Tepelné čerpadlá sa ako zariadenia na využívanie voľne dostupného tepla vo vzduchu, v zemi alebo vo vode tešia stále väčšiemu záujmu. Okrem zabezpečenia tepla na vykurovanie a ohrevu teplej vody ich možno využívať v lete aj na chladenie. Tento perspektívny obnoviteľný zdroj síce prináša mnohé výhody, ale vzhľadom na široké spektrum možností, aké riešenie zvoliť, výsledky viac ako pri iných technológiách závisia od skúsenosti projektanta a dodávateľa.
Príklady z praxe, kde tepelné čerpadlá vykurujú verejnú budovu, nie sú zatiaľ u nás stále všedné. Jedno z prvých „obecných“ čerpadiel na Slovensku bolo inštalované v základnej škole v Kalnej nad Hronom. Cesta k jeho využitiu i sedemročné výsledky môžu byť inšpiratívne a užitočné. V zahraničí aj na Slovensku sa viacero inštalácií nevydarilo, respektíve neboli navrhnuté optimálne. V horšom prípade čerpadlo nezabezpečuje dostatok tepla pre tepelnú pohodu a v lepšom je predimenzované, čiže tepla je dostatok, ale návratnosť vložených investícií sa zbytočne predlžuje.
Pilotný verejný projekt s dvoma čerpadlami
Tepelné čerpadlá v Základnej škole v Kalnej nad Hronom inštalovali v roku 2005. Investíciu financovala obec. Podstatná časť nákladov bola vykrytá z povinných príspevkov Jadrovej elektrárne Mochovce, ktorá je umiestnená v katastri obce. Celá investícia vrátane rekonštrukcie rozvodov vody, realizácie studní a ostatných nákladov dosiahla približne 5,5 mil. Sk (cca 180-tis. €).
Prvým krokom k úspešnosti projektu bolo zistenie, že pod areálom základnej školy je dostatočné množstvo podzemnej vody, dostupné v neveľkej hĺbke od 6 m do 20 m. Na zabezpečenie tepla na vykurovanie boli nainštalované dve rovnaké čerpadlá s nominálnym tepelným výkonom po 125 kW. V areáli školy sa nachádzajú dva oddelené vyučovacie pavilóny, jedáleň, samostatná telocvičňa a budova materskej školy. Jedno tepelné čerpadlo dnes zásobuje prvý z vyučovacích pavilónov a pôvodne malo slúžiť aj pre škôlku a telocvičňu. Ďalšie je určené pre druhý učebný pavilón a s ním spojenú jedáleň. Na obe čerpadlá pripadá približne rovnaká vykurovacia plocha. Jeden pavilón má cca 3000 m2. Celý areál školy predtým zásobovala centrálna plynová kotolňa s dvoma teplovodnými kotlami ČKD s výkonom po 250 kW.
Kompromis s pôvodnými vykurovacími telesami
Potreba teplej vody vo vyučovacích pavilónoch je nízka. Preto bolo hospodárnejšie ponechať klasické elektrické ohrievače vody či už prietokové alebo s malými zásobníkmi. Väčšina objektov školy bola tesne pred inštaláciou tepelného čerpadla zrekonštruovaná. Zateplili plášť budov a vymenili okná. Dimenzovanie tepelných čerpadiel vychádzalo už z nových potrieb tepla. Pôvodný zámer zahŕňal aj výmenu klasického systému s radiátormi za nízkoteplotné kapilárne vykurovanie. Takéto riešenie by bolo určite prínosom z hľadiska dosiahnutia čo najvyššieho pomeru vstupujúcej a vystupujúcej energie. No s prihliadnutím na navýšenie ceny celkovej rekonštrukcie sa ukázala takáto investícia ako nerentabilná. Po zateplení objektov sa stal tepelný okruh s jestvujúcimi vykurovacími telesami prirodzene predimenzovaný. Preto bol po technickom prehodnotení ponechaný pôvodný vykurovací systém ako vyhovujúci s dostatočnou odovzdávacou plochou aj pri podstatne nižších teplotách vykurovacieho média.
Nárok na zvýhodnenú tarifu za elektrinu
Pri výbere boli zvolené tepelné čerpadlá nemeckého výrobcu WATERKOTTE DS 5194.4, ktorých kompresory sú poháňané elektrickým pohonom. Výrobcom udávaný tepelný výkon je 134 kW pri režime W10/W35. Toto označenie znamená teplotu vstupnej vody 10°C a výstupnej ohriatej vody 35 °C, pričom odoberaný elektrický výkon pri maximálnom výstupnom tepelnom výkone je na úrovni 23,6 kW. V reálnej prevádzke klesá výstupný tepelný výkon so zvyšujúcou teplotou na výstupe, ktorá môže výnimočne dosahovať až 70 °C. Toto čerpadlo nepoužíva priamy elektrický ohrev pri nedostatku tepla.
V primárnom okruhu je zapojený výmenník tepla (na obrázku strieborný kváder vľavo), ktorý slúži na hydraulické oddelenie spodnej vody zo studne ako nosič tepla od vnútorného okruhu samotného tepelného čerpadla. Toto je obvyklé riešenie pri štandardnej kvalite a mineralizácii podzemnej vody. Jej tvrdosť a obsah iných prvkov je potrebné vždy najskôr overiť prostredníctvom chemického rozboru, pretože majú zásadný vplyv na životnosť čerpadla. Tepelné čerpadlo „pumpuje“ teplo do inštalovaného 1000-litrového zásobníka tepla. Zo zásobníka sú vyvedené cez rozdeľovač jedna alebo dve vykurovacie vetvy so svojimi obehovými čerpadlami. Keďže tepelné čerpadlá patria medzi obnoviteľné zdroje energie, bola pre ne poskytnutá zvýhodnená sadzba elektriny. Preto majú strojovne každého z nich vlastné samostatné elektrické prípojky, s jedným spoločným fakturačným elektromerom.
Čerpacie aj vsakovacie vrty
Návrhu studní predchádzal hydrogeologický prieskum a georadarové merania. Celý systém odberu tepla z podzemnej vody z tzv. plytkých vrtov musí pozostávať z čerpacích a vsakovacích vrtov, prostredníctvom ktorých je vyčerpaná voda po odobratí tepla a ochladení vrátanená späť. Za takto využitú vodu na energetické účely sa neplatia žiadne poplatky. Postupne bolo v areáli školy zrealizovaných 9 vrtov. Časť určená na čerpanie vody, časť na jej vsakovanie a niektoré vrty sú zálohové. Vrty pre odber aj vsakovanie vody sú maximálne 30 m hlboké s priemerom 220 mm. K šachtám z betónových skruží s poklopom vedú elektrické rozvody, z ktorých sú napájané čerpadlá primárneho okruhu ponorené vo vode. Hladina podzemnej vody v lokalite sa zvyčajne pohybuje okolo 7 m pod terénom. Teplota podzemnej vody dosahuje od 11°C do 12 °C. V Kalnej nad Hronom je každé z tepelných čerpadiel zásobované cca 15 000 litrami vody za hodinu, čo predstavuje prietok približne 4,17 l/sekundu. Tomu zodpovedá tepelný výkon cca 125kW. O tom, ktorý vrt sa práve využíva, rozhoduje obsluha strojovne.
Teplo aj počas mrazivých dní
Pre analýzu tejto inštalácie boli použité skutočne namerané hodnoty na jednom tepelnom čerpadle v roku 2010. Čerpadlo vtedy vykurovalo len vyučovací pavilón. Pripojené bolo na dva zásobovacie vrty a jeden vsakovací. Údaje namerané v strojovni zahŕňajú kompletnú spotrebu elektriny, vrátane spotreby inej technológie v strojovni. K tej patria čerpadlá na dodávku vody zo studní, obehové čerpadlá a spotreba samotného riadenia a regulácie. Keďže čerpadlá majú zabezpečovať tepelnú pohodu počas vyučovacích hodín, väčšina elektriny bola spotrebovaná v čase platnosti drahšej dennej tarify. Podľa faktúr za obe čerpadlá sa vo vysokej tarife spotrebovalo až 65,6 %.
Vedenie základnej školy sa mohlo na čerpadlo spoľahnúť aj počas mrazivých dní. Napríklad 27. januára 2010 pri vonkajšej teplote -13°C tepelné čerpadlo dodalo na výstupe vodu s teplotou 66,6°C. Podobné výsledky však nemusia byť dosiahnuteľné v iných projektoch. Aj z analyzovaných hodnôt vyplýva, že toto konkrétne čerpadlo nebolo vyťažené maximálne. Mohlo pracovať ešte viac hodín denne, čím by zabezpečilo viac tepla. Na dokúrenie pavilónu využila šikovnáobsluha výnimočne v zimných špičkách aj plyn. No ročná spotreba bola zanedbateľná – iba 500 m3. Vďaka tomu sa čerpadlo nemuselo zbytočne namáhať a následne pracovalo efektívnejšie.
Škola mieni, realita mení
Hoci čerpadlo bolo pôvodne naprojektované aj pre využitie vykurovania materskej školy a telocvične, dodávku tepla pre vykurovanie škôlky dnes zabezpečuje kondenzačný kotol, ktorý mal pôvodne slúžiť iba ako záložný zdroj. Jedným z podstatných dôvodov je to, že na zateplenie škôlky, ani na výmenu okien nezostali počas rekonštrukcie v roku 2005 prostriedky.
Samozrejme, že potreba tepla na zabezpečenie optimálnej teploty v škôlke bola oveľa vyššia ako zateplenej budovy školy, ktorá bola napájaná z toho istého čerpadla. No zvyšovanie teploty vody na výstupe tepelného čerpadla tak, aby bola dostatočná teplota pre vykurovanie škôlky, bolo nehospodárne. Podstatne sa zhoršil pomer privedenej energie v elektrine a vystupujúceho tepla. Hoci škôlka reprezentuje zhruba štvrtinu celkovej vykurovanej plochy prislúchajúcej k tomuto čerpadlu, v extrémnych prípadoch sa stalo, že dokázala spotrebovať až polovicu tepla vyprodukovaného čerpadlom. Zistenie, že nezateplená škôlka môže dosiahnuť až 3-krát vyššiu spotrebu tepla ako dobre zateplená škola, si vyžadovalo zmenu plánovaného spôsobu prevádzky až dovtedy, kým sa nepodarí aj túto budovu zatepliť.
Na mínovom poli
Telocvičňa, ktorá mala byť tiež pripojená na okruh s čerpadlom, je už zateplená a má aj vymenené okná. Bohužiaľ, rozvody nového systému k nej nedoviedli pre komplikácie s trasou. Za šťastie možno považovať, že pri výkopových prácach prepojovacieho potrubia bezpečne odstránili míny z 2. svetovej vojny, o ktorých dovtedy nik netušil. Vykurovanie je taktiež zabezpečené záložným plynovým kotlom. Potreba plynu na vykurovanie a dohrev teplej vody telocvične je dnes cca. 4 500 m3 ročne. V mesiacoch máj a jún je prakticky nulová. Vtedy využívajú na ohrev vody solárny systém z 90-tych rokov. V mesiaci január môže dosahovať spotreba plynu cca 1 100 m3.
Teoretická a skutočná efektívnosť
Tepelné čerpadlo napojené na radiátorový vykurovací systém musí byť zvyčajne prevádzkované v širokom rozsahu výstupných teplôt. Preto je zaujímavé sledovať v praxi, ako sa líšia teoretické hodnoty a realita. Údaje o spotrebe elektriny zhŕňajú aj spotrebu inej technológie strojovne, čiže čerpadlá primárneho okruhu na dodávku vody zo studní, obehové čerpadlá vykurovacích vetiev a spotrebu samotného riadenia a regulácie. Reálne bol dosiahnutý priemerný tepelný výkon počas prevádzky čerpadla za rok 119,5 kW. O efektívnosti čerpadla hovorí hodnota priemerného ročného vykurovacieho faktora čerpadla tzv. COP (z anglického „Coeficient of Power“).
Graf: Získané teplo a podiel spotrebovanej elektriny
Ak do vykurovacieho faktora zahrnieme všetky elektrické spotreby a straty, t. j. zoberieme zistenú celkovú spotrebu strojovne, podľa nameraných reálnych hodnôt bol skutočný celoročný vykurovací faktor 3,014, vrátane všetkých elektrických spotrieb potrebných na zabezpečenie prevádzky vykurovania. Z uvedeného vyplýva, že v školskom pavilóne v Kalnej bola len 1/3 tepla vyrobená vďaka spotrebovanej elektrine a až dve tretiny tepla poskytol obnoviteľný zdroj – spodná voda.
Dva pohľady
Je teda vhodné investovať do tepelných čerpadiel, ak zohľadníme všetky vstupné a prevádzkové náklady vrátane všetkých skrytých spotrieb energie, či nákladov na obsluhu a servis? Podstatné je, v akom časovom horizonte vnímať investičné náklady. Pri čo najdlhšom technicky možnom využívaní zariadenia, ktoré vyplýva zo životnosti, alebo pri minimálnom, za ktorý ekonómovia považujú napríklad čas splácania bežného komerčného úveru. Niekde medzi tým je prax. Samozrejme, ekonomické výsledky vychádzajú lepšie, ak sa podarí využiť podporný mechanizmus či zohnať výhodnejšie financovanie ako komerčný úver. K investícii do tepelného čerpadla a radikálnej rekonštrukcii vykurovacieho systému sa zvyčajne pristupuje v prípade, ak starý zdroj dosluhuje. Situácia je podobná ako v novostavbe. Aké riešenie zvoliť? Porovnanie tepelného čerpadla s možnosť vykurovania plynom patrí k menej výhodným kombináciám.
Ako porovnať čerpadlo s iným zdrojom
Investičné náklady sú porovnateľné ľahko, ak sú obe ponuky „na stole“. Merná cena inštalácie tepelného čerpadla bola v tomto prípade cca 680 € na inštalovaný kW výkonu so zahrnutím všetkých nákladov na studne, rozvody vody a iných súvisiacich nákladov s rekonštrukciou vykurovania. Čerpadlo sa v praxi osvedčilo aj v prípade ponechania starého systému vykurovacích telies v zateplenej budove. Dosiahnutý výsledok v podobe celoročného COP väčšieho ako 3 je z energetického hľadiska výborný.
Cena elektriny vrátane poplatkov za odberné miesto zriadené len pre tepelné čerpadlá bola pri ich dominantnom využívaní najmä počas dňa, teda vo vyššej tarife, 0,188 €/kWh vrátane DPH. Z podielu nákladov na elektrinu, vrátane všetkých energetických réžií celého vykurovacieho okruhu, a ročného COP s hodnotou 3 je možné určiť priamu cenu tepla. Je to maximálne 0,063 € na kWh tepla, respektíve do 17,50 €/GJ. Jednoznačnejšie ekonomické výsledky v prospech tepelných čerpadiel dosahujú určite inštalácie v stavbách s nízkoteplotným okruhom vykurovania v lokalitách, kde nie je k dispozícii plyn.
Nefinančné výhody
Tepelné čerpadlo z nášho príkladu spoľahlivo bez porúch funguje už sedem rokov. Reguláciu museli reštartovať len raz – kvôli blesku. Plnoautomatické zariadenie prevádzkovateľov raz upozornilo na potrebu vyčistiť filter vody zo studne mimo plánovaného cyklu. Dôvodom mohlo byť zakalenie spodnej vody po dlhodobých a silných dažďoch alebo slabé zemetrasenie v tom istom čase. Náročnosť obsluhy je porovnateľná s plynovou kotolňou. Životnosť tepelných čerpadiel býva zvyčajne 15 rokov. Neskôr stačí vymeniť kompresor tepelného čerpadla, alebo čerpadlo v studni v hodnote maximálne do 15% ceny tepelného čerpadla. A systém funguje ďalších 15 rokov. Keďže ide o obnoviteľný zdroj energie, technológia je samozrejme bezemisná.
Ing. Peter Štibraný, SIEA
Analýzu inštalácie pripravila Slovenská inovačná a energetická agentúra v rámci projektu bezplatného energetického poradenstva ŽIŤ ENERGIOU, ktorý je financovaný zo štrukturálnych fondov EÚ prostredníctvom Operačného programu Konkurencieschopnosť a hospodársky rast.
Publikované: Obecné noviny; 25. 9. 2012, č. 28, s. 10-11, príloha Energetická efektívnosť v samosprávach