Nízkoteplotní vytápění na bázi obnovitelných zdrojů

2. října 2014

Partneři sekce:

Pro komfortní vytápění se nejvíce používá velkoplošné topení v podlaze nebo ve stěnách objektu. Výhodou tohoto způsobu je, že nedochází k pohybu vzduchu a tím k pohybu prachu vlivem různých teplotních zón. Je rovněž příjemný na dotek bosou nohou. Článek poskytuje základní orientaci v problematice obnovitelných zdrojů a jejich využití pro vytápění.

Vytváření tepelné pohody se zakládá na vlastnostech velkoplošného vytápění, kdy je poměrně velká část objektu vytápěna relativně nízkou teplotou topného média z teplotního zdroje. Tento způsob vytápění otevírá cestu pro nové způsoby vytápění pomocí obnovitelných zdrojů. Mezi nejčastěji instalované obnovitelné zdroje patří především termické solární panely a tepelná čerpadla.

Solární panely

Termické solární panely pracují na celkem jednoduchém principu přečerpávání tepla. Solární panel absorbuje teplo, čímž se zahřívá. Solárním panelem proudí kapalina, která jej ochlazuje a teplo přesouvá do otopné soustavy nebo do teplé vody na sprchování. Protože ale slunce svítí převážně přes den, kdy teplo tolik nepotřebujeme, a večer už solární panely nepracují, kombinují se solární panely s akumulačními zásobníky, které akumulují teplo přes den, a teprve když teplo potřebujeme, slouží tyto akumulační zásobníky jako zdroj tepelné energie pro topení a teplou vodu. Solární panely však trvale podléhají okolním vlivům (vítr, déšť, mráz, slunce), proto musí být kvalitní a v našich klimatických podmínkách musí být naplněny nemrznoucí kapalinou, aby v zimě nezamrzly a nezničily se. Solární panely pracují na základě zákona termodynamiky, kdy teplo z tělesa teplejšího přechází na těleso chladnější. Díky této vlastnosti je výhodné solární panely kombinovat s nízkoteplotními systémy, aby využití solárních panelů bylo co nejvyšší. Průměrná teplota solárních panelů například v Praze v měsíci lednu je přes den okolo 35 °C, což znamená, že jestliže solární panely kombinujeme s topným radiátorovým systémem, solární panely se energetické výpomoci příliš nezúčastňují. Jestliže však solární panely kombinujeme s nízkoteplotním podlahovým topením, které má v zimním období průměrnou teplotu okolo 30 °C, mohou již solární panely poměrně efektivně spolupracovat. Vůbec nejvyšší účinnosti dosahují solární panely při předehřevu teplé vody pro sprchování nebo při předehřevu topné vody do topného systému. Pro názornost uvádím příklad ekonomiky provozu solárních panelů.
Příklad: Dva solární panely o celkové aperturní ploše 5 m² pracující v systému zapojení:
1) Radiátorový systém topení a ohřev 200 litrů TV v kombinovaném zásobníku TV.
Průměrný energetický zisk cca 480 kWh/m^2, tedy celkem energetický tepelný zisk cca 2 400 kWh.
2) Podlahový systém topení a ohřev 200 litrů TV v kombinovaném zásobníku TV.
Průměrný energetický zisk cca 550 kWh/m², tedy celkem energetický tepelný zisk cca 2 750 kWh.
3) Podlahový systém topení a ohřev 200 litrů TV v samostatném zásobníku TV + předehřev TV v samostatném zásobníku TV. Průměrný energetický zisk cca 650 kWh/m², tedy celkem energetický tepelný zisk cca 3 250 kWh. Na tomto modelovém případě je zřejmé, že solární panely pracující v dobře navrženém systému mají až o 35 % vyšší účinnost.

Tepelné čerpadlo systému země/voda v kombinaci se zdrojem tepla – hlubinný vrt. Provozně nejúspornější způsob vytápění umožňující i velmi levné pasivní chlazení.

Tepelná čerpadla

Nízkoteplotní systém topení a přípravy teplé vody otevřel ale i další možnosti, jak efektivně využít obnovitelné zdroje. V poslední době je stále častěji instalovaným obnovitelným zdrojem tepla tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo se skládá ze tří hlavních částí, a to z výparníku, kondenzátoru a kompresoru. Výparník odebírá teplo zdroji tepla (vzduchu, vodě, zemi…) a kondenzátor dodává teplo do objektu nejčastěji ve formě vody, ale i ve formě teplého vzduchu. Transport energie zajišťuje kompresor. Čím je teplota zdroje tepla a teplota kondenzátoru méně rozdílná, tím se kompresor tepelného čerpadla méně zatěžuje a tepelné čerpadlo pracuje efektivněji. Tepelná čerpadla se podle zdroje obnovitelné energie dělí do několika skupin, nejčastěji se však používají tepelná čerpadla systému vzduch/voda a země/voda.

Kompaktní venkovní tepelné čerpadlo systému vzduch/voda v kombinaci se solárními panely. Tepelné čerpadlo lze velmi dobře kombinovat s letním vytápěním bazénu nebo s komfortním letním chlazením interiéru.

Vzduch/voda

Tepelná čerpadla systému vzduch/voda dokážou průměrně vyprodukovat až 3x více tepelné energie při stejné spotřebě elektrické energie než například elektrokotel. Jejich zdrojem tepla je vzduch. Vzduchové tepelné čerpadlo dokáže standardně nasávat vzduch o teplotě -20 °C, následně ho ochladit na teplotu -30 °C a výsledek ochlazení vzduchu dokáže předat ve formě teplé vody o teplotě +60 °C. Tato topná voda potom přechází do topného systému (do radiátorů) nebo do výměníků pro ohřev teplé užitkové vody. Hlavní výhodou tohoto systému je jeho jednoduchost a jeho možná případná přetížitelnost. Okolního vzduchu je vždy dostatek. Tepelné čerpadlo, které je určeno pro topení v rodinném domě, může být v letních měsících bez problémů využíváno pro ohřev vody v bazénu a venkovních sprchách. Případně lze toto tepelné čerpadlo v reverzním chodu použít i pro chlazení. Většina výrobců tepelných čerpadel má již v základní nabídce i tepelná čerpadla určená jak pro topení, tak i pro chlazení. Chladicí systém je však potřeba vždy doplnit velmi přesnou regulací chlazení, aby nedocházelo k rosení a kondenzaci vodních par na studených plochách chladicího systému. Díky této regulaci měření vlhkosti a teploty vzduchu v místnosti čidly teploty a relativní vlhkosti lze přesně určit rosný bod a poté přesně nastavit chladicí křivku tak, aby se i stávající podlahové nebo kapilárové topení mohlo použít ke komfortnímu chlazení objektu.Tepelná čerpadla systému vzduch/voda se dají umístit jak do interiéru, tak do exteriéru. Při vnitřní instalaci nikdo nepozná, že je objekt vytápěn pomocí vzduchového tepelného čerpadla. Ve fasádě objektu jsou jen dva vzduchotechnické průchody zakončené venkovní mřížkou, kde jeden slouží k nasávání venkovního vzduchu a druhý k vyfukování ochlazeného vzduchu ven. Tento vzduch je k tepelnému čerpadlu veden pomocí speciálních vysoce izolovaných vzduchotechnických trub. Při venkovním umístění tepelného čerpadla je celé tepelné čerpadlo umístěno vně objektu, buď v provedení komfortního hříbku, nebo na stěně objektu. V objektu se nachází jen případný akumulační zásobník teplé vody.

Tepelné čerpadlo systému země/voda v kombinaci se zdrojem tepla – plošný kolektor. Plošný kolektor se umisťuje na nezastavenou plochu a jeho plocha obvykle bývá trojnásobkem vytápěné plochy.

Země/voda

Tepelná čerpadla systému země/voda pracující se zdrojem primární energie ze země, jsou také velmi oblíbeným zdrojem tepla pro rodinné domy. Jejich instalace je však kvůli nutnosti instalovat v jejich okolí vrt nebo plošný kolektor výrazně složitější. Navíc se výměník tepla ze země musí dimenzovat na určité zatížení a už v projekční části se musí počítat s regenerační odstávkou zdroje tepla, během které se zdroj přirozeně doplňuje a připravuje na další použití. Není tedy možno ke stávající instalaci doplnit ohřev venkovního bazénu nebo systém rozšířit, aby byla pokryta případná vyšší spotřeba teplé vody na sprchování. Delší roční proběh zdroje tepla zkracuje regenerační odstávku jímače tepla a vlivem této skutečnosti se snižuje měrný výkon zdroje tepla. Vrt nebo plošný kolektor se může postupně vyčerpat až tak, že tepelné čerpadlo již nemá žádný přísun využitelné zdrojové energie a je nutné odstavení tepelného čerpadla do doby regenerace jímače tepla. Tato regenerace může v závislosti na lokalitě trvat několik měsíců, ale i roků. Při správném dimenzování však tepelná čerpadla systému země/voda vyrobí řádově 5x více tepla než například elektrokotel při stejné spotřebě elektrické energie. Další nespornou výhodou tohoto systému je jeho možná kombinace s chlazením a jeho vždy výrazně nižší hlučnost oproti tepelným čerpadlům systému vzduch/voda. U zemních tepelných čerpadel se při chlazení využívá chlad ze zemních vrtů, který může být velmi často skrze další oddělovací výměník přímo využíván ke chlazení objektu bez nutnosti práce kompresoru. Chladicí výkon potom není přímo závislý na velikosti tepelného čerpadla, ale na velikosti vrtů. Díky tomu je do objektu distribuován chlad jen za cenu přečerpávání pomocí oběhových čerpadel. Tím je tento chlad získaný ze zemního tepelného čerpadla zhruba 10x levnější než chlad získaný z obvyklé elektrické klimatizace. Při chlazení navíc dochází k aktivní regeneraci vrtů a tím i k optimálnímu provozu v následujícím zimním období. Kvalitnější tepelná čerpadla, jako například tepelná čerpadla společnosti Stiebel Eltron, umožňují přímé přečerpávání tepla z chlazení pro ohřev třeba teplé vody na sprchování.

Vnitřní kompaktní tepelné čerpadlo systému vzduch/voda v kombinaci se solárními panely. Roční účinnost je stejná jako u kompaktního venkovního provedení tepelného čerpadla, neboť tepelné čerpadlo pracuje s venkovním vzduchem, který je do objektu přiváděn pomocí vzduchotechnických trub.

Závěr

Výhody solárních systémů a tepelných čerpadel systému vzduch/voda i systému země/voda jsou tedy zřejmé a díky instalaci komfortního nízkoteplotního systému vytápění je v následujících letech očekáván přírůstek vytápěných objektů na bázi obnovitelných zdrojů.

Foto a obrázky: Stiebel Eltron, Ing. David Šafránek

Autor je technik ve společnosti Stiebel Eltron.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.