Tepelné čerpadlo + fotovoltaická elektrárna + solární ohřev = optimalizace

Trendy v oblasti vytápění a ohřevu vody jsou určovány alternativními přístupy. Jedním z nich je využití tepelného čerpadla jako hlavního topného zařízení. To využívá pro svůj provoz elektřinu, kterou je možné čerpat buď z veřejné distribuční sítě, nebo ze zdroje vlastního, třeba z fotovoltaických článků. Důležité je i teplo ze solárních kolektorů, které použijeme k ohřevu vody anebo k vytápění.

Začněme fotovoltaickými elektrárnami (dále též FVE). Teorii fungování této moderní technologie založené na fotoelektrickém jevu, o které jsme zrovna nedávno v našem časopise psali, ponecháme stranou a zaměříme se přímo na její produkt. Tím je elektrický proud. Jeho výroba fotovoltaickými elektrárnami je ekologicky příznivá a v mnohých případech také významně spoří majitelovy finance. Nelze však ovlivnit jeho množství a intenzitu. Fotovoltaický článek funguje pouze v období slunečního svitu, přičemž kromě doby, kdy je výroba nulová (v noci a při zatažené obloze), nastávají také fáze, v nichž je vyrobené elektrické energie nad míru.

(Příklad schématu rozvodů propojené fotovoltaické elektrárny s tepelným čerpadlem. Autor: Marc Osborne, Shutterstock)

Využití přebytku z FVE do TČ

Naším cílem je (za účelem maximální nezávislosti na veřejných distribučních sítích i celkové úspory) využívat pro domácí potřebu primárně energii přímo z fotovoltaické elektrárny. Pokud však nastane její přebytek, je potřeba smysluplně jej nasměrovat. Tehdy je potřeba energii uložit buď do bateriového úložiště, které však prodražuje celé zařízení, a nebo ji přeměnit na energii tepelnou a tak ji spotřebovat. Z toho důvodu se FVE doporučují především do objektů, které zahrnují mimo jiné třeba bazén. Ideálním nástrojem, které čerpá elektrické přebytky efektivně, je však i tepelné čerpadlo. V případě nadbytku energie se totiž tato „uloží“ buď do ohřevu TUV či vody bazénové a nebo se využije k provozu TČ za účelem vytápění, případně chlazení objektu.

Tepelné čerpadlo Vitocal 200-A je výrobcem připraveno na spotřebu elektřiny vyrobené fotovoltaickými články. (zdroj: Viessmann)

Kombinované řízení

Tepelné čerpadlo, pokud aplikováno společně s fotovoltaickou elektrárnou, je potřeba odborně zapojit a následně správně regulovat za provozu. FVE a TČ je potřeba vzájemně přizpůsobit, jde především o přiměřené dimenzování výkonu elektrárny a jejího střídače, který musí při propojení domácí elektrárny s TČ snášet velkou zátěž zapřičiněnou častými starty motoru kompresoru. Nejvhodnější je přitom propojení s invertorovým TČ s proměnným příkonem. Invertorová technologie totiž zajistí méně časté spínání kompresoru než je tomu v případě čerpadel klasických.

Regulace pak probíhá pod taktovkou jediné inteligentní řídicí jednotky, která zajistí optimální využití vyrobené energie. Rozhoduje o tom, kam vyrobenou elektrickou energii poslat, aby byla využita co nejefektivněji a nebyla zbytečně zasílána do veřejné distribuční sítě (prodej do ní je sice možný, ale ekonomicky nevýhodný). Také může usměrňovat teplotu vody v topných okruzích (v zimě) nebo zasílat energii do chladicích okruhů (v létě). Řídicí jednotky mohou mít integrováno i zátěžové relé nebo počítadlo energie, které sepne některé spotřebiče v případě „nadměrného“ výkonu FVE. Regulace je samozřejmě ovladatelná nejen z daného objektu, ale též dálkově pomocí internetu a chytrých telefonů. Stejně tak lze přednastavit ji na automatický chod, který je nejčastěji spravován ekvitermně (nastavení teploty topné vody na základě venkovní teploty). Dobře seřízená řídicí jednotka mimo jiné prodlužuje životnost tepelného čerpadla tím, že jej spouští přednostně až v krajních večerních hodinách. Naopak pro co nejvyšší uživatelský komfort může řízení vytápět (či chladit) s předstihem, aby majitel vždy přicházel do teplotně přívětivého prostředí.

Tepelné čerpadlo Vitocal 200-G má maximální výstupní teplotu otopné vody 60°, hodí se proto výhradně do novostaveb. Je zároveň připraveno na kooperaci s fotovoltaickou elektrárnou. (zdroj: Viessmann)

TČ s FVE: ohřev, ale i chlazení

To nás přivádí k nejpodstatnějším funkcím, které poskytuje tepelné čerpadlo ve spojení s FVE. Je to ohřev TV, vytápění, nebo naopak chlazení interiéru. V zimě, při průměrných teplotách daného období, je TČ jedním z finančně nejpřínosnějších a zároveň nejekologičtějších řešení ohřívání topné i užitkové vody v domě. Neboť tepelné čerpadlo je sice poháněno elektřinou, ovšem pouze jejím minimálním množstvím. A to je běžně pokryto výrobou energie prostřednictvím fotovoltaické elektrárny. Účinnost vytápění je určována pomocí topného faktoru (COP = poměr mezi získanou a dodanou energií), který se nejčastěji pohybuje v hodnotách 2 – 5, a je závislý na podmínkách, v nichž čerpadlo pracuje.

Co už není tolik známo mezi širokou veřejností, je fakt, že tepelné čerpadlo může velmi účinně a levně i chladit interiér domu v létě (ve spojení s podlahovým či stropním chlazením, případně s fan coily). Jedná se přitom o aktuální téma posledních let. I v našich zemích permanentně narůstá množství zakoupených klimatizací. Na rozdíl od klimatizace, která disponuje nejen vysokou pořizovací cenou, ale též provozními náklady, spotřebovává TČ minimum elektrické energie, která může být navíc v létě velmi snadno a rychle vyrobena FVE. Vnitřní klima objektu tak zůstává příjemné za nízkých souhrnných nákladů a zároveň je vyřešen potenciální problém spojený s přebytkem sluneční energie. Účinnost chlazení lze kvantifikovat koeficientem energetické účinnosti (EER = poměr mezi množstvím tepla odebraným z vnitřního prostředí a elektrickou energií vydanou na tento výkon), který se v případě chlazení tepelnými čerpadly pohybuje mezi 2 a 4.

Vitovolt-300 je program společnosti Viessmann, který nabízí vytvořit sestavu fotovoltaického zařízení s vhodnou dimenzí právě pro Vaše potřeby. (zdroj: Viessmann)

Odborný návrh systému je nutnost

Všeobecně lze říci, že poměr spotřeby elektřiny čerpadlem ku množství elektrické energie vyrobené fotovoltaickou elektrárnou se odvíjí od klimatických podmínek. V zimě se jedná o průměrných 50 %, v létě povětšinou 100 %. Také ovšem záleží na hodnotách příkonu čerpadla a výkonu FV elektrárny. Například pokud elektrárna vyrobí 4 kW a TČ je příkonu 2 kW, zbývá energie i pro využití domácími spotřebiči. Nemluvě o tom, že vhodně zapojené TČ dovede několikrát znásobit množství kWh vyprodukovaných fotovoltaickými články. Každopádně doporučujeme nechat si zpracovat návrh systému kvalifikovanou a zkušenou společností. Efektivita a návratnost se totiž mimo jiné odvíjí od volby konkrétního čerpadla i fotovoltaické elektrárny a od jejich zapojení v reálném prostředí.

Návratnost vyjádřena financemi i přínosem životnímu prostředí

Pořízení fotovoltaické elektrárny i tepelného čerpadla patří prozatím mezi nákladnější záležitosti a ekonomická návratnost je pomalá. Ovšem vzato v úvahu, že cena obou zařízení v souvislosti s vývojem dalších technologií rok od roku klesá, že je možné žádat v souvislosti s tím o poskytnutí dotace z programu Zelená úsporám (od října zahrnuje i kategorii kombinující FVE s TČ a definuje FVE jako systém efektivně kooperující se systémem vytápění a přípravy TV tepelným čerpadlem – může pokrýt až 50 % nákladů) a také že se jedná o technologii, která výrazně snižuje ekologickou stopu uživatele, je investice do TČ i FVE hodna naší pozornosti. Nemluvě o tom, že i legislativní požadavky jsou rok od roku přísnější a výroba tepla je kontrolovaným provozním parametrem domu.

Související texty:

• Tepelné čerpadlo a jak mu rozumět
• Aktivní chlazení pomocí tepelných čerpadel
• Základní rozdělení tepelných čerpadel
• Pravda a nepravda o tepelných čerpadlech
• Hlučnost venkovních jednotek tepelných čerpadel
• Uspokojí tepelné čerpadlo nároky majitelů starších domů?
• Tepelná čerpadla v novostavbách