Možnosti tepelného čerpadla pro nízkoenergetické kancelářské budovy v chladném podnebí

Tento článek vyšel v časopise REHVA Journal 4/2013 a na TZB-info je publikován v rámci dohody o spolupráci mezi pořadatelem Aquatherm Praha 2014 a mezinárodní organizací REHVA, která je partnerem veletrhu.

Úvod

K docílení ambiciózních cílů energeticky/emisně nulových budov (ZEB), byly doporučeny různé kombinace energeticky účinných technologií. Trendem v Norsku je, aby všechny nové budovy byly stavěny v souladu se standardem pasivního domu. Nízkoenergetické budovy vyžadují použití energeticky efektivních technologií, jako vysoce kvalitní izolace budov, energeticky efektivního technického zařízení budovy a vysoké úrovně rekuperace tepla. Existuje rovněž požadavek, že energetické sítě pro nové budovy by měly být založeny na obnovitelné energii. Z tohoto důvodu je důležité analyzovat energetickou charakteristiku budovy doplněné obnovitelnými technologiemi. K docílení kompletního potenciálu energeticky účinných řešení je nezbytné studovat ekonomickou a technickou realizovatelnost kompletního energetického systému.

Vodní soustavy tepelného čerpadla jsou slibnou technologií jak v obytných tak v obchodních aplikacích. Se zemí spojený systém tepelného čerpadla je rovněž velice efektivní, energeticky úspornou technologií. Účinnost takového zařízení je prokázána prováděním detailních měření v [1]. Od roku 1976 proběhlo několik výzkumných studií souvisejících se solárně podporovanými tepelnými čerpadly [2]. Například, v práci Trillata-Berdala aj. [3] je představena experimentální studie se zemí spojeného tepelného čerpadla v kombinaci s tepelným solárním kolektorem pro bytové účely. Optimálně navržené solárně podporované tepelné čerpadlo spojené se zemí pro domácí ohřev teplé vody a vytápění prostoru může získat 36 % ročního vytápění prostoru ze slunce a 75 % roční potřeby teplé vody pro domácnost [4]. Avšak, provozovatelé a uživatelé budov jsou skeptičtí k novým myšlenkám bez ohledu na trendy nových řešení v dodávkách energií, z důvodu nedostatku informací o nejlepších praktických zkušenostech s novými technologiemi [5]. Z tohoto důvodu je nutné studovat a dokumentovat takováto dobrá praktická řešení.

Cílem této studie bylo definovat řešení dodávky energie pro novou nízkoenergetickou kancelářskou budovu v chladném podnebí. Jako relevantní řešení dodávky energie byly shledány systémy tepelného čerpadla a tepelného čerpadla se solární podporou. Byla analyzována následující čtyři řešení: tepelné čerpadlo vzduch-voda, tepelné čerpadlo geotermální voda-voda, solárně podporované tepelné čerpadlo vzduch-voda a solárně podporované tepelné čerpadlo geotermální voda-voda. Pracovní médium v tepelných čerpadlech bylo R-410A. Protože není ekonomicky realizovatelné, aby tepelné čerpadlo pokrylo veškeré požadavky budovy na vytápění, a provoz tepelného čerpadla není dobrý při vysoce proměnné zátěži, byl použit elektrický kotel pro pokrytí špiček zatížení. Analyzovaná budova je vybavena systémem variabilního objemu vzduchu (VAV) a systémem teplovodního vytápění. Aby se minimalizovaly náklady na instalaci systému energetických služeb budovy, bylo implementováno integrované řešení s VAV boxem a stropním vytápěním. Protože software EnergyPlus je schopen simulovat řešení tepelného čerpadla a obslužného systému budovy, byl v této studii vybrán jako simulační nástroj. Rovněž byla analyzována zdokonalení tepelného čerpadla a regulace ventilace.

Příklad řešení

Obrázek 1. Kancelářská budova v obci Mandal [8]

Nová nízkoenergetická kancelářská budova situovaná na jihu Norska byla analyzována s použitím softwaru EnergyPlus. Příkladem řešení je 3 000 m² kancelářské budovy na pobřeží v obci Mandal v jižním Norsku. Budova je v užívání od nedávné doby a nájemci jsou nastěhováni. Podmínky dimenzování pro Mandal jsou následující: stupeň vytápění za den (HDD) je 3 266 °C‧h při vnitřní teplotě 20 °C; průměrná roční venkovní teplota je 6,9 °C; a projektovaná venkovní teplota je −19 °C [6]. Data slunečního záření použitá pro simulaci jsou poskytnuta z [7]. Celková sluneční záření za rok na m² pro různé orientace jsou následující: na východní straně 418 kWh/m², na západní straně 460 kWh/m², na severní straně 262 kWh/m² a na jižní straně 644 kWh/m². Budova byla plánována pro 100 uživatelů. Budova je zobrazena na obrázku 1 [8].

Myšlenkou tohoto projektu bylo implementovat vysoce kvalitní izolaci budovy, lepší než je Norský standard pro pasivní budovy, s U hodnotami 0,71 W/m²K a 0,1 W/m²K pro okna respektive stěny. Intenzita větrání byla zvolena 0,5 1/h, což je rovněž založeno na Norském standardu pro pasivní budovy [9].

Aby se minimalizovaly náklady na instalaci systému energetických služeb budovy, bylo implementováno integrované řešení s VAV boxem a stropním vytápěním. Tímto způsobem bylo instalováno větrání a teplovodní vytápění jako jedno zařízení ve stropě každé kanceláře. Tato instalace s integrovaným systémem vytápění a větrání byla vyvinuta dodavatelskou společností [10]. Systém teplovodního topení byl proveden pro přívodní/zpětnou teplotu 40/35 °C. Systém dodávky energie zahrnující tepelné čerpadlo a elektrický kotel je znázorněn na obrázku 2. Obrázek 2 byl nakreslen na základě obrázku displeje energetického řídicího systému budovy. Protože budova je v užívání nedlouhou dobu, mohou se v budoucnu objevit nějaké změny. Z tohoto důvodu by nemělo být řešení dodávky energie, jak je na obrázku 2, považováno za konečné.

Obrázek 2. Systém dodávky energie

V této studii bylo předpokládáno, že vzduchotechnická jednotka sestává z následujících prvků: vstupní a výstupní tlumící klapka, přívodní a odsávací ventilátor, filtry, vysoce kapacitní rotační výměník tepla a topná spirála. Chladící spirály byly vypuštěny kvůli snížení využití energie budovy a pro zjednodušení vzduchotechnické jednotky. Záměrem bylo zajistit noční chlazení vzduchu pomocí ventilačního vzduchu. Byla předpokládána rychlost průtoku vzduchu 6 m³/hm² během pracovní doby a 1 m³/hm² mimo pracovní dobu, na základě norské normy pro pasívní budovu [9].

Provoz tepelného čerpadla v nízkoenergetické kancelářské budově

Aby se nalezlo vhodné řešení dodávky energie pro analyzovanou nízkoenergetickou kancelářskou budovu, byly analyzovány provozní parametry a využití energie. Jsou znázorněny důsledky regulační strategie tepelného čerpadla na rozložení křivky trvání zatížení.

Na základě požadavků na vytápění HVAC a údajů výrobce tepelného čerpadla byla zvolena následující výkonnost tepelného čerpadla: pro tepelné čerpadlo vzduch-voda jmenovitý tepelný výkon 57,4 kW a COP 3,9, a pro tepelné čerpadlo voda-voda jmenovitý tepelný výkon 50,8 kW a COP 5,6.

Obrázek 3. Regulační strategie pro tepelná čerpadla

Jako jednoduchý energeticky úsporný prostředek je doporučen noční útlum. Avšak dynamický provoz s vysoce proměnlivým zatížením není pro tepelné čerpadlo výhodný. S tohoto důvodu byly testovány regulační strategie s nočním útlumem a bez nočního útlumu. Strategie bez nočního útlumu předpokládala konstantní vnitřní teplotu. Výsledky této analýzy jsou znázorněny na obrázku 3 pro tepelné čerpadlo vzduch-voda.

Obrázek 4. Křivka trvání pro tepelné čerpadlo vzduch-voda s nočním útlumem

Strategie nočního útlumu vyžadovala efekt vysoké špičky ráno, kdy byla zvýšena vnitřní teplota, jak je vidět na obrázku 3. Tento efekt špičky byl poskytnut přídavným elektrickým kotlem, jak je vysvětleno v úvodu. Konstantní vnitřní teplota nezpůsobila ani vysokou elektrickou špičku ano vysoký účinek tepelného čerpadla. Důsledky nočního útlumu na celkovém využití energie pro systém HVAC lze vidět v křivce trvání na obrázku 4. Dále výsledky regulační strategie bez nočního útlumu jsou vidět na obrázku 5.

Obrázek 5. Křivka trvání pro tepelné čerpadlo vzduch-voda bez nočního útlumu

Křivka trvání na obrázku 4 a 5 je platná pro tepelné čerpadlo vzduch-voda. K obrázku 4, je možné poznamenat, že část energie dodané přídavným elektrickým kotlem je značně velká ve srovnání s celkovým využitím energie pro systém HVAC. Dále čas použití pro tepelné čerpadlo pouze 1203 hodin je nízký. Pro to samé tepelné čerpadlo s konstantní vnitřní teplotou je čas využití 1775 hodin a využití elektřiny bylo nižší, jak je vidět na obrázku 5.

Pro plné využití možností technologie tepelného čerpadla a vyvarování se zbytečného použití elektrického kotle byla preferována regulační strategie bez nočního útlumu. Tento závěr by mohl být relevantní pro ostatní typy budov zásobovaných tepelnými čerpadly. Souhrnné výsledky o čase využití a celkovém využití energie pro HVAC pro tepelná čerpadla vzduch-voda a voda-voda jsou znázorněny v tabulce 1.

Protože výsledky v tabulce 1 ukazují, že konstantní vnitřní teplota vzduchu ovlivnila provoz tepelného čerpadla pozitivně, byla konstantní teplota vzduchu implementována dále ve studii. Pozitivní vliv na provoz tepelného čerpadla znamená, že čas využití tepelného čerpadla byl delší, přičemž celkové využití elektřiny pro HVAC bylo nižší. Analyzovaná tepelná čerpadla dosáhla v průběhu roku COP 2,2 až 5.

Diskuze

Technickoekonomická analýza řešení dodávky energie byla provedena s použitím čisté současné hodnoty (NPV). Životnost 20 let byla předpokládána pro tepelné čerpadlo vzduch-voda, zatímco pro tepelné čerpadlo voda-voda 40 let, z důvodu instalace vrtu. Reálný zisk byl předpokládán 6 %. V metodě NPV byla referenčním případem kompletně elektricky vytápěná budova. Investice do analyzované technologie byly: 246 000 Norských korun (NOK) za tepelné čerpadlo vzduch-voda, 425 000 NOK pro tepelné čerpadlo voda-voda včetně instalace vrtu a teplotního výměníku a 3 050 NOK/m² pro solární kolektory. Cena elektřiny byla k danému datu přibližně 1 NOK/kWh [11]. 1 EUR = 7.36 NOK. Pro odhad analyzovaných řešení byl uvažován průměrný globální nárůst ceny elektřiny do 50 %. Výsledky technickoekonomické analýzy jsou znázorněny na obrázku 6.

Obrázek 6. Technickoekonomická analýza

Technickoekonomická analýza ukázala, že nejlepší řešení dodávky energie se zdá být tepelné čerpadlo vzduch-voda bez solární podpory, obrázek 6. Vzrůst ceny energie o 50 % by mohl znamenat, že se bude jevit atraktivnější řešení tepelného čerpadla vzduch-voda se solární podporou. Tento nárůst ceny energie je vyšší než předvídaných 15 % v [14]. Podobný trend je možno předpokládat pro ostatní typy budov za stejných ekonomických podmínek, protože relativní poměr mezi úsporami a celkovým využitím energie by byl podobný. Nízkoenergetická budova má nízkou potřebu energie, zatímco budova s vyšší potřebou energie by vyžadovala větší zařízení na dodávku energie.

Závěry

Bylo analyzováno řešení dodávky energie pro novou nízkoenergetickou kancelářskou budovu v chladných podnebích. Výsledky ukazují, že v nové nízkoenergetické kancelářské budově bylo nezbytné zvýšení průtoku větracího vzduchu v průběhu léta. Byla preferována regulační strategie bez nočního útlumu pro technologii tepelného čerpadla a proto, aby se zabránilo zbytečnému použití elektrického kotle. Protože nadměrná solární energie nebyla injektována do země jako v [3, 4], potenciál celkově přijaté solární energie 20 MWh/rok nebyl využit. Technickoekonomická analýzy ukázala, že jako nejlepší řešení dodávky energie se jevilo tepelné čerpadlo vzduch-voda bez solární podpory za předpokládaných ekonomických předpokladů, zatímco 50% nárůst ceny energie by mohl učinit ekonomicky atraktivním řešení s tepelným čerpadlem vzduch-voda se solární podporou. Pro ostatní typy budov by mohly být relevantní obdobná řešení dodávky energie, za stejných ekonomických podmínek.

Poděkování

Tato práce vznikla za podpory Norské Rady pro výzkum a několika partnerů pro výzkumný projekt „Výzkumné centrum pro budovy s nulovými emisemi“ (ZEB). ZEB je jedno z jedenácti národních center pro výzkum energie přátelské k životnímu prostředí.

Reference

• [1] Y. Man, H. Yang, J. Wang, Z. Fang, In situ operation performance test of ground coupled heat pump system for cooling and heating provision in temperate zone. Applied Energy, 2011.
• [2] A. Hepbasli, Y. Kalinci, A review of heat pump water heating systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009. 13(6–7): str. 1211–1229.
• [3] V. Trillat-Berdal, B. Souyri, G. Fraisse, Experimental study of a ground-coupled heat pump combined with thermal solar collectors. Energy and Buildings, 2006. 38(12): str. 1477–1484.
• [4] X. Chen, H. Yang, Performance analysis of a proposed solar assisted ground coupled heat pump system. Applied Energy, 2011.
• [5] M. Trcka, J.L.M. Hensen, HVAC System Simulation: Overview, Issues and some Solutions, na 23. Mezinárodním kongresu chlazení 2011: Praha, Česká republika.
• [6] T. Wolleng, VVS-tekniske klimadata for Norge. Vol. 33. 1979, Oslo: Instituttet. 111 s. : ill.
• [7] BioForsk. K dispozici na: lmt.bioforsk.no/lmt/index.php.
• [8] Havutsikt. 2013; K dispozici na: www.havutsikt.no.
• [9] M. Klinski, T. H. Dokka, M. Haase, M. Mysen, Criteria for passive and low-energy buildings – Office buildings, SINTEF Building and Infrastructure, 2009
• [10] YIT. KlimaTak. [cited 2012; K dispozici na: www.yit.no/yit_no/fagomr%C3%A5der/klima/klimatak.
• [11] Statistics Norway, 2011 [cited 2011; K dispozici na: www.ssb.no/vis/emner/10/08/10/elkraftpris/main.html.