Zdroje tepla pro pasivní domy Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní RP2 Energetické systémy budov, UCEEB ČVUT v Praze
1/39
Pasivní domy (ČSN 73 0540-2)
PHPP: měrná potřeba primární energie 120 kWh/m2.a včetně potřeby uživatelské elektřiny (běžně < 60 kWh/m2.a) 2/39
Téměř nulové domy (ČSN 73 0540-2)
Neobytné budovy
Obytné budovy
Závaznost kriteria
Nulový Blízký nulovému
Požadovaná hodnota
Doporučená hodnota
Průměrný součinitel prostupu tepla Uem [W/(m2K)]
Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/(m2a)]
Rodinné domy ≤ 0,25 Bytové domy ≤ 0,35
Nulový Blízký nulovému
≤ 0,35
Požadovaná hodnota podle zvolené úrovně hodnocení Měrná primární energie [kWh/(m2a)] Úroveň A
Úroveň B
0
0
80
30
0
0
120
90
Rodinné domy ≤ 20 Bytové domy≤ 15
≤ 30
úroveň A: vytápění, teplá voda, pomocná energie, uživatelská energie úroveň B: vytápění, teplá voda, pomocná energie
3/39
Primární energie jako měřítko nejednotná definice fosilní paliva: energie skrytá v palivu + energie na těžbu, dopravu, energie vložená do procesů zpracování obnovitelné zdroje méně jasné: je primární energií sluneční energie, která je základem prakticky všech OZE: voda, vítr, biomasa?
směnice EPBD primární energie = energie z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů, která neprošla žádným procesem přeměny nebo transformace požadavky na budovy: minimalizace primární energie z neobnovitelných zdrojů
konverzní faktor přeměny náročnost přeměny primární energie na energonositele (paliva, teplonosné látky, jiné formy energie) 4/39
Konverzní faktor přeměny F ČSN 73 540-2
78/2013
F [kWh/kWh]
F [kWh/kWh]
Zemní plyn a další fosilní paliva
1,1
1,1
Elektrická energie
3,0
3,0
Dřevo, ostatní biomasa
0,05
0,1
Dřevěné peletky
0,15
0,2
Solární tepelné soustavy
0,05
0
Solární fotovoltaické systémy - pro vlastní potřebu
0,05
0
Solární fotovoltaické systémy – nahrazující konvenční výrobu el. energie
-2,8
-3,0
Zdroj
5/39
Faktor využití primární energie PER souhrnné kritérium náročnost zařízení / soustavy na primární energii poměr mezi potřebou primární energie PE a energií dodanou pro krytí potřeb energie Q
PE F PER = = Q η η je provozní účinnost celé soustavy, vztažená k energetickému obsahu paliv
6/39
Faktor využití primární energie
7/39
Příklady PER pro různé zdroje tepla F
η
PER
[-]
[-]
[-]
Elektrický kotel / elektřina
3,00
1,00
3,00
Tepelné čerpadlo / elektřina
3,00
2,90
1,03
Plynový kotel běžný / zemní plyn
1,10
0,75
1,47
Plynový kotel kondenzační / zemní plyn
1,10
0,95
1,16
Kotel na pelety / dřevní pelety
0,15
0,80
0,19
Solární tepelná soustava / sluneční energie
0,05
1,00
0,05
Zdroj tepla / energonositel
8/39
Bilance primární energie pro PD vytápění 3000 kWh/rok, teplá voda 3000 kWh/rok, pomocná energie 300 kWh/rok solární tepelná soustava + plynový kotel solární tepelná soustava + elektrokotel
60 kWh/m2.rok
tepelné čerpadlo kotel na pelety plynový kotel kondenzační plynový kotel běžný elektrokotel 0
20
40
60
80
100
120
140
2
PE [kWh/(m .rok)] 9/39
Logická sázka na OZE pro PD solární tepelné soustavy otázka vhodného návrhového pokrytí potřeby tepla
tepelná čerpadla efektivita provozu pro přípravu teplé vody
zdroje na spalování biomasy návrhový výkon, využitelnost
snaha minimalizovat využití el. energie z veřejné sítě kompenzovat spotřebu výrobou elektřiny z OZE
??? 10/39
Bilance primární energie pro PD vytápění 3000 kWh/rok, teplá voda 3000 kWh/rok, pomocná energie 300 kWh/rok 0 kWh/m2.rok solární tepelná soustava + plynový kotel
20 m2 FV
solární tepelná soustava + elektrokotel
46 m2 FV
tepelné čerpadlo
26 m2 FV
kotel na pelety
30
7 m2 FV
kWh/m2.rok
plynový kotel kondenzační
28 m2 FV
plynový kotel běžný
35 m2 FV
elektrokotel
68 m2 FV 0
20
40
60
80
100
120
140
2
PE [kWh/(m .rok)] 11/39
Koncepce nulového domu x podpora FV?
Edod nadřazená síť
Eexp
(
)
PE = ∑ E dod − E exp ⋅ Fi i od 2014: zastavení podpory FV systémů 12/39
Solární tepelné soustavy pro PD bezemisní zdroj tepla úsporné opatření není hlavním zdrojem tepla
snížení potřeby primární energie snížení produkce emisí
příprava teplé vody kombinace s vytápěním
13/39
Solární soustava v pasivním domě 2000
potřeba tepla [kWh/měs]
4 m2 solárních kolektorů = 380 kWh/m2 = 31 % 1500
8 m2 solárních kolektorů = 240 kWh/m2 = 39 %
1000
nelze využít v domě 500
0 I
II
III
IV
V
VI
VII
měsíc
VIII
IX
X
XI
XII 14/39
Výhodná kombinace s ostatními zdroji zdroje tepla v pasivním domě vyžadují akumulaci! dům se jmenovitou tepelnou ztrátou 2.5 kW (-12 °C) výkon zdroje alespoň 5 kW pro rychlý ohřev vody pro vytápění vždy z principu předimenzovaný!
dřevokotel s ručním přikládáním, min. výkon 10 až 15 kW
50 l/kW
automatický kotel na pelety, min. výkon 3 až 10 kW
25 l/kW
tepelné čerpadlo, min. výkon 5 kW
15 až 30 l/kW
plynový kotel běžný, min. výkon 12 kW
50 l/kW
plynový kotel kondenzační, min výkon 2 až 10 kW
25 l/kW 15/39
Jak velký solární zásobník ? kombinovaný zásobník společný pro vytápění a přípravu teplé vody
10 kW x 25 l = 250 l
společný pro solární soustavu a hlavní zdroj tepla
K
příklad solární soustava 5 m2 kotel na pelety nebo kondenzační plynový kotel
5 m2 x 50 l = 250 l
2/3 objemu = cca 250 l zásobník 400 l 16/39
Tepelná čerpadla (COP, SPF) příprava teplé vody
SPF Qvyt,tv
vytápění COP
QTČ COP = Qel,TČ
SPF =
Qvyt,tv Qel,celk
Qel,celk
17/39
Požadavek na minimální SPF EU směrnice 2009/28/EC o podpoře využití energie z obnovitelných zdrojů soustavu s tepelným čerpadlem lze považovat za OZE pokud SPF > 1,15
1
ηe
průměr EU ηe = 40 % ČR:
ηe = 30 % 1)
SPF > 2,875 SPF > 3,83
1) Czech Republic Energy Efficiency Report, ABB report, January, 2011 18/39
Běžné hodnoty SPF vytápění nízkoteplotní otopné soustavy 40 / 30 °C výstupní teploty z tepelného čerpadla < 40 °C (ekvitermní regulace) SPF > 4,0
teplá voda (zásobníkový ohřev) ohřev na 55 °C, výstupní teplota z TČ cca 60 °C vzduch-voda: omezení výstupní teploty při venkovních teplotách pod -10 °C, dodatkový el. zdroj SPF < 2,8 19/39
2000 3
1000
0
vytápění příprava TV bř or ez e du n be kv n ět če en če rve rv n en e sr c pe n zá ří říj lis en to pr pad os in ec
n
4
3000 4
2000 3
2
1000 2
1
0 1
vzduch-voda 4000
SPF = 3,07
SPF
kWh
5
ún
3000
SPF
4000
le de
n ún bř or ez e du n be kv n ět če en če rve rv n en e sr c pe n zá ří říj lis en to pr pad os in ec
le de
kWh
Splnit SPF pro běžný dům je snadné ... země-voda 5
SPF = 3,85
SPF 20/39
Lze splnit SPF u pasivního domu ? 4000
vysoký podíl energeticky náročné přípravy teplé vody vytápění pouze v nejméně příznivém období
2000
1000
pr os in ec
lis to pa d
říj en
zá ří
sr pe n
če rv en ec
če rv en
kv ět en
du be n
bř ez en
ún or
0
le de n
kWh
3000
21/39
Parametry pasivního rodinného domu vytápění tepelná ztráta 2,7 kW (-12 °C), 160 m2 potřeba tepla na vytápění 3 200 kWh/rok (20 kWh/m2.rok), TMY Praha otopná soustava 35/25 °C (sálavé vytápění), ekvitermní regulace
teplá voda 4 osoby, 40 l/os.den teplota teplé vody 55 °C, teplota studené vody 15 °C potřeba tepla na ohřev vody 3 500 kWh/rok, včetně ztrát 22/39
Tepelné čerpadlo vzduch-voda výkon 6,7 kW COP 3,2 při A2 / W35
23/39
500
3,5
400
3,0
doplňkový zdroj SPF vytápění = 2,94
300
2,5
SPF
pomocná energie
SPF teplápříprava vodaTV= 2,40 200
2,0
vytápění
SPF celkový = 2,63 SPF
lis to pa d pr os in ec
říj en
zá ří
n sr pe
če rv en ec
če rv en
kv ět en
1,0 du be n
0 bř ez en
1,5
ún or
100
le de n
bilance elektrické energie [kWh]
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
24/39
Tepelné čerpadlo země-voda výkon 5,8 kW COP 4,3 při B0 / W35
25/39
Tepelné čerpadlo země-voda 3,5 doplňkový zdroj SPF vytápění = 4,15 pomocná energie
400
3,0
SPF teplápříprava vodaTV= 2,12 vytápění
SPF SPF celkový = 2,76
2,5
SPF
300
pr os in ec
to pa d lis
en říj
zá ří
n sr pe
če rv en ec
1,0 če rv en
0 kv ět en
1,5
du be n
100
bř ez en
2,0
ún or
200
le de n
bilance elektrické energie [kWh]
500
26/39
Je tepelné čerpadlo vhodným zdrojem? varianty tepelného čerpadla vzduch-voda
EE = 2540 kWh/rok
PE = 7620 kWh/rok
země-voda
EE = 2430 kWh/rok
PE = 7290 kWh/rok
požadavek na <60 kWh/m2.rok je splněn, ale ... kondenzační plynový kotel a solární soustava 5 m2 x 350 kWh/(m2.rok) = 1750 kWh/rok
PE = 88 kWh/rok
zemní plyn 4966 kWh/rok
PE = 5750 kWh/rok
celkem PE = 5838 kWh/rok
rozdíl 25 až 30 % 27/39
Efektivní využití TČ pro pasivní domy koncepce tepelných čerpadel pro efektivnější ohřev vody příprava teplé vody na nižší teploty (45 °C), větší objemy akumulace tepelná čerpadla s dochlazovačem chladiva pro předehřev studené vody využití přehřátých par odděleně pro vyšší teplotní úroveň teplé vody
kombinace s využitím solární energie ohřev vody solární tepelnou soustavou (COP > 50) přímá kompenzace spotřeby elektrické energie FV systémem
28/39
Tepelné čerpadlo s dochlazovačem topný výkon Energie z dochlazovače při přibližném zachování kompresní práce
chladicí výkon 29/39
Tepelné čerpadlo s dochlazovačem teplá voda TV
SV 30/39
Zvýšení topného faktoru v přípravě TV 4,5
10 až 20 % přínos
4 3,5
2.9
SPF [-]
3 2,5
S dochlazovačem
2
Klasické zapojení 1,5 1 0,5 0 40
45
výsledky simulace: Ing. J. Sedlář
50 TVpož [°C]
55
60
31/39
Kombinace se solární tepelnou soustavou roční výroba 1750 kWh
4 kWp 5 m2
32/39
Kombinace se solární tepelnou soustavou vzduch – voda
země - voda
Vytápění
TV
Celkem
Vytápění
TV
Celkem
Teplo ze solární soustavy
0
1748
1748
0
1748
1748
Teplo z tepelného čerpadla
3175
1765
4941
3201
1767
4968
Teplo z elektrokotle (ze sítě)
26
2
27
0
0
0
El. energie pro TČ (ze sítě)
1033
783
1815
730
826
1556
16
70
86
42
86
128
2,96
4,11
3,47
4,15
3,85
3,99
Pomocná el. energie (ze sítě) Sezónní topný faktor SPF
33/39
Kombinace s fotovoltaickým systémem 4 kWp
roční výroba
50 m2
3520 kWh
34/39
Kombinace s fotovoltaickým systémem vzduch – voda
země - voda
18 % Vytápění
TV
Celkem
Vytápění
TV
Celkem
Využitá elektřina z FV
176
470
646
140
522
662
Teplo z tepelného čerpadla
3170
3511
6681
3201
3515
6716
Teplo z elektrokotle (ze sítě)
31
4
36
0
0
0
El. energie pro TČ (ze sítě)
856
972
1828
592
1090
1682
Pomocná el. energie (ze sítě)
14
14
28
13
15
28
3,51
3,55
3,53
5,29
3,18
3,93
Sezónní topný faktor SPF
35/39
Kombinace FV a TČ? pouze 10 až 20% využití FV elektřiny pro pohon čerpadla nízká úroveň současnosti provozu FV a TČ tepelné čerpadlo:
krytí potřeby v zimním období pro vytápění ohřev vody: ráno a večer; vytápění: noc
fotovoltaika:
produkce elektřiny v „letním“ období produkce přes den
regulace tepelného čerpadla, řízení příkonu kompresoru podle výroby elektrické energie až 30-40 % využití FV elektřiny při běžném objemu akumulace 36/39
Co z uvedeného plyne? samotné nasazení tepelných čerpadel běžné koncepce v pasivních domech je neefektivní (z pohledu primární energie) z pohledu primární energie je výhodnější použít kombinaci plynového kotle a solární soustavy, je to i levnější (cca o 100 tisíc Kč) přizpůsobení koncepce tepelných čerpadel situaci v pasivních domech (dochlazovač, chladič par) zlepšuje energetickou bilanci, neřeší problém ekonomický kombinace s využitím solární energie zlepšuje výrazně energetickou bilanci a splnit požadavky na SPF, neřeší problém ekonomický
37/39
Kurz STP ve spolupráci s ČVUT
38/39
http://www.azecr.cz
39/39
