Tepelné čerpadlo země-voda, pasivní chlazení a příprava teplé vody
Využití nižší teploty ve vrtu u tepelného čerpadla pro chlazení interiéru domu je doporučováno s ohledem na tepelnou regeneraci vrtu. Souběžně může zefektivnit přípravu teplé vody.
Ekonomickou návratnost vrtu pro TČ zkrátí jeho využití i pro pasivní chlazení (Foto: AVTČ)
Úvod
Provést bilanci potřeby energie na chlazení interiéru rodinného domu lze pomocí vhodného software, pokud je přesně definován provoz domu a stejně tak přesně i klimatické poměry. Již na první pohled je zřejmé, že definovat provoz domu tak, aby přesně odpovídal skutečnosti, není možné. Stejně tak nelze definovat skutečný průběh klimatických poměrů, jako je teplota venkovního vzduchu, intenzita slunečního záření, síla větru aj. Působí i stavebně technické parametry domu, například tepelně akumulační schopnost stavebních konstrukcí. Ve snaze se co nejvíce výpočtově přiblížit skutečnosti se zkracují časové kroky – úseky, po jejichž dobu trvání se předpokládá určitý, přesně definovaný stav. Není tomu tak dávno, co pro vytápění i chlazení byl základem jeden den. Nyní je základem 1 hodina a provádějící se analýzy pracující s 15 a méně minutami.
V následující stati neočekávejte přesnou, detailní a komplexní analýzu výhodnosti pasivního chlazení pro činnost tepelného čerpadla země-voda s vrtem. Jednoduchý rozbor situace je omezen jen na vzájemné působení pasivního chlazení a přípravy teplé vody. Výsledky jsou sice jen částečné a orientační, ale naznačují úsporný potenciál pasivního chlazení pro činnost tepelného čerpadla.
Kdy se využívá pasivní chlazení?
Pasivní chlazení, free coolig, v případě tepelného čerpadla země-voda znamená, že nadbytečná tepelná energie z přehřátého interiéru domu je odváděna do chladného vrtu. Pro přestup tepla se využívá teplotní rozdíl mezi teplotou v interiéru a teplotou ve vrtu. Tento teplotní rozdíl není zvyšován činností tepelného čerpadla. Velikost teplotního rozdílu závisí na konkrétních poměrech v domě a vrtu a během roku se mění.
Pokud nejde o přechodné období, kdy není v rodinném domě třeba interiér vytápět ani chladit, se tedy buď jen vytápí nebo jen chladí. Rodinné domy jsou provozně jednoduché stavby, ve kterých se běžně neřeší souběžný provoz chlazení a vytápění podle potřeb jednotlivých místností. Je-li třeba interiér chladit, bude v provozu pasivní chlazení.
Energetický potenciál
Podle sdělení autora článku [1], tedy ze zkušeností odborných firem, které se dlouhodobě zabývají problematikou tepelných čerpadel země-voda a mají zkušenosti s pasivním chlazením interiéru velkoplošným systémem využívaným i pro vytápění vyplývá, že v úsporném rodinném domě, cca 200 m2, tepelná ztráta cca 6 kW, lze orientačně uvažovat až s 1000 provozními hodinami chlazení ročně. Stanovit dobu činnosti pasivního chlazení jen na základě doby, kdy běží oběhové čerpadlo na primárním okruhu s vrtem a tepelné čerpadlo stojí, nebude přesné. Skutečná doba bude delší, neboť pasivní chlazení může být v provozu i souběžně s činností tepelného čerpadla, které v dané době zajišťuje přípravu teplé vody.
Délka provozu pasivního chlazení v rámci jednoho dne se samozřejmě mění. Vzhledem k relativně nižšímu chladicímu výkonu oproti strojní klimatizaci a omezení, které vytváří aktuálně dostupný teplotní spád, může délka provozu během dne přesáhnout i více než 12 hodin.
Pro pasivní chlazení jsou obecně doporučovány vrty o hloubce do cca 100 m. Při větší hloubce roste teplota ve vrtu a chladicí výkon klesá. Pro teplotní spád při chlazení 18/21 °C (velkoplošné systémy) je u běžné horniny dosažitelný výkon cca 30 W/m vrtu (2trubková sonda), resp. 37 W/m (4trubková sonda). Pro teplotní spád 12/16 °C je dosažitelný výkon cca 12 W/m (2trubková sonda), resp. 16 W/m (4trubková sonda). Doporučený teplotní spád pro stropní chlazení je 16/20 °C. Pro podlahové chlazení se obvykle volí vyšší teplotní spád 18/22 °C až 20/24 °C, i kvůli komfortnější povrchové teplotě [2]. A nesmí se opomenout riziko podkročení rosného bodu vzduchu a kondenzace vodních par na chlazeném povrchu.
Pro chlazení lze v domě s podlahovou plochou asi 200 m2 (tepelná ztráta okolo 6 kW) počítat orientačně s tepelnými zisky okolo 2 až 4 kW [3].
Bilance teplé vody a pasivního chlazení
Přesně vzato by bylo nutné začít s četností výskytu venkovní teplot, při kterých lze očekávat nutnost chlazení, zahrnout proměnlivý vliv oblačnosti, proměnlivý vliv aktivit lidí v domě a různých spotřebičů. Toto nechť provedou odborníci, vědci, kteří k tomu mají vypracovány softwareové nástroje. Já tuto úlohu velmi zjednoduším. Neboť nejde o přesný výsledek, ale jen o základní stanovení hranic a posouzení významu pasivní chlazení s využitím vrtů.
Délka topné sezóny se mění. Například sezóna 2020/2021 byla podle údajů Teplárenského sdružení dlouhá 238 dnů, což bylo o 9 více, než průměr dekády 229 dnů. U úsporného domu lze z hlediska vytápění počítat s kratší dobou otopné sezóny, 215 dnů, ale i méně. Vliv mají například tepelně akumulační vlastnosti stavebních konstrukcí, které se mohou v teplejší části dne „předzásobit“ teplem a toto teplo vydávat v chladné části dne a takový den pak do topné sezóny nepatří. Během topné sezóny se interiér domu chladit nebude. To znamená, že na chlazení domu zbývá méně jak cca 150 dnů. Dům postavený v souladu se stavebně technickými předpisy vlivem tepelné setrvačnosti potřebnou dobu chlazení interiéru zkracuje. Obdobně, jako se tak děje při vytápění, ale v opačném směru toku tepla. Proto dále uvažuji jen se 100 dny provozu pasivního chlazení ročně. Zmíněných 1000 hodin provozu pasívního chlazení za rok tomuto rozsahu provozních dnů může odpovídat.
Bylo již uvedeno, že u vrtu o hloubce cca 100 metrů lze uvažovat s chladicím výkonem 37 W/m (4trubková sonda) a že tepelné zisky u úsporného RD s cca 200 m2 se pohybují okolo 2 až 4 kW. Chladicí výkon takového vrtu by mohl pro takový dům postačovat. Jaké maximální množství energie může být během chlazení do vrtu odvedeno? 1000 hodin chlazení za rok s maximálním chladicím výkonem 4 kW dává 4000 kWh. Ve skutečnosti to bude méně, ale máme takto určeno přibližné maximum.
Uvažuji průměrnou každodenní potřebu teplé vody 4členné domácnosti o objemu 160 litrů. Teplota studené pitné vody je 10 °C a ohřívá se na 50 °C. Za takových podmínek je na ohřev vody zapotřebí 7,4 kWh/den a protože se teplá voda ukládá do zásobníku, tak včetně tepelných ztrát ze zásobníku cca 1,6 kWh/den musí tepelné čerpadlo dodat dohromady cca 9 kWh/den tepelné energie [5]. Za rok tedy 365 × 9 = 3285 kWh/rok. Všechnu tuto energii však tepelné čerpadlo pro přípravu teplé vody z vrtu neodebere. Uvažujme, že tepelné čerpadlo při přípravě teplé vody vzhledem k jejímu ohřevu na 50 °C pracuje s topným faktorem 3. Potom z vrtu odebere 3285/3 = 2190 kWh/rok a 1095 kWh/rok jde na konto spotřebované elektrické energie. Během doby 100 dnů, kdy uvažuji pasivní chlazení, je to 900 kWh/rok. Z vrtu se odere 600 kWh tepla a zbytek 300 kWh má původ v dodané elektrické energii.
Potřeba tepla na vytápění a podíl regenerace
Posoudit význam regenerace vrtu pomocí pasivního chlazení pomůže určení roční potřeby tepla na vytápění. K jejímu orientačnímu určení jsem využil Porovnání nákladů na vytápění, teplou vodu a elektrickou energii – TZB-info, viz [7]. Při zadání celkové tepelné ztráty 6 kW pro střední klimatickou oblast s výpočtovou teplotou −15 °C a délky topné sezóny 215 dnů vychází potřeba tepla pro vytápění 7318 kWh/rok, zaokrouhleně 7300 kWh/rok. V tomto případě lze u tepelného čerpadla počítat s vyšším topným faktorem, například 4, protože pro velkoplošnou otopnou soustavu postačí otopná voda o teplotě max. 35 °C. S tímto topným faktorem odebere tepelné čerpadlo z vrtu cca 5480 kWh/rok a zbytek 1820 kWh/rok bude mít původ v dodané elektrické energii.
V souhrnu tedy, za vytápění 5480 kWh/rok a za přípravu teplé vody 2190 kWh/rok, by se z vrtu odebralo cca 7670 kWh/rok.
a) Pokud je pro stanovení významu regenerace vrtu pasivním chlazením použit maximalistický předpoklad, pak roční bilance vrtu bude:
kde záporné znaménko znamená množství tepla vyčerpaného z vrtu, které musí být nahrazeno teplem z okolí vrtu.
b) Pokud se budeme držet „při zemi“ a teplo vracené do vrtu na základě pasivního chlazení snížíme například na polovinu, tak bilance bude:
I ve variantě b), která je z hlediska přiblížení se k praxi mnohem bezpečnější, může být podíl tepla vraceného do vrtu pasivním chlazením na velmi vysoké úrovni cca 26 %. Jde tedy o významnou skutečnost, se kterou by projektanti měli pracovat.
Upozornění: Aplikovat výše uvedené závěry bez jejich zpřesnění vzhledem ke konkrétním poměrům v domě a místě aplikace tepelného čerpadla a vrtu na návrh hloubky vrtu může vést k fatální chybě!
Příprava teplé vody versus pasivní chlazení
Ve výše uvedené bilanci je počítáno s topným faktorem tepelného čerpadla při přípravě teplé vody rovným 3. Velikost topného faktoru závisí na rozdílu teplot prostředí, ze kterých se teplo odebírá a do kterých se předává. Při pasivním chlazení s podlahovým chlazením se obvykle volí teplotní spád 18/22 °C až 20/24 °C. To tedy znamená teplotu zpátečky cca 22 až 24 °C. Přitom teplota teplonosné látky přiváděné z vrtu bude na úrovni cca o 10 °C níže.
Obr. 1 Základní doporučované schéma pro zapojení TČ země-voda s vrty pro vytápění a pasivní chlazení (Zdroj: www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz)
Ze schématu na obr. 1 vidíme, že v době mimo činnost TČ pro přípravu teplé vody do systému chlazení vstupuje nemrznoucí směs z vrtů o teplotě 12 °C. Aby nedošlo k podkročení rosného bodu a k nežádoucí kondenzaci vodních par ze vzduchu, zvyšuje se teplota směšováním. Při odvádění tepla, ve výměníku, dochází ke zvýšení teploty nemrznoucí směsi, která je vracena do vrtů. Při přípravě teplé vody v takto navrženém režimu musí tepelné čerpadlo zvýšit teplotu pracovní látky, chladiva, z méně než 12 °C na více než 50 °C, aby byl k dispozici teplotní spád pro ohřev pitné vody na 50 °C. To znamená pracovní teplotní rozdíl 40 K a větší. Tomu může odpovídat zvolený topný faktor 3.
Obr. 2 Upravené schéma. (Zdroj: autor)
Pokud by schéma bylo řešeno tak, aby se na vstup tepelného čerpadla při přípravě teplé vody dostávala ohřátá nemrznoucí směs vracející se z okruhu chlazení, vytvářelo by to pro činnost tepelného čerpadla výhodnější podmínky, viz obr. 2. Pracovní teplotní rozdíl TČ by se mohl snížit o deset i více K. Vzhledem k vlastnostem kvalitních tepelných čerpadel by topný faktor mohl vzrůst ze 3 na 4. Bylo odvozeno, že s topným faktorem 3 by byla potřeba elektrické energie na pohon TČ na přípravu teplé vody během doby chlazení cca 300 kWh/rok. Zvýšení topného faktoru na 4 by přineslo snížení potřeby na 300 × 3/4 = 225 kWh/rok. Tedy orientačně úsporu 75 kWh/rok. Není to moc. Vzhledem k růstu cen energií a délce životnosti systému to však stojí za úvahu.
Každý výměník tepla ke své činnosti vyžaduje teplotní spád. Návrh výměníku pro pasivní chlazení počítá s malým spádem do cca 2 K. Nicméně i tento teplotní spád snižuje energetický potenciál. V některých případech proto může být výhodnější řešit systém pasivního chlazení na bázi přenosu tepla přímo nemrznoucí směsí z primárního okruhu TČ. Není to myšlenka nová, takové systémy existují. Pokud lze na primárním okruhu TČ s vrtem v blízkosti TČ instalovat hydraulicky vhodné tvarovky, T-kusy, nabízí se tuto variantu pasivního chlazení propočítat a případně instalovat i dodatečně.
Závěr
Z výše uvedeného je zřejmé, že v případě tepelného čerpadla s vrtem by bylo chybou se nezabývat využitím pasivního chlazení a pominout analýzu možných úspor energie. V článku byly orientačně naznačeny souvislosti vyplývající ze součinnosti pasivního chlazení a přípravy teplé vody pomocí TČ. Nebyl nijak hodnocen význam tepelné regenerace vrtu pro vytápění, který je nesporný, nicméně jeho přínos závisí i na geologických poměrech okolo vrtu. Za posouzení výhodnosti, návrh regulace a optimální hydrauliku odpovídá projektant. Je chybou zákazníků, pokud tuto odpovědnost neprosadí do smlouvy s dodavatelem.
Zdroje
- Pasivní chlazení geotermálními vrty. P. Dědina, TZB-info, 2024.
https://vytapeni.tzb-info.cz/velkoplosne-chlazeni/27334-pasivni-chlazeni-geotermalnimi-vrty - Projektuj tepelná čerpadla 5. díl – Chlazení tepelným čerpadlem. TZB-info, 2020.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/20869-projektuj-tepelna-cerpadla-5-dil-chlazeni-tepelnym-cerpadlem - Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 5.: Pasivní chlazení. P. Michal, J. Hodboď, TZB-info, 2022.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/23756-zkusenosti-s-provozem-tepelnych-cerpadel-pasivni-chlazeni - Tepelná čerpadla se systémy plošného vytápění a chlazení. TZB-info, 2015.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/13026-tepelna-cerpadla-se-systemy-plosneho-vytapeni-a-chlazeni - Zásobník pro přípravu teplé vody (bojler) s tepelným čerpadlem vzduch-voda. Část 2/2. J. Hodboď, TZB-info, 2023.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/25100-zasobnik-pro-pripravu-teple-vody-bojler-s-tepelnym-cerpadlem-vzduch-voda-cast-2-2 - Vrt pro tepelné čerpadlo – model dlouhodobé energetické bilance – 3. část. J. Uhlík, TZB-info, 2010.
https://oze.tzb-info.cz/geotermalni-energie/6501-vrt-pro-tepelne-cerpadlo-modelovani-dlouhodobe-energeticke-bilance-3-cast - Porovnání nákladů na vytápění, teplou vodu a elektrickou energii – TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/138-porovnani-nakladu-na-vytapeni-teplou-vodu-a-elektrickou-energii-tzb-info
Odborný článek shrnuje a potvrzuje jednoznačný význam a smysluplnost využití pasivního chlazení v souvislosti se zdrojem energie v podobě tepelného čerpadla země-voda s vrtem.
Autor se neváže k přesným číslům a výpočtům a je si zcela vědom složité problematiky co do okrajových podmínek ať už z pohledu užívání objektu, stavebního řešení, klimatu i geologie. Systémů však na trhu každoročně přibývá a s tím přibývají i reálné zkušenosti, které jsou často tím nejlepším „návrhovým programem“. Z těchto zkušeností často vyplývají dokonce vyšší reálné účinnosti systémů TČ s vrty, kdy v průměru při nízkoteplotních podlahových systémech dosahujeme reálných COP vyšších než 5,0; pro přípravu TV i díky pasivnímu chlazení (a také často nižší potřebě cílové teploty TV) na úrovni cca 3,5.
Právě pozitivnímu vlivu pasivního chlazení na přímé zvýšení účinnosti při přípravě TV se článek blíže věnuje. Přímé využití odpadního tepla ze systému chlazení se nabízí. Z pohledu regenerace vrtu sice přijdeme o určitý potenciál, teplotu, která je napřímo využita na výměníku TČ, význam však může být vyšší. Jsou to spojené nádoby a reálný přínos bude značně závislý i na hydrogeologických podmínkách – konkrétně na kapacitě prostředí a dynamice/přítomnosti podzemních vod. Stejně tak je třeba brát v potaz současnost chlazení a přípravy TV, která se také nemusí vždy potkat.
V každém případě tento článek dokázal, že tímto systémem lze jednou ranou zabít ne jen dvě, ale i tři pomyslné mouchy – tedy chlazení, regeneraci a zvýšení účinnosti přípravy TV v letním období.
