Tepelné čerpadlo a systém pro solární ohřev vody spolu mohou velmi dobře spolupracovat. Kombinace dvou stále poměrně drahých zařízení ale má své nevýhody – hlavně problematickou návratnost investic. Tu ale může zlepšit využití dotací a klesající cena obou technologií.
V době, kdy probíhala první část dotační akce Zelená úsporám, se na našem trhu objevily nabídky sestav kombinujících tepelné čerpadlo a solární kolektory. Kombinace těchto dvou zařízení má četné výhody a už dlouho se objevují různé publikace a patenty na toto téma. V současné době se tím zabývá i jeden z projektů Mezinárodní energetické agentury (IEA – SHC Task 44). Podle zprávy této agentury je na trhu v současnosti 130 komerčně vyráběných systémů kombinujících tepelné čerpadlo a solární systém ohřevu vody.
Ekonomická návratnost je problematická, to se ale může změnit
Problém je však s ekonomikou, respektive dobou návratnosti většiny takových kombinací. Jak tepelné čerpadlo, tak i solární systém jsou totiž poměrně drahá zařízení a teplo vyrobené tepelným čerpadlem je natolik levné, že návratnost solárního systému vycházela zpravidla větší než je doba jeho životnosti.
ReklamaU nás to – alespoň na čas – změnila právě dotace z programu Zelená úsporám. Díky dotacím návratnost této kombinace údajně klesla pod 10 let. Na to zareagovaly některé firmy a začaly tuto kombinaci nabízet i na našem trhu. Podrobně se možnostmi kombinace tepelného čerpadla a solárních kolektorů v podmínkách ČR zabýval v roce 2007 ing. Petr Mastný v sérii článků „Tepelné čerpadlo a aktivní solární systém v kombinovaném provozu (I) až (III)“.
Z ekonomického rozboru je zřejmé, že při optimálním dimenzování vychází vnitřní výnosové procento (zjednodušeně řečeno trvalý roční výnos investice) bez dotace kolem 4 %. Se započtením dotace se tento ukazatel pochopitelně významně zlepší. Popsaný systém ovšem používá tepelné čerpadlo vzduch-vzduch a vzduchový solární kolektor, což je poněkud netypické.
Solární ohřev vody na Nazeleno.cz: |
Dnes je situace nepochybně trochu jiná, dotace jsou nižší a nedostane se zdaleka na každého. Na straně druhé ovšem zase docela významně poklesly ceny solárních systémů na ohřev vody i některých typů tepelných čerpadel. Navíc se objevil úplně nový fenomén- využití fotovoltaických panelů k elektrickému ohřevu vody. Je tedy užitečné podívat se na možnosti kombinace solárního systému a tepelného čerpadla podrobněji.
Možnosti vzájemného spojení tepelných čerpadel a solárních kolektorů
Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo i solární kolektory mohou využívat jako médium vzduch nebo vodu a systém je možno vybavit různými typy akumulace, může mít kombinace tepelného čerpadla a solárních kolektorů překvapivě mnoho variant. V zásadě ale existují dvě základní možnosti, sériové a paralelní spojení.
Paralelní spojení
V tomto případě pracují oba systémy na sobě nezávisle. Pokud svítí slunce, nahřívá zásobník, odkud se bere teplo na ohřev vody a případně i na vytápění. Není-li dostatek slunečního záření, spustí se tepelné čerpadlo a dohřeje vodu v zásobníku na požadovanou teplotu. V tomto případě vlastně tepelné čerpadlo nahrazuje obvykle používanou elektrickou topnou vložku respektive elektrokotel.
Schéma paralelního zapojení tepelného čerpadla a solárního systému ohřevu vody (Obr.: autor)
Sériové spojení
V tomto případě je solární kolektor používán jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo. Díky tomu může pracovat při teplotách jen mírně nad teplotou okolního vzduchu a používat levný neselektivní absorbér bez krycího skla. Tepelné čerpadlo potom toto teplo „upgraduje“ na vyšší teplotní hladinu potřebnou pro ohřev vody nebo vytápění. Výhodou je to, že i jednoduchý a levný kolektor má v tomto modu vysokou účinnost a může využívat i slabé difúzní záření při zatažené obloze.
Tepelné čerpadlo má v tomto zapojení o něco vyšší topný faktor, protože teplota na výstupu kolektoru je vyšší než teplota vzduchu. V tomto zapojení se tedy projeví synergický efekt- oba systémy pracují s vyšší účinností, než by pracoval každý sám.
Smíšené sério-paralelní zapojení
V tomto systému lze v případě, kdy je dostatek slunečního svitu a použitý kolektor dokáže produkovat teplo na požadované teplotní úrovni, otevřením trojcestného ventilu nahřívat vodu v zásobníku přímo bez použití tepelného čerpadla. To je užitečné v letním období, kdy i levný kolektor dokáže ohřát vodu na přibližně 50 °C. Nevýhodou může být trochu komplikovanější regulace, pokud požadujeme zcela automatický provoz. Při použití v rodinném domku se ale můžeme spokojit s ručním přestavením trojcestného kohoutu.
Schéma smíšeného sério-paralelního zapojení tepelného čerpadla a solárního systému s trojcestným ventilem. (Obr.: autor)
Akumulace tepla
Každý solární termický systém potřebuje nějaký systém akumulace tepla. Souvisí to s nepravidelností slunečního svitu. V zásadě platí, že čím delší je doba, na jakou dokážeme teplo akumulovat, tím vyšší je stupeň využití solárních kolektorů. Nějaká akumulace tepla je výhodná i pro tepelné čerpadlo, protože umožní výrazné snížení četnosti zapínání/vypínání kompresoru.
Sezónní akumulace
Ideální by byl solární systém se sezónní akumulací, který by byl schopen uchovat teplo z léta na zimu. Několik takových realizací existuje, vždy jde ale o hodně velké systémy. Takový, dnes již klasický příklad je solární systém z osmdesátých let ve švédském Lyckebo (nebo Lambohov). Zde je instalováno 2700 m2 plochých solárních kolektorů a jako zásobník se využívá podzemní kaverna o objemu přibližně 10 000 m3. Pro relativně malé systémy se to nehodí, protože tepelné ztráty jsou i u nadstandardně tepelně izolované nádrže příliš velké. Ztráty totiž rostou s druhou mocninou rozměrů zásobníku, zatímco množství akumulovaného tepla s třetí mocninou rozměrů.
Ne všude je k dispozici kompaktní hornina, v níž lze udělat zásobník naplněný vodou. Ukládání tepla do zeminy používá například solární systém v německém městě Neckarsulm-Amorbach . Podzemní zásobník je tvořený vrty do zavodněné zeminy má objem 63 000 m3 a jako zdroj tepla slouží solární kolektory o ploše 5 700 m2 a tepelném výkonu skoro 4 MW. Kolektory jsou umístěné na střechách domů či parkovacích stáních. Tepelné čerpadlo, které je využito pro zvýšení teploty vody z výměníku v podzemí má tepelný výkon 520 kW . Takovýto zásobník sice dokáže skladovat teplo ze solárního systému jen na podstatně nižší teplotní úrovni, přesto to pro tepelné čerpadlo znamená výrazné zvýšení topného faktoru.
Regenerativní akumulace
Sériové zapojení solárních kolektorů a tepelného čerpadla nabízí výhodnou možnost nejen snížit, tepelné ztráty akumulační nádrže, ale umožní dokonce se akumulační nádrži zcela vyhnout. Při tomto zapojením možné využívat pro akumulaci pouze zeminu bezprostředně obklopující výměník tepelného čerpadla.
Odběr tepla pro tepelné čerpadlo země-voda je limitován tepelnou vodivostí zeminy, která obklopuje tepelný výměník. V dostatečné hloubce pod zemí (řekněme desítky metrů) se teplota zeminy přibližně rovná průměrné roční teplotě vzduchu (v Praze je to přibližně 8,5°C). Při provozu tepelného čerpadla využívajícího zemní vrt pak v době velkého odběru tepla v zimním období teplota v okolí výměníku klesá a přes léto, kdy je odběr tepla menší se opět zvýší. V zásadě ale platí, že v okolí výměníku je teplota vždy nižší, než tam kde výměník není. Pokud využijeme letní přebytky tepla ze solárních kolektorů ke zvýšení teploty zeminy (regeneraci) v okolí zemního výměníku, dojde ke zvýšení topného faktoru tepelného čerpadla a celý systém tak vlastně pracuje jako sezónní zásobník tepla.
Takovýto systém nabízí na našem trhu například firma Schüco. Používá speciální nízkoteplotní kolektor, který lze provozovat pod úrovní teploty rosného bodu (získává teplo z kondenzující vlhkosti ze vzduchu) a jeho roční zisk tepla je údajně až 700 kWh/m2 . Díky vyšší teplotě zeminy dosahuje údajně tepelné čerpadlo roční topný faktor 5,9. Jde tedy o určité zvýšení oproti běžným systémům bez regenerace.A
