Vytápění a příprava teplé vody s využitím kombinace tepelného čerpadla a FV systému – počítačová simulace

Nízkoenergetické domy skýtají mnoho možností k využívání obnovitelných energetických zdrojů. Autoři článku zajímavým způsobem na konkrétní akci dokumentují možnosti využívání fotovoltaických systémů a tepelného čerpadla k vytápění a přípravě teplé vody. Pozoruhodná je větší efektivita využití kombinace FV a tepelného čerpadla k vytápění, než k přípravě teplé vody. Výsledky simulace jsou pečlivě graficky zpracovány.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Při snižování energetické náročnosti moderních budov se dnes využívá celá řada opatření. Energetická potřeba na vytápění je v současnosti v oblasti pasivních domů minimalizována na okraj technických a ekonomických možností (tloušťky tepelné izolace, trojskla v oknech, větrání s účinným zpětným získáváním tepla, apod.). U přípravy teplé vody jsou standardem úsporné hlavice s perlátory, tepelné izolace rozvodů teplé vody a časové, případně i teplotní řízení provozu cirkulace. Další úspory lze očekávat již jen v souvislosti se zpětným získáváním tepla z odpadní vody. Spotřeba elektrické energie se snižuje zaváděním úsporných spotřebičů se štítky ve třídě A a lepší až po moderní osvětlení, kdy zářivky jsou postupně nahrazovány LED svítidly.

Logickým krokem pro snížení energetických spotřeb je potom využití obnovitelných zdrojů energie. Tepelná čerpadla sice využívají obnovitelnou energii okolního prostředí, avšak k jejímu využití na vhodné teplotní úrovni pro vytápění a přípravu teplé vody využívají elektrickou energii z rozvodné sítě. Elektrická energie v České republice z naprosté většiny pochází z neobnovitelných zdrojů (uhelné a jaderné elektrárny), pouze malá část roční produkce pochází z OZE. Z toho vyplývá na jedné straně vysoký konverzní faktor pro přepočet na neobnovitelnou primární energii [1], který znevýhodňuje její použití při hodnocení energetické náročnosti budovy podle platné legislativy a zároveň vysoký emisní faktor [2], který má vliv na možné úspory emisí sledované například dotačními programy. Oba důsledky vedou ke snaze snižovat využití síťové elektřiny jako zdroje pro vytápění a přípravu teplé vody, přestože z ekonomického pohledu se jedná o investičně nejlevnější řešení.

Kromě zvyšování efektivity využití elektrické energie tepelnými čerpadly je významnou cestou ke snížení její externí dodávky místní produkce. V posledních letech se realizace v oblasti místního využití obnovitelných zdrojů elektrické energie čím dál více soustředí na instalace FV systémů zejména pro účely maximalizace pokrytí spotřeby v budově s ohledem na legislativně a ekonomicky zproblematizovanou dodávku do nadřazené sítě.

Produkce elektřiny FV systémem a spotřeba elektrické energie tepelným čerpadlem se zdá být ideální kombinací, která povede k výraznému snížení externí dodávky z rozvodné sítě pro dodávku tepla pro vytápění a přípravu teplé vody během roku. Nicméně realita není až tak jednoduchá, jak se na první pohled zdá. Příspěvek ukazuje, do jaké míry je možné u soustavy s tepelným čerpadlem krýt její potřebu elektrické energie FV systémem.

Rodinný dům

Aby bylo možné ukázat možnosti kombinace FV systému s tepelným čerpadlem, byl zvolen konkrétní energeticky úsporný dům postavený v Hamrech u Hlinska. Rodinný dům je dvoupodlažní stavba s obestavěným prostorem 935 m³ a celkovou obytnou plochou 190 m². Rodinný dům je stavebně koncipován s velmi nízkou energetickou náročností. Součinitele prostupu tepla konstrukcí splňují hodnoty doporučované pro tzv. pasivní domy. Sedlová střešní konstrukce má sklon 40°.

Návrhová tepelná ztráta objektu je 4,5 kW. Vytápění domu je navrženo podlahové, pro koupelny jsou zvolena trubková otopná tělesa. Návrhová teplota otopné vody je 40/35 °C. Pro větrání je navržena větrací jednotka se zpětným získáváním tepla s maximálním větracím průtokem 275 m³·h^–1.

Pro vytápění a přípravu teplé vody v rodinném domě bylo navrženo tepelné čerpadlo a majitel domu uvažuje o instalaci FV systému pro zvýšení energetické soběstačnosti. Byla provedena studie analyzující různé kombinace tepelného čerpadla se zemním vrtem a FV systému a různé způsoby řízení provozu tepelného čerpadla s ohledem na maximalizaci využití elektrické energie z FV systému pro krytí potřeby tepelného čerpadla, a tedy minimalizaci externí dodávky z rozvodné sítě pro účely vytápění a přípravy teplé vody. Studie byla provedena s využitím počítačových simulací v prostředí TRNSYS [3] s podrobnými matematickými modely budovy (type56), zásobníku tepla (type340) a tepelného čerpadla (type250) se zemním vrtem (type451).

Počítačová simulace byla provedena s časovým krokem 2 minuty, aby mohla být správně vyhodnocena současnost odběru elektrické energie tepelným čerpadlem a produkce elektrické energie FV systémem. Pro tyto účely není vhodné používat delší než 5minutový krok, neboť v systému bez využití akumulátoru elektrické energie nelze postřehnout nesoučasnost špiček odběru a produkce elektrické energie. Byly simulovány 2 roky provozu jdoucí po sobě pro dosažení rovnováhy v zemním masívu a pro vyhodnocení byly uvažovány výsledky z 2. roku.

Konvenční kombinace tepelného čerpadla a FV systému

Standardní řešení snížení energetické náročnosti dodávky tepla v uvažovaném pasivním domě je založeno na kombinaci tepelného čerpadla o výkonu 5,5 kW bez řízení otáček a fotovoltaického systému (v různých variantách insta­lovaného výkonu) bez pokročilé ­regulace na adaptivní provoz podle výroby FV systému. Tepelné čer­padlo je napojeno na kombinovaný zásobník tepla o objemu 900 l. Dolní část kombinovaného zásobníku tepla, na kterou je napojena otopná soustava, je ohřívaná podle ekvitermní regulace na teplotu otopné vody. Zároveň zásobník tepla obsahuje vestavěný trubkový výměník o teplosměnné ploše 6 m² pro průtokovou přípravu teplé vody. Horní část zásobníku tepla je vyhrazena pro dohřev teplé vody a udržována celoročně na požadované teplotě.

Systém pro vytápění a přípravu teplé vody tepelným čerpadlem ročně dodá 3429 kWh tepla pro vytápění a 3063 kWh pro přípravu teplé vody, aby uspokojil energetické potřeby rodinného domu. Více než 550 kWh·rok^–1 činí tepelné ztráty zásobníku tepla, které jdou na vrub celkové efektivitě uvažovaného sy­stému. Spotřeba elektrické energie systému je 2446 kWh·rok–1, tzn. sezónní topný faktor celého systému SPF_sys je na úrovni 2,7. To je hodnota, která v pasivních domech bývá obvyklá [4], neboť celoroční efektivita provozu tepelného čerpadla je zásadně ovlivněna přípravou teplé vody, která v tomto konkrétním případě činí okolo 47 % z celkové potřeby tepla domu. Požadovaná teplota 45 °C na výtoku ze zásobníku u běžného kombinovaného zásobníku s vestavěným vnitřním výměníkem pro ohřev vody znamená udržovat horní část kombinovaného zásobníku tepla celoročně na teplotě okolo 50 °C.

Zlepšení energetické bilance lze dosáhnout kombinací s FV systémem, kdy produkce elektrické energie může částečně krýt spotřebu elektrické energie systému s tepelným čerpadlem. V tab. 1 jsou uvedeny výsledky bilance spotřeby elektrické energie a hlavní sledované parametry pro referenční systém bez FV systému a dále kombinace s různě velkým FV systémem s výkony 1 kW_p, 3 kW_p a 6 kW_p. Z tab. 1 vyplývá, že instalace FV systému sice pomáhá zlepšit celkovou efektivitu zásobování teplem, nicméně využití produkce elektrické energie z FV systému je velmi nízké na úrovni procent. Vysvětlení je možné ukázat na denních průbězích odběru a produkce elektrické energie ve dvou typických týdnech v letním období (viz obr. 2) a v zimním období (viz obr. 3).

Jak je patrné z letního průběhu na obr. 2, tepelné čerpadlo zapíná a odebírá elektrickou energii, pokud klesne teplota v horní části zásobníku tepla z důvodu odběru tepla vlivem zvýšeného odběru teplé vody. Odběr teplé vody má špičku v ranních a večerních hodinách. Ke shodě mezi dobou produkce elektrické energie FV systémem a odběrem elektrické energie tepelným čerpadlem dochází v optimálním případě tak pouze částečně při ohřevu zóny teplé vody zásobníku tepla po ranní odběrové špičce.

V zimním období (viz obr. 3) není situace z pohledu krytí potřeby elektrické energie FV systémem příznivější. Kromě zmíněného provozu pro přípravu teplé vody, tepelné čerpadlo v zimě zapíná a odebírá elektrickou energii, pokud klesne teplota v dolní části zásobníku tepla z důvodu odběru tepla pro vytápění otopnou soustavou. Jak je patrné, odběr tepla pro vytápění se vyskytuje především v nočních hodinách, neboť denní tepelné ztráty domu jsou v uva­žovaném pasivním domě z velké části hrazeny solárními zisky okny domu.

Pokročilá kombinace tepelného čerpadla a FV systému

Pro zvýšení využití produkce elektrické energie FV systému ke krytí potřeby elektrické energie za účelem vytápění a přípravy teplé vody je možné přizpůsobovat provoz tepelného čerpadla do kombinovaného zásobníku podle elektrického výkonu FV systému, který je aktuálně k dispozici. Pokud výkon FV sy­stému překračuje v daném čase prahovou hodnotu, zvolenou jako přibližně maximální možný elektrický příkon tepelné soustavy (tepelného čerpadla včetně oběhových čerpadel), algoritmus systémového regulátoru změní nastavení požadavku pro ohřev zásobníku, a tím nuceně zapne tepelné čerpadlo.

Výše uvedené znamená, že v případě dostatečné produkce elektrické energie pro pokrytí provozu soustavy s tepelným čerpadlem při vysoké provozní teplotě (vysoký příkon), se tepelné čerpadlo zapne, je automaticky provozováno pouze na elektrickou energii z FV systému a ohřívá definovaný objem zásobníku tepla na vyšší teplotu než je běžný požadavek. Tím se teplo produkované tepelným čerpadlem bez spotřeby elektrické energie ze sítě akumuluje v zásobníku pro pozdější použití. Byly uvažovány dvě va­rianty změny požadavku na ohřev kombinovaného zásobníku v případě provozu systému na elektrickou energii pouze z FV systému

• FV-TV – varianta, při které se v zóně přípravy teplé vody v horní části zásobníku zvýší požadavek z 50 °C na 60 °C a navíc se jako čidlo ohřevu využije čidlo S3 v blízkosti vratného potrubí (viz obr. 4 vlevo) a tím se zvětší ohřívaný objem zásobníku;
• FV-VYT – varianta, při které se v zóně ohřevu otopné vody pro vytápění v dolní části zásobníku zvýší požadovaná teplota na 50 °C (viz obr. 4 vpravo).

Pro obě varianty systému s adaptivním řízením byly provedeny simulace s FV systémem 6 kW_p a výsledky jsou uvedeny v tab. 2. Prahovou hodnotou pro spuštění tepelného čerpadla s plným využitím elektrické energie z FV systému jsou v konkrétním řešeném případě uvažovány 2 kW.

Pro porovnání jsou pro adaptivní systém ve variantě FV-TV na obr. 5 a 6 zobrazeny průběhy odběru a produkce energie včetně teplot v zásobníku ve stejných typických týdnech (letní období, zimní období) jako pro referenční soustavu s FV systémem 6 kW_p. Při srovnání průběhů pro letní období (referenční systém viz obr. 2, adaptivní systém viz obr. 5) je patrné u adaptivního systému významné přesunutí provozu tepelného čerpadla do denní doby s produkcí elektrické energie FV systémem a zvyšování teploty v horní části akumulačního zásobníku na 60 °C. Vyšší teplota a zároveň větší ohřívaný objem má za následek, že i přes večerní a ranní odběr teplé vody ze zásobníku, neklesá požadovaná teplota v zóně přípravy teplé vody pod nastavenou teplotu a tepelné čerpadlo nespíná mimo denní dobu. Pouze v případě, kdy celý den není k dispozici dostatečný výkon FV systému ke spuštění tepelného čerpadla, dochází ve večerních hodinách již k poklesu požadované teploty a spuštění tepelného čerpadla. Podobná funkce je vidět i v zimním období (viz obr. 6), nicméně s ohledem na menší výkony FV systému, není ohřev horní části zásobníku na zvýšenou teplotu tak častý.

Podobně energeticky výhodný provoz lze vysledovat i z provozu varianty FV-VYT, kde v případě chodu systému zcela na elektrickou energii z FV systému, se ohřívá dolní část zásobníku na 50 °C (ve funkci celý rok). Teplá voda se v trubkovém výměníku předehřívá již v dolní části, a proto teplota v zóně přípravy teplé vody v horní části zásobníku významně během odběrů neklesá (viz obr. 7 a 8).

Pro detailní porovnání je na obr. 9 znázorněn průběh výkonu FV systému a příkonu soustavy s tepelným čerpadlem pro vybraný slunečný zimní den v referenční variantě bez přizpůsobování provozu tepelného čerpadla produkci FV systému (nahoře) a ve variantě FV-VYT (dole). Z podrobného porovnání je patrné, že i v zimním období lze využitím FV elektřiny pro nabíjení zásobníku tepla tepelným čerpadlem významnou část noční spotřeby elektrické energie ze sítě přesunout do denní doby s využitím produkce obnovitelné elektrické energie. Teploty znázorněné v grafech jsou teploty v místech teplotních snímačů určených pro regulaci nabíjení zásobníku tepla v obou zónách (teplá voda, vytápění).

Z výsledků počítačové simulace vyplývá, že obě varianty využijí zhruba stejné množství elektrické energie produkované FV systémem odpovídající 17 % z roční výroby. Přesto je varianta FV-VYT výhodnější s ohledem na nižší roční spotřebu elektrické energie ze sítě, a tedy i z důvodu vyšší roční celkové účinnosti vyjádřené sezónním topným faktorem celého systému. Je to dáno tím, že samotný systém s tepelným čerpadlem ve variantě FV-VYT pracuje efektivněji v době provozu na elektřinu pouze z FV systému. Namísto přehřívání horní části zásobníku na vysoké teploty, ohřívá spodní část zásobníku na maximálně 50 °C a tepelné čerpadlo pracuje s menší spotřebou elektrické energie.

Závěr

V příspěvku byly naznačeny možnosti spolupráce tepelného čerpadla a FV systému s pokročilou adaptivní regulací, jejíž aplikace se stále více objevuje na trhu. Počítačovou simulací byly stanoveny přínosy pro provoz systémů kombinujících tepelná čerpadla s fotovoltaickou technologií. Pro adaptivní regulaci bylo prokázáno významné zvýšení pokrytí spotřeby systému s tepelným čerpadlem obnovitelnou elektrickou energií z FV systému oproti konvenčnímu přístupu. V konkrétním řešeném případě pasivního rodinného domu pak varianta s přehříváním dolní části kombinovaného zásobníku tepla ukázala na větší potenciál úspory než varianta s přehříváním zóny přípravy teplé vody.

Odkazy

• [1] Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov, MPO 2013.
• [2] Struktura Energetického posudku pro Prioritní osu 2, specifický cíl, 2.2: Snížit emise stacionárních zdrojů podílející se na expozici obyvatelstva nadlimitním koncentracím znečišťujících látek, MŽP, 2014. 24 s.
• [3] Transient System Simulation Tool – TRNSYS 17.1, The University of Wisconsin, Madison, http:// http://sel.me.wisc.edu/trnsys
• [4] MATUŠKA, Tomáš – ŠOUREK, Bořivoj: Výpočet ročního provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle TNI 73 0351, Topenářství instalace, 2014, č. 7, s. 46–48. ISSN 1211-0906

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a za finanční spoluúčasti TAČR TA04021243 Udržitelný energetický zdroj pro téměř nulové budovy.

---

Space heating and hot water preparation with use a combination of heat pump and PV system - computer simulation

The authors document on a specific case using of photovoltaic systems and heat pumps for heating and hot water to determine the effectiveness the whole system.