Tepelná čerpadla v bytových domech
Příspěvek ukazuje na rozdíl v ekonomických parametrech nasazení tepelných čerpadel v bytových domech mezi případem rekonstrukce a novostavby. V příkladech jsou uvedeny bilance ze dvou konkrétních studií zpracovaných v letech 2017 a 2018 pro zákazníky. Zatímco tepelná čerpadla v rekonstrukcích bytových domů mohou být výhodná až při relativně vysokých cenách energie nad 700 Kč/GJ, u novostaveb mohou být ekonomickým zdrojem tepla.
© Fotolia.com
Úvod
Tepelná čerpadla v bytových domech jsou jedním z možných nasazení alternativních zdrojů energie potenciálně snižující provozní náklady. Oproti instalacím v rodinných domech hovoří proti realizaci tepelných čerpadel v bytových domech zejména nízká efektivita provozu (průměrný roční topný faktor), nízká využitelnost instalovaného výkonu (využití investice) a vysoké paušální platby za elektrický příkon. Nízká efektivita provozu je dána vysokou provozní teplotou, ať už v případě otopné soustavy, kde i v případě zateplených budov se zřídkakdy lze dostat pod návrhovou teplotu otopné vody 55 °C a níže, nebo v případě přípravy teplé vody, kdy z hlediska požadavku na dodávku teplé vody nelze počítat s teplotami nižšími než 50 °C. Nízká využitelnost instalovaného výkonu vyplývá z četnosti venkovních teplot, kdy pro vytápění je nezbytné instalovat vysoký návrhový výkon tepelných čerpadel, který není během roku využit. Možná náhrada levným záložním elektrokotlem vede k vysokém instalovanému elektrickému příkonu (a vysokým paušálním platbám). Paušální platby za instalovaný elektrický příkon dramaticky narůstají v případě nutného navýšení proudové hodnoty jističů nad 125 A a významně se promítají do provozních nákladů. Při započtení veškerých souvisejících nákladů ať už na straně investice, tak na straně provozu pak z bilancí vyplývá, že v případě rekonstrukcí bytových domů se tepelná čerpadla vyplatí zhruba při cenách tepla od 700 Kč/GJ. Nicméně, je velký rozdíl mezi nasazením tepelných čerpadel do stávajících budov a novostaveb.
V příspěvku jsou ukázány energetické a ekonomické bilance nasazení tepelných čerpadel ve dvou odlišných aplikacích v bytových domech: tepelné čerpadlo pro vytápění a přípravu teplé vody ve stávajícím bytovém domě po rekonstrukci a tepelné čerpadlo uvažované v novostavbě bytového domu.
Rekonstrukce
Bytový cihlový dům v Brně prošel v minulých letech rekonstrukcí obálky budovy, která snížila výpočtovou tepelnou ztrátu na 120 kW při venkovní teplotě −12 °C. Teplo pro vytápění je dodáváno dálkově prostřednictvím domovní výměníkové stanice (ve vlastnictví společenství vlastníků jednotek, dále SVJ), kterou na základě nájemní smlouvy provozuje dodavatel tepla. V roce 2011 provedl dodavatel tepla rekonstrukci technologie za cca 845 tis. Kč a SVJ investici splácí v ceně tepla. Zateplení umožnilo upravit ekvitermní křivku na výpočtový rozdíl teplot 54/46 °C (při −12 °C). Teplá voda se připravuje pro celkem 130 lidí. Čerpadlo cirkulačního okruhu je časově řízeno mezi 5. a 23. hodinou.
Pro vytápění a přípravu teplé vody byla nově navržena kaskáda 4 ks tepelných čerpadel vzduch-voda ve venkovním provedení bez regulace výkonu. Jmenovitý výkon jednoho tepelného čerpadla je 27,1 kW (při A7/W35), celkový jmenovitý výkon kaskády je 108,4 kW. Rozdělení do kaskády umožňuje spínat postupně tepelná čerpadla jako jednotlivé výkonové stupně pro regulaci dodávky tepla do budovy. Umístění tepelných čerpadel bylo uvažováno na nosnou konstrukci na střechu bytového domu. Záložní zdroj tepla (elektrokotle) byl navržen o tepelném výkonu 40 kW a je automaticky spínán při dosažení teploty bivalence −5 °C.
Z počítačové simulace byla vyhodnocena dodávka tepla tepelnými čerpadly pro vytápění a přípravu teplé vody společně se spotřebou elektrické energie. Tepelná čerpadla, přestože jsou navržena s celkovým výkonem okolo 90 kW v bodě bivalence −5 °C, pokrývají celkem 99 % potřeby tepla pro vytápění a přípravu teplé vody.
Záložní zdroj (elektrokotle) dodává pouze 1 %, nicméně jeho instalovaný elektrický příkon 40 kW je na stejné úrovni jako instalovaný maximální elektrický příkon tepelných čerpadel (44 kW při −12 °C). Sezónní topný faktor SPF je při provozu tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody na hodnotě 2,47 z důvodu přípravy teplé vody na teplotní úrovni 55 °C s významným podílem cirkulace. U dodávky tepla pro vytápění je situace mírně lepší, nicméně s ohledem na návrhové teploty otopné soustavy 54/46 °C je sezónní topný faktor i přes ekvitermní regulaci pouze 2,73 (včetně zahrnutí spotřeby energie záložního zdroje).
Pro zamýšlenou realizaci byly vyčísleny investiční náklady. K investičnímu nákladu na instalaci tepelných čerpadel 3 250 tis. Kč (včetně DPH) je nutné započítat jednorázový náklad na navýšení jističe 80 tis. Kč (500 Kč/A × 160 A třífázově) a také splacení zbývajících nákladů 450 tis. Kč na rekonstrukci výměníkové stanice dodavateli tepla. Náklady na odpojení naproti tomu nebyly ve studii uvažovány. Celková investice pro další výpočty je uvažována 3 780 tis. Kč včetně DPH.
| Druh nákladů | Stávající systém [tis. Kč/rok] | Varianta 1 [tis. Kč/rok] | Varianta 2 [tis. Kč/rok] |
|---|---|---|---|
| Náklad na energie pro společné prostory | 39 | 15 | 15 |
| Náklad na energie hlavní zdroj tepla | 666 | 246 | 246 |
| Náklad na energie záložní zdroj tepla | – | 7 | 7 |
| Stálé platby | – | 157 | 157 |
| Servisní náklady, údržba zařízení | – | 20 | 20 |
| Reinvestice | – | 130 | 0 |
| Splátka úvěru (s úrokem 4 %, 15 let) | – | 0 | 292 |
| Celkem | 705 | 574 | 736 |
Celková roční spotřeba elektrické energie pro vytápění a přípravu teplé vody tepelným čerpadlem včetně bivalentního zdroje se podle simulačního výpočtu pohybuje kolem 104 MWh/rok (v typických výpočtových klimatických podmínkách města Brna). Z toho bivalentní zdroj dodá zhruba 3 MWh/rok. V Tab. 1 jsou porovnány provozní náklady stávajícího řešení a nasazení tepelných čerpadel ve dvou variantách financování, jak bylo investorem požadováno. Roční náklad na reinvestici je 130 tis. Kč (varianta 1, reinvestice na tepelná čerpadla, zásobníky a regulaci po 15 letech), roční splátka úvěru je 292 tis. Kč (varianta 2, úvěrová sazba 4 %). U varianty 1 (vlastní financování) je rozdíl v ročních provozních nákladech cca 130 tis. Kč s DPH. U varianty 2 (úvěr) jsou roční provozní náklady při realizaci tepelných čerpadel dokonce vyšší než současné provozní náklady o 31 tis. Kč. V grafu na Obr. 1 je zobrazena bilance celkových (investičních a provozních) kumulovaných nákladů v časové periodě 15 let, po které bude muset dojít k výraznější renovaci zdroje tepla (tepelných čerpadel).
Obr. 1 Bilance celkových nákladů (investičních a provozních) pro stávající systém a varianty s tepelnými čerpadly
Novostavba
Projektovaná novostavba bytového domu v Praze je pětipodlažní dům s celkem 56 bytovými jednotkami a uvažovanými 76 obyvateli. Konstrukční systém je na bázi železobetonové konstrukce s vyzděním keramickými tvárnicemi Porotherm. Tepelně technické vlastnosti obálky budovy odpovídají požadavkům na budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Z hlediska technických systémů budovy byla v projektu uvažována otopná soustava s otopnými tělesy s termostatickými hlavicemi a domovní předávací stanice tepla, napojená na horkovod. Příprava teplé vody byla uvažována výměníkem předávací stanice, napojeným na nárazový zásobník tepla pro snížení odběrové špičky. Předpokládaný přípojný výkon výměníku 96 kW vychází z tepelné ztráty (stanovené obálkovou metodou) a maximálního potřebného výkonu pro přípravu teplé vody (při uvažování akumulace cca 500 l).
V rámci studie mělo být ověřeno, zda nasazení tepelných čerpadel vzduch-voda nemůže příznivě posunout budovu jak ekologicky (využití alternativních zdrojů energie), tak ekonomicky z pohledu provozních nákladů. Návrh tepelných čerpadel zohledňoval tepelnou ztrátu budovy 58 kW (při −12 °C) a potřebný výkon pro ohřev vody. Nicméně, u přípravy teplé vody byl zvýšen objem akumulace, aby výkon tepelných čerpadel pro vytápění zvládl i špičkový odběr tepla pro přípravu teplé vody. Pro otopnou soustavu byla navržena změna návrhového teplotního rozdílu na 50/40 °C rozšířením teplosměnné plochy otopných těles.
Byly navrženy celkem 3 ks tepelných čerpadel každé o jmenovitém topném výkonu 15,7 kW a topném faktoru 3,6 při podmínkách A2/W35. Celkový výkon kaskády tepelných čerpadel při venkovní teplotě −12 °C je 35,6 kW (A−12/W45), jejich celkový příkon je 14,7 kW (při podmínkách A−12/W45). Teplota bivalence se pohybuje okolo venkovní teploty −4 °C. Záložním zdrojem jsou elektrokotle, které jsou součástí jednotek tepelných čerpadel (3 × 8,8 kW). Celkový instalovaný příkon systému je 41,1 kW. Potřebný objem vodního zásobníku oddělujícího otopnou soustavu od okruhu tepelných čerpadel je 500 l. Objem zásobníku přípravy teplé vody je 1000 l. Teplo se do přípravy teplé vody předává přes deskový výměník tepla.
Z výpočtu provozního chování soustavy s tepelnými čerpadly bylo stanoveno, že tepelná čerpadla pokryjí cca 96 % potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody, zbylou energii dodá záložní zdroj tepla (elektrokotle, součást jednotek tepelných čerpadel). Pro dodávku tepla 198 MWh/rok (125 MWh/rok pro vytápění a 73 MWh/rok pro přípravu teplé vody) je celková spotřeba elektrické energie navrženého systému 74 MWh/rok. Hodnota sezónního topného faktoru je 2,7 vlivem významného podílu potřeby tepla pro přípravu teplé vody.
Pro zhodnocení ekonomicky výhodnějšího řešení byly pro obě varianty (výměníková stanice, tepelná čerpadla) stanoveny celkové náklady. Celkové náklady jsou dány investičními náklady a provozními náklady. Investiční náklady na domovní předávací stanici byly poskytnuty zadavatelem 750 tis. Kč bez DPH. Provozní náklady jsou tvořeny stálými platbami za rezervovaný příkon ve výši 1118 Kč/kW ročně a náklady za odebranou tepelnou energii. Cena tepla je 267,2 Kč/GJ (tarif N19, podle sdělení zadavatele), roční odběr tepla je 198 MWh, tj. 713 GJ. Pro cenu tepla byl uvažován meziroční nárůst 3 % (průměrný růst v tarifu N19 podle ceníku Pražské teplárenské v letech 2010–2017). Celkový roční náklad za dodávku tepla pro vytápění a přípravu teplé vody je 308 tis. Kč, včetně servisních nákladů na předávací stanici, uvažovaných 10 tis. Kč/rok.
| Druh nákladů | Varianta výměník [tis. Kč/rok] | Varianta tepelná čerpadla [tis. Kč/rok] |
|---|---|---|
| Náklad na energie | 191 | 172 |
| Stálé platby | 107 | 42 |
| Servisní náklady, údržba zařízení | 10 | 20 |
| Celkem | 308 | 234 |
Investiční náklady na realizaci systému s tepelnými čerpadly byly zjištěny na základě konkrétní nabídky. Investiční náklady činí 1226 tis. Kč bez DPH. Do jednorázových investičních nákladů byl dále zahrnut náklad na navýšení kapacity přípojky elektrické energie 500 Kč/A (3fázové připojení), tj. celkem 34 tis. Kč. K investičním nákladům na zdroj tepla s tepelnými čerpadly byly také připočteny doplňující náklady na úpravu otopné soustavy oproti variantě bez TČ. Zatímco pro výměníkovou stanici bylo možné otopná tělesa navrhnout úsporně na jmenovitý teplotní rozdíl 75/65 °C (menší otopná tělesa), pro systém s tepelnými čerpadly byla zvolena nižší teplotní úroveň 50/40 °C (větší otopná tělesa). Při celkovém uvažovaném množství 76 ks deskových otopných těles a 56 ks trubkových otopných těles byl rozdíl v ceně pro bytový dům 189 tis. Kč bez DPH.
Provozní náklady jsou tvořeny stálými platbami za jistič a náklady za odebranou tepelnou energii. Cena elektrické energie v odpovídající sazbě D 57d je 2338,4 Kč/MWh. Roční odběr elektrické energie je 74 MWh, tzn. celkový roční náklad za odebranou elektrickou energii je 172 tis. Kč. Pro výpočty byl uvažován růst ceny elektrické energie na úrovni 0,3 % převzatý ze sazby D 56d (průměrný nárůst mezi roky 2010 až 2017), neboť sazba D 57d byla zavedena až v roce 2016 a zatím v ceně elektrické energie vykazuje dokonce mírný pokles. Pro celkový příkon požadovaný pro provoz tepelných čerpadel je nutné zajistit buď samostatný jistič 3 × 63 A, nebo navýšit o tyto hodnoty stávající projektovaný jistič pro společné prostory domu. Rozdíl ve stálých platbách za jistič v sazbě D 57d byly uvažovány cca 3500 Kč/měsíc (přechod z jističe 3 × 32 A na 3 × 100 A). Celkové roční náklady jsou 234 tis. Kč, včetně servisních nákladů na zdroj tepla, uvažovaných 20 tis. Kč/rok.
Obr. 2 Bilance celkových nákladů (investičních a provozních, bez DPH) pro variantu s výměníkovou stanicí a variantu s tepelnými čerpadly
Z porovnání na Obr. 2 je patrné, že investice do tepelných čerpadel je výhodnější již v časovém úseku 6 let. Oproti rekonstrukci je to dáno především vysokým počátečním nákladem na výměníkovou stanici.
Závěr
Uvedené dva konkrétní příklady z praxe zastupují dva odlišné případy nasazení tepelných čerpadel v bytových domech. V rámci rekonstrukcí bytových domů je realizace tepelných čerpadel obecně obtížně prosaditelná, a navíc ekonomika nasazení tepelných čerpadel (a odpojení od CZT) vykazuje vysoké investiční a provozní náklady, zvláště pokud se do nich promítá i reinvestice do technologie po skončení doby životnosti. Naproti tomu, v případě plánování novostaveb bytových domů, kde výměníková stanice je pouze jedním z variantních řešení s vlastními investičními náklady, může mít realizace tepelných čerpadel výhodnější ekonomické parametry, přestože z pohledu energetické efektivity nedosahují tepelná čerpadla v bytových domech takové účinnosti jako v rodinných domech.
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.
The paper shows the difference in the economic parameters of the use of heat pumps in multi-dwelling buildings between the case of reconstruction and new building. The examples show the balances of two specific studies prepared in 2017 and 2018 for customers. While heat pumps in apartment building reconstructions can be advantageous only at relatively high energy prices above 700 CZK / GJ, in new buildings they can be an economical source of heat.
