Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 6.: Návrhový teplotní spád a průtok otopné vody

1. Návrhový teplotní spád

Běžně používaný teplotní spád otopné vody u tepelných čerpadel určených pro vytápění je 5 až 8 K (Kelvin, v případě rozdílu teplot je to číselně shodné s rozdílem teplot ve °C), maximálně se volí až 10 K. Vyšší teplotní spád se obecně nedoporučuje.

Vliv na spotřebu kompresoru

Proč tomu tak je? Důvodem je, že teplotu otopné vody na výstupu z kondenzátoru „sleduje“ i tzv. kondenzační teplota chladiva. Právě největší část tepla z chladiva do otopné vody přechází při kondenzaci chladiva. Kondenzační teplota chladiva je tak vlastně nepřímým vyjádřením kondenzačního tlaku, je s tlakem spojena. Čím vyšší musí být kondenzační teplota, tím vyšší musí být i kondenzační tlak a tím vyšší tlakový rozdíl, mezi kondenzací chladiva a odpařováním chladiva, musí kompresor překonávat. A tím větší bude i spotřeba elektrické energie na pohon kompresoru. Proto není vhodné pro žádanou teplotu zpátečky nadměrně zvyšovat teplotní rozdíl (spád) otopné vody na kondenzátoru, jelikož cílem je stlačit výstupní teplotu otopné vody a tedy kondenzační teplotu/tlak co nejníž s cílem zajistit co nejnižší spotřebu kompresoru.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 1.: Počet startů Přečíst článek

Vliv na průtok otopné vody

Pokud se jedná konkrétně o TČ vzduch/voda, má dodržení doporučeného rozdílu teplot 5 až 8 K při vytápění i vliv na průtok otopné vody při odtávání. Při odtávání se obrátí tok chladiva, které pak přes vodní výměník odebírá teplo z otopné vody a teplo předává přes lamelový výměník do na něm vytvořené námrazy. Přitom má TČ poměrně velký chladicí výkon s ohledem na výměníkem protékající otopnou vodu. To může za nižších teplot otopné vody v soustavě, například pokud do režimu odtávání přešlo TČ v době, kdy byla soustava v režimu útlumu způsobit, že příliš klesne teplota otopné vody v soustavě. Systém řízení TČ tento stav vyhodnotí jako nebezpečný, ohlásí chybu průtoku topné vody s cílem ochránit vodní výměník před jeho zamrznutím při odtávání. Bez ukončeného odtávání však TČ není schopno efektivního provozu, a proto odtávání dále pokračuje s teplem, které však vyrobí záložní zdroj tepla, nejčastěji elektrokotel. Tedy bez podílu tepelné energie odebrané ze vzduchu a zbytečně draze.

1.1 Vliv změny průtoku otopné vody kondenzátorem při konstantní teplotě zpátečky

Jak se mění kondenzační teplota JR1 v závislosti na průtoku otopné vody při konstantní teplotě zpátečky TC0 je znázorněno na grafech na obr. 1.

Obr. 1 Vliv velikosti průtoku otopné vody V_s kondenzátorem tepelného čerpadla na průběh teploty na kondenzátoru při konstantní teplotě TC0 zpátečky otopné vody v porovnání se stavem při jmenovitém průtoku V_j (uprostřed)

Když je skutečný průtok kondenzátorem V_s menší (na obr. 1 graf vlevo) než jmenovitý V_j (na obr. 1 graf uprostřed), při stejné vratné teplotě otopné vody TC0 naroste výstupní teplota otopné vody TC3, protože do menšího množství protékající otopné vody z chladiva přestoupí stejné množství tepla (pozn.: jak roste výstupní teplota TC3, tak ve skutečnosti topný výkon stroje vzhledem k nižšímu průtoku klesá). Proto také naroste kondenzační teplota/tlak JR1 („sleduje“ teplotu TC3) na konečnou teplotu horkých par TR6. Když je naopak skutečný průtok kondenzátorem V_s větší než jmenovitý V_j (na obr. 1 vpravo), bude dosaženo nižší teploty TC3, tedy i nižší kondenzační teplota/tlak JR1. Zvýšením průtoku otopné vody přes kondenzátor pro danou vstupní teplotu TC0 tedy sice klesne kondenzační teplota/tlak JR1 a také příkon kompresoru, ale to nemusí vždy automaticky znamenat nárůst topného faktoru. Protože zároveň vzroste příkon oběhového čerpadla. Teplota TR3 je teplota již zkondenzovaného chladiva na výstupu z kondenzátoru a teplota TR6 je teplota horkých stlačených par chladiva na výtlaku kompresoru.

Obecně lze říct, že pro konstantní teplotu zpátečky TC0 při rostoucím průtoku klesá spotřeba kompresoru, protože klesá teplota TC3 a tedy i kondenzační teplota/tlak JR1, ale nezapomeňme na růst příkonu oběhového čerpadla otopné vody, které má snižující vliv na topný faktor. Obecně lze předpokládat, že zvýšení příkonu oběhového čerpadla vlivem zvýšení průtoku topné vody bude menší než pokles příkonu kompresoru, a tak poroste topný faktor. Ale záleží na velikosti změny, která nemusí být v konečném výsledku vždy pozitivní, neboť ji neovlivňuje jen hydraulická ztráta kondenzátoru, ale i napojené otopné soustavy, vlastnosti použitého chladiva aj.

1.2 Vliv změny průtoku otopné vody kondenzátorem při konstantní výstupní teplotě

Zajímavé je se podívat na vliv změny průtoku otopné vody i z druhé strany, kdy je naopak konstantní výstupní teplota otopné vody TC3 (viz obr. 2). Pokud se při stejném množství tepla přenášeného chladivem zvyšuje průtok otopné vody (na obr. 2 graf vpravo) oproti jmenovitému (na obr. 2 graf uprostřed), roste i teplota zpátečky TC0. To vyústí v růst kondenzační teploty/tlaku chladiva JR1 na výtlaku kompresoru, a tedy růst příkonu nejen kompresoru, ale i oběhového čerpadla. Takže se zvyšujícím se průtokem otopné vody bude klesat topný faktor stroje. Zmínili jsme „stejné množství tepla přenášeného chladivem“, ale jak roste teplota TC0 při konstantní TC3, tak roste i kondenzační tlak/teplota JR1, takže ve skutečnosti i o něco klesá topný výkon stroje, čili množství tepla předávaného v čase do otopné vody.

Obr. 2 Změny průtoku otopné vody vs. teploty na kondenzátoru při konstantní teplotě otopné vody na výstupu z kondenzátoru TC3

2. Shrnutí

Z rozborů v odstavcích 1.1 a 1.2 je zřejmé, že není možné „od boku“ říct, jak se změní topný nebo chladicí faktor stroje, když zvýšíme nebo snížíme průtok otopné vody a provedeme adekvátní úpravu topné křivky (úpravou žádaných teplot otopné vody) dokud neřekneme, zda změny popisujeme pro konstantní výstupní teplotu TC3 nebo zpátečky TC0.

Lze konstatovat, že pro každý topný systém s TČ s určitou hydraulickou charakteristikou a velikostí otopných ploch, které spolu s průtokem určují požadovanou výši teploty otopné vody, respektive její střední hodnotu na otopné ploše, existuje ideální nastavení průtoku otopné vody a otopné křivky, kterým se v rámci topného období dosáhne nejvyššího možného topného faktoru COP/SPF neboli co nejnižší spotřeby elektrické energie.

Aby se takový ideální stav našel, musely by se pro každý dům v co nejdokonalejším výpočetním programu zadat všechny parametry otopné soustavy (hydraulické, teplotní, tepelné), parametry tepelného čerpadla (jak při běžícím tak stojícím kompresoru), oběhových čerpadel, průběh venkovních teplot a jejích trvání v topné sezoně, tepelně technické vlastnosti všech stavebních konstrukcí vytápěného domu a pak by, s přesností danou přesností zadaných hodnot i použitých matematických popisů všech dějů, na konci vyšlo ono „ideální nastavení“ průtoku otopné vody a topných křivek. Na toto samozřejmě v praxi není prostor, nikdo se tímto takto detailně nezabývá. Je to logické, protože takový přesný a detailní výpočet, či spíše simulace budoucího reálného stavu, je časově náročná a nákladná s ohledem na cenu software a cenu práce odborníka, který toto umí, a nakonec ne vždy jsou i k dispozici všechny potřebné údaje s potřebnou přesností.

V praxi se dělá to, že se nastaví požadovaný rozdíl teplot otopné vody na kondenzátoru při vytápění a přípravě teplé vody podle doporučení výrobce a topná křivka se nastaví pokud možno co nejníže. Teprve následně, již během reálného provozu, se doladí průběh topné křivky ke spokojenosti provozovatele tepelného čerpadla, který chce mít ideálně přibližně stejnou vnitřní teplotu za každé venkovní teploty. Teplotní spád v otopné soustavě se obecně mění v závislosti na rozdílu teplot mezi topnou vodou a teplotou vzduchu a teplotní spád na kondenzátoru držíme obvykle mezi 5 až 8 K dle nastavení servisního technika.

Někteří výrobci tepelných čerpadel umožňují provoz svých strojů i s vyšším teplotním spádem, až 20 K. Při využití takového teplotního spádu je nutné si uvědomit výše uvedené souvislosti. Velký teplotní spád na kondenzátoru, a tedy významně snížený průtok otopné vody kondenzátorem představuje i zvýšené riziko výskytu poruchových stavů s ohledem na náhlé změny v odběru tepla napojenou soustavou. Neboť změny se projevují mnohem většími změnami teplot, a tedy i tlaků, oproti stavu s vyšším průtokem a pak záleží i na tom, jak je řešen hydraulický systém v rámci tepelného čerpadla a napojené soustavy, aby nedocházelo ke vzniku havarijních stavů.