Transkript

1 Solární systémy Tepelná čerpadla HPSol HPSol V WPSol 300 Plánovací příručka

2 Schüco Solární systémy Plánovací příručka pro Schüco tepelná čerpadla HPSol, HPSol V a HPSol 300, Číslo produktu Verze 01 březen 2007 Tato příručka je chráněna autorským právem. Každé jiné využití, než v rámci autorských práv, je bez schválení společnosti Schueco International KG nepřípustné a trestné. Změny vyhrazeny Printed in Germany, Copyright by Schüco International KG

3 Plánovací příručka tepelná čerpadla Obsah 1. Tepelné čerpadlo Princip tepelného čerpadla Kombinace tepelného čerpadla a solárních kolektorů 6 2. Výběr tepelného zdroje Vlastnosti tepelného zdroje Rentabilita Výběr velikosti Definice tepelné spotřeby objektu Definice dle EN Spotřeba tepla dle doporučení SIA 38/ Definice pomocí dosavadní spotřeby Definice pomocí obytné plochy Definice spotřeby tepla pro ohřev teplé vody Ohřev vody v plaveckém bazénu Faktory pro doby zablokování Definice teploty na stoupačce Novostavby Stará zástavba Definice způsobu provozu a výkonu tepelného čerpadla Monovalentní způsob provozu Bivalentně-paralelní (monoenergetický) způsob provozu Bivalentně-alternativní způsob provozu Definování solárních komponentů Tepelné čerpadlo solanka-voda HPSol Tepelné čerpadlo vzduch-voda HPSol V 23. Tepelná čerpadla solanka-voda 2.1. Technické informace přístroje 2.2. Výběr velikosti tepelného zdroje Podzemní tepelné kolektory Zemní tepelné vrty Solankové médium 33.. Výběr velikosti membránové expanzní nádoby pro solární systémy a systémy tepelných zdrojů Instalace a zapojení Naplnění systému Tepelná čerpadla vzduch-voda Technické informace přístroje Technická příprava a instalace Instalace a zapojení 1 6. Teplovodní tepelné čerpadlo WPSol Technické informace přístroje Instalace a zapojení 2

4 Plánovací příručka tepelná čerpadla Obsah 7. Systémové komponenty a příslušenství 7.1. Ohřev teplé vody a kombinovaný zásobník 7.2. Topný vyrovnávací zásobník Hydraulické komponenty Pasivní chladící stanice Schémata systémů Monovalentní tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody pomocí kombinovaného zásobníku Monovalentní tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody pomocí vyrovnávacího zásobníku a stanice pro doplňování čerstvé vody Monovalentní tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody pomocí zásobníku nádrž v nádrži Monovalentní tepelné čerpadlo solanka-voda, dva topné okruhy (radiátory a podlahové topení) Bivalentní tepelné čerpadlo solanka-voda s kotlem na tuhá paliva Monovalentní tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody pomocí WPSol 300 a solárních kolektorů Monoenergetické tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody pomocí kombinovaného zásobníku Monoenergetické tepelné čerpadlo solanka-voda, ohřev teplé vody se stanicí pro doplňování čerstvé vody Bivalentní tepelné čerpadlo vzduch-voda s konvenčním kotlem Napojení plaveckého bazénu Napojení pasivní chladící stanice 7 9. Informace k regulaci Solární regulátor DUO Řídící jednotka tepelného čerpadla se schématem elektrického zapojení Pomůcky pro plánování a instalaci Dotazníky Kontrolní seznam postupu plánování Formulář faxové objednávky Objednávka vyhloubení vrtu Žádost o uvedení do provozu Protokol o uvedení tepelného čerpadla do provozu Kopírovací předloha charakteristik tepelných čerpadel solanka-voda Kopírovací předloha charakteristik tepelných čerpadel vzduch-voda 91

5 1. Tepelné čerpadlo Díky vysokým cenám energií existuje poptávka po topných alternativách. Tepelná čerpadla využívají energii neobyčejně efektivně a z větší části využívají obnovitelné zdroje energie. Výrazným způsobem snižují topné energetické náklady. Tepelná čerpadla vytápí přímo na místě bez jakéhokoliv spalování a tudíž i bez škodlivých exhalačních emisí. Ekologicky ohřívají užitkovou vodu a mohou i chladit. Kompaktní přístroje nabízí optimální komfort a mají jednoduchou instalaci. Tyto přednosti jsou přesvědčivé. Trh s tepelnými čerpadly prudce roste Princip tepelného čerpadla Tento princip je velmi jednoduchý a osvědčil se v několika milionech případů. Tepelné čerpadlo funguje jako chladnička a má zhruba stejnou životnost. Stejná osvědčená a spolehlivá technologie, pouze obrácený užitek. Chladnička odebírá potravinám teplo. To je pak vypouštěno do prostoru přes destičky, které jsou umístěny na zadní straně chladničky. Schéma toku energie levotočivého Carnotova procesu v podobě chladničky Teplota tepelné jímky TW Chladící přístroj Teplota tepelného zdroje TQ ohřívá se (minimálně), např. prostorový vzduch Množství tepla, které je vydáváno ze systému na tepelnou jímku Přiváděná elektrická práce Wel z elektromotoru Množství tepla, které je přiváděno z tepelného zdroje do systému chladí (např. vnitřní prostor chladniček) Funkční princip V tepelném čerpadle prochází pracovní médium v uzavřeném cirkulačním okruhu čtyřmi stavy změn. Dochází k jeho zplynění zhuštění zkapalnění uvolnění Tento cirkulační proces je v chodu udržován pomocí elektromotoru, který pohání příslušný kompresor. Důležité je, že pracovní médium je během tohoto procesu změn stavu schopno pohlcovat a opět odevzdávat dostatek tepla. Běžně se používají kapaliny, které dosahují varu již za atmosférického tlaku při -30 až -50 C. Cirkulační proces tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo odebírá teplo z okolního prostředí: ze země z vody ze vzduchu Výparník Hnací energie Odváděné teplo Uvnitř tohoto přístroje je toto dosud nízké teplo zvyšováno na teploty vhodné k topným účelům a přenášeno na topnou vodu. Dostatek tepla k zásobování tepelného čerpadla je k dispozici i za minusových teplot. Přiváděné teplo Kompresor Zplynění Zkapalnění Uvolnění Zkapalňovač Schéma toku energie levotočivého Carnotova procesu v podobě tepelného čerpadla Teplota tepelné jímky TW ohřívá se (např. vytápění místností) Množství tepla, které je vydáváno ze systému na tepelnou jímku Chladící přístroj Přiváděná elektrická práce Wel z elektromotoru Množství tepla, které je přiváděno z tepelného zdroje do systému Teplota tepelného zdroje TQ konstantní teplota(např. venkovní vzduch) 5

6 1. Tepelné čerpadlo Charakteristické hodnoty tepelného čerpadla U tepelných čerpadel musí být samozřejmě znám poměr mezi využitelnou a vynaloženou energií. K tomuto účelu byl zaveden výkonnostní činitel COP (coefficient of performance). COP činí podle tepelného zdroje hodnotu mezi 3 až 5. To znamená, že např. výkonnostní činitel představuje 1 jednotku hnací energie (proud) a 3 jednotky bezplatného ekologického tepla, ze kterých vznikají jednotky vytápěcího tepla. Čím vyšší je tento výkonnostní činitel, tím vyšší je podíl bezplatného ekologického tepla a tím nižší jsou energetické náklady za vytápění. Výkonnostní činitel tepelného čerpadla Topný výkon Výkon kompresoru topení elektrický Teplota stoupačky Teplota stoupačky teplota tepelného zdroje stoup stoup tep.zdroje Výkonnostní činitel v závislosti na teplotním rozdílu mezi tep. zdrojem a tep. jímkou Výkonnostní činitel ε Přečerpávání tepla Tak, jako voda teče samospádem jen seshora dolů, proudí také teplo samo od sebe pouze ve směru klesající teploty. Je-li třeba vodu či teplo dostat na do větší výšky, je k tomu zapotřebí příslušné čerpadlo. Příklad Má-li být v netěsné vodní nádrži udržován výškový rozdíl mezi vodní hladinou v nádrži a okolním prostředím na konstantní úrovni, musí být neustále přiváděna voda z výše položeného zdroje. Analogový model s tepelným čerpadlem. Analogový model k vytápění pomocí kotle Teplotní diference T Tento výkonnostní činitel však umožňuje pouze výpověď o efektivitě tepelného čerpadla vztažené na normovaný provozní bod. Pomocí ročního koeficientu výkonu je oproti tomu možno posoudit skutečnou efektivitu systému a chování obyvatel. K tomu je pomocí měřičů tepla a elektroměrů po celý rok posuzován kompletní systém tepelného čerpadla. Roční koeficient výkonu tepelného čerpadla využitelné teplo náklady za elektrickou energii Rozumný způsob získávání vytápěcího tepla Nemá smysl rozdmýchávat oheň o teplotě C, abyste ohřáli pokojovou teplotu na 22 C. Tímto způsobem dochází k promrhávání příliš velkého množství energie a ničeny jsou drahocenné suroviny. Tepelné čerpadlo postupuje opačným způsobem. Např. z venkovní teploty 5 C dokáže vytvořit pokojovou teplotu 22 C. Podstatná část k tomu potřebné energie není promrhána, nýbrž je neustále obnovována slunečním zářením. Pokud však má být chráněna zásoba vody výše položeného zdroje, musí být snížen přívod vody, který navíc nebo současně může sloužit jako pohon přečerpávacího zařízení. Tímto způsobem je možno objem vody potřebný pro zachování dynamické rovnováhy zvětší části získávat přečerpáváním vody z bezprostředního okolí. U tepelného čerpadla to znamená, že za pomoci malého podílu drahocenné hnací energie ve formě elektrického proudu pro pohon kompresoru, je možno z okolního prostředí načerpat hodně tepla (na teplotní úroveň vhodnou pro účely vytápění), které by jinak zůstalo nevyužito. Bez technického vybavení by nebylo možné, nahradit teplo unikající z bytu stejným množstvím tepla z příslušného tepelného zdroje vyšších teplot (podlahové nebo radiátorové topení). 6

7 1. Tepelné čerpadlo Tepelné zdroje Systém vytápění tepelným čerpadlem potřebuje vždy příslušný zdroj tepla, ze kterého může čerpat potřebné naakumulované solární teplo. Schüco-tepelná čerpadla využívají jako zdroj tepla půdu a venkovní vzduch. Podzemní tepelné kolektory Srážky Vyzařování tepla Sluneční záření Půda Teplota půdy je po celý rok relativně konstantní, a to cca. 8 až 12 C. Teplo naakumulované v půdě je využíváno za pomoci horizontálně položených podzemních tepelných kolektorů nebo vertikálně vyvrtaných zemních tepelných vrtů. Průběhy teplot Povrch země Spodní voda Podzemní tepelné vrty Geotermické proudění tepla Průchod tepla horninou Teplo pochází ze slunce Zdroj zemního tepla využívaného k vytápění pochází z valné části ze slunce, energie je přenášena: přímým slunečním zářením deštěm proudící spodní vodou Přímé sluneční záření činí v létě W/m 2. Podíl tepla z vnitřku země však činí pouhých 0,05 až 0,12 W/m 2. Podzemní tepelné kolektory Využívání zemního tepla pomocí podzemních kolektorů a zemních vrtů je také nazýváno podpovrchovou geotermií. U hloubkové geotermie pochází tepelná energie výhradně ze zemského jádra. Vzduch Zemní tepelné vrty Tepelný obsah vzduchu pochází celoročně ze slunečního záření. I za minusových teplot obsahuje venkovní vzduch dostatek energie pro vytápění a ohřev teplé vody. Energie ze vzduchu je odčerpávána pomocí vhodného ventilátoru a velkoplošného žebrového tepelného výměníku. Vysoké objemové proudy zajišťují nepřetržitý přívod tepla. Schücotepelná čerpadla vzduch-voda se instalují venku před domem a nacházejí se tak jaksi uvnitř tepelného zdroje, aniž by ho bylo nutno odkrýt. Tepelný zdroj vzduch

8 1. Tepelné čerpadlo 1.2. Kombinace tepelného čerpadla a solárních kolektorů Tepelná čerpadla využívají nepřímo sluneční energii. Je však přesto smysluplné, zkombinovat využití nepřímého slunečního záření s přímým využitím systému solárních kolektorů. Tím stoupá efektivita systému, zvyšuje se tím podíl využití obnovitelných energií a ekologických zdrojů. Výhody kombinace tepelných čerpadel/solární tepelné energie Solární kolektory jsou v současnosti na vysoké technické úrovni. Bez větších nákladů ohřívají ekologicky a naprosto regeneračně teplou vodu. Argumenty, které hovoří pro solární podporu konvenčních topných kotlů, jsou neomezené a platí také pro vytápění tepelnými čerpadly. Lepší roční koeficient výkonu Každá kilowatthodina vyrobená pomocí solárního systému, snižuje spotřebu klasické energie. Pro tepelné čerpadlo to znamená, že je třeba použít méně elektrického proudu pro pohon kompresoru. Tím se zvyšuje podíl využití obnovitelných energií a je možno docílit mimořádně vysokých hodnot ročního koeficientu výkonu. V létě zůstává tepelné čerpadlo neaktivní Jelikož v letních měsících přebírají kompletní ohřev teplé užitkové vody solární kolektory, může být tepelné čerpadlo v této době zcela vypnuto. Díky tomu se nemusí v přesném momentě spouštět a produkovat vysoké výstupní teploty, jeli zapotřebí teplé vody. V takovém případě by tepelné čerpadlo pracovalo s nízkými hodnotami výkonu. Díky tomu roční koeficient výkonu tepelného čerpadla stoupá. Kromě toho je šetřen také kompresor, neboť odpadá časté impulsové spínání (zapínání a vypínání) tepelného čerpadla. 1 Pole kolektorů 2 Solární regulátor 3 Solární stanice Paralelní zapojení tepelného čerpadla vzduch-voda a solárních kolektorů Kombinovaný zásobník 5 Hydraulický modul BR 6 Hydraulický modul.1 Přímé zvyšování teploty tepelného zdroje 7 Vyrovnávací zásobník 8 Tepelné čerpadlo vzduch-voda V případě spřažení cirkulačních okruhů a současného provozu tepelného čerpadla slouží za zdroj tepla jak podzemní tepelný výměník, tak i systém solárních kolektorů. Z toho vyplývající vstupní teplota ve výparníku se tak pohybuje několik stupňů nad vlastním odběrem z půdy. Každý navýšený stupeň teploty tepelného zdroje šetří elektrický proud napájející kompresor. Tak lze přímo využít sluneční energii. Toky energií Výše uvedené výhody se týkají také jednoduchého paralelního zapojení tepelných čerpadel vzduch-voda a solárních kolektorů. V případě spřažení tepelných čerpadel solanka-voda a solárních systémů je možno využít dalších výhod. Proč přímé spřažení solárního a solankového okruhu? Díky propojení obou okruhů pomocí vhodného přepínacího ventilu je možno realizovat proudění energií systému s minimálními výdaji. Tato regulace je rozhodující pro smysluplné "využití" solárního tepla. Bezprostřední využití přenosem energie do kombinovaného zásobníku má prioritu před ostatními provozními režimy. V případě spřažení solárního a solankového okruhu mohou nastat dvě rozdílné situace: Buď je z důvodu požadavku vytápění resp. ohřevu teplé vody tepelné čerpadlo v provozu nebo je mimo provoz. V ohledu na potřebnou teplotu kolektoru nevyplývají žádné rozdíly. 1 Přímé využití solární energie napájením kombinovaného zásobníku vysokými teplotami 2 Využití solární energie ke zvýšení teploty na straně tepelného zdroje tepelného čerpadla sloučením obou energetických toků 3 Využití solární energie k regeneraci půdy Využití naakumulované solární energie na průměrné teplotní úrovni 5

9 1. Tepelné čerpadlo Roční koeficient výkonu kompletního systému využitelné teplo náklady za elektrickou energii topení elektrický zemní t. elektrický Sol.kolektor Aktivní regenerace půdy Je-li tepelné čerpadlo během spřažení cirkulačních okruhů mimo provoz, nastává jiná situace. Přívod tepla ze solárních kolektorů má nyní pozitivní vliv na průměrnou teplotu půdy. Hovoří se o energetické regeneraci půdy. Teplota půdy v C Příklad teplotních procesů při intenzivním odběru energie z půdy se solární regenerací půdy Doba v rocích bez solární regenerace půdy Každý stupeň celsia tepelného zdroje navíc snižuje energetické náklady o 2,5 %. Půda přitom není využívána jako dlouhodobý tepelný zásobník. Přímé spřažení solárního a solankového okruhu však snižuje pokles lokální teploty půdy. Tímto způsobem by měla být teplota kolem tepelného vrtu resp. podzemních kolektorů udržována pokud možno na úrovni, kdy z půdy prakticky není odebírána žádná energie. Jelikož díky tomu navenek neexistuje žádný teplotní spád, je možno teplo odebírat prakticky bez jakýchkoliv ztrát. Pozitivní důsledek: Zvýšení ročního koeficientu výkonu tepelného čerpadla. Na vyobrazeném příkladu by za teplotního rozdílu 5 kelvinů došlo po 10 letech ke snížení energetických výdajů o 12,5 %. Díky tomuto konceptu nedochází ani při intenzivnějším odběru tepla z půdy k trvalému zamrznutí půdy. Snižuje se tak riziko trvale zmrzlé půdy. Níže uvedený diagram znázorňuje přímé propojení tepelného čerpadla solanka-voda se solárními kolektory a aktivní regeneraci půdy na příkladu průběhu dne 3. prosince 2006: Nahoře: teplota půdy v blízkosti tepelného zemního vrtu Uprostřed: řazení přepínacího ventilu Dole: sluneční záření Výsledek je přesvědčivý, neboť i přes minimální sluneční záření, zčásti menší než 100 W/m 2, je solární energie využívána ke zvyšování teploty půdy. Zužitkovat tak lze i minimální teploty solárních kolektorů. Pozitivní vedlejší efekt: Solární kolektory pracují i za nižších teplot s velkou účinností. Pomocí tohoto systémového konceptu vyvinutého společností SCHÜCO je možno realizovat nejnižší provozní náklady, které je v současnosti možno obhájit. Měrná křivka regenerace 6

10 1. Tepelné čerpadlo Zvýšená ochrana atmosféry Že jsou emise CO 2 a celosvětový nárůst teploty vzájemně příčinně provázány, dokazuje následující graf. Na začátku industrializace, kolem roku 1880, byl vliv člověka na celosvětové klima ještě minimální. Avšak v průběhu několika posledních desetiletí došlo k enormnímu nárůstu emisí CO 2 -a teploty klimatu. Průměrné celosvětové teploty Budeme-li posuzovat kombinaci tepelného čerpadla a solární tepelné energie jako jeden komplexní systém, dojdeme, ve srovnání se všemi ostatními topnými systémy, k nejnižšímu uvolňování emisí CO 2. Srovnání emisí CO 2 Koncentrace CO2 (ppvm) Celosvětové průměrné teploty C Rok teplota CO 2 Olejový kotel a solární systém Plynový kotel a solární systém Tepelné čerpadlo vzduchvosa a solární systém Tepelné čerpadlo solankavosa a solární systém (s regenerací půdy) Tepelné čerpadlo s ekologickým proudem nebo vlastním fotovoltaickým systémem Graf představuje emise CO 2 vyprodukované rodinným domkem s obytnou plochou 150 m 2 a specifickou spotřebou tepla 85 kwh/m 2.

11 1. Tepelné čerpadlo Tepelné čerpadlo solanka-voda se zemními tepelnými vrty a solárními kolektory Příklad Výpočet platí pro dům s koeficientem KfW 60 o obytné ploše 150 m 2, který stojí ve Freiburgu a je obýván osobami. Tepelná spotřeba topení Tepelná spotřeba na ohřev užitkové vody Tepelný výnos solárních kolektorů Schüco Sol.2 HP Vyhřívací teplo z tepelných čerpadel Schüco HPSol kwh kwh kwh = kwh Předpokládaný roční koeficient výkonu tepelného čerpadla : kwh : = KWh spotřeby energie kompresoru Spotřeba energie kompresoru Spotřeba energie díky aktivnímu spřažení se solárním systémem Energetický výnos 6 FV-modulů Schüco S 30 PM kwh kwh kwh 1 Pole kolektorů 2 Solární regulátor 3 Solární stanice Kombinovaný zásobník 5 Hydraulický modul BR 6 Hydraulický modul.1 7 Tepelné čerpadlo solanka-voda 8 Zemní tepelné vrty = 0 kwh Méně už to nejde: energeticky pasivní dům SCHÜCO nabízí všechny potřebné komponenty, které z nízkoenergetického domu učiní energeticky pasivní dům: Okna, pro pasivní využití sluneční energie Solární kolektory a fotovoltaické moduly, pro aktivní využití sluneční energie Tepelná čerpadla, pro nepřímé využití sluneční energie Uvedené hodnoty jsou směrné hodnoty, které se mohou silně odlišovat v závislosti na místních klimatických podmínkách. Použity byly jak naměřené, tak i simulační hodnoty. To však nic nemění na této systémové konfiguraci vhodné pro použití v praxi. Posouzení celkové bilance čerpané a vydávané energie dokazuje, že pomocí SCHÜCO-komponentů lze realizovat energeticky pasivní dům: Příkon tepelného čerpadla + pomocné zdroje energie a ostatní spotřeba proudu = potřebný elektrický výnos fotovoltaického systému Energeticky úsporný dům s koeficientem KfW 60 musí zcela konkrétně a objektivně splňovat měřitelné požadavky v ohledu na spotřebu energie. Roční spotřeba primární energie tak nesmí přesáhnout 60 kwh/m 2. Specifická převodové tepelné ztráty přitom musí být zároveň o 30 % nižší, než maximální hodnota udávaná vyhláškou o úspoře energie (EnEV). 5

12 3. Výběr tepelného zdroje Jako zdroj tepla je principielně všude kolem k dispozici půda a vzduch, ty zásobují tepelné čerpadlo bezplatným ekologickým teplem. Vlastnosti tepelných zdrojů Podzemní kolektor Zemní tepelné vrty Vzduchový tepelný výměník Teplotní rozdíly ovlivňovaného tepelného zdroje - 5 až + 15 C - 2 až + 10 C - 25 až + 15 C Přímé zvyšování teploty solárními kolektory ano ano ne Dlouhodobé ovlivňovaní teploty solárními kolektory minimálně vynikající ne Specifický výkon odběru W/m W/m ~10kW při V=1m 3 /s Hodnoty výkonu,3 -,6 (BO/W35),3 -,6 (BO/W35) 3,0-3,2 (A2/W35) Časový interval mezi poskytováním a spotřebou tepla souvisí minimálně ještě souvisí nesouvisí Potřeba místa velká nepatrná nepatrná Relativní investiční náklady % 100 % % Relativní provozní náklady % % 100 % 2.1. Vlastnosti tepelného zdroje Místní a geologické podmínky mají vliv na výběr tepelného zdroje. Proto je nutno přímo na místě individuálně vyjasnit, jaký tepelný zdroj j správný a představuje správné ekonomické řešení. Specifika Výběr velikosti (dimenze) topného systému tepelných čerpadel je možno provést teprve po jednoznačném vyjasnění následujících bodů. Zemní tepelné vrty Je jejich použití povoleno? Bez povolení příslušného vodohospodáře (spodní vody) nesmí být vrtány žádné vrty. Může na pozemek najet nákladní vozidlo s vrtací soupravou? Zkontrolujte přístupnost. Podzemní tepelné kolektory Je na pozemku k dispozici dostatečně velká plocha? K dispozici musí být 1,5 až 2-násobek vytápěné obytné plochy. Je zajištěn dostatečný dopad slunečního záření a deště na plochu podzemních tepelných kolektorů? Tedy na ploše se nevyskytuje žádná zástavba, jako např. zahradní jezírka, rybníky, betonové desky nebo dlažba. Vyjasněte zavčas a společně se zákazníkem, jaké tepelné zdroje jsou pro něho ty nejekonomičtější a zda jsou dány všechny potřebné předpoklady. Venkovní instalace vzduchových kolektorů Jednotku je třeba umístit tak, aby nedocházelo k zatěžování okolí hlukem. Např. tepelné čerpadlo neinstalujte do kouta nebo mezi zdi; ani přímo pod okna nebo přímo vedle terasy. Je zajištěn volný přívod vzduchu? Např. neinstalujte ho do výkopů či do vnitřku dvorů. Zde dochází na povrchu země k hromadění ochlazeného vzduchu, z kterého bylo odčerpáno teplo, a ten je pak opakovaně nasáván tepelným čerpadlem. Solární kolektory Existují předpoklady pro přímé využití slunečního záření? Nevyskytuje se zastínění stromy či vyššími budovami; pokud možno nasměrování na jih. Tepelné čerpadlo a kombinovaný zásobník Zohlednit je třeba velikost prostoru pro dodání a instalaci (sklopný rozměr ST 1000 činí bez izolace mm). Zohledněte potřebu místa pro instalaci potrubních rozvodů. Dbejte na to, aby přiváděcí potrubí k tepelnému zdroji nebylo příliš dlouhé. 3

13 3. Výběr velikosti 2.2. Rentabilita V provozních nákladech jsou tepelná čerpadla nedostižná, neboť až 80 % použité energie je čerpáno bezplatně z okolního prostředí. Avšak do rentability se promítá také výběr vhodného tepelného zdroje. To samé platí také pro to, zda bude integrován do systému solárního ohřevu nebo ne. Investiční náklady Teplo z okolního prostředí je vždy zadarmo Velký význam má otázka energetických nákladů. Nikdo nedokáže předvídat budoucnost. Avšak jedno je jisté: ceny za elektrickou energii budou stále stoupat, a to jak v ohledu na ropu tak i zemní plyn. Tyto primární nosiče energií podléhají stále rostoucí poptávce a jejich zdroje začínají být pomalu vyčerpávány. Extremní nárůsty cen jsou proto nevyhnutelné. Tepelné čerpadlo je sice poháněno elektrickým proudem, avšak zhruba tři čtvrtiny potřebné topné energie jsou získávány bezplatně z okolního prostředí. Oproti konvenčním systémům topných kotlů se proto nárůst cen projevuje pouze z cca. jedné čtvrtiny. Elektrická energie je navíc vyráběna také z tuzemských energií, jako je např. vodní, větrná a solární energie, jejichž podíl na výrobě elektrického proudu je stále větší. Vývoj cen energií Olejový kotel a solární systém Plynový kotel a solární systém Tepelné čerpadlo vzduchvosa a solární systém Tepelné čerpadlo solankavosa a solární systém (s regenerací půdy) Provozní náklady Podpora Olejový kotel a solární systém Plynový kotel a solární systém Tepelné čerpadlo vzduchvosa a solární systém Tepelné čerpadlo solankavosa a solární systém (s regenerací půdy) Oba grafy dokládají ekonomičnost systémů tepelných čerpadel. Vyhodnocen byl rodinný domek s obytnou plochou 150 m 2 a specifickou spotřebou tepla 85 kwh/m 2. Ze všech topných systémů, které jsou nabízeny na trhu, má tepelné čerpadlo nejnižší provozní náklady. Stát v současnosti neposkytuje žádné finanční příspěvky, neboť tepelná čerpadla překročila práh rentability již před několika lety. Spolková vláda a kreditní banka KfW však rozšířili program sanace budov s ohledem na emise CO 2. Od 1. ledna mohou 2007 majitelé bytů a domů požádat o příspěvek resp. výhodnou půjčku na provedení sanačních opatření, která se týkají především úspory energií. Podrobné informace naleznete na Také elektrorozvodné podniky (EVU) do určité míry podporují budování systémů tepelných čerpadel jednorázovými prémiemi. Řada distributorů (EVU) mimo to nabízí speciální tarify pro tepelná čerpadla. Upozorněte své zákazníky na uvedené možnosti podpory. Ti se pak snadněji rozhodnou pro ekologická tepelná čerpadla. Speciální tarify jsou zpravidla vázány na doby nízkých odběrů. Tepelná čerpadla kromě toho musí mít instalován vlastní elektroměr.

14 3. Výběr velikosti Výběr velikosti v závislosti na spotřebě je u topných systémů s využitím tepelných čerpadel neobyčejně důležitý. Konvenční topné kotle jsou z bezpečnostních důvodu často předimenzované. To však neplatí pro tepelná čerpadla! Ekonomicky vytápí pouze řádně dimenzované tepelné čerpadlo. Předimenzované tepelné čerpadlo Příliš velký výkon = zbytečně vysoké systémové náklady Impulsové spínání tepelného čerpadla; příliš časté spouštění a vypínání může vést k předčasnému opotřebení kompresoru. Poddimenzované tepelné čerpadlo Nedostatečný výkon = zbytečně vysoké energetické náklady Ztráta komfortu Pro správný výběr velikosti topného systému tepelných čerpadel v závislosti na spotřebě, je zapotřebí zjištění následujících hodnot: 3.1. Spotřeba tepla objektu dle EN u novostaveb dle SIA 38/2 zjednodušený postup o dosavadní spotřebě u staré zástavby o obytné ploše pro kontrolu 3.2. Příkon ohřevu teplé vody 3.3. Popř. příkon zvláštního užívání 3.. Výkonnostní faktor pro překlenutí dob velkých odběrů (zablokování) Získáme celkovou tepelnou zátěž Teplota na stoupačce rozvodného systému 3.6. Způsob provozu a velikost výkonu tepelného čerpadla 3.7. Velikost solární plochy a kombinovaného zásobníku 3.1. Definice tepelné spotřeby objektu Tepelná spotřeba vytápěného objektu musí být v případě stávajícího topného systému nově definována. V žádném případě nepřebírejte topný výkon stávajícího topného kotle! Ten je zpravidla předimenzován. Pro vysoušení novostaveb použijte separátní vysoušecí přístroje. Při vysoušení novostaveb v průběhu podzimu či zimy doporučujeme v první z obou period vytápění použít elektrické topné těleso Definice dle EN Exaktní definici spotřeby tepla je možno provést pomocí evropské normy EN Pokud tento vypočet nebude schopni provést sami, doporučujeme přizvat si k tomu energetického poradce. Náklady za tohoto poradce činí pouze zlomek oproti předimenzovanému vytápění tepelným čerpadlem včetně systému tepelného zdroje. Tento výpočet je důležitý především pro výběr velikosti podlahového topení či topných těles. Tepelná spotřeba kompletního objektu je vypočtena z jednotlivých pokojů. Dbejte pokynů uvedených v německé příloze normy EN Ta se blíží normované tepelné zátěži "staré" normy DIN 701 a umožňuje dostatečný, v praxi osvědčený výběr velikosti Spotřeba tepla dle doporučení SIA 38/2 Pomocí tohoto zrychleného postupu je možno vypočítat přibližnou spotřebu tepla. Předpokladem je znalost u- hodnot použitých konstrukčních prvků. Normovaná tepelná spotřeba objektu vyplývá principielně z převodových a ventilačních tepelných ztrát ohřívaných prostorů, ke kterým dochází v objektu za normovaných teplot bez zohlednění vnitřních a solárních tepelných výnosů. Normální venkovní teploty odpovídají nejnižšímu dvoudennímu průměru, který byl v letech 1951 až 1979 maximálně desetkrát dosažen či překročen. To se liší podle jednotlivých regionů. Při výpočtu tepelné spotřeby je třeba zohlednit také ztráty způsobené studeným vzduchem vnikajícím do objektu jeho netěsnostmi. Pro ohřev tohoto studeného vzduchu je třeba připočíst určitý tepelný podíl tepelné spotřeby ventilací. Pro rodinné domky a bytovou zástavbu činí činitel výměny vzduchu n hodnotu 0,5 a u kancelářských objektů až 1,0. 3

15 3. Výběr velikosti Vzorový výpočet podle SIA 38/2 Objekt: masivní rodinný domek, vyhřívaná obytná plocha 150 m 2, vyhřívaný objem 300 m 2, bez ohřevu teplé vody, stanoviště Bielefeld Plochy U-hodnota 106 m 2 střecha 0,25 W/m 2 K 115 m 2 venkovní zeď 0,30 W/m 2 K 30 m 2 okna včetně rámů 1,0 W/m 2 K 75 m 2 podlaha v sousedství nevyhřívaného prostoru 0,0 W/m 2 K 25 m 2 zeď v sousedství zeminy 0,0 W/m 2 K Projektované teploty Pokojová teplota t i = 20 C Venkovní teplota t a = 12 C Teplota v garáži/sklepě nevytápěných t u = 5 C Teplota půdy t E = 0 C Přechodová tepelná spotřeba vůči venkovnímu vzduchu: Q t.a = [(0,25 106) + (0,3 115) + (1A 30)] [20 - (-12)] = W Přechodová tepelná spotřeba vůči nevyhřívaného prostoru: Q t,u = (0, 75) (20-5) = 50 W Přechodová tepelná spotřeba vůči půdě: Tepelná spotřeba ventilace: Celková tepelná spotřeba objektu tak činí: Q t,e = (0, 25) (20-0) = 200 W Q L = (0,3 0,5 300) [20 - (-12)] = W Q h = = W Město t a ve C Aachen -12 Augsburg -1 Berlin -1 Bremen -12 Dortmund -12 Dresden -1 Düsseldorf -10 Erfurt -1 Frankfurt a. M. -12 Hamburg -12 Hannover -1 Kiel -10 Köln -10 München -16 Schwerin -12 Stuttgart -12 Q h = Q t,a = Q t,u = Q t,e = Q L = U a,u,e = Tepelná spotřeba (W) Přechodová tepelná spotřeba vůči venkovnímu vzduchu (W) Přechodová tepelná spotřeba vůči nevyhřívaným prostorám (W) Přechodová tepelná spotřeba vůči půdě (W) Spotřeba tepla ventilací (W) Koeficient prostupu tepla vůči venkovnímu, nevyhřívanému prostoru, půdě (W/m 2 K) V = Vyhřívaný objem objektu (m 3 ) A a,u,e = Plocha konstrukční části (m 2 ) f = Faktor hustoty vzduchu a sp. tepelné kapacity: m nad mořem 0, m nad mořem 0,32 > m nad mořem 0,30 n = Činitel výměny vzduchu (h-1) T i = Pokojová teplota ( C) T a = Směrodatná venkovní teplota ( C) T u = Teplota nevyhřívaného prostoru T E = Teplota půdy

16 3. Výběr velikosti Definice pomocí dosavadní spotřeby K přibližnému odhadu tepelné spotřeby je možno u staré zástavby použít dosavadní spotřebu energie. Avšak i v tomto případě není možno v žádném případě přebírat výkon původního topného kotle! Statistické odchylky mohou chybně definovat průměrnou roční spotřebu. Aby k tomu nedocházelo, měly by být použity minimálně tři topné sezóny. Kromě toho musí být znám koeficient využitelnosti kotle. Zahrnuje v sobě ztráty způsobené odstávkou a pohotovostním režimem. Proto je výrazně nižší, než koeficient využitelnosti kotle udávaný výrobcem. K přibližnému odhadu je kromě toho třeba znát hodnotu výhřevnosti použitého nosiče energie a doby plného zatížení. Vzorový výpočet Rodinný domek, nízkoteplotní olejový kotel pro vytápění a ohřev teplé vody, průměrná spotřeba během 5 let: litrů lehkého topného oleje Q h = l oleje EL 10,08 kwh/l 0,75 : h = 11,7 kw (výstup do topného systému) Vzorec pro přibližný výpočet: Tepelný výkon (kw)= Průměrná roční spotřeba (ME) výhřevnost H; (kwh/me) Koeficient využitelnosti kotle η a ( ) Doba plného vytížení (h) Výhřevnost Palivo Výhřevnost H i srovn. výhřevnost H s Černé uhlí 8,1 kwh/kg 8,1 kwh/kg Topná nafta EL 10,08 kwh/l 10,57 kwh/l Topná nafta S 10,61 kwh/l 11,27 kwh/l Zemní plyn L 8,87 kwh/m 3 9,76 kwh/m 3 Zemní plyn H 10,2 kwh/m 3 11,2 kwh/m 3 Roční koeficient využití různých typů kotlů Typ kotle Koeficient využitelnosti kotle η a Starší kotle na tuhá paliva 0,50-0,70 Atmosférický plynový NT-kotel 0,60-0,75 Plynový NT-kotel s ventilátorovým hořákem 0,70-0,85 Olejový NT-kotel 0,70-0,85 Kondenzační olejový kotel 0,75-0,95 Kondenzační plynový kotel 0,80-1,00 Doba plného vytížení podle typu objektu Typ objektu RD bez ohřevu TV RD s ohřevem TV BZ bez ohřevu TV BZ s ohřevem TV Kancelářská budova Domovy/sanatoria s TV Školy (5 dní v týdnu) Průmyslové objekty Doba plného vytížení h h h h h h h h Při výpočtu tepelné spotřeby pomocí dosavadní energetické spotřeby již může být zohledněna spotřeba na ohřev teplé vody, pokud nebyl zajištěn separátní ohřev teplé vody (v. tabulka Doba plného vytížení).

17 3. Výběr velikosti Definice pomocí obytné plochy Pro kontrolu je možno přibližnou hodnotu spotřeby tepla vypočítat také pomocí vytápěné obytné plochy: Spotřeba tepla (W) = vyhřívaná obytná plocha (m 2 ) specifický topný výkon (W/m 2 ) Směrné hodnoty specifické spotřeby tepla objektů různého stáří je možno vyčíst z následující tabulky. Specifická spotřeba tepla Typ objektu Nesanovaná stará zástavba Spec. topný výkon (W/m 2 ) Spec. tepelná spotřeba (kwh/m 2 a) do roku Minimální standard EnEV KfW 60/standardní nízkoenergetický dům KfW 0 a standardní pasivní dům < < < Definice spotřeby tepla pro ohřev teplé vody Pro běžný komfort je třeba počítat se špičkovou spotřebou teplé vody litrů pro osobu a den, vztaženo na teplotu vody 5 C. V takovém to případě je třeba zohlednit dodatečný topný výkon Q TV = 0,2 kw na osobu. Je-li teplá voda ohřívána v projekčním bodě (např. za extremních minusových teplot) přídavným tepelným zdrojem, není nutno spotřebu pro ohřev teplé vody přičíst k vlastní tepelné spotřebě (vytápění). Při výběru velikosti je třeba vycházet z maximálně možného počtu osob a navíc je nutno započítat speciální způsoby využití (jako je např. Whirlpool). Cirkulační potrubí Cirkulační potrubí zvyšuje na straně systému tepelnou spotřebu pro ohřev teplé vody. Tato zvýšená spotřeba závisí na délce cirkulačního potrubí a kvalitě potrubní izolace. Je třeba zohlednit ji adekvátním způsobem. Tepelná spotřeba cirkulačního potrubí může být značná. Je-li kvůli delším potrubním trasám přesto nutno realizovat cirkulaci, mělo by být použito oběhové čerpadlo, které je v případě potřeby aktivováno snímačem průtoku (impulsy řízená cirkulace). Tato funkce je integrována u všech solárních regulačních jednotek značky Schüco. Na plochu vztažené tepelná ztráty, ke kterým dochází při rozvodu pitné vody, závisí na užitkové ploše a typu a vedení použité cirkulace. U užitkové plochy o velikosti 100 až 150 metrů a rozvodech v rámci tepelného pláště vyplývají na plochu vztažené tepelné ztráty dle EnEV: 9,8 (kwh/m 2 a) s cirkulací,2 (kwh/m 2 a) bez cirkulace Podle vyhlášky o úspoře energií (EnEV) 12 () musí být oběhová čerpadla v systémech cirkulace teplé vody vybavena samočinným zařízením pro jejich spuštění a vypínání.

18 3. Výběr velikosti 3.3. Ohřev vody v plaveckém bazénu Venkovní bazén Tepelná spotřeba ohřevu vody venkovního plaveckého bazénu je definována zvyklostmi užívání. Může řádově odpovídat tepelné spotřebě obytného domu a je ji třeba vypočítat separátně. Je-li však voda v létě ohřívána pouze příležitostně, není nutno za určitých okolností v. z. tepelnou spotřebu zohlednit. Přibližný výpočet tepelné spotřeby je závislý na návětrné poloze bazénu, teplotě vody v bazénu, klimatických podmínkách, době využití a na tom, zda je povrch bazénu zakrýván. Orientační hodnoty pro tepelnou spotřebu venkovních bazénů používaných od května do září Teplota vody 20 C 2 C 28 C se zakrytím W/m W/m W/m 2 bez zakrytí chráněná poloha bez zakrytí částečně chráněná poloha nechráněno (silné větry) 200 W/m 2 00 W/m W/m W/m W/m W/m 2 50 W/m W/m W/m 2 1) Snížené hodnoty pro bazény se zakrytím platí pouze u privátních plaveckých bazénů s využitím max. 2 hodin denně. Pro první ohřev bazénové vody na teplotu přes 20 C je zapotřebí tepelné množství cca. 12 kwh/m 3 objemu bazénu. Podle velikosti bazénu a instalovaného topného výkonu vyplývá doba ohřevu v délce 1-3 dní. Krytý bazén Kryté bazény jsou zpravidla využívány také v zimě a v přechodovém období. Proto je nutno vedle tepelné spotřeby ohřevu bazénové vody zohlednit také tepelnou spotřebu haly. Orientační hodnoty tepelné spotřeby krytých bazénů Pokojová teplota Teplota vody v W/m 2 20 C 2 C 28 C 23 C 90 W/m W/m W/m 2 25 C 65 W/m 2 10 W/m 2 20 W/m 2 28 C 20 W/m W/m W/m 2 Ohřev vody v bazénu Tepelná spotřeba závisí na teplotě vody v bazénu, teplotní diferenci mezi teplotou bazénu a pokojovou teplotou a využívání bazénu. U privátních bazénů se zakrytím a využíváním max. 2 hodin denně mohou být tyto provozní údaje sníženy až o 50 %. Vytápění místností Obecně je prostor vyhříván pomocí radiátorů a podlahového topení a/nebo topného registru u vysoušecích/větracích systémů. U zmíněných případů je zapotřebí separátního výpočtu tepelné spotřeby. 3.. Faktory pro doby zablokování Většina distributorů energií nabízí zvýhodněné tarify pro tepelná čerpadla. V takovém to případě je vedle elektroměru domovní spotřeby zapotřebí dalšího vlastního elektroměru pro tepelné čerpadlo. Tarify pro tepelná čerpadla jsou často spojeny s určitou dobou zablokování. Během této doby není tepelné čerpadlo napájeno elektrickou energií. V průběhu 2 hodin smí být přívod proudu přerušen maximálně 3x na 2 hodiny. Aby bylo možno tyto doby přerušení dodávek proudu zahrnout do výpočtu celkové spotřeby tepla, musí být vynásobena následujícím faktorem: f zablokování = Příklad 2 hod (2 hod doba zablokování) Podle DIN EN byl zjištěn topný výkon 12,1 kw. Topný výkon pro ohřev teplé vody -členné domácnosti byl ohodnocen hodnotou 0,6 kw. Ostatní tepelné zátěže neexistují. Počítá-li distribuční firma, v ohledu na tarif pro tepelná čerpadla, s přerušováním přívodu elektrického proudu pro tepelné čerpadlo dvakrát denně na dvě hodiny, musí být součet tepelných zátěží u tepelného čerpadla vynásoben hodnotou f zablokování = 2 h (2 h - 2 h). V tomto případě je pak celková tepelná zátěž 12,7 kw 1,09 = 13,8 kw. Avšak i dvouhodinové doby zablokování mohou být u větších domů, především s podlahovým topením, bez ztráty komfortu překlenuty stávajícím objemem teplovodního zásobníku. Zvýšení výkonu tepelných čerpadel je přesto nutné, neboť objem zásobníku je nutno opět ohřát. 5

19 3. Výběr velikosti 3.5. Definice teploty na stoupačce Velikost teploty stoupačky závisí na projekci topného systému. Tepelná čerpadla sice dosahují na stoupačce maximálních teplot C, avšak čím nižší je teplota na stoupačce, tím lepší je roční koeficient výkonu. To se pozitivně projevuje na ekonomičnosti systému. Ideální je plošné topení, jako např. podlahové topení. Zde je teplotní diference minimální a navíc poskytuje velkou plochu pro přenos tepla; stupňovitost rd. 5 K Novostavby U novostaveb by mělo být principielně instalováno podlahové nebo nástěnné topení, neboť ty si na stoupačce vystačí s maximálními teplotami 35 C. Kromě toho instalace nepředstavuje žádný problém Stará zástavba U stávajících budov často není možné nebo dokonce není žádoucí, dodatečně instalovat systém plošného vytápění. Zde je třeba dbát na to, aby teplota na stoupačce nepřekračovala 55 C. Při sanaci topení s použitím tepelného čerpadla musí být vždy definovány skutečně potřebné teploty na stoupačce a zpátečce. Kotelní termostat stávajícího olejového či plynového kotle je zpravidla pro ohřev teplé vody nastaven na teplotu C. Přehřívání objektu je zamezováno pomocí připojených komponentů regulačních systémů topného systému, jako jsou směšovače či termostatické ventily. Každý pokles teploty na stoupačce o jeden stupeň celsia znamená 2,5 %-ní úsporu energie. Cílem by proto mělo být, dosáhnout také u staré zástavby (za normálních venkovních teplot) na stoupačce teplot nižších než 55 C. Pro definici teploty na stoupačce jsou k dispozici dvě varianty: Tepelná spotřeba všech místností je známa. Výkon topných těles v závislosti na teplotách stoupačky a zpátečky je uveden v tabulkách topných výkonů. Pro maximální teplotu na stoupačce je rozhodující místnost s nejvyššími teplotními požadavky. Příklad Tepelná spotřeba místnosti činí Wattů; k dispozici jsou dva kovové radiátory (600 x 220 mm) každý s 15 žebry: W : (15 x 2) = 83 W/žebro Výpočtem mezilehlých hodnot uvedených v tabulce vyplyne max. teplota stoupačky 63 C. Pokud je teplota stoupačky vyšší než 55 C jen v několika málo místnostech, měla by zde být vyměněna topná tělesa, aby se zvětšením topné plochy snížila teplota stoupačky. Litinové radiátory Konstrukční výška mm Konstrukční hloubka mm Tepelný výkon pro článek ve W, u průměrné teploty vody T m Ocelové radiátory 50 C C C C Konstrukční výška mm Konstrukční hloubka mm Tepelný výkon pro článek ve W, u průměrné teploty vody T m 50 C C C C

20 3. Výběr velikosti Diagram k experimentální definici skutečně potřebných systémových teplot Teplota topné vody ba stoupačce v C Teplota na stoupačce Nízká teplota (< 55 C) Venkovní teplota ve C Experimentální definice v průběhu topné sezóny Všechny termostatické ventily jsou zcela otevřeny Nastavte na stoupačce takovou teplotu, aby došlo k dosažení požadované pokojové teploty; zohledněte tepelnou setrvačnost! Zaneste do diagramu dosažené teploty stoupačky a příslušné venkovní teploty. 2-3 zjištěné hodnoty již představují potřebnou topnou křivku. Tato opatření se vyplatí několikanásobně: Nízká tepelná spotřeba Potřebné je menší, cenově výhodnější tepelné čerpadlo Nižší teplotní zdvih zvyšuje roční koeficient výkonu Více pohodlí rovnoměrným přívodem tepla Příklad Podpůrná opatření Je-li potřebná teplota na stoupačce vyšší než 55 C, může být užitečné předem provést následující sanační opatření: Výměna topných těles, viz popis výše Izolace, např. podlažního stropu krovu fasády Instalace systému pro kontrolu ventilace bytu Instalace tepelně izolačních oken Obytný dům s tepelnou spotřebou 20 kw a s roční spotřebou elektrické energie cca. 0,000 kwh je vyhříván teplovodním topením s teplotou na stoupačce 65 C (zpátečka 50 C). Dodatečnou instalací tepelné izolace dochází ke snížení tepelné spotřeby o 25 % na 15 kw a poklesu roční spotřeby elektrické energie na kwh. Tím je možno průměrnou teplotu stoupačky snížit o cca. 10 K, což snižuje energetickou spotřebu o dalších %. Celková úspora energie pak u topného systému s využitím tepelných čerpadel činí cca. %. Na internetové adrese wvvw.schueco.de můžete získat informace o našich oknech s vysokým koeficientem tepelné izolace.