Dynamika vytápěcího systému s tepelným čerpadlem jako zdrojem tepla (II)

Bivalentní provoz tepelného čerpadla s topnou patronou

Připnutí topné patrony jako bivalentního zdroje k tepelnému čerpadlu je vhodné zejména v zimním období při poklesu venkovní teploty pod 0 °C, která se projeví obvykle zvýšením tepelné ztráty ve vytápěném prostoru v závislosti také na akumulační schopnosti vytápěného objektu. Protože je v tomto experimentu zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo zemní vrt, zůstává výkon tepelného čerpadlo téměř stále konstantní bez ohledu na změny počasí včetně většího poklesu venkovní teploty ve vytápěcí sezóně. Stejně tak se nemění hodnota topného faktoru.

Testovací místnost se vyznačuje převážně středně těžkou stavební konstrukcí stěn (příčky a strop jsou středně těžké, nosná stěna a podlaha jsou těžké, stěna s prosklenou plochou je převážně lehká). Prostory v laboratořích obklopující testovací místnost včetně místnosti nad ní mají z části prosklené stropy. Díky této stropní konstrukci bylo pro zajištění tepelné pohody v testovací místnosti, ale i v celých laboratorních prostorách nutno v zimním období zejména v nejchladnějších měsících prosinci a lednu provozovat vytápěcí systém s tepelným čerpadlem bivalentně, protože se zde velmi rychle projevoval pokles venkovní teploty zvýšením tepelné ztráty těchto prostor. V testovací místnosti byl též patrný vliv vyšší tepelné ztráty vytvořené přívodem venkovního vzduchu. Topná patrona byla zapnuta cca na 50 % výkonu z celkové původně navržené tepelné ztráty těchto prostor, která je 6,6 kW. Příkon topné patrony činil 3 kW.

Připnutím topné patrony k tepelnému čerpadlu se dosáhlo téměř vyrovnaných dob provozu a stání tepelného čerpadla, než tomu bylo v případě běžného provozu tepelného čerpadla měřeného pro 2. provozní stav. Tato situace je zobrazena v tab. 1.

Typ měření	Doba provozu tepelného čerpadla [min]	Přestávka v chodu tepelného čerpadla [min]	Doba provozu tepelného čerpadla [h/den]	Přestávka v chodu tepelného čerpadla [h/den]	Spotřeba elektrické energie [kWh/den]
Běžný provoz tepelného čerpadla, 2. provozní stav	150	35	19	5	81
Běžný provoz tepelného čerpadla s topnou patronou, 2. provozní stav	45-50	40-45	13,75	10,75	54

Tab. 1 Naměřené doby provozu a stání tepelného čerpadla pro různé provozy během 1 dne provedená pro
přibližně stejné klimatické podmínky v rozmezí jednoho týdne

Z tab. 1 je dále patrné, že připnutím topné patrony k tepelnému čerpadlu se snížila spotřeba elektrické energie pro příkon tepelného čerpadla téměř o jednu třetinu. Je třeba si ale uvědomit, že naproti tomu vzrostla spotřeba elektrické energie pro příkon topné patrony. Vzhledem k tomu, že přestávka v chodu tepelného čerpadla je větší než 2x2 h/den je nutno poznamenat, že toto tepelné čerpadlo není řízeno signálem HDO.

Připnutí topné patrony k tepelnému čerpadlu během jeho běžného provozu se projevilo především okamžitým zvýšením teplot teplonosné látky na vstupu i výstupu do otopné soustavy jak ukazuje obr. 3. Průtok otopným tělesem se změnil (zvýšil) pouze nepatrně. Zvýšil se především rozdíl teplonosných látek mezi vstupem a výstupem do otopného tělesa, který se projevil zvýšením výkonu otopného tělesa, který je zobrazen na obr. 4. Po vypnutí topné patrony se hodnoty teplonosné látky v systému opět vrátily na původní hodnotu.

Časová změna výkonu otopného tělesa

Pro posouzení proměřeného dynamického chování otopného tělesa byla zvolena časová změna výkonu otopného tělesa označená jako hodnota N₉₀. N₉₀ je časová hodnota, při které otopné těleso v testovací místnosti dosáhlo 90 % hodnoty svého jmenovitého výkonu. Tato hodnota byla naměřena na deskovém otopném tělese v testovací místnosti. Pro naměření této hodnoty byly zachovány vždy stejné vstupní podmínky na celém zařízení. Teplota teplonosné látky v akumulátoru byla vychlazena jeho vybitím při vypnutém chodu tepelného čerpadla na teplotu teplonosné látky rovné teplotě obklopujícího vzduchu. V otopné soustavě byl vždy nastaven stejný průtok, jehož hodnota závisela na typu provozního stavu.

Desková otopná tělesa se obecně vyznačují nejmenším vodním obsahem v systému a dosahují tedy po uvedení zdroje tepla do provozu velmi rychle požadované tepelné pohody ve vytápěném prostoru, avšak po vypnutí zdroje tepla klesá teplota vzduchu ve vytápěném prostoru také velmi rychle.

Typ zátopu otopného tělesa	2. provozní stav	1. provozní stav
Měření zátopu otopného tělesa po spuštění pouze tepelného čerpadla - měřen 1. typ skokové změny	N90 = 105 min	N90 = 55 min
Měření zátopu otopného tělesa využitím naakumulovaného tepelného obsahu vyrovnávacího akumulátoru - měřen 2. typ skokové změny	N90 = 37 min	N90 = 17 min
Měření zátopu otopného tělesa po současném spuštění tepelného čerpadla a topné patrony - měřen 1. typ skokové změny	N90 = 20 min	N90 = 10 min

Tab. 2 Naměřené časové změny výkonu otopného tělesa za různých provozních stavů a dynamických situací.

V tab. 2 jsou uvedeny hodnoty N₉₀ pro oba provozní stavy i různé dynamické změny. Časová změna výkonu se zde mění především v závislosti na odběru tepla otopnou soustavou. Rozdíl mezi 1. a 2. provozním stavem je téměř dvojnásobný.

Náběh otopného tělesa je ovlivněn především způsobem dodání tepla ze zdroje tepla do soustavy. Nejrychleji dosáhlo otopné těleso svého 90 % jmenovitého výkonu při současném spuštění tepelného čerpadla s topnou patronou, neboť zde ohřívala topná patrona teplonosnou látku vstupující rovnou do otopné soustavy. Na obr. 5 je ukázán zátop otopného tělesa při současném spuštění těchto obou zdrojů tepla pro 1. provozní stav. O něco pomaleji, téměř za dvakrát tak déle, bylo dosaženo této hodnoty při okamžitém odběru tepla z plně nabitého akumulátoru po vypnutí tepelného čerpadla a uvolnění oběhového čerpadla. Tato změna je zobrazena na obr. 6, kde je naměřena skoková změna otopného tělesa 2. typu pro 2. provozní stav. Zhruba pětkrát tak déle než v případě současného spuštění obou zdrojů tepla trvalo, než bylo dosaženo hodnoty N₉₀ při pouhém spuštění tepelného čerpadla, protože to dodává nejprve teplo do akumulátoru a teprve odtud je teplo dodáno do otopné soustavy. Tento průběh ukazuje obr. 7, který byl naměřen za 1. provozního stavu.

Topný faktor tepelného čerpadla

Na obr. 8 je zobrazen průběh topného faktoru při nabíjení akumulátoru při nulovém odběru tepla otopnou soustavou (je vypnuto oběhové čerpadlo a tepelné čerpadlo dodává teplo pouze do akumulátoru) ze zcela vychladlého stavu celého vytápěcího zařízení s tepelným čerpadlem. Topný faktor lze vyjádřit tímto vzorcem

kde je

Qk [W]	topný výkon tepelného čerpadla,
Pel [W]	elektrický příkon potřebný k provozu tepelného čerpadla

Topný faktor tepelného čerpadla udává, kolikrát větší je získaný výkon proti vynaloženému příkonu. Topný faktor závisí na teplotě zdroje tepla a na teplotě, při které je teplo vyprodukováno a spotřebováno, tj. na teplotě teplonosné látky otopné soustavy. Čím vyšší je teplota zdroje tepla a čím nižší je teplota teplonosné látky otopné soustavy, tím větší je topný faktor, což je pro daný systém efektivnější.

Z obr. 8 lze pozorovat, že na začátku nabíjení z vychladlého stavu má hodnota topného faktoru největší hodnotu, tj. 5,13 a pak postupně klesá během doby nabíjení až na hodnotu 2,3.

Topný faktor tohoto tepelného čerpadla se pro běžný provoz pohybuje zhruba v rozmezí od 2,3 až 3, což znamená, že z 1 kWh elektrické energie se vyrobí 2,3 až 3 kWh tepla.

Vyrovnávací akumulátor

Zařízení s tepelným čerpadlem obsahuje vyrovnávací akumulátor o objemu 500 l. Teplo je ukládáno do akumulátoru během provozu tepelného čerpadla, kdy se akumulátor nabíjí. K vybíjení akumulátoru dochází v době přestávky nebo vypnutí tepelného čerpadla, kdy je pokles teploty ve vytápěném prostoru hrazen z naakumulovaného tepelného obsahu vyrovnávacího akumulátoru. Velikost vyrovnávacího akumulátoru závisí především na tepelných ztrátách vytápěného objektu a jeho stavební konstrukci. Jak ukázaly výsledky měření použití akumulátoru je vhodné zejména pro vytápěcí systém s deskovými otopnými tělesy, které se vyznačují velkou pružností při zátopu a chladnutí. Tepelné čerpadlo pro tento případ nemusí pak tak často spínat a vypínat, protože v přestávce chodu tepelného čerpadla je potřeba tepla ve vytápěném prostoru plně hrazena z akumulátoru.

Ze zcela vystydlého stavu až po své plné nabití při nulovém odběru tepla do soustavy se akumulátor tohoto zařízení nabíjel po dobu 100 min.

Po vypnutí zdroje tepla se spuštěným oběhovým čerpadlem otopné soustavy, které umožnilo dodávat teplo do vytápěného prostoru, byl akumulátor schopen po dobu až 5,5 h dodávat do otopného tělesa v testovací místnosti hodnotu až jeho 50 % jmenovitého výkonu a zajistit zde tak tepelnou pohodu v případě 1. provozního stavu. Vybíjení akumulátoru je zobrazeno na obr. 9. Pro měření při 2. provozním stavu byla tato doba dodávky tepla do testovací místnosti 30 min.

Bez použití vyrovnávacího akumulátoru klesala po vypnutí zdroje tepla velmi rychle teplota teplonosné látky v trubkách systému, a tím i teplota vzduchu ve vytápěném prostoru pro oba provozní stavy. Po 1,5 h od vypnutí tepelného čerpadla se již teplota teplonosné látky v trubkách systému vyrovnávala hodnotě teploty vzduchu v místnosti, jak je znázorněno na obr. 10.

Závěr

Při měření dynamiky otopného tělesa v testovací místnosti, kdy byla v provozu celá otopná soustava - 2. provozní stav, reagovalo toto otopné těleso na různé změny podstatně pomaleji než v případě provozu jenom tohoto jediného tělesa - 1. provozní stav. Časová změna výkonu otopného tělesa v případě provozu jednoho otopného tělesa byla 2x rychlejší než pro druhý provozní stav pro oba typy skokové změny: jak pro náběh vychladlého otopného tělesa po spuštění tepelného čerpadla, tak i pro případ náhlého odběru tepla do vychladlé otopné soustavy spuštěním oběhového čerpadla po nabití akumulátoru. V případě současného uvedení tepelného čerpadla a topné patrony do chodu byl náběh otopného tělesa z vychladlého stavu v případě provozu jednoho otopného tělesa také 2x rychlejší než pro provoz celé soustavy. Nejrychleji bylo dosaženo jmenovitého výkonu otopného tělesa při bivaletním provozu tepelného čerpadla s topnou patronou. O něco pomaleji reagovalo otopné těleso při využití tepelného obsahu nabitého vyrovnávacího akumulátoru - skokové změně 2. typu. Nejpomalejší byl klasický náběh otopného tělesa při spuštění pouze tepelného čerpadla.

V případě vypnutí zdroje tepla bez použití tepelného obsahu vyrovnávacího akumulátoru, klesaly velmi rychle hodnoty teploty teplonosné látky v trubkách sytému pro oba provozní stavy, a tím byl dán velmi rychlý pokles teploty vzduchu ve vytápěném prostoru. Při využití naakumulovaného tepla z akumulátoru bylo deskové otopné těleso schopno do vytápěného prostoru ještě po dobu zhruba 5,5 h dodávat hodnotu svého až 50% výkonu při provozu jednoho otopného tělesa. Pro provoz celé soustavy - 2. provozní stav byla tato doba podstatně kratší.

Změny venkovních klimatických podmínek nemají na hodnotu topného výkonu tepelného čerpadla do otopné soustavy téměř žádný vliv, protože je zde zdrojem tepla zemní vrt, jehož teplota je po celé otopné období téměř konstantní a stejně tak se nemění hodnota topného faktoru. Pokles venkovní teploty v zimním období se projevuje především větší tepelnou ztrátou vytápěných místností a je vhodné pro vytápění využít bivalentního provozu tepelného čerpadla s topnou patronou. Tento provoz snížil spotřebu elektrické energie pro příkon tepelného čerpadla téměř o 1/3 a přitom zaručil dosažení požadovaného jmenovitého výkonu otopného tělesa pro vytápění při provozu celé otopné soustavy. Při bivalentním provozu bylo dosaženo vyrovnanějších dob chodů a stání tepelného čerpadla, čímž je dosaženo rovnoměrnější dodávky tepla do vytápěného prostoru, kde pak dochází k menším a méně častým teplotním změnám.

Použití vyrovnávacího akumulátoru, jak ukazují výsledky měření, je pro vytápěcí systém s deskovými otopnými tělesy výhodné, protože nemusí tepelné čerpadlo tak často spínat a vypínat. V době, kdy tepelné čerpadlo není v chodu, je hrazen pokles teploty ve vytápěném prostoru naakumulovaným tepelným obsahem vyrovnávacího akumulátoru. V akumulátoru se jeho tepelný obsah akumuluje při chodu tepelného čerpadla tak, že je do něj ukládáno přebytečné teplo, které nespotřebuje otopná soustava. Ze zcela vychladlého stavu až po své plné nabití při nulovém odběru otopnou soustavou se vyrovnávací akumulátor v tomto systému nabíjel 100 min.

Seznam použité literatury

[1] Bašta, J.: Otopné plochy. 1. vydání. Skripta ČVUT, Praha 2001. 328 s.
[2] Brož, K.: Vytápění. Dotisk. Skripta ČVUT, Praha 1998. 205s.
[3] Nesvadbová, S.: Studie dynamiky systému tepelné čerpadlo-otopná soustava. Diplomová práce. ČVUT, Praha 2003. 100 s.
[4] Brož, K.: Zásobování teplem. Dotisk. Skripta ČVUT, Praha 1998. 218 s.
[5] Brož, K., Šourek, B.:Alternativní zdroje energie. 1. vydání Skripta ČVUT, Praha 2003. 213 s.
[6] Nový, R a kolektiv: Technika prostředí. 1. vydání. Skripta ČVUT, Praha 2000. 256 s.
[7] Mrázek, K., Šustr, K. a Janouš, A.: Moderní vytápění bytů a rodinných domků. 2. vydání. SNTL, Praha 1989. 333s.
[8] Klazar, L.: Tepelná čerpadla a vytápění - úvaha 4. Zpravodaj svazu CHKT, 2001, č. 8, s. 42 - 55.
[9] Klazar, L.: Tepelná čerpadla a vytápění - úvaha 10. Zpravodaj svazu CHKT, 2002, č. 2, s. 18 - 34.
[10] Stiebel Eltron ČR. Tepelná čerpadla - projektování a instalace. 2001. 88 s.
[11] AEG ČR. Tepelná čerpadla pro vytápění a ohřev vody. 2001. 23.s.
[12] Termo Komfort ČR. Projekční podklady pro tepelná čerpadla. 12 s.
[13] Kalema, T., Haapala, T.: Effect of interior heat transfer coefficient on thermal dynamics and energy consumption. Energy and building 22 (1995), s. 101 - 113.
[14] Madsen, H., Holst, J.: Estimation of continuous-time models for the heat dynamics of a building. Energy and building 22 (1995), s. 67-79.
[15] Andersen, K. K., Madsen, H., Hansen, H. L.: Modelling the heat dynamics of a building using stochastic differential equations. Energy and building 31 (2000), s. 13-24.
[16] Lund, J. W.: Geothermal heat pump utilization in the United states. Geo-heat Center 1983. s. 1-7.