Zkoušení tepelných čerpadel pro vytápění

Úvod

Zkoušení tepelných čerpadel má za cíl přesné, opakovatelné a důvěryhodné měření jejich provozních a bezpečnostních charakteristik. Výstupy z měření jsou použity pro výpočet energetického štítku a technickou a jsou uvedeny v technické dokumentaci, za jejíž úplnost a pravdivost odpovídá výrobce, případně dovozce nebo prodejce. Podle legislativy [2] vykonává dohled nad trhem stát prostřednictvím pověřených orgánů, které mají zároveň právo podrobovat náhodně vybraná tepelná čerpadla zkouškám v nezávislé autorizované zkušebně. Rozpor mezi naměřenými a udávanými hodnotami v technické dokumentaci může vést v krajním případě až k zákazu prodeje daného zařízení na trhu v Evropské unii.

Zkoušení tepelného výkonu tepelných čerpadel pro vytápění je popsáno v normách:

• ČSN EN 14511 [3];
• ČSN EN 14825 [4].

Norma ČSN EN 14511 stanovuje komplexně nároky na měření (určování výkonu, příkonu a topného faktoru z naměřených veličin) a zkoušení (testování provozního chování) tepelných čerpadel pro vytápění. Některé doplňující zkoušky jsou popsány i v ČSN EN 14825. Norma byla historicky vypracována jako dokument pro měření strojů pracujících v podkritickém levotočivém parním běhu. V předcházejících verzích normy bylo explicitně uvedeno, že se nevztahují na měření tepelných čerpadel pracujících v nadkritickém parním oběhu. Toto omezení již poslední verze neobsahuje, nyní lze normové postupy použít i pro měření tepelných čerpadel s chladivem CO₂.

Vzhledem k dynamice vývoje evropské legislativy je norma ČSN EN 14511 předmětem častých aktualizací (za posledních 10 let bylo v ČR vydáno 7 verzí). V současnosti se trh tepelných čerpadel mění příchodem invertorových jednotek s řízením výkonu. Jejich výhoda je ve zvětšených možnostech regulace při zachování dostupné ceny zařízení. Měření těchto tepelných čerpadel v režimu částečného zatížení není popsáno v normě ČSN EN 14511, je však možné metodiku zkoušení pro jejich měření použít.

Zkušební podmínky

Norma rozlišuje tzv. standardní (normové) a uživatelské podmínky použité při měření tepelných čerpadel. Standardními podmínkami se rozumí jmenovité podmínky, od kterých jsou uživatelské odvozeny. Pro nízkoteplotní tepelná čerpadla solanka-voda jsou standardní podmínky 0/35 (0 °C je teplota solanky na vstupu do výparníku a 35 °C je teplota vody na výstupu z kondenzátoru). Na výparníku je nastaven takový průtok solanky, aby byla udržována mezi vstupem a výstupem teplotní diference 3 K. Na kondenzátoru se podobně nastaví teplotní diference 5 K. Při zkoušení za uživatelských podmínek je potom udržován průtok nastavený za standardních podmínek a měněna požadovaná teplota solanky na vstupu do výparníku a vody na výstupu z kondenzátoru.

Tepelná čerpadla jsou obecně rozdělena podle teplonosné látky na výparníkové a kondenzační straně. Příklad nejdůležitějších zkušebních podmínek je uveden v tab. 1 až 4. Norma ČSN EN 14825 navíc předepisuje další nepovinné body pro měření.

Nařízení Komise 811/2013 předepisuje uvádění energetické třídy na štítku tepelných čerpadel pro nízkoteplotní vytápění a středněteplotní vytápění, při teplotách odpovídajících nízkoteplotním a vysokoteplotním tepelným čerpadlům podle ČSN EN 14511. Protože se tepelná čerpadla dělí na jednotky pro vnitřní a venkovní použití (případně splity), jsou definovány i environmentální (okolní) návrhové podmínky pro zkoušení jednotek určených pro vnitřní a venkovní instalace.

Kromě bodů uvedených v tab. 1 až 4 se podle ČSN EN 14825 tepelná čerpadla měří i v bodě bivalence (na základě zvolené tepelné ztráty pro účely energetického štítku) a mezní provozní teplotě, která se liší podle klimatického pásma. (např. ve středním je to teplota na vstupu do výparníku −10 °C).

Zkušební metody

Vlastní měření probíhá v normou definovaných cyklech za ustálených provozních stavů. Z tohoto pohledu je obtížnější měření tepelných čerpadel vzduch-vzduch a vzduch-kapalina, kde je nutné počítat i s odtáváním. Topný výkon tepelného čerpadla s jedním kondenzátorem (případně chladičem par pro nadkritické oběhy) se stanoví z kalorimetrické rovnice pomocí naměřených hodnot teplot a průtoku.

, (1)

kde je

topný výkon tepelného čerpadla [W];

objemový průtok ohřívané látky [m³·s⁻¹];

ρ

střední hustota ohřívané látky [kg·m⁻³];

c_p

měrná tepelná kapacita ohřívané látky [J·kg⁻¹·K⁻¹];

t₂

teplota ohřívané látky na výstupu z kondenzátoru [°C];

t₁

teplota ohřívané látky na vstupu do kondenzátoru [°C].

Předchozí vztah platí pro tepelná čerpadla v ustáleném stavu. Příkon je měřen přímo. Norma pamatuje i na drobné korekce vlivem ventilátorů a čerpadel. Je-li součástí vnitřní jednotky (kondenzátoru) ventilátor nebo čerpadlo, přičte se k elektrickému příkonu jednotky i jejich příkon. Tepelná čerpadla vzduch-voda a vzduch-vzduch mohou během zkoušek odtávat námrazu z povrchu výparníku, měření tedy nemusí být kontinuální. Topný výkon se pak stanovuje z množiny topných výkonů zaznamenaných během sběru dat z měření.

Celkový elektrický příkon se stanovuje v ustáleném stavu jako průměrný příkon za dobu sběru dat pro měření. Pro výpočet topného faktoru je důležité stanovení efektivního elektrického příkonu jednotky. Ten je určený celkovým elektrickým příkonem korigovaným o příkon ventilátoru nebo čerpadla (případně obou). Norma rozlišuje různé konstrukční konfigurace a podle nich přičítá nebo naopak odečítá korekci od naměřeného příkonu.

Ostatní zkoušky

Nově se podle normy ČSN EN 14511 měří i příkon tepelného čerpadla v pohotovostním a vypnutém stavu, který je důležitou vstupní informací pro výpočet sezónního topného faktoru SCOP podle ČSN EN 14825.

Z důvodu provozní bezpečnosti je tepelné čerpadlo testováno v různých provozních stavech. Jednotka musí být schopna provozu ve všech výrobcem deklarovaných provozních stavech a režimech, proto se provádí následující zkoušky:

1. V pracovní oblasti teplot
   Tepelné čerpadlo musí být při zkoušce schopno pracovat 30 min bez výpadku při:
   
   • maximálních teplotách na výparníku i na kondenzátoru;
   • minimálních teplotách na výparníku i na kondenzátoru.
2. Mimo pracovní oblast
   Tepelné čerpadlo musí mít jisticí zařízení pro zabránění poškození jednotky při překročení pracovní oblasti teplot a zůstat schopné dalšího provozu, pokud se vrátí zpět do pracovní oblasti teplot.
3. Přerušení průtoku pracovní látky
4. Celkový výpadek dodávky energie
5. Zkouška odvodu kondenzátu a orosení skříně (tepelná čerpadla vzduch-kapalina a vzduch-vzduch)
6. Zkouška odtávání (tepelná čerpadla vzduch-kapalina a vzduch-vzduch)
   Při sérii po sobě jdoucích režimů odtávání nesmí docházet k trvale se zhoršujícím podmínkám pro přenos tepla.

Závěr

Problematika rozšířeného měření tepelných čerpadel (oproti minulosti) se stala aktuálním tématem spolu se zavedením nové legislativy. Od 26. září 2015 musí být všechna tepelná čerpadla prodávaná na trhu v EU vybavena energetickým štítkem a musí splňovat požadavky na ekodesign. Vstupy pro výpočet energetického štítku jsou získávány zkoušením podle platných norem. I když výrobce tepelných čerpadel nemusí při zkoušce postupovat podle normy, stát provádějící dohled nad trhem může náhodně vybrané zařízení přezkoušet v nezávislé akreditované laboratoři. V případě zjištění významných odchylek i při opakovaném měření (případně na dalších jednotkách z řady) může být zařízení prohlášeno za nevyhovující legislativním požadavkům, což v konečném důsledku znamená stažení výrobků z trhu. Ostatní členské státy jsou o výsledcích opakovaných zkoušek informovány.

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.

Literatura

• [1] Sedlář, J.: Štítkování a ekodesign tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody, Portál TZB-info, 2015. Zdroj:
  http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/13243-stitkovani-a-ekodesign-tepelnych-cerpadel-pro-pripravu-teple-vody
• [2] Nařízení Komise 813/2013 – požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostor a kombinovaných ohřívačů. Brusel 2013.
• [3] ČSN EN 14511 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Část 1 až 4. ÚNMZ 2014.
• [4] ČSN EN 14825 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Zkoušení a klasifikace za podmínek částečného zatížení a výpočet při sezonním nasazení. ÚNMZ 2014.