Vliv provozu na energetickou účinnost absorpčních plynových tepelných čerpadel
Energeticky a nákladově zajímavou alternativou pro vytápění a přípravu teplé vody ve středně velkých a velkých budovách mohou být absorpční plynová tepelná čerpadla, jak ukazují výsledky analýzy tří různě řešených kotelen.
S rostoucími cenami energií a se zvyšujícím se poměrem mezi cenou plynu a elektřiny mohou plynová tepelná čerpadla představovat zajímavou alternativu k tradičním elektrickým tepelným čerpadlům. Plynová tepelná čerpadla byla, a někdy stále i jsou, brána jen jako jakási alternativa pro instalace, kde není dostatečná elektrická přípojka. Při současných cenách energií, viz tabulku 1, však mohou být zajímavou alternativou pro středně velké a velké budovy. Stabilní výkon při vyšších provozních teplotách a snadná kombinací s plynovými kotli může představovat zajímavé řešení pro objekty s velkou tepelnou ztrátou.
| Cena za kWh [Kč] | |
|---|---|
| Plyn1 | 1,83 |
| Elektřina2 | 4,69 |
| 1 Ceník ČEZ plyn na dobu neurčitou pro distribuční území GASNET platný od 1. 1. 2025 (celková jednotková cena včetně DPH – topím hodně) 2 Ceník ČEZ elektřina na dobu neurčitou pro distribuční území ČEZ platný od 1. 1. 2025 (celková jednotková cena včetně DPH – sazba d56d nízký tarif) | |
Pokud zohledníme u jednotkové ceny za kWh sezónní (Seasonal) účinnost Sη (kondenzační kotel), sezonní topný faktor SCOP (elektrické tepelné čerpadlo) a sezonního faktoru využití plynu SGUE (plynové tepelné čerpadlo), dostaneme velmi podobné výsledky u obou typů tepelných čerpadel, jak je uvedeno v tabulce 2.
| Zdroj | Cena za kWh tepla [Kč] | |
|---|---|---|
| Kondenzační kotel | Sη = 0,9 | 2,1 |
| Elektrické čerpadlo | SCOP = 3 | 1,5 |
| Plynové čerpadlo | SGUE = 1,3 | 1,4 |
U plynového tepelného čerpadla není započtena cena za pomocnou elektrickou energii (ventilátor, topný kabel, elektronika). Ta představuje cca 0,10 Kč na každou 1 kWh tepla. Hodnoty obou tepelných čerpadel pak budou vycházet velice podobně, a to cca 30 % pod jednotkovou cenou tepla z kondenzačního kotle. Tepelná čerpadla, ať už elektrická nebo plynová, jsou však oproti kondenzačním kotlům mnohem citlivější na způsob provozu.
Obr. Příklad aplikace dvou tepelných čerpadel Robur GAHP A pro vytápění základní školy T.G.M. Poděbrady (Foto a copy: Robur s.r.o.)
Vliv provozu
Hlavními faktory, které ovlivňují energetickou účinnost zdroje, jsou oscilace systému a hodnota žádané teploty vody. Ty lze do určité míry ovlivnit regulací. Ta však má jen omezené možnosti. Naprosto klíčovou roli zde hraje návrh systému. To, jak je systém navržen s ohledem na provoz tepelného čerpadla, tedy je-li vhodně dimenzován výkon zdroje, je-li hydraulicky vyvážen (tlak, průtok) a má-li dostatečnou akumulaci, se významně projeví na celkové energetické efektivitě provozu celého systému díky plynulému chodu zařízení. Naprosto zásadní roli pak hraje samotná volba hydraulického zapojení, a to především ve vztahu k žádané teplotě vody. Jde například o společný ohřev otopné vody pro vytápění, přípravu teplé vody, otopné vody pro vzduchotechniku, či vody pro technologické procesy. Zde i marginální spotřeba tepla s vysokou žádanou teplotou, pokud není oddělena od většinové s nižší žádanou teplotou, může degradovat efektivitu celého systému. I proto se v současnosti klade větší důraz na hodnocení systému vytápění jako celku nad rámec hodnocení samotného zdroje. Tento požadavek má své opodstatnění, jelikož efektivita celého systému je rozhodujícím faktorem určujícím výslednou úsporu energií a financí. Zásadní roli plní především u rozsáhlých systémů, kde je výsledná energetická účinnost tvořena účinností řady dílčích technologií.
Hodnocení plynové kotelny
Pro potřeby hodnocení energetické účinnosti plynové kotelny se používá faktor využití plynu GUE (Gas Utilization Efficiency) a faktor primární energie PER (Primary Energy Ratio). Faktor využití plynu zohleduje energetickou účinnost využití zemního plynu k dodanému (spalnému) teplu v plynu. Faktor primární neobnovitelné energie pak zohledňuje celkovou dodanou energii, tedy plyn i elektřinu převedenou na primární energii, k dodanému teplu. Tyto parametry lze použít jak pro hodnocení samotného zdroje, tak pro hodnocení celého systému (∑GUE a ∑SPER). Ty jsou vypočtené ze vztahů:
kde je
- Qc.
- celková produkce tepla [Wh]
- Qgen.
- teplo vzniklé spalováním plynu [Wh]
- Qe.e.
- spotřeba elektrické energie [Wh]
- fgas
- faktor primární energie pro zemní plyn [–]
fgas = 1,0, dle Directive EU (2018/844) - fe.e.
- faktor primární energie pro elektrickou energii [–]
fe.e. = 2,6, dle Directive EU (2018/844)
Měření energetické účinnosti
V rámci měření bylo testováno plynové absorpční tepelné čerpadlo GAHP A vzduch/voda od firmy Robur v kombinaci s kondenzačním kotlem na třech různých hydraulických zapojeních. V prvním případě byla využita kaskáda pouze pro vytápění, v druhém případě pro vytápění a přípravu teplé vody (čtyř-trubkově zapojení) a v posledním třetím případě pro kombinovaný ohřev otopné vody pro vytápění a přípravu teplé vody (dvou-trubkové zapojení).
1. Vytápění kaskádou plynových čerpadel GAHP A (vzduch/voda) a kondenzačních kotlů
Zapojení kaskády plynových tepelných čerpadel a kondenzačních kotlů je zobrazeno na obrázku 1. Zdroje jsou zapojeny paralelně na primárním okruhu. To umožňuje kaskádové řízení. Plynová čerpadla mají prioritu a pokrývají naprostou většinu roční spotřeby tepla. Pokud není jejich výkon dostatečný, připojí se plynové kondenzační kotle. Ty mají rychlý reakční čas a velmi dobrou výkonovou modulaci. To z nich činní kvalitní doplňkový zdroj. Díky senzitivnímu řízení kaskádovým řadičem dodají kotle pouze chybějící část výkonu tak, aby byl zajištěn komfort v budově a zároveň nebyla narušena plynulost chodu tepelných čerpadel. Akumulační nádrž je zapojena protiproudně. Jde o zapojení pro rozsáhlejší systémy s více topnými okruhy, které vyžadují hydraulický oddělovač. Okruhy vytápění jsou připojeny přes rozdělovač a sběrač.
Obr. 1 Vytápění kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů
Při tomto zapojení bylo dosaženo faktoru využití plynu u tepelného čerpadla 1,36 a účinnosti kotle 0,89. Faktor celkové primární neobnovitelné energie celého systému vytápění pak byl 1,13.
2. Vytápění a ohřev teplé vody kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů (čtyř-trubka)
Čtyř-trubkové zapojení pro výtápění a ohřev teplé vody kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů je na obrázku 2. Hydraulické zapojení systému vytápění je shodné. Oproti předchozímu zapojení je zde však doplněna příprava teplé vody. Ta je řešena předehřevem v akumulační nádrži a odděleným ohřevem v zásobníku teplé vody. Jde o velmi praktické zapojení. V zimě, kdy je větší spotřeba teplé vody, je z velké části ohřívána v akumulačním zásobníku, přičemž kotel pak „pouze“ dohřeje předehřátou vodu na žádanou teplotu. Tepelné čerpadlo tak pracuje v optimálních podmínkách pro vytápění dle ekvitermní křivky a kotel doplňuje jen malý podíl kde by čerpadlo nepracovalo efektivně. Studená pitná voda proudící přes výměník v akumulační nádrži navíc dále snižuje teplotu vratné vody do tepelného čerpadla. To se projeví zvýšením topného faktoru.
Výhodné je i to, že kotel je připojen přes třícestný ventil. Může proto nezávisle připravovat teplou vodu, pracovat jako špičkový zdroj pro vytápění a být i částečnou výkonovou rezervou pro případ výpadku činnosti tepelného čerpadla.
Obr. 2 Vytápění a příprava teplé vody kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů (čtyř-trubka)
Při tomto zapojení bylo dosaženo faktoru využití plynu u tepelného čerpadla 1,41 a účinnosti kotle 0,86. Faktor celkové primární neobnovitelné energie celého systému vytápění pak byl 1,06.
3. Kombinovaný ohřev vytápění a teplé vody kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů (dvou-trubka) – takto ne!
Zapojení, se kterým se bohužel v praxi stále velice často setkáváme, je kombinovaný ohřev otopné vody a příprava teplé vody tepelnými čerpadly tak, jak je to schematicky znázorněno na obr. 3. V tomto zapojení musí být trvale udržována teplota otopné vody na technickém maximu podle požadavků průtokového způsobu přípravy teplé vody přes trubkový výměník v akumulační nádrži. Teplota otopné vody pro vytápění pak musí být regulována směšováním se zpátečkou, tedy snižováním teploty již na vstupu do rozdělovače nebo na vstupu do jednotlivých topných okruhů, případně k omezování zbytečně velkého výkonu otopných těles při takto vysoké teplotě dochází až termostatickými ventily až na otopných tělesech. To způsobuje významné zhoršení topného faktoru, jak trvalým provozem tepelných čerpadel, případně i plynového kondenzačního kotle na vysoké teploty, tak oscilací systému vyvolané zavíráním termostatický ventilů.
Obr. 3 Vytápění a ohřev teplé vody kaskádou plynových čerpadel a kondenzačních kotlů (dvou-trubka)
Při tomto zapojení bylo dosaženo faktoru využití plynu u tepelného čerpadla 1,16 a účinnosti kotle 0,87. Faktor celkové primární neobnovitelné energie celého systému vytápění byl 0,96.
Přehled výsledků
Faktor využití plynu samotného čerpadla se pohyboval v intervalu 1,16 až 1,41. Celkový sezónní poměr primární energie sledovaných kotelen se pohyboval v rozsahu 0,96 až 1,13. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3.
| Číslo instalace | Teplo dodané GAHP | Teplo dodané Kotel | Celková spotřeba elektrické energie | GAHP | Kotel | Kotelna | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| QC [MWh] | QCk [MWh] | Qee [MWh] | GUE [–] | SPER [–] | ηk [–] | GUEos [–] | SPERos [–] | |
| 1 | 92,52 | 2,42 | 3,37 | 1,36 | 1,23 | 0,89 | 1,31 | 1,13 |
| 2 | 58,31 | 11,27 | 2,2 | 1,41 | 1,27 | 0,86 | 1,28 | 1,06 |
| 3 | 301,17 | 3,39 | 10,1 | 1,16 | 1,08 | 0,87 | 1,14 | 0,96 |
Nejlepšího celkového hodnocení bylo dosaženo v případě č. 1, tedy v kotelně, kde kaskáda zdrojů pracovala pouze pro vytápění. Zde mohl být optimálně využit potenciál tepelného čerpadla. V tomto zapojení byl také naměřen nejmenší rozdíl mezi hodnotícími parametry tepelného čerpadla a celé kotelny.
Nejlepších výsledků pro vytápění a přípravu teplé vody bylo dosaženo v případě č. 2 s odděleným ohřevem vody a s částečným předehřevem. Tepelné čerpadlo mohlo optimálně pracovat v režimu vytápění a částečně se podílet i na ohřevu teplé vody. Podíl energie dodané kotlem na dohřev teplé vody se však již projevil na zhoršení hodnotících parametrů celého systému oproti výsledkům samotného čerpadla.
Nejméně příznivých výsledků bylo dosaženo v případě 3 s kombinovaným ohřevem, a to i přes vyšší podíl tepelných čerpadel na produkci tepla, než byl v případě č. 2. Příčinu lze hledat už v nízkém faktoru využití plynu samotnými tepelnými čerpadly, jenž je způsoben trvale vysokou žádanou teplotou.
Účinnosti samotných kondenzačních kotlů se pohybovaly v hodnotách 86 až 89 %. Nejvyšší hodnoty 0,89 bylo dosaženo, když kondenzační kotel pracoval jako špičkový zdroj k GAHP v ekvitermním provozu pouze pro vytápění.
Závěr
U návrhu, kde byla dodržena základní projekční pravidla, bylo v obou případech dosaženo vyššího než očekávaného topného faktoru plynového tepelného čerpadla, tedy GUE > 1,3. Faktor primární energie celé kotelny pak byl 1,13 pouze pro vytápění (případ 1) a 1,06 pro vytápění a ohřev teplé vody (případ 2). Faktor primární energie celé kotelny pracující pouze s kondenzačními kotli pro kombinovaný ohřev má hodnotu cca 0,7. I v tomto případě tak byla dosažena očekávaná úspora. Z měření tak vyplývá, že pokud jsou dodržena základní projekční pravidla, lze s plynovými tepelnými čerpadly očekávat obdobné jednotkové náklady na provoz jako s elektrickými tepelnými čerpadly, a to představuje úsporu cca 30 % oproti provozu jen se samotnými kondenzačními kotli.
