Aby tepelné čerpadlo běželo podle plánu…
Obr. 1 Správně navržená a nainstalovaná tepelná čerpadla jsou efektivním a ekologickým řešením pro vytápění a chlazení.
Pro efektivní provoz tepelného čerpadla je rozhodující správný a vhodný návrh. Tento článek popisuje přehled nejdůležitějších kroků na příkladu návrhu tepelného čerpadla vzduch/voda.
Ve zkratce
- Dá se očekávat, že v budoucnu bude při modernizaci topných systémů větší poptávka po tepelných čerpadlech a jejich podíl na prodeji zdrojů tepla celkově výrazně vzroste.
- Se správným know-how pro návrh topných systémů s tepelnými čerpadly se na tomto růstu budou podílet projektanti a montážní firmy.
- Výrobci tepelných čerpadel dodávají nejen potřebné komponenty topného systému, ale poskytují i technickou podporu již ve fázi návrhu a projektování.
Vypočítat potřebu energie, určit správně bod bivalence, přizpůsobit hydraulické zapojení pro použití tepelného čerpadla – plánování a projektování systému tepelného čerpadla není zrovna triviální. Pokud se ale projektant a odborný montážník návrhem systému s tepelnými čerpadly pravidelně zabývá, je pak schopen ho provést rychle a efektivně.
Výhodou je, že tepelná čerpadla jsou jednou z klíčových technologií pro ekologicky šetrné a energeticky úsporné vytápění. Tyto zdroje tepla patří budoucnosti, a to díky schopnosti je provozovat na elektřinu vyrobenou z obnovitelných zdrojů a provoz tak může být převážně CO neutrální.
Z prodejních čísel je patrný jasný trend: Podle statistik prodeje MPO bylo v této zemi v roce 2020 nově instalováno kolem 24 000 tepelných čerpadel, což je přibližně dvojnásobný nárůst za posledních 5 let.
Z celkového počtu prodaných zdrojů tepla v roce 2020 tvořila více jak 15 % tepelná čerpadla. Prodej plynových kondenzačních kotlů tvořil necelé dvě třetiny. Tento poměr se ale v budoucnosti bude i nadále posouvat ve prospěch tepelných čerpadel.
Pro projektanty TZB a společnosti specializované na HVAC to znamená, že prohlubování znalostí ohledně návrhů a projektování tepelných čerpadel je investicí do budoucnosti.
Tento článek poskytuje přehled o nejdůležitějších krocích při plánování a návrhů otopné soustavy s tepelným čerpadlem, zde konkrétně s tepelným čerpadlem značky Buderus Logatherm WLW196i AR.
Krok za krokem až do cíle
Každá projekční nebo montážní firma může mít trochu jiné postupy nebo pomůcky pro správný návrh. V podstatě se však doporučují následující kroky:
- Jaká je výše investic investora
- Potřeba energie má být vypočtena pro
- Vytápění; přibližný výpočet (m2 × W/m2) nebo tepelná ztráta dle DIN EN 12 831
- Ohřev teplé vody; přibližný výpočet (počet osob × 0,2 kW = přičte se k tepelné ztrátě/potřebě tepla na vytápění) nebo dle DIN 4708
- Chlazení; formulář nebo VDI 2078
- Dimenzování a projektování tepelného čerpadla
- Zohlednění blokovacích časů od dodavatele energie
- Definice provozu (monoenergetický nebo bivalentní provoz, velikost bivalentního zdroje, typ otopné soustavy)
- Výběr zařízení
- Hydraulické zapojení dle vybraného typu tepelného čerpadla
- S nebo bez integrovaného ohřevu teplé vody
Krok č. 1: Minimální objem pro bezchybný provoz
Aby byla zajištěna funkce tepelného čerpadla a zabránilo se nadměrnému počtu startů kompresoru, neúplnému odmrazování a zbytečným provozním alarmům, musí být v systému uloženo dostatečné množství energie. . Tato energie efektivně získaná činností tepelného čerpadla je uložena v množství vody, která je jak v otopné soustavě, tak v jejich komponentech jako jsou otopná tělesa a podlahová otopná plocha.
Každý systém potřebuje odpovídající cirkulující minimální objem vody. Vzhledem k tomu, že požadavky na instalace tepelných čerpadel a různých napojených otopných soustav se značně liší, není vhodné specifikovat minimální objem vody v litrech. Objem vody v systému považujeme za dostatečný, pokud jsou splněny určité podmínky.
Výrobce tepelných čerpadel tyto podmínky specifikuje v závislosti na konkrétním řešení otopné soustavy a výkonu tepelného čerpadla. Například Buderus doporučuje plochu podlahového vytápění alespoň 6 m2, plně otevřenou bez regulačních hlavic pro tepelné čerpadlo vzduch/voda Logatherm WLW196i AR o výkonech 6 až 8 kW. Tato podmínka platí pro okruh podlahového vytápění v soustavě bez akumulačního zásobníku. Ve výkonových variantách 11 až 14 kW je zde doporučeno minimálně 22 m2 podlahového vytápění plně otevřeného bez regulačních hlavic. Aby se ušetřilo co nejvíce energie a zabránilo se spínání elektrického dotopu při odmrazování, doporučuje se v tomto případě alespoň 30 m2 do výkonu WLW196i 8 AR a 100 m2 podlahového vytápění plně otevřeného bez regulačních hlavic do výkonu WLW196i 14 AR.
Podobné podmínky jsou uvedeny např. pro otopné soustavy s otopnými tělesy bez směšovacího ventilu a akumulační nádrže s minimálním počtem otopných těles. Je důležité, aby podlahová otopná plocha a otopná tělesa nebyla uzavírána a aby těmito plochami byl vždy zajištěn dostatečný průtok. V těchto případech je nezbytné tepelné čerpadlo doplnit o měření teploty prostoru za pomoci prostorového termostatu (např. RC100(H)). Pokud je výsledná teplota vyšší než požadovaná, žádný ventil se neuzavírá, ale topná křivka se plynule upravuje dle aktuální situace.
Krok č. 2: Vypočítejte potřebu energie
Pro správné dimenzování tepelného čerpadla je základem mít znalost o potřebě energie: Pokud se spočítá špatně, zdroj tepla nevyrobí dostatek energie a může pak dojít k tepelné nepohodě, tedy poklesu vnitřní teploty. Pokud je zdroj tepla předimenzovaný, je zbytečně investičně dražší, rostou náklady na energii, může docházet k velkým počtům startů kompresoru a provoz se může stát neekonomickým.
Zde se tepelná ztráta určuje dle DIN EN 12 831. Níže uvedené metody jsou vhodné pro „hrubé“ posouzení, nenahrazují však podrobný individuální výpočet a návrh od projektanta.
Ve stávajících nemovitostech lze při modernizaci otopné soustavy odhadnout tepelnou ztrátu, nebo potřebu tepla na vytápění, pomocí spotřeby paliva původního zdroje tepla. Pomocí rovnice 1 pro vytápění plynem:
a…období (počet let)
U vytápění olejem je spotřeba udávaná v litrech.
Příklad: K vytápění domu bylo v posledních 10 letech spotřebováno celkem 30 000 litrů topného oleje. Jak velká je tepelná ztráta?
Průměrná spotřeba topného oleje za rok činí:
Tepelná ztráta (potřeba tepla)
Aby se kompenzoval vliv extrémně chladných nebo teplých let, spotřebu paliva lze zprůměrovat za několik let.
Výpočet potřeby tepla na ohřev teplé vody
Potřeba energie na ohřev teplé vody (dříve používán pojem teplé užitkové vody) je obvykle stanovena na 0,2 kW/osobu za předpokladu, že osoba odebere maximálně 80 až 100 l teplé vody o teplotě 45 °C za den. Pokud tepelné čerpadlo nemá ohřívat teplou vodu v projektovaném bodě (při venkovní výpočtové teplotě, např. pro Prahu −12 °C), nemusí se k tepelné ztrátě připočítávat potřeba energie na přípravu teplé vody.
Je třeba vzít v úvahu i cirkulační potrubí, protože to značně zvyšuje tepelnou ztrátu pro přípravu teplé vody v závislosti na délce vedení a kvalitě izolace. Pokud je užitná plocha mezi 100 a 150 m2 a rozvod probíhá v rámci tepelné obálky budovy, jsou roční plošné tepelné ztráty podle stavebního energetického zákona (GEG) následující:
- s cirkulací: 9,8 kWh/(m2 ∙ a)
- bez cirkulace: 4,2 kWh / (m2 ∙ a)
a… rok
Obr. 2 Reverzibilní tepelná čerpadla jako Logatherm WLW196i AR S+ od firmy Buderus jsou vhodná i pro chlazení. Pro správný návrh je třeba určit tepelnou zátěž.
Výpočet potřeby energie na chlazení
Pokud se jedná o reverzibilní tepelné čerpadlo (obr. 2), které má být určeno i pro provoz chlazení, musí být podle toho i navrženo.
Chlazení může být provozováno buď pomocí podlahového vytápění nebo fancoilů. Tepelnou zátěž lze velmi přesně vypočítat podle VDI 2078 – jako alternativu nabízejí někteří výrobci formuláře pro přibližný výpočet.
Jeden takový formulář je možné najít v projekčních podkladech pro tepelné čerpadlo vzduch/voda Buderus Logatherm WLW196i, který projektant nebo zručný montážník jednoduše vyplní. Výpočet je založen na VDI 2078 a bere v úvahu sluneční záření procházející okny a venkovními dveřmi; stěnami, podlahami, stropem. Dále se berou v úvahu elektrická zařízení, která jsou provozu a také odvod tepla lidmi.
Celkový výkon pro chlazení pak vyplývá z jednotlivých tepelných zátěží.
Dbejte na blokovací časy dodavatele energie (vysoký a nízký tarif)
Blokovací časy jsou také důležité pro návrh: mnoho dodavatelů energií podporuje instalaci tepelných čerpadel prostřednictvím speciálních tarifů za elektřinu. Na oplátku za nižší ceny si vyhrazují právo stanovit doby blokování provozu tepelných čerpadel, např. pro odlehčení rozvodné sítě během energetických špiček.
V případě monovalentního (pouze kompresor – obvyklé v Německu) a monoenergetického (kompresor s elektrickým dotopem – obvyklé v České republice) provozu by mělo být tepelné čerpadlo dimenzováno odpovídajícím způsobem větší, aby bylo možné pokrýt potřebnou potřebu tepla na jeden den i přes blokovací doby. Protože v praxi nejsou nikdy vytápěny všechny místnosti a nejnižších venkovních teplot je dosaženo jen zřídka, je třeba počítat pouze s relativně malým dodatečným výkonem: osvědčilo se zvýšit výkon tepelného čerpadla při návrhu o 10 % (se čtyřmi hodinami vysokého tarifu) a 15 % (šest hodin vysokého tarifu).
V bivalentním provozu jsou doby blokování obecně irelevantní, protože pak se může spustit druhý zdroj tepla.
| Vysoký tarif (h) | Dodatečný výkon (%) k tepelné ztrátě |
|---|---|
| 2 (obvykle u tarifu pro TČ v ČR) | 5 |
| 4 | 10 |
| 6 | 15 |
Krok č. 3: Návrh a plánování tepelného čerpadla
Jakmile je stanovena tepelná ztráta (případně potřeba energie) a tepelná zátěž (solární zisky), začíná vlastní projektování tepelného čerpadla, obvykle v monovalentním, monoenergetickém nebo bivalentním provozním režimu.
| Příklad návrhu tepelného čerpadla | |
|---|---|
| Požadovaný výkon na vytápění, 150 m2 obytná plocha, tepelná ztráta 30 W/m2 pro venkovní výpočtovou teplotu −12 °C |
4 500 W |
| Požadovaný výkon pro přípravu TV (4 osoby) | 800 W |
| Součet | 5 300 W |
| Vysoký tarif 4 hod | +10 % |
| 5 830 W = 5,8 kW | |
Monovalentní provoz: V monovalentním provozu tepelné čerpadlo pokrývá celou potřebu tepla na vytápění budovy a ohřev teplé vody. Toto provedení je u tepelných čerpadel vzduch/voda spíše neobvyklé.
Monoenergetický provoz: V monoenergetickém provozu tepelné čerpadlo pokrývá většinu potřeby tepla na vytápění a ohřev teplé vody. Elektrický integrovaný kotel se spustí, pokud tepelné čerpadlo nestíhá plnit požadavek na vytápění a ohřev TV. Tepelné čerpadlo by mělo být navrženo tak, aby bod bivalence pro bivalentně-paralelní nebo monoenergetický provoz byl okolo −5 °C. V tomto bivalentním bodě, podle DIN 4701 část 10, připadá na tepelné čerpadlo asi 98 % práce na vytápění. Elektrický dotop pak musí přispívat pouze 2 %, aby doplnil vytápění a ohřev TV podle potřeby postupným dodáváním požadovaného výkonu.
Bod bivalence je venkovní teplota, od které se postupně připíná záložní zdroj tepla. Do této teploty tepelné čerpadlo pokryje potřebu tepla samo s výjimkou podpory v rámci odtávaní.
Elektrický dotop integrovaný v tepelném čerpadle vzduch/voda Logatherm WLW196i má maximální výkon 9 kW. Tento maximální výkon lze použít pouze v režimu čistě pomocného vytápění. Je důležité navrhnout tepelné čerpadlo tak, aby byl dodán co nejnižší podíl elektrické topné energie. Tepelná čerpadla s jednoznačně příliš nízkým výkonem pracují s vysokým podílem provozu elektrického dotopu, což je samozřejmě nežádoucí. Tento provoz vede k vyšším nákladům na elektřinu v závislosti na tarifu elektřiny za provoz tepelného čerpadla od dodavatele energie.
Bivalentní režim: V bivalentním režimu tepelné čerpadlo pokrývá většinu potřeby tepla na vytápění a ohřev teplé vody. Pokud tepelné čerpadlo nestíhá plnit požadavek na vytápění a ohřev TV, spustí se záložní (bivalentní) zdroj tepla, např. plynový, olejový či externí elektrický kotel.
Pro návrh tepelného čerpadla s bivalentním provozem je důležité určit bod bivalence. Venkovní výpočtové teploty v České republice závisí na místních klimatických podmínkách. Protože je ale venkovní teplota pod −5 °C v průměru jen asi 20 dní v roce, je k podpoře tepelného čerpadla zapotřebí další zdroj tepla, jako je např. plynový kondenzační kotel, pouze několik dní v roce. V České republice se doporučují následující body bivalence podle DIN EN 12 831 (obr. 6).
| Venkovní výpočtová teplota °C | Bod bivalence °C |
|---|---|
| −18 | −4 … −7 |
| −15 | −4 … −6 |
| −12 | −3 … −6 |
Doporučené body bivalence v závislosti na venkovní výpočtové teplotě
U budov s nízkou potřebou tepla může být bod bivalence i při nižších venkovních teplotách.
Pro výběr vhodného tepelného čerpadla pro bivalentní provoz lze použít charakteristiky tepelného čerpadla, které ukazují výkon v závislosti na venkovní teplotě. Diagram (obr. 3). Výkonové křivky jsou uvedeny při 100% výkonu a pro teploty na výstupu 35, 45 a 55 °C.
Obr. 3 Výkonová charakteristika tepelného čerpadla WLW196i pro teplou na výstupu 45 °C
A = charakteristika budovy
Modrá linka – bod bivalence
Pro volbu vhodného tepelného čerpadla se do křivek tepelného výkonu v obr. 3 zanese charakteristika budovy A. Zjednodušeně ji lze zakreslit jako přímku mezi zjištěným potřebným výkonem v normovaném výpočtovém bodě (v příkladu −12 °C, 10 kW) a tepelným výkonem 0 kW při 20 °C. Pokud leží průsečík mezi charakteristikou budovy s křivkou tepelného výkonu v blízkosti plánované bivalentní teploty (v příkladu −7 °C), lze použít tomu odpovídající tepelné čerpadlo.
V příkladu zvolen typ WLW196i 8 AR. Podle velikosti vzdálenosti mezi křivkou tepelného výkonu (2) a charakteristikou budovy (A) v normovaném výpočtovém bodě, lze odečíst potřebný dodatečný výkon, který mají pokrýt elektrické topné tyče nebo plynový či olejový kotel.
Požadovaný celkový výkon ve standardním návrhovém bodě (topný výkon + požadavek na výkon pro ohřev TUV + navýšení za blokaci HDO) je 10 kW. Vybrané tepelné čerpadlo má ve standardním návrhovém bodě topný výkon 8 kW. Dodatečný výkon, který má vyrobit elektrický dotop (monoenergetický provoz) nebo druhý zdroj tepla (bivalentní provoz), vyplývá z rozdílu na 2 kW.
V tomto případě je stanovený bod bivalence kolem −7 °C. V teplotním rozsahu napravo od této bivalentní teploty pokrývá potřebu tepla pouze tepelné čerpadlo. V rozsahu teplot nalevo od něj odpovídá vzdálenost mezi křivkami (charakteristická křivka tepelného čerpadla a charakteristika budovy) požadovanému přídavnému topnému výkonu
Bod bivalence se posouvá v závislosti na typu budovy.
Charakteristika budovy protíná osu x v bodě při 20 °C. Podle VDI 4650 je definována tato teplota podle určitých typů domů. Jedná se tedy o teplotu, kdy už není třeba vytápět.
- Nízkoenergetický dům: 10 °C
- Nová budova: 12 °C
- Sklad: 15 °C
Pokud vezmete jednu z těchto hodnot v úvahu, charakteristika nezačne v bodě 0 kW a 20 °C, ale např. u novostaveb protne osu x již v 12 °C. Bod bivalence se pak posune mírně doleva. V tomto případě je možné zvolit menší tepelné čerpadlo.
Krok č. 4: Zvolte hydraulické zapojení systému
Obr. 4 Hydraulické zapojení systému s tepelným čerpadlem, přípravou teplé vody, akumulací a dvěma okruhy vytápění.
Hydraulická zapojení lze stáhnout na stránkách www.buderus.cz v sekci pro projektanty, jak ve formátu pdf, tak v dwg. Tato sekce je volně přístupná.
Při plánování hydraulického zapojení systému se zásadně rozlišuje mezi tepelným čerpadlem s integrovaným ohřevem TV a bez něj. V závislosti na situaci existují další možnosti – například externí kotel (bivalence) nebo integrovaný elektrický kotel u tepelných čerpadel bez integrovaného ohřevu TV.
Pro projektanty a montážní partnery je tak praktické, že nemusí při každém návrhu pokaždé vymýšlet a kreslit nová zapojení.
Výrobce a dodavatel nástěnných kondenzačních a stacionárních kotlů ve výkonech 1,9 - 1 200 kW. Palivo: zemní plyn, propan, extralehký topný olej. Zásobníkové ohřívače TV, regulační přístroje, solární systémy, tepelná čerpadla, kogenerační jednotky, otopná ...