Vliv plynových tepelných čerpadel na hodnocení energetické náročnosti budov PENB

Hodnocení energetické náročnosti plynových tepelných čerpadel

V případě hodnocení energetické náročnosti budov ať už pro potřeby stavebního řízení, předběžného výpočtu, výpočtu pro potřeby dotačního titulu apod., musí energetický specialista výpočtově definovat technický systém v podobě otopné soustavy se zdrojem, nebo soustavou zdrojů s plynovým tepelným čerpadlem.

Plynová tepelná čerpadla do výpočtu energetické náročnosti vstupují podobně jako kompresorová tepelná čerpadla. Součástí celkové dodané energie do budovy je také energie okolního prostředí, tzn v případě tepelných čerpadel je celková bilance dílčí dodané energie na vytápění stanovena jako součet elektřiny, nebo plynu z distribuční sítě a energie okolního prostředí (vzduch, země, voda). Z tohoto důvodu je celková bilance dodané energie pro tepelná čerpadla s různým SCOP, nebo GUE shodná a v porovnání se zdrojem tepla v podobě kondenzačního plynového kotle je hodnota celkové dodané energie ve smyslu hodnocení energetické náročnosti také prakticky shodná, pokud nejsou větší rozdíly v technickém systému vytápění vyjádřené pomocí rozdílných účinností distribuce a sdílení tepla.

Rozdílné výsledky pro jednotlivé varianty technických řešení jsou pak vyjádřeny prostřednictvím primární energie z neobnovitelných zdrojů.

Vlastní zadání zdroje tepla v podobě tepelného čerpadla do výpočetního SW pro hodnocení energetické náročnosti budov, ať už kompresorového nebo plynového absorpčního je naprosto identické. Vyžaduje vždy správné zvolení hlavního energonositele a zadání hodnoty COP pro kompresorové TČ, případně GUE pro absorpční plynové tepelné čerpadlo.

Obr.1                      Princip výpočtu celkové dodané energie pro tepelné čerpadlo

Topný faktor u plynového tepelného čerpadla

Pro plynové tepelné čerpadlo se nepoužívá hodnota topného faktoru COP (Coeficient of Performance),  ale faktor využití plynu GUE (Gas Utilization Efficiency).

Q_c                 celková produkce tepla                                     (Wh)

Q_gen             teplo vzniklé spalováním plynu                          (Wh)

 Ač jde na první pohled o totožné hodnoty jako u COP, udávající  spotřebu pomocné energie k dodané energii, není tomu tak. Hodnota topného faktoru je vztažena k elektrické energii, k jejíž "výrobě" již bylo potřeba vykonat nějakou práci. Hodnota faktoru využití plynu je však vztažena k palivu. Rozdíl je zobrazen na obrázku číslo 2. I proto jsou hodnoty faktoru využití plynu výrazně nižší, než bývají hodnoty topných faktorů.

Obrázek 2 Grafické znázornění výpočtu faktoru využití plynu oproti topnému faktoru

Pokud bych předpokládal modelový příklad kdy elektrická energie je "vyráběna" pouze z plynu mohu si i pro elektrické tepelné čerpadlo vypočítat faktor využití plynu. To udělám tak, že zohledním potřebu plynu pro získání jednotky elektrické energie. Pokud si tedy pro názornost zvolím středně teplotní tepelné čerpadlo s topným faktorem 3,8 a účinnost výroby a distribuce elektřiny 40 % dosáhnu faktoru využití plynu 1,52 jak je zobrazeno na obrázku číslo 3.   

Obrázek 3 Výsledná faktoru využití primárního paliva po absorpční tepelné čerpadlo a elektrické tepelné čerpadlo

Hodnoty výsledného faktoru se samozřejmě mohou měnit s ohledem na účinnost přeměny primárního paliva na elektrickou energii, ztrátami v distribuci i samotným topným faktorem. Ten může být různý v závislosti na typu tepelného čerpdla. Stejně tak se může měnit faktor využití plynu u absorpčního tepelného čerpadla jak je uvedeno na obrázku číslo 4.

Obrázek 4 Faktor využití plynu různých plynových tepelných čerpadel

V praxi pak neprojeví pouze hodnota topného faktoru a účinnosti "výroby" elektřiny, ale i energetický mix dané soustavy. Proto se k reálnému hodnocení využívá faktor primární energie jež by měl být komplexní hodnotou. 

Topný faktor přepočtený na primární neobnovitelnou energii

Faktor primární energie udává od 1. září 2024 vyhláška č. 222/2024 Sb., kterou se mění vyhláška č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov. Jednou ze změn, které nová vyhláška zavádí je snížení faktoru primární energie z neobnovitelných zdrojů. Přehled těch nejvýznamnějších faktorů je uveden v tabulce 1.

Tab. 1 Porovnání faktorů primární energie

Pro zohlední faktoru primární energie na topném faktoru a na faktoru využití plynu se používá hodnota PER (Primary Energy Ratio). Ten se vypočte ze vztahu:

nebo

kde

COP       topný faktor

GUE       faktor využití plynu

f_{el                  faktor primární energie pro elektřinu}

f_{plyn             faktor primární energie pro plyn}

Při zohlednění faktoru primární energie pro použité topné faktory tedy pro středně teplotní elektrické tepelné čerpadlo 3,8 a pro plynové tepelné čerpadlo 1,64 dostanu hodnoty vedené v tabulce 2.

Tab. 2 Hodnoty topného faktoru a faktoru využití plynu převedeného na primární neobnovitelnou energii (PER)

Z tabulky je patrné, že před změnou vyhlášky dosahovalo vyšší hodnoty plynové tepelné čerpadlo. Se změnou vyhlášky došlo k zvýšení hodnoty pro elektrické tepelné čerpadlo. Obě hodnoty vychází řádově velice podobně.

Emisí oxidu uhličitého

Emise CO₂ se stanovují podle emisních faktorů uvedených ve vyhlášce o energetickém auditu 140/2021 Sb. Hodnoty klíčových paliv a energií jsou uvedeny v tabulce 3.

Tabulka 3 Hodnoty emisních faktorů podle vyhlášky 140/2021 Sb.

Při použití emisního faktoru uváděného vyhláškou a zohlední topného faktoru a faktoru využití plynu jednotlivých zdrojů vypočteme emisi co₂ na jednotku energie po každý zdroj. Ty jsou uvedeny v tabulce 3.

Tab. 3 Emise exidu uhličitého pro jednotlivé zdroje 

Emisní hodnoty v případě elektřiny pochází z vyhlášky z roku 2021. Zde je často poukazováno na fakt, že v porovnání s čistým emisním faktorem je hodnota nadsazená. Například v roce 2023 byl čistý emisní faktor elektřiny více než poloviční oproti hodnotě ve vyhlášce. V takovém případě by pak hodnota u plynových čerpadel a elektrických čerpadel víceméně shodná.

Typické hodnoty parametrů plynových tepelných čerpadel pro výpočet ENB

Pro výpočet energetické náročnosti budovy je nezbytné zadat parametry technického systému – zdroj tepla. Typické hodnoty účinností technických systémů – zdrojů tepla lze najít primárně v technické normě ČSN 730331-1, nebo lze vycházet z hodnot uvedených v technických listech výrobků, pokud jsou v kontextu parametrů pro výpočet ENB uváděny.

V případě plynových tepelných čerpadel se účinnost zdroje tepla ve výpočtu energetické náročnosti budov nahrazuje ročním provozním topným faktorem GUE_H,gen pro vytápění a GUE_W,gen pro soustavy přípravy teplé vody, které se stanoví podle vztahu

nebo

kde je

GUE_n                      jmenovitý (nominální) topný faktor tepelného čerpadla při jmenovitých podmínkách stanovený podle ČSN EN 12309-3; typické hodnoty uvádí tabulka Tab.4,

f_H,COP                      součinitel ročního provozu tepelného čerpadla pro vytápění (−), který je uveden vTab.5,

f_W,COP                      součinitel ročního provozu tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody (−), který se stanoví podle Tab.6 pro soustavy přípravy teplé vody.

Tab.1               Typické jmenovité hodnoty GUE_n pro plynová tepelná čerpadla

Hodnoty f_H,COPa f_W,COPjsou vztaženy k podmínkám uvedeným v tabulce Tab.4. Při podrobné znalosti všech souvislostí systémového řešení soustavy s tepelným čerpadlem, lze parametr GUE_H,gen nebo GUE_W,gen stanovit přímo podle podkladů výrobce.

Tab.2               Součinitel ročního provozu tepelného čerpadla f_H,GUEpro vytápění

Tab.3               Součinitel ročního provozu tepelného čerpadla f_W,GUEpro přípravu teplé vody

Elektrický příkon plynových tepelných čerpadel se zadává jako další el příkon v rámci pomocné energie k systému vytápění nebo přípravy TV a se stanoví z katalogového listu výrobku, nebo podle níže uvedené tabulky na základě tepelného výkonu.

Tab.4               Příkon pomocné energie plynového tepelného čerpadla P_aux,GUE,p

Proměnlivý příkon plynového tepelného čerpadla v čase vyjadřuje korekční činitelf_aux,GUE,p

Tab.5               Korekční činitel příkonu pomocné energie plynového tepelného čerpadla f_aux,GUE,p

V případě využití hodinového kroku výpočtu lze zadat do výpočetního SW, např. Energie 2025, přímo výkonovou křivku tepelného čerpadla. V případě výpočetního SW energie se pak jedná o vstup viz následující obr.

Obr.2                      Zadání detailních výkonových křivek v SW Energie 2025

Pro tyto účely lze použít níže uvedené údaje pro jednotlivá teplená čerpadla. Jak je uvedeno v nápovědě SW, tak hodnoty pro TČ země/voda, voda/voda je nutné ekvivalentně přizpůsobit TČ vzduch/voda.Hodnoty tepelného výkonu stanovit podle charakteristiky tepelného čerpadla a výstupní teploty vody. Ty lze najít například v projekčním manuálu viz obázel X.

Obr.5 Topný faktor v závislosti na venkovní teplotě pro TČ Robur GAHP‑A (vzduch/voda), GAHP‑GS (země/voda), GAHP‑WS (voda/voda)

 Závěr

Energetická náročnost plynových tepelných čerpadel je hodnocena na základě jejich technických parametrů. Pro zajištění vysoké účinnosti je nutné detailní nastavení parametrů systému (např. výstupní teplota otopné vody, provozní režim tepelného čerpadla) v souladu s doporučeními výrobce a normami.

V případě hodnocení energetické náročnosti budov je vhodné přesné zadání výkonových křivek tepelného čerpadla a hodinový krok výpočtu, pomocí kterého lze stanovit podíl bivalentních zdrojů např. v podobě plynového kotle. Tento přístup zvýší přesnost hodnocení energetické náročnosti a zajistí lepší optimalizaci systému. V tomto případě sedoporučuje, aby investoři a projektanti využívali podrobná data z technických listů výrobků.

Správná implementace a integrace plynových tepelných čerpadel do technického systému vytápění nebo přípravy teplé vody může významně přispět k energetické účinnosti budov a splnění legislativních požadavků. Klíčovým faktorem zůstává pečlivý návrh a důkladná analýza systémového řešení.

Zdroje:

https://www.robur.cz/spc_dwn.php?dl=fwdvn&d=7/&f=624.pdf&h=5aeb2fdfae&ns=1

https://vytapeni.tzb-info.cz/vytapime-plynem/28004-vliv-provozu-na-energetickou-ucinnost-absorpcnich-plynovych-tepelnych-cerpadel