Jak fungují tepelná čerpadla a fotovoltaika?

Chcete mít energie „za hubičku“? Kdo by dnes nechtěl! A přitom stačí relativně málo: vytvořit funkční elektrický systém, který vám pomůže zachytit a zpracovat energii, jež proudí všude kolem nás…

Na veletrhu FOR ARCH 2023, který proběhl na výstavišti v pražských Letňanech ve druhé polovině září, představila česká společnost Schlieger nové portfolio produktů obnovitelných zdrojů energie (OZE), které bude od příštího roku řídit umělá inteligence. Firma Schlieger je českou jedničkou v instalacích systémů OZE (téměř 15 000 tuzemských realizací) a do vývoje umělé inteligence vložila desítky milionů korun. Výsledkem investice bude smart systém, který dokáže flexibilně a ekonomicky řídit spotřebu elektřiny v celé domácnosti a její přebytky zobchoduje na spotovém trhu. Maximální komfort a úspory nabídne při ohřevu teplé vody, vytápění nebo chlazení interiéru, ale také při nabíjení elektromobilů či při řízení teploty vody v bazénu.

Inteligentní systém řízení obnovitelných zdrojů energie si podrobně představíme později, ale teď začněme „od Adama“. Nabídneme vám současné možnosti tepelných čerpadel a fotovoltaiky ve stručném a srozumitelném přehledu.

1. Tepelná čerpadla

Pracují na podobném principu jako lednice, ovšem využívají jej obráceně: Tepelné čerpadlo odebírá nízkopotenciální teplo z okolí, které následně využívá k vytápění domu. Základní dělení tepelných čerpadel je podle zdroje, z něhož se teplo odčerpává, a podle média, do něhož se načerpané teplo ukládá. Podle toho rozlišujeme systémy vzduch-voda, země-voda, voda-voda a vzduch-vzduch.

Systém vzduch-voda

„Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou pro vytápění a ohřev vody nejpoužívanějším typem čerpadel. Hodí se jak do objektů s nízkou tepelnou ztrátou (pasivní domy), tak i do běžných rodinných domů různého stáří a konstrukční kvality, ale i do panelových domů nebo průmyslových objektů. Svojí účinností jsou dnes již srovnatelné se systémy země-voda, které bývaly výrazně efektivnější,“ uvádí Vojtěch Janoušek, marketingový ředitel společnosti Acond, předního českého výrobce tepelných čerpadel. Nevýhodou může být vyšší hlučnost u výrobků zaměřených na nízkou cenu a s tím související omezení možností umístění. Naopak výhodou je snadná instalace, protože pro tepelné čerpadlo vzduch-voda se na pozemku najde místo téměř vždy. Vždy je také přístupné ke kontrole nebo servisu. Lze jej využít také k letnímu chlazení nebo k ohřevu bazénu a jeho pořizovací náklady jsou nižší než u systému země-voda.

Systém země-voda

Původně velmi rozšířený typ tepelného čerpadla. Jeho prodej však v poslední době stagnuje kvůli složitosti a vysoké ceně instalace zdroje. Tím může být buď velkoplošný kolektor na zahradě, nebo hloubkový zemní vrt. Účinnost je přibližně stejná jako u čerpadla vzduch-voda. Výhodou je stabilní topný výkon bez ohledu na venkovní teplotu. Toto tepelné čerpadlo rozhodně nebude rušit sousedy, protože kompresor je umístěn uvnitř domu, u méně kvalitních přístrojů však může být zdrojem hluku v domácnosti. „Plošný kolektor potřebuje určitou plochu pozemku a jeho instalace znamená rozkopání zahrady. V případě vrtu je zase nutné počítat s vysokými náklady. Rozhodně se však nesnažte šetřit menší hloubkou vrtu – zařízení by pak nemuselo fungovat efektivně,“ vysvětluje Vojtěch Janoušek z Acondu. Je dobré vědět, že vrt je investicí do budoucna, protože vydrží až 100 let. Poslouží tedy pro několik čerpadel země-voda, přičemž samotné čerpadlo už je levnější než v systému vzduch-voda.

Systém voda-voda

Tepelné čerpadlo voda-voda je skvělý, ale přesto nejméně používaný typ. Problém spočívá v dostupnosti dostatečně vydatného zdroje vody. Je proto vhodný zejména pro oblasti s vysokou hladinou spodní vody. „Obvyklé je použití dvou studní. Z jedné se spodní voda čerpá, prochází výparníkem tepelného čerpadla a do druhé se ochlazená voda vrací,“ popisuje Jiří Svoboda, jednatel tradičního českého výrobce tepelných čerpadel Master Therm. Tento systém dosahuje vynikající účinnosti díky vysoké teplotě zdroje, výhodou je i konstrukční jednoduchost zařízení. Limitujícím faktorem ale může být kvalita spodní vody. Lze využít i vody povrchové (např. potoku nebo rybníka), přičemž s ohledem na její nízkou teplotu v zimním období je zde nutné teplo odebírat vnořeným kolektorem napuštěným nemrznoucí směsí, obdobně jako při čerpání tepla ze země.

Systém vzduch-vzduch

Jde zpravidla o doplňkový zdroj tepla k přímotopům nebo jiným systémům vytápění bez rozvodu otopné vody. Základ systému tvoří klimatizační jednotka, která byla vyvinuta původně hlavně pro chlazení. Výhodou je jednoduchá instalace do jedné nebo několika málo místností. V případě malého počtu vytápěných prostor je instalace levná. V létě tento systém snadno a rychle chladí, v zimě dokáže také rychle reagovat a vytopit místnost. Neumožňuje však ohřívat vodu. Problémem bývá také velká hlučnost a proudění vzduchu. Nejpoužívanější jsou nástěnné klimatizace, pro které je ovšem obtížné „dofouknout“ teplý vzduch od stropu až k podlaze. Pro vytápění se tedy lépe hodí tzv. parapetní jednotky umístěné ve spodní poloze. Jedná se o levný, ale nejméně komfortní systém tepelného čerpadla.

Napojení tepelného čerpadla

Tři základní typy tepelných čerpadel, které získané teplo předávají vodě, se napojují na standardní teplovodní otopnou soustavu. Lze je napojit jak na radiátory (vysokoteplotní systém), tak i na podlahové vytápění jako velkoplošný nízkoteplotní systém. Celý regulační systém vytápění bývá obvykle konstruován tak, aby zároveň umožňoval přípravu teplé užitkové vody pro domácnost. Tepelné čerpadlo vzduch-vzduch přímo fouká teplý vzduch, ale slouží spíše jako doplňkový zdroj tepla. Jeho hlavní funkce spočívá v letní klimatizaci.

Účinnost tepelného čerpadla

Jak efektivní je tepelné čerpadlo? To přímo souvisí s jeho kvalitou, která by měla být pro správný výběr určující. Výběr podle ceny nebývá šťastný. Předem byste měli znát tepelnou ztrátu domu, podle níž vám odborník doporučí výkon zařízení, případně je dobré vědět, kolik byla předchozí spotřeba topiva. Zásadním parametrem je účinnost čerpadla, kterou vyjadřuje topný faktor (COP) nebo přesněji sezonní topný faktor (SCOP). Je to poměr mezi množstvím tepla, které čerpadlo „vyrobí“ (dodá do otopné soustavy), a množstvím spotřebované vstupní energie (elektřiny pro pohon čerpadla a kompresoru). Hodnota sezonního topného faktoru (SCOP) by se měla u kvalitního tepelného čerpadla libovolného typu pohybovat mezi čísly 4 a 5. Pro praktický provoz domácnosti je ovšem důležitá nejen topná funkce, ale také výstupní teplota vody, když venku mrzne.

2. Fotovoltaika

Fotovoltaická elektrárna může být propojená s veřejnou distribuční soustavou, nebo může být na dodávkách energie ze sítě zcela nezávislá (tzv. ostrovní systém). Propojení s veřejnou distribuční sítí by vám jednak mělo zajistit státní dotaci instalovaného systému, jednak podstatnou provozní výhodu: Kdykoli vaše instalace vyrábí přebytek energie, dodává jej do sítě. V době nedostatku vlastního výkonu může připojený solární systém naopak odebírat energii z rozvodné sítě, takže nemáte nejmenší důvod k obavám, že by váš rodinný dům trpěl energetickou nouzí.

Opakem této provozní jistoty je ostrovní fotovoltaický systém: Představuje ideální řešení tam, kde nemáte možnost levného připojení k rozvodné elektrické síti. Typickými příklady jsou chatové oblasti, obytné automobily nebo lodě. Součást ostrovních systémů tvoří bateriové úložiště, které uchovává vyrobenou energii „na horší časy“. V době, kdy není dostupné dostatečné množství slunečního záření, jednoduše využijete energii nashromážděnou v baterii.

Ukládání přebytků z fotovoltaiky

V letních měsících bývá energie ze slunce zpravidla přebytek, často skutečně výrazný. Kam lze letní přebytky energie uložit? Buď do reálné bateriové stanice (příkladem budiž modulární systémy od české společnosti AERS), nebo formou tzv. virtuální baterie (k akumulaci energie zde slouží samotná distribuční síť). Pořízení fyzického úložiště sice znamená vstupní investici v řádu statisíců, ale s možností dotace z Nové zelené úsporám. Samotný provoz baterie je již zcela bez poplatků, nabízí vám vysokou míru svobody a díky inteligentnímu systému řízení také možnost výhodného obchodování s energií na spotovém trhu. Úspora může být skutečně značná, ale vstupní investici se nevyhnete.

Virtuální baterie představuje jistotu bez rizika: Můžete ji uvést do provozu rychle a bez vysokých vstupních investic, jen za minimální měsíční poplatek pro distributora. Není třeba nic zapojovat ani instalovat. Přehled o výrobě a množství své uskladněné elektřiny najdete kdykoli v aplikaci na webu. Obě varianty akumulace energie můžete klidně kombinovat. Inteligentní ani virtuální baterie ovšem není využitelná pro ostrovní systém.

Hybridní systém

Při pořizování fotovoltaického systému se však naštěstí nemusíte rozhodovat buď, anebo. Elektrárnu na vlastní střeše totiž klidně můžete instalovat jako hybridní. Zjednodušeně řečeno jde o solární elektrárnu s akumulací energie, která je zálohována veřejnou sítí. Součástí takové elektrárny je vždy baterie, která sice instalaci poměrně citelně prodraží, ale nezbaví vás možnosti dotace od státu. Hybridní systém vám nabídne vysokou míru nezávislosti, protože umožňuje okamžitý přechod na ostrovní provoz v případě výpadku vnější distribuční sítě. Zároveň však nabízí takřka stoprocentní využití vyrobené energie a relativně rychlou návratnost finančních prostředků vložených do fotovoltaické instalace. Jedná se tedy o kompromisní řešení, které vám poskytne soběstačnost, ale nezbaví vás pocitu jistoty.

Jak vybrat správné panely?

Fotovoltaické panely se skládají z křemíkových článků, které lze rozdělit na tři základní typy. Ty se liší nejen vzhledem a barvou, ale především svými vlastnostmi, výkonem i schopností proměňovat energii z rozptýleného světla. Nejčastější využití nacházejí v našich podmínkách monokrystalické a polykrystalické panely, jež za rok vyrobí srovnatelné množství elektrické energie.

Pokud máte k dispozici ideální sklon střechy a orientaci ke slunci, využijete naplno účinnost monokrystalických článků (působí jednolitým dojmem a jsou téměř černé). Jejich účinnost je objektivně nejvyšší – pohybuje se v rozmezí 14–22 %. Jestliže však ideální polohu střechy nemáte, musíte zvažovat: V případě mírné odchylky od ideálu (světlo přichází z boku a je více rozptýlené) využijete solární soustavu s polykrystalickými články (jejich vzhled připomíná tmavě modrou oblohu s nepravidelnými obrazci). Ty mají sice o několik procent nižší účinnost (12–17 %), ale vše doženou rovnoměrnějším výkonem.

Když má orientace vaší střechy k ideálu daleko, přichází na řadu instalace s amorfními čili tenkostěnnými panely. Ty mají nízkou hmotnost a elegantní vzhled, ovšem jen poloviční účinnost ve srovnání s monokrystalickými panely (7–10 %). Při nevhodné orientaci proto potřebujete velkou plochu, která vyváží minusy polohy. Na druhou stranu jsou amorfní panely velmi citlivé i na rozptýlené sluneční záření a netrpí tolik na letní přehřívání, takže za extrémního vedra dosáhnou lepší výtěžnosti než panely krystalické.

Text: Vít Straňák
Foto: se svolením firem Daikin, Panasonic, Acond, Power klima, Schlieger, Sunny power, VTS-Therm

Datum vydání: 30. 1. 2024

Edit: Andrea Moudrá