Plynové tepelné čerpadlo a energetická náročnost budovy: příklad výpočtu
Energetičtí specialisté se s plynovými tepelnými čerpadly setkávají méně často. Malé zkušenosti mohou vést k chybnému hodnocení energetické náročnosti budovy. V článku je uveden příklad správného postupu.
Ilustrační obrázek: Kaskáda plynových tepelných čerpadel v budově základní školy
Úvod
Při hodnocení energetické náročnosti budov, ať už pro potřeby stavebního řízení, předběžného výpočtu, výpočtu pro dotační tituly nebo i jiné účely, musí energetický specialista definovat technický systém budovy. Tento systém zahrnuje otopnou soustavu se zdrojem nebo soustavou zdrojů tepla, kterými mohou být plynová tepelná čerpadla. Plynová tepelná čerpadla vstupují do výpočtů obdobně jako elektrická kompresorová tepelná čerpadla. Součástí celkové dodané energie do budovy je energie okolního prostředí, tj. energie získaná z prostředí (vzduch, země, voda). Celková bilance dílčí dodané energie na vytápění je tedy součtem energie ze sítě (elektřina nebo plyn) a energie okolního prostředí. Proto je celková bilance dodané energie pro tepelná čerpadla s různými SCOP nebo GUE shodná.
Ve srovnání s kondenzačním plynovým kotlem vykazuje celková dodaná energie u plynového tepelného čerpadla podobné hodnoty, pokud nejsou zásadní rozdíly v účinnosti distribuce a sdílení tepla. Rozdíly v energetické náročnosti jednotlivých technických řešení se projevují především v hodnotách primární energie z neobnovitelných zdrojů. V článku je popsán obecný pohled na energetickou náročnost absorpčních plynových tepelných čerpadel.
Obecně platí, že při stanovení celkové dodané energie pro tepelná čerpadla je zahrnuta energie z distribuční sítě (elektřina nebo plyn), energie okolního prostředí. Výsledky energetické bilance závisí na účinnosti zdroje tepla a dalších systémových parametrech.
Obr. 1 Princip výpočtu celkové dodané energie pro tepelné čerpadlo
Faktor využití plynu GUE u plynového tepelného čerpadla
Pro plynové tepelné čerpadlo se nepoužívá hodnota topného faktoru COP (Coefficient of Performance), ale faktor využití plynu GUE (Gas Utilization Efficiency) [4].
(1)
kde je
- Qc
- celková produkce tepla [Wh]
- Qgen
- teplo vzniklé spalováním plynu [Wh]
Ač jde na první pohled o totožnou hodnotu jako u COP, která udává poměr spotřeby pomocné energie k dodané energii, není tomu tak. Hodnota COP je vztažena k elektrické energii odebrané ze sítě, tedy k energii, k jejíž „výrobě“ již bylo potřeba vykonat nějakou práci. Hodnota GUE je naproti tomu vztažena k palivu. Rozdíl je zobrazen na obr. 2. I proto jsou hodnoty GUE výrazně nižší, než bývají hodnoty COP.
Obr. 2 Grafické znázornění výpočtu faktoru využití plynu oproti topnému faktoru (zdroj: Robur)
Pokud by se předpokládal modelový příklad, kdy elektrická energie je „vyráběna“ pouze z plynu, lze si i pro elektrické tepelné čerpadlo vypočítat faktor využití plynu. To se stanoví tak, že se zohlední spotřeba plynu pro získání jednotky elektrické energie. Pokud je pro názornost zvoleno středně teplotní tepelné čerpadlo s topným faktorem 3,8 a účinnost výroby a distribuce elektřiny 40 %, dosáhne se faktoru využití plynu 1,52, jak je zobrazeno na obr. 3.
Obr. 3 Využití primární energie pro plynové tepelné čerpadlo a kompresorové tepelné čerpadlo (zdroj: Robur)
Hodnoty výsledného faktoru se samozřejmě mohou měnit s ohledem na účinnost přeměny primárního paliva na elektrickou energii, ztráty v distribuci i samotný COP. Ten může být různý v závislosti na typu tepelného čerpadla. Stejně tak se může měnit GUE u absorpčního plynového tepelného čerpadla, jak je uvedeno na obr. 4.
Obr. 4 Faktor využití plynu různých plynových tepelných čerpadel (zdroj: Robur)
V praxi se pak neprojeví pouze hodnota topného faktoru a účinnost „výroby“ elektřiny, ale i energetický mix dané soustavy, tedy podíl různých paliv i OZE na elektřině odebírané ze sítě. Za tímto účelem se k reálnému hodnocení využívá faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů.
Topný faktor přepočtený na primární energii z neobnovitelných zdrojů
Faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů pro potřeby výpočtu energetické náročnosti budov uvádí vyhláška č. 264/2020 Sb., ve znění pozdějších předpisů [1], viz tab. 1.
| Energonositel | Faktor primární energie (vyhl. č. 264/2020 Sb. ve znění do 1. 9. 2024) | Faktor primární energie (vyhl. č. 264/2020 Sb. ve změnovém znění č. 222/2024 Sb. platném 1. 9. 2024) |
|---|---|---|
| Zemní plyn | 1,0 | 1,0 |
| Tuhá fosilní paliva | 1,0 | 1,0 |
| Elektřina | 2,6 | 2,1 |
| Kusové dřevo, dřevní štěpka | 0,1 | 0,1 |
| Energie okolního prostředí (elektřina a teplo) | 0,0 | 0,0 |
Pro zohlední faktoru primární energie na topném faktoru a na faktoru využití plynu se používá hodnota PER (Primary Energy Ratio) [2]. Ten se vypočte ze vztahu:
nebo
kde je
- COP
- topný faktor
- GUE
- faktor využití plynu
- fel
- faktor primární energie pro elektřinu
- fplyn
- faktor primární energie pro plyn
Při zohlednění faktoru primární energie pro použitý topný faktor tepelného čerpadla (3,8) a faktoru využití plynu pro plynové tepelné čerpadlo (1,64) uvádí hodnoty PER tabulka 2.
| Zdroj tepla | PER (vyhl. č. 264/2020 Sb. ve znění do 1. 9. 2024) | PER (vyhl. č. 264/2020 Sb. ve změnovém znění č. 222/2024 Sb. platném 1. 9. 2024) |
|---|---|---|
| Elektrické tepelné čerpadlo | 1,46 | 1,80 |
| Plynové tepelné čerpadlo | 1,64 | 1,64 |
Z tabulky je patrné, že před změnou vyhlášky dosahovalo vyšší hodnoty plynové tepelné čerpadlo. Se změnou vyhlášky došlo ke zvýšení hodnoty pro elektrické tepelné čerpadlo. Obě hodnoty vychází řádově podobně.
Emise CO2
Emise CO2 jsou vyjádřeny prostřednictvím emisních faktorů CO2 pro jednotlivé energonositele podle vyhlášky 140/2021 Sb., o energetickém auditu, viz tab. 3.
| Palivo nebo energie | CO2/MWh |
|---|---|
| černé uhlí | 0,330 |
| hnědé uhlí | 0,352 |
| topný a ostatní plynový olej | 0,267 |
| zkapalněný ropný plyn (LPG) | 0,237 |
| zemní plyn | 0,200 |
| elektřina | 0,860 |
Současně je třeba uvést, že primární energie fosilních paliv v daném roce vsazených (podle jednotlivých paliv) na výrobu elektřiny je násobena specifickými emisními faktory pro daná paliva (případně pro paliva příbuzná). Výsledná sumární hodnota je vydělena celkovou hrubou výrobou elektřiny v ČR. Emisní faktory CO2 ze spalování fosilních paliv ve výpočtu vycházejí z metodiky IPCC 2006 a národních emisních faktorů. Ve výpočtu jsou OZE uvažovány jako CO2 neutrální, tedy s nulovými emisemi. Jedná se o výpočet na základě podkladových dat Souhrnné energetické bilance ČR za rok 2022.
Hodnoty emisního faktoru CO2 elektřiny vypočítané na základě výše uvedené metodiky, nejsou totožné s hodnotami uvedenými ve vyhlášce 140/2021, o energetickém auditu. V této vyhlášce jsou hodnoty emisního faktoru CO2 stanovovány k určitém účelu (prosazování státní politiky) a vztahují se na výrobu elektřiny z fosilních zdrojů. V tab. 4 jsou uvedeny emisní faktory stanovené podle uvedené metodiky, zdroj MPO [3].
| Rok | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 | 2023 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| t CO2/MWh | 0,54 | 0,51 | 0,48 | 0,48 | 0,49 | 0,50 | 0,47 | 0,47 | 0,43 | 0,38 | 0,39 | 0,41 | 0,37 |
Při použití emisního faktoru uváděného vyhláškou a zohlednění topného faktoru a faktoru využití plynu jednotlivých zdrojů lze vypočítat emise oxidu uhličitého na jednotku energie pro konkrétní zdroj. Ty jsou uvedeny v tab. 5.
| Zdroj tepla | t CO2/MWh podle vyhlášky 140/2021 Sb. | t CO2/MWh podle reálných emisních faktorů (0,4 t CO2/MWh) |
|---|---|---|
| Elektrické tepelné čerpadlo (COP = 3,8) | 226 | 105 |
| Kondenzační kotel (η = 1,05) | 190 | 190 |
| Plynové tepelné čerpadlo (GUE = 1,65) | 121 | 121 |
Typické hodnoty parametrů plynových tepelných čerpadel pro výpočet energetické náročnosti budov
Pro výpočet energetické náročnosti budovy, dále jen ENB, je nezbytné zadat parametry technického systému – zdroj tepla. Typické hodnoty účinností technických systémů – zdrojů tepla lze najít primárně v technické normě ČSN 730331-1 [5], nebo lze vycházet z hodnot uvedených v technických listech výrobků, pokud jsou v kontextu parametrů pro výpočet ENB uváděny.
Zadávání parametrů tepelného čerpadla do softwaru pro hodnocení ENB je shodné pro kompresorová i plynová tepelná čerpadla. Klíčové je správné nastavení hlavního energonositele a zadání hodnoty COP u kompresorových čerpadel nebo GUE u plynových absorpčních čerpadel.
V případě plynových tepelných čerpadel se účinnost zdroje tepla ve výpočtu energetické náročnosti budov nahrazuje ročním provozním topným faktorem GUEH,gen pro vytápění a GUEW,gen pro soustavy přípravy teplé vody, které se stanoví podle vztahu
nebo
kde je
- GUEn
- jmenovitý (nominální) topný faktor tepelného čerpadla při jmenovitých podmínkách stanovený podle ČSN EN 12309-3; typické hodnoty uvádí tabulka Tab. 6,
- fH,GUE
- součinitel ročního provozu tepelného čerpadla pro vytápění [−], který je uveden v Tab. 7,
- fW,GUE
- součinitel ročního provozu tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody [−], který se stanoví podle Tab. 8 pro soustavy přípravy teplé vody.
| Druh tepelného čerpadla | Podmínky Zdroj energie / Odvod energie [°C / °C] | GUEn [−] |
|---|---|---|
| Země/voda (typ TČ Robur GAHP-GS) | 0 / 35 | 1,65 |
| Voda/voda (typ TČ Robur GAHP-WS) | 10 / 35 | 1,74 |
| Venkovní vzduch/voda (typ TČ Robur GAHP-A) | 2 / 35 | 1,62 |
Hodnoty fH,GUE a fW,GUE jsou vztaženy k podmínkám uvedeným v tabulce 7. Při podrobné znalosti všech souvislostí systémového řešení soustavy s tepelným čerpadlem lze parametr GUEH,gen nebo GUEW,gen stanovit přímo podle podkladů výrobce.
| Návrhová výstupní teplota otopné vody [°C] | Vzduch – voda (A2/W35) | Vzduch – voda (A7/W35) | Země – voda | Voda – voda |
|---|---|---|---|---|
| fH,GUE [−] | ||||
| 35 | 1,02 | 0,94 | 1,07 | 1,00 |
| 45 | 0,93 | 0,86 | 0,94 | 0,89 |
| 55 | 0,83 | 0,77 | 0,81 | 0,76 |
| 65 | 0,83 | 0,77 | 0,81 | 0,76 |
| Požadovaná teplota teplé vody [°C] | Vzduch – voda (A2/W35) | Vzduch – voda (A7/W35) | Země – voda | Voda – voda |
|---|---|---|---|---|
| fW,GUE [−] | ||||
| 40 | 0,94 | 0,86 | 0,86 | 0,80 |
| 50 | 0,77 | 0,71 | 0,66 | 0,61 |
| 60 | 0,60 | 0,55 | 0,45 | 0,42 |
Elektrický příkon plynových tepelných čerpadel se zadává jako další el. příkon v rámci pomocné energie k systému vytápění nebo přípravy TV a stanoví se z katalogového listu výrobku, nebo podle tabulky 9 na základě tepelného výkonu.
| Tepelný výkon [kW] | Paux,GUE,p [W] | ||
|---|---|---|---|
| Vzduch – voda | Země – voda | Voda – voda | |
| 10–20 | 121 | 78 | 66 |
| 20–30 | 182 | 118 | 99 |
| 30–40 | 325 | 210 | 175 |
| 40–50 | 520 | 335 | 280 |
Proměnlivý příkon plynového tepelného čerpadla v čase vyjadřuje korekční činitel faux,GUE,p
| faux,GUE,p [−] | ||
|---|---|---|
| Vzduch – voda | Země – voda | Voda – voda |
| 0,8 | 0,65 | 0,65 |
V případě využití hodinového kroku výpočtu lze zadat do výpočetního SW, např. Energie 2025, přímo výkonovou křivku tepelného čerpadla. V případě výpočetního SW energie se pak jedná o vstup viz následující obr. 5.
Obr. 5 Zadání detailních výkonových křivek v SW Energie 2025
Pro tyto účely lze požít níže uvedené údaje pro jednotlivá teplená čerpadla. Jak je uvedeno v nápovědě SW, tak hodnoty pro TČ země/voda, voda/voda je nutné ekvivalentně přizpůsobit TČ vzduch/voda. Hodnoty tepelného výkonu stanovit podle charakteristiky tepelného čerpadla a výstupní teploty teplonosné látky, viz obr. 6.
Obr. 6 Výkonové charakteristiky plynových tepelných čerpadel v závislosti na výstupní teplotě a teplotě obnovitelného zdroje (GAHP A – vzduch/voda, GAHP GS – země/voda, GAHP WS – voda/voda)
Závěr
Energetická náročnost plynových tepelných čerpadel je hodnocena na základě jejich technických parametrů. Pro zajištění vysoké účinnosti je nutné detailní nastavení parametrů systému (např. výstupní teplota otopné vody, provozní režim tepelného čerpadla) v souladu s doporučeními výrobce a normami. V případě hodnocení energetické náročnosti budov je vhodné přesné zadání výkonových křivek tepelného čerpadla a hodinový krok výpočtu, pomocí kterého lze stanovit podíl bivalentních zdrojů např. v podobě plynového kotle. Tento přístup zvýší přesnost hodnocení energetické náročnosti a zajistí lepší optimalizaci systému.
Zdroje
- Ministerstvo průmyslu a obchodu. (2020). Vyhláška č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov. Sbírka zákonů České republiky. Dostupné z: https://www.zakonyprolidi.cz/cs/2020-264
- Matuška, T. (2015). Parametry pro hodnocení efektivity soustav s tepelnými čerpadly: SPF a PER. TZB-info. Dostupné z: https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/13272-parametry-pro-hodnoceni-efektivity-soustav-s-tepelnymi-cerpadly-spf-a-per
- MPO [online], 2024. MPO [cit. 2024-08-14].
- Míšek, P. (2024). Sezónní energetická účinnost plynových tepelných čerpadel. TZB-info. Dostupné z:
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/26903-sezonni-energeticka-ucinnost-plynovych-tepelnych-cerpadel - Český normalizační institut. (2020). ČSN 730331-1: Energetická náročnost budov -- Typické hodnoty pro výpočet -- Část 1: Obecná část a měsíční výpočtová data. Praha: Český normalizační institut.
Energy specialists encounter gas heat pumps less often. Little experience can lead to an incorrect assessment of the energy performance of a building. The article provides an example of the correct procedure.
