Made in Česko - Systém pro ekologickou budoucnost

Přelomový energetický systém s vysokým podílem využití obnovitelných zdrojů energie má výrazně snížit spotřebu elektřiny. Ambicí jeho tvůrců je téměř nulová spotřeba energie. Systém kombinuje tepelné čerpadlo s fotovoltaickým systémem a sezonním akumulátorem umístěným mezi základy rodinného domu. Tepelné čerpadlo je napojeno na kombinovaný zásobník tepla pro vytápění a přípravu teplé vody a zároveň na zemní zásobník tepla v podloží domu prostřednictvím výměníku z plastových trubek. V případě dostatečné produkce elektrické energie fotovoltaickým systémem mu tepelné čerpadlo přizpůsobuje svůj elektrický příkon. Podle potřeby odebírá teplo z okolního prostředí chladičem venkovního vzduchu a ohřívá kombinovaný vodní zásobník tepla nebo přebytečné teplo ukládá do zemního zásobníku, a to bez použití elektřiny ze sítě.

„Po roce 2014, kdy byly v České republice zrušeny motivační výkupní ceny pro elektrickou energii z fotovoltaických systémů, jsme se společností Regulus řešili, kudy dál v oblasti využití fotovoltaických systémů v budovách,“ vzpomíná šéf týmu tvůrců, Tomáš Matuška z Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze. „Fotovoltaický systém v běžném domě pokryje maximálně zhruba 20–30 % spotřeby elektřiny pro spotřebiče a zbytek je nutné v současné době umořit jako teplo, například pro přípravu teplé vody v letním období. Přeměnu elektrické energie pouze na teplo v poměru 1 : 1 však považujeme za její nehospodárné využití, a proto jsme se začali více zajímat o pokročilé možnosti kombinace s tepelným čerpadlem.“

Shodou okolností se v té době také začínalo diskutovat o domech s téměř nulovou spotřebou energie, přičemž trendem v západních zemích je dostat se za hranice možností pasivních domů. I v zahraničních metodikách hodnocení se však jedná o fiktivní roční bilanci, kdy vysoká zimní spotřeba budovy je „výpočtově“ kompenzována letní produkcí elektřiny z fotovoltaických systémů.

„My jsme si řekli, že využitím letních přebytků elektrické energie a jejich zhodnocením na teplo tepelným čerpadlem, uložením v podzákladí domu a využitím pro významné snížení odběru elektrické energie z rozvodné sítě v zimě pro vytápění, bychom mohli dosáhnout ambiciózních čísel i bez té výpočtové fikce, ale reálnou spotřebou,“ vysvětluje Tomáš Matuška.

V Rakousku, Německu a Švýcarsku měl se svými kolegy již dříve možnost vidět koncepty domů se sezonní akumulací tepla ze solárních tepelných kolektorů s využitím vodních zásobníků. To je inspirovalo ke snaze jít ještě dál.

Věděli také, že sezonní akumulace do vody je velmi drahá, i když akumulační objemy s ní vycházejí mnohem lépe než se zemním masivem. Ten se dnes využívá pro sezonní akumulaci také, ale především ve formě pole zemních sond u administrativních budov, které v létě tepelnými čerpadly ukládají teplo z chlazení do podloží a v zimě ho zase čerpají.

„Naším cílem se stal energetický systém, který by umožnil dosáhnout na ambiciózní parametry energetické náročnosti budov s téměř nulovou spotřebou energie reálným měřením, a nikoli fiktivní výpočtovou bilancí,“ objasňuje Tomáš Matuška a dodává: „Uživatel domu s téměř nulovou spotřebou, nebo i dnes občas deklarovanou nulovou či zápornou spotřebou energie (plusové domy), totiž může být nepříjemně překvapen, že musí za zimní spotřebu platit a za letní produkci elektřiny do sítě skoro nic nedostane.“

Systém vytvořený výzkumníky z ČVUT a firmou Regulus kombinuje hybridní tepelné čerpadlo, které může odnímat teplo jak z venkovního vzduchu, tak ze zemního masivu, s fotovoltaickým systémem a zemním akumulátorem tepla. Pro zemní akumulátor tepla je využit zemní masiv ohraničený základy domu, které jsou dnes již běžně tepelně izolovány. Tak vzniká akumulační objem z boku a shora odizolovaný, kde v horní části je položen výměník z plastových trubek, který slouží pro nabíjení a vybíjení akumulačního objemu.

V letním období, když je k dispozici fotovoltaická elektřina, tepelné čerpadlo odnímá teplo z venkovního vzduchu a přečerpává je buď pro ohřev vody ke sprchování, pokud je potřeba, nebo do zemního akumulátoru tepla. Přitom tepelné čerpadlo přizpůsobuje svůj příkon přesně elektrickému výkonu FV systému, aby v případě nabíjení akumulátoru teplem neodebíralo elektřinu z rozvodné sítě. V zimním období je objekt buď přímo vytápěn ze zemního zásobníku, nebo tepelné čerpadlo s vysokou účinností přečerpává teplo ze zemního akumulátoru do přípravy teplé vody a pro účely vytápění.

„Oproti dosud běžně užívané metodě je novinkou především tepelné čerpadlo, které umožňuje využívat jak venkovní vzduch, tak zemní masiv, a přitom přizpůsobovat otáčky kompresoru výkonu fotovoltaického systému,“ říká Tomáš Matuška. „Zároveň má tepelné čerpadlo ještě navíc chladič přehřátých par, který umožňuje využít efektivně vysokou teplotu chladiva na výstupu kompresoru pro ohřev vody i při nízkoteplotním nabíjení zemního akumulátoru, a to s vysokou účinností. Ověřili jsme si zároveň, že lze velice levně vybudovat sezonní akumulaci v rámci výstavby rodinného domu.“

Během tří let výzkumu a vývoje se tvůrci projektu dost dlouho zabývali vývojem hlavní komponenty – tepelného čerpadla. Skládali je v podstatě od nuly, s využitím komponent dostupných na trhu. Současně byl v rámci projektu navržen nový vodní zásobník s dělicí přepážkou, optimalizovaný pro kombinovanou přípravu teplé vody a vytápění s tepelným čerpadlem, který lze využít i pro jiné systémy.

Oříškem však bylo sehnat budoucího majitele rodinného domu – investora, který stojí těsně před započetím výstavby a má v plánu použít tepelné čerpadlo a fotovoltaiku. To bylo velmi důležité jak pro vlastní realizaci, tak pro monitoring systému již během běžícího tříletého projektu.

„Musel to být trochu blázen, aby si pustil výzkumníky s netradičním, neozkoušeným systémem do svého domu a byl ochotný k experimentům,“ vzpomíná Matuška. „Nakonec se povedlo jej najít – naším pokusným králíkem se stal zaměstnanec firmy Regulus, Martin Věžník, který právě plánoval stavbu svého vlastního domu v Hamrech u Hlinska.“

Současně s hledáním majitele domu po celý rok probíhaly simulační analýzy, ve kterých bylo nutno prověřit všechny krizové scénáře „co se stane, když…“ Nakonec vše vyšlo, jak mělo. Jediným problematickým obdobím nakonec byla první zima. Vlivem pozdní dodávky a spuštění fotovoltaického systému až v říjnu neměl zemní akumulátor dostatečnou teplotu. Vzhledem k tomu, že dům stojí na Vysočině a celý systém nepoužívá nemrznoucí směs, ale vodu, občas, když výrazně klesly venkovní teploty, tvůrci napětím nespali. Situaci nakonec zachránila jednak záložní zemní smyčka, kterou si majitel domu prozřetelně nechal v rámci realizace instalovat, a především inteligentní regulátor celého systému, který vyvinul Michal Broum ze společnosti Regulus.

Rodina dům, vybavený pokročilým energetickým systémem, obývá již více než rok.

„Už to není taková divočina jako na začátku,“ konstatuje Martin Věžník. „Systém běží, jak má. Máme po první sezoně, v září bylo pod domem až 35 °C, v říjnu jsem topil napřímo ze zásobníku. Teď začíná jaro a brzy začneme zase nabíjet podloží. Klukům dávám pro jistotu vědět, když dělám nějaké změny, případně když se mi zdá, že se něco chová divně. Ale myslím, že provoz jde ještě zlepšit.“

Stávající systém, který je realizován a monitorován, je však zatím tvůrci chápán jako experiment. Jeho úkolem bylo ukázat, že na velice ambiciózní čísla energetické náročnosti budov, doporučované Evropskou komisí pro naši klimatickou oblast, se lze dostat i při reálném hodnocení provozu.

„Je to systém, který byl postaven pro budoucnost, až i v České republice jednou přijmeme požadavky na budovy, které doporučuje Evropská komise,“ zamýšlí se Tomáš Matuška. „Do té doby předpokládáme, že se podaří systém zjednodušit a udělat kompaktnější, aby nezabíral celou strojovnu.“

Podle Matuškových slov však komerční využití projektu není pro nejbližší budoucnost ještě zcela jasné, protože hybridní čerpadla se na trhu teprve začínají objevovat. Navíc potenciální investor není dostatečně motivován, protože česká legislativa ho do takto úsporných budov zatím netlačí.

„Česká legislativa v oblasti budov s téměř nulovou spotřebou energie je jedna z nejměkčích v Evropě,“ říká. „Zatímco Evropská komise ve svém doporučení říká, že v naší klimatické oblasti se budovou s téměř nulovou spotřebou myslí budova, která nebude na neobnovitelnou primární energii náročnější než 30 kWh/m2.rok, legislativní nastavení české ‚téměř nulové budovy’ je na úrovni okolo 160 kWh/m2.rok. Budova s téměř nulovou spotřebou energie v České republice totiž nepotřebuje vůbec žádné obnovitelné zdroje energie, což kupodivu potvrdila i Státní energetická inspekce. ‚Téměř nula’ u nás tedy znamená ‚velice daleko od nuly’.“

„Výborné výsledky projektu a jejich zavedení do stavební praxe přispějí nejen ke snižování energetické náročnosti budov, ale i ke zvyšování kvality života obyvatel a životního prostředí. Česká firma se může navíc s dostatečným předstihem připravit na poptávku budoucího trhu, a případně expandovat na zahraniční trhy s ekonomicky efektivním energetickým systémem,“ říká Petr Konvalinka, předseda Technologické agentury ČR, která vývoj podpořila více než 8,2 miliony korun v rámci programu ALFA.

I přes tuto skutečnost tvůrci věří, že se motivace ke komerčnímu využití svého projektu nakonec dočkají. Dokladem této naděje byla i spolupráce vědců z ČVUT s průmyslovým partnerem společností Regulus.

„Samozřejmě výzkumné priority naše jsou jiné než priority soukromé společnosti,“ vysvětluje Tomáš Matuška. „Průmyslový partner potřebuje systém prodat, nebo alespoň získat nějaké know-how, které ho posune dopředu před konkurenci. Proto kdykoli jsme se dostali na otázky nákladů, vždy jsme se snažili volit levnější řešení. Ale my se společností Regulus spolupracujeme již na druhém výzkumném projektu, tak víme, co si můžeme dovolit.“

Je nutno ještě dodat, že výzkumné práce a vývoj použitých prvků, monitoring a instalace byly financovány z projektu TA ČR. Vlastní realizace domu byla v režii investora a mnoho finančních prostředků do projektu vložila společnost Regulus jako průmyslový partner. A vlastní finanční prostředky do projektu nakonec vložilo i Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT. Věřme tedy spolu s tvůrci, že i zákonodárci časem přispějí k rozšíření tohoto revolučního projektu mezi veřejnost.

Hana Janišová

Tomas.Matuska@fs.cvut.cz