Zkoušení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody

Úvod

Zkoušení a hodnocení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody v současné době podléhá nově vydanému požadavku na štítkování ohřívačů vody podle Nařízení Komise 812 [1] a požadavku na ekodesign ohřívačů vody podle Nařízení Komise 814/2013 [2]. Tento text navazuje na úvodní texty k této problematice [3, 4] a popisuje část samotného testování tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody ve zkušebnách.

Před vlastním popisem požadavků na zkoušení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody je důležité definovat ohřívač vody podle [1], kde je stanoveno, že ohřívačem vody je zařízení splňující tři podmínky:

• je připojeno na samostatný přívod studené pitné nebo užitkové vody;
• vyrábí a předává teplo pro dodávku teplé vody o požadované teplotě, v požadovaném množství a průtoku ve stanoveném časovém období;
• je vybaveno jedním nebo více zdroji tepla.

Z předchozí definice je jasné, že v případě tepelných čerpadel je toto splněno pouze u kompaktních zařízení s vestavěným zásobníkem teplé vody.

Zkoušení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody popisuje norma ČSN EN 16147 [5]. Tato evropská norma definuje měření, značení a hodnocení tepelných čerpadel vzduch voda, voda voda a kapalina voda pro přípravu teplé vody, jejichž součástí je akumulační nádoba (zásobník teplé vody) nebo jsou na ni napojeny (definice normy se neshoduje s uvedenou definicí z [1]). Pokud je tepelné čerpadlo použito i pro vytápění, pak se na jeho měření a hodnocení vztahují i postupy z norem ČSN EN 14511 [6] a ČSN EN 14825 [7]. Nezbytnou součástí zkoušení každého tepelného čerpadla je měření akustického výkonu podle ČSN EN 12102 [8]. Následující text se zabývá výhradně postupy podle normy ČSN EN 16147.

Okrajové podmínky měření

Měření probíhá za normou definovaných podmínek (teplota na výparníku, okolní teplota atd.) na zkušebně. Všechny měřené veličiny jsou stanoveny v rámci povolených odchylek, aby byla zajištěna dostatečná přesnost měření. Všechna měření probíhají při nastavených podmínkách podle tab. 1 a tab. 2. Teplota teplé vody na výstupu z akumulační nádoby se nastaví podle požadavků uvedených v dalším textu.

Tab. 1 – Měřené veličiny podle normy (viz tab. 4 z ČSN EN 16147:2011)

Měřeno	Nastaveno
průtok vzduchu na výparníku	jmenovitý podle výrobce, při daném rozpětí nastaven maximální průtok
teplota vstupní studené vody	10 °C
průtok teplé vody	4 nebo 10 l/min

Pro zjednodušení hodnocení udává norma jedinou standardní (jmenovitou) teplotu či teplotní rozdíl teplonosné látky na výparníku tepelného čerpadla podle tab. 2 v závislosti na druhu tepelného čerpadla (druhu zdroje tepla). U teplot vzduchu je v závorce uveden požadavek na teplotu rosného bodu. Norma ČSN EN 16147 (ohřev vody) na rozdíl od ČSN EN 14511 (obecné zkoušení tepelných čerpadel) neuvažuje se zkoušením za různých podmínek na výparníkové straně.

Tab. 2 – Požadované teploty na vstupu do výparníku (viz tab. 5 z ČSN EN 16147:2011)

Druh zdroje tepla	Teplota venkovního vzduchu [°C]	Vstupní/výstupní teplota kapaliny zdroje tepla [°C]	Okolní teplota kolem tepelného čerpadla [°C]	Okolní teplota akumulační nádoby [°C]
Venkovní tepelné čerpadlo	7 (6)		od 15 do 30	20
Tepelné čerpadlo do vnitřních prostorů (zdrojem je venkovní vzduch)	7 (6)		7	20
Vnitřní vzduch	15 (12)		15	15
Odpadní vzduch	20 (12)		od 15 do 30	20
Voda		10/7	od 15 do 30	20
Nemrznoucí směs		0/−3	od 15 do 30	20
Přímý výpar		4	od 15 do 30	20

Postup zkoušky

Ohřívače vody na bázi tepelných čerpadel zkoušené podle ČSN EN 16147 jsou podrobovány testu, který obsahuje 6 samostatných měřicích úseků (viz obr. 1):

1. ohřívání objemu zásobníku teplé vody
2. zjištění pohotovostního příkonu
3. zjištění spotřeby elektrické energie a COP pro přípravu teplé vody pro definovaný odběrový profil
4. zjištění referenční teploty teplé vody a maximálního množství odebrané vody při jednom odpouštění
5. test pracovního rozsahu teplot
6. bezpečnostní test

Během celého testu musí být jakýkoli doplňkový ohřívač (např. elektrická topná vložka instalovaná v akumulační nádobě), který je možné uživatelsky vypnout, odpojen. Nastavení ohřívače s tepelným čerpadlem musí být v souladu s doporučením výrobce (a to včetně nastavení termostatu) po celou dobu měření.

Část A: Ohřívání

Test slouží ke zjištění času potřebného pro ohřátí daného objemu vody v akumulační nádobě z teploty studené vody do vypnutí kompresoru tepelného čerpadla. Vypnutí kompresoru je dáno signálem z termostatu akumulační nádoby. Teplota termostatu je nastavena v souladu s instrukcemi výrobce. Během testu se měří čas t_h a spotřeba elektrické energie W_es tepelného čerpadla.

Část B: Zjištění pohotovostní spotřeby

Pohotovostní spotřeba elektrické energie se zjišťuje měřením příkonu a času několika po sobě jdoucích on/off cyklů tepelného čerpadla v době bez odběru teplé vody. Tepelné čerpadlo udržuje teplotu v akumulační nádobě (viz obr. 1) nastavenou podle instrukcí výrobce. Pro zjištění pohotovostní spotřeby je ponecháno tepelné čerpadlo 48 hodin v režimu udržování teploty v akumulační nádobě, nebo dokud neproběhne 6 celých on/off cyklů. Pohotovostní příkon se určí podle vztahu

kde je

P_es

pohotovostní elektrický příkon [kW];

W_es

celková spotřeba elektrické energie v pohotovostním režimu [kWh];

t_es

čas od ukončení části A do ukončení části B [s].

Celková spotřeba elektrické energie v pohotovostním režimu W_es v sobě zahrnuje i spotřebu na pohon ventilátorů a oběhových čerpadel.

Část C: Zjištění spotřeby energie a COP na přípravu teplé vody při daných odběrech v referenčním cyklu

Odběrové profily trvají 24 hodin a jsou definovány časy počátků jednotlivých odběrů a požadovaná užitečná odebraná energie. Jsou předepsány dva základní druhy odběrů:

1. Tzv. „dřezový“ − vana, mytí nádobí, podlah – cílem je dosáhnout potřebné střední teploty odběru (např. při napouštění vany se mění namixování teplé a studené vody tak, aby bylo dosaženo pro uživatele komfortní střední teploty):
   
   1. pro napouštění vany a mytí podlahy musí být střední teplota vody o 30 K vyšší než je teplota studené vody (10 °C), tzn. 40 °C;
   2. pro mytí nádobí musí být střední teplota vody o 45 K vyšší, než je teplota studené vody, tzn. 55 °C;
2. Ostatní druhy mycích odběrů − sprcha, mytí rukou – užitečně odebraná energie se určuje pouze v úseku, kdy je minimální teplota vody o 15 K respektive o 30 K vyšší, než je teplota studené vody.

Příklady požadovaných průtoků a užitečně odebraného množství tepelné energie pro různé druhy odběrů jsou uvedeny v tab. 3.

Tab. 3 – Parametry druhů odběrů (viz tab. 6 z ČSN EN 16147:2011)

Typ odběru	Odebraná energie [kWh]	Průtok teplé vody při odběru [l/min]	Teplotní rozdíl [K]
Uklízení	0,105	4 ± 0,5	30
Malý – např. mytí rukou	0,105	4 ± 0,5	15
Mytí podlah	0,105	4 ± 0,5	30
Mytí nádobí	0,735	4 ± 0,5	45
Sprcha	1,400	10 ± 0,5	30
Vana	3,605	10 ± 0,5	30
Vana (XL)	4,420	10 ± 0,5	30

Norma předepisuje odběrové profily typu S až XXL. Na obr. 2 je zobrazen příklad odběrového profilu označeného L, kde se vyskytuje celkem 24 odběrů mezi 7:00 a 22:00. Celková odebraná energie v profilu L je X kWh, což odpovídá množství teplé vody XX l připravené z teploty 10 °C na 55 °C. Pro jednotlivé odběry je stanovena buď průměrný dosažený teplotní rozdíl mezi odebíranou teplou vodou a přiváděnou studenou vodou, nebo minimální teplotní rozdíl pro započtení do užitečně odebrané energie. Užitečně odebraná energie se stanovuje po dosažení požadovaného teplotního rozdílu mezi teplou a studenou vodou.

Teplotním rozdílem mezi teplou odebranou vodou a přiváděnou studenou vodou je dána požadovaná teplota na výstupu ze zásobníku teplé vody. Tepelné čerpadlo musí tuto nebo vyšší teplotu při zkoušce udržovat tak, aby se dosáhlo současně požadavků z tab. 3 a obr. 2. Nastavení teploty termostatu je při zkoušce provedeno v souladu s doporučením výrobce a je tedy předmětem možné optimalizace ze strany výrobce.

Odběrový profil pro zkoušení konkrétního ohřívače s tepelným čerpadlem určuje podle ČSN EN 14147 výrobce (nebo dodavatel), nicméně podle Nařízení Komise ke štítkování [1] by ohřívač měl být zkoušen s maximálním odběrovým profilem nebo odběrovým profilem o jednu pozici nižším. Maximální odběrový profil je odběrový profil s největší referenční energií, kterou je ohřívač schopen poskytnout při splnění podmínek teplot a průtoků podle odběrového profilu.

Měření začíná s nahřátým zásobníkem teplé vody ihned po ukončení ohřevu na požadovanou teplotu signálem termostatu. Perioda měření t_TTC je ukončena po 24 hodinách posledním vypnutím tepelného čerpadla. Jestliže po uplynutí 24 hodin tepelné čerpadlo neběží, musí být perioda prodloužena až k znovunastartování tepelného čerpadla pro dohřev zásobníku a jeho vypnutí.

K určení topného faktoru COP tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody s daným odběrovým profilem se vyhodnocuje množství užitečně odebrané energie odběrového profilu. To je dáno časovým intervalem každého odběru, odebíraným průtokem vody a průměrným teplotním rozdílem mezi teplotou odvedené vody a studenou vodou během odběru.

Pokud se během odběru nedosáhne potřebné průměrné teplotní diference (např. 45 K pro „dřezový“ odběr pro mytí nádobí), je chybějící energie uvažována jako dodaná elektrickým odporovým ohřívačem. Dodaná elektrická energie je připočítána jak k užitečně odebrané tepelné energii, tak i ke spotřebované elektrické energii.

Celková naměřená spotřeba elektrické energie během odběrového profilu se opravuje o spotřebu ventilátorů a čerpadel. Do vlastní spotřeby tepelného čerpadla je nutné zahrnout celý příkon oběhového čerpadla mezi akumulační nádobou a tepelným čerpadlem. Pokud je oběhové čerpadlo instalováno na straně výparníku, do energie spotřebované se započítává pouze část elektrické energie oběhového čerpadla nutná pro překonání tlakové diference výparníku. Podobně se započítává příkon ventilátoru na straně výparníku. Pokud je ventilátor součástí potrubní sítě, započítává se do příkonu tepelného čerpadla pouze část jeho příkonu na překonání tlakové ztráty výparníku.

Pro stanovení celkové spotřeby elektrické energie je ještě třeba provést časovou korekci dodané elektrické energie. Vlastní časový úsek měření t_TTC totiž může skončit po více než 24 hodinách po dosažení původního stavu (po ukončení ohřevu signálem termostatu).

kde je

W_EL-TC

celková spotřeba elektrické energie během odběrového profilu [kWh];

W_EL-M-TC

celková naměřená spotřeba elektrické energie [kWh];

W_EL-Corr

korekce pro spotřebu ventilátoru a čerpadel [kWh].

P_es

příkon v pohotovostním režimu [kW];

Q_EL

vypočítaná energie dodaná doplňkovým elektrickým ohřevem [kWh] (korekce při nedodržení parametrů teplé vody).

Topný faktor ohřívače vody s tepelným čerpadlem se pro daný odběrový profil určí ze vztahu

kde je

Q_TC

celková odebraná energie během odběrového profilu (referenční energie profilu) [kWh];

W_EL-TC

celková spotřeba elektrické energie během odběrového profilu [kWh].

Část D: Referenční teplota teplé vody, maximální použitelný objem akumulační nádoby

Referenční teplota teplé vody je časově průměrná teplota výtoku vody z plně nahřáté akumulační nádoby, dokud neklesne teplota vytékající vody pod 40 °C. Její hodnota není navázána na dokumenty související se štítkováním.

Měření začíná opět po vypnutí kompresoru termostatem po ukončení předchozí periody měření. Počáteční teplota vody v akumulační nádobě je proto daná nastavením termostatu od výrobce. Během měřicí periody se vypouští teplá voda z akumulační nádoby (zásobníku teplé vody), dokud teplota vypouštěné teplé vody neklesne pod hodnotu 40 °C. Průtok teplé vody je nastaven na 10 ± 0,5 l/min. Referenční teplota teplé vody je zjištěna měřením a následným vyhodnocením. Její hodnota se zjistí z integrálu hodnot teploty teplé vody během vypouštění

kde je

θ’_WH

referenční teplota teplé vody [°C];

θ_WH(t)

teplota teplé vody v čase t [°C];

t₄₀

čas od startu vypouštění do dosažení teploty θ_WH(t) nižší než 40 °C [s].

Maximální množství použitelné teplé vody, které může být odebráno z akumulační nádoby, se zjistí z energie teplé vody odebrané během vypouštění podle vztahu:

kde je

V_MAX

maximální objem teplé vody [m³];

ΔT₃₀

teplotní diference 30 K;

V̇_Tap

odběrový průtok vody [m³/s].

Maximální množství použitelné teplé vody musí být od září 2015 uváděno v technické dokumentaci tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody podle [1] a jsou na něj vztaženy požadavky Ekodesignu podle [2].

Část E: Pracovní rozsah teplot

Ohřívač s tepelným čerpadlem musí být schopen provozu mezi mezními teplotami výparníku určenými výrobcem. Postup zkoušky obsahuje dvě periody ohřevu zásobníku. První je zahájena při minimální teplotě na straně zdroje tepla (výparníku tepelného čerpadla), druhá pak při maximální teplotě (viz tab. 4).

Tab. 4 – Podmínky během testu pracovního rozsahu teplot

Test č.	Teplota zdroje tepla na výparníku [°C]	Střední teplota vody v akumulační nádobě [°C]
test 1	minimální	minimální počáteční teplota, termostat nastaven na maximální teplotu
test 2	maximální	minimální počáteční teplota, termostat nastaven na maximální teplotu

Jednotka projde oběma testy úspěšně, pokud se dokáže při minimální teplotě vody v akumulační nádobě spustit a ohřát vodu v akumulační nádobě na maximální možnou teplotu bez zastavení ochrannými zařízeními. Další podrobnosti jsou popsány v normě.

Při provozu tepelného čerpadla mimo jeho pracovní rozsah může dojít k poškození jednotky. Ta proto musí být vybavena bezpečnostním zařízením k prevenci poškození jednotky a umožnění normálního chodu po návratu do provozních hodnot.

Část F: Kontrolní test bezpečnostních zařízení

Při zkoušce jsou postupně simulovány závady. Jednotka musí zůstat i po testu schopná dalšího provozu.

1. Vypnutí průtoku teplonosné látky na straně výparníku i kondenzátoru
   V případě, že jednotka není vybavena flow-switchem, je třeba ji otestovat na výpadek:
   
   • blokací průtoku teplonosné látky na straně zdroje tepla – výparníku (vypnutí ventilátoru, vypnutí oběhového čerpadla)
   • blokací průtoku teplonosné látky na straně kondenzátoru (vypnutí oběhového čerpadla)
   Flow-switch je zařízení pro zjištění průtoku látky v potrubí. Např. v případě detekce vyššího než přednastaveného minimálního průtoku zařízení vysílá logickou 1 (např. 5 V) do nadřazeného systému regulace, a naopak při poklesu pod hodnotu minimálního průtoku vysílá logickou nulu (např. 1 V) a zařízení se vypíná.
   
   
2. Kompletní selhání napájení
   Napájení jednotky elektrickou energií se zcela vypne na dobu přibližně 5 s. Po obnovení napájení by neměla jednotka restartovat později než 20 min poté, co kompresor dostal pokyn ke startu. Tato zkouška se neprovádí, pokud výrobce uvede, že se jednotka automaticky nerestartuje po selhání napájení.
   
   
3. Odvod kondenzátu
   Po celou dobu zkoušení při standardních podmínkách je nutné pozorovat odvod kondenzátu. Žádný kondenzát nesmí skapat, stéct, uniknout z jednotky jinudy než odvodem odpadu.

Závěr

Zkoušení tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody (ohřívačů vody) je časově náročné a zahrnuje cykly nabíjení zásobníku teplé vody ze studeného stavu na maximální teplotu, cykly udržování zásobníku teplé vody na požadované teplotě (pohotovostní režim) a provoz ohřevu vody při definovaném kvazireálném odběrovém profilu. Výsledkem je vyhodnocení provozního topného faktoru COP stanoveného pro jediné definované standardní podmínky na straně výparníku (udržované pro celou zkoušku jako neměnné). I tak dávají zkoušky dostatečně vypovídající informaci pro porovnání efektivity ohřívačů s tepelným čerpadlem s vazbou na jejich štítkování a požadavky ekodesignu. Zároveň zkoušky prověří chování tepelného čerpadla v mezních podmínkách provozu (mezní teploty výparníku, bezpečnostní funkce).

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] Nařízení Komise 812/2013 o uvádění spotřeby energie na energetických štítcích ohřívačů vody, zásobníků teplé vody a souprav sestávajících z ohřívače vody a solárního zařízení. Brusel 2013.
• [2] Nařízení Komise 814/2013 – požadavky na ekodesign ohřívačů vody a zásobníků teplé vody. Brusel 2013.
• [3] Sedlář, J.: Úvod do štítkování a ekodesignu tepelných čerpadel, TZB-info, 2015.
• [4] Sedlář, J.: Štítkování a ekodesign tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody, TZB-info, 2015.
• [5] ČSN EN 16147 – Tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory – Zkoušení a požadavky na značení jednotek pro teplou užitkovou vodu. ÚNMZ 2011.
• [6] 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.
• [7] 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.
• [8] ČSN EN 12102 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin, tepelná čerpadla a odvlhčovače s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Měření hluku přenášeného vzduchem – Stanovení hladiny akustického výkonu. ÚNMZ 2014.