Zkušenosti s tepelnými čerpadly v panelových domech

Článek se zabývá vyhodnocením ekonomiky provozu tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody. Popsaná technologie je instalována na několika bytových domech a jsou zaznamenána provozní data pro letní i zimní měsíce. Příspěvek ve vyhodnocení ukazuje reálná měřená data z provozu TČ v hodnoceném období od 1. ledna 2013 do 30. září 2013.

Recenzent: Roman Vavřička

Úvod

Při současném trendu snižování spotřeby energií a snahou o náhradu klasických zdrojů tepla za alternativní zdroje energie je zcela jistě zajímavá koncepce řešící přípravu teplé vody (dále jen TV) v panelových domech tepelnými čerpadly (dále jen TČ). TČ vzduch-voda, které využívá technologii parního vstřiku, což umožňuje dosažení teploty otopné vody 60 °C až do venkovní teploty vzduchu –15 °C, je schopno připravit dostatečné množství TV po většinu roku.

Pro nejchladnější dny v roce, při teplotách pod –10 °C, je spínán dodatkový zdroj tepla, v popisovaném případě elektrokotel. Nejdůležitějším parametrem soustav s tímto zdrojem tepla je sezonní topný faktor SPF. U soustav s TČ není nejpodstatnějším ukazatelem, jak je často prezentováno, topný faktor TF, v anglickém originále COP, ale právě sezonní topný faktor SPF. Topný faktor COP je poměr topného výkonu k efektivnímu příkonu jednotky, zatímco sezonní topný faktor je podíl vyrobeného tepla ke spotřebě elektrické energie za celý rok. Sezonní topný faktor proto v sobě zahrnuje proměnlivost pracovních podmínek TČ a určuje, kolik skutečně zaplatíme za vyrobené teplo. Topný faktor COP, udávaný dle normy ČSN EN 14511, platí pro zadané hodnoty, například A2/W35 vstupní teplotu vzduchu 2 °C a výstupní teplotu vody 35 °C. V průběhu roku se teplota venkovního vzduchu mění podle místa instalace v České republice od –20 °C až do 37 °C. Při volbě TČ je tedy velice důležité si ověřit, zda bude schopné pracovat při venkovních teplotách vzduchu pod cca –10 °C, ale také až do cca 35 °C. Často spínaný dodatkový zdroj (elektrokotel) totiž zapříčiní podstatné snížení sezonního topného faktoru SPF. A tedy zvýšení provozních nákladů. V některých případech má nemalý vliv na SPF také spotřeba elektrické energie oběhovými čerpadly a tepelná ztráta soustavy zdroje tepla.

Další podstatnou otázkou, kterou je nutno řešit, je splnění hygienických požadavků na hladinu hluku ve venkovním prostředí a v přilehlých místnostech k technické místnosti. Vhodně konstruované TČ s dvojitým uložením kompresoru, s protihlukovým krytem a protihlukovou izolací, a s tiše pracujícími ventilátory, hlukové limity bez problému splňuje. Takové TČ lze instalovat do sklepních prostor nebo na střechu objektu, neboť hladina hluku je nižší, než nařizuje norma. Článek se zabývá využitím TČ především pro přípravu TV.

Popis technologie

Popsaná technologie slouží pro přípravu TV v panelových domech se 48 byty. Hlavním zdrojem tepla je TČ vzduch-voda (vnitřní provedení) o výkonu 18 kW (pro parametry A2/W35). TČ pracuje v bivalentním provozu, pro dohřívání slouží elektrokotel o výkonu 24 kW. Součástí zdroje je velká akumulační nádoba, ve které se ukládá teplo pro pokrytí maximálního odběru TV. Akumulační nádoba je otevřená, jedná se tedy o beztlakou soustavu. Studená voda je ohřívána přes tepelný výměník oddělující TV a vodu v akumulační nádobě. TČ je propojeno flexibilním vzduchotechnickým potrubím přes otvory (stávající okna) s venkovním prostředím. Součástí zařízení jsou protidešťové žaluzie, které chrání vnitřní zařízení proti povětrnostním vlivům a drobným živočichům. Celá technologie s TČ je umístěna v místnosti bývalé prádelny a sušárny.

Elektrokotel se zapíná automaticky, pokud není TČ v určitém časovém úseku schopno dosáhnout žádané teploty, nebo v případě servisního zásahu do TČ. Elektrokotel je v kompaktním provedení zavěšen na stěně. Tepelný výměník je pájený deskový, opatřený tepelnou izolací. Sekundární strana výměníku je napojena na stávající rozvod TV v budově. Pro odečet spotřebované TV je na vstupu studené pitné vody do výměníku instalovaný průtokoměr. Pro vyhodnocení množství tepla, dodaného tepelným čerpadlem a elektrokotlem, jsou do potrubí instalovány měřiče tepla. První etapa popsané technologie je instalována již téměř rok, jsou tedy známa data pro 5 panelových domů v letních i zimních měsících.

Naměřené hodnoty

V následujících tabulkách jsou uvedeny naměřené hodnoty tepla vyrobeného tepelným čerpadlem Q_TČ, dodatkovým zdrojem Q_EK a elektrické energie spotřebované v nízkém tarifu P_NT a ve vysokém tarifu P_VT za období od 1. ledna 2013 do 30. září 2013. Pro měření tepla byl do potrubí instalován kompaktní ultrazvukový měřič tepla jak pro TČ, tak elektrokotel. Odečty spotřebované elektrické energie byly prováděny na elektroměrech sloužících pro celou technologickou místnost. Zahrnují tedy spotřebu TČ včetně ventilátorů, elektrokotle a oběhových čerpadel včetně oběhového čerpadla pro cirkulaci TV.

První tabulka udává hodnoty celkové spotřeby pro prvních pět panelových domů počáteční etapy, ve druhé tabulce jsou uvedeny odečty po jednotlivých měsících pro vybranou aplikaci.

Výsledky

V následujících tabulkách je uvedeno celkové množství vyrobeného tepla Q_TČ + Q_EK a celková spotřeba elektrické energie P_NT + P_VT. Dále je uveden sezonní topný faktor SPF, což je podíl tepla vyrobeného k celkové spotřebě elektrické energie (včetně spotřeby oběhového čerpadla cirkulace) za sledované období. První tabulka (tab. 3) opět udává hodnoty pro prvních pět panelových domů počáteční etapy, ve druhé tabulce (tab. 4) jsou hodnoty po jednotlivých měsících pro vybraný objekt č. 4. V posledním řádku je uveden průměrný sezonní topný faktor pro všechny aplikace. V druhé tabulce je uvedeno, jak se mění SPF vlivem rozdílných teplot venkovního vzduchu v jednotlivých měsících.

Jaká by byla hodnota sezonního topného faktoru, pokud by byl vztažen pouze na jednotlivé měsíce a nikoli na celý rok, je patrno z grafu na obr. 2. V zimních měsících se SPF pohybuje nepatrně přes hodnotu dva, v letních měsících pak dosahuje hodnoty téměř tři. Nutno připomenout, že do hodnoty SPF je zahrnuta i spotřeba oběhového čerpadla zajištujícího cirkulaci teplé vody.

Diskuze a závěr

Provozní náklady jsou závislé na sezonním topném faktoru SPF a samozřejmě na spotřebě TV, která se ovšem v průběhu roku výrazně nemění. Po instalaci zařízení je velmi důležité provést topnou zkoušku, ze které by mělo být patrno, zda bude zařízení schopno splnit deklarovaný sezonní topný faktor celé soustavy. Cena za GJ takto navrženého zařízení se může pohybovat v rozmezí 300 až 350 Kč/GJ, při pořizovacích nákladech na zařízení 650 až 950 tis. Kč. Dle dispozice a stávající ceny za GJ se návratnost tohoto systému pohybuje mezi 3 až 7 roky. Pokud průběžně monitorujeme otopnou soustavu a v případě poruchy zajistíme včasnou a rychlou nápravu, je zajištěn úsporný provoz. V mnohých případech je možno vzniklý problém odstranit okamžitě na dálku. Stejné aplikace realizované na 10 domech se 48 byty a na 3 domech s 69 byty dosahují velmi podobných výsledků.

Literatura

1. ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy – Část 4–2: Výroba tepla na vytápění, tepelná čerpadla. Praha, ČNI.
2. BROŽ, K.: Zásobování teplem. 2. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. 217 s. ISBN 80-01-01587-7.
3. ČSN EN 14511 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru. Praha, ČNI 2012.

---

Experiences with heat pumps in the prefabricated buildings

The experience with operation of heat pumps for domestic hot water generation is described. Heat pumps are typically installed in the building basement. Author present data from measurement of air source heat pumps ­installed in 5 prefabricated buildings. Average SPF (seasonal performance factor) is for selected period 2.5 and payback time 3-7 years.

Keywords: heat pump, air source heat pump, SPF, DHW