Elektrické tepelné čerpadlá na vykurovanie hál: Aká je ich účinnosť?

Elektrické tepelné čerpadlá na vykurovanie hál

Snažíme sa o objektívny pohľad na “horúcu” diskutovanú tému: Tepelné čerpadlá ako priemyselné vykurovanie! Každý vie, že technické riešenia, ktoré dobre fungujú v obytných budovách, nie sú nevyhnutne vhodné pre priemyselné a logistické haly. Platia tu osobitné pravidlá, už len kvôli obrovským výškam hál, objemom vzduchu v hale a celkovým rozmerom budovy.

Elektrické tepelné čerpadlá (EHP) sú jednou z možností dekarbonizácie vykurovacích systémov hál v priemysle a logistike. Môžu sa používať ako samostatný vykurovací systém alebo v hybridnom systéme, napr. s plynovými tmavými radiátormi, s cieľom zabezpečiť aspoň 65 % tepla z obnoviteľných zdrojov.

Hneď na začiatku by sme chceli vyvrátiť predsudok: tepelné čerpadlá dokážu získavať teplo z okolia aj pri teplotách hlboko pod bodom mrazu. Predpokladom je, že teplota zdroja tepla (vzduchu) je vyššia ako teplota varu chladiva. Aj studený vonkajší vzduch v zime má preto stále dostatok tepelnej energie na zabezpečenie hospodárneho vykurovania.

1. Aké elektrické tepelné čerpadlá sú k dispozícii?

Elektrické tepelné čerpadlo v podstate odoberá energiu (teplo) z okolitého prostredia a uvoľňuje ju späť do interiéru haly. Rozlišuje sa medzi tepelnými čerpadlami (zdroj energie/výstup tepla) v závislosti od typu použitého systému výstupu tepla a spôsobu dodávky tepla do priestoru haly:

• Vzduch/vzduch
• Vzduch/voda
• Voda ( podzemná voda, odpadová voda) / voda
• Geotermálne teplo (soľanka) / voda
• Odpadové teplo (soľanka alebo voda) / voda

Tepelné čerpadlá vzduch/vzduch a vzduch/voda sa najčastejšie používajú v priemysle. Rozhodujúcou výhodou je, že tepelné čerpadlá využívajú ako zdroj tepla voľné teplo z prostredia, ktoré je k dispozícii prakticky všade a v nekonečnom množstve

1.1 Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch využíva vonkajší vzduch ako zdroj tepla a odovzdáva ho do vnútorného vzduchu. Môže sa používať na vykurovanie aj chladenie prostredníctvom obráteného toku tepla. Preto sa tepelné čerpadlo vzduch-vzduch označuje aj ako klimatizácia. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch pozostáva z vonkajšej jednotky a jednej alebo viacerých vnútorných jednotiek prepojených potrubím s chladivom. Vďaka svojej flexibilite sa tepelné čerpadlá vzduch-vzduch používajú vo väčšine vnútorných budov vykurovaných tepelnými čerpadlami. Dajú sa použiť na relatívne lacné a efektívne vykurovanie priemyselných hál a logistických budov. A v prípade potreby môžu poskytovať aj chladenie.

1.1.1     Oblasť použitia

• obchodné, priemyselné a logistické haly
• novostavby a rekonštrukcie
• menovitý vykurovací výkon na jednotku od 4 do 28 kW, až 128 jednotiek ovládateľných prostredníctvom centrálnej riadiacej jednotky
• výškový rozdiel medzi vnútornými a vonkajšími jednotkami do 15 m

1.1.2     Inštalácia

Invertorom riadené systémy tepelných čerpadiel sa môžu inštalovať decentrálne pred plášť budovy alebo na strechu. Vnútorná jednotka pripojená na potrubie s chladivom rozvádza teplý alebo studený vzduch. Cieľom je, aby vzdialenosť od vonkajšej jednotky k vnútornej jednotke bola čo najmenšia. Týmto spôsobom zostávajú inštalačné vzdialenosti krátke, aby sa udržali nízke straty a náklady, a teplý alebo studený vzduch sa môže dodávať cielene. Tepelné čerpadlá tak potrebujú len malé množstvo chladiva a náklady na údržbu zostávajú nízke a lacné.

1.1.3     Distribúcia tepla

Vnútorné jednotky je možné pripojiť k širokej škále systémov distribúcie vzduchu, čo ponúka riešenie na mieru pre rôzne typy budov a aplikácií. Vysokotlakové difúzory sa okrem iného vyznačujú kompaktným dizajnom a sú vhodné do vysokých hál. Dokážu vyfukovať veľké objemy vzduchu na veľké vzdialenosti. Smer prúdenia vzduchu možno individuálne nastaviť v horizontálnom aj vertikálnom smere. Použitie vysokotlakových difúzorov znižuje nároky na inštaláciu, a tým aj investičné náklady.

Výhody vysokotlakových difúzorov:

• mimoriadne kompaktné
• vysoké objemy vzduchu a výkon znižujú nároky na inštaláciu
• nízke nároky na údržbu
• variabilita: individuálne nastaviteľný uhol a smer prúdenia
• nízke investičné náklady

Foto: Elektrické tepelné čerpadlá – Vysokotlakové difúzory

Ďalšou možnosťou sú textilné rukávy, ktoré ponúkajú možnosť cieleného zavedenia tepla alebo chladu do stavebnej konštrukcie. Textilné rukávy môžu byť navrhnuté s perforáciou alebo dýzami v rôznych veľkostiach a usporiadaní; individuálne sa prispôsobujú podmienkam. Textilné rukávy sa ľahko inštalujú, demontujú a rovnako ľahko čistia. To všetko robí z textilných rukávov vhodné riešenie pre vnútorné budovy s nízkou (4 m) až strednou (približne 13 m) výškou.

Výhody textilných rukávov:

• nízke investície
• nízka hmotnosť
• veľmi hygienické, ľahko sa čistia
• vysoká hĺbka prieniku, dokonca aj pre veľké haly so svetlou výškou > 10 m
• materiál tlmiaci hluk
• pri nízkych teplotách privádzaného vzduchu nie je potrebná izolácia potrubia
• prívod vzduchu bez prievanu cez perforácie alebo dýzy
• nastaviteľné na chladenie alebo vykurovanie
• znížené prevádzkové náklady vďaka nízkym tlakovým stratám
• flexibilná inštalácia
• výber farieb

Foto: Elektrické tepelné čerpadlá – Distribúcia vzduchu textilným rukávom

1.1.4 Výhody tepelných čerpadiel vzduch-vzduch

• žiadna hydraulika a menšie nároky na inštaláciu v budove – nízke investičné náklady
• flexibilita a kompaktnosť: chladiaca prevádzka sa dá realizovať s malými dodatočnými nákladmi
• nízka hmotnosť: len malá záťaž na konštrukciu budovy
• šetrnosť k životnému prostrediu: s chladivom R32 sa ľahko realizujú podnikové klimatické ciele
• vysoká spoľahlivosť vďaka viacerým nezávislým jednotkám

1.2 Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Tepelné čerpadlo vzduch-voda tiež využíva vonkajší vzduch ako zdroj tepla, ale odovzdáva teplo do vodného systému, ktorý možno použiť napríklad na podlahové vykurovanie (priemyselné panelové vykurovanie), aktiváciu betónového jadra alebo výrobu teplej vody.

Tepelné čerpadlá vzduch-voda sa používajú najmä v novostavbách vďaka dobrému pomeru cena/výkon. Tepelné čerpadlá vzduch-voda využívajú aj voľné teplo prostredia na efektívnu výrobu teplej alebo studenej vody.

V moderných, dobre izolovaných budovách postačujú na pokrytie potreby tepla na vykurovanie nízke prietokové teploty od 35 do 40 °C. V tomto rozsahu sú tepelné čerpadlá mimoriadne účinné. A aj na modernizáciu vykurovania v zle izolovaných budovách, ktoré si vyžadujú vyššie prietokové teploty, už existujú vhodné riešenia na báze tepelných čerpadiel. Pomocou nich možno dosiahnuť prietokové teploty až do 55 °C.

1.2.1 Oblasť použitia

• obchodné, priemyselné a logistické haly
• novostavby a rekonštrukcie
• výkony od 6 do 400 kW, kaskádovateľné
• vyššie prietokové teploty do 55 °C

1.2.2 Inštalácia

Tepelné čerpadlo vzduch-voda potrebuje vonkajšiu jednotku, ktorá absorbuje teplo z okolitého vzduchu, tepelnú alebo akumulačnú nádrž, ktorá uskladňuje teplo v interiéri, a distribučný systém, ktorý dodáva teplo na požadované miesto.

Foto: Elektrické tepelné čerpadlá – Inštalácia

Vonkajšia jednotka môže byť monobloková alebo splitová. V prípade monoblokovej jednotky je celý chladiaci okruh umiestnený vo vonkajšej jednotke, zatiaľ čo v prípade delenej jednotky je časť chladiaceho okruhu nainštalovaná vo vnútri. V prípade monobloku je potrebné dbať na to, aby vodovodné potrubie medzi vonkajšou jednotkou a zásobníkom tepla nemohlo zamrznúť. Ak sa vyžaduje vyšší vykurovací výkon, je možné kaskádovať aj niekoľko vonkajších jednotiek.

Foto: Elektrické tepelné čerpadlá – Monoblokové a splitové prevedenie

Samotná distribúcia tepla sa môže uskutočňovať prostredníctvom rôznych systémov, ako je podlahové vykurovanie, priemyselné panelové vykurovanie, aktivácia betónového jadra alebo sálavé stropné panely. Tie na vyhrievanie miestnosti využívajú sálavé alebo konvekčné teplo.

1.2.3 Distribúcia tepla

• statické radiátory / ohrievače
• podlahové/priemyselné panelové vykurovanie
• aktivácia betónového jadra
• sálavé stropné panely
• vzduchotechnické jednotky
• teplovzdušné vykurovanie / ventilátorové konvektory

1.2.4 Výhody tepelných čerpadiel vzduch-voda

• nižšie investičné náklady v porovnaní s tepelnými čerpadlami zem-voda
• nízke nároky na priestor v budove aj mimo nej
• šetrnosť k životnému prostrediu, najmä pri použití vlastnej alebo ekologickej elektrickej energie
• jednoduchá realizácia podnikových klimatických cieľov s chladivom R32 alebo prírodným chladivom R290 orientovaným na budúcnosť
• nahradenie kotlov na fosílne palivá pripojením na vykurovací systém na báze vody
• zníženie množstva chladiva prostredníctvom rozvodu vody
• možnosť režimu chladenia

2. Ako sa hodnotia výkonnostné triedy tepelných čerpadiel?

Účinnosť tepelného čerpadla sa opisuje podľa rôznych parametrov. V nasledujúcom texte stručne uvedieme, ktoré kľúčové údaje existujú, pričom nie všetky sú dôležité pre zváženie kúpy.

Hodnota COP (koeficient účinnosti) opisuje okamžitú výrobu tepla pri spotrebovanej elektrickej energii. Zvyčajne ide o laboratórnu hodnotu a nezahŕňa iné zariadenia, ako sú napríklad vykurovacie čerpadlá.

Sezónny vykurovací výkonnostný koeficient (SCOP) tepelného čerpadla je mierou účinnosti tepelného čerpadla počas celej vykurovacej sezóny. Udáva, koľko tepelnej energie tepelné čerpadlo vyrobí v pomere k dodanej elektrickej energii počas vykurovacieho obdobia. Táto hodnota sa okrem iného vypočítava z jednotlivých hodnôt COP pre rôzne vážené vonkajšie teploty (12 °C, 7 °C, 2 °C a -7 °C) a používa sa na určenie nákladov na energiu. Čím vyšší je SCOP, tým nižšie sú náklady na elektrickú energiu. Tepelné čerpadlá s hodnotami SCOP medzi 3 a 5 sú veľmi úsporné, pretože týmto koeficientom znižujú náklady na elektrickú energiu počas roka na náklady na vykurovanie. To znamená, že za každú zaplatenú kilowatthodinu elektriny získate tri až päť kilowatthodín tepla. Príklad: Ak má tepelné čerpadlo SCOP 4 a cena elektriny je 0,30 € za kWh, za kWh tepla zaplatíte len 0,075 €. Z hľadiska čistého tepla je to často lacnejšie ako iné vykurovacie systémy na báze fosílnych palív.

Ďalším hodnotiacim parametrom je ročný výkonový faktor (APF), ktorý sa zvyčajne používa v kontexte celého vykurovacieho systému a predstavuje skutočnú spotrebu na mieste. Konkrétne APF meria pomer dodanej energie (elektriny) k vyrobenej energii (dodanému teplu). Na rozdiel od iných kľúčových údajov tepelných čerpadiel sa ročný účinník nemeria matematicky, ale v reálnych podmienkach a počas celého roka. Okrem toho sa do výpočtu sezónneho výkonového faktora zahŕňa účinnosť celého vykurovacieho systému a správanie sa budovy a jednotlivca pri používaní. Výrobcovia preto nemôžu uvádzať ročný výkonový faktor vopred, ale určujú ho až po kúpe a inštalácii.

Ďalšou charakteristickou hodnotou, ktorá sa používa ako minimálna referenčná hodnota na financovanie v rámci federálneho programu financovania efektívnych budov, je sezónna účinnosť vykurovania (Ƞs, h-hodnota). Táto hodnota opisuje pomer vstupnej primárnej energie k množstvu vyrobeného tepla. Možno ju odvodiť z SCOP. Na tento účel sa SCOP vydelí číslom 2,5, vynásobí číslom 100 a od výsledku sa odpočíta korekčná hodnota 3. Tým sa nakoniec získa hodnota vyjadrená v percentách. Faktor primárnej energie 2,5 predstavuje súčasný európsky mix elektrickej energie.

Ƞs, h = (SCOP : 2,5 x 100) – 3

Ekvivalentne existujú tieto hodnoty chladiacich charakteristík: EER namiesto COP, SEER namiesto SCOP, Ƞs namiesto Ƞs, c

2.1 Ktorý kľúčový údaj najlepšie odráža účinnosť tepelného čerpadla?

Najdôležitejším, skutočným parametrom na určenie účinnosti systému tepelného čerpadla je koeficient účinnosti. Keďže sa však dá určiť len spätne, t. j. keď je tepelné čerpadlo v prevádzke rok, nie je vhodný na posúdenie pred kúpou.

Preto sa v súčasnosti najčastejšie používa hodnota SCOP, ale podľa normy je správna hodnota ƞs,h. Hodnoty SEER a SCOP boli nahradené už v roku 2018, keď vstúpilo do platnosti nariadenie o ekodizajne 2281/2016. Na posúdenie a porovnanie značiek tepelných čerpadiel pred kúpou by sa preto mala používať len hodnota Ƞs,h. Je múdre, že hodnota Ƞs,h nezohľadňuje následné straty v tepelnom čerpadle vzduch-voda.

3. Aké dotácie sú k dispozícii na tepelné čerpadlá?

Slovenská inovačná a energetická agentúra (SIEA) poskytuje finančné poukážky na tepelné čerpadlá v rámci projektu Zelená domácnostiam.  V roku 2023 pokračuje v otváraní zásobníkov pre rôzne ekologické technológie, pričom jedna z týchto “zásobníkov” je určená pre tepelné čerpadlá. To znamená, že ak prejavíte záujem, vaša žiadosť bude ihneď zaradená do tohto zásobníka, kde bude čakať na vydanie poukážky. Počas tohto obdobia budete mať možnosť sledovať svoje miesto v poradí a prípadne upravovať svoju žiadosť. Finančné prostriedky z dotácie môžete využiť na nákup tepelného čerpadla, jeho súčastí, náklady spojené s inštaláciou a nevyhnutné testy a revízie na zaistenie správneho fungovania zariadenia. Pre jedno tepelné čerpadlo môžete získať maximálnu dotáciu vo výške 340 € na každý 1 kW výkonu, s celkovým maximom 3 400 € na inštaláciu tepelného čerpadla..

4. Čo treba zohľadniť pri plánovaní tepelných čerpadiel?

Plánovanie riešení tepelných čerpadiel pre priemysel a logistiku je zložité a musí zohľadňovať mnoho parametrov. Počnúc statikou strechy haly, cez detaily špecifické pre danú aplikáciu (skladové, výrobné, kancelárske inštalácie), výpočty zaťaženia až po pripojené elektrické záťaže alebo využitie vlastných zdrojov, ako sú fotovoltaika, solárne termické systémy alebo dokonca existujúce koncepcie vykurovania haly, napríklad tmavé žiariče, ktoré možno energeticky a ekonomicky rozumne integrovať ako hybridné riešenie. Ide o komplexnú problematiku, a preto by sa plánovanie malo vždy zveriť odborníkom na haly. Najlepšou adresou sú v tomto prípade bežní výrobcovia alebo, ako napríklad samotná spoločnosť Schwank, výrobca špeciálnych systémov vykurovania hál.

V zásade platí: pri starostlivom návrhu tepelných čerpadiel a vnútorných potrubných jednotiek možno realizovať príjemný systém vykurovania haly, ktorý spĺňa požiadavky na komfort a energetickú účinnosť a môže zabezpečiť aj chladenie.

5. Koľko stojí tepelné čerpadlo?

Ide o zložitú otázku, na ktorú sa nedá objektívne odpovedať bez toho, aby sme zašli do veľkých detailov. Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch pre priemysel sú v zásade podstatne lacnejšie ako tepelné čerpadlá vzduch-voda. Dôvodom sú vyššie technické náklady na materiál a inštaláciu, napr. vodovodné potrubia, čerpadlá a ventily, akumulačná nádrž, hydraulické vyváženie atď. Na druhej strane, tepelné čerpadlá vzduch-voda možno ľahko integrovať do existujúcich systémov teplej vody a iných systémov obnoviteľných zdrojov energie, ako sú solárne tepelné alebo fotovoltaické systémy.

Potom je potrebné zvážiť TCO (celkové náklady na vlastníctvo). Na ktoré systémy dostanem dotácie, aká je cieľová návratnosť investície (ROI) a aké ďalšie opatrenia je potrebné prijať, aby sa riešenie s tepelným čerpadlom uviedlo do prevádzky? Odpovede na nasledujúce otázky môžu zjednodušiť rozhodnutie o kúpe:

• Koľko ma stojí kilowatthodina elektriny?
• Aká je SCOP tepelného čerpadla?
• Koľko ma stojí kilowatt tepla?
• Potrebujem dodatočné opatrenia (pripojenie na elektrickú sieť…)?
• Má ekonomický zmysel pokrývať špičkové zaťaženie vykurovacím systémom na fosílne palivá?
• Má zmysel z komerčných dôvodov plánovať hybridný systém?
• Aké sú náklady na toto zariadenie?
• Aké sú náklady na inštaláciu?
• Aké dotácie môžem získať?
• Môžem využívať vlastnú výrobu elektriny a znížiť náklady na energiu?
• Statika strechy haly

6. Ktoré tepelné čerpadlo je pre haly najvhodnejšie?

Každý typ tepelného čerpadla má svoje silné a slabé stránky. O tom, ktoré tepelné čerpadlo je najvhodnejšie, rozhoduje konštrukcia budovy a príslušné použitie. Napríklad ak je zaťaženie strechy takmer vyčerpané, malo by sa vyhnúť zložitému potrubnému systému a na rozvod by sa malo použiť niekoľko menších, a teda ľahších jednotiek.

Tepelné čerpadlá vzduch-voda sú mimoriadne flexibilným riešením na vykurovanie a chladenie budov. Možno ich použiť v nových budovách, ako aj v existujúcich budovách, ktoré sa majú renovovať. V nových budovách s podlahovým vykurovaním ponúkajú vysokú účinnosť a malé rozmery. Okrem toho sa tepelné čerpadlá vzduch-voda môžu kombinovať s vyrovnávacími nádržami, ktoré uskladňujú teplo a uvoľňujú ho v prípade potreby. S ohľadom na ešte nižší vplyv na životné prostredie možno tepelné čerpadlá vzduch-voda prevádzkovať s prírodnými chladivami, ako je R290 (propán).

Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch sú vhodné najmä na vykurovanie a chladenie v nových budovách s vysokým zaťažením podlahy, ako sú logistické alebo výrobné haly. Ich výhodou je, že nevyžadujú vodovodné potrubia (napr. v podlahe) a výrazne zjednodušujú inštaláciu. Môžu tiež rýchlo prepínať medzi vykurovaním a chladením v závislosti od klimatických podmienok. Decentralizovaná inštalácia tepelných čerpadiel vzduch-vzduch znižuje tepelné straty prostredníctvom potrubia a umožňuje individuálnu reguláciu teploty v miestnosti. Aj v existujúcich budovách môžu byť tepelné čerpadlá vzduch-vzduch hospodárnym a efektívnym riešením.

Záver: Tepelné čerpadlá sú účinným a ekologickým spôsobom vykurovania hál v nových budovách, ale aj v dobre izolovaných existujúcich budovách. Umožňujú znížiť náklady na energiu a emisie CO2 a využívať obnoviteľné zdroje energie v súlade s prechodom na nové zdroje energie. Ako tepelné čerpadlá vzduch-vzduch ponúkajú možnosť chladenia a odvlhčovania. Pozrite si prípadovú štúdiu projektu Next Pharma.