Vliv velikosti zásobníku teplé vody na spotřebu tepelného čerpadla
Článek představuje analýzu ohřevu vody tepelným čerpadlem a vliv velikosti zásobníku, teplotního nastavení a volbu tepelného čerpadla na roční spotřebu elektrické energie.
Úvod
Aplikace ohřevu vody tepelným čerpadlem patří z pohledu energetické efektivity provozu tepelného čerpadla k těm méně výhodným. Z řady publikovaných analýz, založených na simulačních výpočtech nebo na monitorování provozu za reálných podmínek, vyplývá, že sezónní topné faktory přípravy teplé vody tepelným čerpadlem se pohybují na úrovni 2,5 [1, 2]. Je to dáno relativně vysokou požadovanou teplotou ohřevu mezi 50 a 55 °C, která má vliv na vysokou kompresní práci tepelného čerpadla a tedy spotřebu elektrické energie. V různých analýzách z posledních let [3–5] se objevují konstrukční uspořádání, která mohou efektivitu přípravy teplé vody zvýšit, nicméně na trhu je takových řešení stále relativně málo.
V případě konvenčního ohřevu vody tepelným čerpadlem přes trubkový výměník tepla v zásobníku teplé vody lze ukázat, že jaký vliv na efektivitu může mít návrh velikosti zásobníku vzhledem k velikosti odběru teplé vody a k výkonu tepelného čerpadla, případně požadovaná teplota ohřevu. Analýza je provedena pro konkrétní výrobky (tepelné čerpadlo, zásobník teplé vody), které jsou dostupné na trhu, nicméně i tak z ní lze vyvodit obecnější závěry.
Analýza
Pro analýzu byly zvoleny tři různé odběry teplé vody pro domácnost. Byl uvažován odběr teplé vody označený jako „nízký“ s denní odebranou energií 4,9 kWh/den (120 l vody teplé 45 °C), „střední“ odběr s odebranou energií 8,4 kWh/den (206 l vody teplé 45 °C) a „vysoký“ odběr s odebranou energií 11,5 kWh/den (286 l vody teplé 45 °C). Pro „nízký“ a „střední“ odběr bylo použito rozložení dílčích odběrů během dne definované jako odběrový profil M v [6] a pro „vysoký“ odběr bylo použito rozložení typu L [6]. Tato standardizovaná rozložení dílčích odběrů (profily) jsou používané např. pro zkoušení ohřívačů vody v laboratoři podle evropských norem pro účely jejich štítkování. Odběrové profily použité v analýze se od standardizovaných liší pouze denní odebranou energií. Použité odběrové profily jsou zobrazeny v grafech na obr. 1 ve formě odběrových výkonů.
Obr. 1 Uvažované výkonové profily odběru teplé vody
Pro účely analýzy různých variant byly zvoleny 4 konkrétní zásobníky od nejmenovaného výrobce, 2 konkrétní výkonově odlišná tepelná čerpadla země-voda a 2 konkrétní výkonově odlišná tepelná čerpadla vzduch-voda pro porovnání možných odlišností v technologii. Parametry zásobníků teplé vody jsou uvedeny v tab. 1. Požadovaná teplota nabíjení zásobníku teplé vody byla uvažována 50 °C a 55 °C pro ukázání rozdílu v efektivitě mezi nabíjením menšího zásobníku na vyšší teplotu oproti nabíjení většího zásobníku na nižší teplotu. Poloha teplotního čidla, která může mít také vliv na efektivitu přípravy teplé vody tepelným čerpadlem, byla v této analýze uvažována podle podkladů výrobce zásobníků teplé vody. Tab. 2 uvádí hlavní výkonové parametry uvažovaných tepelných čerpadel a v grafech na obr. 2 a obr. 3 jsou uvedeny příklady výkonových charakteristik použité ve výpočtech. Tepelná čerpadla byla zvolena nejmenší z výkonové řady výrobce.
| Objem [l] | 160 | 200 | 300 | 500 |
|---|---|---|---|---|
| Výška zásobníku [mm] | 1189 | 1420 | 1779 | 1738 |
| Plocha výměníku [m2] | 1,0 | 1,3 | 1,5 | 1,9 |
| Objem výměníku [l] | 5,5 | 10 | 11 | 15 |
| Měrná ztráta [W/K] | 0,89 | 1,57 | 1,94 | 2,22 |
| Výšková poloha čidla [mm] / procento výšky zásobníku | 634 53 % | 897 63 % | 951 54 % | 802 46 % |
| Tepelné čerpadlo | země-voda B0/W35 | vzduch-voda A7/W35 | ||
|---|---|---|---|---|
| BW6 | BW8 | AW8 | AW10 | |
| Tepelný výkon [kW] | 5,8 | 7,8 | 8,0 | 10,7 |
| Elektrický příkon [kW] | 1,3 | 1,8 | 2,0 | 2,4 |
| COP [–] | 4,5 | 4,3 | 4,0 | 4,4 |
Obr. 2 Příklad výkonové charakteristiky tepelného čerpadla země-voda BW6 uvažovaného v analýze
Obr. 3 Příklad výkonové charakteristiky tepelného čerpadla vzduch-voda AW8 uvažovaného v analýze
Analýza byla provedena v simulačním prostředí TRNSYS [7]. Počítačové simulace s pokročilými modely umožňují velmi rychle a efektivně ukázat na potenciál úspor (nebo ztrát) za jakýchkoli definovaných okrajových podmínek. Při analýze porovnání řady různorodých variant je pak výhodou počítačových simulací zajištění identických podmínek pro všechny varianty, což prakticky nelze zajistit v reálném provozu. V případě laboratorního testování se pak jedná o časově a tedy i cenově velice náročné analýzy.
Pro modelování tepelného čerpadla bylo využito zjednodušeného modelu vycházejícího z výkonových charakteristik tepelného čerpadla poskytnutých výrobcem (tepelný výkon a elektrický příkon v závislosti na teplotě výparníku a kondenzátoru, viz obr. 2 a 3) se zohledněním omezení provozu tepelného čerpadla, jako je minimální a maximální výstupní teplota z kondenzátoru, minimální a maximální vstupní teplota do výparníku, minimální prodleva mezi vypnutím a zapnutím tepelného čerpadla, apod. Pro modelování zásobníku teplé vody byl použit pokročilý model type340 [8] validovaný mnoha experimentálními testy, který uvažuje řadu detailních parametrů (viz tab. 1). Teplota v okolí zásobníku byla trvale uvažována 20 °C. Hystereze nabíjení zásobníku teplé vody byla uvažována ±2 K okolo požadované teploty.
V rámci analýzy byla uvažována řada variant reprezentujících kombinace odběrový profil / teplota nabíjení / tepelné čerpadlo / zásobník teplé vody a byl sledován vliv dané kombinace na roční spotřebu elektrické energie Wel [kWh/rok] pro přípravu teplé vody. Do celkové spotřeby elektrické energie byla vždy započítána spotřeba kompresoru tepelného čerpadla, oběhových čerpadel, regulace a také záložního zdroje pro dohřev v případě, že výstupní teplota ze zásobníku nedosahuje požadavku 45 °C. Jako klimatické údaje byly použity hodinové teploty typického meteorologického roku pro Prahu. Simulace každé varianty byla provedena v časovém kroku 1 minuta.
Výsledky a jejich diskuze
Z analýzy vyplynula celá řada výsledků pro zmíněné kombinace. Na obr. 4 a 5 je graficky zobrazen detailní rozbor roční spotřeby elektrické energie tepelným čerpadlem (země-voda, vzduch-voda) pro střední odběr teplé vody v závislosti na zvoleném objemu zásobníku (podle tab. 1) a nastavené teplotě ohřevu vody (50 nebo 55 °C). Z obou grafů je patrné, že existuje optimální objem pro volbu zásobníku okolo hodnoty 200 l a to bez vlivu jak zvoleného tepelného čerpadla, tak zvolené teploty ohřevu. Významný vliv tepelného výkonu tepelného čerpadla na výsledky by se projevil až při nižších hodnotách tepelného výkonu (1 až 2 kW) zvýšenou spotřebou záložního zdroje při malém objemu zásobníku. Takové výkony nejsou pro samostatná zařízení v současné době příliš rozšířeny, s výjimkou kompaktních ohřívačů vody s integrovaným zásobníkem.
Mírný nárůst spotřeby elektrické energie u variant s objemem zásobníku 160 l lze vysvětlit především o 25 % menší teplosměnnou plochou výměníku v zásobníku, která znamená mírně vyšší provozní teploty na kondenzátoru tepelného čerpadla, a tedy nižší roční COP o 3 až 4 %. Nárůst potřeby elektrické energie u variant s objemem nad 200 l je dán především nárůstem tepelné ztráty zásobníků i přes nárůst efektivity provozu samotného tepelného čerpadla vlivem větší teplosměnné plochy výměníku. Vyšší spotřeba elektrické energie u variant s vyšší nastavenou teplotou ohřevu zásobníku 55 °C je dána jak nárůstem pohotovostní ztráty zásobníku, tak snížením efektivity tepelného čerpadla vlivem dodávky tepla při vyšší teplotě.
Obr. 4 Rozdíl efektivity ohřevu vody tepelnými čerpadly země-voda pro různé požadované teploty (střední odběr)
Obr. 5 Rozdíl efektivity ohřevu vody tepelnými čerpadly vzduch-voda pro různé požadované teploty (střední odběr)
Z grafu na obr. 4 je také patrné, že vyšší nastavení teploty ohřevu vody znamená pro konkrétní tepelné čerpadlo země-voda vždy vyšší roční spotřebu elektrické energie. Nelze tedy předpokládat, že například zmenšením objemu zásobníku teplé vody a jeho ohřevu na vyšší teploty by bylo možné docílit nižší spotřeby elektrické energie tepelným čerpadlem. Graf na obr. 5 ukazuje podobný charakter pro tepelná čerpadla vzduch-voda, zvýšení požadované teploty v zásobníku znamená také vyšší roční spotřebu elektrické energie.
Obr. 6 Výsledky analýzy pro tepelná čerpadla vzduch-voda pro různé odběrové profily (požadovaná teplota ohřevu 50 °C)
Obr. 7 Výsledky analýzy pro tepelná čerpadla vzduch-voda pro různé odběrové profily (požadovaná teplota ohřevu 50 °C)
Z detailního rozboru obr. 4 a 5 pro střední odběr a různé teploty ohřevu a z celkového zobrazení analýz pro všechny velikosti odběru (při požadavku 50 °C) na obr. 6 a 7 je patrný určitý rozdíl mezi nasazením různých výkonů tepelných čerpadel. Tepelné čerpadlo vzduch-voda s vyšším výkonem (AW10) vykazuje pro všechny varianty o zhruba 5 až 6 % úspornější provoz pro přípravu teplé vody než menší tepelné čerpadlo (AW8). Z rozboru bilancí spotřeby elektrické energie (tepelné čerpadlo, regulátor, oběhové čerpadlo, záložní elektroohřev) bylo odvozeno, že rozdíl je dán pouze efektivitou provozu tepelného čerpadla. Z tab. 2 je zřejmé, že menší tepelné čerpadlo AW8 je svou konstrukcí jednoduše o 10 % méně účinné než tepelné čerpadlo AW10. Nelze tedy obecně vyvodit, že je vhodnější (úspornější) použít větší tepelné čerpadlo, výsledek je dán především vlastní efektivitou zařízení. Naproti tomu u tepelných čerpadel země-voda je rozdíl mezi 1 a 2 % ve prospěch menšího tepelného čerpadla, což opět odpovídá rozdílu v efektivitě při jmenovitých podmínkách.
Detailním rozborem energetických bilancí ve všech případech bylo potvrzeno, že všechny uvažované kombinace umožňují připravit teplou vodu bez záložního elektroohřevu, který je na úrovni do 0,5 kWh/rok. Oběhové čerpadlo a regulace spotřebovávají v různých variantách okolo 60 až 80 kWh/rok, což odpovídá cca 4 až 6 % roční spotřeby elektrické energie celého systému.
Závěr
Z uvedené analýzy vyplývá několik závěrů. Některé jsou očekávatelné jako například, že vyšší požadovaná teplota v zásobníku vždy znamená vyšší spotřebu elektrické energie a že zásadní vliv na roční spotřebu elektrické energie má efektivita samotného tepelného čerpadla. Na druhé straně analýza umožnila odpověď na některé méně jasné otázky. Z pohledu celoroční efektivity ohřevu vody není příliš velký rozdíl mezi technologií země-voda a vzduch-voda. Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou pro ohřev vody mírně účinnější. Vyšší teplota ohřevu menšího objemu zásobníku tepelným čerpadlem nevede k menší spotřebě elektrické energie oproti menší požadované teplotě ohřevu ve větším zásobníku. Pro různé požadované teploty v zásobníku (50 °C, 55 °C) existuje jak pro velké, tak pro malé odběry, typické v rodinném domě optimální objem zásobníku teplé vody okolo hodnoty 200 l s plochou výměník 1,3 m2. Příliš malé zásobníky jsou zpravidla vybaveny malou teplosměnnou plochou, což zhoršuje efektivitu provozu tepelného čerpadla s vyššími výkony umožňujícími dostatečně rychlý ohřev objemu zásobníku na požadovanou teplotu (6 až 10 kW). Nicméně rozdíly v roční spotřebě elektrické energie jsou relativně malé, zvláště v případě malých odběrů. Na druhé straně, i malý zásobník v kombinaci s nejmenším tepelným čerpadlem v analýze prokázal schopnost zajistit i „vysoký“ požadovaný odběr bez nutnosti výrazného dohřevu záložním zdrojem. Příliš velké zásobníky vedou ke zvýšení spotřeby elektrické energie vlivem vyšší pohotovostní tepelné ztráty.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605. Matematické simulace byly provedeny s podporou projektu SGS16/212/OHK2/3T/12 – Modelování, řízení a navrhování zařízení techniky prostředí.
Odkazy
- Krainer, R.: Zkušenosti s tepelnými čerpadly v bytových domech, Konference Alternativní zdroje energie Kroměříž 2014. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2014, pp. 67–71. ISBN 978-80-02-02546-7.
- Matuška, T., Šourek, B.: Výpočet ročního provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle TNI 73 0351, Topenářství, instalace. 2014, XXXXVIII (7), 42–48. ISSN 1211-0906.
- Sedlář, J., Krainer, R.: Zvýšení efektivity přípravy teplé vody tepelným čerpadlem v bytovém domě, Konference Vytápění Třeboň 2015. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2015, pp. 148–153. ISBN 978-80-02-02589-4.
- Broum, M., Sedlář, J.: Tepelná čerpadla se zvýšenou efektivitou, Sympozium Energeticky efektivní budovy 2015. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2015, pp. 27–32. 1. vydání. ISBN 978-80-02-02615-0.
- Sedlář, J., Broum, M., Matuška, T., Šourek, B.: Model tepelného čerpadla s odvodem tepla na třech úrovních, Vytápění, větrání, instalace. 2015, 24.(1), 16–21. ISSN 1210-1389.
- Mandate 324 to CEN a CENELEC for the elaboration and adoption of measurement standards for household appliances: water heaters, hot water storage appliances and water heating systems, European Commission DG TREN, TREN D1 D (2002), Brusel.
- Transient System Simulation Tool – TRNSYS 17.1, The University of Wisconsin, Madison, http://sel.me.wisc.edu/trnsys
- Druck, H. Multiport Store Model Type 340 – Stratified fluid storage tank with four internal heat exchangers, ten connections for direct charge and discharge and an internal electrical heater, version 1.99F, ITW Universität Stuttgart, March 2006.
Paper presents the analysis of water heating by a heat pump and influence of tank size, temperature setting and heat pump selection on annual use of electric energy.