Mendelova univerzita v Brně. Institut celoživotního vzdělávání

Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání

Technicko-ekonomická analýza využití tepelného čerpadla pro vytápění Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

Ing. Petr Trávníček, Ph.D.

Ondřej Musil Brno 2012

Z ZAADDÁÁVVAACCÍÍ LLIISSTT

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Technicko-ekonomická analýza využití tepelného čerpadla pro vytápění vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Institutu celoživotního vzdělávání Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis studenta …………………….………………....

PODĚKOVÁNÍ Rád bych tímto poděkoval panu Ing. Petrovi Trávníčkovi Ph.D., za odborné vedení, trpělivost a cenné rady, které mi poskytoval během zpracování bakalářské práce a také za čas věnovaný konzultacím. V neposlední řadě chci poděkovat celé své rodině za to, že mě po celou dobu studia maximálně podporovala.

ABSTRAKT Musil, O. Technicko-ekonomická analýza využití tepelného čerpadla pro vytápění. Bakalářská práce. Brno: Mendelova Univerzita v Brně, 2012. Bakalářská práce se zabývá jednotlivými systémy tepelných čerpadel a jejich využitím. Cílem této práce je celkově shrnout problematiku tepelných čerpadel a jednotlivé druhy popsat. V první fázi práce je definovaná samotná historie tepelných čerpadel, následující část je určena pojmům, které se tepelných čerpadel týkají a hrají velice důležitou roli při rozhodování a výběru tepelného čerpadla. Další částí je pak rozdělení na jednotlivé systémy využívající teplo pro tepelné čerpadlo. Práce se dále zabývá výběrem a návrhem tepelného čerpadla pro zvolený typový objekt, a to jak po stránce technické, tak i ekonomické. Klíčová slova: Tepelné čerpadlo, topný faktor, vytápění

ABSTRACT Musil, O. Technical-economic analysis of usage of the heat pump for house heating purposes. Bachelor Thesis. Brno: Mendel University in Brno, the 2012th The thesis describes the systém and utilization of heat pumps. The very point of the thisis is to summarize the whole issue of the heat pumps and to describe different types in detail. In the first part of the thesis is recapulated the hostory of the heat pumps. The following section explains properties and attributes of the heat pupms that are important in making a decision of buying a heat pump. Last part compiles of issue of a heat pump choise and design for a specific obcejt type from the economic and technical point of view. Key words: Heat pump, coefficient of performance, heating

OBSAH 1 ÚVOD……………….......................................................................9 2 CÍL…………...................................................................................10 3 TEPELNÉ ČERPADLO……………………………...………….11 3.1 Historický vývoj……………………………………………………….11 3.2 Princip funkce………………………………………………………….12 3.3 Technický princip tepelného čerpadla………………………………....13

4 Druhy tepelných čerpadel………………………………………..14 4.1 Kompresorová tepelná čerpadla………………………………….…14 4.1.1 Pístové kompresory…………………………………………...14 4.1.2 Rotační kompresory…………………………………………..15 4.1.3 Šroubové kompresory………………………………………...15 4.1.4 Spirálové kompresory (SCROLL)……………………………15

4.2 Absorpční tepelná čerpadla……………………………...16 4.3 Hybridní tepelná čerpadla…………………………….....17 4.4 Další typy……………………………………………….....17 5 Účinnost tepleného čerpadla…………………………...………..17 6 Topný faktor ƐT…...…………………………………………….18 6.1 Topný faktor…………………………………………………………..19 6.2 Skutečný topný faktor………………………………………………...20

7 Rozdělení tepelných čerpadel podle jejich zapojení…………...21 7.1 Monovalentní provoz tepelného čerpadla………………………….....21 7.2 Bivalentní provoz tepelného čerpadla………………………………...22

7.2.1 Teplota bivalence…………………………………….….…..23 7.2.2 Druhy kotlů pro bivalentní provoz………………………..…23 8 Návrh potřebného výkonu tepelného čerpadla………………..24

6

9 Rozdělení tepelných čerpadel………………………………….25 9.1 Země/voda………………………………………………………….25 9.1.1 Vrty………………………………………………………….26 9.1.2 Plošné kolektory…………………………………………….27 9.2 Voda/voda…………………………………………………………..29 9.2.3 Povrchová voda……………………………………………..29 9.2.3 Spodní voda…………………………………………………30 9.3 Vzduch/voda………………………………………………………..31 9.4 Vzduch/vzduch……………………………………………………..32

10 NÁVRH TEPELNÉHO ČERPADLA……………………….34 10.1 Volba vhodného typu tepelného čerpadla……………34 10.2 Návrhy a kalkulace……………………………………34 11 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 6 kW………35 11.1 Technické řešení……………………………………………35 11.2 Investiční náklady…………………………………………..35 11.3 Provozní náklady…………………………………………...36 11.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla………………..36

12 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 10 kW…….36 12.1 Technické řešení……………………………………………36 12.2 Investiční náklady…………………………………………..37 12.3 Provozní náklady…………………………………………...37 12.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla………………..38

7

13 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 15 kW...........38 13.1 Technické řešení……………………………………………..38 13.2 Investiční náklady…………………………………….……...38 13.3 Provozní náklady……………………………………….…....39 13.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla…………………29

14 Popis vybraného typového objektu…………………………..40 15 POTŘEBA TEPLA……………………………………..…….41 15.1 Roční potřeba tepla pro vytápění…………………………………..41 15.2 Maximální denní potřeba pro vytápění…………………………….41 15.3 Denní potřeba pro ohřev TUV……………………………….…….42 15.4 Roční spotřeba tepla pro ohřev TUV…………………….………...42 15.5 Maximální denní potřeba tepla…………………………………….43 15.6 Celková roční potřeba tepla………………………………………..43

17 Diskuze………………………………………………………...43 18 ZÁVĚR………………………………………………………...46 19 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY…………………….....47 20 SEZNAM OBRÁZKŮ………………………………………...49 21 SEZNAM TABULEK…………………………………………50 22 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK………………………..50

8

1 ÚVOD Při dnešních cenách energií, které rostou poměrně rychle nahoru, je volba tepelného čerpadla dobrou investicí do budoucna, a to i přesto, že počáteční investice je vyšší. Jde především o to ušetřit finanční prostředky za energii, kterou musíme vynaložit při vytápění nebo ohřevu vody. Díky rostoucím cenám za energie se zvyšuje poptávka po tepelných čerpadlech, protože uživatel tepelného čerpadla nemusí nakupovat dvě třetiny energie pro vytápění nebo ohřev, neboť tuto energii získává z okolí vytápěného objektu. Lze tedy říci, že čím budou energie dražší, tím ekonomičtější bude vytápění s využitím tepelného čerpadla. Dalším aspektem je šetrnost k životnímu prostředí, využití tepelných čerpadel se zasazuje o snížení emisí v ovzduší. Proto stát podporuje využívání tepelných čerpadel a je zařazen do programu Zelená úsporám.

9

2 CÍL Cílem této bakalářské práce je v první části rešerše na dané téma, které rozebere princip a technickou stranu využití tepelných čerpadel. Druhá část se bude zabývat jak technickou, tak i ekonomickou částí. Z toho vyplývá seznámení s jednotlivými druhy tepelných čerpadel, popsání a zhodnocení jednotlivých typů. Na typovém objektu budou následně vyhodnoceny nejvhodnější podmínky pro tepelné čerpadlo jak technické, tak ekonomické a jednotlivé systémy mezi sebou porovnané. V závěru dojdu k celkovému zhodnocení.

10

3 TEPELNÉ ČERPADLO 3.1 Historický vývoj Hlavní myšlenku položil William Thomson (obr. 1) již v roce 1852 (později Lord William Thomson, povýšený za svoje přínosy do fyziky), kdy objevil základní princip tepelného čerpadla. Prvotní myšlenkou bylo, že tepelné čerpadlo funguje jako obrácený tepelný motor, který může v podstatě sloužit k ochlazování nebo ohřívání a musí u něj platit druhý zákon termodynamiky a druhá věta termodynamická nám říká, že nelze sestrojit cyklicky pracující tepelný stroj, který by převáděl veškeré dodané teplo na práci. V tomto případě se šíří teplo vždy ve směru od teplejší ke studenější části. Vůbec první prototyp tepelného čerpadla vznikl koncem 40. let minulého století, a to vynálezcem Robertem C. Webberem. Na vše se došlo náhodou, když prováděl pokusy s hlubokým zamražením, kdy se dotkl vstupního potrubí mrazícího přístroje a popálil se. Vznikla myšlenka funkce tepelného čerpadla. Webber spojil výstup mrazáku se zásobníkem teplé vody, a protože stále přebývalo teplo, napojil horkou vodu na potrubní smyčku a za pomocí větráku vháněl teplý vzduch do objektu. Dalším pokusem bylo čerpání tepla ze zemních kolektorů, které bylo úspěšné. Samotná realizace v průmyslu se ale objevuje až v 75. letech, v roce 1927, kdy T. Hladane využil tepelné čerpadlo pro vytápění budovy v Los Angeles. Doba, která vznikla mezi myšlenkou a realizaci, nebyla dána složitostí systému, ani technickým řešením, ale ekonomickou situací na trhu, v době nadbytku levnějších paliv. [1] [11]

Obr. 1 – Lord William Thomson [11]

11

3.2 Princip funkce Principem je obracený Carnatův cyklus obr. 2, při kterém vstupuje do pracovní látky teplo Q1 při teplotě T1. Dodanou práci adiabatické komprese (At) se zvýší teplota ve válci kompresoru na T2, při které ze stroje odchází teplo Q2 = Q1 + At. Tento cyklus se užívá ve strojním chlazení nebo u kompresního (termodynamického) topení. [1]

Obr. 2 – Obrácený Carnotův cyklus [1]

Pokud jde o chladící oběh, vyjadřuje Q1 chladící výkon, T1 je teplota chladící (ve výparníku) a teplota T2 je teplota v kondenzátoru ve kterém se plynné chladivo zkapalňuje. Poměr chladícího výkonu (Q1) a kompresní práce dodané kompresorem (At) se nazývá chladícím faktorem (

ch).

[1]

Pokud se užívá obráceného Carnatovu cyklu k vytápění, pak topný efekt ( t), je dán poměrem tepla Q2 dodaného do topného zařízení při teplotě T2 k práci kompresoru (At). Pracovní způsob obráceného Carnatova cyklu je podobný pracovnímu procesu vodního čerpadla. Podobně jako vodní čerpadlo, které přečerpává vodu z nižší hladiny na vyšší. Tepelné čerpadlo pracuje obdobně, s tím že dochází k čerpání (přeměně) nižší T1 teplotní energie na vyšší T2 teplotní energii. [1]

12

3.3 Technický princip tepelného čerpadla Chladící okruh je sestaven ze čtyř základních částí: výparník, kompresor, škrtící ventil a kondenzátor. Celé znázornění je na obr. 3.

• Výparník: z okolního prostředí je přiváděno nízkopotenciální teplo, které putuje do výparníku. Teplo dodané do chladiva, způsobí, že se začne látka vypařovat a následně se stává nositelem tepelné energie. Tyto páry jsou vháněny do kompresoru.

• Kompresor: páry jsou nasáty z výparníku, které se stlačí a vytlačí dále do kondenzátoru. Práce, která byla využita na pohon kompresoru se přemění na teplo a je využita spolu s teplem ve výparníku.

• Kondenzátor: z výparníku a kompresoru se energie pomocí par, předává do kondenzátoru a je zde součástí sekundárního oběhu tepelného čerpadla. Zde obíhá topné medium, které se přivedeným teplem ohřívá.

• Škrtící ventil: pomocí škrtícího ventilu dochází k vstřikování kapalného chladiva do výparníku, které pomocí vyššího tlaku zkondenzovalo v kondenzátoru, aby se při nižším tlaku ve výparníku vypařovalo. [4] [5]

Obr. 3 – Princip funkce kompresorového tepelného čerpadla [5]

13

Tepelné čerpadlo pracuje ve čtyřtaktním režimu. V prvním případě je to vypařování, chladivo odebírá teplo od přírodních zdrojů (voda, vzduch, země), je odpařováno a mění své skupenství na plynné. Dalším dějem je komprese, v předchozím ději se sice chladivo ohřálo, ale jen o pár stupňů, komprese vlivem tlaku plyn ohřívá na vyšší teplotu. To znamená, že kompresor nízkopotenciální teplo převede na vyskokopotenciální teplotní hladinu. Dochází ke kondenzaci, kde je teplo odevzdáváno do druhého výměníku (vodě v radiátorech), dojde k ochlazení a zkondenzování. Teplo, které bylo využito na vytápění, je odevzdáno do místnosti a voda, která je ochlazovaná, cirkuluje zpět k druhému výměníku, aby došlo k dalšímu ohřátí. Posledním dějem je expanze, kde chladivo prochází přes škrtící ventil (expanzní ventil), z důvodu vysokého tlaku v oběhu odděluje vysokotlakovou a nízkotlakou část. Dochází ke snižování tlaku chladiva na původní hodnotu ve výparníku. Cyklus se opakuje neustále dokola. [5]

4 Druhy tepelných čerpadel Způsobů, jak dosáhnout přeměny tepelné energie z nižší na vyšší, je několik, vždy jde především o to, aby vynaložená energie na samotnou přeměnu byla co nejnižší. Pak lze pracovat s vyšší energetickou efektivností. Často využívaným dějem je kondenzace a var pracovní látky, kdy dochází k oběhu páry. Tyto změny využívá tepelné čerpadlo za pomocí čerpadel kompresorových, absorpčních a hybridních. [5] 4.1 Kompresorová tepelná čerpadla V dnešní době nejčastější řešení, hlavním článkem je kompresor obr. č. 2, který je poháněn většinou elektromotorem, ale není pravidlem. Lze využít i spalovací motor, který využívá jako palivo připojený zemní plyn. Kompresor zde slouží pro stlačování páry chladiva, je tedy jednou z nejdůležitějších složek celého systému. Proto bývá i nejdražší částí tepelného čerpadla. Rozlišujeme čtyři konstrukční řešení kompresoru:

4.1.1 Pístové kompresory – jejich využití bylo spíše ve straších typech z důvodů nižší ceny. Vyznačují se horším topným faktorem a vyšší hlučností. Životnost se udává okolo 15 let.

14

4.1.2 Rotační kompresory – u tepelných čerpadel se s nimi setkáváme velice zřídka, své uplatnění nachází spíše v klimatizačních jednotkách. Nedosahují požadovaných vyšších topných faktorů, z hlediska konstrukčního řešení. 4.1.3 Šroubové kompresory – uplatňují se spíše v průmyslových a speciálních aplikacích a zejména tam kde je zapotřebí vysoký výkon. Tomu odpovídá i cena celého zařízení, která je poměrně vysoká. 4.1.4 Spirálové kompresory (SCROLL) – dosahují poměrně vysokého topného faktoru, a proto jsou v současné době nejvyužívanějším typem. Ačkoli jejich nevýhoda oproti kompresorům pístovým a rotačním je vyšší cena. Životnost je udávána okolo 20 let. Princip funkce kompresoru SCROLL je znázorněn na obr. 4, kde barva šedá je pevná spirála a barva černá je pohyblivá spirála, místo mezi spirálami je vyplněno chladivem. Pohyblivá spirála se excentricky pohybuje v pevné spirále. Tím je vytvořena ,,kapsa‘‘, která se pohybuje od obvodu a plyn je nasáván obr. 3 – a, směrem ke středu a neustále se zmenšuje. Ve středu spirály je otvor, kterým stlačené chladivo odchází, obr. 3 – d, v každém okamžiku je mezi spirálami šest ,,kapes‘‘, to zajišťuje plynulý chod procesu sání a vyfukování chladiva. [4] [5]

Obr. 4 – Průběh nasávání kompresoru SCROLL [5]

15

4.2 Absorpční tepelná čerpadla Pro přeměnu tepla je využit absorpční oběh, který je poháněn z integrovaných plynových hořáku nebo teplosměnných ploch, které jsou ohřívány párou nebo horkou vodou na rozdíl od tepelného čerpadla které využívá kompresor. V podstatě se jedná o stejný fyzikální princip, jako u kompresorového tepelného čerpadla. Vychází ze 4 základních procesů obr. 3. [11]

Obr. 5 – Průběh zapojení absorpčního tepelného čerpadla [13]

V prvním případě se jedná o nárůst teploty (komprese chladiva), za druhé převod tepla do topného systému (kondenzace), za třetí expanze chladiva a v posledním čtvrtém procesu dochází k přestupu tepla do chladiva z obnovitelného zdroje (odpaření). U absorpčního tepelného čerpadla v tomto případě, je tepelná energie hořením plynu využita pro kompresi, takže není použit kompresor, jak je tomu u klasických kompresorových teplených čerpadel. Následně pak vyplívá, že body 2,3 a 4 jsou stejné pro oba principy obr. 5. Ohříváním vody a chladiva dochází k odpařování chladiva, tím narůstá tlak v celém okruhu. Další cykly jsou stejné jako u kompresorového teleného

16

čerpadla. Na konci celého okruhu je chladivo přivedeno zpět do vody a směs pomocí pumpy dopravena do varníku. Celý proces se nadále opakuje.

4.3 Hybridní tepelná čerpadla V podstatě se jedná o spojení dvou oběhu a to absorpčního a parního. Lze si představit kompresorové teplené čerpadlo, ve kterém není použito pouze chladivo, ale je zde využit princip chladiva a absorbérů. Ačkoli uspořádání tepelného čerpadla může být velice rozmanité, základem je spojení funkce kompresorového a absorpčního oběhu. [5] 4.4 Další typy Lze zmínit další typy tepelných čerpadel, které využívají jiný než parní nebo absorpční oběh, jejich efektivita je však nižší nebo jsou obtížně realizovatelná. Uplatnění nachází při hledání netradičních řešeních pro přenos tepelné energie mezi různými teplotními hladinami. Jedná se o tepelná čerpadla se Stirlingovým oběhem – princip není založen na fázové změně pracovní látky, ale na cyklické kompresi a expanzi pracovního plynu (CO2, HE), uzavřeného v prostoru dvou vzájemně spojených válců. Prostor je omezen písty, které jsou připojeny na společnou hřídel. Při kompresy dochází k nárůstu teploty pracovního plynu. Další tepelné čerpadlo s paroproudovým oběhem – pracují obdobně jako tepelná čerpadla s parním oběhem, ale kompresor je nahrazen generátorem a ejektorem. Generátor slouží pro vyvíjení páry, která je v trysce ejektoru urychlena a vhání páry z výparníku do difuzoru, zde se přemění energie tlaková z kinetické. [5] [11]

5 Účinnost tepleného čerpadla Jde o energetickou efektivitu většiny zařízení, které posuzujeme z hlediska jejich účinnosti. Je to poměr energii přivedenou a energii získanou.

η=

[-]

17

Kde: P1 – celkový příkon [W] P2 – celkový výkon [W] Vztah pro tepelné čerpadlo vypadá následovně:

η=∆

[-]

Q – tepelný výkon (výstupní energie – teplo) P – energie okolního prostředí (přivedená) E – vstupní energie (elektrický příkon) Účinnost bude dána podílem výstupního tepla k teplu dodanému a příkonu tepelného čerpadla. [1] Účinnost můžeme vyjádřit, jako efektivitu tepelného čerpadla, Jedná se o energii dodanou – elektřina, dále pak topný výkon. Podíl je tedy možno vyjádřit topným faktorem. [1] Na obr. 6, je znázorněn tok energie do tepelného čerpadla.

Obr. 6 – Energetický tok tepelným čerpadlem [5]

6 Topný faktor ƐT Topný faktor je jednou z nejdůležitějších veličin tepelného čerpadla. Podstavou je, že udává spotřebovanou elektřinu na produkci tepla. Vyjadřujeme tím podíl energie Q (získané), teplo dodané ústřednímu topením, ku spotřebě energie elektrické na 18

vstupu, je to energie spotřebovaná například kompresorem a řídící elektronikou. Hodnota topného faktoru pro běžně používané účely, se pohybuje mezi 2,5 – 4,5. Proto, aby byl provoz tepelného čerpadla co nejefektivnější, musí být právě tato hodnota co nejvyšší. Takže pokud budeme mít hodnotu topného faktoru 4,5, pak to znamená, že při dodání 1 kWh elektrické energie, dostaneme 4,5 kWh energie tepelné. Je potřeba si dát pozor, při porovnávání topných faktorů. Každý výrobce mohl dosáhnout jiných hodnot, z důvodu jiných provozních podmínek, při kterých byla tato hodnota naměřena. V podmínkách by měly byt uvedeny hodnoty topného faktoru tepelného čerpadla tj.: teplota nízkopotenciálního zdroje (vstupní), dále pak teplota topné vody (výstupní) a tepelný nebo elektrický příkon. Většina seriozních výrobců a dodavatelů se snaží tyto podmínky uvádět. V lepším případě jsou parametry uváděny na základě požadavků normy ČSN EN 255. Pak lze velice dobře porovnat jednotlivé výrobce tepelných čerpadel. [5] 6.1 Topný faktor závisí: na teplotě z nízkopotenciálního zdroje – jeli teplota vyšší na vstupu je vyšší i topný faktor, proto je jako vhodný zdroj podzemní voda, geotermální prameny nebo země samotná. dosáhnuté konečné teplotě – (topná soustava) nižší teplota nám zajišťuje vyšší topný faktor. Klasický případ pro podlahové topení. chladivo – složení a veškeré chemické a fyzikální vlastnosti jsou ovlivněny výrobcem. technické provedení – také ovlivněno výrobcem, musí byt dobře konstrukčně navrhnuto. Topný faktor je ovlivňován během celého roku, kdy je v tepelné čerpadlo v provozu. Dochází k tomu z důvodu kolísání teplot na vstupu (zdroj nizkopotenciálního zdroje) a teploty, kterou vyžadujeme na výstupu. Proto se vychází z tzv. průměrného topného faktoru za celou topnou sezónu, který je vyjádřen jako poměr celoroční spotřeby energie k produkci tepla. [4] [5] [11]

19

Topný faktor spočítáme ze vzorce: Ɛ =

Q T = .η E T −T

kde: Q – tepelný výkon (teplo dodané do vytápění) [J] E – práce využitá pro pohon tepelného čerpadla [J] TH – teplota, při které dochází ke kondenzaci v cyklu TC – teplota, při které dochází k odpařování v cyklu ηt – účinnost termodynamického cyklu =

+

kde: Q0 – teplo, které je odebíráno při nižší teplotní hladině [J]

6.2 Skutečný topný faktor Již bylo zmíněno, že tepelné čerpadlo potřebuje určitou část elektrické energie na pohon kompresoru, avšak je potřeba brát v potaz i oběhová čerpadla a ventilátory. To ovšem ne vždy odpovídá v publikovaném katalogu. Spotřeba elektrické energie je v podstatě malá, ale je třeba s ní počítat ve výsledném součtu. Různí výrobci uvádí jiná data, ale v podstatě se spotřeba pohybuje okolo 100 – 300 kWh za rok. Zpravidla se tato hodnota nezapočítává, protože oběhové čerpadlo je využito i v jiných zdrojích tepla, například u plynového kotle. Proto se jeho spotřeba do celkového faktoru obvykle nezahrnuje. U ventilátoru je tato hodnota o něco vyšší, tu už je potřeba započítat. Komerční výrobci tepelných čerpadel udávají topný faktor v několika provozních stavech, obvykle i formou grafu – obr. 7, z něj jde pak vyčíst příkon a výkon při teplotách od – 5, do + 5 0

C, při různých teplotách na vstupu a výstupu. [5] [6] [12]

20

Obr. 7 – Parametry tepelného čerpadla podle jeho teploty vstupu a výstupu [5]

7 Rozdělení tepelných čerpadel podle jejich zapojení: Monovalentní zapojení – tepelné čerpadlo je zde jako samostatný prvek zdroje tepla. Není potřeba dalších zdrojů, jelikož si zcela vystačí na celé pokrytí tepla. Bivalentní zapojení – zde tepelné čerpadlo spolupracuje s dalším zdrojem tepla. Výkon tepelného čerpadla je nastaven tak, aby bylo pokryto 50 – 80 % tepelné ztráty a zbytek je doplněn jiným zdrojem (například kotlem na fosilní paliva). [5] 7.1 Monovalentní provoz tepelného čerpadla Aby byla tato možnost využita, je třeba dobře izolovat dům proti tepelným ztrátám. U moderních domů se tato tepelná ztráta pohybuje do 10 kW. Pak je možné využít tohoto provozu, kdy si tepelné čerpadlo zcela vystačí na pokrytí tepelných ztrát. Provoz je celý předimenzovaný z důvodu vyšší spolehlivosti a náročnosti na celoroční provoz. Prvotní investice vyšších nákladů už není tak výrazná. Přesto se doporučuje využívat tohoto provozu v mírně klimatických podmínkách bez tuhých zimních období. Zapojení

monovalentního

provozu

je

znázorněno

na

obr.

8.

[5]

[10]

Obr. 8 – Schéma zapojení monovalentního provozu [5]

21

7.2 Bivalentní provoz tepelného čerpadla Z důvodů nepříliš ekonomického je tepelné čerpadlo nevhodné dimenzovat pro maximální výkon (domy s vyšší teplotní ztrátou), ale částečně tepelné ztráty rozložit, pro lepší ekonomickou hospodárnost. Měnící se množství výkonu v průběhu roku plynule přeberou dva zdroje, aniž by došlo k výraznému prodražení za vyvinuté teplo. Druhý zdroj se nazývá: ,, špičkový zdroj‘‘ a doplňuje teplené čerpadlo, v případě výpadku nebo při dlouhých mrazivých dnech, jako doplňkový zdroj na pokrytí tepelných ztrát. Obvykle může tepelné čerpadlo spolupracovat s libovolným zdrojem například elektrokotel, který bývá u některých typů i součástí tepleného čerpadla. Nevýhoda spočívá ve zvýšení kapacity elektrické přípojky (zvýšení platby za jistič), a částečně i spotřeba energie. Další možností je využití kotle na zemní plyn nebo dřevo. V současné době je ale problém zajistit, aby regulace obou zdrojů spolupracovali, protože na našem trhu jsou z větší části tepelná čerpadla vybavena jednoduchou regulací, která nemusí vždy dobře fungovat. Pak nastává situace, kdy je potřeba navrhnout konkrétní regulaci pro daný dům a propojení jednotlivých možností. Čím je složitější systém zapojení dalších zdrojů, tím jsou zvýšeny prvotní náklady. Jako další bivalentní zdroj je interiérový krb. Slouží především jako záložní zdroj dodávky tepla, při vyšších teplotních výkyvech. Vždy jde o správné navržení mezi jednotlivými zdroji, aby špičkový zdroj, tepelné čerpadlo jen doplňoval. Obr. 9 znázorňuje využití tepelného čerpadla a doplňkového zdroje tepla, při různých venkovních teplotách. [5] [9]

22 Obr. 9 – Bivalentní chod tepelného čerpadla [5]

Zapojení bivalentního provozu je znázorněno na obr. 10.

Obr. 10 – Schéma zapojení bivalentního provozu [5]

7.2.1 Teplota bivalence Označovaná jako teplota vnější (teplota okolní) za požadavku, při kterém je v rovnováze výkon tepelného čerpadla a požadovaný topný výkon. Teplota je velice důležitá i pro návrh celé otopné soustavy, ale v maximální míře rozhoduje o co největším efektu vytápěcího systému s tepelným čerpadlem. [5] 7.2.2 Druhy kotlů pro bivalentní provoz: Elektrický kotel: Výhody:

Nevýhody:

nenáročný na údržbu, tichý, snadná obsluha předvolby programu, možnost zapojení do jakéhokoli otopného systému rostoucí cena energie, velikost hlavního jističe a přípojky

Plynový kotel: Výhody:

nenáročný na údržbu, tichý, snadná obsluha dosahuje vysoké účinnosti možnost zapojení do jakéhokoli otopného systému

23

Nevýhody:

i když je z větší části všude přípojka na plyn, ještě jsou místa kde tomu tak není, rostoucí cena

Kotel na dřevo: Výhody: Nevýhody:

cenově dostupná surovina, popel lze využít jako hnojivo dodržovaní skladovacích podmínek, tak aby dřevo mělo správnou vlhkost, větší prostory pro skladování paliva

Kotel na uhlí: Výhody: Nevýhody:

dnes poměrně dobře zautomatizované kotle, pořizovací cena uhlí a snadná dostupnost velké skladovací prostory na uhlí, vysoká prašnost

Kotel na kapalná paliva: Výhody:

Nevýhody:

automatický chod, nenáročná údržba a provoz, dosažení vysoké účinnosti, připojení do kteréhokoliv topného systému přípojka není zapotřebí striktní dodržovaní předpisů, jak pro kotel, tak pro samotné palivo, pronájem zásobníků

8 Návrh potřebného výkonu tepelného čerpadla Návrh výkonu tepelného čerpadla nebo výkon dalšího doplňkového zdroje vychází z průměrných denních hodnot obr. 11 a zároveň z tepelné ztráty daného objektu. Výpočet je spjat i s bivalentním bodem, ten udává do jaké teploty je tepelné čerpadlo (s ohledem na tepelné ztráty), schopno dodávat tepelnou energii, aniž by byl připojen špičkový zdroj (doplňkový). Na obr. 9 je ten to bod zobrazen na křivce tepelného výkonu tepelného čerpadla, závislé na změně zdroje použitého tepla, kdy křivka tepelného výkonu pro tepelné čerpadlo ochlazující venkovní vzduch bude strmější (výraznější pokles výkonu při nízkých teplotách). U tepelného čerpadla se stálým teplotním zdrojem, se křivka výkonu bude blížit vodorovné přímce. [5]

24

Obr. 11 - Mapa teplotních oblastí České republiky [5]

9 Rozdělení tepelných čerpadel: Tepelná čerpadla jsou vyráběna ve čtyřech elementárních variantách: •

země/voda

•

voda/voda

•

vzduch/voda

•

vzduch/vzduch

Podle označení vyplývá, že první název materiálu označuje zdroj nizkopotenciální energie ze kterého teplo odebíráme (čerpáme), a druhý název materiálu, pomocí kterého získanou energii odevzdáváme do objektu. [5]

9.1 Země/voda Daný typ, toho to tepelného čerpadla, využívá energie (tepla) ze země. Děje se tak proto, že v zemi probíhá nukleární rozpad prvků a energie, která vznikne při tomto rozpadu, přestupuje přes jednotlivé zemské vrstvy až k povrchu země. Teplo je zde

25

využito právě, pro tepelné čerpadlo země/voda, kdy lze využít dvou variant čerpání tepelné energie a to buď z vrtů, nebo plošných kolektorů. [5] 9.1.1 Vrty – teplo se z podloží čerpá pomocí vrtu nebo více vrtů o hloubce v rozmezí 50 až 150 metrů. Samotný vrt se hloubí zpravidla vrtnou soupravou o průměru 13 – 22 centimetrů. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je zapotřebí 12 – 18 metrů hloubky vrtu podle geologických podmínek viz obr. 11 dimenzování hloubky vrtu. [5]

Obr. 12- Dimenzování hloubky vrtu [5]

Při volbě vrtu je možno volit i několik vrtů s menší hloubkou, ale vzdálenost mezi jednotlivými vrty by měla být nejméně 10 m, aby se teplotně neovlivňovaly. Zdroje uvádí, že je vhodnější zvolit jeden hlubší než dva kratší vrty. V prvních 10 m vrtu má totiž poměrně malý energetický přínos. Skutečná dálka vrtu závisí na konkrétních geologických podmínkách v místě hloubení vrtu. Jakmile se vrt odvrtá, zasunou se do 26

něj polyethylenové hadice kolektoru, v kterých proudí nemrznoucí směs, převážně vodního roztoku monopropylenglykolu nebo monoethylenglykolu. Poté se vrt musí utěsnit cementovou nebo cementojílovou směsí, nevhodné je použití písku nebo vytěžený materiál. Hrozí zde riziko, že vrt narazí na zásobárnu podzemní vody, do níž by se neutěsněným vrtem mohla dostat znečištěná podzemní voda. Tento druh tepelného čerpadla má velmi dobrý topný faktor, který zůstává téměř stejný po celý rok a to z důvodu celoročně stálé teploty přibližně 10 0C. Tepelné čerpadlo s tímto zdrojem tepla dosahuje běžně topného faktoru 4 – 5. Výhodou je stabilní topný výkon, poměrně dlouhá životnost a naprosto tichý chod. Nevýhodou je však vyšší pořizovací cena a povinnost povolení příslušným stavebním a vodoprávním úřadem, jelikož vrt pro tepelné čerpadlo je považován za vodní dílo, i když se z něj voda neodebírá. [5] Na obr. 13 je znázorněn vrt s využitím tepelného čerpadla země/voda.

Obr. 13 – Vrt s využitím tepelného čerpadla - země/voda [12]

9.1.2 Plošné kolektory – Jedná se o rozšířené řešení, které má nižší náklady jako hlubinné vrty (výkopové práce lze spojit při realizaci novostavby), avšak na úkor topného faktoru. Jelikož teplota se během roku mění podle průměrné venkovní teploty, přičemž nejhorší doba, je na konci topné sezóny. Příčinou je, že půda odevzdala v průběhu topné sezóny velké množství tepla. Pokud je tepelné čerpadlo využito jen pro výtápění, může být kolektor menší, protože se přes léto půda stačí zregenerovat přestupem tepla z okolních vrstev zeminy, slunečním zářením nebo venkovním vzduchem. Jestliže je ale tepelné čerpadlo využito celoročně například pro ohřev 27

bazénu, je za potřebí větší plochy kolektoru. Všeobecně se udává, že je vždy lepší pokrýt větší plochu. Plošný kolektor se umisťuje vedle objektu v hloubce 1,5 – 2 metry. Je potřeba dodržet dostatečnou vzdálenost od základů, aby nedošlo k promrznutí. Trubky půdního kolektoru z polyetylenu, v nichž proudí nemrznoucí směs, se mohou odkládat na souvisle odkrytou plochu a to ve vzdálenosti nejméně 0,6 m od sebe, znázorněno na obr. 14, (doporučuje se 1 m).[5]

Obr. 14 - Průřez plochým půdním kolektorem [5]

Pokud je plocha omezena, lze využít jiný druh kolektoru (respektive uložení do země), a to typem kolektoru typu slinky. Ten je tvořen smyčkami potrubí, které vzniknou roztažením svinutého kola hadice. Jedno takové kolo má 200 m. Slinky je možno ukládat vodorovně do výkopu širokého 0,9 m a hloubky cca 1,5 m s délkou 15 až 20 metrů. Další varianta jak uložit kolektor typu slinky je na stojato do úzkého výkopu s šířkou 0,3 – 0,4 m. Hloubka musí být ale větší, aby vrcholy slinek byly cca 1,5 m. Vzdálenost výkopových rýh od sebe by měla být alespoň 5 m. Nevýhodou je obtížnější odvzdušnění tohoto typu, nutnost výkopových prací a vlastnit plochu cca 200 – 400 m2. Výhodou je však dlouhá životnost půdního kolektoru, stabilní topný výkon, relativně nízké provozní náklady, tichý provoz. Na obr. 15 je znázorněno tepelné čerpadlo s využitím půdního kolektoru. [2] [5] [9]

28

Obr. 15 – Půdní kolektor s využitím tepelného čerpadla - země/voda [12]

9.2 Voda/voda Tento systém využívá tepelnou energii z povrchové nebo spodní vody. 9.2.3 Povrchová voda (obr. 16) se pro využití příliš nehodí, jelikož teplota je poměrně nízká a ve většině případů je i znečištěná a mineralizace vody zapříčiňuje zanášení výměníků a potrubí. Do dna vodoteče nebo vodní nádrže by bylo vhodné kolektory umístit, ale malé zamrzající potoky nelze pro tento princip využít. Vhodnějším způsobem jsou trvalé větší tekoucí vody, například náhony vodní elektrárny, kam je možno výměník pro tepelné čerpadlo umístit. Málo domů se v takové blízkosti vyskytuje a to je další problém, protože pokud bychom vedli potrubí přes cizí pozemek, ne vždy bude majitel pozemku souhlasit. S uložením kolektoru do dna vodního toku musí taktéž souhlasit správce toku nebo v případě rybníku majitel rybníku. Nevýhodou je ale pořád znečištění a zanášení výměníku. Další nevýhodou je velikost, protože výměníky musí mít větší rozměry z důvodů nižších teplot v zimě a vodu je možno ochladit jen o několik stupňů. Problém může nastat i v případě povodní, kdy může dojít nenávratnému poškození výměníků. V tomto případě se jedná tedy o spíše teoretickou možnost a v praxi se s využitím povrchové vody příliš nesetkáme. [5]

29

Obr. 16 – Systém povrchové vody pro tepelné čerpadlo - voda/voda [12]

9.2.3

Spodní voda (podzemní voda) obr. 17, spodní voda se odebírá ze

zdrojové studny a po ochlazení je přečerpána do druhé (vsakovací). Výjimkou je vypouštění do vodoteče. Využitím spodní vody zajišťuje dostatečný celoroční příjem zdroje tepla 8 – 12 0C, to znamená stabilní topný faktor po celé topné období. Nevýhodou je, že ne všude je spodní voda v takovém množství a v potřebné kvalitě. Studna jako taková by sama o sobě taky nestačila, protože by došlo postupnému zamrznutí. Podzemní voda musí neustále proudit. Nelze taky odčerpanou vodu vracet zpátky do stejné studny, je zapotřebí dvou, za splnění vyhovujících podmínek například vydatnost a složení vody – nesmí být příliš mineralizovaná v případě druhé dobré vsakovací vlastnosti, přičemž musí trvale přijímat přečerpanou vodu z první. Závislost hloubky takových studní je dána dostatečným přísunem spodní vody, doporučovaná hloubka je však minimálně 10 metrů. Stejně jako tomu je u systému země/voda s využitím vrtu i zde využijme vrty, takže je zapotřebí veškeré povolení k tomu určené (vyžaduje, uzemní rozhodnutí, stavební povolení). Na základě hydrogeologického průzkumu dostaneme od vodoprávního úřadu (součást krajského úřadu) povolení. Zamítnutí může být z důvodu ohrožení zdrojů pitné vody. Celý systém je poměrně složitý a je ovlivněn přírodními podmínkami, které tento systém omezují. Využití tohoto principu vyžaduje velice odborné schopnosti a potřebné zkušenosti tak, aby byl zaručen plynulí chod celého systému. [2] [4] [5]

30

Obr. 17 – Systém spodní vody, využití tepelného čerpadla - voda/voda [12]

9.3 Vzduch/voda Okolní vzduch je jako zdroj nízkopotenciálního tepla stále více využíván. Tepelná čerpadla dosahují lepších parametrů (zejména topného faktoru) v klimaticky mírnějších podmínkách s menším počtem mrazových dnů. Instalace a pořizovací náklady jsou o něco nižší než u vrtů nebo zemních kolektorů. Nejčastěji se setkáváme s řešením typu ,,split‘‘, kdy je systém složen ze dvou částí. Tepelné čerpadlo je rozděleno na vnitřní a venkovní jednotku – obr. 18. Venkovní vzduch je nasáván pomaloběžným ventilátorem a ochlazován. Průtok vzduchu se pohybuje v řádově tisíců kubických metrů za hodinu. U systému „vzduch – voda“ je princip stejný jako u sytému „země – voda.“Rozdíl je v tom, že teplo okolního vzduchu je odebíráno přímo pomocí chladiva, které koluje obvykle ve venkovním lamelovém trubkovém výparníku. Protože ve vzduchu je tepla poměrně málo, musí výměníkem procházet velké objemy vzduchu. Existují i teplená čerpadla, která venkovní část nemají, ale výměník pro ochlazování vzduchu je instalován ve vnitř budovy, například ve sklepě, kde jde vzduch nasáván a vypouští se přes otvory ve stěně. Obsah energie je závislí na vlhkosti vzduchu. Pokud je vzduch chladný je v něm i málo vody. Na rozdíl od ostatních látek (například voda nebo horniny), není množství energie ve vzduchu přímo úměrné teplot, ale klesá rychleji. Z toho vyplývá, že v době nízkých venkovních teplot, kdy je za potřebí vyšších teplot v

31

objektu, pracuje teplené čerpadlo s nižším topným faktorem a převážně i s nižším výkonem. Současný trh nabízí vzduchová tepelná čerpadla, která jsou schopna pracovat až do – 20 0C. Pokud je teplota nižší, než je schopno tepelné čerpadlo zpracovat, je zapotřebí celý systém doplnit dalším zdrojem vytápění – viz část Bivalentní provoz tepelného čerpadla. Na venkovním výměníku dochází ke vzniku námrazy. Výrobci mají různé systémy pro automatické ,,odmrzávání “, například reverzní chod, ten je ovšem energeticky nejhorší, protože tepelné čerpadlo ohřívá výměník, tím se zvyšuje spotřeba elektrické energie a klesá efektivita tepelného čerpadla. Do spotřeby je tedy nutné zahrnout nejen spotřebu ventilátoru venkovní jednotky, ale i vliv na ,,odtávání“ námrazy na výparníku. Výhodnější a zároveň dražší variantou je systém dvou výměníků, které se při chodu střídají. Výhodou je snadná instalace a cena vůči výkonu. Nevýhodou je již zmíněná menší účinnost při silných mrazech a zapojení bivalentního provozu. [4] [5] [9]

Obr. 18 – Systém vzduch/voda [12]

9.4 Vzduch/vzduch Tento způsob tepelného čerpadla odebírá teplo přímo z venkovního vzduchu. Vzduch je nasáván do venkovní jednotky, kde je zněj získáno teplo, které je následně použito pro ohřev vzduchu uvnitř budovy. Jestliže, má systém jednu vnitřní jednotku, funguje podobně jako krb – obr. 19. Díky přímému ohřevu vzduchu v místnosti, bez 32

potřeby topného systému, dosahuje výrazně lepších topných faktorů než klasická tepelná čerpadla. Vhodné je, když je dům dispozičně otevřený tak, aby mohl teplý vzduch z tepelného čerpadla proudit po celém objektu. Pokud je více uzavřený, je potřeba zvolit více vnitřních jednotek. Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch je velice vhodné pro doplnění bytu nebo domů vytápěných přímotopy nebo elektrokotly. Zde dochází k razantnímu snížení provozních nákladů, a to bez složitých stavebních úprav a vysokých investic. Tepelné čerpadlo nachází velmi dobré uplatnění v chatách a chalupách, kdy lze systém využívat v době, kdy je objekt prázdný, pro jeho temperaci a pro vytápění, když je objekt využíván. Další uplatnění nachází například v zimních zahradách, restauracích, dílnách nebo garážích. Výhodami u tepelného čerpadla vzduch/vzduch jsou snadná a poměrně rychlá instalace. Prvotní náklady jsou menší než u předchozích systémů. Kromě topení lze využívat funkci klimatizace, odvlhčování nebo čištění vzduchu pomocí vestavěného ionizátoru. Nevýhodou tohoto tepelného čerpadla je, že tímto systémem nelze ohřívat teplou vodu. Také není vhodný do bytů nebo domů s větším počtem malých místností. [5] [9]

Obr. 19 - systém vzduch/vzduch [12]

33

10 NÁVRH TEPELNÉHO ČERPADLA PRO ZVOLENÝ OBJEKT 10.1 Volba vhodného typu tepelného čerpadla

Z výběru lze zvolit: Tepelné čerpadlo země – voda je poměrně stálý zdroj energie, proto si myslím, že tento způsob využití je nejvhodnější. V případě zemních kolektorů je možnost využít plochu před domem, stejně tak i vrty. Po konzultaci s firmou Tepelná čerpadla IVT volíme využití plošných kolektor. Tepelné čerpadlo voda – voda - tento způsob není vhodný z důvodu nedostatku povrchové nebo podzemní vody, proto tento způsob získávání energie nepřichází v úvahu. Tepelné čerpadlo vzduch – voda, využívaný objekt se nachází v horské oblasti, a to s teplotami – 18 C obrázek 10, vzhledem k takovým teplotám má tento typ tepelného čerpadla malou účinnost a je potřeba více doplnění bivalentním provozem. Tepelné čerpadlo vzduch – vzduch, systém využíván pro teplovzdušné vytápění a pro zvolený objekt nevyhovující z důvodu jeho navržení.

10.2 Návrhy a kalkulace jednotlivých sytému tepelného čerpadla Z jednotlivých systému tepelných čerpadel volím systém země/voda s možností zemních kolektorů. Z uvedených podmínek je tento typ nejvhodnější volbou. Je možno využít jak vrty, tak i plochu před objektem na položení zemních kolektorů. Vrty v tomto případě tvoří větší finanční zatížení než zemní kolektory, a proto pokud je možno využít plochu, kterou máme k dispozici, je výhodnější plošný zemní kolektor. Ve spolupráci s firmou Tepelná čerpadla IVT s.r.o. využívám nabídky, kterou mi firma prezentovala, a vybírám ze tří variant tohoto typu. Vybraná firma splňovala zadávací podmínky. Základem byl konkrétní typ tepelného čerpadla v porovnání s kondenzačním plynovým kotlem. Ve třech modifikacích je názorně vidět, jak se jednotlivé ceny liší a odvíjí se od jednotlivých činitelů, které na výběr tepelného čerpadla mají největší vliv. Jedním z nejdůležitějších je tepelná ztráta objektu. 34

11 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 6 kW 11.1 Technické řešení Tepelné čerpadlo IVT Greenline LC C6 o výkonu 5,9 kW. Tepelné čerpadlo je doplněno vestavěným elektrokotlem o výkonu 3 kW. Důvodem je napomáhání v období zimy s extrémně nízkými venkovními teplotami a zároveň funguje jako záloha pro případ výpadku tepelného čerpadla. Součástí je zásobník teplé vody, oběhová čerpadla a další armatury, takže zabírají v objektu minimum prostoru. Kvalitní protihlukový kryt, zvuková izolace a kompresor Scroll zajišťuje velmi tichý chod tepelného čerpadla. Systém je vybaven ekvitermní regulací, takže vnitřní teplota je ovlivněna v závislosti na venkovní teplotě. Celoročně je ohřívána voda ve vestavěném zásobníku vody. Tepelné čerpadlo využívá zemní plošný kolektor. [9] 11.2 Investiční náklady V tabulce 1, jsou uvedeny náklady přibližného charakteru na pořízení tepelného čerpadla s plošným kolektorem a investičními náklady na pořízení kondenzačního plynového kotle. [9]

Tab. 1 – porovnání investičních nákladů [9]

35

11.3 Provozní náklady Jedná se o celkové roční náklady, pro uvedený příklad v porovnání tepelného čerpadla a kondenzačního plynového kotle. [9] Porovnání nákladů a cenová kalkulace je v tab. 2.

Tab. 2 – náklady na vytápění jednotlivých systémů [9]

11.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla Za podmínek, které jsou sestaveny z výše uvedeného příkladu za tepelné čerpadlo, zaplatíte o 114 000 Kč včetně DPH více než za plynové vytápění. Toto jsou však prvotní náklady, ale pokud tyto náklady porovnáme s dosaženou úsporou tepelného čerpadla 17 303 Kč, je v tomto případě návratnost 6,5 roku. Pokud, ale ceny energii budou stále růst jako doposud, lze očekávat vetší úsporu na nákladech a návratnost investice bude ještě kratší. [9]

12 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 10 kW 12.1 Technické řešení Tepelné čerpadlo IVT Greenline LC C7 s výkonem 7,3 kW, doplněno vestavěným elektrokotlem o výkonu 3 kW. Doplněno ze stejného důvodu – napomáhání v období s extrémně nízkými venkovními teplotami a zároveň funguje jako záloha pro případ výpadku tepelného čerpadla. Součástí je zásobník teplé vody, oběhová čerpadla a další armatury, takže zabírají v objektu minimum prostoru. Kvalitní protihlukový kryt, 36

zvuková izolace a kompresor Scroll zajišťuje velmi tichý chod tepelného čerpadla. Systém je vybaven ekvitermní regulací, takže vnitřní teplota je ovlivněna v závislosti na venkovní teplotě. Celoročně je ohřívána voda ve vestavěném zásobníku vody. Tepelné čerpadlo využívá zemní plošný kolektor. [9] 12.2 Investiční náklady V tabulce 3, jsou uvedeny náklady přibližného charakteru na pořízení tepelného čerpadla s plošným kolektorem a investičními náklady na pořízení kondenzačního plynového kotle. [9] Tab. 3 – porovnání investičních nákladů [9]

12.3 Provozní náklady V tabulce 4, jsou uvedeny celkové roční náklady na vytápění tepelným čerpadlem a kondenzačním plynovým kotlem. [9] Tab. 4 – náklady na vytápění jednotlivých systémů [9]

37

12.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla Za podmínek, které jsou sestaveny z výše uvedeného příkladu za tepelné čerpadlo, zaplatíte o 135 000 Kč včetně DPH více než za plynové vytápění. Tyto náklady jsou vynaloženy na začátku celé investice. Teplené čerpadlo je schopno za takto navržených podmínek dosáhnout úspory 21 564 Kč. Výpočtem zjistíme, že s takovou to úsporou je návratnost 6,3 roku. Jestliže ceny za energie budou i nadále růst, návratnost tepelného čerpadla bude kratší. [9]

13 Instalace v rodinném domě s tepelnou ztrátou 15 kW 13.1 Technické řešení Tepelné čerpadlo IVT Greenline LC E11 o výkonu 10,9 kW. Tepelné čerpadlo je jako v předchozích příkladech doplněno vestavěným elektrokotlem o výkonu 3 kW. Elektrokotel slouží k napomáhání v období s extrémně nízkými venkovními teplotami a zároveň funguje jako záloha pro případ výpadku tepelného čerpadla. Zásobník teplé vody, oběhová čerpadla a další armatury, jsou opět součástí, takže zabírají v objektu minimum prostoru. Protihlukový kryt, zvuková izolace a kompresor Scroll zajišťuje velmi tichý chod tepelného čerpadla. I tento systém je vybaven ekvitermní regulací. Tepelné čerpadlo stejně jako u předchozích dvou nabídek, využívá zemní plošný kolektor. [9]

13.2 Investiční náklady Znázornění investičních nákladů vychází z tab. 5, jedná se o přibližné investiční náklady na pořízení tepelného čerpadla s plošným kolektorem v porovnání pořízení kondenzačního plynového kotle. [9]

38

Tab. 5 – porovnání investičních nákladů [9]

13.3 Provozní náklady Celoroční provozní náklady, tab. 6, pro vytápění kondenzačním kotlem a tepelným čerpadlem. [9] Tab. 6 – náklady na vytápění jednotlivých systémů [9]

13.4 Návratnost investice do tepelného čerpadla Na začátku celé investice je cenový rozdíl 172 000 Kč, rozdíl této částky je značný ale, když si propočítáme, že s úsporou 26 905 Kč bude za takto navržených podmínek 6,4 roku (tab. 7), vůči kondenzačnímu plynovému kotli, je jasné, že v tomto případě se tepelné čerpadlo vyplatí daleko více než plynový kotel. Pokud i v tomto případě budou růst ceny energii, bude návratnost zase o něco kratší. [9] Všechny tři návrhy, byly zpracovány díky informacím a cenové nabídce společnosti Tepelná čerpadla IVT s.r.o. Na základě těchto informací, jsem porovnal jednotlivé typy a cenově rozlišil do určitých skupin, následně ekonomicky porovnal. Vycházel jsem z daných podmínek, které dále použiji pro další část bakalářské práce.

39

14 Popis vybraného typového objektu Vybraný objekt je rodinný dům obr. 20, samostatně stojící v obci Bohdíkov s nadmořskou výškou 350 m nad mořem. Jde o dvoupodlažní dům s obytnou plochou 315,3m2. Jedná se o novostavbu se sedlovou střechou. Dům je podsklepený, nachází se zde – kotelna, technická místnost, sklep na potraviny a pracovní místnost. V nadzemní části jsou pokoje, jídelna, obývací pokoj, WC, koupelna a ve vrchní části se nachází pokoje, WC, koupelna.

Obr. 20 – typový objekt (rodinný dům)

Pro výběr tepelného čerpadla je potřeba znát tepelnou ztrátu objektu, která byla přebrána z projektové dokumentace pro stavební povolení a byla vypočítána dle ČSN 06 02 10 projektantem ing. Jiří Davidem na 15 kW. Dále bylo nutné spočítat celkovou potřebu tepla pro vytápění a celkové množství ohřevu pro TUV. [8]

40

15 POTŘEBA TEPLA 15.1 Roční potřeba tepla pro vytápění Vyhodnocení reálného provozu vytápěcích soustav. Skutečná potřeba tepla: =

24 · ε · Q · D 24 · 0,722 · 15000 · 4230 = (t %& − t ' ) · η) · η* [21,5 − (−18)] · 0,97 · 0,97

= 29582815Wh / rok = 29,6 MWh / rok Kde: – opravný součinitel , = 5 · 6 · 7 = 0,85 · 0,85 · 1,0 = 0,722 5 − součinitel respektující tepelné ztráty infiltrací a prostupem, volím 5 = 0,85 6 − součinitel respektující přerušení vytápění v noci, volím 6 = 0,85 7 − součinitel celkových přestávek vytápění, volím 7 = 1, 0 pro sedmidenní provoz 8 − celková tepelná ztráta objektu 9 − počet denostupňů ,9 = : · (;5< · ;=< ) = 235 · (21,5 − 3,5) = 4230> · :?@ d – počet dnů vytápění v topné sezóně, volím d = 235 pro Bohdíkov, okr. Šumperk ;5< − střední vnitřní teplota za topnou sezónu, volím ;5< = 21,5 ºC ;=< − střední venkovní teplota za topnou sezónu, volím ;=< = 3,5 ºC ;= − venkovní výpočtová teplota, volím ;= = - 18 ºC pro danou lokalitu, obrázek 10 A − účinnost rozvodu vytápění závislá na délce trubního systému a kvalitě izolace, volím A = 0,97 A − účinnost možnosti regulace soustavy, volím A = 0,97 pro soustavu s automatickou regulací rozdělenou do více sekcí

15.2 Maximální denní potřeba pro vytápění FG ·ε · HI CDE 7=B = η · η J K

=

FG· ,LFF·MN ,OL· ,OL

= 276246Wh / :T? = 276,246kW / den

Kde: – opravný součinitel = 0,722 8 − celková tepelná ztráta objektu A − účinnost rozvodu vytápění závislá na délce trubního systému a kvalitě izolace, volím A = 0,97 A − účinnost možnosti regulace soustavy, volím A = 0,97 pro soustavu s automatickou regulací rozdělenou do více sekcí 41

15.3 Denní potřeba pro ohřev TUV Y · Z · [\7 · #;F − ;M ( 1000 · 4186 · 0,33 · #50 − 10( = #1 + 0,5( · 3600 3600

UVW 7=B

= #1 + X( ·

UVW 7=B

= 23023]ℎ/:T? = 23,023kW / den

Kde: z – koeficient ztrát systému pro přípravu teplé vody, volím z = 0,5 Y – měrná hmotnost vody c – měrná tepelná kapacita vody [\7 − celková potřeba teplé vody za jeden den [\7 = 0,082 · ?5 = 0,082 · 4 = 0,33 _` /den ?5 − abč;T; bdbe = 4 ;F − teplota ohřívané vody, ;F = 50 ºC ;M − teplota studené vody, ;M = 10 ºC

15.4 Roční spotřeba tepla pro ohřev TUV UVW N fMN N fN

UVW

=

UVW 7=B

· : + 0,8 ·

UVW 7=B

6 f6ghi

·6

f6gjh

· (k − :) = 23023 · 235 + 0,8 · 23023 ·

· (365 − 235)

= 7272710]ℎ / lbm = 7,3 MWh / rok

Kde: UVW 7=B

− denní potřeba tepla na ohřev TUV d – počet dnů vytápění v topné sezóně, volím d = 235 pro Bohdíkov, okr. Šumperk ;<\n − teplota studené vody v létě, volím ;<\n = 15 ºC ;<\o − teplota studené vody v zimě, volím ;
42

15.5 Maximální denní potřeba tepla pCDE 7=B

=

CDE 7=B

pCDE 7=B

= 299,269 kWh / den = 1077MJ / den

+

UVW 7=B

= 276246 + 23023

15.6 Celková roční potřeba tepla p

=


+

UVW

= 29,6 · 10q + 7,3 · 10q = rs, t uvw/xyz

p

=


+

UVW

= (29,6 · 10q + 7,3 · 10q ) · 3600 = {r|, } ~•/xyz

17 DISKUZE Volba tepelného čerpadla Dle vypočítaných hodnot podle typového objektu, zjistíme, že roční spotřeba pro vytápění je 29,6 MWh / rok a celková hodnota pro ohřev TUV je 7,3 MWh / rok. Pokud tyto hodnoty sečteme a převedeme, dostaneme hodnotu 132,8 GJ / rok. To znamená, že tyto energetické výdaje, je potřeba energeticky (teplotně) pokrýt. V tomto případě vyhovujícím tepelným čerpadlem s možností zapojení do bivalentního provozu (viz. Kapitola – Rozdělení tepelných čerpadel podle jejich zapojení). Z uvedených tří příkladů je vyhovující třetí, a to z důvodu splnění požadovaných parametrů pro vybraný typový objekt. Tepelná ztráta objektu je 15 kW a vypočítaná spotřeba tepla na vytápění a ohřev TUV pro daný typ zcela vyhovuje. Na daných příkladech je zřetelně vidět, jak je ovlivněna cena s přibývající tepelnou ztrátou. Proto pokud přemýšlíme o volbě tepelného čerpadla, už by se podle toho měl odvíjet projekt na dům a veškeré stavební práce. To znamená zajistit co nejmenší teplotní ztrátu objektu.

43

Všechny tři nabídky byly zpracovány pro velkoplošné radiátory, které jsou pro tepelná čerpadla vhodné. Z pravidla je teplotní spád kolem 55°C / 45°C, tomu odpovídá většina nabízených tepelných čerpadel. Firma Tepelná čerpadla IVT dodává tepelná čerpadla s kompresory, které zvládnou převést teplotní hladinu až na 65°C topné vody. Platí však pravidlo, čím je nižší teplota topné vody, tím tepelné čerpadlo topí levněji (spotřebovává méně elektřiny). [9] V tab. 7 a zároveň v grafu – obr. 21, je srovnána třetí varianta provozu a to s využitím jednotlivých systémů pro tepelnou ztrátu objektu 15 kW. Prvotní náklady pro pořízení byly jednoznačně, pro plynový kondenzační kotel, rozdíl je 172 000 Kč. Tepelné čerpadlo však svým provozem ušetří 26 268 Kč ročně. Jednoduchým výpočtem dojdeme k tomu, že mezi šestým a sedmým rokem, je vynaložená investice zpět. Takže při takovém to návrhu a za daných podmínek vychází ekonomicky výhodnější tepelné čerpadlo.

Tab. 7 – roční náklady na provoz v jednotlivých letech

Graf znázorňuje průběh nákladů, zřetelně je vidět rozdíl provozních nákladů kondenzačního plynového kotle a tepelného čerpadla.

44

Obr. 21 – grafické znázornění provozních nákladů

V neposlední řadě je potřeba dávat pozor i při marketingových propagacích tepelných čerpadel. Neserióznost některých firem nezná mezí a na skreslené informace doplatí uživatel. Zásada tepelného čerpadla je ušetřit energetické požadavky na vytápění nebo ohřev užitkové vody. Proto je potřeba vybrat firmu, které působí na trhu delší dobu a touto problematikou se zabývá delší dobu. Existují i poradenská centra, které nezávisle na výrobci pomohou a poskytnou důležité informace. Další možností je energetický audit. Na základě energetického auditu lze žádat o dotaci Zelená úsporám z čehož stát posuzuje, jestli není instalace v daném objektu nevýhodná.

45

18 ZÁVĚR V této bakalářské práci jsem zpracoval jednotlivé druhy a typy systémů tepelných čerpadel. V první části jde o jednotlivé principy použití, účinnost, topný faktor, druhu zapojení a možnosti použití v jednotlivých oblastech. Daná problematika se nezabývá jen tepelným čerpadlem ale i prvotními činiteli. Například možnosti propojení tepelného čerpadla s ostatními tepelnými zdroji. Jednotlivé zdroje jsem popsal podle výhod a nevýhod. V další části zhodnocení, jsem na základě nabídky firmy Tepelná čerpadla IVT vypracoval přehled, který řeší prvotní náklady a provoz využitých systému. Výběrem jednoho typu tepelného čerpadla v porovnání s plynovým kondenzačním kotlem, jsem srovnal na typovém objektu. Nezbytné u tohoto objektu, bylo spočítat energii na vytápění a ohřev užitkové vody. Dalším omezujícím faktorem byla celková tepelná ztráta objektu, kterou jsem převzal z projektové dokumentace o stavebním povolení. Ze tří nabídek, které jsem získal za pomoci firmy, jsem vybral třetí variantu a to z důvodu vyhovujících zadávacích podmínek. Na základě podkladů, jsem graficky vyjádřil ekonomické náklady. Celkově tato analýza vytváří přehled tepelných čerpadel, jejich technické řešení a v konečné fázi ekonomiku provozu vůči vybranému systému.

46

19 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Knihy [1]

GRODA, Bořivoj a Tomáš VÍTĚZ. Termomechanika I. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2008, 236 s. ISBN 978-80-7375160-9.

[2]

KARLÍK, Robert. Tepelné čerpadlo pro váš dům. 1. vyd. Praha: Grada, 2009, 109 s. ISBN 978-80-247-2720-2.

[3]

PASTOR, Ludomil. Efektívne využívanie energie pri prevádzke zariadení a budov. 1. vyd. Bratislava: Jaga group, 2000, 159 s. ISBN 80-889-0533-8.

[4]

SRDEČNÝ, Karel. SRDEČNÝ. Tepelná čerpadla. 1. vyd. Brno: ERA, 2005, vi, 68 s. ISBN 80-736-6031-8.

[5]

SRDEČNÝ, Karel. SRDEČNÝ. Tepelná čerpadla. 1. vyd. Praha: EkoWATT, 2009, 71 s. ISBN 978-80-87333-02-0.

[6]

TINTĚRA, Ladislav. Tepelná čerpadla. 1. vyd. Praha: ARCH, 2003, 121 s. ISBN 80-861-6561-2

[7]

ŽERAVÍK, Antonín. Stavíme tepelné čerpadlo: [návratnost i za jeden rok]. 1. vyd. Přerov: Antonín Žeravík, 2003, 311 s. ISBN 80-239-0275-X.

Normy [8]

ČSN 06 0210: Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. Praha: Český normalizační institut, 1994.

Elektronické dokumenty [9]

cerpadla-ivt [online]. c2012, poslední revize 6. 4. 2012 [cit. 2012-4-6]. Dostupný z WWW: < http://www.cerpadla-ivt.cz/cz/kolik-tepelne-cerpadlo-usetri>

47

[10]

e - Tepelná čerpadla, Ekologické topení a vytápění [online]. c2012, poslední revize 13. 4. 2012 [cit. 2012-4-13]. Dostupný z WWW:< http://www.e-tepelnacerpadla.cz/navratnost.html>

[11]

KOUBKOVÁ, Lucie. Vytápění rodinného domu s využitím tepelného čerpadla [online]. c2012, poslední revize 15. 4. 2012 [cit. 2012-4-15]. Dostupný z WWW:

[12]

Maltop-eko, Tepelná čerpadla [online]. c2012, poslední revize 13. 4. 2012 [cit. 2012-4-13]. Dostupný z WWW:

[13]

Topinfo s.r.o., Tzb-info [online]. c2012, poslední revize 15. 4. 2012 [cit. 2012-415].

Dostupný

z

WWW:

<

http://www.tzb-info.cz/2987-porovnani-

vypoctu-tepelnych-ztrat-podle-csn-06-0210-a-csn-en-12831>

48

20 SEZNAM OBRÁZKŮ

Číslo stránky

Obr. 1 – Lord William Thomson

11

Obr. 2 – Obrácený Carnotův cyklus

12

Obr. 3 – Princip funkce kompresorového tepelného čerpadla

13

Obr. 4 – Průběh nasávání kompresoru SCROLL

15

Obr. 5 – Průběh zapojení absorpčního tepelného čerpadla

16

Obr. 6 – Energetický tok tepelným čerpadlem

18

Obr. 7 – Parametry tepelného čerpadla podle jeho teploty vstupu a výstupu

21

Obr. 8 – Schéma zapojení monovalentního provozu

21

Obr. 9 – Bivalentní chod tepelného čerpadla

22

Obr. 10 – Schéma zapojení bivalentního provozu

23

Obr. 11 – Mapa teplotních oblastí České republiky

25

Obr. 12 – Dimenzování hloubky vrtu

26

Obr. 13 – Vrt s využitím tepelného čerpadla - země/voda

27

Obr. 14 – Průřez plochým půdním kolektorem

28

Obr. 15 – Půdní kolektor s využitím tepelného čerpadla - země/voda

29

Obr. 16 – Systém povrchové vody pro tepelné čerpadlo - voda/voda

30

Obr. 17 – Systém spodní vody, využití tepelného čerpadla - voda/voda

31

Obr. 18 – Systém vzduch/voda

32

Obr. 19 – Systém vzduch/vzduch

33

Obr. 20 – Typový objekt (rodinný dům)

40

Obr. 21 – Grafické znázornění provozních nákladů

45

49

21 SEZNAM TABULEK Tab. 1 – porovnání investičních nákladů (6 kW)

35

Tab. 2 – náklady na vytápění jednotlivých systémů (6 kW)

36

Tab. 3 – porovnání investičních nákladů (10 kW)

37

Tab. 4 – náklady na vytápění jednotlivých systémů (10 kW)

37

Tab. 5 – porovnání investičních nákladů (15 kW)

39

Tab. 6 – náklady na vytápění jednotlivých systémů (15 kW)

39

Tab. 7 – roční náklady na provoz v jednotlivých letech

44

22 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK TČ

– tepelné čerpadlo

TUV – teplá užitková voda COP – topný faktor NPT – nízkopotenciální teplo

50