Tepelné čerpadlo a fotovoltaika. Ideální partnerství
Tepelné čerpadlo či klimatizace jsou dnes už obecně známé pojmy a stejně tomu je u fotovoltaických panelů pokrývajících nejednu střechu (někdy i fasádu) domu. Benefity, které obě tato technická zařízení nabízejí, se přitom doplňují. Fotovoltaika dodá elektřinu a tepelné čerpadlo ji znásobí cca na trojnásobek tepla v zimě, nebo chladu v létě. U systémů bez možnosti dodávky elektřiny do rozvodné sítě jsme díky tepelnému čerpadlu navíc schopni využít (vyrobit) i mnohem více energie.
Největším zdrojem energie na planetě Zemi je Slunce a jeho záření o teplotě 5 800 °C a v pozemských podmínkách (vzdálenosti) zářivý energetický tok o hustotě až 1 365 W/m² (solární konstanta). Jinak řečeno, Slunce doručí v podobě záření na planetu Zemi za necelý den tolik energie, kolik činí celosvětová výroba energie (z uhlí, ropy, jádra, větrníků, fotovoltaiky atd.) za celý rok. K tomuto závěru dojdeme s pomocí středoškolské algebry a astronomie.
Uvedená energie směřuje samozřejmě jen na osluněnou část Země, je redukována průchodem atmosférou, mraky a též úhlem dopadu, pokud není roven 90°. I tak ale v České republice dopadne dle PVGIS [1] každý rok na 1 m² plochy něco mezi 1 000 až 1 200 kWh, což je o řád více, než potřebují k vytápění a provozu běžné domy. Průměrné denní množství dopadající energie v lokalitě Praha ukazuje tabulka 1, první hodnota je vztažena na vodorovnou plochu, druhá na šikmou (40°, orientace jih). Ve třetím a čtvrtém řádku následují pro stejnou šikmou plochu též minimální a maximální hodnoty v roce 2020.
Nyní si dovolím krátkou odbočku k fotovoltaickým panelům, tedy k v současné době pravděpodobně nejsnadněji dostupnému obnovitelnému zdroji elektrické energie. Účinnost moderních panelů, tj. kolik procent sluneční energie potenciálně přemění na elektřinu, se pohybuje přes 20 %. Potenciálně proto, protože aby panely elektřinu vyráběly, je nutné ji současně odebírat. Bez odběru (nulový proud) bude samozřejmě i nulová výroba, což vyplývá ze vztahu výkon = napětí krát proud. Při malém odběru se výkon přizpůsobí, tj. napětí vzroste nad optimální pracovní hodnotu a automaticky se sníží účinnost. Z panelu, který má „štítkově” 400 W, tak získáme třeba jen 200 W, 50 W nebo 0 W.
Návrh fotovoltaické elektrárny
Vyzbrojeni základní teorií se nyní můžeme pustit do stanovení výkonu fotovoltaických panelů. K tomu nám poslouží údaj Watt-peak (Wp), který udává nominální výkon solárního panelu v ideálních světelných podmínkách, tedy při kolmo dopadající sluneční energii o hustotě energetického toku P = 1 kW/m². V tabulce 1 již máme dopadající sluneční energii sečtenou za celý den a zanedbáme-li ztráty, můžeme proto počítat s tím, že 1 kWp panelů vyrobí denně tolik kWh energie, kolik je uvedeno v příslušném řádku (samotné panely budou zabírat více než 1 m², konkrétně při účinnosti 20 % cca 5 m²).
Za pozornost stojí zejména fakt, že na vyrobení 1 kWh energie je v ideálním dni (duben, jasno) potřeba 120 Wp a v opačném případě (prosinec, zataženo) 4 550 Wp. To je obrovský rozdíl a velká variabilita výroby se vyskytuje též v různé dny téhož měsíce. Každá fotovoltaická elektrárna proto bude kompromisem mezi množstvím vyrobené energie a vysokým procentem jejího využití.
Téma: Fotovoltaika
Tepelné čerpadlo jako klíčový prvek
K optimalizaci provozu fotovoltaické elektrárny vede co možná nejvyšší využití jejího potenciálu a je potřeba nalézt takové spotřebiče, které zaprvé dokáží spotřebovat dostatek energie v době jejího dostatku a zadruhé využijí tuto energii efektivně. Často využívaným řešením je například ohřev teplé vody v bojleru topným tělesem, majitelé fotovoltaických elektráren s možností dodávat elektřinu do distribuční sítě (DS) mohou přebytky prodat. Obojí splňuje podmínku jedna, u druhé to tak jednoznačné není – elektřinu, kterou z DS kupujeme v cenách 8–10 Kč/kWh, použijeme pro ohřev (plyn by nás vyšel na cca 3,5 Kč/kWh), nebo ji prodáme za částky pohybující se v nižších jednotkách Kč/kWh.
Specialista na vytápění: „Trvám na tom, že Viessmann byl a stále je nejlepší.“
Jaromír Bašta je špičkový specialista v oblasti návrhu a zejména realizace otopných soustav, jenž pro svůj rodinný dům na Benešovsku volil technologii společnosti Viessmann. Jejím…
Klíčovým zařízením, které nám umožní fotovoltaickou elektrárnu efektivně využívat a výrazně zkrátí (často z nekonečna) návratnost investice k jejímu vybudování, tak může být tepelné čerpadlo (TČ). To je na jednu stranu po většinu roku – v topné sezóně – schopné spotřebovávat velké množství energie a na stranu druhou funguje velice efektivně. Z 1 kWh dodané elektrické energie dostaneme při topném faktoru 3 až 3 kWh tepelné energie. V penězích jde o energii, která by nás stála 3 × 3,5 = 10,5 Kč při topení plynem nebo 8–10 Kč při provozu tepelného čerpadla z distribuční sítě.
K tepelnému čerpadlu dodejme ještě jeden tip spočívající v možnosti akumulace tepla do akumulační nádrže nebo do hmoty stavby pomocí dočasného zvýšení teploty v interiéru. Tento způsob využíváme u tepelného čerpadla vytápějící kanceláře naší redakce. O prvotních zkušenostech z provozu jsme psali v článku Splitové tepelné čerpadlo Vitocal 100-S: první zkušenosti dostupném na tomto webu.
Tepelné čerpadlo jsme nedávno napojili na fotovoltaickou elektrárnu a k jeho provozu využíváme v maximální míře vlastní elektrickou energii viz tabulka 2. Řídicí jednotka čerpadla si v reálném čase načítá data z elektroměru a v závislosti na množství dostupné energie upravuje svůj výkon. Za slunných dní tak nejenom nevyužívá distribuční síť, ale navíc akumuluje teplo do nádrží a vytápí interiér na o cca 1,5 °C vyšší teplotu, což supluje drahou baterii.
V letním období je TČ naopak v režimu chlazení, kdy v případě dostatku energie z panelů se akumulační nádrže ochladí o několik stupňů víc, než by bylo potřeba. Ochlazování interiéru nad běžný rámec z důvodu tepelné pohody nevyužíváme.
Téma: Tepelná čerpadla
Téma: Fotovoltaika
Závěr
U mikrozdrojů bez možnosti dodávky elektrické energie do sítě se tepelné čerpadlo stává významným prvkem, s jehož pomocí dochází k lepšímu využití fotovoltaické elektrárny. Kombinace tepelného čerpadla a fotovoltaické elektrárny vede nejenom k větší soběstačnosti, ale i k výraznému zrychlení návratnosti investice do obou zařízení.
Zdroje:
[1] Photovoltaic Geographical Information System, re.jrc.ec.europa.eu
