Jak ušetřit plyn s hybridním způsobem vytápění průmyslových hal

V současné době se velmi skloňuje otázka, jak to bude se zemním plynem a jak zajistit vytápění z jiných zdrojů či jinými palivy. Uživatelé při těchto úvahách zvažují i krajní řešení. 

Propan je drahý

Jedno z krajních řešení, které se nabízí, je upravit současná topidla, která spalují zemní plyn, na čistý propan. Technicky je toto řešení proveditelné a náklady na přestavbu samotného topidla nejsou vysoké. Problém však vzniká jinde. 

Přestože úprava topidla není finančně náročná, tak náklady na zřízení a provozování propanového hospodářství jsou značné. Je třeba vybudovat nejen dostatečně dimenzované nádrže, ale také zajistit, aby plyn propan měl v každý okamžik stálou teplotu v rozmezí 10-20 °C a současně stálý tlak v plynovém řadu. To se obvykle zajišťuje umístěním nádrží a exteriérových rozvodů pod zem do nezámrzné hloubky. Další možností je předehřev plynu za pomoci odparníku, který následně spotřebovává elektrickou energii. Navíc je žádoucí zaizolovat i plynové rozvody nejen v exteriéru, ale i v interiéru, aby rozdílné teploty, kdy je hala natopená či chladná, neovlivňovaly teplotu plynu. 

Velké výkyvy teplot propanu vyšší než + – 5 °C způsobují, že propan mění výrazně své vlastnosti, čímž ovlivňuje bohatost směsi plyn/vzduch. Změna bohatosti směsi pak může způsobit nevratné poškození výměníků či premixových hořáků, které jsou na výkyvy bohatosti směsi velmi citlivé. Přestože atmosférické hořáky tolik citlivé nejsou, i zde může snadno dojít ke změně bohatosti směsi a topidlo může být velmi rychle zasazeno nebo mít problém se startem.

Ani cena samotného paliva není nikterak výhodná, je vždy vyšší než zemní plyn a obvykle kopíruje růst cen nejen ropy, ale i zemního plynu či elektrické energie. Topení tedy bude z dlouhodobého hlediska dražší a investice do propanového hospodářství se nevrátí. 

Samostatná tepelná čerpadla nejsou řešením

Druhým krajním řešením je záměna topidel na zemní plyn za tepelná čerpadla vzduch-voda nebo vzduch-vzduch. Vzhledem k účinnosti těchto topidel, zejména v přechodových obdobích topné sezony, již lze počítat s návratností investice a následnými úsporami za platby energií. V našich zeměpisných šířkách lze skutečné mrazy očekávat zejména v období ledna a února. V další 1/3 topné sezony se exteriérové teploty pohybují v průměru okolo + 2°C a v poslední třetině topné sezóny okolo + 7 °C. Z tohoto pohledu se přechod na tepelná čerpadla jeví jako výhodný, avšak i to má svá úskalí. Ta jsou spojena zejména s tepelnými čerpadly, která získávají energii ze vzduchu.

 

 

Účinnost těchto tepelných čerpadel, tedy COP, je velmi proměnlivá a závisí na úrovni exteriérové teploty. Platí, že čím je teplota v exteriéru vyšší, účinnost se zvyšuje a čím je teplota nižší, účinnost, tedy množství tepelné energie, se snižuje. Například při teplotě + 10 °C lze očekávat COP 4, což znamená, že z jedné kW elektrické energie lze vyrobit až 4 kW topného výkonu. U teplot kolem 0 °C se COP pohybuje kolem hodnoty 3 a u teplot pod – 10 °C se COP již blíží k hodnotě 2. Z toho vyplývá, že právě v době, kdy potřebujeme topit nejvíce, tepelné čerpadlo dodává jen malé množství tepelné energie.

Další neduh tepelných čerpadel je spojen s jejich starty. Pro kompresor, který zajišťuje změnu skupenství chladiva, je každý start pověstným hřebíkem do rakve. Kompresory mají jen omezený počet startů a jakmile jich dosáhnou, “umřou”. Pro tepelné čerpadlo je tedy nejvýhodnější, aby se ideálně ráno nastartovalo, celý den topilo a odpoledne se vypnulo. Jedině tak může vydržet i desítky let.

Aby se předešlo všem výše uvedeným problémům, bylo by potřeba instalovat takový výkon v tepelných čerpadlech, aby i za tuhých mrazů, kdy budou mít COP okolo 2, pokryly tepelné ztráty budovy. Když opomenu výši takové investice, uživatel nejspíše narazí ještě na jiný problém a tím je dostatečně dimenzovaný přívod a kapacita elektrické energie, kterou mu distributor umožní použít. 

Následně bude nutné zajistit i sofistikovanou centrální regulaci, která bude počítat starty a jednotlivá tepelná čerpadla střídat, aby docházelo k rovnoměrnému opotřebení. Alternativou je instalovat velmi drahá tepelná čerpadla s invertorovým kompresorem, která budou schopná sama regulovat svůj výkon, aby nemusela cyklovat.

Vítězem je kombinace

Zemní plyn ještě velmi dlouho bude. Ať z nalezišť evropských či blízkých Evropě, kam již vedou plynovody, anebo jej lze dovážet ve formě LNG ze zámoří. Jen ho nejspíše nebude tolik, jak jsme byli doposud zvyklí a bude dražší. 

Jako nejbezpečnější a současně nejúspornější řešení se nabízí kombinace plynového vytápění za pomocí ohřívačů vzduchu či infrazářičů a relativně malého výkonu v tepelných čerpadlech, tedy hybridní způsob vytápění.

 

*Schéma instalace hybridního systému vytápění

Udělali jsme testování, ve kterém jsme v pondělí po víkendovém útlumu natopili halu čtyřmi ohřívači ALFA2 o celkovém výkonu 100 kW na teplotu 19 °C. Následně jsme ponechali každý den nepřetržitě po dobu 24 hodin zapnutý jeden ohřívač vzduchu o výkonu 25 kW, a to až do pátku 14:00. Po celý tento čas byl schopen tento jediný ohřívač vzduchu udržovat teplotu na úrovni 19°C a vyšší v souvislosti se stoupající teplotou v exteriéru. Nesměl se však vypnout, jinak by teplota poklesla a on by již sám nebyl schopen teplotu zvednout.

 

*Graf teplot získaný z dat z centrální regulace iLersen.NET

Pojďme se podívat, jak vypadá průběh vytápění v běžné dobře izolované hale s jednosměnným provozem. Popíšu situaci z našeho výrobního závodu Lersen v Hrádku nad Nisou v Libereckém kraji v hale Montáž.

Pracovní směna zde začíná v 6:00 a končí ve 14:00. V tomto období topíme na 19 °C. V období útlumu od 13:00 do 5:00 a o víkendu udržujeme teplotu na 15 °C. V hale Montáž zapínáme topení plynovými ohřívači vzduchu ALFA2 v 5:00. Tato topidla obvykle nejdéle do jedné hodiny (většinou dříve) natopí halu na 19 °C. Následně stačí tuto teplotu po celou dobu směny udržovat podstatně nižším výkonem.

 

 

Dne 13. ledna 2022 byla průměrná exteriérová teplota 2,5 °C. V hale Montáž jsme tento den topili celkem 3:22 hodiny. Na start, tedy na zvýšení teploty z 16 °C na 19 °C, jsme potřebovali topit 58 minut výkonem 100 kW, což odpovídá 97 kWh. Pro udržení teploty jsme topili výkonem 100 kW po dobu 2:24 hodiny, což odpovídá 240 kWh.

 

*Graf čas topení dne 13.1.2022. Zdroj iLersen.NET

*Graf teplot ze dne 13.1.2022. Zdroj iLersen.NET

Nyní si představme, že místo čtyř ohřívačů vzduchu o výkonu 25 kW nainstalujeme pouze tři a přidáme jedno tepelné čerpadlo o maximálním výkonu 30 kW. Jak bude tento systém pracovat? 

Po víkendovém či nočním útlumu v 5:00 začne celý hybridní systém topit, a to jak plynová topidla, tak tepelné čerpadlo současně. Jakmile bude ukončena fáze start tím, že bude dosažena teplota 19 °C, plynová topidla se vypnou a vytápění, respektive udržování teploty převezme pouze tepelné čerpadlo. To bude po celou směnu udržovat teplotu na úrovni 19 °C. Vzhledem k relativně nízkému výkonu bude nuceno pracovat po celý čas a necyklovat, což je pro kompresor žádoucí.

Jaký by mohl být ekonomický výsledek tohoto dne, kdybychom použili hybridní způsob vytápění? Na start bychom v tento den spotřebovali pouze 1/3 plynu. Ve zbylém čase bychom udržovali teplotu za pomocí tepelného čerpadla. Při COP 3 bychom za elektřinu zaplatili přibližně 1/2* toho, co bychom jinak vydali za topení plynem (pozn. *uvažováno v cenách energií topné sezony 21/22).

Model hybridního systému vytápění


Pohled na jeden den samozřejmě nenabídne celistvý obrázek. Existují dny, kdy bude teplota v exteriéru relativně vysoká a potřeba topit bude nízká a naopak dny, kdy bude potřeba topit mnohem více, než na co by stačilo jediné tepelné čerpadlo a plynová topidla budou více vypomáhat.

Lersen vyvinul a provozuje systém bezdrátové centrální regulace iLersen.NET, který umožňuje uživatelům vyexportovat a následně zpracovat statistiky průběhu vytápění v jednotlivých dnech a měsících topné sezony. Využili jsme tato data, abychom na konkrétním příkladu topné sezony 21/22 modelovali, jak by mohl vypadat hybridní systém vytápění ve výrobním závodě Lersen v Hrádku nad Nisou v hale Montáž za celou topnou sezonu.

 

*Model hala Montáž v hybridním režimu

Graf nám ukazuje, že z celkových 102 pracovních dnů topné sezony by se ve 48 dnech nemuselo plynové topení zapínat vůbec. Tepelné čerpadlo s průměrným topným výkonem 25 kW by v tomto přechodovém období samo pokrylo celodenní tepelné ztráty budovy díky relativně vysokým teplotám v exteriéru.

Dále zde máme zbylých 54 dnů, kdy by výkon tepelného čerpadla nestačil a bylo by třeba přitápět zemním plynem. Tyto dny si ještě musíme rozdělit do dvou podskupin. 

V první podskupině jsou dny, kdy byla exteriérová teplota střední. V těchto dnech by stačilo plynové topení zapnout pouze na start, aby se teplota v hale po víkendovém či nočním útlumu dostala rychle na komfortní teplotu a pak už by plynové topení zůstalo vypnuté. Takovýchto dnů bylo celkem 22.

V druhé poslední podskupině nám zbývá 32 pracovních dnů, kdy by bylo nutné tepelnému čerpadlu pomoci nejen při startu, ale i v průběhu dne, protože tepelné ztráty výrazně stoupaly kvůli klesající teplotě v exteriéru.

Spotřeba plynu klesne o 2/3

Nyní se podívejme na ekonomický efekt hybridního systému vytápění a již optikou celé topné sezony 21/22. K čemu by došlo? 

Pro vytopení haly Lersen Montáž na komfortní teplotu 19 °C v pracovní dny by bylo třeba dodat celkem 24,8 MWh tepelné energie. Za normálních okolností by tato energie byla získána pouze spalováním zemního plynu v plynových teplovzdušných ohřívačích ALFA2. Ovšem v hybridním systému vytápění by nám stačilo spálit pouze 7,5 MWh plynu na start a přitopení v mrazivých dnech, což nás přivádí k výrazné úspoře spotřeby plynu ve výši 70 %. 

Zbylých 17,3 MWh tepelné energie bychom v tomto modelu dodali za pomocí elektrické energie. Díky tepelnému čerpadlu však nemusíme spotřebovat celých 17,3 MWh, abychom dosáhli komfortní teploty. Postačí pouze 6,1 MWh elektrické energie, což odpovídá příkonu kompresoru. Dostaneme se tak na úroveň pouhých 35 % původní spotřeby tepelné energie.

 

 

Tepelná čerpadla se bez topení plynem nevyplatí

Může také vyvstat otázka, jestli by se nevyplatilo pořídit 2 tepelná čerpadla. Jedním teplotu v hale udržovat na 19 °C, tedy topit nepřetržitě 24 hodin, a druhé použít jako posilující při nízkých teplotách. Tato úvaha jakkoli může vypadat racionálně, má negativní ekonomické důsledky.

Nejvíce totiž neušetříme, když topíme tepelným čerpadlem. Nejvíce ušetříme, když je topení úplně vypnuté. Při jednosměnném provozu můžeme topení vypnout až na 16 hodin denně, při kterých nic neplatíme, ale klesá nám teplota v hale, kterou budeme muset při příštím startu systému opět zvýšit. 

Budeme-li topit tepelným čerpadlem o příkonu kompresoru 10 kW nepřetržitě 16 hodin, spotřebujeme 160 kWh relativně drahé elektrické energie v pracovní dny a 480 kWh o víkendu. Oproti tomu na start použijeme pouze 100 kWh v zemním plynu a jen v pracovní dny. Cena za 1 MWh zemního plynu je v porovnání s elektrickou energií stále nižší a nejspíše to tak i zůstane. Velmi zhruba lze říci, že vypnuté topení a následný start za pomocí plynových topidel nás bude stát méně než polovinu* toho, co bychom jinak zaplatili za elektrickou energii, kdybychom topili nepřetržitě (pozn.*uvažováno v cenách energií topné sezony 21/22).

Náš model popisuje, jak bude hybridní systém fungovat v jednosměnném provozu, ale jak bude tento systém fungovat v případě dvou a třísměnného provozu? Nevyplatí se v těchto provozech přejít plně na tepelná čerpadla? Jednoduchá odpověď zní – nevyplatí. Proč?

V případě dvou a třísměnných provozů se snižuje, anebo úplně odpadá potřeba fáze startu po nočním útlumu. Nezbavíme se však potřeby výpomoci po víkendovém útlumu a v případě nízkých exteriérových teplot, kdy se razantně snižuje účinnost tepelných čerpadel vzduch-vzduch (voda) až na úroveň COP 2.

Tepelná čerpadla se nejvíce vyplatí v přechodových obdobích při teplotách nad nulou, kdy lze očekávat COP>3. Kvůli teplotám pod bodem mrazu by bylo nutné instalovat velké množství tepelných čerpadel, což by výrazně zvýšilo jak investiční náročnost, tak nároky na dostatečně dimenzované připojení a rozvody elektrické energie.

 

 

Hybridní způsob vytápění je ekonomicky nejvýhodnější

V případě, že budete uvažovat o pořízení hybridního systému vytápění do nové haly, je dobré provést dva výpočty tepelných ztrát. První výpočet například pro teplotu exteriéru + 2 °C, kdy mají tepelná čerpadla slušnou účinnost a druhý pro nejnižší exteriérovou teplotu, která odpovídá umístění haly podle normy, např. – 15 °C.

Tepelné ztráty dle prvního výpočtu lze plně pokrýt tepelnými čerpadly. Následně systém doplnit plynovými teplovzdušnými ohřívači ALFA nebo infrazářiči COMPACT až do úrovně tepelných ztrát druhého výpočtu. Nezapomeňte však doplnit také ztrátu výkonu tepelného čerpadla, která vzniká při nižší exteriérové teplotě. 

Je-li v hale již plynové topení instalováno a záměrem je stávající systém rozšířit a ušetřit, je možné si buď nechat spočítat tepelné ztráty pro nižší exteriérovou teplotu, anebo výkon tepelných čerpadel odhadnout. Chybu nelze udělat, i kdyby přišly silné mrazy, existuje již nyní dostatečná rezerva výkonu. Tepelná čerpadla lze pořizovat i postupně, v první fázi lze instalovat např. 1/3 současného výkonu a po topné sezoně zhodnotit provoz a úspory.

Pojďme si na závěr shrnout výhody hybridního systému vytápění:

  1. systém umožní radikálně snížit spotřebu plynu, lze očekávat úsporu na úrovni 2/3 oproti současnému stavu*
  2. systém výrazně nezatěžuje ani investičně, v našem modelu jsme použili pouze jedno tepelné čerpadlo odpovídající 1/3 tepelného výkonu
  3. tím, že jsme použili jen jedno tepelné čerpadlo, nemusíme si zajišťovat zvýšení kapacity elektrické energie a lze využít rezervu, kterou již máme

(pozn.*uvažováno v cenách energií topné sezony 21/22)

 

 

Sdílet
Menu