Energetické, ekologické účinky tepelných čerpadiel - iDB Journal

idbjournal.sk

Energetické, ekologické účinky tepelných čerpadiel - iDB Journal

Energetické, ekologické účinky

tepelných čerpadiel

Využitie obnoviteľných zdrojov energie (OZE) bude oproti využitiu (napríklad) fosílnej energie ekonomicky čoraz výhodnejšie. Tepelné

čerpadlá sa už dnes ekonomicky vyplatia a perspektíva ich rozšírenia je v porovnaní s inými OZE najmenej obmedzená. Tepelné

čerpadlá sú zároveň prínosné z hľadiska všetkých troch cieľov klimaticko-energetického balíčka (KEB) a ich význam bude rásť

so zväčšujúcim sa podielom OZE pri výrobe elektriny. Jednotlivé príspevky tepelných čerpadiel (TČ) sa budú počítať podľa európskej

legislatívy, noriem. Predmetom článku sú energetické a ekologické výpočty účinkov tepelných čerpadiel z hľadiska ich príspevku

k jednotlivým cieľom KEB a ku znižovaniu energetickej náročnosti budov.

Energetická efektívnosť tepelných čerpadiel je hodnotená rôznym

spôsobom. V laboratórnych podmienkach sa hodnotí COP (výkonové

číslo respektíve vykurovací faktor) tepelného čerpadla pri plnom

zaťažení v podmienkach podľa normy STN EN 14511 a tiež

SCOP (sezónne výkonové číslo) podľa normy prnEN14825, ktoré

zahŕňa energie potrebné na prívod a rozvod tepelnej energie pri stanovených

tepelných záťažiach a klimatických podmienkach. SPF

(sezónne výkonové číslo) je už hodnotené v reálnych podmienkach

vo vzťahu ku budove, klimatickým podmienkam. Laboratórne namerané,

vypočítané SCOP a namerané SPF v reálnych prevádzkových

podmienkach umožnia stanoviť hodnoty SPF pre rôzne klimatické

podmienky. Pomocou nich bude možné vypočítať koľko tepla

z OZE privedú TČ do vykurovacieho systému, či ohrevu teplej vody

podľa Smernice EP a R č. 2009/28/ES.

Je dôležité si uvedomiť, že hodnoty vo vzťahu k spôsobu výroby

elektrickej energie, k emisiám oxidu uhličitého a podobne používané

podľa právnych noriem k výpočtu energetických, ekologických

účinkov tepelných čerpadiel nie sú skutočné, ale vypočítané,

odhadnuté na základe dohodnutých resp. štatisticky preukázaných

hodnôt.

Nariadenia, normy a smernice

Na obrázku nižšie je schéma väzieb právnych a technických noriem

na TČ umiestnené v budove, v rámci priestoru EÚ a SR. Tieto normy

možno rozdeliť vo vzťahu :

1. Ku TČ (Ekodizajn, F plyny, PED, EHPA, Ecolabel,. ..)

2. K budove (EPBD – EHB zákon č. 555/2005/Z.z.)

3. K EÚ (KEB klimaticko-energetický balíček 20x20x20)

4. K právnym normám členského štátu (zákony o OZE, o EE, vodný,

banský zákon,. ..)

Metódy a výsledky

Klimaticko-energetický balíček (KEB) je známy ako 20 ×20 × 20

do roku 2020. Ide o úspory energie, zníženie emisií CO2 a využívanie

obnoviteľnej energie s cieľom dosiahnuť v roku 2020:

1. 20-percentný podiel obnoviteľnej energie,

2. 20-percentné zvýšenie energetickej efektívnosti oproti roku

1990,

3. 20-percentnú (30-percentnú) redukciu skleníkových plynov

v porovnaní s rokom 1990.

Cieľ 20% podiel obnoviteľnej energie v roku 2020

Tepelné čerpadlá prinášajú teplo z OZE ak platí

SPF > 1,15. 1/ η e

(odhadnuté teplo privedené cez výparník TČ je

započítané do prínosov z OZE).

Výpočet energie z OZE získanej TČ podľa Smernice

2009/28/ES

Množstvo tepla z okolia privedené cez výparník TČ, brané ako teplo

z OZE „E RES

“, sa počíta podľa nasledujúceho vzťahu:

E RES

= Q využiteľné

. (1 – 1/SPF)

Zopakujme, že len TČ, pre ktoré platí :

SPF > 1.15 * 1/ η e

Berú sa do úvahy v rámci tejto smernice, kde:

• Q využiteľné

množstvo tepla dodané TČ = odhadované celkové využiteľné

teplo dodané tepelným čerpadlom (je to súčin inštalovaného

výkonu a počtu hodín podľa druhu TČ pri plnom výkone v

danej klimatickej oblasti)

• SPF (seasonal performance factor) sezónne výkonové číslo pre

TČ bude odhadnuté (SCOP sa počíta podľa prnEN 14825[1])

(EK vydá metodiku pre určenie SPF v danej klimatickej oblasti,

na ktorej pracuje v súčasnosti viacero organizácií)

• η e

je pomer medzi vyrobenou elektrinou a spotrebou primárnej

energie pri výrobe elektriny vypočítaný ako EU priemer podľa

údajov Eurostatu. Tento pomer bude rásť.

Obr. Právne a technické normy, ktorými EK zabezpečuje ciele

klimaticko energetického balíčka

Minimálne SPF, ktoré sa musí dosiahnuť, aby teplo privedené cez

výparník TČ bolo započítané do prínosov z OZE, sa vypočíta podľa

už uvedeného vzťahu pri znalosti η e

a PEF.

Do 1. januára 2013 prijme Komisia usmernenia o tom, ako majú

členské štáty odhadovať hodnoty

Qvyužiteľné a SPF pre rôzne technológie a aplikácie tepelných

čerpadiel, pričom sa zohľadnia rozdiely klimatických podmienok,

najmä veľmi studené podnebia.

Faktor primárnej spotreby energie PEF

PEF primary energy factor je obrátenou hodnotou η e

. Vypočíta sa

ako pomer : primárna energia vstup / získaná energia výstup

46 4/2012 Systémy pre OZE


Norma EN 15316-4-5: Definície základných pojmov

Energia dodaná Q C

– energia na výstupe z hodnoteného systému

(využitá, dodaná spotrebiteľovi)

Energia primárna Q P

– energia na vstupe, ktorá neprešla žiadnym

transformačným procesom (obnoviteľná alebo neobnoviteľná)

Faktor primárnej energie – primárna energia delená dodanou

energiou na výstupe:

PEF = Q P

/ Q C

Faktor neobnoviteľnej primárnej energie – primárna neobnoviteľná

energia delená dodanou energiou na výstupe:

PEFnoe = Q Pnoe

/ Q C

Primárna energia je obnoviteľná i neobnoviteľná energia!

Minimálne sezónne výkonové číslo tepelného čerpadla pre potreby

tejto Smernice podľa vzťahu SPF > 1.15 * 1/ηe. PEF je obrátenou

hodnotou η e

. To znamená pri η e

= 0,4 [1] PEF=2.5 a SPF min

=

2.875. Pri η e

= 0,438 (podľa Eurostatu v roku 2007 [1]) SPF min

= 2,625. Ak SPFmin sa dosiahne, potom všetko odhadnuté teplo

získané cez výparník z OZE sa započíta do prínosov z OZE [4].

Tepelné čerpadlá zvyšujú energetickú efektívnosť

Porovnanie účinnosti výroby tepla plynovým kotlom z primárnej

energie η t

so stupňom využitia primárnej energie PER tepelným

čerpadlom (primary energy ratio).

PER je vypočítaný ako pomer dodanej ku primárnej energii (obrátený

pomer PEF).

Účinnosť výroby tepla plynovým kotlom η t

sa vypočíta ako pomer

medzi vyrobeným teplom a spotrebou primárnej energie. Účinnosť

výroby tepla z primárnej energie η t

sa používa pre plynový kotol

a PER pre tepelné čerpadlo (používa sa ak η t

≥1). PER pre TČ sa

vypočíta ako podiel referenčného SPF pre danú klimatickú oblasť

deleného faktorom primárnej energie. Posledný návrh Eurostatu

(2011) [3] uvádza pre TČ vzduch/voda v našej klimatickej oblasti

SPF=3,3.

Primárny energetický faktor (PEF podľa STN EN 15316) kombinovanej

výroby elektrickej energie s účinnosťou η e

= 0.4 % v rámci

EÚ podľa Eurostatu je 2.5 (podľa vyhlášky 311/2009 Z.z. 2.8),

potom:

Príklady výpočtu:

Pre SR vo vzťahu podľa Eurostatu PEF 2006

=2,5 SPF a/w

= 3,1 potom

PER = 1.24

Pre SR vo vzťahu podľa Eurostatu PEF 2007

=2,3 SPF a/w

= 3,3 potom

PER = 1.43

Pre SR vo vzťahu k výrobe elektriny v PPC PEF PPCs

= 2 SPF=3,3

potom PER = 1.65

Pri výrobe vo vodných elektrárňach PEF = 1,1 SPF zem/vo

= 3,7 potom

PER = 3.36

Pre porovnanie, plynovým kondenzačným kotlom sa dosiahne η t max

resp. PER = 0.985

Z uvedených príkladov je vidieť, že stupeň využitia primárnej energie

pri výrobe tepla TČ závisí od hodnôt SPF a PEF. Pre výpočty

v rámci EÚ sa budú brať priemerné hodnoty podľa Eurostatu.

Obr. Porovnanie stupňa využitia primárnej energie (PER) plynových

kotlov a tepelných čerpadiel

Systémy pre OZE

Na obrázku je uvedená η t

pre plynový kotol a PER pre TČ ako súčin

PER = SPF. η e

Vyššie PER zodpovedá účinnejšej výrobe tepla.

Vyššie SPF sezónne výkonové číslo zodpovedá účinnejšej výrobe

tepla tepelným čerpadlom. Pri európskom priemere η e

= 0.438

z roku 2007 už TČ pri SPF = 3 vyrábajú teplo o viac ako 30 %

účinnejšie, to znamená energeticky efektívnejšie ako plynový kotol

s η t

=0,9. Pri η e

= 0,5 (paroplynová elektráreň) TČ vyrábajú teplo

o 50 i viac % účinnejšie [4]. Podľa metodiky /3/ pri SCOP = 3,3

v podmienkach SR (len 20 % elektriny sa vyrába spaľovaním fosílnych

palív) vychádza PER 6,6.

Tepelné čerpadlá prinášajú nielen úsporu primárnej

tepelnej energie, ale znižujú tiež emisie CO 2

CO 2

emisie v elektrárňach sú najdôležitejším faktorom z hľadiska

vplyvu tepelných čerpadiel na skleníkový efekt. Ak je použitá elektrina

len z vodných elektrární, tepelné čerpadlá majú vysoký potenciál

redukcie CO 2

emisií. Výpočet emisií oxidu uhličitého stanovuje

vyhláška č. 311/2009 Z.z. v § 4 ods. 2 s využitím prepočítacích

faktorov. Podľ a tabuľky E.1 STN EN 15603 pre jednotlivé energetické

nosiče sa uvažujú hodnoty súčiniteľa emisií CO 2

v kg/kWh:

0,277 – zemný plyn; 0,020 – drevené peletky, štiepka a kusové

drevo; pre energetický mix v SR sa podľa metodického usmernenia

MVaRR pri elektrine použije súčiniteľ emisií CO 2

0,382. To je

výrazne menej ako uvádza vyhláška č. 311/2009 Z.z. a to 0,62

kgCO 2

/kWh, ale stále viac ako je skutočná hodnota vykázaná SE

a to 0,178 kgCO 2

/kWh vyrobenej elektriny. Výpočty emisií CO 2

na vyrobenú kWh tepla sú v nasledujúcej tabuľke podľa vzťahu:

Emisie CO 2

/kWh tepla = Emisie CO2/kWh_energie : SPF

respektíve η t

Tab.

Z tabuľky je vidieť, že hodnoty emisií CO 2

/kWh vyrobenej elektriny sú

v právnych normách podstatne vyššie ako hodnoty skutočné v SR.

Pri hodnotách SPF = 3 a emisiách 0,178 kgCO2/kWh vyrobenej

elektriny TČ znižujú emisie CO 2

voči plynovému kondenzačnému

kotlu o takmer 80 %. Ak by sme pre nový kondenzačný kotol emisie

znížili podľa vyhlášky 311/2009 Z.z. na 0,201 CO 2

/kWh tepla

potom TČ by znížili emisie CO 2

voči plynovému kondenzačnému

kotlu o viac ako 70 %. V podmienkach SR sa aj priamym elektrickým

vykurovaním emituje menej CO 2

ako plynovým vykurovaním.

Záver

Z hodnotenia vyplýva, že tepelné čerpadlá výrazne prispievajú

ku splneniu všetkých troch cieľov klimaticko energetického balíčka

a preto sú podporované európskou komisiou a dotačnou politikou

najmä v západných krajinách EÚ. Aby sa viac prínosov získalo, je

treba viac investovať. Príroda nechce dávať zadarmo. V prípade

tepelných čerpadiel však vyššia investícia je hospodárnejšia a ekologicky

výhodnejšia voči napríklad solárnemu kolektoru zapojenému

do sústavy s plynovým kotlom. Z rozboru výsledkov vyplýva, že tepelné

čerpadlá pomáhajú plniť ciele KEB 20x20x20 do roku 2020

nasledovne:

1. Teplo privedené cez výparník TČ bude v EÚ započítané do prínosov

z OZE ak SPF je vyššie ako 2,875 resp. od roku 2007 je to

už 2,625. Táto podmienka je splnená pre TČ zem/voda a voda/

voda. TČ vzduch/voda s hodnotením SCOP podľa prnEN14825,

a tiež SPF v reálnych podmienkach tiež túto podmienku spĺňajú

vo väčšine klimatických pásiem. TČ tak prispejú k cieľu v rámci

KEB získať 20% podiel obnoviteľnej energie v roku 2020

výrazným spôsobom a to asi 66% z celkom nimi vyrobeného

tepla pri SPF = 3. Tento prínos z OZE sa bude zvyšovať s rastúcim

SPF a s klesajúcim PEF respektíve rastúcou priemernou η e

v EÚ, ktorá v roku 2007 už dosiahla hodnotu 0,438. Obe tieto

hodnoty budú v EÚ vďaka neustálemu zlepšovaniu parametrov

TČ a zmenám vo výrobe elektriny určite rásť a tým bude rásť aj

4/2012

47


teplo z OZE získané TČ. Osobitne je tu treba podčiarknuť význam

TČ v tzv plusových domoch, kde bude elektrina pre pohon

TČ vyrobená z OZE.

2. Pri európskom priemere účinnosti výroby elektriny z primárnej

energie η e

= 0.438 už TČ pri SPF = 3 (ktorý sa v priemere za

všetky druhy TČ už dosahuje) vyrábajú teplo o 30 i viac % účinnejšie,

to znamená energeticky efektívnejšie ako plynový kotol

s účinnosťou 0.9. Tým je plnený cieľ 20% zvýšenie energetickej

efektívnosti pri vykurovaní voči roku 1990. Tento podiel je už teraz

výrazne vyšší a bude naďalej rásť vďaka rastúcej η e

a vývoju

TČ so zvyšujúcim sa SPF.

3. CO 2

emisie pri výrobe elektriny sú najdôležitejším faktorom z

hľadiska hodnotenia vplyvu tepelných čerpadiel na skleníkový

efekt. Je potrebné si aj tu uvedomiť, že tieto hodnoty sú získavané

podľa normy STN EN 15603 a teda nie sú to skutočné

hodnoty pre jednotlivé krajiny. Hodnoty emisií CO 2

/kWh vyrobenej

elektriny v tejto norme sú podstatne vyššie ako hodnoty

skutočné v SR. Pri hodnotách podľa vyhlášky č. 311/2009

Z.z. pri SPF =3 a emisiách 0,62 CO 2

/kWh vyrobenej elektriny

TČ znižujú emisie CO 2

voči plynovému kondenzačnému kotlu

o 22 %. Tým je aj pri tomto nesprávnom emisnom údaji plnený

cieľ 20% (30%) redukcia skleníkových plynov verzus rok 1990

pri výrobe tepla. Pri hodnotách podľa normy STN EN 15603

s priemernými hodnotami pre EÚ pri SPF = 3 a emisiách

0,382 CO 2

/kWh vyrobenej elektriny TČ znižujú emisie CO 2

voči

plynovému kondenzačnému kotlu o takmer 55 %.

V reálnych podmienkach SR až o 70 – 80 %. Táto skutočnosť ostáva

mnohým odborníkom ukrytá pod plášťom právnych noriem.

Literatúra

[1] EUROSTAT (2011): Accounting for Renewable Energy from Heat

Pumps - download: http://circa.europa.eu/Public/irc/dsis/chpwg/

library?l=/renewable_statistics_1&vm=detailed&sb=Title

[2] Forsén, M.: Heat Pumps–Technology and environmental impact:

Part I,II“, S-HPA (SVEP), 2005.

[3] Havelský, V.: Prínos tepelných čerpadiel z hľadiska úspor

primárnej energie. In: Zborník SZ CHKT, 2009, 2010.

[4] Normy prn EN 14825, EN 15603:2008, vyhláška č. 311/2009

Z. z., Smernica EP a R č. 2009/28/ES

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD.

Slovenský zväz pre chladiacu a klimatizačnú techniku

Výhľadová analýza využívania obnoviteľných

zdrojov energie na Slovensku (4)

Koľko krokov by malo byť pri získavaní konečného povolenia? Mal by existovať „one-stop shop“ na koordináciu všetkých krokov?

Tradične je do schvaľovacieho procesu zapojených pomerne veľa

rôznych organizácií. Často sú niektoré autority zapojené ako

v schvaľovacom procese, tak aj v procese prípravy podporných

schém pre projekty OZE. Zodpovedné autority väčšinou pozostávajú

z niekoľkých administratívnych organizácií na národnej, regionálnej

aj lokálnej úrovni. Odporúčame znížiť počet týchto organizácií zapojených

do povoľovacieho procesu a procesu poskytovania podpory.

Projektoví developeri majú výrazne pozitívnejší postoj ku projektom,

kde je len jediný administratívny orgán zodpovedajúci za koordináciu

niekoľkých administratívnych požiadaviek. Ako príklad možno

uviesť Bundesamt pre „off-shore” veternú energetiku v Nemecku.

Ďalej pozorujeme nedostatočnú koordináciu medzi jednotlivými

autoritami. V mnohých prípadoch musia projektoví developeri predkladať

rovnaké informácie niekoľkokrát pre rôzne autority. Riešením

by bola štandardizácia celého schvaľovacieho procesu, vrátane

štandardizovaných administratívnych požiadaviek a formulárov žiadostí

pre rôzne autority.

Je taktiež potrebné znížiť počet krokov celého procesu, licenčný

proces by mal byť jednoduchší a transparentnejší, hlavne v prípade

malých inštalácií. V súčasnosti neexistuje žiadny „one-stop-shop”,

kde by bolo možné na jednom mieste získať potrebnú autorizáciu

na OZE projekty, čo považujeme za slabé miesto celého systému.

V prípade vykurovania sa rozhodovanie robí hlavne na lokálnej

úrovni.

Opatrenia týkajúce sa budov

Aké opatrenia by mali byť zahrnuté v stavebnom zákone,

aby sa zabezpečilo zvyšovanie OZE v sektore budov?

Je potrebné zaviesť politické nástroje na poskytovanie stimulov

integrácie technológií výroby tepla a chladu z OZE do vykurovacích

/ chladiacich systémov. Keďže aplikácie OZE na výrobu

tepla a chladu pracujú efektívne len ak sú správne prispôsobené

celkovému systému, zvolené politické nástroje by teda mali podporovať

dobrý výkon celého systému. Zároveň je potrebné podporovať

znižovanie energetickej spotreby budov (napr. zateplovaním)

a motivovať efektívne využívanie zariadení na výrobu tepla a chladu

z OZE.

Tieto politické nástroje by mali zároveň motivovať k využívaniu

vysoko-účinných zariadení, napríklad podmieniť získanie finančnej

dotácie štandardami pre stanovenú minimálnu úroveň účinnosti.

V súčasnosti neexistuje legislatívna povinnosť využívať v budovách

obnoviteľné zdroje. Jediná požiadavka týkajúca sa OZE v budovách

je v zákone 555/2005 o energetickej hospodárnosti budov, kde sa

požaduje pre nové veľké budovy (cez 1.000m2), aby sa pri projektovaní

budovy zvážilo aj využívanie OZE. Výstup tohto energetického

posúdenia musí byť uvedený v technickom popise v projektovej

dokumentácii. Toto opatrenie má však len odporúčaní charakter

a väčšina investorov štandardne toto odporúčanie neuplatňuje.

Túto situáciu by pomohla riešiť zmena súčasného stavebného

zákona alebo nový zákon (napr. zákon o výrobe tepla z OZE), kde

by bola zákonom stanovená povinnosť využívania OZE v rozumnom

merítku pre nové a renovované budovy. Ale k tomuto opatreniu musí

byť súbežne vytvorený spoľahlivý a od štátneho rozpočtu nezávislý

dotačný mechanizmus.

Ako by ste navrhli zavedenie minimálnej úrovne využitia

OZE v nových alebo novo zrekonštruovaných budovách?

Akú úroveň by ste navrhli?

Zavedenie tejto povinnosti je potrebné vhodne namodelovať pre

rozdielne cieľové skupiny a ich rozdielne potreby. Uvedené cieľové

skupiny sú vlastníci domov žijúci v týchto domoch, vlastníci domov

prenajímajúci bytový priestor, samosprávy a organizácie sociálneho

bývania. Vzhľadom na to, že tieto organizácie často vlastnia a prevádzkujú

väčšie množstvo budov, môžu sa stať hlavnými hnacími

členmi (ale aj hlavnými prekážkami) pre zavádzanie výroby tepla

a chladu z OZE.

48 4/2012 Systémy pre OZE

More magazines by this user
Similar magazines