Reklama

Výběr tepelného čerpadla podle vstupní a výstupní teploty

Ing. Josef Hodboď, TZB-info, redakce

Odborný

Shoda teplot přírodního zdroje tepla a teplot potřebných pro vytápění s možnými provozními teplotami tepelného čerpadla je zásadní. Pokud shoda není, přináší to další náklady a snižuje se účinnost vytápění a přípravy teplé vody.

Reklama

Na trhu se standardně nabízejí tyto čtyři druhy tepelných čerpadel:

vzduch–vzduch
vzduch–voda
voda–voda
země–voda

Pro vytápění lze teoreticky využít všechny nabízené druhy tepelných čerpadel. Pro přípravu teplé vody je nutné mít na výstupní straně vodu. Teoretické možnosti využití omezují konkrétní konstrukční vlastnosti tepelného čerpadla, především výkon kompresoru a výkony tepelných výměníků na vstupní a výstupní straně, vlastnosti chladiva, se kterým tepelné čerpadlo pracuje, rozsah teplot zdroje tepla a požadovaný rozsah teplot na výstupu z tepelného čerpadla. Ideálního výsledku nelze dosáhnout ani v případě, že budou na straně tepelného čerpadla splněny všechny předpoklady, ale nejsou splněny předpoklady na straně napojené otopné soustavy nebo systému přípravy teplé vody. Tepelné čerpadlo není totéž, co tradiční spalovací zdroj tepla.

Podívejme se na možné rozsahy teplot zdrojů tepla na vstupu a na výstupu z tepelného čerpadla.

Tab. Orientační rozsahy teplot přírodních zdrojů tepla na vstupu a potřebné teploty na výstupu tepelného čerpadla
Druh TČ	teplota zdroje tepla [°C]	požadovaná teplota na výstupu		maximální rozsah teplot mezi vstupem a výstupem [°C, K]
Druh TČ	teplota zdroje tepla [°C]	vytápění [°C]	příprava teplé vody [°C]	maximální rozsah teplot mezi vstupem a výstupem [°C, K]
vzduch–vzduch	−20 až 35	25 až 50	–	70
vzduch–voda	−20 až 35	25 až 80	35 až 60	100
voda–voda	5 až 20	25 až 80	35 až 60	75
země–voda	−5 až 15	25 až 80	35 až 60	85

Vstup

Pokud pomineme jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo odpadní teplo z výrobních procesů atp. a budeme uvažovat jen přírodní, obnovitelné zdroje, tak je zřejmé, že tepelná čerpadla pracující se vzduchem musí umět pracovat v nejširším rozmezí teplot. V rámci České republiky se vyskytují oblasti, ve kterých teplota vzduchu může po dobu více dnů klesnout i na −20 °C a oblasti, kde letní teplota vystoupá na 35 °C. Na vstupní, primární straně takového tepelného čerpadla tak jde o rozdíl pracovních teplot až 55 °C (respektive fyzikálně správně 55 Kelvinů, [K]), pokud uvažujeme s provozem tepelného čerpadla i v létě pro přípravu teplé vody. Pokud je zdrojem tepla přírodní voda, tak lze počítat s rozdílem teplot na vstupu asi 15 K. Pokud je zdrojem tepla zemní masiv, tak asi 20 K. K odnímání tepla ze zemního masivu se využívá směs vody a nízkotuhnoucí tekutiny (někdy se hovoří o solance, v německých textech sole, v anglických brine), neboť během roku může dojít k podchlazení okolního zemního masivu pod 0 °C.

Výstup

Na výstupní straně v případě vzduchu může být rozdíl teplot přibližně až 25 K, u vody při přípravě teplé vody asi 25 K a při vytápění až 55 K.

Pokud bychom nezměnili přístup k návrhu otopné soustavy a přípravy teplé vody založený na historických zkušenostech se spalovacími zdroji tepla, pak se dostáváme k rozsahu mezi nejnižší teplotou na vstupu a nejvyšší na výstupu až ke 100 K v případě tepelného čerpadla vzduch-voda, u země-voda až 85 K a u tepelného čerpadla využívajícího teplo z přírodních vodních zdrojů s rozdílem teplot až 75 K.

Rozdíl teplot a chladivo

Proč jsou rozdíly pracovních teplot tak důležité? Jejich význam souvisí s tím, že pracovní látka tepelného čerpadla, chladivo, musí být schopné se v rozsahu teplot na vstupu odpařovat a v požadovaném rozsahu teplot na výstupu kondenzovat. A přitom je žádoucí požadovaných stavů dosahovat s nejnižší možnou prací kompresoru. Podívejme se na několik příkladů různých chladiv.

Chladivo R410a, R32

U tepelných čerpadel je často používáno chladivo R410a. U tohoto chladiva, přestože jde o chladivo složené ze dvou látek (R32 a R125), se teplota varu a kondenzace prakticky shodují (u chladiv složených z více látek je běžný tzv. teplotní skluz, v tomto případě však velmi malý, pod 0,2 °C). Za běžného atmosférického tlaku 1 bar má R410a teplotu varu (tedy prakticky stejně i kondenzace) −51,6 °C. Při teplotě −7 °C se odpařuje či kondenzuje při tlaku cca 6,4 bar. Pro odpar při +2 °C je třeba tlak 8,5 bar. Pro kondenzaci při teplotě 35 °C je zapotřebí tlak 21,2 °C a pokud s tímto chladivem chceme získat teplotu kondenzace 50 °C, potřebujeme minimálně tlak 30,3 bar. U samostatně používaného chladiva R32 je to cca 31 bar. Je zřejmé, že čím větší je požadovaný rozsah teplot mezi vstupním zdrojem tepla a výstupem tepla, tím rapidněji narůstá rozsah tlaků, které musí být schopen kompresor vyrobit a těmto tlakům musí spolehlivě odolávat všechny části pracovního okruhu tepelného čerpadla s chladivem.

Pro doplnění významu slov „při co nejmenší spotřebě práce kompresoru“: Uvádí se, že teoretický výkon pracovního cyklu s chladivem R32 je o 12,6 % vyšší než s chladivem R410a. Bohužel se u chladiva R32 zvyšuje spotřeba energie na pohon kompresoru o 8,1 %, ale naštěstí i tak vzniká komplexní úspora energie 4,3 %.

Chladivo R290

V případě ekologického chladiva R290 (propan) se musí počítat s teplotou varu −42,1 °C při tlaku 1 bar. Teploty kondenzace okolo 50 °C s tímto chladivem dosáhneme již při tlaku okolo 17 bar a když jdou konstruktéři až na tlak například 31 bar, stejně jako viz výše u R410a a R32, tak se teplota kondenzace zvýší až na okolo 80 °C. Tyto příznivé vlastnosti R290 jsou dlouhodobě známé, ale širšímu využití bránila nutnost spolehlivě vyřešit důsledky jeho hořlavosti.

Chladivo R744

Jako plně ekologické chladivo je dnes považován oxid uhličitý CO₂, R744. Neničí ozónovou vrstvu, má ODP=0. Jeho potenciál skleníkové efektu GWP je 1. Za normální tlaku má teplotu varu −57 °C. Ještě při tlaku 26 bar je teplota varu (kondenzace) pouhých −11 °C, tedy stále příliš nízko, abychom ji pro vytápění mohli využít. Proto tepelná čerpadla s chladivem CO₂ pracují s mnohem vyššími tlaky, například až 130 bar. Musí mít tedy mechanicky mnohem odolnější konstrukci. I kompresory musí být konstrukčně přizpůsobené. Neboť na rozdíl od kompresorů pro ostatní chladiva musí být schopné pracovat i v tzv. nadkritickém pásmu. To je pásmo, ve kterém vzhledem k vysokému tlaku a teplotě mizí rozdíl mezi tekutinou a plynem. Pro CO₂ jde o teplotu 31 °C a tlak 73,7 bar. [6]

Nesoulad mezi schopností tepelného čerpadla a teplotami na vstupu a výstupu

Obr. S nejmenšími rozdíly teplot zpravidla pracují tepelná čerpadla země-voda, přičemž teplo může být jímáno prostřednictvím vrtu, zemního kolektoru nebo zemního koše. (Zdroj: Gerotop spol. s r.o.)

Vlastnosti chladiva zásadně předurčují schopnost tepelného čerpadla pracovat v požadovaném rozsahu teplot a s co nejmenším podílem mechanické práce kompresoru. Pro hromadnou výrobu tepelných čerpadel se využívají masově vyráběné komponenty. To znamená výměníky, tedy výparníky a kondenzátory, dále kompresory, expanzní ventily aj., které jsou navrženy pro práci s určitým chladivem a s určitými tlaky. Proto má většina na trhu dostupných tepelných čerpadel s určitým konkrétním chladivem poměrně podobný rozsah možných provozních teplot.

Pokud se tepelné čerpadlo dostává mimo rámec svých možných provozních teplot, musí se to řešit z části nebo i plně jiným zdrojem tepelné energie. Provoz s takovým pomocným zdrojem tepelné energie se nazývá bivalentní. V praxi jde nejčastěji o přímou přeměnu elektrické energie na tepelnou, tedy o průtok elektrického proudu odporovým vodičem (tzv. Jouleovo teplo), který je konstrukčně nejjednodušší. Ale může jít i o kotel na plyn, pevná paliva aj. Bohužel tato pomocná výroba tepelné energie probíhá bez neplaceného podílu energie z okolního prostředí.

Proto je při výběru tepelného čerpadla nutné zvážit, s jakými provozními teplotami bude muset pracovat. Naštěstí máme možnost rozdíl teplot snížit. Není to možné na vstupu, neboť tam jde o přírodní zdroje, ale na výstupu ano. Jde o kombinaci opatření snižujících spotřebu tepla v budově s návrhem otopné soustavy tak, aby postačoval provoz při co nejnižších výstupních teplotách a také jde o volbu provozního režimu. Požadavek nejnižší výstupní teploty nejčastěji plní otopné soustavy pracující na výstupu jen se vzduchem, kombinující proudění vzduchu a sálavý tok tepla (otopná tělesa – konvektory s ventilátorem) nebo sálavé velkoplošné systémy podlahové, stěnové a stropní. Takové soustavy lze navrhovat na maximální výstupní teploty z tepelného čerpadla okolo 45 °C, ale i méně.

Pokud nejde o tepelné čerpadlo pracující na výstupu se vzduchem, ale s vodou, pak je žádoucí ho využít i pro přípravu teplé vody. Hygienickým standardem je teplota teplé vody 55 °C. V bytových domech má být tento standard dodržen s tím, že v omezených případech může teplota dočasně poklesnout. Ohřátí vody na 55 °C přes výměník vyžaduje výstupní teplotu z tepelného čerpadla okolo 60 °C. V rodinných domech je možné připustit teplotu nižší, ale doporučuje se pravidelná dezinfekce zásobníku jeho krátkodobým ohřátím na teplotu vyšší jak 70 °C, což však umožňují jen některá chladiva, speciální konstrukce tepelných čerpadel nebo pomocný zdroj tepla s vyšší teplotou.

Rozsah provozních teplot a údaje výrobců

V technické dokumentaci výrobců tepelných čerpadel se běžně uvádí jejich výkony v určitých teplotních režimech. Například u tepelných čerpadel vzduch-voda bývá výkon uváděn v režimu A2/W35. To znamená při vstupní teplotě venkovního vzduchu 2 °C a výstupní teplotě otopné vody 35 °C. Tyto teploty odpovídají vlastnostem běžných chladiv i schopnostem běžných kompresorů a dalších konstrukčních částí a není důvodu se jimi hlouběji zabývat.

Trochu více je možné usoudit z údaje A-7/W35, který v podstatě pokrývá i nejstudenější měsíc otopné sezóny v roce s průměrnými teplotami různých míst v ČR přibližně mezi −1 až −6 °C. Údaj A-7/W35 může být zásadní s ohledem na návrh otopné soustavy, neboť říká, že při venkovní teplotě −7 °C by měla na vytápění stačit teplota otopné vody 35 °C. Instalace tepelného čerpadla by měla být spojena s projektem nebo přepočtem otopné soustavy a projektant by měl splnění této podmínky doložit výpočtem.

S ohledem na aktuální trend měnit tradiční spalovací zdroje tepla ve stávajících budovách, v podstatě beze změn na otopné soustavě, by mnohem více o schopnostech tepelného čerpadla zajistit vytápění řekl údaj A-7/W55, případně až A-7/W65. Bohužel, uvádět vlastnosti tepelných čerpadel v těchto podmínkách není běžné, byť se to jeví jako velmi potřebné.

I když výstupní teploty z tepelného čerpadla odpovídají potřebě přípravy teplé vody, nemusí to znamenat, že tepelné čerpadlo bude schopné teplou vodu připravovat každým okamžikem po celý rok. U tepelných čerpadel voda–voda nebo země voda to problém není, ale v případě tepelných čerpadel vzduch–voda se musíme zabývat i nejvyšší teplotou venkovního vzduchu. Není v posledních letech neobvyklé, že letní teploty vzduchu přes den přesahují 30 °C. Pokud má tepelné čerpadlo svým systémem řízení omezenou činnost do maximální teploty vzduchu 30 °C, je zřejmé, že musí být udělána doplňující opatření, aby se během takových dnů přesunula příprava teplé vody mimo denní dobu s vysokou teplotou a zásobník teplé vody se musí dimenzovat tak, aby několikahodinový výpadek činnosti tepelného čerpadla nesnížil komfort dodávky teplé vody. Přitom v období s nižšími teplotami venkovního vzduchu a zejména v zimě je naopak výhodné přípravu teplé vody směřovat právě do denních hodin s nejvyšší teplotou venkovního vzruchu.

Obr. Příklad některých technických údajů, které dokumentují schopnosti tepelných čerpadel v širším rozsahu vstupních a výstupních teplot mimo bivalentní provoz, tedy bez použití pomocného zdroje tepla (Zdroj: Vaillant)

V článku byly zmíněny příklady vlastností některých chladiv. U tepelných čerpadel s chladivem R290 lze v technické dokumentaci nalézt údaj o nejvyšším přípustném tlaku ve vysokotlakém okruhu chladiva, například 31,5 bar, to značí teplotu kondenzace tohoto chladiva okolo 80 °C. Pak nepřekvapí, že takové tepelné čerpadlo může mít na výstupu teplotu otopné vody až 75 °C, když se odpočte nezbytný rozdíl teplot mezi kondenzujícím chladivem a ohřívanou otopnou vodou ve výměníku – kondenzátoru. A to bez nutnosti využít bivalentní provoz s pomocným zdrojem tepla s vyšší teplotou.

Na trhu existují i dvojstupňová tepelná čerpadla, která vyšší výstupní teploty dosahují dvěma pracovními okruhy chladiva zapojenými za sebou. Výstupní výměník tepla – kondenzátor prvního stupně pak pracuje současně i jako vstupní výměník tepla – výparník druhého stupně. Tímto konstrukčním řešením se celkový rozdíl pracovních tlaků s určitým chladivem odpovídající požadované minimální vstupní teplotě přírodního zdroje tepla a maximální výstupní teplotě pro otopnou soustavu rozdělí na dva stupně, tedy dva pracovní okruhy a dva kompresory. Každý kompresor pak může mít i lépe přizpůsobenou konstrukci k jeho rozsahu pracovních tlaků. Teoreticky lze i do každého z okruhů použít jiné chladivo, ale z praktických důvodů to není v případě vytápění běžné.

V dokumentaci k některým tepelným čerpadlům lze někdy nalézt údaje o možné výstupní teplotě vyšší, než je zmíněno v odstavci popisujícím jeho vlastnosti při uvažovaném nejvyšším provozním tlaku chladiva, například u R410a okolo 31 bar. Příčinou je skutečnost, že reálné procesy nikdy neprobíhají ideálně tak, jak bychom si přáli. Co to znamená? Znamená to především to, že teplota par chladiva po jejich stlačení kompresorem musí být vždy o něco vyšší, než by ideálně stačilo. Je to nutná provozní rezerva s ohledem na nedokonalost konstrukce kompresoru, konstrukce kondenzátoru, činnosti čidel, regulace aj. A protože pak do kondenzátoru za kompresorem vstupují páry chladiva s teplotou vyšší, než je za daného tlaku teplota kondenzační, při vhodném konstrukčním řešení kondenzátoru a striktním dodržení teplotní stratifikace, teplotního rozvrstvení, lze na výstupu získat i teplotu vyšší. Je nutné si však uvědomit, že mezi množstvím tepelné energie získané jen ochlazením určitého hmotnostního množství par chladiva a množstvím tepelné energie získané ze stejného hmotnostního množství par změnou skupenství na kapalinu, je zásadní řádový rozdíl. I když tedy z kompresoru vystupují páry chladiva s vyšší teplotou, nelze od nich při jejich ochlazování očekávat stejný tepelný výkon, jako při jejich kondenzaci. A přitom platí, že přehřátí par chladiva by mělo být co nejnižší, neboť nepříznivě zvyšuje podíl práce kompresoru, a tedy energetickou efektivitu tepelného čerpadla.

Shrnutí

Nebylo cílem tohoto článku plně odkrýt a vysvětlit všechny souvislosti vyplývající z výše provozních teplot a jejich rozdílů, se kterými musí pracovat tepelné čerpadlo. Proto zde není pozornost primárně zaměřena na energetickou efektivitu tepelného čerpadla, která s teplotami a jejich rozdílem souvisí, ale jen na možný soulad či nesoulad mezi schopnostmi tepelného čerpadla a reálnými teplotními podmínkami. Pokud takový soulad panuje, bude i energetická efektivita tepelného čerpadla vysoká. Pokud se objeví nesoulad, tepelné čerpadlo přejde do bivalentního provozu s pomocným zdrojem tepla a energetická efektivnost klesne. V případě optimalizovaného návrhu a řešení bivalentního provozu může jít jen o několik procent vyšší spotřebu elektrické energie. Při hrubém podcenění i o desítky procent. Bohužel, v době enormního růstu přechodu na tepelná čerpadla, ale bez ověřování souladu podmínek a schopností, bez výpočtů, bez projektů a s primárním požadavkem na co nejnižší pořizovací cenu, je pravděpodobnost výskytu významně snížené energetické efektivity tepelných čerpadel v praxi vysoká.