Návrh plochy podpovrchového výměníku pro tepelné čerpadlo

Úvod

Tepelné čerpadlo země-voda odebírající teplo z podpovrchového plošného výměníku vyžaduje jeho správně navrženou plochu, která musí být k dispozici pro zajištění udržitelného provozu. Zemní masív v hloubkách do 2 m se na rozdíl od zemních sond není tolik různorodý jako podloží u zemních sond. Navíc je podpovrchový výměník výrazně více ovlivňován venkovní teplotou a jeho přirozená regenerační schopnost je lepší. I tak je zapotřebí mít k dispozici alespoň rámcové údaje o samotném zemském masívu, parametry uvažovaného tepelného čerpadla a o potřebě tepla budovy, do které tepelné čerpadlo teplo ze země přečerpává. V následujícím textu je zopakován zjednodušený a detailnější výpočtový postup pro stanovení potřebné plochy podpovrchového výměníku, uvedený již v předchozí části.

Zjednodušený výpočet plochy podpovrchového výměníku

Pro návrh plochy výměníku (bez ohledu na jeho konstrukci) je možné použít zjednodušeného postupu uvedeného v normě ČSN EN 15450 [1], který vychází z německé směrnice VDI 4640-2 [2]. Podobně jako u zemních sond postup návrhu je platný pro tepelná čerpadla do výkonu 30 kW. Z topného výkonu Φ_TC a topného faktoru COP použitého tepelného čerpadla při jmenovitých podmínkách B0/W35 (vstup do výparníku 0 °C, výstup z kondenzátoru 35 °C) se stanoví chladicí výkon výparníku

(1)

Norma ČSN EN 15450 v tab. A.2 v příloze uvádí měrné odběrové tepelné toky q_A [W/m²] podpovrchového výměníku pro různé druhy zemního masívu a roční doby provozu tepelného čerpadla, viz tab. 1 [1]. Provozní doba tepelného čerpadla se uvažuje pro režim pouze vytápění 1800 h/rok a pro kombinaci vytápění a přípravy teplé vody 2400 h/rok. Základní hodnotou pro běžné podloží je měrný odběrový tepelný tok 25 W/m². Z tabulky je patrné, že hodnoty se mohou v závislosti na podloží lišit od cca 10 W/m² (suchá podloží) až do 40 W/m² (vodou nasycené podloží). Při prodloužení doby provozu sondy o 600 h/rok se v průměru snižuje odběrový tepelný výkon u všech druhů masívu o cca 20 %.

Potřebná plocha zemního výměníku A [m²] se pak stanoví ze vztahu

(2)

Vypočtená plocha se v případě potřeby rozdělí mezi více okruhů pro snížení tlakových ztrát a výhodně se stejnou délkou potrubí pro snadné hydraulické vyvážení. Rozteč se běžně uvažuje okolo 1 m. Maximální délka jedné smyčky závisí na použitém průměru potrubí. Zároveň norma uvádí, že by mělo být uváženo, zvláště pro delší doby provozu i odebrané teplo na 1 m² plochy výměníku. Množství odebraného tepla by se mělo pohybovat mezi hodnotami 50 a 70 kWh/m² za rok [1].

Kontrola ročního odebraného množství tepla ze zemního výměníku tepelným čerpadlem v závislosti na době provozu tepelného čerpadla během roku je velice důležitá z hlediska udržitelnosti provozu v běžných podmínkách regenerace. Podobně jako u návrhu délky zemní sondy lze navrhnout podrobnější úpravu výše uvedeného výpočtového postupu právě s ohledem na množství tepla odebraného z podloží.

Podrobný výpočtový postup

Obr. 1 – Schéma odběru tepla plošným podpovrchovým výměníkem ze zemního masívu

U podrobného výpočtového postupu jsou vstupní informací pro návrh roční potřeba tepla domu pro vytápění, např. v souladu s ČSN EN ISO 13790 [3] a pro přípravu teplé vody, např. v souladu s ČSN EN 15316-3-1 až 3 [4-6]. Pro stanovení ročního množství tepla odebraného z podpovrchového výměníku, je nutné znát roční provozní topný faktor COP_rok tepelného čerpadla. Ten lze stanovit například jednoduchým odhadem s využitím tab. A.9 až A.11 uvedených v TNI 73 0331 [7], na základě jmenovitého topného faktoru COP_N konkrétního použitého tepelného čerpadla, jmenovité teploty přívodní otopné vody soustavy vytápění a požadované teploty přípravy teplé vody. Jiný složitější postup předpokládá, že projektant už ve fázi projektu provede celoroční bilanci provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle ČSN EN 15316-4-2 [8] nebo podle zjednodušené verze v TNI 73 0351 [9] pro podmínky konkrétní instalace (konkrétní tepelné čerpadlo zapojené do konkrétní tepelné soustavy v konkrétním domě). Výhodou složitějšího postupu je získání informací nejen o ročním topném faktoru tepelného čerpadla COP_rok, ale i informace o skutečně dodané energii tepelným čerpadlem do domu Q_del, celkové spotřebě elektrické energie celého systému E_sys nebo roční provozní době tepelného čerpadla τ_TC.

Z ročního množství tepla dodaného tepelným čerpadlem do budovy Q_del [kWh/rok] a ročního topného faktoru COP_rok samotného tepelného čerpadla v dané aplikaci lze potom stanovit tepelnou energii Q_ex [kWh/rok] odebranou z podpovrchového výměníku výparníkem tepelného čerpadla za rok podle vztahu

(3)

Z energie odebrané výparníkem Q_ex [kWh/rok] a z předpokládané doby provozu tepelného čerpadla τ_TC [h/rok] se stanoví průměrný roční odběrový výkon [kW] jako

(4)

Jak již bylo uvedeno, roční dobu provozu tepelného čerpadla lze stanovit intervalovou metodou nebo lze zjednodušeně použít poměr energie dodané tepelným čerpadlem Q_del [kWh/rok] k jeho jmenovitému výkonu Φ_TC

(5)

Ve většině instalací tepelných čerpadel země-voda je tepelné čerpadlo provozováno jako monovalentní zdroj tepla a energii dodanou tepelným čerpadlem lze proto ve vztahu (3) nahradit potřebou tepla pro vytápění a přípravu teplé vody.

Roční odběrový výkon Φ_ex se potom použije ve vztahu (2) pro výpočet potřebné plochy zemního výměníku.

Závěr

Evropská norma ČSN EN 15450 ukazuje jednoduchý a spolehlivý postup výpočtu plochy podpovrchového zemního výměníku za běžných podmínek návrhu a provozu tepelného čerpadla pro vytápění, případně pro přípravu teplé vody v rodinném domě. V případě nestandardních podmínek lze použít podrobný postup s využitím výsledků z bilancování provozu tepelného čerpadla, který více zohledňuje reálný provoz budovy a reálně odebranou energii ze zemního výměníku.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Odkazy

• [1] ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly
• [2] VDI 4640-2 Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, Technische Regel, 2001.
• [3] ČSN EN ISO 13790 Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ÚNMZ, 2009.
• [4] ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody, ÚNMZ, 2010.
• [5] ČSN EN 15316-3-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-2: Soustavy teplé vody, rozvody, ÚNMZ, 2010.
• [6] ČSN EN 15316-3-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-3: Soustavy teplé vody, příprava, ÚNMZ, 2010.
• [7] TNI 73 0331 Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet, ÚNMZ, 2013.
• [8] ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla, ÚNMZ, 2011.
• [9] TNI 73 0351 – 730351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.