Efektivita přípravy teplé vody tepelným čerpadlem v různých klimatických oblastech
© Fotolia.com
Jsou pro ohřev vody v různých klimatických poměrech Evropy vhodnější tepelná čerpadla vzduch-voda a nebo země-voda? Odpověď dává analýza pro čtyřčlennou rodinu. TČ země-voda jsou mírně efektivnější v teplejších oblastech, vzduch-voda v klimaticky mírných a chladnějších lokalitách.
Příspěvek se zabývá vlivem klimatických podmínek na efektivitu provozu tepelných čerpadel vzduch-voda a země-voda v přípravě teplé vody. Byla provedena simulační analýza pro odběr teplé vody čtyřčlennou rodinnou v různých klimatických lokalitách v Evropě. Bylo zjištěno, že efektivita obou typů tepelných čerpadel se v podstatě neliší. Překvapivým závěrem je, že uvažovaná tepelná čerpadla země-voda jsou pro přípravu teplé vody mírně efektivnější v teplejších oblastech, zatímco tepelná čerpadla vzduch-voda mírně efektivnější v klimaticky mírných a chladnějších lokalitách.
Úvod
Tepelná čerpadla se stále více využívají pro vytápění a přípravu teplé vody především v rodinných domech. Zatímco efektivita tepelných čerpadel při nasazení v nízkoteplotních otopných soustavách je relativně vysoká – u tepelných čerpadel vzduch-voda dosahuje sezónních topných faktorů nad hodnotou 3,0 a u tepelných čerpadel země-voda i nad hodnotou 4,0 [1], v případě přípravy teplé vody vlivem celoročně vysoké požadované teploty teplé vody 50 až 55 °C (hygienické i praktické důvody) se sezónní topné faktory mohou pohybovat na relativně nízké úrovni [2]. Následující analýza ukazuje očekávatelné rozmezí efektivity provozu tepelných čerpadel vzduch-voda a země-voda pro přípravu teplé vody v různých klimatických oblastech Evropy.
Příprava teplé vody tepelným čerpadlem
Pro analýzu byl uvažován systém přípravy teplé vody (TV) tepelným čerpadlem (TČ) v rodinném domě pro 4 osoby s celkovou spotřebou teplé vody 206 l/den při teplotě 45 °C (energeticky odpovídá 160 l/den při 55 °C). Pro analýzu byl uvažován podrobný profil odběru teplé vody s minutovým krokem založený na profilu M, který se používá pro zkoušení ohřívačů vody v rámci Nařízení o ekodesignu ohřívačů vody [3].
Obr. 1 Schéma přípravy teplé vody tepelným čerpadlem
Obr. 2 Lokality v Evropě uvažované v analýze
| Tepelné čerpadlo | Topný výkon [kW] | El. příkon [kW] | COP [–] |
|---|---|---|---|
| vzduch-voda (A2/W35) | 6,6 | 2,1 | 3,1 |
| země-voda (B0/W35) | 5,8 | 1,3 | 4,5 |
Jako zdroj tepla pro přípravu teplé vody byly uvažovány varianty s tepelným čerpadlem vzduch-voda a tepelným čerpadlem země-voda. Jejich základní parametry jsou uvedeny v Tab. 1. Tepelné čerpadlo země-voda je napojeno na svislý zemní vrt o délce 68 m při uvažování průměrných podmínek podloží (tepelná vodivost 2 W/m‧K). Tepelná čerpadla jsou v obou variantách napojena na zásobník teplé vody o objemu 200 l a předávají teplo přes vnitřní trubkový výměník s měrným výkonem 640 W/K, který je součástí zásobníku. Samotný zásobník teplé vody má měrnou tepelnou ztrátu 1,58 W/K. Teplotní čidlo je umístěno v 70 % výšky zásobníku. Regulátor spíná tepelné čerpadlo pro ohřev vody při poklesu teploty na čidle pod 48 °C a vypíná tepelné čerpadlo při překročení teploty 52 °C.
Simulační analýza byla provedena v nástroji TRNSYS s využitím klimatických údajů databáze Meteonorm pro celkem 358 lokalit v Evropě, viz Obr. 2. Nejsevernější lokalita je Barentsburg v Norsku (GPS 78,1°N; 14,2°E), nejjižnější lokalitou je Funchal v Portugalsku (GPS 32,6°N; −16,9°W). Podmínky provozu tepelných čerpadel závisí na lokalitě, jednak teplotou studené vody během roku, která se lokalita od lokality liší, a v případě tepelných čerpadel vzduch-voda i přímo teplotou venkovního vzduchu, viz Obr. 3. Teploty klesají s rostoucí zeměpisnou šířkou a rostoucí nadmořskou výškou (výrazný pokles pro Alpské lokality okolo 48° severní šířky).
Obr. 3 Průměrná teplota venkovního vzduchu a studené vody během roku v uvažovaných lokalitách
Otopný výkon a elektrický příkon tepelných čerpadel byly modelovány kvadratickými funkcemi získanými z výsledků laboratorních zkoušek. V rámci simulace tepelných čerpadel byla uvažována některá provozní omezení (maximální a minimální provozní teplota kondenzátoru a výparníku, minimální doba mezi vypnutím a sepnutím tepelného čerpadla 10 min).
Simulační analýza
Potřeba tepla pro přípravu teplé vody se vlivem různé teploty studené vody v různých lokalitách liší. Potřeba tepla narůstá se zeměpisnou šířkou a nadmořskou výškou lokality. V horských oblastech na severu Evropy je dokonce potřeba tepla dvojnásobná oproti lokalitám v jižní Evropě, viz Obr. 4.
Obr. 4 Potřeba tepla na přípravu TV, tepelné ztráty zásobníku TV a spotřeba elektrické energie tepelného čerpadla vzduch-voda
Od jihu na sever roste spotřeba elektrické energie celého systému s tepelným čerpadlem vzduch-voda, která zahrnuje spotřebu tepelného čerpadla, oběhového čerpadla a záložního ohřívače. Opět jsou to především horské oblasti, které z jasného trendu vybočují a nacházejí se mezi 45° a 50° severní šířky. Spotřeba elektrické energie je pro stejnou zeměpisnou šířku v horské oblasti zhruba 1,5násobná oproti nížině. Obr. 4 také ukazuje na roční tepelnou ztrátu zásobníku teplé vody, která se snižuje s rostoucí zeměpisnou šířkou. Odráží to snižující se teplotu studené vody, která přitéká při odběru do zásobníku a ovlivňuje střední teplotu celého zásobníku, a tedy provozní podmínky tepelného čerpadla při ohřevu vody.
Obecně simulace tepelných čerpadel vzduch-voda a země-voda ukazují pro danou lokalitu podobné výsledky. Pro odlišení jsou proto na Obr. 5 znázorněny grafy sezónního topného faktoru SPF pro oba typy tepelných čerpadel zvlášť. Sezónní topný faktor systému je vyhodnocen jako
(1)
kde je
- QTV
- teplo odebrané ze zásobníku teplé vody [kWh];
- ETČ
- spotřeba elektrické energie tepelného čerpadla [kWh];
- EOČ
- spotřeba elektrické energie oběhového čerpadla [kWh];
- EZZ
- spotřeba elektrické energie záložního zdroje [kWh].
Obr. 5 Sezónní topný faktor tepelného čerpadla vzduch-voda (vlevo) a země-voda (vpravo) při přípravě teplé vody
Obr. 5 ukazuje, že efektivita tepelného čerpadla vzduch-voda v uvažovaných lokalitách má charakter normálního rozložení s vrcholem na hodnotě SPF = 3,0, zatímco efektivita tepelného čerpadla země-voda vykazuje dva vrcholy, jeden okolo hodnoty 2,9 a druhý okolo 3,1. Dále je možné z grafu vyčíst překvapivou souvislost, že tepelné čerpadlo země-voda vykazuje vyšší celoroční efektivitu než vzduch-voda v jižních oblastech, ale má mírně horší celoroční efektivitu v mírném a chladném pásmu.
Závěr
Efektivita tepelného čerpadla pro přípravu teplé vody je závislá na klimatických podmínkách nejen z důvodu přímého teplotního ovlivnění teploty na výparníku během roku, ale také vlivem různé teploty přiváděné studené pitné vody během roku v různých lokalitách. U tepelných čerpadel se v rámci lokalit v Evropě efektivita přípravy teplé vody vyjádřená sezónním topným faktorem SPF pohybovala mezi 2,4 až 3,1 u tepelného čerpadla vzduch-voda a mezi 2,0 až 3,2 u tepelného čerpadla země-voda. Z výsledků je zřejmé, že pro aplikaci celoroční přípravy teplé vody není mezi tepelnými čerpadly výrazný rozdíl. Průměrné hodnoty SPF se pohybují okolo hodnoty 3,0. Zároveň jsou průměrné hodnoty v dobré korelaci s cílovými hodnotami uvedenými pro přípravu teplé vody v normě ČSN EN 15450 [4].
Poděkování
Tento článek byl vytvořen se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Národní centra kompetence I.
Literatura
- EHPA. European Heat Pump Market and Statistics Report 2015 Executive Summary, pp. 7–10, 2015.
- MIARA, M. Efficiency of Heat Pumps in Real Operating Conditions – Results of three Monitoring Campaigns in Germany, REHVA HVAC Journal, vol. 51, pp. 5–12, 2014.
- Nařízení Komise 814/2013 – požadavky na ekodesign ohřívačů vody a zásobníků teplé vody. Brusel 2013.
- ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly, ÚNMZ, 2011.
Seznam označení
- E
- spotřeba elektrické energie [kWh]
- QTV
- potřeba tepla na přípravu teplé vody [kWh]
- SPF
- sezónní topný faktor [–]
The paper deals with the influence of climatic conditions on the efficiency of operation of air-water and ground-water heat pumps in domestic hot water preparation. Simulation analysis was performed for domestic hot water abstraction by a family of four in different climatic locations in Europe. It has been found that the efficiency of both types of heat pumps does not differ substantially. The surprising conclusion is that the considered ground-water heat pumps are slightly more efficient in hotter regions for hot water preparation, while air-water heat pumps are slightly more efficient in climatically mild and colder locations.