Momentka z průběhu instalace venkovní jednotky TČ. Vakuová pumpa právě odčerpává vzduch z chladivového vedení.
Přidat na Seznam.cz Přidat na Google News

Tepelné čerpadlo jako významný krok k soběstačnému domu

Dům, o němž je řeč, je přestavbou rodinného domu na administrativní budovu s možností její zpětné adaptace na bydlení či kombinaci obojího. Dům není formálně „pasivní“, avšak v řadě ohledů ho předbíhá. Vedle velké tepelné izolace dotváří jeho energetiku sluneční elektrárna a stropní vytápění, jehož vysoká účinnost je posílena tepelným čerpadlem.

Tepelné čerpadlo přišlo v rámci přestavby ke slovu až jako poslední systémový krok, což však neznamená, že si naň investor vzpomněl až na poslední chvíli. Snaha ale byla vybrat takové, které co nejvíc vyhoví skutečnému charakteru stavby. A ten vyšel najevo až po jejím zabydlení. Stavbu lze po dokončení popsat takto:

  • Výborná tepelná izolace domu a tedy i nízký pořebný výkon topení či chlazení.
  • Celoplošné, nízkoteplotní a velmi rychlé teplovodní stropní vytápění/chlazení doplněné o 1500l akumulační nádrž.
  • Fotovoltaická elektrárna čítající 42 panelů, 2× 5000W měnič a cca 10 kWh baterií.

Tepelná izolace

Obvodové stěny domu jsou kombinací původní zaizolované stěny v přízemí a nové obvodové stěny v patře, jež je součástí nového řešení celého patra. Původní i nové obvodové stěny vykazují tepelně izolační úroveň U = 0,15 W/(m2K), což odpovídá tepelnému odporu 6,5 m2K/W a požadavku na pasivní dům.

Přehlížení sálavých dějů v atmosféře (slunečního a nebeského původu) a jejich nahrazení teplotou vzduchu zlepšuje zimní tepelnou bilanci domu oproti skutečnosti. V létě ale vede k přehřívání, které se většinou svalí na špatný návrh, výstavbu nebo užívání domů.

Izolaci střešní ŽB desky spolu s nad ní umístěným reflexním termoizolačním souvrstvím charakterizuje dosažená hodnota U ≤ 0,083 W/(m2K).Zvláštní zateplení ze spodní, interiérové strany si vyžádal i strop „pod střechou” a zároveň nad stropním vytápěním. Realizovala ho vrstva pěnového polystyrénu tloušťky 10 cm s jednostrannou reflexní vrstvou mířící do mezery proti otopné desce. Tepelný odpor střešního souvrství až k otopné stropní ploše je tak na úrovni 14,5 m2K/W, tzn. U = 0,068 W/(m2K).

Tuhost střechy realizují dřevěné hranoly 10×10 cm, které nesou pochozí plochou střechu o mírném sklonu kvůli odvodu dešťové vody. Hranoly vymezují tři vzduchové mezery tl. 10 cm, oboustranně ohraničené šesti reflexními povrchy o sálavosti ε = 0,05. Sedmým je venkovní reflexní nátěr pochozí střechy (z desek OSB, lepenky a hydroizolace Multibaudicht). Tato střecha, krom toho, že výjimečně izoluje, se na slunci nepřehřívá a pod zimní ledovou oblohou nepromrzá. Důkazem kvalitního zateplení je fakt, že i přes stropní vytápění zůstává střecha v porovnání s okolní zástavbou nejdéle pokryta sněhem.

Stropní vytápění a chlazení

Stropní celoplošné vytápění/chlazení o celkové ploše 2×80 m2 je instalováno v obou nadzemních patrech řečené budovy. Skládá se z hliníkových panelů o tloušťce 3 mm, na nichž je z jedné strany kontaktně uložen „had” z měděných trubek, kterými proudí otopná/chladicí voda. Kanceláře mají vždy jen jeden celostropní „radiátor” složený z celých či krácených topných panelů. Rozlehlejší prostory (haly s chodbou a schodištěm) jsou většinou řešeny jako dva stropní „radiátory”.

Otopné stropní panely s trubicemi se připevňují (místo sádrokartonu) na sádrokartonářskou stropní konstrukci.

Spodní, sálavá plocha těchto stropních otopných panelů a zároveň pohledová část stropního vytápění je opatřena finální povrchovou úpravou v podání tenké štukové omítky se základním vápenným a finálním malířským nátěrem.

Slunečná elektrárna

Jde o 42 fotovoltaických panelů (9 na fasádě, 33 na střeše) o jmenovitém výkonu 12 kWp. Panely zásobují ostrovní jednofázovou fotovoltaickou elektrárnu (FVE) s bateriovým úložištěm s celkovou kapacitou 10 kWh.

Sluneční elektrárna pokrývá podstatnou část energetické spotřeby domu zahrnující osvětlení, provoz počítačů, vytápění/chlazení a ohřev TV. Teprve s nástupem topné sezóny přichází na řadu elektřina z rozvodné sítě. Přednost má nízký tarif; vysoký je využíván jen výjimečně.

Obrazovka s informacemi o využívání vlastní elektřiny z FVE. Údaje u fází (L1 až L3) představují aktuálně dostupnou elektřinu. Níže vypsané režimy pak pro co tato elektřina je využívána.

Tepelné čerpadlo

Splitové tepelné čerpadlo Viessmann VITOCAL 100 v jednofázové verzi 101.B08 s jmenovitým tepelným výkonem 6 kW realizuje v zimě a přechodném období významně vyšší účinnost přípravy otopné a teplé užitkové vody, než nabízí přímý ohřev. A v létě navíc umožňuje „vyrábět” s podobně vysokou účinností chladnou vodu pro účely chlazení.

Tepelné čerpadlo je tepelný stroj pracující v inverzním režimu, kdy – poháněn např. elektricky – odebírá teplo z chladného zásobníku a předává ho teplejšímu. Z fyzikálního popisu zařízení a z informace jak funguje tepelné čerpadlo vyplývá, že množství čerpaného tepla může až několikanásobně převýšit hnací energii. Tepelný stroj navrhl roku 1824 Nicolas Léonard Sadi Carnot a roku 1857 termodynamicky odůvodnil Rudolf Clausiu.

Přesně to specifikuje jeho topný faktor, který zatím (říjen + listopad) dosahuje hodnoty COP = 4,5. V praxi tepelné čerpadlo ohřívá vodu za použití necelých 25 % energie v porovnání s přímým, např. elektrickým ohřevem.

Naopak v létě, kdy totéž zařízení vyrábí chlad, je tento poměr (označovaný jako EER) na hodnotě 4,7 (vzduch 35 °C / voda 18 °C). Čerpadlo tak chladí vodu při použití jen 22 % energie, která vyplývá z rozdílu tepelného obsahu vody obou teplot.

Bezprostředně pod krytem vnitřní jednotky se nachází elektronika TČ. Sem se připojují čidla teploty apod.

Rychlé a účinné stropní vytápění a chlazení

Ač se to málo ví, sálavé nízkoteplotní a celoplošné stropní vytápění/chlazení je ze samé podstaty věci nejúčinnější ze všech jiných řešení. Sálavé děje lze navíc přesně popsat, což o vedení a proudění říct nelze. Sálání je vždy řídicím procesem nejen v interiérech, ale doslova v celém Vesmíru. Vedení a proudění jsou jeho odvozeninou, většinou chaotickou.

Ukažme si „práci” se sáláním: v době psaní tohoto článku vykazovaly stropy v celém domě povrchovou teplotu 22,5 °C (měřený údaj). Při venkovní teplotě 14 °C tak realizovaly vnitřní prostorovou teplotu 21,7 °C (měřený údaj) a okamžitou tepelnou ztrátu domu 1,32 kW (výpočet). Chceme-li zvýšit prostorovou teplotu na 23 °C, stačí zvýšit teplotu stropu na necelých 24 °C (výpočet na základě Stefanova – Boltzmannova zákona). A je otázkou pár desítek minut, kdy po mírném otevření směšovacího ventilu se ustálí nová požadovaná prostorová teplota.

Energetika domu bez čerpadla

Před instalací tepelného čerpadla proběhl přibližně roční test otopné soustavy, a to zejména z pohledu energetické náročnosti budovy a potřebných teplot teplonosného média. V systému je totiž k dispozici dvojice zásobníků o celkovém objemu 1,5 m3. K tomu se přičítá bojler pro ohřev pitné vody pro hygienické účely, úklidové práce, vaření, mytí a praní.

Zjistilo se, že i při využití výhradně nízkého 8h tarifu stačí ohřívat zásobníky na teplotu cca 40 °C a to hlavně protože si stropní vytápění vystačí s teplotou jen do 27 °C.

Léto bylo jednodušší v tom smyslu, že, v případě slunných teplých dní, je k chlazení využívána energie z fotovoltaiky. A té bývá vždy nadbytek.

Venkovní jednotka tepelného čerpadla Vitocal 100-S typ 101.B08. Vyšší výkonové řady mají již 2 ventilátory nad sebou.

Energetika domu s tepelným čerpadlem

Po necelých dvou topných měsících provozu čerpadla VITOCAL 100 nelze ještě vyslovit definitivní závěry. Avšak změna byla patrná ihned po jeho uvedení do provozu.

V srpnu čerpadlo vyrábělo s pomocí sluneční elektřiny jednak chladnou vodu pro účely stropního teplovodního chlazení (zmíněné dva zásobníky o celkovém objemu 1,5 m3) a zároveň ohřívalo vodu v bojleru (300 l).

Ve výchozím stavu zobrazuje displej základní provozní informace. Piktogramy značí, že je den (sluníčko vlevo nahoře), venkovní a vnitřní teplotu, informaci o provozu FVE (sluníčko s panelem nad střechou), zapnutý kompresor a ventilátor (ikony vpravo dole).

V druhé polovině září dům přešel na „zimní” režim. To především znamená, že tepelné čerpadlo vyrábí teplo nejen k ohřevu užitkové, ale i otopné vody. Investor si od toho slibuje, že obstará ohřev otopné vody cirka 3× levněji, než jak činil doposud s využitím topné spirály.

Čidlo venkovní teploty na severním nároží domu. Komunikační kabel musel být veden napříč celým domem.

Montáž tepelného čerpadla

Dodavatel (přímo Viessmann) se velmi dobře vypořádal nejen s návrhem vhodného zařízení (splitové tepelné čerpadlo), které odpovídá velikosti a potřebám popsané administrativní budovy, ale i s jeho rychlou montáží. Ta proběhla v rámci jedné pracovní směny. Dodejme, že připravit se musí i investor, tzn. dobře připravit místo instalace čerpadla (venkovní i vnitřní) a přivést k němu veškeré elektrické a potrubní přípojky. Také musí najít vhodné místo pro teplotní čidlo, které nebude ovlivněno slunečním zářením a bude měřit jen teplotu venkovního vzduchu.

Popisované tepelné čerpadlo realizovalo v týdnu od 19. 10. do 25. 10. 2020 vytápění a ohřev užitkové vody za necelých 100 Kč a dosahovalo úrovně COP = 4,5. Za celý říjen činily náklady na vytápění a ohřev vody cca 400 Kč.

Závěr

Ačkoli od instalace tepelného čerpadla v systému vytápění/chlazení administrativního domu uběhlo sotva několik měsíců, zřetelně se ukázalo, že zde obstarává doslova nevyhnutelnou službu při zvýšení účinnosti vytápění a (v létě) chlazení. Obě tyto služby jsou velmi často nutné bez ohledu na to, jak dobře je dům izolován. I dům s vysokou tepelnou izolací nemusí být ještě energeticky maximálně úsporný, což byl případ popisovaného domu. Vhodně zvolené a kvalitní tepelné čerpadlo ho takovým učinilo.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Helena Hejhálková