Tepelná čerpadla se systémy plošného vytápění a chlazení
Standardní systémy pro vytápění a chlazení (VRV systémy, vzduchotechnika, fan-coily) jsme porovnali s plošnými systémy jak po stránce provozních charakteristik, tak i samotné efektivity vytápění a chlazení. Účinnost jednotlivých systémů demonstrujeme v podobě topných a chladicích faktorů při kombinaci s tepelným čerpadlem.
V současné moderní architektuře je kladen důraz na čistotu a vzdušnost prostoru. Systémy vytápění jsou využívány v podobě moderních, či retro designových otopných těles, nebo se integrují do konstrukcí v podobě plošných systémů vytápění. Z hlediska komfortu je u moderních budov často kladen požadavek i na chlazení. Nejčastějším řešením v oblasti chlazení bývají VRV chladicí systémy, které nejenom že chladí, ale dokáží i topit. V následujícím článku chceme naznačit trendy v oblasti systémů pro vytápění a chlazení, které překvapí nejen hospodárností provozu, ale i vysokým komfortem.
Návrh systému pro vytápění a chlazení
Při návrhu vytápění a chlazení nelze systém jednoduše rozdělit na plochu předávající teplo a zdroj tepla. Systémy jsou specifické celoročním provozem, v zimní sezóně slouží pro vytápění, v letní sezóně mohou chladit a průběžně jsou schopné zajišťovat přípravu teplé vody. Při návrhu jedné strojovny pro vytápění a chlazení je nutné brát v úvahu a dimenzovat primárně náročnější z variant provozu (topení či chlazení) a druhou variantu přizpůsobit návrhu první.
Z hlediska úspory investičních nákladů zde nepočítáme se samostatným zařízením pro vytápění a samostatným zařízením pro chlazení. Vše je řešeno v jedné strojovně topení i chlazení.
Charakteristiky systémů pro vytápění a chlazení
| VRV systémy | Vzduchotechnika | Fan-coily | Plošné chladicí systémy – mokré systémy | Plošné chladicí systémy - suché systémy | |
|---|---|---|---|---|---|
| Způsob předávání chladu | Podchlazený proud vzduchu, který lze směrově upravovat | Podchlazený proud vzduchu v místech s distribučními elementy | Podchlazený proud vzduchu v místě jednotky | Plošná konstrukce - sálání - velmi pomalý proud vzduchu v celé ploše | |
| T teplonosné plochy při chlazení | T kondenzátoru 6–12 °C | T chladiče 6–12 °C | T chladiče 6–12 °C, T kondenzátoru 6–10 °C | Teplota povrchu konstrukce nesmí klesnout pod teplotu rosného bodu | |
| Kondenzace při chlazení | Kondenzuje, nutný odvod kondenzátu | Nesmí kondenzovat | |||
| Výkon | Zařízení jsou schopna pokrýt tepelnou zátěž i ztrátu | V moderních stavbách jsou schopny pokrýt tepelnou ztrátu, tepelnou zátěž zpravidla částečně * | |||
| Rychlost náběhu, regulační schopnost | Rychlá reakce, dokáže se přizpůsobit aktuální potřebě výkonu | Velmi pomalá reakce ** | Rychlost reakce závisí na krycí vrstvě | ||
| Regulace | Dle prostorové T | Dle venkovní T | Dle prostorové T | Prediktivní regulace | Dle prostorové či venkovní T |
| Rozložení chladu/tepla | Dle rozmístění a nastavení vnitřních jednotek | Dle rozmístění a nastavení distribučních elementů | Dle rozmístění jednotek | Rovnoměrně v celé ploše | |
| Rychlost proudu vzduchu | Dle nastavení na jednotce může být i více než 0,25 m/s | Dle hygienických předpisů – max. 0,25 m/s v pobytové zóně | Dle nastavení otáček ventilátoru | Velmi nízká rychlost konvekčního proudu | |
| T teplonosné látky při chlazení | Chladivo – dle diagramu chladiva | V případě přímého chladiče dle diagramu chladiva, u vodního chladiče 6 °C (může být i vyšší) | Standardně 16–19 °C | Standardně 18–20 °C | |
| Hlučnost | Vnitřní jednotka je osazena ventilátorem, hlukové zatížení je závislé na typu zařízení | Vzduchotechnické rozvody musí splňovat hygienické limity – náročné na útlum hluku | Vnitřní jednotka je osazena ventilátorem, hlukové zatížení je závislé na typu zařízení | Minimální hlučnost, teplosměnná plocha nevytváří žádný hluk | |
Poznámky k tabulce:
T = teplota
*) Chlazení je limitováno teplotou rosného bodu - max. 60 W/m2
**) Výkon je akumulován v konstrukci a až poté sálán do prostoru
Přednosti plošných systémů vytápění/chlazení
Podlahové vytápění/chlazení
Při vytápění je z hlediska jednotlivých otopných ploch optimálního přenosu tepla dosaženo prostřednictvím podlahových systémů, při kterých dochází k ideálnímu teplotnímu rozložení. V oblasti chlazení jsou však podlahové plochy vzhledem k nízkému součiniteli přestupu méně vhodné, mají nižší výkon a chlad se drží u podlahy – není rovnoměrně rozložen po výšce místnosti. Přesto jsou ale podlahové systémy výrazně komfortnější než standardní systémy využívající nucené proudy vzduchu. Díky poloze, v oblasti nejčastěji zatížené sluneční radiací, dochází k přímému odvádění solární tepelné zátěže mimo ochlazovaný prostor a tepelná zátěž tak není akumulována v konstrukci podlahy. Povrchová teplota podlahy stejně jako ostatních plošných systémů neklesá pod 22 °C – pobyt v prostorech s podlahovým chlazením není navzdory všem předpokladům nepříjemný.
Stropní vytápění/chlazení
Nejvhodnějšího teplotní rozložení při chlazení je dosaženo pomocí chladicích stropů, kdy chlad přestupuje do prostoru a rovnoměrně padá dolů. Stropní systémy mají ovšem rezervy z pohledu komfortu vytápění, protože klesá přestupový součinitel. Zrovna tak rozložení teplot v prostorech vytápěných stropy není ideální, jelikož teplý vzduch se hromadí pod stropem a v oblasti hlavy. Vzhledem k větší sálavé složce ale popsané chování nevede k nepříjemným pocitům, které by způsobily konvekční či nucené proudy.
Kombinace stropního chlazení a podlahového vytápění
Dle výše popsaných vlastností stropů a podlah se nejideálnější variantou jeví kombinace stropního chlazení a podlahového vytápění. Z hlediska komfortu dochází jak při vytápění, tak při chlazení k ideálnímu rozložení teplot, nevznikají zde ani chladné, ani teplé proudy. Nedochází k žádné hlukové zátěži. V případě vyšších tepelných ztrát, či vyšších tepelných zátěží lze systémy spustit v kombinaci a dosáhnout tak maximálního komfortu i v oblastech mimo návrhové stavy.
Porovnání efektivity vytápěcích/chladicích systémů na základě COP a EER
Zásadním parametrem pro plošné vytápění a chlazení je teplotní spád pro vytápění a teplotní spád pro chlazení. U plošného vytápění se výstupní teploty pohybují v oblasti nízkoteplotního vytápění (30-50 °C). U chlazení se jedná o vysokoteplotní chlazení, výstupní teplota do systému neklesá pod 16 °C. Výhody nízkého teplotního spádu při vytápění a vysokého teplotního spádu při chlazení nastíníme na topných a chladicích faktorech zdroje tepla: a to jak na vzduchových tepelných čerpadlech, tak na zemních tepelných čerpadlech.
Zjednodušené srovnání provedeme na reverzibilním vzduchovém čerpadle alpha innotec LWD 70A/RX a zemním tepelném čerpadle alpha innotec SWC 102H3 (případně SWC 102K3 s pasivním chlazením).
Režim vytápění:
U vytápění bude posuzována efektivita provozu systému s plošným vytápěním s průměrnou výstupní teplotou 35 °C oproti standardnímu konvekčnímu systému s průměrnou výstupní teplotou 50 °C.
Pro porovnání zdrojů vytápění použijeme poměr výkonu a příkonu – topný faktor. Ten nám ukáže přímou účinnost jednotlivých systémů. Z provozních charakteristik obou čerpadel odečteme topné faktory při standardních podmínkách. U vzduchového čerpadla pro zjednodušení budeme brát hodnotu při průměrné teplotě v otopném období cca 2 °C. U zemního čerpadla uvažujeme hodnotu při teplotě na zdroji tepla 0 °C.
V následujícím grafu můžeme pozorovat vysoký potenciál tepelných čerpadel v kombinaci s nízkoteplotními systémy. A především velmi dobré parametry zemních tepelných čerpadel.
Graf porovnání topných faktorů
Všechna data při B0/W35, B0/W50 a A2/W35, A2/W50 dle EN 14511
Režim chlazení:
Při porovnávání chlazení budeme vycházet opět z poměru výkonu a příkonu. U tepelných čerpadel vzduch/voda je to snadné, odečteme EER při venkovní teplotě 30 °C, s výstupem jak pro vysokoteplotní chlazení 18 °C, tak pro nízkoteplotní chlazení 7 °C. U tepelných čerpadel země/voda, vzhledem k tomu, že většina strojů nedisponuje vestavěným aktivním chlazením, není EER udáváno.
Porovnání provedeme pomocí parametrů stanovených zjednodušenou metodou: Stanovíme výkon tepelného čerpadla při aktivním vysokoteplotním chlazení (teplota na zdroji 18 °C) a při výstupní teplotě cca 35 °C (vychlazování do vrtu). Pro TČ se jedná o bod B18/W35, u aktivního nízkoteplotního chlazení pak o bod B7/W35. Tyto výkony podělíme součtem příkonu tepelného čerpadla a příkonu oběhových čerpadel.
Pro variantu pasivního chlazení lze provést porovnání pouze u vysokoteplotního chlazení. U nízkoteplotního chlazení lze v určitém období získat teplotu 6 °C, avšak nelze ji zaručit, natož dlouhodobě. Kromě toho mají tepelná čerpadla alpha innotec z důvodu ochrany zdroje tepla omezenou teplotu na výstupu z pasivního chlazení na minimálně 15 °C. Poměr chladicího výkonu a příkonu stanovíme pro zemní tepelné čerpadlo SWC 102K3 s pasivním chlazením, výkonově shodné jako dříve uvažované SWC 102H3. Příkon pasivního chlazení je dán příkonem regulace a oběhových čerpadel.
Graf porovnání chladicích faktorů
Hodnoty EER dle parametrů výrobku (pro LWD 70A/RX) při A30/W18 a A30/W7.
Hodnota COP (pro SWC 102H3) pro B7/W35 a B18/W35.
Provozní náklady jednotlivých systémů
Z obou uvedených grafů je zřejmé, že úsporu provozních nákladů oproti konvekčním systémům přináší kombinace tepelného čerpadla jak s plošným vytápěním, tak i s plošným chlazením.
Z hlediska provozních nákladů je pak nejvhodnější varianta tepelného čerpadla země/voda s pasivním chlazením v kombinaci s plošným systémem. Tato kombinace dosahuje oproti ostatním variantám chlazení až více než desetinásobné účinnosti. Provedené porovnání je zjednodušeno pro naznačení efektivity zmiňovaných systémů. Pro reálné porovnávání provozních nákladů komplexního systému vytápění a chlazení nelze stanovit jednoduchý porovnávací koeficient, protože každá budova se při vytápění a obzvláště při chlazení chová jinak. V případě porovnání provozních nákladů je tedy vždy třeba provést studii na konkrétní stavbě.
Plošné systémy pro vytápění a chlazení – suchý způsob instalace
V oblasti plošného vytápění/chlazení je často nutná co nejvyšší flexibilita systému a maximální využití prostoru. Právě takové vlastnosti nabízí díky vysoce inovativnímu způsobu instalace Roth ClimaComfort panelový systém.
Skladba systému je tvořena základním panelem s hliníkovým tepelně vodivým plechem s prolisy pro vedení systémové trubky X-PERT S5 14/16. Ukončení je řešeno pomocí hlavových kusů, které umožňují otáčení jednotlivých smyček. Panely jsou u stěnových a stropních systémů instalovány na sádrokartonový rastr a po namotání smyček a odzkoušení je systém zakryt sádrokartonovými deskami.
Příklad instalace: maximální využití prostoru ve vile Ořechovka
Při instalaci do podlahové konstrukce je výška skladby u Roth ClimaComfort panelového systému v případě zakrytí plovoucí podlahou, či dlažbou pouhých 28 mm (bez povrchové krytiny). Mezi výhody systému patří rychlá reakce, flexibilní použití, minimální provozní náklady, nízká skladba a nízká hmotnost.
Dalším plošným systémem pro suchý způsob instalace je Roth ClimaComfort TBS.
Ten se skládá z nosné nopové desky, do které se dle potřeby vkládají hliníkové tepelně vodivé lamely s prolisy pro systémovou trubku Alu-Laserflex.
Skladba systému musí obsahovat roznášecí vrstvu, z toho důvodu se minimální výška konstrukce pohybuje od 53 mm a systém není regulačně natolik pružný.
Plošné systémy pro vytápění a chlazení – mokrý způsob instalace
Systém aktivace betonového jádra
Tato moderní metoda vytápění/chlazení je založena na akumulaci tepla či chladu do nosné konstrukce. Jedním z nejprogresivnějších systémů aktivace betonového jádra je Roth Isocore, skládající se z fixačního prvku a systémové trubky, která se vzhledem k zatížení umísťuje na neutrální osu v betonovém prvku.
Zásadní výhodou systému je, že výkon je naakumulován v celé konstrukci s velmi nízkým teplotním gradientem. Nevýhodou systému je velmi dlouhá doba reakce systému.
Vzhledem k vývoji regulací se tato prodleva dá řešit pomocí prediktivních regulačních jednotek.
Systém nosných prvků trubek
V oblasti plošného chlazení s mokrým způsobem instalace je osvědčený Roth Rohrfix systém. Systém se skládá z nosných prvků v podobě fixačních hřebenů, do kterých se následně přichytí systémová trubka X-PERT S5. Skladba systémů je zaomítána vápenocementovou, či sádrovou omítkou – díky nízké vrchní vrstvě lze předpokládat rychlou reakci. Vzhledem k instalaci přímo na nosnou vrstvu dochází k akumulaci do nosné konstrukce. Systém lze instalovat jak na stropy, tak i do stěn.
Závěr
Zdrojem tepla či chladu může být tepelné čerpadlo vzduch/voda nebo země/voda s plošným kolektorem či s geotermálním vrtem. V případě teplosměnné plochy plošných systémů lze volit mezi chlazením prostřednictvím běžného podlahového vytápění, které často nepokryje celou tepelnou zátěž, a mezi téměř ideálním stropním chlazením v kombinaci s podlahovým vytápěním.
Volba vhodného systému vychází v každém případě z investičních nákladů a požadavků investora. Lze například navrhnout systém vytápění a chlazení s tepelným čerpadlem vzduch/voda v reverzibilním provedení a teplo/chlad předávat pomocí podlahového vytápění. Investičně se bude jednat o velice zajímavou variantu a pocit z vytápění a chlazení bude velmi příjemný, ale nelze očekávat, že vzhledem k nízkým přenosovým vlastnostem podlah bude chladicí plocha dostatečná pro odvedení maximální tepelné zátěže. Zrovna tak lze uvažovat vysoce komfortní systém v podobě strojovny s tepelným čerpadlem země/voda s aktivním i pasivním chlazením, předávající teplo/chlad přes podlahové a stropní plochy. Podobný systém bude disponovat daleko vyšším chladicím výkonem a zajistí maximální komfort při nízkých provozních nákladech na vytápění a minimálních nákladech na chlazení, ovšem při výrazně vyšších investičních nákladech.
Kompletní řešení v oblasti systémů pro plošné vytápění a chlazení
Vzhledem k rozsáhlým zkušenostem se systémy pro plošné vytápění a chlazení a jejich kombinací s tepelnými čerpadly Vám v případě zájmu poradíme s konkrétním projektem, doporučíme vhodné řešení a navrhneme systém dle Vašich požadavků.
Nabízíme řešení teplovodního vytápění a chlazení pomocí podlahových i stropních systémů. Elektrické topné kabely a rohože pro temperování i vytápění. Elektrická přímotopná i sálavá topidla. Tepelná čerpadla pro ohřev vody. Zónovou a centrální komfortní ...