Otopná soustava v obou případech využívá ekvitermní regulaci teploty otopné vody podle venkovní teploty.
Bytový dům má v každém patře 4 byty s průměrně 2,5 obyvateli na byt. Celkový počet obyvatel je 80. Potřeba teplé vody na teplotní úrovni 55 °C je uvažována 40 l/os/den, tzn. celková roční potřeba teplé vody v domě je téměř 1 200 m3/rok. Teplota studené vody je 10 °C. Teplá voda je odebírána podle hodinového profilu s denní a večerní špičkou a letním poklesem odběru o cca 25 % oproti zimní části roku. Tepelné ztráty cirkulací, která je v provozu v domě po celý den, jsou uvažovány paušálně jako 70 % potřeby tepla na samotný ohřev uvedeného množství vody. Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody je 375 GJ. Ve variantě bez zateplení se podílí teplá voda na celkové potřebě tepla zhruba 38 %, ve variantě rekonstrukce podíl teplé vody dosahuje 58 %.
Výběr tepelných čerpadel
Tepelná čerpadla byla zvolena typu vzduch – voda ve venkovním provedení od renomovaného výrobce s věrohodnými podklady o výkonu a topném faktoru udávaném v technické specifikaci pro velký počet okrajových podmínek (kombinací teploty venkovního vzduchu na vstupu do výparníku a teploty otopné vody na výstupu z kondenzátoru). Jmenovitý výkon zvoleného tepelného čerpadla je 14,8 kW a topný faktor je 3,5 při teplotních podmínkách A2/W35. Tepelné čerpadlo umožňuje provoz až do venkovní teploty −20 °C při výstupní teplotě otopné vody 60 °C. Pro zajištění požadovaného výkonu instalace je uvažována kaskáda těchto tepelných čerpadel. Ve variantě bez zateplení se počítá se 4 tepelnými čerpadly o celkovém jmenovitém výkonu 59,2 kW při A2/W35 s návrhem na cca 68 % tepelné ztráty domu. Ve variantě rekonstrukce se počítá se 3 tepelnými čerpadly o celkovém jmenovitém výkonu 44,4 kW při A2/W35 s návrhem na cca 91 % tepelné ztráty domu. Návrhový výkon v tomto případě zohledňuje především potřebu výkonového krytí přípravy teplé vody. Tepelná čerpadla jsou uvažována bez regulace výkonu, pouze spínaná v kaskádě.
Výpočet provozního chování TČ
Výpočet provozního chování tepelných čerpadel byl proveden metodou podrobné hodinové bilance potřeby tepla na přípravu teplé vody a vytápění a dostupné tepelné energie dodávané tepelným čerpadlem za daných provozních podmínek pro krytí energetických potřeb domu. Výpočet byl proveden pro klimatické údaje typického meteorologického roku charakterizovaného minimální teplotou venkovního vzduchu −15,1 °C, maximální teplotou venkovního vzduchu +30,8 °C a průměrnou teplotou 8,0 °C.
Druh záložního (bivalentního) zdroje zde není řešen, potřeba energie ze záložního zdroje vyjadřuje rozdíl mezi potřebou tepla domu a teplem dodaným z tepelných čerpadel do domu. Ve variantě bez zateplení nemohou tepelná čerpadla pracovat při požadovaných teplotách otopné vody nad 60 °C. Výpočet uvažuje, že pouze předehřívají vratnou otopnou vodu z otopné soustavy na teplotu 60 °C a záložní ohřev dohřívá vodu na aktuálně potřebnou teplotu přívodní vody. Příprava teplé vody (zásobníkový ohřev) má vždy přednost. Tepelné ztráty zásobníků (teplá voda, nárazový zásobník pro otopnou vodu) nejsou ve výpočtu uvažovány, lze předpokládat, že vzhledem k množství tepla dodávaného tepelnými čerpadly budou zanedbatelné. Podobně jsou zanedbány tepelné ztráty rozvodů mezi tepelnými čerpadly uvažovanými na střeše domu a patou tepelné soustavy v domě. V rámci výpočtu je vyhodnocena zvlášť pro přípravu teplé vody a pro vytápění tepelná energie dodaná z tepelného čerpadla pro krytí potřeb, elektrická energie spotřebovaná tepelným čerpadlem, roční topný faktor samotných tepelných čerpadel, potřeba záložního zdroje, doba provozu, potřeba pomocné elektrické energie (pro oběhová čerpadla). V tab. 2 jsou uvedeny výsledky celoroční bilance pro obě varianty domu.
Instalace čtyř tepelných čerpadel vzduch – voda pro bytový dům ve variantě bez zateplení pokryje celkem 94 % potřeby tepla. Vzhledem k vysokým požadovaným teplotám jak pro vytápění (jde o vysokoteplotní otopnou soustavu), tak pro přípravu teplé vody (z hygienických důvodů) se roční topný faktor v obou režimech pohybuje na úrovni 2,6 až 2,7. Instalace tří tepelných čerpadel vzduch – voda pro bytový dům ve variantě po rekonstrukci zateplením pokryje 97 % potřeby tepla. Snížení teploty otopné vody pro vytápění při zachování otopných těles zvýšilo efektivitu provozu tepelného čerpadla v režimu vytápění a roční topný faktor tepelného čerpadla se pohybuje na úrovni 3,2. U přípravy teplé vody zůstává roční topný faktor na úrovni 2,6. Vzhledem k významnému podílu přípravy teplé vody na potřebě tepla domu je hodnota celkového topného faktoru 2,8.
Hodnocení
Z výsledků je patrné, že pro správné zhodnocení instalace tepelného čerpadla nelze předpokládat v žádné z variant provoz s ročním topným faktorem nad hodnotou 2,9, natož se jmenovitým topným faktorem 3,5, který výrobci tepelných čerpadel často uvádí jako jedinou hodnotu. Normový dokument TNI 73 0331, který má sloužit jako pomůcka pro energetické specialisty při posuzování energetické náročnosti budov, obsahuje zjednodušený přístup k hodnocení. Výpočet používá hodnotu jmenovitého topného faktoru a korekční činitele na teplotní podmínky provozu tepelného čerpadla pro přepočet. Výsledky zjednodušeného postupu podle TNI 73 0331 jsou uvedeny v tab. 3 za předpokladu krytí celkové potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody tepelnými čerpadly (zanedbání záložního zdroje). Přestože jsou výsledné hodnoty zatíženy významným zjednodušením, jsou relativně podobné výsledkům detailního výpočtu s hodinovým krokem a zjednodušený postup je tak použitelný pro rámcovou bilanci.
Efektivita provozu tepelných čerpadel ve stávajících bytových domech je problematická, ať už se jedná o nerekonstruované nebo rekonstruované domy. U nezateplených snižuje efektivitu vysoká teplota otopné vody, u zateplených domů začíná významně převažovat vliv efektivity přípravy teplé vody. Příprava teplé vody se zajištěním legislativou požadované teploty 55 °C má negativní dopad na provoz instalací tepelných čerpadel. Analýza ukázala, že pro obě varianty se roční topný faktor samotných tepelných čerpadel pohybuje jen těsně nad hodnotou 2,5, kterou nařízení EU 2013/114 (v návaznosti na směrnice EU o podpoře obnovitelných zdrojů energie) definuje jako minimální hodnotu sezonního topného faktoru pro celou tepelnou soustavu s tepelnými čerpadly (včetně elektrického dohřevu a pomocné elektrické energie na oběhová čerpadla). Pouze instalace s hodnotou topného faktoru nad 2,5 mohou být označeny za instalace šetřící primární energii. V opačném případě je energeticky výhodnější využívat fosilní paliva přímo k ohřevu spalováním, než komplikovaně využívat k výrobě elektřiny a tu pak využívat pro pohon neefektivně pracujících tepelných čerpadel.
Výsledky analýzy poukázaly také na nezbytnost zodpovědně bilancovat reálný provoz tepelného čerpadla. Při výpočtech nelze spoléhat na jmenovité hodnoty výkonů a topných faktorů uváděných často při podmínkách, které sotva při skutečném provozu nastanou. Pro získání spolehlivé informace o dosažitelné úspoře energie je nezbytné vyžadovat podrobný výpočet provozu tepelného čerpadla v konkrétní instalaci.
Komentář recenzenta – Jiří Kalina, Regulus, spol. s r. o.
Autor článku přibližuje problematiku instalace tepelného čerpadla do bytového domu prostřednictvím simulace s hodinovým krokem a následně zjednodušené energetické analýzy dle TNI 73 0331 – Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet. Výsledky správně poukazují na relativně neefektivní parametry tepelných čerpadel při přípravě teplé vody. To je také důvod, proč v obou variantách (zateplená/nezateplená) jsou celkové parametry tepelného čerpadla prakticky totožné. Autor se snaží analýzou ukázat, že současná kvalitní tepelná čerpadla vzduch – voda disponují vysokým topným faktorem při velmi nízkých venkovních teplotách (viz výsledky pro vytápění), avšak při „průměrné“ venkovní teplotě a vysoké teplotě kondenzace (požadovaná teplota teplé vody) nemusí být výsledky úplně přesvědčivé. Je otázkou, jakým způsobem byla příprava teplé vody řešena. Výsledky ukazují na standardní jednostupňovou přípravu teplé vody (tepelné čerpadlo + zásobník). Dnes však častěji bude tepelné čerpadlo připravovat teplou vodu formou předehřev + dohřev.
Tepelné čerpadlo bude pracovat většinu času (v době předehřevu) v parametrech lepších a celkový průměrný topný faktor se zvýší, neboť v době dohřevu bude topný faktor téměř stejný jako u jednostupňové přípravy TV. Ve vývoji jsou také teplená čerpadla s odběrem tepla na více úrovních. To vše snad již v dohledné době přinese významné zlepšení parametrů přípravy teplé vody. Autor na adresu dodavatelů konstatuje, že „nelze předpokládat v žádné z variant provoz s ročním topným faktorem nad hodnotou 2,9, natož se jmenovitým topným faktorem 3,5, který výrobci tepelných čerpadel často uvádí jako jedinou hodnotu“. To, že výrobci deklarují parametry topných faktorů, není až tak problém jich samotných. Co jiného by měli u svých zařízení udávat, než provozní technické parametry, když při výrobě příliš nevědí, v jaké aplikaci hodlá investor zařízení použít? Kvalitní dodavatelé, kterých ani v České republice není málo, udávají ve veřejně dostupné technické dokumentaci celou řadu hodnot nejen topných faktorů v různých provozních bodech. Lze souhlasit se závěrem, že je nezbytné zodpovědně bilancovat reálný provoz tepelného čerpadla. Tyto analýzy jsou však již dnes více než kde jinde vyžadovány právě u bytových domů, a to ruku v ruce s podrobnou analýzou ekonomickou, která v článku úplně chybí.
Bytové domy tvoří na trhu specifický segment, ve kterém hraje ekonomika nejdůležitější roli. Prakticky žádné jiné kritérium, než krátká ekonomická návratnost v případě společenství vlastníků jednotek, bytových družstev i samostatných vlastníků bytových domů, neexistuje. V situaci, kdy stávající cena energie převyšuje cca 700 Kč/GJ, je těmto vlastníkům celkem jedno, zda je tepelné čerpadlo z hlediska spotřeby primární energie efektivnější nebo méně efektivní než prosté spalování fosilních paliv. Podstatný je právě ekonomický efekt. Vliv by uvedený parametr (celkový topný faktor >2,5) měl mít v případě žádosti o podporu z některého z programů podporujících zdroje šetřící primární energii, což z článku, nařízení a směrnic EU logicky vyplývá. Jak vidno z výsledků, tak oba dva analyzované případy tuto podmínku splnily. Pokud by měl článek ambice postihnout problematiku instalace tepelného čerpadla do bytového domu v co nejširší míře, bylo by dobré vyjmenovat další podněty pro diskusi, jako jsou typy instalace – vnitřní (hluk), venkovní (únosnost střechy, instalace na fasádu, odvod kondenzátu), komplikovaná jednání se stávajícími dodavateli tepla, stavební úřady, jednání uvnitř organizace investora, nedostatečné elektrické příkony. To vše k problematice tepelných čerpadel v bytových domech patří stejnou měrou, jako kvalitní energetická bilance. Cestou ke kvalitnějším bilancím by mohlo být širší uvedení do praxe metodiky TNI 73 0351 – Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, na které mimochodem spolupracoval sám autor recenzovaného článku.
Text: doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.
Autor je vedoucím oddělení Energetické systémy budov v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Buštěhradě.
Recenzoval: Jiří Kalina, Regulus, spol. s r. o.
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
