Projektuj tepelná čerpadla, 3. díl – Příprava teplé vody
Aplikace „Projektuj tepelná čerpadla“ společnosti GT Energy řeší výběr tepelného čerpadla, návrh přípravy teplé vody, aktivní nebo pasivní chlazení, otázky hluku, schéma zapojení a prezentuje časté chyby. Pracuje s 21 typy elektrických a plynových TČ. Článek se zaměřuje na přípravu teplé vody.
- Projektuj tepelná čerpadla, 1. díl – Co vše aplikace obsahuje
- Projektuj tepelná čerpadla, 2. díl – volba výkonu zdroje tepla
Oddělení přípravy teplé vody od vytápění
Základním pravidlem pro přípravu teplé vody je její teplotní oddělení od vytápění, neboť příprava teplé vody vyžaduje jiné teploty otopné vody než vytápění. Tepelné čerpadlo prioritně ohřívá vodu v zásobníku na potřebnou, konstantní a zpravidla vyšší teplotu. Sekundárně ohřívá otopnou vodu pro vytápění na zpravidla na nižší teplotu měnící se podle klimatických podmínek. To je řešeno trojcestným přepínacím ventilem. Použití sdružených akumulačních nádob pro vytápění s vestavěným ohřevem teplé vody degraduje energetickou efektivitu TČ, neboť musí trvale udržovat vysokou teplotu otopné vody, přestože pro vytápění by stačila nižší. Takto řešené soustavy poskytují buď nízkou teplotu teplé vody, nebo zhoršují topný faktor a zvyšují spotřebu elektřiny pro vytápění.
Obr. Doporučený způsob rozdělení přípravy teplé vody od vytápění, příklad pro rodinný dům
Obr. Nedoporučený, respektive energeticky méně výhodný způsob sloučené přípravy teplé vody a vytápění
Příprava teplé vody pro rodinný dům
Pro správný návrh výkonu tepelného čerpadla, je k tepelné ztrátě budovy potřebné ve většině případů započítat i výkon pro přípravu teplé vody. U velmi dobře zateplených objektů, nyní v povinném standardu NZEB, může být potřeba tepla pro teplou vodu stejná nebo dokonce i vyšší, než je potřeba tepla pro vytápění.
Příprava většího množství teplé vody
Obr. Příklad vysokoteplotního TČ vzduch-voda pro přípravu teplé vody
I zde je základním pravidlem teplotní oddělení od systému vytápění. Prakticky všechna běžná tepelná čerpadla jsou určena pro vytápění a přípravu teplé vody. Výrobci ale počítají s tím, že tepelné čerpadlo bude převážně vytápět a jen část provozního času bude ohřívat teplou vodu v zásobníku na maximální dosažitelnou teplotu 55 až 65 °C. Trvalý celoroční provoz na takto vysoké teploty, a to znamená činnost kompresoru při vysokých tlacích chladiva, značně zkracuje životnost kompresorů.
Pokud je tedy v objektu provozováno více tepelných čerpadel, je výhodnější rozložit přípravu teplé vody rovnoměrně mezi všechna tepelná čerpadla, než pro ni vyčlenit jen jedno nebo část z nich, případně pro přípravu teplé vody zvolit tepelné čerpadlo konstruované speciálně pro tento účel. Při požadavcích na přípravu více než 3 000 litrů teplé vody denně lze využít specializovaná vysokoteplotní tepelná čerpadla, která dosahují výstupních teplot vody až 90 °C a výrazně vyššího topného faktoru než tepelná čerpadla určená i pro vytápění.
Konstrukce zásobníků
Obr. Optimalizaci provozu a návrh výkonu tepelných čerpadel umožňuje zásobník. V tomto případě velkého odběru teplé vody byla realizována kaskáda zásobníků s celkovým objemem 20 000 litrů.
Pro zásobník využitelný ke spolupráci s TČ je zásadním požadavkem zvětšená teplosměnná plocha výměníku, neboť rozdíl teplot mezi otopnou vodou a teplotou vody ohřívané bývá malý. Doporučením je respektovat pokyny výrobce tepelného čerpadla, jinak je nutný odborný posudek a návrh.
Lze využívat zásobníky s výměníkem uvnitř, jejichž činnost je závislá na přirozeném proudění ohřívané vody nebo výměníky externí, ve kterých se proudění zajišťuje čerpadly. V externích výměnících lze dosáhnout intenzívnějšího a přestupu tepla i při malých rozdílech teplot, a tedy vyšší energetickou efektivitu provozu tepelného čerpadla. Nevýhodou je nutnost použít oběhové čerpadlo, jehož pořizovací cena a provozní náklady však mohou být příznivě navráceny vyšší efektivitou činnosti TČ a snížením objemu zásobníku.
Velikost výměníku v zásobníku teplé vody
Potřebná plocha výměníku umístěného v zásobníku vody je přibližně:
- 0,28 m2/kW výkonu tepelného čerpadla (pro smaltované trubkové výměníky)
- 0,16 m2/kW výkonu tepelného čerpadla (pro nerezové trubkové výměníky)
Hodnoty platí pro zásobníky s rovnoměrně rozloženým výměníkem v celém zásobníku. Je nutné si ověřit, zda TČ bude mít i pro přípravu teplé vody za všech provozních a klimatických podmínek dostatečný provozní výkon a zároveň výměník tento výkon i přenese! A to takto:
- TČ vzduch-voda při podmínkách A20/W55 °C
- TČ země-voda a voda/voda při podmínkách B10/W55 °C
V případě, kdy tepelné čerpadlo funguje i pro aktivní chlazení se souběžnou výrobou tepla, tak při podmínkách B20/W55 °C.
U frekvenčně řízených tepelných čerpadel lze uvažovat i s nižším než maximálním výkonem, protože většinou lze nastavit maximální otáčky kompresoru při ohřevu vody. Ohřev vody pak ale trvá déle a výkon tepelného čerpadla může být v zimě nedostatečný.
Potřebný výkon pro přípravu teplé vody
U rodinných domů nejběžnějších parametrů se uvažuje potřeba tepla pro přípravu teplé vody ve výši 4,3 kWh (82 l) na osobu a den. Tomu odpovídá zvýšení výkonu zdroje tepla o 0,25 kW/osobu. Pro výpočet roční potřeby tepla se uvažuje s průměrnou potřebou 2,5 kWh (48 l) na osobu a den.
U velkých rodinných domu s malým počtem obyvatel nebo nezateplených budov s tepelnou ztrátou nad 10 kW není potřebné výkon zdroje tepla kvůli přípravě teplé vody navyšovat, protože potřebný výkon je vůči tepelné ztrátě budovy malý, tvoří méně než 30 % výkonu pro vytápění.
Pokud se využívá jako zdroj tepla tepelné čerpadlo pouze pro přípravu TV, je vhodné podobně jako pro vytápění, uvažovat bod, kdy výkon TČ nedosahuje 100 % špičkového požadavku (bod bivalence) a špičku pokrýt druhým zdrojem. Výkon TČ lze určit jako 60–80 % požadovaného špičkového výkonu nebo podrobněji pomocí průměrných potřeb TV v rámci energetické bilance (tak aby TČ připravovalo množství vody v průměrném dni). Pro stanovení průměrného dne (roční energetické bilance) slouží norma ČSN EN 12831-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy.
Společnost GT ENERGY s.r.o. se zabývá zpracováním energetických koncepcí a dále návrhem a dodávkami úsporných technologií pro vytápění, ohřev teplé vody, chlazení a zpětné využití odpadního tepla. Pro nové budovy zabezpečuje návrhy energetické koncepce ...