Zdroje tepla pro pasivní domy Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní RP2 Energetické systémy budov, UCEEB ČVUT v Praze 1/39
Pasivní domy (ČSN 73 0540-2) PHPP: měrná potřeba primární energie 120 kwh/m 2.a včetně potřeby uživatelské elektřiny (běžně < 60 kwh/m 2.a) 2/39
Téměř nulové domy (ČSN 73 0540-2) Závaznost kriteria Požadovaná hodnota Doporučená hodnota Požadovaná hodnota podle zvolené úrovně hodnocení Průměrný součinitel prostupu tepla Uem [W/(m 2 K)] Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a)] Měrná primární energie [kwh/(m 2 a)] Úroveň A Úroveň B Obytné budovy Neobytné budovy Nulový 0 0 Rodinné domy 0,25 Rodinné domy 20 Blízký Bytové domy 0,35 Bytové domy 15 80 30 nulovému Nulový 0 0 30 0,35 Blízký 120 90 nulovému úroveň A: vytápění, teplá voda, pomocná energie, uživatelská energie úroveň B: vytápění, teplá voda, pomocná energie 3/39
Primární energie jako měřítko nejednotná definice fosilní paliva: energie skrytá v palivu + energie na těžbu, dopravu, energie vložená do procesů zpracování obnovitelné zdroje méně jasné: je primární energií sluneční energie, která je základem prakticky všech OZE: voda, vítr, biomasa? směnice EPBD primární energie = energie z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů, která neprošla žádným procesem přeměny nebo transformace požadavky na budovy: minimalizace primární energie z neobnovitelných zdrojů konverzní faktor přeměny náročnost přeměny primární energie na energonositele (paliva, teplonosné látky, jiné formy energie) 4/39
Konverzní faktor přeměny F Zdroj ČSN 73 540-2 78/2013 F [kwh/kwh] F [kwh/kwh] Zemní plyn a další fosilní paliva 1,1 1,1 Elektrická energie 3,0 3,0 Dřevo, ostatní biomasa 0,05 0,1 Dřevěné peletky 0,15 0,2 Solární tepelné soustavy 0,05 0 Solární fotovoltaické systémy - pro vlastní potřebu 0,05 0 Solární fotovoltaické systémy nahrazující konvenční výrobu el. energie -2,8-3,0 5/39
Faktor využití primární energie PER souhrnné kritérium náročnost zařízení / soustavy na primární energii poměr mezi potřebou primární energie PE a energií dodanou pro krytí potřeb energie Q PE PER = = Q F η η je provozní účinnost celé soustavy, vztažená k energetickému obsahu paliv 6/39
Faktor využití primární energie 7/39
Příklady PER pro různé zdroje tepla Zdroj tepla / energonositel F η PER [ - ] [ - ] [ - ] Elektrický kotel / elektřina 3,00 1,00 3,00 Tepelné čerpadlo / elektřina 3,00 2,90 1,03 Plynový kotel běžný / zemní plyn 1,10 0,75 1,47 Plynový kotel kondenzační / zemní plyn 1,10 0,95 1,16 Kotel na pelety / dřevní pelety 0,15 0,80 0,19 Solární tepelná soustava / sluneční energie 0,05 1,00 0,05 8/39
Bilance primární energie pro PD vytápění 3000 kwh/rok, teplá voda 3000 kwh/rok, pomocná energie 300 kwh/rok solární tepelná soustava + plynový kotel solární tepelná soustava + elektrokotel tepelné čerpadlo 60 kwh/m 2.rok kotel na pelety plynový kotel kondenzační plynový kotel běžný elektrokotel 0 20 40 60 80 100 120 140 PE [kwh/(m 2.rok)] 9/39
Logická sázka na OZE pro PD solární tepelné soustavy otázka vhodného návrhového pokrytí potřeby tepla tepelná čerpadla efektivita provozu pro přípravu teplé vody zdroje na spalování biomasy návrhový výkon, využitelnost snaha minimalizovat využití el. energie z veřejné sítě kompenzovat spotřebu výrobou elektřiny z OZE??? 10/39
Bilance primární energie pro PD vytápění 3000 kwh/rok, teplá voda 3000 kwh/rok, pomocná energie 300 kwh/rok solární tepelná soustava + plynový kotel solární tepelná soustava + elektrokotel tepelné čerpadlo kotel na pelety plynový kotel kondenzační plynový kotel běžný elektrokotel 0 kwh/m 2.rok 30 kwh/m 2.rok 20 m 2 FV 46 m 2 FV 26 m 2 FV 7 m 2 FV 28 m 2 FV 35 m 2 FV 68 m 2 FV 0 20 40 60 80 100 120 140 PE [kwh/(m 2.rok)] 11/39
Koncepce nulového domu x podpora FV? E dod E exp nadřazená síť PE = i ( ) Edod Eexp Fi od 2014: zastavení podpory FV systémů 12/39
Solární tepelné soustavy pro PD bezemisní zdroj tepla úsporné opatření není hlavním zdrojem tepla snížení potřeby primární energie snížení produkce emisí příprava teplé vody kombinace s vytápěním 13/39
Solární soustava v pasivním domě potřeba tepla [kwh/měs] 2000 1500 1000 500 4 m2 solárních kolektorů = 380 kwh/m2 = 31 % 8 m2 solárních kolektorů = 240 kwh/m2 = 39 % nelze využít v domě 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII měsíc 14/39
Výhodná kombinace s ostatními zdroji zdroje tepla v pasivním domě vyžadují akumulaci! dům se jmenovitou tepelnou ztrátou 2.5 kw (-12 C) výkon zdroje alespoň 5 kw pro rychlý ohřev vody pro vytápění vždy z principu předimenzovaný! dřevokotel s ručním přikládáním, min. výkon 10 až 15 kw automatický kotel na pelety, min. výkon 3 až 10 kw tepelné čerpadlo, min. výkon 5 kw plynový kotel běžný, min. výkon 12 kw plynový kotel kondenzační, min výkon 2 až 10 kw 50 l/kw 25 l/kw 15 až 30 l/kw 50 l/kw 25 l/kw 15/39
Jak velký solární zásobník? kombinovaný zásobník společný pro vytápění a přípravu teplé vody společný pro solární soustavu a hlavní zdroj tepla příklad solární soustava 5 m 2 kotel na pelety nebo kondenzační plynový kotel 2/3 objemu = cca 250 l zásobník 400 l 10 kw x 25 l = 250 l 5 m2 x 50 l = 250 l K 16/39
Tepelná čerpadla (COP, SPF) příprava teplé vody vytápění SPF Q vyt,tv COP COP = Q TČ Q el,tč SPF = Q Q vyt,tv el,celk Q el,celk 17/39
Požadavek na minimální SPF EU směrnice 2009/28/EC o podpoře využití energie z obnovitelných zdrojů soustavu s tepelným čerpadlem lze považovat za OZE pokud SPF 1 > 1,15 η e průměr EU η e = 40 % SPF > 2,875 ČR: η e = 30 % 1) SPF > 3,83 1) Czech Republic Energy Efficiency Report, ABB report, January, 2011 18/39
Běžné hodnoty SPF vytápění nízkoteplotní otopné soustavy 40 / 30 C výstupní teploty z tepelného čerpadla < 40 C (ekvitermní regulace) SPF > 4,0 teplá voda (zásobníkový ohřev) ohřev na 55 C, výstupní teplota z TČ cca 60 C vzduch-voda: omezení výstupní teploty při venkovních teplotách pod -10 C, dodatkový el. zdroj SPF < 2,8 19/39
Splnit SPF pro běžný dům je snadné... vzduch-voda země-voda 4000 5 4000 5 SPF = 3,07 SPF = 3,85 3000 4 3000 4 2000 3 2000 3 1000 2 1000 2 kwh SPF kwh SPF 0 1 0 1 20/39 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec vytápění příprava TV SPF
Lze splnit SPF u pasivního domu? 4000 vysoký podíl energeticky náročné přípravy teplé vody 3000 vytápění pouze v nejméně příznivém období kwh 2000 1000 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec 21/39
Parametry pasivního rodinného domu vytápění tepelná ztráta 2,7 kw (-12 C), 160 m 2 potřeba tepla na vytápění 3 200 kwh/rok (20 kwh/m 2.rok), TMY Praha otopná soustava 35/25 C (sálavé vytápění), ekvitermní regulace teplá voda 4 osoby, 40 l/os.den teplota teplé vody 55 C, teplota studené vody 15 C potřeba tepla na ohřev vody 3 500 kwh/rok, včetně ztrát 22/39
Tepelné čerpadlo vzduch-voda výkon 6,7 kw COP 3,2 při A2 / W35 23/39
Tepelné čerpadlo vzduch-voda 500 3,5 400 3,0 300 200 2,5 2,0 bilance elektrické energie [kwh] SPF doplňkový zdroj SPF vytápění = 2,94 pomocná energie SPF teplá příprava voda TV = 2,40 vytápění SPF celkový = 2,63 SPF 100 1,5 0 1,0 24/39 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec
Tepelné čerpadlo země-voda výkon 5,8 kw COP 4,3 při B0 / W35 25/39
Tepelné čerpadlo země-voda 500 3,5 400 300 3,0 2,5 200 2,0 bilance elektrické energie [kwh] SPF doplňkový zdroj SPF vytápění = 4,15 pomocná energie příprava TV SPF teplá voda = 2,12 vytápění SPF SPF celkový = 2,76 100 1,5 0 1,0 26/39 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec
Je tepelné čerpadlo vhodným zdrojem? varianty tepelného čerpadla vzduch-voda EE = 2540 kwh/rok PE = 7620 kwh/rok země-voda EE = 2430 kwh/rok PE = 7290 kwh/rok požadavek na <60 kwh/m 2.rok je splněn, ale... kondenzační plynový kotel a solární soustava 5 m 2 x 350 kwh/(m 2.rok) = 1750 kwh/rok zemní plyn 4966 kwh/rok PE = 88 kwh/rok PE = 5750 kwh/rok celkem PE = 5838 kwh/rok rozdíl 25 až 30 % 27/39
Efektivní využití TČ pro pasivní domy koncepce tepelných čerpadel pro efektivnější ohřev vody příprava teplé vody na nižší teploty (45 C), větší objemy akumulace tepelná čerpadla s dochlazovačem chladiva pro předehřev studené vody využití přehřátých par odděleně pro vyšší teplotní úroveň teplé vody kombinace s využitím solární energie ohřev vody solární tepelnou soustavou (COP > 50) přímá kompenzace spotřeby elektrické energie FV systémem 28/39
Tepelné čerpadlo s dochlazovačem topný výkon Energie z dochlazovače při přibližném zachování kompresní práce chladicí výkon 29/39
Tepelné čerpadlo s dochlazovačem teplá voda TV SV 30/39
Zvýšení topného faktoru v přípravě TV 4,5 4 3,5 10 až 20 % přínos SPF [-] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 2.9 S dochlazovačem Klasické zapojení 0 40 45 50 55 60 TVpož[ C] výsledky simulace: Ing. J. Sedlář 31/39
Kombinace se solární tepelnou soustavou roční výroba 1750 kwh 4 kw p 5 m 2 32/39
Kombinace se solární tepelnou soustavou vzduch voda země - voda Vytápění TV Celkem Vytápění TV Celkem Teplo ze solární soustavy 0 1748 1748 0 1748 1748 Teplo z tepelného čerpadla 3175 1765 4941 3201 1767 4968 Teplo z elektrokotle (ze sítě) 26 2 27 0 0 0 El. energie pro TČ (ze sítě) 1033 783 1815 730 826 1556 Pomocná el. energie (ze sítě) 16 70 86 42 86 128 Sezónní topný faktor SPF 2,96 4,11 3,47 4,15 3,85 3,99 33/39
Kombinace s fotovoltaickým systémem 4 kw p roční výroba 50 m 2 3520 kwh 34/39
Kombinace s fotovoltaickým systémem vzduch voda země - voda 18 % Vytápění TV Celkem Vytápění TV Celkem Využitá elektřina z FV 176 470 646 140 522 662 Teplo z tepelného čerpadla 3170 3511 6681 3201 3515 6716 Teplo z elektrokotle (ze sítě) 31 4 36 0 0 0 El. energie pro TČ (ze sítě) 856 972 1828 592 1090 1682 Pomocná el. energie (ze sítě) 14 14 28 13 15 28 Sezónní topný faktor SPF 3,51 3,55 3,53 5,29 3,18 3,93 35/39
Kombinace FV a TČ? pouze 10 až 20% využití FV elektřiny pro pohon čerpadla nízká úroveň současnosti provozu FV a TČ tepelné čerpadlo: fotovoltaika: krytí potřeby v zimním období pro vytápění ohřev vody: ráno a večer; vytápění: noc produkce elektřiny v letním období produkce přes den regulace tepelného čerpadla, řízení příkonu kompresoru podle výroby elektrické energie až 30-40 % využití FV elektřiny při běžném objemu akumulace 36/39
Co z uvedeného plyne? samotné nasazení tepelných čerpadel běžné koncepce v pasivních domech je neefektivní (z pohledu primární energie) z pohledu primární energie je výhodnější použít kombinaci plynového kotle a solární soustavy, je to i levnější (cca o 100 tisíc Kč) přizpůsobení koncepce tepelných čerpadel situaci v pasivních domech (dochlazovač, chladič par) zlepšuje energetickou bilanci, neřeší problém ekonomický kombinace s využitím solární energie zlepšuje výrazně energetickou bilanci a splnit požadavky na SPF, neřeší problém ekonomický 37/39
Kurz STP ve spolupráci s ČVUT 38/39
http://www.azecr.cz 39/39