Elektrická tepelná čerpadlá pro vytápění hal: Jak efektivní jsou?

Snažíme se objektivně nahlédnout na “žhavě” diskutované téma: Tepelná čerpadla jako průmyslové vytápění! Každý ví, že technická řešení, která dobře fungují v obytných budovách, nemusí být nutně vhodná pro průmyslové a logistické haly. Zde platí zvláštní pravidla, už jen kvůli obrovským výškám hal, objemům vzduchu v hale a celkovým rozměrům budovy.

Elektrická tepelná čerpadla (EHP) jsou pro dekarbonizaci systémů vytápění hal v průmyslu a logistice možností řešení. Lze je použít jako samostatný topný systém nebo v hybridním systému, např. s plynovými tmavými zářiči, a zajistit tak alespoň 65% tepla z obnovitelných zdrojů.

Hned na začátku bychom rádi vyvrátili jeden předsudek: tepelná čerpadla mohou získávat teplo ze svého okolí i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Předpokladem je, že teplota zdroje tepla (vzduchu) je vyšší než bod varu chladiva. U běžných chladiv je to teplota mezi -57 °C a -15 °C. I studený venkovní vzduch v zimě má tedy stále dostatek tepelné energie k hospodárnému vytápění hal.

1. Jaká elektrická tepelná čerpadla jsou k dispozici?

Elektrické tepelné čerpadlo v podstatě odebírá energii (teplo) z okolního prostředí a uvolňuje ji zpět do interiéru haly. Rozlišuje se mezi tepelnými čerpadly (zdroj energie/výstup tepla) podle toho, jaký typ systému výstupu tepla se používá a jakým způsobem se teplo do prostoru haly přivádí:

• Vzduch / vzduch
• Vzduch / voda
• Voda ( podzemní voda, odpadní voda) / voda
• Geotermální teplo (solanka) / voda
• Odpadní teplo (solanka nebo voda) / voda

V průmyslu se nejčastěji používají tepelná čerpadla vzduch/vzduch a vzduch/voda. Rozhodující výhodou je, že tepelná čerpadla využívají jako zdroj tepla volné teplo z okolního prostředí, které je k dispozici prakticky všude a v nekonečném množství.

1.1 Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch

Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch využívá venkovní vzduch jako zdroj tepla a předává teplo vnitřnímu vzduchu. Lze jej použít jak pro vytápění, tak pro chlazení, a to obrácením tepelného toku. Proto se tepelné čerpadlo vzduch-vzduch označuje také jako klimatizace. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch se skládá z venkovní jednotky a jedné nebo více vnitřních jednotek propojených potrubím s chladivem. Díky své flexibilitě se tepelná čerpadla vzduch-vzduch používají ve většině halových budov vytápěných tepelnými čerpadly. Lze je použít k relativně levnému a efektivnímu vytápění průmyslových hal a logistických budov. A v případě potřeby mohou také chladit.

1.1.1 Oblast použití

• obchodní, průmyslové a logistické haly
• novostavby a rekonstrukce
• jmenovitý topný výkon na jednotku od 4 do 28 kW, až 128 jednotek ovladatelných prostřednictvím centrální řídicí jednotky
• výškový rozdíl mezi vnitřní a venkovní jednotkou až 15 m

1.1.2 Instalace

Systémy tepelných čerpadel řízené invertorem lze instalovat decentrálně před plášť budovy nebo na střechu. Vnitřní jednotka, připojená k potrubí s chladivem, rozvádí teplý nebo studený vzduch. Cílem je, aby vzdálenost od venkovní jednotky k vnitřní jednotce byla co nejmenší. Tímto způsobem zůstávají instalační vzdálenosti krátké, aby se udržely nízké ztráty a náklady, a teplý nebo studený vzduch může být přiváděn cíleně. Tepelná čerpadla tak potřebují jen malé množství chladiva a náklady na údržbu zůstávají nízké a levné.

1.1.3 Distribuce tepla

Vnitřní jednotky lze připojit k široké škále systémů rozvodu vzduchu a nabízejí tak řešení na míru pro nejrůznější typy budov a účely použití. Vysokotlaké difuzory se vyznačují mimo jiné svou kompaktní konstrukcí a jsou vhodné pro vysoké haly. Mohou vyfukovat velké objemy vzduchu po dlouhé vzdálenosti. Směr proudění vzduchu lze individuálně nastavit jak v horizontálním tak i vertikálním směru. Použití vysokotlakých difuzorů snižuje nároky na instalaci, a tím snižuje investiční náklady.

Výhody vysokotlakých difuzorů:

• extrémně kompaktní
• vysoké objemy vzduchu a výkon snižují nároky na instalaci
• nízké nároky na údržbu
• variabilní: individuálně nastavitelný úhel a směr proudu
• nízké investiční náklady

Foto: Elektrická tepelná čerpadla – Vysokotlaké difuzory

Další variantou jsou textilní rukávy, které nabízejí možnost cíleného zavedení tepla nebo chladu do stavební konstrukce. Textilní rukávy mohou být navrženy s perforací nebo tryskami v různých rozměrech a uspořádání; jsou individuálně přizpůsobeny podmínkám. Textilní rukávy se snadno instalují, demontují a stejně snadno čistí. To vše dělá z textilních rukávů vhodné řešení pro halové objekty s nízkou (4 m) až střední (cca 13 m) výškou.

Výhody textilních rukávů:

• nízké investice
• nízká hmotnost
• velmi hygienické, snadné čištění
• vysoká hloubka průniku i pro velké haly se světlou výškou > 10 m
• materiál tlumící hluk
• při nízkých teplotách přiváděného vzduchu není nutná izolace potrubí
• přívod vzduchu bez průvanu pomocí perforací nebo trysek
• možnost nastavení provedení pro chlazení nebo vytápění
• snížené provozní náklady díky nízkým tlakovým ztrátám
• flexibilní instalace
• možnost volby barev

Foto: Elektrická tepelná čerpadla – Distribuce vzduchu textilním rukávem

1.1.4 Výhody tepelných čerpadel vzduch-vzduch

• žádná hydraulika a menší nároky na instalaci v budově – nízké investiční náklady
• flexibilní a kompaktní: provoz chlazení lze realizovat s malými dodatečnými náklady
• nízká hmotnost: jen malá zátěž pro statiku budovy
• šetrnost k životnímu prostředí: snadná realizace podnikových klimatických cílů s chladivem R32
• vysoká spolehlivost díky více nezávislým jednotkám

1.2 Tepelné čerpadlo vzduch-voda

Tepelné čerpadlo vzduch-voda využívá jako zdroj tepla rovněž venkovní vzduch, ale předává teplo do vodního systému, který lze využít například pro podlahové vytápění (průmyslové panelové vytápění), aktivaci betonového jádra nebo přípravu teplé vody.

Tepelná čerpadla vzduch-voda se používají zejména v novostavbách díky dobrému poměru ceny a výkonu. Tepelná čerpadla vzduch-voda rovněž využívají volné teplo prostředí k efektivní výrobě teplé nebo studené vody.

Moderním, dobře izolovaným budovám stačí k pokrytí potřeby tepla na vytápění nízké průtokové teploty mezi 35 a 40 °C. V tomto rozsahu jsou tepelná čerpadla obzvláště účinná. A dokonce i pro rekonstrukce vytápění špatně izolovaných budov, které vyžadují vyšší průtokové teploty, existují nyní vhodná řešení na bázi tepelných čerpadel. S nimi lze dosáhnout průtokových teplot až 55 °C.

1.2.1 Oblasti použití

• obchodní, průmyslové a logistické haly
• novostavby a rekonstrukce
• výkony od 6 do 400 kW, kaskádovatelné
• vyšší teploty proudění až do 55 °C

1.2.2 Instalace

Tepelné čerpadlo vzduch-voda potřebuje venkovní jednotku, která absorbuje teplo z okolního vzduchu, tepelnou nebo vyrovnávací nádrž, která ukládá teplo v interiéru, a rozvodný systém, který dodává teplo na požadované místo.

Foto: Elektrická tepelná čerpadla – Instalace

Venkovní jednotka může být monobloková nebo splitová. V případě monobloku je celý chladicí okruh umístěn ve venkovní jednotce, zatímco v případě splitové jednotky je část chladicího okruhu instalována v interiéru. V případě monobloku je třeba dbát na to, aby vodovodní potrubí mezi venkovní jednotkou a zásobníkem tepla nemohlo zamrznout. Pokud je požadován vyšší topný výkon, je také možné kaskádovat několik venkovních jednotek.

Foto: Elektrická tepelná čerpadla – Monobloková konstrukce a splitové provedení.

Samotná distribuce tepla může probíhat prostřednictvím různých systémů, jako je podlahové vytápění, průmyslové panelové vytápění, aktivace betonového jádra nebo sálavé stropní panely. Ty k vyhřívání místnosti využívají sálavé nebo konvekční teplo.

1.2.3 Distribuce tepla

• statické radiátory / topná tělesa
• podlahové/průmyslové deskové vytápění
• aktivace betonového jádra
• sálavé stropní panely
• vzduchotechnické jednotky
• teplovzdušné vytápění / ventilátorové konvektory

1.2.4 Výhody tepelných čerpadel vzduch-voda

• nižší investiční náklady ve srovnání s tepelnými čerpadly typu zem – voda
• nízké nároky na prostor uvnitř i vně budovy
• šetrnost k životnímu prostředí, zejména při použití vlastní nebo ekologické elektřiny
• snadná realizace podnikových klimatických cílů s chladivem R32 nebo přírodním chladivem R290 orientovaným na budoucnost
• náhrada kotle na fosilní paliva připojením k systému vytápění na bázi vody
• snížení množství chladiva díky rozvodu vedenému vodou
• možnost režimu chlazení

2. Jak se hodnotí výkonnostní třídy tepelných čerpadel?

Existují různé parametry, které popisují účinnost tepelného čerpadla. V následujícím textu si stručně ukážeme, které klíčové údaje existují, ne všechny jsou pro posouzení při nákupu důležité.
Hodnota COP (koeficient účinnosti) popisuje okamžitou výrobu tepla při spotřebované elektrické energii. Obvykle se jedná o laboratorní hodnotu, která nezahrnuje další spotřebiče, jako jsou např. topná čerpadla.

Sezónní topný faktor (SCOP) tepelného čerpadla je měřítkem účinnosti tepelného čerpadla v průběhu celého topného období. Udává, kolik tepelné energie tepelné čerpadlo vyrobí v poměru k elektrické energii dodané během topného období. Tato hodnota se vypočítává mimo jiné z jednotlivých hodnot COP pro různé vážené venkovní teploty (12° C, 7° C, 2° C a -7° C) a slouží k určení nákladů na energii. Čím vyšší je SCOP, tím nižší jsou náklady na elektrickou energii. Tepelná čerpadla s hodnotou SCOP mezi 3 a 5 jsou velmi úsporná, protože o tento koeficient snižují náklady na elektřinu v průběhu roku k ceně za vytápění. To znamená, že za každou zaplacenou kilowatthodinu elektřiny získáte tři až pět kilowatthodin tepla. Příklad: Pokud má tepelné čerpadlo SCOP 4 a cena elektřiny je 0,30 eur za kWh, zaplatíte za kWh tepla pouze 0,075 eur. Z hlediska čistého tepla je to často levnější než jiné topné systémy na bázi fosilních paliv.

Dalším hodnotícím parametrem je roční výkonový faktor (APF), který se většinou používá v kontextu celého topného systému a představuje skutečnou spotřebu na místě. Konkrétně roční výkonový faktor měří poměr dodané energie (elektřiny) a vyrobené energie (dodaného tepla). Na rozdíl od jiných klíčových údajů tepelných čerpadel se roční výkonový faktor neměří matematicky, ale za reálných podmínek a v průběhu celého roku. Kromě toho je do výpočtu sezónního výkonového faktoru zahrnuta účinnost celého topného systému a budovy a individuální chování při používání. Výrobci proto nemohou roční výkonový faktor uvádět předem, ale stanoví jej až po nákupu a instalaci.

Další charakteristickou hodnotou, která se používá jako minimální měřítko pro financování v rámci federálního programu Financování efektivních budov, je sezónní účinnost vytápění (Ƞs, h-hodnota). Tato hodnota popisuje poměr vstupní primární energie a množství vyrobeného tepla. Lze ji odvodit ze SCOP. Za tímto účelem se SCOP vydělí číslem 2,5, vynásobí číslem 100 a od výsledku se odečte korekční hodnota 3. Tím je nakonec hodnota vyjádřena v procentech. Faktor primární energie 2,5 představuje současný evropský mix elektrické energie.

Ƞs, h = (SCOP : 2,5 x 100) – 3

Ekvivalentně existují následující charakteristické hodnoty pro chlazení: EER místo COP, SEER místo SCOP, místo Ƞs, c

2.1 Který klíčový údaj nejlépe odráží účinnost tepelného čerpadla?

Nejdůležitějším, protože aktuálním parametrem pro udání účinnosti systému tepelného čerpadla je koeficient účinnosti. Protože jej však lze stanovit pouze zpětně, tj. když je tepelné čerpadlo již rok v provozu, je pro posouzení před koupí nevhodný.

Proto se v současné době nejčastěji používá hodnota SCOP, ale podle normy je správná hodnota ƞs,h. Hodnoty SEER a SCOP byly nahrazeny již v roce 2018, kdy vstoupilo v platnost nařízení 2281/2016 o ekodesignu. V souladu s tím by se pro posouzení a porovnání značek tepelných čerpadel před nákupem měla používat pouze hodnota Ƞs,h. Moudré je, že hodnota Ƞs,h nezohledňuje navazující ztráty v tepelném čerpadle vzduch-voda.

3. Jaké dotace jsou k dispozici pro tepelná čerpadla?

Při přechodu od starého způsobu vytápění na tepelné čerpadlo vzduch-voda máte možnost získat dotace i v roce 2023. Skrze program Nová zelená úsporám můžete získat finanční podporu až do výše 80 000 Kč. Pokud použijete tepelné čerpadlo nejen na vytápění, ale také na ohřev teplé vody, můžete získat až 100 000 Kč, a pokud kombinujete tepelné čerpadlo s fotovoltaickým systémem, můžete získat až 140 000 Kč. Nejvyšší možná výše dotace činí 50 % celkových nákladů na instalaci tepelného čerpadla.

4. Co je třeba vzít v úvahu při plánovaní tepelných čerpadel?

Plánování řešení tepelných čerpadel pro průmysl a logistiku je složité a musí zohledňovat mnoho parametrů. Počínaje statikou střechy haly, přes detaily specifické pro danou aplikaci (skladové, výrobní, kancelářské instalace), výpočty zátěže až po připojené elektrické zátěže nebo využití vlastních zdrojů, jako je fotovoltaika, solární termické systémy nebo dokonce stávající koncepce vytápění haly, jako jsou tmavé zářiče, které lze energeticky a ekonomicky rozumně integrovat jako hybridní řešení. Jedná se o složitou problematiku, a proto by plánování mělo být vždy svěřeno odborníkům na haly. Nejlepší adresou jsou v tomto případě obvyklí výrobci nebo, jako například samotná společnost Schwank, výrobce speciálních systémů vytápění hal.

V zásadě platí následující: při pečlivém návrhu tepelných čerpadel a vnitřních potrubních jednotek lze realizovat příjemný systém vytápění haly, který splňuje požadavky na komfort a energetickou účinnost a může zajišťovat i chlazení.

5. Kolik stojí tepelné čerpadlo?

To je složitá otázka, na kterou nelze objektivně odpovědět, aniž bychom zacházeli do velkých podrobností. Tepelná čerpadla vzduch-vzduch pro průmysl jsou v zásadě výrazně levnější na realizaci než tepelná čerpadla vzduch-voda. Důvodem jsou vyšší technické náklady na materiál a instalaci, např. vodovodní potrubí, čerpadla a ventily, akumulační zásobník, hydraulické vyvážení atd. Na druhou stranu lze tepelná čerpadla vzduch-voda snadno integrovat do stávajících rozvodů teplé vody a dalších systémů obnovitelných zdrojů, jako jsou solární tepelné nebo fotovoltaické systémy.

Pak je třeba zvážit TCO (celkové náklady na vlastnictví). Na které systémy dostanu dotace, jaká je cílová návratnost investice (ROI) a jaká další opatření potřebuji k tomu, abych řešení s tepelným čerpadlem uvedl do provozu? Po zodpovězení následujících otázek lze rozhodování o koupi zjednodušit:

• Kolik mě stojí kilowatthodina elektřiny?
• Jaká je hodnota SCOP tepelného čerpadla?
• Kolik mě stojí kilowatt tepla?
• Potřebuji další opatření (připojení k elektrické síti …)?
• Má z ekonomických důvodů smysl pokrývat špičkové zatížení topným systémem na fosilní paliva?
• Má smysl z obchodních důvodů plánovat hybridní systém?
• Jakou cenu má toto zařízení?
• Jaké jsou náklady na instalaci?
• Jaké dotace mohu získat?
• Mohu využívat elektřinu vyrobenou vlastními silami a snížit své náklady na energii?
• Statika střechy haly

6. Které tepelné čerpadlo je pro haly nejvhodnější?

Každý typ tepelného čerpadla má své silné a slabé stránky. O tom, které tepelné čerpadlo je nejvhodnější, rozhoduje konstrukce budovy a příslušné použití. Například pokud je zatížení střechy téměř vyčerpáno, je třeba se vyhnout složitému potrubnímu systému a pro rozvod použít několik menších, a tedy lehčích jednotek.

Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou obzvláště flexibilním řešením pro vytápění a chlazení budov. Mohou být použita v nových budovách i ve stávajících budovách určených k rekonstrukci. U nových budov s podlahovým vytápěním nabízejí vysokou účinnost a malou plochu. Tepelná čerpadla vzduch-voda lze navíc kombinovat s vyrovnávacími zásobníky, které teplo uchovávají a uvolňují jej v případě potřeby. S ohledem na ještě nižší dopad na životní prostředí lze tepelná čerpadla vzduch-voda provozovat s přírodními chladivy, jako je R290 (propan).

Tepelná čerpadla vzduch-vzduch jsou vhodná zejména pro vytápění a chlazení v nových budovách s vysokým zatížením podlah, jako jsou logistické nebo výrobní haly. Jejich výhodou je, že nevyžadují vodovodní potrubí (např. v podlaze) a výrazně zjednodušují instalaci. Mohou také rychle přepínat mezi vytápěním a chlazením v závislosti na klimatických podmínkách. Decentralizovaná instalace tepelných čerpadel vzduch-vzduch snižuje tepelné ztráty rozvody a umožňuje individuální regulaci teploty v místnosti. I ve stávajících budovách mohou být tepelná čerpadla vzduch/vzduch ekonomickým a efektivním řešením.

Závěr: Tepelná čerpadla jsou účinným a ekologickým způsobem vytápění hal v nových budovách, ale i v dobře izolovaných stávajících budovách. Umožňují snížit náklady na energii a emise CO2 a využívat obnovitelné zdroje energie v souladu s přechodem na novou energetiku. Jako tepelná čerpadla vzduch-vzduch nabízejí možnost chlazení a odvlhčování. Podívejte se na případovou studii o projektu Next Pharma.