Termické slnečné kolektory a tepelné čerpadlá

Spolupráca tepelných čerpadiel a termických slnečných kolektorov má, samozrejme, svoje výhody aj nevýhody. Ktoré to sú a čo ukazujú výsledky z praxe?

Znižovať náklady za energiu a zároveň znižovať závislosť od energetických monopolov je v Európe čoraz populárnejšie. Veľká časť novostavieb vzniká už v nízkoenergetickom a dokonca aj v pasívnom štandarde. Tento trend v krajinách EU podporuje aj legislatíva, pretože všetky verejné novopostavené budovy by mali mať od roku 2018 takmer nulovú spotrebu energie. Od roku 2020 sa to bude týkať aj privátnych budov.

Stále však existujú milióny starších budov, pri ktorých je z rozličných dôvodov zníženie ich tepelných strát na nízkoenergetický, resp. pasívny štandard mimoriadne technicky aj ekonomicky náročné. V prípade pamiatkovo chránených budov je to dokonca často takmer nemožné. V takýchto prípadoch môže byť zmysluplným riešením kombinácia čiastočného zníženia tepelných strát budovy spojená s vlastnou výrobou tepla z obnoviteľných zdrojov energie. Na tento cieľ sa dajú s výhodou využiť termické slnečné kolektory a tepelné čerpadlá.

Kolektory a tepelné čerpadlá – ako na to?
Energetický zisk a účinnosť termických slneč­ných kolektorov a tepelných čerpadiel majú podobný charakter. S rastúcim rozdielom teplôt na strane zdroja a na strane spotreby klesá efektívnosť ich práce. Z hľadiska investičných nákladov a energetických ziskov nie je preto nezávislá paralelná práca kolektorov a tepelných čerpadiel príliš zmysluplná. Situá­cia sa však zmení v prípade, ak sú oba energe­tické zdroje vzájomne previazané tak, že sa prostredníctvom kolektorov zlepšuje efektívnosť práce tepelného čerpadla a naopak.
Využitie tepelných čerpadiel (s podstatne jednoduchšou akumuláciou tepla ako v prípade akumulácie elektrickej energie) bude stále atraktívnejšie aj v súvislosti s rastom inštalovaného výkonu nestabilných zdrojov elektrickej energie (fotovoltika, vietor).

V Nemecku už dnes možno z regulačných dôvodov odpojiť fotovoltické elektrárne od rozvodných sietí. A zužitkovávať prebytočnú elektrickú energiu na prípravu teplej vody pomocou elektrických odporových telies na jednosmerný alebo striedavý prúd je málo efektívne.

Ďalej uvádzame dva typy spolupráce tepelného čerpadla s termickými slnečnými kolektormi a ukážeme si niekoľko príkladov z praxe. V prvom prípade sa nízkopotenciálnym teplom zo slnečných kolektorov regeneruje zemný kolektor tepelného čerpadla. V druhom prípade sú jediným zdrojom nízkopotenciálneho tepla pre tepelné čerpadlo slnečné kolektory. V oboch prípadoch sa používajú ploché vákuové kolektory (TS 400). Ich veľkou výhodou je, že aj pri podchladení absorbéra pod rosný bod nekondenzuje v interiéri kolektora voda, resp. sa vylučuje pokrývanie absorbéra vrstvou ľadu.

TČ zem – voda + termické kolektory
Výstupná teplota z kolektorov na úrovni približne 5 až 15 °C sa nedá efektívne využiť ani na prípravu teplej vody, ani na solárnu podporu vykurovania. Dá sa však dobre využiť počas dňa na regeneráciu zemného kolektora tepelného čerpadla. A v čase výhodnej tarify elektrického prúdu s vyššou účinnosťou možno toto teplo akumulovať vo vodnom zásobníku tepla.

Najviac takýchto systémov je zatiaľ namontovaných vo Švajčiarsku a najmä v Nemecku. Najčastejšie sa projektujú na výstupný tepelný výkon 5 až 20 kW, nie sú však zriedkavé aj podstatne väčšie systémy. V súčasnosti sa projektuje systém s tepelným výkonom 400 kW. Na obr. 1 je hydraulická schéma takéhoto systému.

Obr. 1  Hydraulická schéma TČ zem – voda a slnečných kolektorov TS-400

V období vyššej intenzity slnečného žiarenia, a teda aj vyšších výstupných teplôt teplonosnej kvapaliny, sa vodný akumulátor tepla ohrieva priamo slnečnými kolektormi. V prípade nízkej intenzity slnečného žiarenia (v zime) sa zemný kolektor tepelného čerpadla regeneruje cez deň nízkopotenciálnym solárnym teplom, čo priaznivo vplýva na zvýšenie tepelného výkonu slnečných kolektorov aj tepelného čerpadla. V čase, keď je k dispozícii lacná elektrická energia, sa táto energia využíva na pohon tepelného čerpadla, ktoré tiež pracuje s vyššou účinnosťou.

Na obr. 2 je strojovňa takého systému s hygienickým akumulátorom tepla s objemom 1 000 l a s tepelným čerpadlom s výkonom 12 kW.

Obr. 2  Strojovňa systému

Výhody:

• veľká akumulačná kapacita zeme + prídavné zemské teplo,
• žiaduci časový posun práce solárneho systému a TČ (deň – noc),
• vylúčené postupné premŕzanie pôdy v okolí zemného kolektora,
• zemný kolektor možno v lete využiť aj ako lacný zdroj chladu na klimatizáciu interiérov (v prípade stenového alebo stropného vykurovacieho systému).

Nevýhody:

• vyžaduje sa dostatočne veľký pozemok (aj keď s výrazne menšou výmerou ako pri TČ bez slnečných kolektorov),
• náročná realizácia, ak sú ukončené sadové úpravy,
• pomerne veľký príkon obehového čerpadla zemného kolektora,
• vysoká investičná náročnosť.

Jeden z najstarších systémov tohto typu, postavený pred viac ako 13 rokmi, sa nachádza v obci Lutila, pri Žiari nad Hronom. Obytná vykurovaná plocha má vrátane podkrovia 240 m². Tepelné čerpadlo s výkonom 12 kW a ploché vákuové kolektory TS 400 s plochou 28 m² predstavujú rozhodujúce zdroje tepla na kúrenie, prípravu teplej vody a sezónny ohrev v exteriérovom bazéne. Podlahové a stenové vykurovanie umožňujú vysoko efek­tívnu prácu slnečných kolektorov aj tepelného čerpadla. Spotreba elektrickej energie na pohon tepelného čerpadla a obehových čerpadiel sa meria osobitne a počas zimného polroka sa pohybuje na úrovni 2 400 kWh. Napriek tomu, že dom nemá rekuperáciu tep­la a izoláciu spĺňajúcu štandardy pasívnych domov, je vďaka vlastnej výrobe tepla pri mer­nej spotrebe nakupovanej energie na úrovni 10 kWh za rok na m² vykurovanej plochy výraz­ne pod limitom pre pasívne domy (15 kWh/m²).

Kompaktné systémy TČ – kolektory
V tomto prípade ide o stavebnice, pri ktorých sú jediným zdrojom nízkopotenciálneho tepla pre tepelné čerpadlo slnečné kolektory. Hydraulická schéma takéhoto systému s tepelným čerpadlom s nominálnym príkonom 0,7 kW a vákuovými kolektormi TS-400 v počte 6 kusov je na obr. 3.

Pri dostatočnej intenzite slnečného žiarenia sa teplonosnou kvapalinou ohrieva priamo hygienický akumulačný zásobník tepla, ktorý slúži na prípravu teplej vody aj vykurovanie objektu. Pri nízkych intenzitách slnečného žiarenia sa nízkopotenciálnym solárnym teplom ohrieva menší zásobník, na ktorý je pripojené tepelné čerpadlo. V čase priaznivej tarify elektrickej energie ohrieva tepelné čerpadlo vodu v akumulačnom zásobníku. Pri šiestich solárnych systémoch (každý so šiestimi kolektormi) (obr. 5) sa päť vybavilo tepelnými čerpadlami (TČ). Za obdobie od 10. 1. 2012 do 15. 5. 2012 sa energetický zisk solárneho systému bez TČ pohyboval na úrovni 1 490 kWh a systému s tepelnými čerpadlami na úrovniach 3 220 ± 65 kWh. To znamená, že tepelné čerpadlá prispeli za toto obdobie k zvýšeniu energetického zisku systémov na viac ako dvojnásobok.

Obr. 4  Tepelné čerpadlo s malým zásobníkom tepla

V chladných zimných mesiacoch sa COP tepelných čerpadiel pohyboval najčastejšie v rozsahu od 3,8 do 4,8. V testoch sa hodnotil aj tzv. COP systému, ktorý zahŕňal aj tepelný výkon kolektorov a spotrebu elektrickej energie na pohon ostatných obehových čerpadiel a merania. Ten bol oproti COP tepelných čerpadiel vyšší o 0,2 až 0,5 jednotiek.

Samozrejme, s príchodom letného obdobia a rastúcim výkonom slnečných kolektorov je chod TČ stále zriedkavejší, čo má priaznivý vplyv na rast COP systému.

V zimnom období sa vyrobené teplo spotrebovalo na podporu kúrenia priemyselných hál nízkoteplotným vykurovacím systémom (v konkrétnom sledovanom prípade). V letnom období sa využíva na prípravu TV, pri výrobe selektívnych konverzných vrstiev a pri odmasťovaní kolektorových vaničiek.

Kolektory v takýchto systémoch sa zvyčajne inštalujú pod uhlom 60° (obr. 5). To okrem iného do určitej miery zvýši zimný energetický zisk, zníži letné prehrievanie kolektorov a zároveň sa uľahčí samovoľné skĺzavanie snehu z povrchu kolektorov v zime.

Výhody:

• jednoduchá realizácia (kompaktné jednotky), a to aj vo vzťahu k TČ zem – voda (zemný kolektor) a voda – voda (vŕtané studne),
• vyššie COP oproti systémom s TČ vzduch – voda,
• nižšie investičné náklady oproti predchádzajúcemu variantu (TČ zem – voda + kolektory TS-400),
• zníženie letného a zvýšenie zimného merného energetického zisku kolektorov (prehrievanie solárneho systému),
• niekoľkonásobné zvýšenie energetického zis­ku v zimnom období oproti rovnako veľkému štandardnému solárnemu systému; v tomto prípade stále existuje pomerne veľký potenciál na zvyšovanie energetickej aj ekonomickej efektívnosti (cenová a výkonová optimalizácia jednotlivých častí systému, univerzálna teplonosná kvapalina a pod.)

Nevýhody:

• potreba ďalšieho energetického zdroja na 100-percentné pokrytie energetických potrieb RD (sneženie a pod.) – aj keď iba niekoľko dní v roku,
• potreba vyššieho sklonu kolektorov, čo môže na niektorých typoch šikmých striech predstavovať architektonický problém.

Ing. Milan Novák, CSc.
Foto a obrázky: THERMO/SOLAR Žiar

Autor je riaditeľom spoločnosti THERMO/SOLAR Žiar, s. r. o., ktorá je jedným z najvýznamnejších európskych výrobcov termických slnečných kolektorov.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.