Vykurovanie a chladenie rodinného domu

Tepelné čerpadlo či plynový kotol so solárnym kolektorom a klimatizačnou jednotkou?
Zabezpečenie vykurovania, chladenia a prípravy teplej vody v rodinných domoch si vyžaduje už štandardne vysoké náklady. Ako vybrať energeticky, ekologicky a ekonomicky najvýhodnejšie technické riešenie? Pozreli sme sa na dva vybrané systémy.

Postup hodnotenia a porovnávania
Stanovený postup hodnotenia a porovnávania vykurovania a chladenia rodinného domu s tepelným čerpadlom (TČ) a s plynovým kotlom (PK) so solárnym kolektorom (SK) a klimatizačnou jednotkou (KJ) umožňuje vyhodnotiť najvýhodnejšie riešenia z:

• energetického hľadiska – porovnanie energetickej náročnosti na vyrobenú kWh tepla,
• ekologického hľadiska – porovnanie emisií oxidu uhličitého na vyrobenú kWh tepla, 
• ekonomického hľadiska – porovnanie nákladov na vyrobenú kWh tepla TČ vzduch – voda a plynovým kotlom v kombinácii so solárnym kolektorom a klimatizačnou jednotkou.

Riešenie je spracované v programe Excel tak, aby sa mohli meniť’ vstupné údaje a aby sa mohla okamžite vyhodnotiť citlivosť’ na vykonané zmeny. Program počíta výlučne s použitím chladiva R410A, ktoré sa dá meniť len mimo vstupného formulára. Zjednodušený postup celého výpočtu zobrazuje schéma na obr. 3.

Výpočet a sledované výstupy
Výpočet sa vo všeobecnosti vzťahuje na samostatne stojaci rodinný dom s dvomi nadzemnými podlažiami, ktorý sa nachádza v Bratislave. Porovnanie cenovej a ekologickej výhodnosti sa konkrétne realizovalo pre systém TČ + KJ a pre porovnávaný systém (PS) zložený z PK + SK + KJ pri rozličnej potrebe tepla a chladu a zariadeniach s výkonom pre tepelné straty do 5, 10 a 15 kW na vykurovanie, prípravu TV a chladenie.

Hodnotia sa tieto rodinné domy:
1.    RD 5 kW, 13 250 kWh/rok,
2.    RD 10 kW, 26 500 kWh/rok,
3.    RD 15 kW, 40 000 kWh/rok.

Porovnávali sa tri systémy s TČ vzduch – voda (+ KJ) a tri porovnávané systémy (PS) s PK + SK + KJ v troch reálnych cenových úrovniach. Cenové úrovne zohľadňuje poradové číslo, pričom najlacnejšia cenová úroveň zodpovedá číslu 1 – porovnávajú sa tak systémy TČ 1, 2, 3 a PS 1, 2, 3. Cieľom bolo zohľadniť lacnejšie aj drahšie výrobky, ktoré sú dostupné na trhu. Výsledkami porovnania v pomerových grafoch sú:

• ceny vyrobeného tepla v €/kWh – z grafu je zrejmá pomerná hodnota celkových nákladov jednotlivých vybraných systémov počas životnosti,
• kilogramy vyprodukovaného CO₂ na vyrobenú kWh tepla – z grafu je zrejmá pomerná hodnota TEWI (celkový ekvivalent vplyvu oteplenia) jednotlivých vybraných systémov počas životnosti.

Pri výpočte sa porovnávala citlivosť na tieto modelové zmeny v oboch systémoch:

• zmena množstva emisií CO₂ v kg na kWh vyrobeného tepla,
• vylúčenie použitia solárnych kolektorov.

Výsledky sú v pomerných hodnotách zobrazené v grafoch, z ktorých sa určí ekonomická a ekologická efektívnosť vybraných systémov. Na základe toho možno určiť výhodnejší systém z hľadiska nákladov a emisií CO₂ na vyrobenú kWh tepla.

Výsledky
Modelová zmena 1
Zmena emisií CO₂ na kWh vyrobeného tepla
Porovnanie v grafe na obr. 1a vychádzalo z hodnôt vo vyhláške MVRR SR č. 311/2009 Z. z., kde súčiniteľ emisií CO₂ pre elektrinu transformovanú TČ je e = 0,62 kg/kWh a pre zemný plyn transformovaný kondenzačným kotlom je e = 0,2010 kg/kWh vyrobeného tepla.

V grafe na obr. 1b je zmena súčiniteľov emisií. Súčiniteľ emisií CO₂ pre elektrinu transformovanú TČ je e = 0,382 kg/kWh a pre zemný plyn transformovaný kondenzačným kotlom je e = 0,277 kg/kWh vyrobeného tepla [1].

Cenová výhodnosť
Cenová výhodnosť na obr. 1a a b sa nezmenila, pretože súčiniteľ emisií na ňu nemá vplyv.

Obr. 1 Grafické porovnanie systémov s TČ a PK podľa súčiniteľa emisií CO₂ v kg na kWh vyrobeného tepla, ktoré vyjadruje pomernú ekonomickú a environmentálnu výhodnosť systému s TČ

Environmentálna výhodnosť
Environmentálna výhodnosť na obr. 1a a b sa výrazne zmenila, pretože sa zmenili súčinitele emisií CO₂ pri výrobe tepla z elektriny a plynu. Z výsledkov porovnania vyplýva, že environmentálna výhodnosť po zmene emisií sa na obr. 1b zlepšila o viac než 54 % v prospech systému s TČ. Pri rodinnom dome s tepelnými stratami 15 kW sa pritom environmentálna výhodnosť zlepší dokonca o viac než 60 %. Tento rozdiel by sa ešte zvýšil, ak by sa do porovnania vzali skutočné, výrazne nižšie emisie CO₂ pri výrobe elektriny v SR.

Environmentálna výhodnosť TČ sa zvyšuje so znižujúcou sa produkciou CO₂ na kg/kWh vyrobeného tepla vďaka kombinovanej výrobe elektrickej energie, pri ktorej sa využívajú aj OZE. Naproti tomu stojí vyššia produkcia CO₂ porovnávaných systémov s PK, pri ktorých sú možnosti na znižovanie emisií CO₂ obmedzené.

Modelová zmena 2
Bez použitia solárnych kolektorov
Cenová výhodnosť
Vyradením solárnych kolektorov klesla cenová výhodnosť systémov s TČ na obr. 2b až o 11 % – TČ majú oproti PK bez solárnych kolektorov vyššie investičné náklady. Pri rodinnom dome s vyššími tepelnými stratami (10 a 15 kW) sa investičné náklady postupne znižujú na inštalovaný kW výkon, čím sa zmierňuje aj pokles cenovej výhodnosti. Napriek všetkému je najlacnejší systém s TČ1 ešte stále najvýhodnejší. Oproti najdrahšiemu systému PS1 je pri ňom hrubá návratnosť necelý rok (vstupná investícia na tieto systémy bola takmer totožná). Pri ostatných systémoch s drahšími TČ je nižšia cenová výhodnosť alebo tieto systémy nie sú cenovo výhodné.

Obr. 2 Grafické porovnanie systémov s TČ a porovnávanými systémami, ktoré vyjadruje pomernú ekonomickú a environmentálnu výhodnosť systému s TČ
a) porovnanie kompletných modelových systémov s TČ a porovnávanými systémami,
b) porovnanie systému s PK bez použitia solárnych kolektorov

Environmentálna výhodnosť
Environmentálna výhodnosť porovnávaných systémov bez solárnych kolektorov na obr. 2b sa zhoršila o 0,5 až 5 %, pretože plynový kotol vyrobil viac tepla, ktoré by bolo možné vyrobiť solárnymi kolektormi vyradenými zo systému.

Environmentálna výhodnosť systému s TČ na obr. 2b sa zlepšila, pretože PK vyrobil viac tepla, a teda s vyššími emisiami CO₂ (výpočet bol vykonaný so súčiniteľom emisií CO₂ pre elektrinu transformovanú TČ s hodnotou e = 0,62 kg/kWh a pre zemný plyn transformovaný kondenzačným kotlom s hodnotou e = 0,2010 kg na kWh vyrobeného tepla). Tento rozdiel by sa výrazne zvýšil v prospech systémov s TČ, ak by sa do porovnania vzali emisie stanovené v rámci EÚ podľa Eurostatu alebo skutočné emisie v SR. Na druhej strane, uvedený rozdiel by sa pri vyšších výkonoch TČ v súvislosti s vyššou náplňou chladiva len mierne zmenšoval.

Obr. 3 Jednoduchý postup výpočtu

Záver
Z výsledného hodnotenia vyplýva, že tepelné čerpadlá vzduch – voda sú pri zabezpečení potreby tepla na vykurovanie a prípravu TV a chladu na chladenie z hľadiska ekologickej aj ekonomickej efektivity vhodnejšie než porovnávaný systém plynového kotla so solárnym kolektorom a klimatizáciou. Solárny kolektor v porovnávanom systéme s PK zhoršuje cenovú výhodnosť a zase naopak – zvyšuje environmentálnu výhodnosť. V každom hodnotenom prípade je však jej hodnota v porovnaní so systémom s TČ vždy horšia. Širšiemu uplatneniu ekonomicky a ekologicky výhodnejšieho riešenia s tepelným čerpadlom v porovnaní so zostavou plynového kotla so solárnym kolektorom bráni počiatočná vyššia investícia na kúpu TČ.

Vyššia cena TČ sa prejavila najmä v modelovej zmene 2, pri ktorej sa uvažovalo v systéme s PK len s vykurovaním a prípravou TV bez solárnych kolektorov výrazne zvyšujúcich cenu PS. Približne rovnaké výsledky sú zrejmé vtedy, ak sa obom systémom odoberie aj klimatizačná jednotka. Napriek tomu je najlacnejší systém s TČ1 ešte stále najvýhodnejší a oproti najdrahšiemu systému PS1 je pri ňom hrubá návratnosť necelý rok. Pri ostatných systémoch s drahšími TČ je nižšia cenová výhodnosť alebo tieto systémy nie sú cenovo výhodné. V týchto prípadoch možno TČ uprednostniť len z hľadiska jeho ekologickej výhodnosti.

Obrázky: archív autorov
Ilustračné foto: Vaillant

Literatúra
1.    STERNOVÁ, Z. a kolektív: Energetická hospodárnosť budov a energetická certifikácia budov. 1. vyd. Bratislava: JAGA GROUP, 2010.
2.    TOMLEIN, P: Chladiace okruhy s halogénovanými chladivami. 1. vyd. SZ CHKT, 2010.
3.    BLAHA, M. a kol.: Späť k základom. Kniha druhá.
4.    Vyhláška MVRR SR č. 311/2009 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o výpočte energetickej hospodárnosti budov a obsah energetického certifikátu.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.