Článek popisuje vývoj a realizaci experimentálního systému, který využívá letní produkci fotovoltaického systému pro provoz tepelného čerpadla ve spojení s nízkonákladovým zemním akumulátorem tepla. Demonstrační energetický systém společně se zemním zásobníkem byl v roce 2017 realizován v Hamrech u Hlinska a od října 2017 je monitorován.
V posledních letech lze ve výstavbě energeticky efektivních budov sledovat několik témat, kterými se zabývají jak realizační společnosti, tak výzkumné instituce. S radikálním snížením výkupních cen elektrické energie z fotovoltaických systémů v roce 2014 se odvětví fotovoltaického průmyslu nejen v České republice přeorientovalo na maximalizaci využití produkce elektrické energie z fotovoltaiky pro vlastní spotřebu v budově, ať již spojením s přímým ohřevem vody nebo ve spolupráci s tepelným čerpadlem. Jako problematická se ovšem stále jeví využitelnost tepla v letním období, kdy v úvahu přichází v podstatě pouze příprava teplé vody. Druhým tématem, o kterém se hodně hovoří, jsou energeticky téměř nulové budovy. Navzdory stavu české legislativy, která umožňuje prohlásit za budovu s téměř nulovou spotřebou energie i budovu bez jakýchkoli obnovitelných zdrojů energie, se řada investorů snaží již dnes postavit budovy s minimalizovanou potřebou neobnovitelné primární energie. Sama Evropská komise vydala v létě 2016 pro téměř nulové budovy doporučení [1], ve kterém je pro oblast České republiky stanovena měrná potřeba neobnovitelné primární energie na úrovni 15 až 30 kWh/m2·rok. Z této hodnoty vyplývají čísla, která jsou například ve srovnání s pasivními domy, považovanými za dosavadní špičku v oblasti výstavby, méně než poloviční.
Na tyto dvě výzvy odpověděl projekt TA04021243 [2] Technologické agentury ČR vývojem pokročilého energetického systému pro zásobování budov teplem, chladem a elektřinou pro docílení standardu téměř nulové budovy s ekonomickou návratností do 10 let (při současných cenách energie) s vysokým podílem využití OZE (nad 70 %) [2]. V období řešení projektu 2015 až 2017 byly postupně vyvíjeny jednotlivé prvky systému od tepelného čerpadla přes kombinovaný zásobník tepla až po realizaci nízkonákladového zemního zásobníku v podzákladí demonstračního rodinného domu. Jednotlivé prvky energetického systému a systém jako celek byly modelovány. Z počítačových simulací bylo vyhodnoceno, že energetický systém může výrazně snížit potřebu externí energie pro vytápění a přípravu teplé vody. Roční systémový topný faktor SPF je na úrovni hodnoty 6.0. Využití elektřiny z fotovoltaického systému samotným tepelným čerpadlem je okolo 44 % a více než 80 % energie pro vytápění a přípravu teplé vody je energie obnovitelná [3–4]. Na základě počítačových simulací byl celý systém navržen, vyprojektován a realizován v rámci novostavby rodinného domu v Hamrech u Hlinska (obr. 1). Podle výsledků simulace může hodnocená konkrétní budova s takovým systémem dosáhnout extrémně nízké potřeby neobnovitelné primární energie pod 20 kWh/m2·rok.
Realizovaný systém
V systému byly použity a instalovány nově vyvinuté prvky: tepelné čerpadlo, kombinovaný zásobník tepla a zemní zásobník tepla [5–7]. Celý systém byl napojen na inteligentní regulátor a měřicí systém pro účely dlouhodobého monitoringu. Vzhledem k demonstrační povaze systému byly navíc instalovány i prvky, které umožňují provádět další experimenty a optimalizaci provozu instalovaných prvků nebo pouze zabezpečují komfort v rodinném domě v případě experimentálního „ladění“ systému. Jedná se především o centrální uzel tvořený zásobníkem o objemu 300 l, záložní zemní smyčku a na žádost majitele rodinného domu byl nakonec realizován kombinovaný zásobník ve větším objemu, než se původně předpokládalo jako optimum ze simulací. Schéma realizovaného systému je uvedeno na obr. 2.
Tepelné čerpadlo instalované v technické místnosti rodinného domu (obr. 3) svým výparníkem může odebírat teplo buď z venkovního vzduchového chladiče (obr. 4), nebo z centrálního zásobníkového uzlu, do kterého může být požadované teplo dodáváno ze zemního zásobníku nebo, v případě jeho nedostatečné teploty, ze záložní zemní smyčky. Regulátor automaticky spouští zemní zdroje tepla podle priority a podle nastavené teplotní diference (zimní období). V letním období je adaptivně řízeným tepelným čerpadlem podle výkonu FV systému přečerpáváno teplo z okolního prostředí (venkovní vzduch) přes kombinovaný zásobník tepla do sezónního zemního zásobníku (nabíjení podloží).
Na kombinovaný zásobník jsou napojeny odběrové okruhy (obr. 5): příprava teplé vody a její cirkulace, nízkoteplotní vytápění a okruh výměníku větrací VZT jednotky. Tepelné čerpadlo je na kombinovaný zásobník napojeno čtyřtrubkově pro samostatné nabíjení horní zóny (příprava teplé vody) a spodní zóny (vytápění). Zároveň regulace umožňuje při natápění spodní zóny kondenzátorem při nízké kondenzační teplotě malým průtokem nabíjet horní zónu teplem z chladiče přehřátých par s vysokou teplotní úrovní.
Regulátor vyhodnocuje podle měřeného výkonu FV systému a příkonu tepelného čerpadla potřebné nastavení otáček kompresoru, aby při nabíjení zemního zásobníku tepla tepelné čerpadlo nespotřebovávalo žádnou elektrickou energii ze sítě. Podobně je tomu v případě přehřívání objemu kombinovaného vodního zásobníku tepla nad běžnou nastavenou teplotu.
Vzhledem k pozdní dodávce a zprovoznění fotovoltaického systému (říjen 2017) nebylo možné nabít zemní zásobník tepla v podloží již během letního období 2017 na dostatečně vysokou teplotu (předpoklad 35–40 °C), a proto nejsou k dispozici relevantní výsledky energetické bilance systému. Od listopadu 2017, kdy začala být potřeba tepla v rodinném domě významnější, proto pracoval energetický systém v nouzovém režimu. Jako zdroje tepla se střídavě využívalo záložní zemní smyčky a zemního zásobníku. Vzhledem ke skutečnosti, že celý primární okruh využívá jako teplonosnou látku vodu (nikoli nemrznoucí směs), regulátor velice detailně vyhodnocuje pracovní teploty na výparníku tepelného čerpadla a v obou zemních zdrojích tepla, aby nedošlo k podkročení zámrzné teploty. Při startu tepelného čerpadla regulátor snižuje otáčky na minimální úroveň 20 Hz, aby nedošlo k náhlému zchlazení výparníku pod teplotu zamrznutí.
Monitoring
Celý energetický systém je napojen na dlouhodobý monitoring (obr. 6). Jsou měřeny a vyhodnocovány výkony dodávané jednotlivými zdroji tepla a odebírané odběry tepla domu:
– topný výkon kondenzátoru a chladiče přehřátých par,
– výkon FV systému,
– výkon dodávaný a odebíraný ze sezónního zemního zásobníku,
– výkon odebíraný ze záložní zemní smyčky,
– výkon odebíraný do otopné soustavy (vytápění),
– výkon odebíraný v přípravě teplé vody, včetně její cirkulace.
Zároveň jsou měřeny teploty ve všech provozních okruzích a ve vodních zásobnících tepla (v různých výškových úrovních). V zemním zásobníku tepla je umístěno celkem pět sond (jedna sonda mimo dům jako referenční), každá o hloubce 5 m s teplotními čidly s odstupem 1 m po výšce. Tím je možné monitorovat teplotní pole zemního sezónního zásobníku při nabíjení a vybíjení.
Dále jsou monitorovány stavy přepínacích ventilů jednotlivých okruhů pro vyhodnocení provozních stavů v čase, jejich četnosti a funkce. Vlastní tepelné čerpadlo má navíc monitoring vnitřního chladivového oběhu. Stavy všech řídicích signálů jsou ukládány společně s měřenými veličinami. Měřená data jsou ukládána a dostupná přes webový server společnosti Regulus a jsou dostupná pro pracovníky UCEEB ČVUT pro vyhodnocování a analýzy.
Na obr. 7 jsou zobrazeny průběhy relevantních veličin v systému pro znázornění funkce nabíjení zemního zásobníku tepelným čerpadlem ve vybraném dni měsíce dubna. Tepelné čerpadlo dodává teplo do kombinovaného zásobníku, ze kterého je pak odebíráno a přiváděno do zemního zásobníku. Z porovnání průběhu elektrického výkonu FV systému a elektrického příkonu tepelného čerpadla při nabíjení je patrná regulace otáček kompresoru a přizpůsobování příkonu tepelného čerpadla výkonu FV systému s určitou bezpečnou rezervou, aby při nabíjení zemního zásobníku tepelné čerpadlo nespotřebovávalo elektrickou energii ze sítě. Tepelné čerpadlo při nabíjení zásobníku dosahuje relativně vysokého topného výkonu až 10 kW. Teplo je odebíráno z venkovního vzduchu venkovním chladičem. Elektrický příkon tepelného čerpadla během nabíjení mírně roste, což souvisí se zvyšováním provozní teploty.
V grafu na obr. 8 je znázorněn časový průběh teploty v zemním zásobníku během období říjen 2017 až červenec 2018 (sonda v centrální části) ve vrstvách 1, 2, 3, 4 a 5 m pod základovou deskou. V horní oblasti zemního zásobníku, kde je instalován výměník, se teplota během nabíjení a vybíjení značně mění, zatímco hlouběji směrem do podloží domu je nárůst utlumen. Z grafu je patrný výpadek ukládání dat monitoringu v říjnu 2017 a červnu 2018. Během zimního období teplota v horní vrstvě zemního zásobníku klesla až na 7 °C. Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo byla v zimě střídavě i záložní zemní smyčka, která však byla provozována také pouze s vodou jako teplonosnou látkou. Od poloviny měsíce dubna 2018 již dochází opět k nabíjení zemního zásobníku. V grafu na obr. 9 je zobrazen časový průběh teploty v zemském masivu mimo podloží domu v neovlivněné oblasti. Je patrný zcela odlišný průběh teploty v daných hloubkách s odlišnou teplotní úrovní.
Závěr
V realizaci experimentálního energetického systému pro téměř nulové budovy je využívána sezónní akumulace tepla v kombinaci s tepelným čerpadlem a FV systémem. První zimní sezóna provozu energetického systému proběhla vzhledem ke zpoždění dodávky FV systému v nouzovém režimu bez nabitého zemního zásobníku. Nicméně od jara 2018 energetický systém již pracuje podle provozních předpokladů (nabíjení zásobníku) a je průběžně vyhodnocován (roční monitoring).
Přestože monitoring reálného provozu zatím není plně vyhodnotitelný či srovnatelný s provedenými simulacemi, z dostupných provozních dat lze usoudit relativně stabilní chování zemního zásobníku (nízké postupné vyčerpávání) při provozu domu. Částečně to bylo dáno střídavou spoluprací s provozem záložní zemní smyčky, nicméně na druhé straně je překvapivé, že i v zimním období v obci na Vysočině lze bez výraznějších problémů uvedeným systémem díky inteligentní regulaci provozovat zemní výměník s vodou jako teplonosnou látkou.
MICHAL BROUM, TOMÁŠ MATUŠKA
foto archiv autorů
Poděkování
Vývoj a realizace energetického systému byly finančně podpořeny TA ČR v rámci projektu TA04021243 Udržitelný energetický zdroj pro téměř nulové budovy. Zprovoznění a monitoring systému byly podpořeny MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.
Literatura:
1) Doporučení Komise (EU) 2016/1318 ze dne 29. července 2016 o pokynech na podporu budov s téměř nulovou spotřebou energie a osvědčených postupů k zajištění, aby do roku 2020 byly všechny nové budovy budovami s téměř nulovou spotřebou energie, Brusel 2016.
2) Projekt TAČR TA04021243 – Udržitelný energetický zdroj pro téměř nulové budovy, 2015–2017. Řešitel: UCEEB ČVUT v Praze, spoluřešitel: Regulus, s. r. o.
3) MATUŠKA, T., B. ŠOUREK, J. SEDLÁŘ, M. BROUM. Energetický systém pro vytápění a přípravu TV v téměř nulových rodinných domech. Časopis Stavebnictví. 2016, X (8/16), s. 38–43.
4) BROUM, M., J. SEDLÁŘ, B. ŠOUREK a T. MATUŠKA. Kombinovaný zdroj s tepelným čerpadlem pro rodinný dům. In: Konference Vytápění Třeboň 2017. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017, s. 134–139.
5) SEDLÁŘ, J., T. STRAKA a M. BROUM. Tepelné čerpadlo s chladičem přehřátých par a kompresorem s řízenými otáčkami. Prototyp. 2016.
6) KALINA, J., J. BĚŤÁK, T. MATUŠKA a B. ŠOUREK. Kombinovaný vodní zásobník tepla. Prototyp. 2016.
7) MATUŠKA, T. a M. BROUM. Zemní zásobník tepla. Funkční vzorek. 2016.
Ing. Michal Broum (*1978)
absolvoval Fakultu strojní ČVUT, obor stroje pro stlačování a dopravu tekutin a chladicí technika. Pracuje jako technik vývojového oddělení ve firmě Regulus, s. r. o. Specializuje se na vývoj pokročilých inteligentních regulací otopných systémů zaměřených především na obnovitelné zdroje energie.
Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., (*1974)
se věnuje výuce a výzkumu v oblasti integrace obnovitelných zdrojů energie do budov. Je vedoucím oddělení Energetické systémy budov v UCEEB (Univerzitní centrum energeticky efektivních budov) ČVUT a pracuje v Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT. Je předsedou Československé společnosti pro sluneční energii.
