přeskočit na hlavní obsah

Sluneční kolektory a tepelné čerpadlo mohou spolupracovat?

/up/images/featured/images/tepelne_cerpadlo_slunecni_kolektory_0.png

Sluneční kolektory mají maxima energetických zisků v letních měsících. V zimě, kdy potřebujeme tepelnou energii nejvíce, jejich výkon nestačí. Tepelná čerpadla zase pracují v primárním okruhu s teplotami jen 5 až 10 oC. Když tuto teplotu zvýšíme, dosáhly by vyšších topných faktorů. Naskýtá se otázka uvedená v názvu článku. Vhodným tepelným čerpadlem můžeme vytápět dům teplem, které je uložené v zemi, vzduchu nebo ve vodě a to tak, že ho převedeme pomocí kompresoru na vyšší teplotní hladinu, kterou pak čerpadlo předává do otopného systému.

Princip tepelného čerpadla

Přivede-li se teplo získané z vrtu nebo zemního kolektoru (popřípadě ze vzduchu) do výparníku, zde tento zdroj předá svou energii (teplo) pracovnímu médiu, které ze svého původně kapalného skupenství přejde do plynného. Zdroj tepla se tím o několik stupňů ochladí. Kompresor toto plynné médium nasaje a stlačí. Tím, že se zvětší jeho tlak a zmenší objem, stoupne také jeho teplota. K tomu je zapotřebí dodat elektrickou energii, ta dále zvýší tepelný potenciál pracovního média, které dále pokračuje do kondenzátoru.

>> Obr. 1 (vid prezentaci)

V kondenzátoru proběhne tepelná výměna se systémem topení (rozvod topné soustavy) objektu. Pracovní médium opět zkapalní, v expanzním ventilu se seškrtí na původní nízký tlak a cyklus se opakuje.

Uvedené schéma obsahuje pístový kompresor, který je dnes téměř u všech tepelných čerpadel nahrazen modernějším a účinnějším kompresorem scroll.

Náklady na přečerpání této nízkopotencionální energie z okolního prostředí do našeho objektu jsou přitom jen zlomkem nákladů proti jiným klasickým druhům vytápění. Ročně tak ušetří až 80 % nákladů za vytápění. Podstatou úspornosti tepelného čerpadla je skutečnost, že získáme-li v kondenzátoru např. 4 kWh tepelné energie pro daný objekt, zaplatíme pouze 1 kWh elektrické energie na pohon kompresoru a 3 kWh tepelné energie získáme zdarma z okolního prostředí. Topný faktor – účinnost tepelného čerpadla (což je poměr topného výkonu a elektrického příkonu) je v tomto případě 4. Topný faktor je tím vyšší, čím má zdroj energie z okolního prostředí vyšší teplotu a čím je nižší výstupní teplota vody do otopného systému. A právě tady se nabízí možnost pro aplikaci slunečních kolektorů.

Jak funguje solární systém


Princip fototermických solárních systémů je založen na zachytávání slunečního záření absorbční plochou slunečního kolektoru a následné přeměně tohoto záření na tepelnou energii. Kolektory jsou určeny pro přeměnu energie, ale ne pro její akumulaci. Proto obsah kapaliny ve sběrném potrubí je co nejmenší. Získané teplo odvádí nemrznoucí kapalina měděným potrubím primárního solárního okruhu k tepelným výměníkům jednotlivých odběrných míst. Teplo je tak předáváno ve výměnících a využíváno k ohřevu teplé užitkové vody, vody v otopném systému nebo vody bazénové. V našem případě však přivedeme získanou energii do deskového výměníku, který je součástí primárního okruhu tepelného čerpadla.

>> Graf 1 (vid prezentaci)

Na grafu vidíme, k čemu dojde v tomto spolupracujícím solárním systému z hlediska účinnosti. Pracuje-li solární systém například pro ohřev teplé vody (teplotní rozdíl 65 °C), dosahuje účinnost solárního systému jen asi 42 %. Posunutím do nižších pracovních teplot (zobrazuje plná červená šipka) však dojde k výraznému zvýšení celkové účinnosti systému až na 71 %.

A jak se tento posun do oblasti nízkých pracovních teplot (a s tím související nárůst účinnosti) projeví na celkových energetických ziscích? Z předešlého grafu je zřejmé, že jsme se přenesli do oblasti podstatně nižších pracovních teplot, které nejsou zajímavé ani pro ohřev užitkové ani bazénové vody či přitápění domu. Ze solárního systému však získáme neskutečné množství nízkoteplotní energie pro primární okruh tepelného čerpadla. Pro práci tepelného čerpadla je toto navýšení teplot z 10 na 17 °C v primárním okruhu velmi významné. Dochází ke zvýšení tzv. topného faktoru čerpadla a tedy i jeho účinnosti. V následující tabulce se nabízí detailní porovnání.

>> Tab. 1 (vid prezentaci)

V tabulce se nabízí detailní vstupní parametry solárního systému, který byl instalován v Ostravě – Krásném Poli (kde Istř = střední intenzita slunečního záření, Qteor = teoretické množství energie dopadající na m2 kolektorové plochy, Qk,den = teoretické množství energie dopadající na m2 kolektorové plochy za den ). Oranžová část představuje energetické zisky tohoto solárního zařízení při práci ve vysokých teplotách a v modré části tabulky jsou uvedeny energetické zisky v nízkoteplotním režimu provozu. Měsíční energetické zisky v obou teplotních režimech jsou pak pro větší názornost vyneseny ve dvou následujících grafech.

>> Graf 2,3 (vid prezentaci)

Je samozřejmé, že skutečné energetické zisky se budou pohybovat někde uprostřed těchto hodnot. Solární zařízení totiž pracuje jen určitou část pracovního cyklu pro ohřev teplé vody ve vysokoteplotním režimu. Po přepnutí pro ohřev bazénu se pohybuje v pracovních teplotách do 30 °C a v případě spolupráce s tepelným čerpadlem pak v režimu nízkoteplotním. Práce solárního zařízení do těchto tří, energeticky zcela rozdílných systémů, musí být řízena elektronickou regulací, která umožní již poměrně náročnější naprogramování. Musí například zabezpečit možnost návratu z nízkoteplotního režimu do režimu vysokoteplotního v případě, že byla například odebrána teplá voda ze zásobníku a je třeba ji opět dohřát na požadovanou teplotu. Proto má regulace v určitých časových intervalech naprogramovánu funkci „vzpamatování systému“, kdy se na několik minut vypne cirkulace teplonosné kapaliny v solárním okruhu a kolektory tak mají možnost dosáhnout vyšší pracovní teploty. Regulace pak také průběžně kontroluje, do kterého okruhu je třeba energii dodávat a zda je solární systém schopen za okamžitých podmínek tento potřebný okruh nějakou energií dotovat. V závislosti na vyhodnocení všech informací o teplotách pak regulace přepíná chod oběhových čerpadel nebo trojcestných ventilů do jednotlivých okruhů. Schematicky je zapojení jednotlivých okruhů zobrazeno na následujícím obrázku.

>> Obr. 2 (vid prezentaci)

A reálný pohled do strojovny? Kdo by čekal změť trubek a složitý systém přepínání, je na omylu. Vše je vyřešeno s maximální snahou o jednoduchost a minimálními požadavky na zásahy obsluhy. Nakonec vše vidíme na následující fotografi i, zachycující strojovnu ještě před provedením tepelných izolací rozvodů.

>> Obr. 3 (vid prezentaci)

Lze samozřejmě nalézt ještě celou řadu variant tohoto zapojení. Pro obdobnou realizaci systému v Hlučíně – Malánkách bylo například celé zařízení doplněno o speciální akumulační nádrž ROLF TV-750-S, která slouží k ohřevu otopné vody pro podlahové vytápění a uvnitř má zabudován 150-ti litrový zásobník teplé vody a výměník pro ohřev primárního okruhu tepelného čerpadla. I v tomto případě je instalováno tepelné čerpadlo IVT, které však tentokrát neodebírá tepelnou energii z vrtu, jako v předešlém případě, ale ze zemního kolektoru, uloženého v hloubce cca 1,5 m pod úrovní terénu.

Ekonomické aspekty řešení vytápění pomocí tepelného čerpadla a solárního systému

Již na úvod této kapitoly je třeba říci, že investor si nepořídil (ve srovnání s automobilovým průmyslem) žádného Trabanta ale prvotřídního Mercedesa. Vždyť sluneční kolektory HELIOSTAR 300 a také instalované tepelné čerpadlo IVT patří ke špičkovým výrobkům v dané oblasti. Je však pořizovací cena tepelného čerpadla opravdu tak vysoká? Relativně vysoká cena tepelného čerpadla v sobě zahrnuje veškeré náklady, u ostatních zdrojů tepla schované do jiných položek rozpočtu.

>> Diagram 1 (vid prezentaci)

Například instalace plynového kotle s bojlerem se pohybuje v rozpětí 50 – 100 tisíc korun. Pro kotel je třeba ale dále zajistit komín a plynovod, což tepelné čerpadlo nepotřebuje. Tyto ceny jsou obvykle připočítány do ceny stavebních prací a činí cca 50 – 80 tisíc korun. Pokud již pozemek přípojku plynu má, věřte, že zvýšila jeho cenu o dalších 60 – 90 tisíc korun. Sečtením těchto položek vzroste skutečná cena za realizaci plynové kotelny na 180 – 280 tisíc korun, což je v průměru o pouhých 150 tisíc korun méně než jsou pořizovací náklady tepelného čerpadla. Tyto peníze se nám však během několika let vrátí na úspoře provozních nákladů a pak již pouze vyděláváme. Solární systém v tomto případě se sedmi slunečními kolektory HELIOSTAR 300, nerezovým zásobníkem na TUV a výměníkem pro ohřev bazénové vody vyšel na 202 tis. Kč. Díky ohřevu bazénové vody poskytuje uživateli vysoký nadstandard. Návratnost celého systému však může silně ovlivnit celá řada ekonomických podmínek. Základní rozdíl ve fi nančním hodnocení může přinést poskytnutá dotace ze Státního fondu životního prostředí ČR. Tyto dotace však v současnosti nejsou poskytovány (psáno v roce 2005 – pozn. redakce). Jejich vyhlášení se dá předpokládat zřejmě až na jaře 2006. Nemalou měrou se na zlepšení návratnosti investice podílí již nyní realizovaná změna cen zemního plynu a tyto změny v cenách energií rozhodně nejsou poslední. Pro posouzení těchto vlivů můžeme použít graf vývoje provozních nákladů RD v uplynulých letech.

>> Graf 4 (vid prezentaci)

Svými nízkými provozními náklady přináší tepelné čerpadlo uživateli velké úspory a tím zajišťuje rychlou návratnost investice. Při nákupu instalace tepelného čerpadla přes stavební spoření lze splátky platit z úspor, které tepelné čerpadlo přinese, tzn. že je provoz v tomto případě dokonce samofi nancovatelný.

>> Graf 5 - Graf návratnosti investice do tepelného čerpadla (vid prezentaci)

Ekologické aspekty

Ve vyspělých zemích, kde ekologické myšlení patří k základním lidským vlastnostem, je využívání tepelných čerpadel již samozřejmostí. Například ve Švédsku je celá řada fi rem, zabývajících se výrobou tepelných čerpadel. Ročně se zde instaluje více tepelných čerpadel, než plynových, olejových a elektrických kotlů dohromady. Přes 90 % zde postavených nových rodinných domů je osazeno tepelným čerpadlem. Firma IVT patří k těm nejvýznamnějším producentům tepelných čerpadel a také u nás zaujímají tato čerpadla z hlediska počtu instalací nejvýznamnější místo. Používání ekologických chladiv a nízká energetická náročnost tepelných čerpadel znamenají minimální zátěž životního prostředí.

Zhodnocení nemovitosti

Instalace tepelného čerpadla daleko více zhodnocuje danou nemovitost oproti jiným druhům vytápění. V době návratnosti instalace tepelného čerpadla u porovnávaného druhu vytápění utratíme mnohem více peněz za provozní náklady, tzn. většinou za spálení fosilních a neobnovitelných paliv.

Nadčasovost

Solární systémy i tepelná čerpadla jsou nesporně příkladem pokrokového využití technologie pro účely vytápění a chlazení a proto jim patří budoucnost. Vzájemná kombinace různých druhů obnovitelných energií je pak ještě více ojedinělá. Podobných případů instalací, kdy spolupracují sluneční kolektory s tepelným čerpadlem je v ČR podle přibližných údajů instalačních fi rem v současnosti asi třicet. Zdokonalování jednotlivých článků celého systému (jak slunečních kolektorů, tepelných čerpadel, regulací a také akumulačních zásobníků) povede jistě ke snížení pořizovacích nákladů a dalšímu širšímu uplatnění těchto technologií.

Výsledky průzkumu

>> Foto 1,2 (vid prezentaci)

Návštěvníkům internetových stránek www.dumazahrada.cz byla položena otázka: představte si, že reálně uvažujete o stavbě nového rodinného domu a na příslušném místě jsou dostupné všechny možnosti jeho vytápění – jaký systém zvolíte? Pro použití tepelného čerpadla hlasovalo 46 % respondentů, pro zemní plyn 29 % a pro kotel na dřevo 12 % respondentů. Nejmenší zájem byl o vytápění propanem a topným olejem.

>> Graf 6 (vid prezentaci)

Závěr

Moderní technologie a regulace poskytují všem zákazníkům komfortní a bezobslužný provoz, který jim v jejich objektu zajistí požadovanou tepelnou pohodu.

Ing. Miloslav Mužík

Seriál: Tepelné čerpadla - článek z roku 2006

zdroj: Alternativní energie

Líbil se vám článek?

ano: 280     ne: 289

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb