Tepelné čerpadlá v rámci obnovy starých budov

Úvod
Analýza vhodnosti použitia tepelných čerpadiel na vykurovanie starších objektov bola vypracovaná na základe požiadavky na výmenu, resp. obnovu existujúceho zdroja tepla, plynovej kotolne v objekte administratívnej budovy s posúdením vhodnosti použitia tepelných čerpadiel ako uvažovaného nového zdroja tepla pre vykurovanie tohto objektu. Hlavnou úlohou tejto analýzy bolo posúdenie vhodnosti použitia rôznych typov tepelných čerpadiel (s rozličným zdrojom nízkopotenciálneho zdroja energie) pre daný objekt a poukázanie na výhody a nevýhody vyplývajúce z takejto aplikácie.

Príklad realizácie – aktuálny stav a vstupné údaje
Objekt administratívnej budovy je situovaný v centre mesta a je obklopený zo všetkých strán priľahlými komunikáciami a okolitou zástavbou. Ide o staršiu budovu postavenú v roku 1948 pozostávajúcu z troch nadzemných podlaží (NP) a jedného podzemného podlažia (PP), zastrešenú valbovou strechou. Objekt tvorí murovaná stavebná konštrukcia z plných pálených tehál s hrúbkou 450 mm s nezatepleným obvodovým plášťom (Uobvodovej steny = 1,368 W/m² . K). Otvorové okenné konštrukcie sú na celom objekte vymenené za plastové okná s dvojitým zasklením. Technické zariadenie objektu tvorí plynová kotolňa s dvomi klasickými plynovými kotlami umiestnená v suteréne objektu. Vykurovací systém objektu je konvekčný teplovodný dvojrúrkový s teplotným spádom 80/60 °C. Na odovzdávanie tepla sú v jednotlivých miestnostiach použité článkové vykurovacie telesá. Vykurovacia sústava je vyregulovaná a pred každým vykurovacím telesom je inštalovaný termostatický ventil.

Vhodnosť použitia tepelného čerpadla
Podľa spôsobu procesu prečerpávania tepla a druhu pohonnej energie najviac v súčasnosti realizovaných tepelných čerpadiel pracuje na princípe kompresorového chladiaceho obehu. Pohonná mechanická energia na kompresor opísaného obehu sa väčšinou realizuje pomocou elektrickej energie z elektromotora. Najdôležitejším aspektom správneho návrhu je však voľba a výber vhodného zdroja tepla a typu tepelného čerpadla pre dané podmienky.

Tepelné čerpadlo typu zem – voda
Je to jedno z najvhodnejších riešení pre objekty s veľkou potrebou tepla a potrebným veľkým tepelným výkonom.

Plošný zemný kolektor
Zo zeme je možné získať energiu prostredníctvom plošného zemného kolektora podľa jej zloženia 10 až 30 W/m².


Najväčšou nevýhodu jeho aplikácie na riešený objekt je, že na ploche inštalovaného zemného kolektora nesmie byť žiadna zástavba a táto plocha musí byť čo najmenej zatienená. Tento aspekt
tvorí neprekonateľnú prekážku v jeho aplikácii na riešený objekt, keďže objekt je situovaný v centre mesta, obklopený a ohraničený zo všetkých strán priľahlými komunikáciami a okolitou zástavbou. V neposlednom rade plocha potrebná na zabezpečenie potrebného výkonu kolek­tora je asi 14 000 m², čo je v daných podmienkach absolútne nerealizovateľné.

Hĺbkový zemný kolektor
Presná hĺbka vrtu závisí od geologických pomerov a výkonu čerpadla. Tepelný odvádzaný výkon vždy určuje kvalita pôdy, z ktorej možno získať tepelný tok v priemere 50 W/m², pričom vzdialenosť jednotlivých vrtov je minimálne 5 m. Analyzovaním tohto riešenia zistíme, že pre riešený objekt by bolo treba približne 56 vrtov s hĺbkou 100 m, realizovaných na ploche 1 050 m². Toto riešenie je preto nevhodné ako z hľadiska priestorových nárokov vzhľadom na riešený objekt, tak aj z ekonomického hľadiska pre jeho investičnú náročnosť (cena vrtov bez tepelného čerpadla je 168 000 €).

Tepelné čerpadlo typu voda – voda
V podmienkach situovania riešeného ob­jektu môže byť zdrojom tepla nízkopoten­ciálnej energie jedine podzemná voda.

Podzemná voda
Uvedené riešenie si vyžaduje dostatočne veľkú zásobu a výdatný zdroj podzemnej vody v oblasti situovania riešeného objektu, pričom pre potrebný inštalovaný výkon tepelného čerpadla by bol po prepočte na naše podmienky potrebný zdroj podzemnej vody s výdatnosťou približne 56 000 l/h (resp. 15,5 l/s). Toto riešenie je preto taktiež nevhodné jednak z hľadiska technickej realizácie, jednak priestorového situovania vzhľadom na náš riešený objekt.

Tepelné čerpadlo typu vzduch – voda
So zreteľom na podmienky situovania a vnútornú dispozíciu riešeného objektu by bola vnútorná inštalácia takéhoto zariadenia veľmi komplikovaná a vyžadovala by si značné stavebno-konštrukčné úpravy v rámci riešeného objektu, pokiaľ ide potrebnú technológiu. Najvhodnejším riešením pre daný objekt by bola inštalácia kompaktného zariadenia tepelného čerpadla pre vonkajšie umiestnenie.

Tab.1 Vstupné údaje k riešenému objektu

Celková potreba tepla objektu (stanovená spotrebou tepla za predošlé vykurovacie obdobie roku 2009)	483 151 kWh/rok
Ročná spotreba zemného plynu (stanovená spotrebou zemného plynu za predošlé vykurovacie obdobie roku 2009)	59 691 m3
Vykurovaná úžitková plocha objektu (1. – 3. NP bez PP)	3 000 m2
Výpočtová potreba tepla na vykurovanú plochu objektu	161 kWh/m2/rok
Vypočítaná tepelná strata objektu	280 kW
Kotol E-IV (rok výroby 1993) – počet × výkon kotla	2 × 242 kW
Použitie zdroja tepla	len na vykurovanie

V podmienkach budovy by sa o danom riešení mohlo uvažovať len za predpokladu inštalácie jednotky tepelného čerpadla do voľného a konštrukčne na to prispôsobeného priestoru s umiestnením jednotky napríklad na strechu objektu alebo do voľného priestoru vedľa neho. Táto aplikácia si však vyžaduje bivalentnú prevádzku tepelného čerpadla a špičkového zdroja, čo zvyšuje investičné náklady na inštaláciu takéhoto systému a predlžuje návratnosť investícií. Takéto riešenie by sa však po splnení určitých podmienok mohlo považovať spomedzi všetkých uvedených riešení za najvhodnejšie.


Všeobecné podmienky inštalácie tepelných čerpadiel
Podmienky efektívnej energetickej a ekonomickej inštalácie tepelných čerpadiel aplikované na riešený objekt sú zhrnuté v tab. 2. Keďže sú to všeobecné podmien­ky, možno ich považovať za smerodajné aj pre akékoľvek iné staršie obnovované objekty s podobnými vlastnosťami.

Tab. 2 Celkové zhodnotenie vhodnosti použitia tepelného čerpadla ako zdroja tepla

Aktuálny stav riešeného objektu	Podmienka efektívnej a ekonomickej prevádzky tepelného čerpadla	Inštalácia tepelného čerpadla
Staršia budova vo veku 62 rokov so zlými tepelnotechnickými vlastnosťami obvodových konštrukcií (plná pálená tehla s hrúbkou 450 mm, Uobvodové steny = 1,368 W/m2 . K) a vysokou spotrebou tepla viac ako 161 kWh/m2/rok	Tepelné čerpadlo je vhodné najmä do nízkoenergetických objektov (potreba tepla ≤ 50 kWh/m2/rok), ktoré majú nízke tepelné straty. Túto podmienku spĺňa väčšina novostavieb alebo obnovovaných budov realizovaných podľa aktuálnych tepelnotechnických noriem (UN < 0,32 W/m2 . K).	nevhodná
V objekte je existujúci konvekčný teplovodný dvojrúrkový vykurovací systém ukončený v jednotlivých miestnostiach článkovými vykurovacími telesami s teplotným spádom 80/60 °C	Energeticky efektívne použitie tepelných čerpadiel je v oblasti nízkoteplotných, veľkoplošných vykurovacích systémov (podlahové vykurovanie s teplotným spádom 40/30 °C) a čiastočne aj pri použití nízkoteplotných vykurovacích telies s teplotou vykurovacej vody max. 50 °C	nevhodná
Objekt je situovaný v centre mesta obklopený a ohraničený zo všetkých strán priľahlými komunikáciami a okolitou zástavbou	Tepelné čerpadlo zem – voda	nevhodná
	Tepelné čerpadlo voda – voda	nevhodná
	Tepelné čerpadlo vzduch – voda	čiastočne vhodná
Existujúca plynová kotolňa v objekte s dvomi klasickými plynovými kotlami typu E–IV s výkonom 2 × 242 kW pracuje vzhľadom na typ a vek kotlov (rok výroby 1993) s nízkym koeficientomúčinnostivýroby tepla (predpokladaná účinnosť výroby tepla je η = 81 %)	Vzhľadom na nízke percentuálne využitie tepelného čerpadla typu vzduch – voda je nevyhnutná bivalentná prevádzka so špičkovým zdrojom, prevádzkou ktorého sa efektívnosť tepelného čerpadla výrazne znižuje. Takéto riešenie si súčasne vyžaduje aj zvýšenie investičných nákladov na technológiu a zariadenia zdroja tepla a predĺženie návratnosti vloženej investície.	nevhodná

Aj napriek tomu, že inštalácia tepelných čerpadiel v riešenom objekte je nevhodná, v ďalšej analýze sa posudzuje ekonomická efektívnosť vzhľadom na investičné a prevádzkové náklady a návratnosť investícií danej inštalácie.

Ekonomická efektívnosť inštalácie tepelného čerpadla
Základnou podmienkou dosiahnutia ekonomickej efektívnosti pri použití tepelného čerpadla ako alternatívneho systému výroby tepelnej energie je, že celkové ročné náklady na vyrobené teplo sú nižšie ako náklady na rovnaké množstvo tepla vyrobeného konvekčným systémom výroby všeobecne dostupným a používaným v mieste zamýšľanej inštalácie tepelného čerpadla. Je teda potrebné porovnať a vyhodnotiť dva moderné a pre danú aplikáciu na riešený objekt najefektívnejšie systémy výroby tepla. Porovnáva sa preto systém výroby tepla tepelným čerpadlom a systém výroby tepla modernými plynovými kotlami, navzájom zapojenými do kaskádovej regulácie, tak aby sa dosiahla čo najvyššia efektívnosť výroby tepla.

Pre jednoduchosť a jednoznačnosť preukazovania ekonomickej efektívnosti sa v uvažovanom prípade aplikácie tepelného čerpadla určité prevádzkové podmienky v objekte nevzali do úvahy. Tieto teoreticky zidealizované podmienky inštalácie sú zahrnuté v tab. 3.


Tab. 3 Technické údaje navrhovaného typu tepelného čerpadla vzduch – voda pre vybrané podmienky návrhu

Teplota vonkajšieho vzduchu (°C)	Výstupná teplota vody (°C)	Výkon tepelného čerpadla (kW)	Príkon tepelného čerpadla (kW)	Výkonové číslo COP
4 °C	35 °C	344,7 kW	109,1 kW	3,16

Tab. 4 Zhodnotenie ekonomickej efektívnosti

Alternatíva	Investičné náklady (€)	Potreba energie (kWh/rok)	Najvhodnejšia tarifa	Prevádzkové náklady (€ bez DPH/rok)	Návratnosť (rok)
1.	–	483 151	SPP – M4	17 827	–
2.	24 177	421 540	SPP – M4	15 615	11
3.	81 000	152 892	ZSE – AdaptPower Duo pre NT	19 366	bez návratnosti
			VSE – EKO maxi BENEFIT – C8	18 868	bez návratnosti
			SSE – TOP2R Komfort	17 830	bez návratnosti

Určenie porovnávaných alternatív

Alternatíva č. 1
Existujúca plynová kotolňa v objekte s klasickými teplovodnými kotlami s výkonom 2 × 242 kW (rok výroby 1993), danou spotrebou tepla za rok 2009 a teplotným spádom 80/60 °C, η_SYS = 81 %.

Alternatíva č. 2
Plynová kotolňa s jedným kondenzačným kotlom s výkonom 186 kW a jedným nízkoteplotným kotlom s výkonom 150 kW zapojenými v kaskádovej regulácii s teplotným spádom 80/60 °C, η_SYS = 98 %. Tento variant a kombinácia plynových kotlov bola vybraná z hľadiska dosiahnutia čo najvyššej efektívnosti výroby tepla.

Alternatíva č. 3
Zariadenie tepelného čerpadla vzduch – voda maximálneho výkonu 370 kW v teoretickej monovalentnej prevádzke s výstupnou teplotou vykurovacej vody 35 °C (pre uvažovaný ideálny teplotný spád podlahového vykurovania 35/30 °C) s výkonovým číslom COP (Coefficient of Performance) 3,16 určeným pre priemernú vonkajšiu teplotu počas vykurovacieho obdobia.

Záver
Vysoké investičné náklady, a najmä vysoká tarifa za elektrickú energiu, robia navrh­nuté tepelné čerpadlo z ekonomického hľadiska neefektívnym, a to aj napriek tomu, že je energeticky dostatočne efektívne, keďže vypočítaná predpokladaná potreba energie pri systéme tepelného čerpadla je viac ako 2,5-násobne nižšia ako pri plynovej kotolni (alternatíva č. 2). Na základe uvedených výsledkov je pre takto uvažovaný ideálny prípad (alternatíva č. 3) zbytočné preukazovanie ekonomickej efektívnosti tepelného čerpadla pre iné prevádzkové alternatívy (môžu mať len horší výsledok vzhľadom na ich znižujúce sa výkonové číslo COP pri uvažovaní bivalentnej prevádzky, pri vyššej teplote výstupnej vody alebo pri prevádz­kovaní pri nižších vonkajších teplotách).

Pre vytýčený cieľ zníženia energetickej spotreby objektu, a teda zníženie prevádzkových nákladov na výrobu tepla, by vhodnejším riešením ako inštalácia tepelného čerpadla bolo najskôr prijatie nasledovných odporúčaných opatrení:
1.    zateplenie objektu,
2.    rekonštrukcia vykurovacej sústavy,
3.    výmena existujúceho zdroja tepla za modernejšie plynové zariadenia.

Realizáciou týchto spomenutých opatrení sa dá dosiahnuť značne vysoká, takmer polovičná úspora spotreby tepla, a teda zníženie prevádzkových nákladov.

Príspevok bol spracovaný v rámci grantovej výskumnej úlohy VEGA 1/0734/08 Stanovenie energetickej bilancie technických zariadení budov využívajúcich obnoviteľné zdroje energie pre energetický audit, certifikát a monitoring budov.

Ing. Martin Boledovič
FOTO: Dano Veselský

Autor je doktorandom na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Havelský, V.: Energetická efektívnosť aplikácií chladiacich obehov. Bratislava: STU, 1999.
2.    Havelský, V., Füri, B.: Chladenie – Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Skriptá pre Stavebnú a Strojnícku fakultu STU. Bratislava: STU, 1994.
3.    Kunz, P. a kol.: Handbuch Wärmepumpen:
Planung, Optimierung, Betrieb, Wartung. Bern: Bundesamt für Energie (Spolkový úrad pre energiu), 2008.
4.    Fahri, A. a kol.: Wärmepumpensysteme zur Trink­wassererwärmung und Heizwärmebereitstellung. Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik (Katedra vykurovania a vzduchotechniky). DE – Stuttgart – Vaihingen: Universität Stuttgart, 2006.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.