Porovnání plynového absorpčního tepelného čerpadla vzduch-voda s kondenzačním plynovým kotlem

Kritériem hodnocení zařízení pro využívání neobvyklých energetických zdrojů by neměla být jen prostá návratnost investic. Důležitá je i spotřeba fosilních paliv a ochrana životního prostředí. Autoři článku se zabývají použitím plynového absorpčního tepelného čerpadla pro vytápění bytových domů a vytápění rodinného domu v kombinaci s kondenzačními plynovými kotli. Porovnávají spotřebu zemního plynu, provozní náklady, investiční náklady i celkové náklady během desetiletého provozu.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Plynová tepelná čerpadla představují alternativu k plynovým kotlům, v současné době pak zejména k plynovým kondenzačním kotlům. Tepelná čerpadla, která jako palivo využívají zemní plyn, existují ve dvou variantách. V provedení využívajícím absorpční cyklus nebo v provedení, kdy plynový motor pohání kompresor tepelného čerpadla.

V tomto článku se budeme dále zabývat první variantou tepelných čerpadel, tedy plynovými absorpčními tepelnými čerpadly (dále PATČ), která jsou použita pro vytápění objektu.

Konstrukce plynového absorpčního tepelného čerpadla

PATČ je zařízení, které využívá nízkopotenciální energii venkovního prostředí a spalování zemního plynu pro kompresi chladiva, nikoli elektricky poháněný kompresor jako v případě elektrického tepelného čerpadla [1].

PATČ typu vzduch-voda je obvykle umísťováno v exteriéru objektu. Z důvodu akustických a odvodu spalin pak často, pokud je to možné, na střeše budovy. Obvykle je ale nutné pro PATČ vybudovat nosný rám, neboť hmotnost jednotek není zanedbatelná (např. hmotnost jednotky o výkonu 41 kW při podmínkách A7W35 je cca 400 kg) a je nutné zabránit přenosu vibrací od jednotky. Vzhledem k exteriérovému řešení zdroje je však nutné řešit umístění dalších částí otopné ­soustavy (zabezpečovací zařízení, akumulační nádoba, regulační ventily...). Výhodou tohoto typu tepelného čerpadla je poměrně rychlé odtávání výparníku, při kterém je využito teplo vyrobené ve varníku a není třeba během odtávání přerušit provoz čerpadla [3][4].

Hodnocení přínosu tepelného čerpadla

Využitelnost (účinnost) plynového tepelného čerpadla je vyjadřována pomocí více koeficientů. Často je použit koeficient G.U.E (gas utilisation efficiency) vyjadřující využitelnost plynu [2]. Ten vyjadřuje poměr mezi tepelným výkonem a tepelným příkonem pro pohon čerpadla. Maximální hodnoty G.U.E. dosahují až 169 %. V závislosti na nižší venkovní teplotě a vyšší výstupní teplotě vody využitelnost plynu klesá. V souvislosti s novými předpisy týkajícími se tzv. Ekodesignu [5] je hodnoticím kritériem pro tepelná čerpadla využívající plynné palivo sezonní koeficient primární energie SPER (Seasonal Primary Energy Ratio).

Příklady využití tepelného čerpadla

Porovnání bylo provedeno ve variantách, a to pro bytový dům s tepelnou ztrátou 75 kW resp. 250 kW a rodinný dům s tepelnou ztrátou 12 kW. Na zjednodušené analýze byly sledovány provozní náklady jednoho roku a celkové náklady za 10 let.

Bytový dům

Pro bytový dům byly vytvořeny ­varianty 1 resp. 3, ve kterých jsou navrženy PATČ na 60 % tepelného výkonu a na zbylých 40 % jsou navrženy doplňkové plynové kondenzační kotle, které pomáhají při extrémních venkovních teplotách. Dále byly vytvořeny varianty 2 resp. 4, kde jsou navrženy kaskády plynových závěsných kondenzačních kotlů bez použití tepelných čerpadel.

Využitelnosti plynu ve variantách s PATČ byly stanoveny v závislosti na ročním průběhu potřebného výkonu a průběhu teploty otopné vody dle ekvitermní křivky (50 °C – 29 °C).

Pro vyčíslení roční potřeby tepla na vytápění Q_vyt byla použita denostupňová metoda. Pro tento účel využití, je přesnost této metody dostačující.

Vstupní hodnoty do výpočtu:

• tepelná ztráta = 75 kW resp. 250 kW
• délka otopného období = 250 dnů
• průměrná teplota během otopného období = 3,7 °C
• venkovní výpočtová teplota = –15 °C
• průměrná vnitřní výpočtová teplota = 19 °C

Spotřeba zemního plynu Br pak byla stanovena dle vzorce:

Br = Q_vyt ·3600 / (h · H) [m³·a^–1] (1)

Kde je:

• h účinnost (využitelnost) zdroje tepla,
• H = 34 Mj·m^–3 výhřevnost zemního plynu.

Porovnání jednotlivých variant je shrnuto v tab. 1 resp. tab. 2 a grafu 1 resp. grafu 2, kde jsou porovnány spotřeby zemního plynu za rok Br, roční provozní náklady PN, investiční náklady zdroj tepla IN a celkové náklady za 10 let provozu.

Rodinný dům – 12 kW

Pro rodinný dům byly vytvořeny dvě varianty. Varianta 5, která obsahuje PATČ jako jediný zdroj tepla a varianta 6 s plynovým kondenzačním kotlem. Využitelnost PATČ byla stanovena v závislosti na ročním průběhu potřebného výkonu a průběhu otopné vody dle ekvitermní křivky (50 °C – 29 °C). Výsledky byly zpracovány do tab. 3 a grafu 3.

Výsledky

Z výsledků je patrné, že při použitých využitelnostech zdrojů tepla jsou roční spotřeba zemního plynu a roční provozní náklady nižší o 26 % resp. 25 % ve variantách s PATČ oproti variantám s kondenzačními plynovými kotli u bytového domu a o 22 % u rodinného domu.

Z prosté návratnosti vychází, že pro vzorové bytové domy je 7. rok (BD = 75 kW), resp. 10. rok (BD = 250 kW) zlomovým bodem, kdy se vrátí počáteční investice do PATČ. V případech u objektů s malou spotřebou tepla, které zde reprezentuje rodinný dům s tepelnou ztrátou 12 kW, by prostá návratnost vyšla příliš dlouhá. Situaci by však příznivě ovlivnila ve všech případech možnost využití PATČ pro přípravu teplé vody. Na celkovou ekonomickou náročnost však mohou mít vliv i montážní a servisní práce, nároky na technickou místnost a přívod/ odkouření pro variantu s kondenzačními plynovými kotli. Dále nelze opomenout možnost využití dotačních programů, které jsou spojeny s takovýmito zdroji energie.

Výhoda použití PATČ oproti kondenzačním kotlům je nezanedbatelná i z hlediska environmentálního. PATČ díky využití nízkopoten­ciálního tepla z venkovního vzduchu dosahuje vyšší účinnosti výroby tepla a tím spotřebuje menší množství zemního plynu. Tento efekt se pozitivně projeví na zátěži životního prostředí. Dále může pomoci objektu při výpočtu neobnovitelné primární energie v PENB do zařazení v lepší kategorii.

Závěr

Plynová absorpční tepelná čerpadla představují moderní zdroje energie. Výhodou plynových absorpčních tepelných čerpadel je vyšší využitelnost plynu a s tím spojený pozitivní environmentální efekt. Hlavní využití mají v objektech s vyšší spotřebou energie. Nevýhody jsou spojeny, podobně jako u dalších typů tepelných čerpadel, zejména s vysokou počáteční investicí.

Literatura

1. Nové technologie a aplikace tepelných čerpadel rozšiřující možnosti jejich uplatnění (nejen) v podmínkách ČR. SEVEn Energy s.r.o. Praha 2014.
2. Gas Heat Pumps. GasTerra. Castel International Publishers. Groningen, The Netherlands ISBN 978-90-79147-12-0. [online] http://www.gasterra.nl/ uploads/fckconnector/1a2e9c26- 1481-4cc5-b5bd-18cc39ba65b2 [cit. 5. 1. 2017]
3. Firemní materiály firmy ROBUR. [online] http://www.robur.cz/ [cit. 12. 1. 2017]
4. Firemní materiály firmy BOSCH UK. [online] http://www.bosch-industrial. co.uk/ [cit. 14. 1. 2017]
5. Nařízení EK č. 813/2013 (Ekodesign) [online] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/?uri=CELEX% 3A32013R0813 [cit. 5. 1. 2017]

---

Comparison of the gas absorption heat pump air-water with condensing gas boiler

The article deals with gas absorption heat pumps and their comparison with gas condensing boilers for heating in buildings. The comparison was made at the family house and two residential buildings with different heat loss. Monitored values were investment and operating costs and environmental load.

Keywords: gas absorption heat pumps, gas condensing boilers