Moderní doba neustále řeší vytváření optimální teploty pro naši činnost. To znamená, že náklady na vytápění, se především v chladnějších částech světa mohou vyšplhat vysoko. Klasická řešení vytápění obvykle nejsou ani ideální pro životní prostředí. Naopak v létě, dnešní společnost snižuje teplotu na 24 stupňů celsia a míň. Tradiční metody vytápění využívají fosilní paliva, jako je zemní plyn, ropa a uhlí, nebo elektrická energie která se vyrábí jinde. Ty mají vysoké nároky na životní prostředí, přispívají ke globálnímu oteplování, znečištění ovzduší, kyselým dešťům a dalším pro životní prostředí nežádoucím aspektům. Například topné oleje, zemní plyn, ropa a uhlí nejsou obnovitelné zdroje energie, což znamená, že je nelze nahradit. Navíc se vytváří oxid uhličitý, který přispívá ke znečišťování a oxid sírový, který vytváří kyselý déšť, který ničí naše životní prostředí. Těžba zemního plynu a jeho distribuce potrubím vede k úniku metanu, což je primární složka zemního plynu, která je až dvacetkrát horší než oxid uhličitý.

 Ve srovnání se standardními systémy vytápění, jsou solární systémy a tepelná čerpadla ekologicky lepší pro životní prostředí, protože pomáhají eliminovat skleníkové plyny. Kromě toho efektivita těchto zelených systémů umožňuje lidem ušetřit peníze za energie, což má velký potenciál. Tyto snahy vystupují dlouhodobě a nyní jsou ještě více zdůrazněny při energetické krizi vyvolané válkou na Ukrajině, kdy se snažíme najít a využívat jiné zdroje energie.  Ekologické systémy pro vytápění můžeme pomyslně rozdělit do dvou kategorií pasivní a aktivní. Pasivní systémy mají schopnost ohřívat a také chladit bez klimatizačních jednotek. Pasivní technologie, které odrážejí sluneční energii, namísto pohlcování. Výsledkem pak je, že množství energie, které potřebujeme k ochlazení domu, je menší. Pasivní systém také používá okna, která udrží teplo uvnitř a chladný vzduch vně. Aktivní konstrukce využívají různé systémy mechanického vytápění a chlazení. Tyto systémy pracují na principu solární energie, geotermální energie nebo využívají jiné zdroje zelené energie.

Eliminace nákladů na ohřev vody a vytápění

Kombinací fotovoltaických panelů o instalovaném výkonu 5–10 kW na střeše rodinného domu v kolaboraci s tepelnými čerpadly, je v měsících 9, 10 a 4, 5 někdy až 100 % úspora nákladů na plyn. A do venkovní teploty 5 stupňů celsia se jedná přibližně o 50 % úsporu za cenu plynu. Pro doplnění vyšší účinnosti je prakticky vhodné doplněním dalšího solárního systému na ohřev vody.

Solární vytápění

Sluneční světlo a teplo jsou konstantní a obnovitelné zdroje energie. Solární systém, který využívá teplovodních solárních panelů, ovlivňuje domácí klima, aby se minimalizovala spotřeba energie. Pokud je dobře navržen, pomáhá snižovat zatížení vytápěním a chlazením. Většinou nevyžaduje žádnou údržbu. Použití vakuových absorpčních trubic pomáhá ohřívat vodu v zásobníku o velikosti 200 l a realizovat teplou vodu při mínusových teplotách. Teplo se absorbuje během denního svitu slunce a uložené uvolňuje teplo do domu během chladné noci a při potřebě teplé vody. Sluneční dům vyžaduje správné technologické vybavení, jako je systém cirkulujícího vzduchu nebo systém podlahového vytápění, aby se podlaha v zimě udržovala teplejší. Solární vytápění není novou koncepcí, ale v domácnostech se používá stále častěji, což významně snižuje množství tepla produkovaného jinými zdroji. Slunce přinese nejvíce svitu právě na této straně. Solární vytápění je především zdarma, jedná se o obnovitelný zdroj, nevytváří velkou uhlíkovou stopu, a snižuje se tak dopad na životní prostředí. Má významný dopad na snížení účtů za elektřinu a plyn.

Tepelná čerpadla

Tepelná čerpadla přinášejí mnoho výhod, a to jak z finančního hlediska. tak i ekologického. Proto se v posledních letech stále více používají při vytápění rodinných domků. Mohou být začleněny do systémů podlahového vytápění, radiátorů nebo vzduchových konvektorů. Dále jsou vhodné pro ohřev vody. Tepelné čerpadlo můžeme nejlépe popsat jako zařízení, které čerpá teplo ze vzduchu, vody nebo země. Obvykle z chladnějšího prostředí do teplejšího. Je efektivnější v domě, který je dobře izolovaný. Mohou také přinést značné úspory těm, kteří v současné době vytápí své domy pomocí elektřiny.

 Co je tepelné čerpadlo a jak funguje?

Tepelné čerpadlo odnímá teplo z okolí vytápěného objektu (vzduchu, země nebo vody) a převádí ho na vyšší teplotní hladinu použitelnou pro vytápění a ohřev teplé vody. Převod tepla na vyšší teplotní hladinu je možný díky stlačení par chladiva v kompresoru, při kterém dojde k jeho zahřátí. Je to opačný proces než v ledničce, jenom výparník je venku a nevytváří chlad, ale ohřívá se okolním vzduchem.

Obrázek č.  1 princip tepelného čerpadla

Účinnost (topný faktor COP) tepelného čerpadla je velmi závislá i na teplotě odkud se teplo čerpá. Každé její zvýšení se projeví na velkém snížení spotřeby elektřiny. Topný faktor COP ukazuje, jak je tepelné čerpadlo efektivní (úsporné). Je to poměr mezi vyrobeným teplem a spotřebovanou elektrickou energií. Čím vyšší topný faktor, tím je provoz tepelného čerpadla levnější. [1] Různé typy tepelných čerpadel mají různé topné faktory. Velmi záleží na zdroji, ze kterého tepelné čerpadlo získává energii. Topný faktor tepelného čerpadla země/voda je během celého roku vysoký. I při mrazech dosahuje hodnot až 4,8 (0/35^oC). Topný faktor tepelného čerpadla vzduch/voda během roku značně kolísá podle venkovní teploty. Při 7^oC nad nulou, může dosahovat stejně vysokých hodnot jako tepelná čerpadla země/voda, ale při nižších teplotách klesá na hodnoty 2,9 (při – 7oC) nebo 2 (při – 15oC).[2]

Tabulka č. 1 technické údaje, topný výkon a elektrický příkon, v širším rozsahu vstupních a výstupních teplot

Tabulka č. 2 parametry tepelného čerpadla

Proto v období s nízkými venkovními teplotami je výhodnější tepelné čerpadlo země-voda, v jarním a letním období je výhodnější vzduch-voda. V současné době, kdy zateplováním staveb klesá spotřeba tepla na vytápění a spotřeba tepla na teplou vodu zůstává stejná, se zvyšuje důležitost ekonomického ohřevu teplé vody, a i vytápění v období s teplotami venkovního vzduchu nad nulou. Je tedy výhodnější čerpat teplo z okolního vzduchu, kdy jeho teplota je vyšší než teplota solanky ze zemního kolektoru nebo z vrtu. Každý využitý stupeň rozdílu mezi teplotou solanky a teplotou vzduchu znamená podstatné zvýšení účinnosti tepelného čerpadla a tím podstatné snížení spotřeby elektřiny (podobně jako u teploty topné vody). Navíc je nutno zohlednit, že zemní kolektor nebo vrt je velkou investicí a také jejich nabíjení probíhá v letním období a pokud dochází k celoročnímu vybíjení na ohřev teplé vody, může dojít k jejich vyčerpání v zimě. Tento fakt je nutno zohlednit zvětšením plochy kolektorů nebo délky vrtů.

FTV elektrárna

Solární panely v kombinaci s tepelným čerpadlem jsou nejlepším možným krokem k absolutní energetické soběstačnosti. Fotovoltaika je metoda přímé přeměny slunečního záření na elektřinu (stejnosměrný proud) s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovodičových fotodiodách. Jednotlivé diody se nazývají fotovoltaické články a obvykle jsou spojovány do větších celků, fotovoltaických panelů. Tyto články se sériově, paralelně spojují, aby dosáhly stejnosměrné napětí kolem 60 V. Stejnosměrné napěti se vede na vstup střídače o frekvenci 50 Hz a napětí, které máme v zásuvce to je kolem 220 V. Větší výkonné střídače jsou třífázově na napěti mezi fázemi 380 V. Výkon jednotlivých panelů se udává ve Watt-peak (Wp), je míra nominálního výkonu solárního panelu v laboratorních (ideálních) světelných podmínkách. Správně nainstalovaná FTV elektrárna o výkonu 5 kWp, ročně vyrobí kolem 5 MWh elektrické energie.

Fotovoltaika o výkonu kolem 5kWh jsou náklady asi kolem 200 000,-Kč.

Graf č. 1 Graf roční výroby energie 2021

graf č. 2 Výroba jednotlivé dny duben 2022

graf č. 3 Výroba 10. 5. 2022

Popis referenčního RD

Referenční rodinný dům byl sledovaný měsíčně po dobu sedmi let, výstupní údaje jsou zpracovány po dobu pěti let. Objekt představuje rekonstruovaný rodinný domek, situovaný v příměstské zástavbě. Vedle domu je vedena účelová komunikace, příjezdová silnice. Součástí vedlejší stavby rodinného domu je dvojgaráž. Rodinný dům je dvoupodlažní dům se sedlovou střechou nízkého sklonu. Pokoje jsou situovány do dispozice 4+1 v přízemí a 3+1 v prvním patře. Celý rodinný domek má 3 koupelny, součástí je místnost technického zázemí, kde jsou umístěny kotle, tepelné čerpadlo a zásobník na teplou vodu.

Celkem RD:

Zastavěná plocha: 159,3 m²,

celková užitková plocha 203 m²,

užitková plocha přízemí 108 m²,

užitková plocha 1. patra 95 m²,

sklon střechy 20°,

orientace hl. vstupu V, JV, J.

Rodinný dům je trvale obýván tříčlennou rodinou.[3]

Energetická náročnost sledovaného rodinného domku v průběhu pěti let.

Tabulka č.  4 Výroba a spotřeba sledovaného RD

Průměrná roční výroba FTV je 5 154 kWh.

Průměrná roční dodávka FTV do sítě je 3 370 kWh.

Průměrná roční spotřeba energie RD je 10 713 kWh.

Tabulka č.  5 Odběr plynu sledovaného RD

Průměrná roční spotřeba plynu je 262 m3 a přepočtem na kWh je 2620 kWh. Plyn se používá jenom jako bivalentní (přídavný) zdroj tepla, pro ohřev teplé vody, nebo když účinnost tepelného čerpadla klesne při venkovních teplotách pod mínus pět stupňů Celsia.

Tabulka č. 6 Spotřeba tepelného čerpadla sledovaného RD

Průměrná roční spotřeba tepelného čerpadla 8160 kWh.

Náklady na pořízení:

Náklady na pořízení FTV 5kWp je 200 000,- Kč.

Náklady na pořízení tepelné čerpadlo 2 kW elektrické (bazénové) je 150 000,- Kč.

Náklady na pořízení solárních panelů je 130 000,-Kč.

Celkem náklady jsou 480 000,-Kč.

Energetická náročnost budovy RD vychází z vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov.

Průměrná roční spotřeba energie RD je +10 713 kWh.

Průměrná roční spotřeba plynu je 262 m3 a přepočtem na kWh je +2620 kWh.

Spotřeba elektrické energie 13333 kWh.

Průměrná roční dodávka FTV do sítě je 3 370 kWh.

Po odečtení výroby je 9963 kWh.

Plocha vytápěna 203 m².

49kWh / m². rok to je to třída A mimořádně úsporný.

Obrázek č. 5 Energetická náročnost sledovaného RD

Závěr

Z pětiletého sledování odběrů energií pro rodinný dům nám vyplývá, že bilance vstupních energii se blíží velmi úsporným budovám. Tyto náklady můžeme ještě eliminovat správnou regulací a zapojením do chytré domácnosti. V nových chytrých domácnostech jsou instalované automatizované systémy. Náklady na provoz takovýchto systémů, veškerá údržba systémů a opravy technologií mohou být poměrně drahé, ale s každoročně se zvyšujícími cenami vstupních energii se v horizontu kolem sedmi let vrátí. Vlastnit chytrou domácnost, znamená naučit se používat svou domácnost. Na rozdíl od klasických domů, technologie chytrých domů vyžaduje, aby se člověk přizpůsobil inovacím ve svém prostoru, jako jsou dálková ovládání, kterými se ovládá celý dům.

Kolik s tepelným čerpadlem a FTV ušetřím?

Oproti plynu už budou provozní náklady s tepelným čerpadlem významně nižší a proti vytápění elektřinou bude rozdíl obrovský. Obecně opět bude výhodnější tepelné čerpadlo se špičkovými parametry, invertorovým kompresorem, to je s možností regulovat otáčky kompresoru. Náhrada plynu tepelným čerpadlem průměrný topný faktor COP = 3. Předpokládaná účinnost plynových kotlů 90 %.

Za deset let přínos:

40801 kWh x 3 = 122403 x 1,1 x 2 = 269 286 kWh to je přepočtem na plyn 26 928 m³.  

Při cenách 14,5 kč / m³ je 390 465,- Kč.

Výroba FTV elektrárny za 10 let.

8921x 2 = 17842 kWh x 4 Kč / 1kWh = 71 368,- Kč.

Dodávka do sítě distributorovi 16 850 x 2 x 0,40 Kč / 1 kWh = 13480,- Kč.

Celkem příjem 475 313,- Kč.

Tato úspora je bez vlivu inflace, vyrovnává se s možným nedostatkem plynu, a hlavně dochází k eliminaci závislosti rodinných domků energii. Výpočet je proveden bez jakýchkoliv dotačních titulů, případně zelených bonusů za vyrobenou elektrickou energii.

V Slušovicích červen 2022

doc. JUDr., Ing. Karel Nedbálek, PhD., MBA,

420 604 293 355, email: slusovice@motelgolf.cz, https://orcid.org/0000-0002-1010-2460

Použita literatura:

1.            1. Miroslav Tomšů, Inklinace chytrých rodinných domů. Diplomová práce 2019, školitel Karel Nedbálek.                                   Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky.

2.            2. Indikativní nabídka FTV, Sanus s.r.o., platnost 5/2022

3.      VYHLÁŠKA Ministerstvo průmyslu a obchodu č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov

4.      Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU ze dne 19. května 2010 o energetické náročnosti budov. Směrnice Evropského parlamentu a Rady (EU) 2018/844 ze dne 30. května 2018, kterou se mění směrnice 2010/31/EU o energetické náročnosti budov a směrnice 2012/27/EU o energetické účinnosti.

5.      Josef Hodboď, Výběr tepelného čerpadla podle vstupní a výstupní teploty, [online] [cit. 2022-05-08], Dostupný na:<https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/23695-vyber-tepelneho-cerpadla-podle-vstupni-a-vystupni-teploty>.

[1] Josef Hodboď, Výběr tepelného čerpadla podle vstupní a výstupní teploty, [online] [cit. 2022-05-08], Dostupný na:<https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/23695-vyber-tepelneho-cerpadla-podle-vstupni-a-vystupni-teploty>.

[2] Firemní dokumentace Švédské značky IVT, vývoj a výrobu tepelných čerpadel. [online] [cit. 2022-05-08], Dostupný na:< https://www.cerpadla-ivt.cz/cz/princip-tepelnych-cerpadel>.

[3] Miroslav Tomšů, Inklinace chytrých rodinných domů. Diplomová práce 2019, školitel Karel Nedbálek

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky, str. 34-37.