NyrdenCore & Vytápění

Požadavek být při výrobě tepla pro vytápění a přípravu teplé vody maximálně nezávislí a současně se chovat ekologicky značně omezuje možnosti při výběru tepelných zdrojů. Spalování biomasy sice osvobozuje od investice do jakýchkoliv přípojek a případných složitostí spojených se změnou dodavatele energie, ale daní za to je potřeba vybudovat v domě prostorově náročnější kotelnu se skladem paliva a občas i přiložit ruku k dílu, aby bylo čím topit. Pro tepelné čerpadlo, provozně asi nejlepší variantu ze všech možných, je pro změnu nutné zajistit dostatek elektřiny, což v ostrovním režimu nebývá vždy úplně jednoduché. Rozumným kompromisem je kombinace obou zmíněných možností. V čase s dostačující produkcí domácí elektrárny čerpat teplo z okolního prostředí s pomocí doma vyrobené elektřiny a při jejím nedostatku vyrábět teplo v interiérové krbové vložce.

Tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo získává teplo z energie obsažené v prostředí – ze země, z vody nebo ze vzduchu. Výhodou prvních dvou variant je poměrně stabilní teplota půdy a spodní vody v průběhu celého roku, parametr u vnějšího vzduchu těžko dosažitelný a vytvářející tak bariéry pro masivnější uplatnění čerpadel typu vzduch-voda. V reakci na tento nedostatek přišlo několik výrobců s myšlenkou nahradit teplotně proměnlivý venkovní vzduch vzduchem vnitřním, u kterého je teplota po celé otopné období prakticky konstantní a nehrozí ani její vyčerpání v důsledku dlouhodobého odbírání tepla, což může přechodně nastat v případě zemních a vodních kolektorů. Vzniklo tak ventilační tepelné čerpadlo spojující hned čtyři činnosti – větrání, vytápění, ohřev teplé vody a chlazení. Teplo čerpadlo odebírá odpadnímu vzduchu, který mívá teplotu kolem 23 °C a obsahuje nezanedbatelné množství vodní páry. Jeho ochlazením na -20 °C tak dochází i ke kondenzaci obsažené vody, čímž se do celkové tepelné bilance přidává i významný příspěvek v podobě skupenského tepla. Výsledkem je vysoký a hlavně stabilní topný faktor, a to i v chladnějších teritoriích, kde se tradiční čerpadlo vzduch-voda příliš uplatnit nemůže. Ventilační čerpadlo energetickou efektivitou předčí většinu čerpadel typu voda-voda či země-voda a nákladově je přitom srovnatelné s variantou vzduch-voda.

V jádru NyrdenCore užité ventilační tepelné čerpadlo odebere v modelovém středoevropském příkladu odpadnímu vzduchu každou hodinu teplo od 1,498 do 4,994 kW v závislosti na teplotě výstupní vody (35, resp. 45 °C). Cílem je co nejnižší výstupní teplota, protože COP je v prvním případě 4,72, zatímco ve druhém 2,43. Průměrný roční faktor uvádí výrobce v hodnotě 3,0, ale promyšlenou volbou každého komponentu otopné soustavy, a dodáním nadřazené řídící jednotky NyrdenCore s unikátním algoritmem maximálně využívajícím silné stránky všech prvků obsažených v systému, lze reálně docílit výsledku na hranici 4,5, což zásadně mění efektivitu procesu vytápění.

Teplo odnímané odpadnímu vzduchu se ukládá do teplovodních zásobníků. Jsou dva, bojler a akumulační nádrž, vzájemně propojené. První je integrován ve skříni tepelného čerpadla, větší stojí samostatně. Zásobníky poskytují teplo nízkoteplotní otopné soustavě a ve vnořeném trubkovém výměníku se zde také průtokovým způsobem předehřívá teplá voda.

Bivalentní zdroje jsou k dispozici dva. Elektrická patrona v tepelném čerpadle o výkonu až 7 kW a připojitelná externí jednotka, teplovodní krbová vložka, o výkonu rovněž 7 kW. Volba mezi uvedenými variantami závisí na momentální preferenci uživatele, zda upřednostní pohodlí nebo nízké provozní náklady a dále na aktuálních možnostech zdroje elektřiny. Pokud je jí nadbytek, není důvod ji nevyužít k ohřevu vody. Modelový středoevropský příklad ukazuje zásadní význam záložního zdroje pro celkovou energetickou bilanci objektu v období od listopadu do února, kdy je nedostatek slunečního svitu a současně nízké venkovní teploty.

Krbová vložka

Zhruba čtyřměsíční období nižší sluneční aktivity s vrcholem v den zimního slunovratu se do značné míry kryje s topným obdobím. Dimenzovat fotovoltaickou elektrárnu na nízký sluneční svit není ekonomicky výhodné a proto je do systému přiřazen bivalentní zdroj v podobě krbové vložky, jehož smyslem je nahradit produkci tepla v čase, kdy pro chod tepelného čerpadla není dostatek elektrické energie. Krbová vložka má topný výkon 7 kW a teplo dodává jednak přímo do obytného prostoru sáláním, jednak do teplovodního zásobníku prostřednictvím integrovaného tepelného výměníku, a to v poměru zhruba 1 : 3.

Otopná soustava

Pro distribuci tepla vyráběného v tepelném čerpadle je ideálním řešením nízkoteplotní otopná soustava, jež umožňuje čerpadlu pracovat v teplotním rozsahu, kde má nejvyšší energetickou účinnost. Preferuje se přitom podlahové vytápění, u kterého dochází ve vytápěném prostoru k optimálnímu vertikálnímu rozložení teplot. Hlavní nevýhodu podlahového topení – vysoká akumulace a tím nepružná regulace výkonu – eliminuje vynechání masivního jádra a kontaktní ohřev nášlapné vrstvy podlahy. V rychlosti odezvy na regulační zásah si tato přímotopná varianta nezadá s klasickými radiátory.

Vhodná otopná soustava je však pouze nutnou podmínkou, nikoliv zárukou efektivního vytápění. Tou je kombinovaná výkonová regulace navržená na principech termohydrauliky, která díky 100% využívání působících tepelných zisků ve srovnání s klasicky navrženou otopnou soustavou dosahuje až o 35 % vyšší energetické účinnosti. Úspor se nedosahuje nesmyslným snižováním vnitřní teploty pod normovou úroveň, ale odstraněním přetápění objektu vyloučením nespolehlivého lidského fakturu z ovládání regulace výkonu. Úplné know-how k termohydraulickému návrhu otopné soustavy získal tým NydenCore jako jediný díky dlouholeté spolupráci s autorem této revoluční metody

Regulace

Regulace systému je přehledná. Větrání – přívod čerstvého i odvod vydýchaného vzduchu – se reguluje automaticky bez jakýchkoliv nároků na energii a obsluhu. Snížení relativní vlhkosti před větrací jednotkou, odhalené čidlem umístěným ve sběrném boxu, je signálem pro snížení otáček ventilátoru, aby nedocházelo k hygienicky nepřijatelnému „vysoušení“ vnitřního vzduchu. Při nižší výměně se vlhkost opětovně zvýší na požadovanou úroveň. Výkon tepelného čerpadla ovládá frekvenční měnič na základě informace teplotního čidla z akumulační nádrže - když teplota klesá, výkon se zvýší, a naopak. Pokud čerpadlo běží na maximální výkon a teplota v nádrži není dostatečně vysoká, spouští se elektrický dohřev. Výkon resp. teplotu krbové vložky řídí vzduchová klapka na externím přívodu vzduchu, při poklesu teploty ve vložce pouští klapka do spalovacího prostoru více vzduchu a naopak. Teplotní čidlo na vložce zapíná rovněž oběhové čerpadlo vodního okruhu, a to po dosažení požadované teploty (vyšší než 45 °C a zároveň vyšší o 5 °C, než je teplota vody v teplovodním zásobníku). Při dosažení maximální teploty vodního okruhu krbové vložky se automaticky spouští bezpečnostní ochlazovací smyčka. Při překročení limitní teploty v zásobníku se automaticky otevře okruh s bazénovým výměníkem a přebytečné teplo se začne odvádět do bazénu. Provoz otopné soustavy řídí kombinovaná výkonová regulace. Venkovní teplotní čidlo určuje teplotu topné vody a vnitřní teplotní čidla mění průtok v jednotlivých zónách podle dosažené teploty. Množství chladícího vzduchu dodávaného tepelným čerpadlem řídí teplotní čidlo v hlavním obytném prostoru. Individuální nastavení teplotní úrovně v jednotlivých místnostech se upravuje změnou průtoku ve stěnových difuzorech podle informací z pokojových termostatů. Většinu procesů lze ovládat i dálkově po datové síti.


Obrázek č. 1: Provozní schéma systému vytápění a přípravy teplé vody

Kombinace hybridního větrání, prvotřídního ventilačního tepelného čerpadla pracujícího s SCOP 3,0, pružně fungujícího podlahového systému, kvalitní krbové vložky a systému variabilní distribuce chladícího vzduchu je mimořádně efektivní a staví tento komplet na samou špičku v konkurenci známých alternativ. Jednotlivé procesy probíhají pouze v místech a v čase skutečné potřeby, do tepelné bilance jsou účinně zapojovány působící tepelné zisky a teplotu v místnostech lze individuálně nastavovat podle aktuálních preferencí. Reálné roční náklady na provoz včetně amortizace jsou tak u na dnešní poměry průměrně izolovaného objektu srovnatelné s teoretickými hodnotami uváděnými u domů pasivních.

Závěr

Tepelné čerpadlo je jedním z nejekologičtějších zdrojů tepla a průměrný roční faktor SCOP ve výši 3,0 nelze navíc prakticky nijak zpochybnit, jak se tomu stává zejména u tepelných čerpadel vzduch-voda, protože okrajové podmínky jsou u ventilačních čerpadel přesně dané a v čase neměnné. Součinností tepelného čerpadla s krbovou vložkou, jak ji dokládá graf na obrázku č. 2, lze jinak na elektřinu poměrně náročné tepelné čerpadlo úspěšně provozovat i v off-grid systému s vlastní výrobou elektrické energie.


Obrázek č. 2: Roční průběh produkce tepelného čerpadla a krbové vložky během roku 2016 v Praze 

Krbová vložka na bio palivo patří rovněž mezi ekologické zdroje tepla. Přestože výrobky této kategorie mají nižší tabulkovou energetickou účinnost než běžné kotle, v praxi tomu může být přesně naopak. Účinnost závisí na vlhkosti dřeva a zatímco spalováním nedostatečně vysušeného dřeva v krbové vložce umístěné v obytném prostoru uživatel riskuje znečištění krbu a kouření vložky, v kotelně tyto problémy ne každého trápí a spaluje se proto téměř kdeco. Právě proto krbové vložky nezřídka pracují s vyšší účinností než kotle vyšší kategorie.

Příjemným bonusem je možnost spalovat i brikety vyráběné z biomasy produkované samotným ostrovním systémem. Tím se komplexní ekologické hodnocení krbové vložky dostává na zcela jinou kvalitu.