V dnešní době sílí snaha investorů o nezávislost na společných zdrojích energií, tedy vody, plynu a elektrické energie. Vodu můžeme získat z vlastní studny, s plynem je to problematické, ale elektrickou energii lze získat z obnovitelných zdrojů, například prostřednictvím fotovoltaické elektrárny. Zároveň je žádoucí snižovat uhlíkovou stopu, tzn. zmenšovat potřebu tepla na vytápění a přípravu užitkové vody v domácnosti. Tomu nejlépe vyhovují tepelná čerpadla všech provedení. Jak je to s kombinací čerpadel a fotovoltaiky?
Proč se tepelné čerpadlo s fotovoltaikou vyplatí?
Hlavní výhodou kombinace tepelného čerpadla a fotovoltaiky je snížení nákladů. Tepelné čerpadlo totiž může využívat elektrickou energii dodávanou z FVE panelů, a to klidně po většinu roku. V případě využití bateriového systému navíc lze přebytečnou energii ukládat do baterií, pro pozdější využití. Díky tomu zvyšujete svoji energetickou nezávislost.
Moderní systémy navíc umějí regulovat nespotřebovanou energii. Tepelné čerpadlo ze díky tomu nastavit tak, aby se dostalo do rovnováhy mezi spotřebou a výrobou elektřiny ze solárů. Zbytkovou energii případně lze využít i pro domácí spotřebiče nebo třeba dobití elektroauta.
Energie na pohon tepelného čerpadla
Nejrozšířenějším pohonem tepelného čerpadla je elektromotor. Ten zajišťuje pohon kompresoru. Jeho spotřeba odpovídá cca 20 až 30 % tepelné energie, kterou tepelné čerpadlo vyrobí. Spotřeba je především závislá na teplotě média, z něhož se teplo odebírá, a na opačné straně na teplotě média, které se využívá k ohřevu teplé vody a vytápění. Čím je rozdíl těchto teplot menší, tím menší je i spotřeba elektrické energie na pohon kompresoru. Dalším důležitým faktorem je použité chladivo, u kterého je důležitá výparná a kondenzační teplota a provozní tlak, při kterém ke kondenzaci dochází. V současné době se začínají využívat nová chladiva, která mohou pracovat i s teplotami až 70 °C i více.
Dnes jsou nejvíce rozšířená tepelná čerpadla vzduch-voda, která jsou nejméně náročná na zdroj jímané energie (vzduch) a pracují s plynule proměnlivými otáčkami kompresoru. Množství vzduchu, které projde tepelným čerpadlem, se počítá v tisících kubíků za hodinu. U těchto čerpadel lze využívat reverzibilní chod k letnímu chlazení při využití velkých zisků z fotovoltaické elektrárny.
Tepelná čerpadla země-voda jsou zase náročná na hloubku (délku) vrtu, případně na velikost plošného kolektoru. Pro názornost: potřebná plocha kolektoru je cca 2x větší než vytápěná plocha domu. Výhodou však je, že u tepelných čerpadel s hlubinnými vrty lze reverzibilně využít tzv. přirozené chlazení téměř bez potřeby elektrické energie, protože není třeba chodu kompresoru.
Tepelná čerpadla voda-voda jsou nejméně využívána, protože jsou náročná na množství primární vody, na její chemické složení, ale také na náročné schvalovací procesy.
Získávání energie z fotovoltaické elektrárny
Legislativně jsou dnes v ČR povoleny fotovoltaické elektrárny jen na střechy domů. Vzhledem k plochám střech běžných rodinných domů je na ně technicky možné osadit fotovoltaické elektrárny s výkonem okolo 5 kWp (max. do 10 kWp, p = peak). Tato hodnota je ale tzv. jmenovitá – lze jí dosáhnout jen výjimečně při nízkých venkovních teplotách okolo 15–20 °C, za slunečného počasí bez mraků, při bezvětří a kolmém dopadu sluneční energie na kolektor. Tyto podmínky mohou nastat jen výjimečně a jen na krátkou chvíli za celý den.
V našich klimatických podmínkách se nejvyšší zisky vyskytují v létě, a to několikanásobně více než např. v lednu, kdy je v domě největší potřeba tepla. Z toho vyplývá, že energetické toky jdou proti sobě. Tyto časové disproporce je možné řešit akumulací elektrické energie do elektrického akumulátorového úložiště, a to buď do vlastního, nebo si sjednat uložení této energie u správce sítě s možností odběru v době zvýšené spotřeby.
V případě přípravy teplé užitkové vody, jejíž spotřeba je většinou konstantní po celý rok, lze využít napětí 230/400 V ze střídače fotovoltaické elektrárny a využívat tuto energii k ohřevu bojleru přes elektrickou patronu, případně k vlastní spotřebě v domě (provoz pračky, sušičky, kuchyňských spotřebičů, dobíjení elektromobilu apod.). Pro ilustraci, rodina se 4–5 osobami v domácnosti bude potřebovat bojler o objemu zhruba 300 litrů a elektrickou patronu o výkonu 3 kW. Tuto „zásuvku“ lze využít i pro napájení tepelného čerpadla, ale s výše uvedenými omezeními.
Kapacita úložiště a spotřeba tepelného čerpadla
Jmenovitá tepelná ztráta běžného současného rodinného domu se pohybuje okolo 4–5 kW. K jeho vytápění vyhovuje tepelné čerpadlo o zhruba stejném výkonu 5 kW. Při topném faktoru 3 je špičkový odběr elektrické energie na jeho pohon cca 1,7 kW. Tento výkon lze při kapacitě akumulátorového úložiště 20 kWh plně pokrýt po dobu 12 hod. Jenže tuto potřebu má rodinný dům cca jen 14 dní za celou topnou sezónu. Běžně stačí k pokrytí průměrně jen 50 % této hodnoty, pak pokryje kapacita úložiště celou spotřebu tepelného čerpadla.
Pokud je kapacita domácího akumulátorového úložiště již vyčerpaná, musí být využito elektrické energie z distribuční sítě. V případě uložení elektrických přebytků z fotovoltaické elektrárny u distributora se v momentě vyčerpání naakumulované energie změní jen tarif, za který je současná energie odebírána.
Návrh fotovoltaické elektrárny a výběr čerpadla
Návrh, jak velkou fotovoltaickou elektrárnu a akumulátorové úložiště k ní ve vazbě na potřebnou velikost tepelného čerpadla pro daný rodinný dům pořídit, je vhodné svěřit odborníkům. Specialisté, kteří se návrhem a optimalizací těchto zařízení zabývají, pracují buď u distribučních společností, nebo v soukromých specializovaných firmách. Dále je třeba vybrat vhodného dodavatele zařízení s dostatečnými zkušenostmi a s případným servisem tohoto zařízení. V současné době je možný i monitoring výroby a spotřeby elektrické energie, tzn. monitoring toku energií a jeho optimalizace.
V případě tepelného čerpadla vzduch-voda lze zvolit variantu umístění kompaktního zařízení venku, děleného, tzn. část venku a část uvnitř, případně celého uvnitř. Zde je třeba rozhodnout o vhodném umístění s ohledem na sousední objekty a okna vlastního rodinného domu, aby nedocházelo k rušení hlukovými projevy. Proto je třeba přihlédnout kromě výkonu tepelného čerpadla také k jeho hlukovým parametrům. Zároveň není vhodné tepelné čerpadlo instalovat v místnostech s vysokou mírou prašnosti, protože pak dochází k rychlému zanášení teplosměnných ploch, a tím ke zhoršování účinnosti zařízení.
V případě tepelných čerpadel země-voda či voda-voda se vždy jedná o vnitřní zařízení, tudíž je při řešení dispozice domu třeba počítat s jejich umístěním. Zároveň je nutné počítat s umístěním bojleru, který zabere cca 0,75 m2 plochy v domě.
Umístění fotovoltaických panelů je vhodné volit tak, aby byly orientovány k jihu, ničím nestíněné a nakloněné na cca 45 ° od vodorovné polohy. To je v našich zeměpisných šířkách poloha s maximálním ziskem slunečního záření v letním období, kdy jsou zisky největší. Běžně se panely montují na šikmou střechu, kde kopírují její sklon.
Jakékoliv zastínění stromem či jinou překážkou je nevhodné, protože jednotlivé články jsou spojovány v sérii za sebou a v případě zastínění může dojít k vyřazení jímání energie z celého panelu. Proto jsou moderní panely vybaveny tzv. bypass diodami, které zastíněné nebo přehřáté části „překlenou” a zajistí trvalý výkon. Přesto je třeba mít toto vše na paměti již při návrhu začlenění nového domu do terénu a zvažování orientace střech. Vlastní měnič napětí a úložiště akumulátorů je vhodné umístit vždy uvnitř. Pozor, jedná se o poměrně sofistikované zařízení, které potřebuje i chlazení. Instalovat by ho měl vždy specializovaný pracovník.
