Tepelné čerpadlo a fotovoltický systém
V súčasnosti silnie snaha investorov o nezávislosť od spoločných zdrojov energií, teda vody, plynu a elektrickej energie. Vodu môžeme mať z vlastnej studne, s plynom je to problematické, ale elektrickú energiu je možné získať z obnoviteľných zdrojov, napríklad prostredníctvom fotovoltického systému. Zároveň je žiaduce znižovať uhlíkovú stopu, tzn. zmenšovať potrebu tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody v domácnosti. Tomu najlepšie vyhovujú tepelné čerpadlá všetkých vyhotovení. Ako je to s kombináciou tepelných čerpadiel a fotovoltiky?
Energia na pohon tepelného čerpadla
Najrozšírenejším pohonom tepelného čerpadla je elektromotor. Ten zaisťuje pohon kompresora. Jeho spotreba zodpovedá cca 20 – 30 % tepelnej energie, ktorú tepelné čerpadlo vyrobí. Spotreba je závislá predovšetkým od teploty média, z ktorého sa teplo odoberá, a na opačnej strane od teploty média, ktoré sa používa na ohrev teplej vody a vykurovanie. Čím je rozdiel medzi týmito teplotami menší, tým menšia je aj spotreba elektrickej energie na pohon kompresora.
Ďalším dôležitým faktorom je použité chladivo. Pri ňom je dôležitá výparná a kondenzačná teplota a prevádzkový tlak, pri ktorom ku kondenzácii dochádza. V súčasnosti sa začínajú využívať nové chladivá, ktoré môžu pracovať aj so 70 °C teplotami a vyššími.
Dnes sú najviac rozšírené tepelné čerpadlá vzduch – voda, ktoré sú najmenej náročné na zdroj prijímanej energie (vzduch) a pracujú s plynulo premenlivými otáčkami kompresora. Množstvo vzduchu, ktoré prejde tepelným čerpadlom, sa počíta v tisícoch kubíkov za hodinu.
Pri týchto tepelných čerpadlách je možné používať reverzibilný chod na letné chladenie pri využití veľkých ziskov z fotovoltického systému.
Tepelné čerpadlá zem – voda sú náročné na hĺbku (dĺžku) vrtu, prípadne na veľkosť plošného kolektora. Pre názornosť, potrebná plocha kolektora je cca 2-krát väčšia ako vykurovaná plocha domu. Výhodou však je, že pri tepelných čerpadlách s hlbinnými vrtmi je možné využiť tzv. prirodzené chladenie takmer bez elektrickej energie, pretože nie je potrebný chod kompresora.
Tepelné čerpadlá voda – voda sú používané najmenej, lebo sú náročné na množstvo primárnej vody, na jej chemické zloženie, ako aj na schvaľovacie procesy.
Získavanie energie z fotovoltického systému
Legislatívne sú dnes v SR povolené fotovoltické systémy pre rodinné domy ako malý zdroj. Vzhľadom na plochy striech bežných rodinných domov je na ne technicky možné osadiť fotovoltické systémy s výkonom do 10 kWp. Táto hodnota však je tzv. menovitá – možno ju dosiahnuť len výnimočne, a to pri nízkych vonkajších teplotách (okolo 15 – 20 °C), za slnečného počasia bez mrakov, pri bezvetrí a kolmom dopade slnečnej energie na kolektor. Tieto podmienky môžu nastať len príležitostne a na krátku chvíľu za celý deň.
V našich klimatických podmienkach sa najvyššie zisky vyskytujú v lete, a to niekoľkonásobne viac ako napríklad v januári, keď je v dome najväčšia potreba tepla. Z toho vyplýva, že energetické toky idú proti sebe. Tieto časové disproporcie je možné riešiť akumuláciou elektrickej energie do batériového systému, a to buď do vlastného, alebo si treba dohodnúť uloženie tejto energie u správcu siete s možnosťou odberu v čase zvýšenej spotreby.
V prípade prípravy teplej vody, ktorej spotreba je väčšinou konštantná po celý rok, je možné využiť napätie 230/400 V zo striedača fotovoltického systému a využívať túto energiu na ohrev bojlera cez elektrickú špirálu, prípadne na vlastnú spotrebu v dome (prevádzka práčky, sušičky, kuchynských spotrebičov, dobíjanie elektromobilu a pod.).
Na ilustráciu: Rodina so 4 – 5 osobami v domácnosti bude potrebovať zásobník teplej vody s objemom zhruba 300 l a elektrickú špirálu s výkonom 3 kW. Túto svojpomocne vyrobenú energiu je možné využiť aj na napájanie tepelného čerpadla.
Kapacita úložiska a spotreba tepelného čerpadla
Menovitá tepelná strata bežného súčasného rodinného domu sa pohybuje okolo 4 – 5 kW. Na jeho vykurovanie vyhovuje tepelné čerpadlo s približne rovnakým výkonom (5 kW). Pri vykurovacom faktore 3 je špičkový odber elektrickej energie na jeho pohon cca 1,7 kW. Tento výkon je možné pri kapacite akumulátorového úložiska 20 kWh plne pokryť na 12 hodín. Lenže túto potrebu má rodinný dom iba cca 14 dní za celú vykurovaciu sezónu. Bežne stačí na pokrytie priemerne len 50 % tejto hodnoty, potom pokryje kapacita úložiska celú spotrebu tepelného čerpadla.
Pokiaľ je kapacita domáceho batériového úložiska už vyčerpaná, musí byť použitá elektrická energia z distribučnej siete.
Návrh fotovoltického systému a výber tepelného čerpadla
Návrh, aký veľký fotovoltický systém a aké akumulátorové úložisko k nemu vo väzbe na potrebnú veľkosť tepelného čerpadla pre daný rodinný dom zaobstarať, je vhodné zveriť odborníkom. Špecialisti, ktorí sa návrhom a optimalizáciou týchto zariadení zaoberajú, pracujú v súkromných špecializovaných firmách. Ďalej je potrebné vybrať si vhodného dodávateľa zariadenia s dostatočnými skúsenosťami a prípadným servisom tohto zariadenia. V súčasnosti je možný aj monitoring výroby a spotreby elektrickej energie, tzn. monitoring toku energií a jeho optimalizácia.
V prípade tepelného čerpadla vzduch – voda je možné zvoliť variant umiestnenia kompaktného zariadenia vonku alebo inštalovať splitové tepelné čerpadlo (jedna časť tepelného čerpadla je vonku a druhá vnútri). Tu je potrebné rozhodnúť o vhodnom umiestnení s ohľadom na susedné objekty a okná vlastného rodinného domu, aby nedochádzalo k rušeniu hlučnosťou technológie. Preto treba prihliadnuť okrem výkonu tepelného čerpadla aj na jeho hlukové parametre. Zároveň nie je vhodné tepelné čerpadlo inštalovať na miestach s vysokou mierou prašnosti, pretože potom dochádza k rýchlemu zanášaniu teplovýmenných plôch a tým k zhoršovaniu účinnosti zariadenia.
V prípade tepelných čerpadiel zem – voda či voda – voda vždy ide o vnútornú inštaláciu zariadenia, teda pri riešení dispozície domu s ním treba počítať. Zároveň je nutné rátať so zásobníkom, ktorý zaberie cca 0,75 m2 plochy v dome.
Umiestnenie fotovoltických panelov je vhodné voliť tak, aby boli orientované na juh, ničím netienené a naklonené cca 30 – 45° od vodorovnej polohy. To je v našich zemepisných šírkach poloha s maximálnym ziskom slnečného žiarenia v letnom období. Bežne sa panely montujú na šikmú strechu, kde kopírujú jej sklon.
Akékoľvek zatienenie stromom či inou prekážkou je nevhodné, pretože jednotlivé články sú spájané v sérii za sebou a v prípade zatienenia môže dôjsť k vyradeniu zachytávania energie z celého panelu. Preto sú moderné panely vybavené tzv. bajpasovými diódami, ktoré zatienené alebo prehriate časti „odstavia“ a zaistia trvalý výkon. Napriek tomu je potrebné mať toto všetko na pamäti už pri návrhu začlenenia nového domu do terénu a zvažovaní orientácie striech. Vlastný menič napätia a úložisko s batériovým systémom je vhodné umiestniť vždy dovnútra. Pozor! Ide o pomerne sofistikované zariadenie, ktoré potrebuje aj chladenie. Vždy by ho mal inštalovať špecializovaný pracovník.