blog.proks-martin.cz

Martin Prokš: martin (tečka) proks (zavináč) proks-martin (tečka) cz
Původně publikováno na https://martin-proks.blogspot.com dne 6.12.2019.

(Sepsáno 2019) V posledních cca deseti letech a čím dál více se vede boj za likvidaci fosilního spalování. Aktuálně se blíží datum, kdy bude zakázáno spalovat uhlí v obyčejných kotlích (a jestli to správně chápů tak i výkonnějších kamnech, včetně historických kachlových). To se dotkne vytápění budov a hlavně na venkově a chatách. To vede k tlaku na náhradu tepelnými čerpadly. Opravdu je to správná cesta?

Budu trochu skeptik a pokusím se zamyslet nad tím k čemu to povede. Toto není komplexní analýza, spíše pár nadhozených úvah technika.

Kotle na tuhá paliva a jejich náhrada

Zákaz kotlů na tuhá paliva s nejnižší emisní třídou se blíží. Dopady na hlavně vesnice, kde jsou obvykle nižší příjmy, a ne vždy je tam zavedený zemní plyn, budou významné. Ty tak zvané kotlíkové dotace také nepovažuji za řešení. Jednak na ně dosahne jen zlomek lidí kterých se výměna týká (1/4 odhadem), druhak dle mých zkušeností s několika takovýmito pobídkami vlastně dotace vedou ke zdražení dané akce jednak byrokracií, druhak časovým tlakem na realizaci a kapacity montážních firem, což se projevuje nárůstem ceny.

Jedna varianta je koupě kotlů 3. a 4. emisní třídy. Jistě je to nejekonomičtější varianta a snad to ještě několik let půjde. Nicméně trend doby je neúprosný a je otázka času, kdy dostanou stopku také. Ještě vyšší emisní třída (kotle peletové a s automatickým dávkováním) jsou už zcela jinde, finančně, prostorově, nutným zázemím i palivově.

Jako nejperspektivnější náhrada jsou ražena tepelná čerpadla. A nad těmi se chci zamyslet.

Tepelná čerpadla

Tepelné čerpadlo čerpá teplo z okolního prostředí (nejčastěji vzduchu) a předává ho topné soustavě. Popisy lze najít různě na webu (třeba zde nebo zde), nebo v odborné literatuře. V podstatě je to obrácená lednička - chladí venkovní prostředí (nejčastěji vzduch) a ve finále vyhřívá vzduch uvnitř budovy. Mluvíme o tepelném čerpadle, ale tento systém je často reverzibilní a v létě umí i chladit. Ale to není předmětem této úvahy, byť i pro chlazení platí obdobná pravidla a problémy.

Tepelná čerpadla jsou obvykle u nás tří typů. země/voda, voda/voda, vzduch/voda. Jen málokdo má možnost či finance udělat vrt do země, nebo položit kolektor do země, nebo má řeku či rybník kam by dal vodní výměník (a bylo mu to povoleno). Drtivá většina lidí bude odkázána na tepelné čerpadlo, které energii získává z okolního vzduchu a předává ji do vody topného systému. Čili ten vzduch/voda systém.

Zabývám se přednostně stávajícími obytnými budovami, kterých se výměna topného systému týká. Drtivě převažující množství existujících budov v ČR má systém teplovodního radiátorového topení, který je pro tepelné čerpadlo nevýhodný. Tepelné čerpadlo by preferovalo podlahové teplovodní topení (ideálně ale teplovzdušný systém), což jsou však stavební úpravy za další vysoké desítky až stovky tisíc korun pro běžný rodinný domek.

Další funkcí tepelného čerpadla kterou nelze opomenout bývá i ohřev teplé užitkové vody na nádobí a koupání. Tato funkce většinou dost snižuje celkovou efektivitu tepelného čerpadla, protože pro tep. čerpadlo jsou to nevýhodné podmínky - teplá užitková voda potřebuje vysokou teplotu. Ale to je jen pro doplnění.

Pohled uživatele tepelného čerpadla

Uživatele tepelného čerpadla asi nejvíce zajímá, kolik zaplatí za elektrickou energii za rok. Neboli kolik elektřiny bude potřebovat k tomu, aby z okolí vyčerpal dostatek tepla k vytápění za rok. O tom vypovídá koeficient SCOP. Tento koeficient je poměr kolik tepelné energie (tepla) za rok tepelné čerpadlo dodá vs. kolik k tomu za rok spotřebuje elektrické energie. Čím vyšší SCOP, tím méně elektřiny bude za rok potřeba. Elektrokotel by měl SCOP = 1. V současné době (2019) dobrá tepelná čerpadla mají SCOP prý kolem 4.5 a více. To znamená že například ze 400 kWh odebraných ze sítě za rok udělají 1800 kWh tepla i více. To zní krásně ne?

Má to ale drobnou vadu. Toto je průměr za celý rok, ale nic to neříká o tom, jak se tepelné čerpadlo chová v čase. Problém je v tom, že teplené čerpadlo v zimě “čerpá” teplo ze studeného vnějšího vzduchu do teplejšího uvnitř budovy. (O tom mluví druhý koeficient; COP - poměr výsledné tepelné energie ke spotřebované elektrické energii za přesně daných konkrétních podmínek.) Čím vyšší je teplotní rozdíl, tím víc práce to tepelnému čerpadlu dá a tím hůře mu to jde. To znamená větší spotřeba a přitom menší výsledný výkon. Teď se bavíme o dnech a nocích, kdy teplota se pohybuje mezi -7 až -20 stupni C. Ano, takových dní je za rok jen pár. Ale právě v tyto dny a noci je potřeba topit nejvíce, protože tepelné ztráty budovy jsou největší. Když topení nepojede naplno, tak budou obyvatelé mrznout. V tyto dny a noci tepelné čerpadlo jede na plno a přitom mu prudce padá účinnost = tepelný výkon. Zatímco např. při vnější teplotě +7 st. C má čerpadlo (při svém maximálním odběru 3.3 kW ze sítě) výsledný tepelný výkon 17 kW (COP = 5.15), při vnější teplotě -7 st. C má stejné čerpadlo výkon pouze 12,4 kW (při spotřebě ze sítě oněch 3.3 kW; COP = 3.76). S ještě nižší venkovní teplotou výkon prudce klesá.

Když je venku +7 st. C, tak u alespoň trochu zateplené budovy ta potřeba výkonu zdaleka není tak vysoká a čerpadlo běží na nižší výkon, nebo alespoň ne trvale. Při -7 st. C a níže však potřeba topného výkonu narůstá, ale čerpadlo výkon ztrácí. To znamená, že tep. čerpadlo jede na plno co to dá a to trvale. Pro jističe a elektroměr to znamená trvalý odběr rodinného domu 3.3 kW. To není tak moc, přípojka je typicky dimenzovaná 400 V x 25 A (trojfáze 25 A) = 10 kW, tak o co jde?

Pohled sítě, špičkové zatížení

Z pohledu sítě to ale tak zanedbatelný problém není. Ano, rodinné domy mají typický rezervovaný příkon mezi 6.4 kW až 10 kW, ale nikdy není předpoklad, že by odebírali všichni na ráz. Skoro každý má velké spotřebiče jako pračku, rychlovarnou konvici, elektrickou troubu nebo plotnu, sem tam někdo cirkulárku, soustruh, svářečku. Ale tyto spotřebiče běží jen občas, krátkodobě a prakticky nikdy všechny baráky na ráz. Maximálně se sejde několik málo domů ve vesnici na ráz pračka, nebo pračka a trouba, ale bude jich jen několik. Energetici s tím počítají a dimenzování příkonu vesnice se nerovná prostému součtu všech zapojených odběrných míst. Příkon vesnice se běžně dimenzuje na cca 30% dle stávajících odběrných míst plus alespoň 10% záloha pro budoucí rozvoj. Samozřejmě toto je jen velice hrubé pravidlo, ve skutečnosti je to mnohem komplexnější a složitější rozhodování, když se má budovat nová transformační stanice. (Jsem v tomto laik, ale stačí se zeptat strýčka Googla a pár večerů hledat a studovat, dají se najít dokumenty jak obce žádají a komunikují s PRE a ČEZem.)

Zpět k tepelnému čerpadlu. Kdyby se celá modelová vesnice o 100 domech rozhodla vyměnit kotle na uhlí za tepelná čerpadla, znamená to, že v tom chladném dnu pod -12 st. C pojede celá vesnice současně 100 x 3,3 kW = 330 kW celý den. To znamená, že trafostanice a rozvodná síť pojedou v ony kritické dny nonstop nadoraz jen kvůli těm tepelným čerpadlům. Snad si pak v ledovou neděli před polednem pár dalších domů nezapne ještě tu troubu (3.5 kW trvaleji), pračku (3.4 kW přerušovaně při ohřevu) a rychlovarnou konvici (s příkonem typicky 2 kW pár minutově). Síť už jede na doraz, když se sejde několik těchto nárazů může to být již problém.

Nicméně to je jen jedna vesnice. Pokud je zima až praští, tak není jen v jedné vesnici, ale v celém okrese, kraji a často v celé republice. A jsme u elektráren, výroby elektřiny a dostatečnosti zdrojů v čase. Kolik MW až GW bude potřeba přidat jen kvůli tepelným čerpadlům? Jak tyto potřebné bloky a elektrárny budou využity po zbytek roku, kdy nemrzne? Z čeho tu elektřinu vůbec vyrobíme, když je tak velké tažení proti uhlí (a jádru a plynu)? Když takhle mrzne, tak to bývá překvapivě právě v zimě a nejvíce v noci. Takže FVE nedá nic, je jasno a nefouká (takže ani vítr nedá nic) a se zimním mrazem se pojí hydrologické sucho (takže ani vodní elektrárny není možné ždímat a naopak je třeba vodu zadržovat).

Závěr

Nízkých pár procent (odhadem tak do 20%) domů v republice osazených tepelnými čerpadly není problém. Jen samé výhody a vše je více méně super. Ale jestli jejich absolutní počet a příkon začne narůstat, začnou se projevovat negativní efekty v podobě významného zatěžování sítě a potřeby dodatečných elektráren. Ve spojení se zeleným terorem (o tom opravdu jinak mluvit nebudu) je to cesta do pekel.

V každém případě pro majitele starších a starých rodinných domů na vesnicích bez přípojky plynu to nejsou moc radostné vyhlídky.