Partneři sekce:
  • P.M.H. Invest & Trade

Provoz kombinovaného energetického systému

Obr. 1 Schéma energetického systému realizovaného v Hamrech u Hlinska

Příspěvek představuje výsledky monitorování a vyhodnocení provozu experimentálního energetického systému pro téměř nulové budovy realizovaného v rodinném domě v Hamrech u Hlinska. Vyhodnocení se zaměřuje zejména na nabíjení a vybíjení sezonního zásobníku tepla vybudovaného v podzákladí domu a na celkovou bilanci systému.

V letech 2015 až 2017 byly v rámci projektu TAČR TA04021243 vyvíjeny komponenty pro energetický systém kombinující fotovoltaickou elektrárnu s tepelným čerpadlem a zemním zásobníkem tepla pro dlouhodobou akumulaci.

Cílem bylo vybudovat experimentální instalaci systému pro rodinný dům, který bude minimalizovat odběr elektrické energie z rozvodné sítě a v reálném provozu bude vykazovat nízké hodnoty potřeby neobnovitelné primární energie díky vysokému využití obnovitelných zdrojů energie.

Postupně bylo vyvinuto tepelné čerpadlo s regulací otáček kompresoru pro přizpůsobování svého příkonu produkci instalovaného FV systému, kombinovaný zásobník tepla pro vytápění a přípravu teplé vody a nízkonákladový zemní zásobník tepla v podzákladí domu.

Experimentální systém

Experimentální systém byl realizován v novostavbě rodinného domu v Hamrech u Hlinska. Rodinný dům je vybaven podlahovým vytápěním a větracím systémem se zpětným získáváním tepla.

Z povahy experimentu byl systém vybaven více komponentami, než je zamýšleno pro komerční použití, a to jednak z důvodu samotné nejistoty možnosti provozu všech okruhů s vodou jako teplonosnou látkou v klimatické oblasti Vysočiny, ale i kvůli umožnění nastavení různých provozních stavů a testování strategií provozu systému.

Základem systému (obr. 1) je tepelné čerpadlo napojené na horní zónu (příprava TV) a dolní zónu (vytápění) kombinovaného vodního zásobníku tepla (vysokoteplotní uzel). V zimním období tepelné čerpadlo odebírá teplo z nízkoteplotního vodního zásobníku (nízkoteplotní uzel), do kterého dodávku tepla zajišťují nízkoteplotní zdroje tepla (zemní zásobník tepla v podzákladí, záložní zemní smyčka).

Pokud se v průběhu zimního období zemní zásobník vyčerpává (klesá teplota v nízkoteplotním uzlu), připíná se zemní smyčka. Mimo zimní období (při nadnulových teplotách) může tepelné čerpadlo odebírat teplo z chladiče venkovního vzduchu (mimo zimní období) a přečerpávat ho do kombinovaného zásobníku.

Jednou z hlavních funkcí systému je spolupráce tepelného čerpadla s fotovoltaickým systémem. V případě produkce elektrické energie FV systémem o dostatečném výkonu pro provoz tepelného čerpadla při minimálních otáčkách se nuceně spíná tepelné čerpadlo (změna nastavení požadované teploty v kombinovaném zásobníku tepla) a jeho provoz je hrazen pouze FV elektřinou.

Zároveň se v případě přebytků tepla spíná okruh nabíjení zemního zásobníku tepla, do kterého je teplo dodáváno z kombinovaného zásobníku. Zemní zásobník se pak během letního období dostává na teplotu výrazně vyšší, než je teplota okolního podloží, aby v zimním období sloužil jako zdroj tepla pro výhodnější provoz tepelného čerpadla.

V rámci experimentální instalace je umožněno i letní chlazení přepnutím zemní smyčky přímo na okruh podlahového vytápění. Veškerá elektrická energie z FV systému je zužitkována v domě, buď pro provoz tepelného čerpadla a příslušenství (regulace, oběhová čerpadla), nebo pro domácí spotřebiče.

Případné přebytky jsou mařeny v elektrických topných tělesech (s přesnou regulací příkonu) umístěných v kombinovaném zásobníku tepla, a tedy využitých pro přípravu teplé vody nebo pro akumulaci tepla do podloží.

Obr. 2 Nabíjení horní vrstvy zemního zásobníku září 2018
Obr. 2 Nabíjení horní vrstvy zemního zásobníku září 2018 |

Nabíjení zemního zásobníku

Systém je v plném provozu od října 2017, kdy byl opožděně zprovozněn fotovoltaický systém, a tak nebylo možné již v první zimní sezoně dosáhnout cílové teploty v zemním zásobníku. Nicméně kvůli zkouškám v rámci experimentu byl zemní zásobník nabíjen provozem tepelného čerpadla i bez součinnosti s FV systémem.

Zároveň díky relativně rychlému poklesu teploty v zemním zásobníku v zimním období byla ve střídavém provozu i záložní smyčka s ohledem na použití vody jako teplonosné látky. Od jara 2018 již systém pracoval podle zamýšlené strategie přizpůsobování příkonu tepelného čerpadla elektrickému výkonu FV systému a zemní zásobník se postupně nabíjel až do konce září 2018.

Obr. 2 ukazuje průběh nabíjení v září 2018 v horní vrstvě zemního zásobníku, ve které je uložen výměník tepla z plastových trubek. Teplota Tzem je teplota vrstvy, zatímco teploty T1 a T2 jsou měřeny na vstupní a výstupní trubce okruhu v kontaktu se zeminou.

Obr. 3 pak ukazuje průběh teplot při nabíjení a vybíjení v různých vrstvách zemního zásobníku – 1 m, 2 m, 3 m, 4 m a 5 m pod základovou deskou. Při hodnocení teplotního průběhu je dobré si uvědomit, že teplota v 1 m je v oblasti blížící se již spodnímu konci základových pasů (v hloubce 1,5 m).

Na obr. 4 je vyhodnoceno množství tepla odebrané a dodané do zemního zásobníku tepla a množství tepla odebrané ze záložní zemní smyčky. Odběr ze záložní zemní smyčky v zimním období 2017–2018 je způsoben nedostatečnou teplotou v zemním zásobníku a zkušebním provozem.

Odběr na přelomu let 2018 a 2019 je dán postupným vyčerpáním zásobníku, který nemá dostatečnou tepelnou kapacitu pro daný odběr rodinného domu. Dále je patrný rozdíl mezi energií dodanou do zemního zásobníku a odebranou během roku. Jak je u sezonní akumulace obvyklé, zhruba 50 % tepla představují mezisezonní tepelné ztráty.

Bilance systému

Výpočtová tepelná ztráta domu je 4,5 kW. Předpokládaná potřeba tepla byla 3400 kWh pro vytápění a 3060 kWh pro přípravu teplé vody. V době řešení projektu byla provedena řada analýz energetického systému počítačovými simulacemi a postupně byly upřesňovány, jak byly jednotlivé prvky vyvíjeny [2–3] (výsledky viz tab. 1).

Na realizovaném systému jsou v časovém kroku 10 s vyhodnocovány energetické toky, zejména výkon FV systému, odběr tepla do budovy (vytápění, příprava teplé vody), odběr a dodávka tepla do zemního zásobníku, případně záložní smyčky a elektrický výkon odebíraný technologií (v různém rozlišení) a také samotnou budovou (uživatelská energie).

Na obr. 5 je uvedena bilance samotného energetického systému během roku 2018. Produkce FV systému v roce 2018 byla 6250 kWh. Dům v roce 2018 odebral zhruba 8900 kWh tepla pro vytápění a přípravu teplé vody a spotřeboval k tomu 1400 kWh elektrické energie (SPF = 6,3).

Jako relativně významná položka ve spotřebě elektrické energie se ukázala pohotovostní spotřeba, zčásti způsobená také monitorovacím systémem. Efektivita provozu se nicméně blíží předpokládaným výsledkům předběžných bilancí.

Obr. 5 Bilance potřeby elektrické energie energetického systému
Obr. 5 Bilance potřeby elektrické energie energetického systému |

Závěr

Experimentální systém, který se v reálném hodnocení potřeby neobnovitelné primární energie dostává pod poloviční hodnotu požadavku na pasivní domy, je v provozu od října 2017. Z pohledu energetické efektivity se potvrzují výsledky předběžných počítačových simulací.

Na druhou stranu je z detailních výsledků patrné, že tepelná kapacita zemního zásobníku v podloží budovy je nedostatečná pro akumulaci tepla pro celou zimní sezonu v klimatických podmínkách Vysočiny v případě, že celý systém má využívat vodu jako teplonosnou látku.

Tepelné ztráty zásobníku představují relativně velkou položku v energetické bilanci. Kromě uvedených výsledků z detailního monitorování byla získána řada provozních zkušeností, které umožní posunout další vývoj systému směrem k robustnějšímu řešení uplatnitelnému v praxi.

Ing. Michal Broum1, doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.2
Autor1 působí ve firmě Regulus, s. r. o. Autor2 se zabývá energetickými systémy budov na UCEEB, ČVUT v Praze.
Foto: archiv autorů

Literatura
[1] TA04021243. Udržitelný energetický zdroj pro téměř nulové budovy. Projekt TAČR 2025-2017.
[2] MATUŠKA T., ŠOUREK B., SEDLÁŘ J., BROUM M.: Kombinovaný zdroj s tepelným čerpadlem pro rodinný dům. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2016. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2016, s. 93–100. 1. vydání. ISBN 978-80-02-02666-2.
[3] BROUM M., SEDLÁŘ J., ŠOUREK B., MATUŠKA T.: Kombinovaný zdroj s tepelným čerpadlem pro rodinný dům. Sborník konference Vytápění Třeboň 2017. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017, s. 134–139. ISBN 978-80-02-02712-6.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.

Komentáře