Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 7.: Návrh hydrauliky soustavy

Proč je obvykle doporučováno udržovat teplotní spád na otopné vodě v soustavě s tepelným čerpadlem (TČ) v rozsahu okolo 5 až 8 K již bylo zmíněno v jiných částech seriálu článků Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel. S takto doporučeným teplotním spádem samozřejmě úzce souvisí průtok otopné vody odvislý od množství tepla, které je zapotřebí přenést do otopné soustavy. S tepelným čerpadlem se doporučuje vždy jako základní využít ekvitermní řízení teploty otopné vody. Neboť umožňuje co nejvíce snížit přívodní teplotu otopné vody, a to příznivě ovlivňuje topný faktor neboli energetickou efektivitu provozu tepelného čerpadla.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 6.: Návrhový teplotní spád a průtok otopné vody Přečíst článek

V rodinném domě, kde byly předávací otopné plochy, otopná tělesa nebo podlahové vytápění přesně navrženy podle požadavků na vytápění konkrétních místností, může ekvitermní řízení postačovat pro udržování tepelné pohody v místnostech. Někdy se však od přesného návrhu vzhledem k jeho časové náročnosti a sníženým tepelným ztrátám domů stavěných v požadovaném standardu budov s téměř nulovou spotřebou energií upouští a instalační firmy využívají spíše svůj ověřený stavebnicový návrh založený na zjednodušeném návrhu i s ohledem na jejich zkušenosti a spokojenost předchozích zákazníků. A zvláště tehdy, pokud jde o výstavbu velmi podobných domů. Nejen v takovém případě, ale například i při modernizační výměně starého zdroje tepla za TČ se instaluje individuální regulace vytápění v jednotlivých místnostech. A s ní souvisí škrcení průtoku otopné vody jako prostředku k omezení dodávky tepla do místnosti pro zabránění přetápění nebo i s cílem co nejvíce omezit náklady na vytápění.

1. Jak velké škrcení průtoku otopnou soustavou lze akceptovat

To, jak velké škrcení průtoku otopnou soustavou lze akceptovat, záleží na tom, zda jde o TČ s řízením výkonu ON/OFF nebo s plynulým řízením výkonu s frekvenčním měničem. Požadavky se liší napříč výrobci. Do určité míry se bezporuchový provoz TČ v případě škrcení průtoku otopné vody soustavou řeší hydraulickým zkratem v jeho nejrůznějších variantách.

Hlavní funkcí hydraulického zkratu je umožnit průtok topné vody skrz kondenzátor TČ nezávisle na průtoku v topném systému. Průtok otopné vody v napojené otopné soustavě se tak může do jisté míry škrtit, ale TČ si přes zkrat stále zajišťuje požadovaný průtok otopné vody kondenzátorem. Neustále však platí, že průtok otopnou soustavou se nikdy nesmí zcela uzavřít.

Pokud by se průtok otopnou soustavou zcela zavřel, není možné dosáhnout na teplotním čidle T0 za zkratem na přívodu do otopné soustavy požadované teploty topné vody podle ekvitermní křivky. V takovém případě by byl neustále v provozu kompresor, nebyla by splněna podmínka dosažení požadované teploty T0. Provoz kompresoru by ukončila až jeho tlaková ochrana, tzv. vysokotlaký presostat, což v podstatě značí přehřátí TČ.

Například IVT řešení regulace škrcením průtoku otopné vody se stroji pracujícími v režimu ON/OFF podporuje, pokud průtok v otopné soustavě s hydraulickým zkratem neklesne pod 40 % nominálního průtoku přes kondenzátor.

Zkrat může být řešen více způsoby. Podívejme se na nejběžnější případy.

1.1 Bez systémového oběhového čerpadla a bez hydraulického zkratu

Toto zapojení (viz obr. 3) je možné tam, kde se očekávají minimální zásahy ovlivňující průtok otopné vody (velmi malé škrcení průtoku). Ať už pomocí ručně ovládaných kohoutů, samočinných termostatických ventilů nebo termostatických ventilů s nejrůznějšími servopohony jak na otopných tělesech, tak na okruzích podlahového, stěnového nebo stropního vytápění. Např. IVT při tomto řešení pro ON/OFF stroj vyžaduje, aby průtok otopnou soustavou při jeho maximálním škrcení neklesl pod 70 % nominálního průtoku přes TČ. Jediné oběhové čerpadlo PC0 tak zajišťuje průtok přes kondenzátor stroje a otopnou soustavu. Tyto průtoky jsou tedy shodné.

Obr. 3 Zapojení s využitím jednoho oběhového čerpadla PC0, které je součástí TČ. Zapojení lze použít analogicky i v případě, kdy TČ neobsahuje oběhové čerpadlo na straně otopné vody, ale to je v současnosti jen mimořádný stav.

Pozor, někteří výrobci nepodporují takové zapojení, ani když průtok není příliš škrcený, a vyžadují zapojení minimálně dle varianty 2 (obr. 4). Například pokud je v konstrukci TČ využito výkonově relativně slabší oběhové čerpadlo PC0.

1.2 Se systémovým oběhovým čerpadlem a hydraulickým zkratem

Pokud může docházet k většímu škrcení průtoku v otopné soustavě nebo oběhové čerpadlo PC0 v konstrukci TČ nemá dostatečný výkon, lze využít schéma na obr. 4. To, jak velké škrcení průtoku se dá akceptovat, záleží na tom, zda jde o TČ s řízením ON/OFF nebo s frekvenčním měničem řízení pohonu kompresoru. Požadavky se liší napříč výrobci.

Například IVT toto schéma u ON/OFF stroje podporuje, pokud průtok v otopné soustavě neklesne pod 40 % nominálního průtoku přes kondenzátor.

Obr. 4 Zapojení s hydraulickým zkratem obsahující oběhové čerpadlo PC0 v TČ a oběhové čerpadlo PC1 jako součásti otopné soustavy

Někteří výrobci, výjimečně nad běžný rámec, využívají toto zapojení se zkratem například pro speciální předehřívací funkci při přípravě teplé vody. Důvodem této funkce je zabránit ochlazování zásobníku teplé vody při přechodu do režimu přípravy teplé vody, když je teplota ekvitermně řízené otopné vody nižší, než je teplota teplé vody v zásobníku. Zvýšení teploty otopné vody činností TČ chvíli trvá a po tuto dobu by se zbytečně snižovala teplota v zásobníku. Využitím této funkce tak mírně roste efektivita stroje do přípravy teplé vody. Jakmile vznikne požadavek na ohřev zásobníku teplé vody a teplota TC3 < TW1, zůstává 3cestný ventil VW1 stále otevřený směrem do otopného systému (nulový průtok do zásobníku teplé vody). Kompresor spolu s oběhovkou PC0 běží a otopná voda se následně přepouští zkratem zpět na kondenzátor tak dlouho, až se otopná voda nahřeje na teplotu TC3 mírně vyšší, než je teplota teplé vody TW1 v zásobníku a teprve pak se přepne 3cestný ventil VW1 do zásobníku teplé vody a probíhá běžný proces přípravy teplé vody tak, jak ho známe.

Důležité je zmínit, že pokud výrobce vyžaduje použití systémového oběhového čerpadla PC1 např. z důvodu nedostatečného výkonu čerpadla PC0, má hydraulický zkrat další úkol, a to „oddělit“ obě části s oběhovými čerpadly a vyrovnat hydraulické poměry, neboli má funkci termohydraulického rozdělovače (THR).

Oběhové čerpadlo PC0 jako součást TČ je většinou řízené podle delta-T (rozdílu teplot na kondenzátoru) signálem 0–10 Volt, popřípadě pulsně šířkovou modulací PWM. Systémové oběhové čerpadlo PC1 se obvykle nastavuje např. na konstantní otáčky, či konstantní rozdíl tlaků delta-P (dP-c) popř. na proměnný ale definovaný průběh rozdílů tlaků delta-P (dP-v). Při použití zkratu si tak může TČ držet nastavené delta-T na kondenzátoru a systémové oběhové čerpadlo PC1 pak udržuje provozní režim otopné soustavy a při vhodném návrhu se obě čerpadla vzájemně „neperou, nepřetahuji“ o otopnou vodu. Je nutné si uvědomit, že:

Zkrat negeneruje teplo ani je neodebírá!

Růst teploty otopné vody je dán výkonem kompresoru, schopností protékající otopné vody teplo z chladiva za daných teplot přebírat, případně i akumulovat a spotřebou tepla v soustavě.

2. Průtokové poměry na hydraulickém zkratu

V případě využití oběhového čerpadla jako součásti TČ a oběhového čerpadla jako součásti napojené otopné soustavy mohou vznikat různé stavy ve zkratu, případně na THR.

Pokud je průtok otopné vody přes TČ stejný jako průtok v otopné soustavě, pak přes hydraulický zkrat je průtok otopné vody nulový (obr. 5). Tento případ v praxi zřejmě nikdy nenastane, jde o teoretický případ. Další dvě varianty se v provozu vyskytují nejčastěji.

Obr. 5 Průtok otopné vody přes TČ je stejný jako průtok v topném systému, čili nulový průtok otopné vody přes zkrat

2.1 Průtok otopné vody přes TČ je větší než průtok otopnou soustavou

Pokud je průtok otopné vody přes kondenzátor větší než průtok otopnou soustavou (viz obr. 6), pak se výstupní voda z TČ o teplotě TC3 (červená) částečně přepouští zkratem a mísí se se zpátečkou z otopné soustavy (modrá). Tím se zvyšuje teplota zpátečky (modrá) do TČ (zelená). Přičemž teploty TC3 = T0 (pokud není aktivní elektrokotel).

Obr. 6 Průtok otopné vody přes TČ je větší než průtok topným systémem, a tak se otopná voda od TČ přepouští hydraulickým zkratem do zpátečky k TČ

2.2 Průtok otopné vody přes TČ je menší než průtok otopnou soustavou

Pokud je průtok otopné vody přes kondenzátor menší než průtok otopnou soustavou (viz obr. 7), zpátečka z otopné soustavy (modrá) se částečně přepouští zkratem, směšováním s otopnou vodou z kondenzátoru ji ochlazuje z teploty TC3, případně TC1 (teploty se liší, pokud je v činnosti elektrokotel), na teplotu T0 (T0 < TC3) (zelená).

Obr. 7 Průtok otopné vody přes TČ je menší než průtok otopnou soustavou, a tak se zpátečka z topného systému přepouští hydraulickým zkratem do přívodu

3. Hydraulický zkrat

Je zřejmé, že zkrat ovlivňuje pracovní teploty, a tedy i tlaky, se kterými musí pracovat kompresor TČ. Rovněž do určité míry ovlivňuje i potřebný výkon oběhových čerpadel.

Lze například namítnout, že se zvyšováním teploty zpátečky při průtoku přes TČ vyšším než v soustavě, klesá topný faktor stroje, anebo že vyšší průtok v soustavě než přes TČ, degraduje činnost TČ. Do určité míry tak může být. Ale význam závisí na velikosti „provinění“, tedy na tom, jak moc nebude činnost obou oběhových čerpadel odpovídat aktuálním potřebám okruhu kondenzátoru TČ a okruhu tvořeného otopnou soustavou. Než se učiní rozhodnutí, je nutné v prvé řadě udělat vše proto, aby se případné „přetahování“ okruhů nepřiměřenými výkony čerpadel minimalizovalo. Hodně pomůže výběr optimálního oběhového čerpadla do otopné soustavy, případně jeho nastavení. Detailní bilancování však v praxi nemá nikdo čas řešit, respektive vzhledem k jeho náročnosti ho neprovádí. Pokud jsou splněny základní předpoklady, tak přínos detailní analýzy není významný. Možných kombinací nastavení je totiž spousta. Musí se přihlédnout k tomu, že průtok soustavou bude často více škrcený, takže zkrat být osazen musí.

V podstatě jde o řešení analogické situace vznikající v kotelnách s kondenzačními kotli, kde jsou osazena oběhová čerpadla v kotlových okruzích a oběhová čerpadla v okruzích otopné soustavy. Směšování na zkratu, respektive termohydraulickém rozdělovači (THR) je v případě kondenzačních kotlů rovněž nežádoucí, zvyšuje teplotu zpátečky (snižuje stupeň kondenzace) nebo snižuje přívodní teplotu otopné vody od kotlů. Jenže vzhledem k měnícím se velikostem průtoků a potřebě je uspokojivě řešit se v praxi „zkraty“ běžně používají.

Ke směšování na zkratu docházelo, dochází a docházet bude. Základním předpokladem pro co největší omezení směšování je proto nastavit ekvitermní topnou křivku co nejníž s dodržením rozumného teplotního spádu na kondenzátoru 5 až 8 K (max. 10 K).

3.1 Nastavení a regulace hydraulického odporu zkratu

Součástí hydraulického zkratu u TČ s frekvenčně řízenými pohony kompresorů (inverter) nebývá ani žádná regulační armatura, kterou by se nastavoval hydraulický odpor tohoto zkratu s cílem zabránit jakémukoliv průtoku skrz něj. Čili jde jen o potrubí propojující přívod a zpátečku. Někdy se lze setkat s doporučením, že dimenze zkratu by měla být o dimenzi menší než potrubí „okolo“ zkratu, nebo např., že délka zkratu by měla být minimálně 10× průměr potrubí atd. Přístupy jsou v tomto různé, individuální, mnohdy se opírají o zkušeností z více instalací.

Důvod obvyklé absence regulační armatury ve zkratu je zřejmý. Průtoky se výrazně mění dle otáček frekvenčně řízeného kompresoru, respektive množství tepla, které přes kompresor v chladivu prochází, a na to se váže jak na provoz oběhového čerpadla v TČ, tak oběhového čerpadla v otopné soustavě. Zajistit rychlou, okamžitou a správnou regulaci hydraulického odporu je s ohledem na technické nároky poměrně dost složité, zvyšuje to investiční nároky, protože změn průtoku otopné vody v systému a přes TČ je hodně. Navíc TČ je na změny teplot (tedy i tlaků na straně chladiva) mnohem citlivější než kotel.

U ON/OFF strojů se do zkratu regulačně-uzavírací armatura někdy dává. Prakticky ji však nikdo cíleně nenastavuje, protože to buď neumí, anebo nezná hydraulické parametry všech částí soustavy, aby to mohl optimálně udělat.

Pro nastavení určité hydraulické ztráty ve zkratu by si teoreticky technik měl změřit 4 teploty. Dvě teploty před zkratem na straně TČ a další dvě teploty za zkratem na straně otopné soustavy. Pak by měl pomocí regulační armatury dosáhnout nulového průtoku zkratem. To pozná z teplot, tedy aby nedocházelo ke zvyšování teploty zpátečky nebo snižování teploty topné vody do soustavy. I když to vyžaduje určitý čas, který zpravidla žádný instalační technik nechce ztrácet, tak toto nastavení lze udělat jen pro jeden určitý stav průtoku v napojené otopné soustavě. Jenže pokud jsou v otopné soustavě instalovány nejrůznější regulační armatury na tělesech, okruzích vytápění, ty budou měnit svůj „škrtící“ efekt, tak se podmínky nastavení hydraulického odporu ve zkratu změní. Vše bude rázem jinak a vynaložená práce ohledně nastavování zkratu by přišla vniveč. Instalace pevně nastavitelné regulačně-uzavírací armatury do zkratu je tedy spíše jakási „pojistka“ pro případ, kdyby „odešlo“ oběhové čerpadlo uvnitř TČ. Po plném uzavření zkratu pak může oběh otopné vody, dočasně do opravy, do určité míry zajistit oběhové čerpadlo v otopné soustavě. To je asi jediný důvod, proč nějakou regulačně-uzavírací armaturu s ručním nastavením do zkratu vkládat.

4. Zapojení s akumulátorem tepla a oběhovým čerpadlem v soustavě

4.1 Akumulátor, zásobník tepla

Zapojení s akumulátorem tepla a oběhovým čerpadlem v soustavě (viz obr. 8) se vyplatí tam, kde hrozí velké až úplné uzavření průtoku otopnou soustavou ať už uživatelem domu na ručně ovládaných kohoutech, popřípadě samočinnými termostatickými hlavicemi na ventilech nebo i řízenými ventily se servopohony. Čidlo teploty T0 je osazeno v akumulátoru tepla a pak systém řízení (MaR) nebo i provozovatel sám může klidně vše zavřít a s TČ se nic špatného neděje. TČ dosáhne na čidle T0 v akumulátoru požadované teploty otopné vody podle zvolené ekvitermní otopné křivky a vypne se bez jakékoliv poruchy. Použití akumulátoru však je vhodné i v dalších případech:

• V soustavě je příliš malý objem otopné vody. Požadavek na dostatečný objem otopné vody se liší pro frekvenčně řízené stroje a ON/OFF stroje a také zda jde o podlahové vytápění nebo systém s otopnými tělesy. Obecný požadavek je 10 až 20 litrů na 1 kW topného výkonu TČ.
• TČ je zdrojem tepla pro vzduchotechnickou jednotku, která vyžaduje vyšší teploty otopné vody a pro další okruhy je nutno topnou vodu směšovat. Pro bezpečnou činnost vzduchotechnické jednotky je obvykle přínosem určitá okamžitě využitelné zásoba tepla pro ochranu vzduchotechnického výměníku proti zamrznutí.
• V otopné soustavě jsou pouze směšované okruhy
• Je potřeba ukládat tepelnou energii získanou například z přebytků elektrické energie z fotovoltaické elektrárny, z fototermických kolektorů nebo z jiných zdrojů tepla, například z kotle na tuhá paliva nebo krbové vložky s teplovodním výměníkem.

Hydraulické poměry v akumulátoru tepla probíhají dle stejné logiky jako na zkratu.

Obr. 8 Zapojení s akumulátorem, zásobníkem tepla (AKU) a oběhovým čerpadlem v otopné soustavě PC1

Jiná pozice hydraulického zkratu či akumulátoru tepla řešícího potřebu vyrovnání průtokových poměrů mezi TČ a soustavou, než jak je zakresleno na schématech výše, není přípustná. Jelikož v zapojení se zkratem či akumulátorem tepla se dělá asi nejvíce chyb, jsou příklady těchto chyb uvedeny na obr. 9, vlevo, a správná varianta je vpravo.

Obr. 9 Špatná vs. správná umístění zkratu/AKU tepla

To, jaké schéma je nutno použít, záleží i na požadavcích konkrétního výrobce TČ. Co vyhovuje jednomu výrobci, nemusí u druhého projít!

Všimněte si, že „společným jmenovatelem“ všech zapojení je použití 3cestného přepínacího ventilu, který buď pošle otopnou vodu do zásobníku teplé vody, anebo do otopné soustavy. Tím se TČ umožňuje dodat do otopné soustavy teplo s co nejvyšším topným faktorem COP/SPF. S nižším topným faktorem tak TČ běží nezbytně jen po dobu přípravy teplé vody, která vyžaduje vyšší teplotu.

Obr. 10 Nejhorší možné zapojení pro vytápění a přípravu teplé vody s kombinovaným zásobníkem

Proto je z hlediska velikosti topného faktoru, až na speciální případy, doporučeno se vyhýbat zapojení s kombinovaným zásobníkem tepla, viz obr. 10. Při tomto zapojení musí být celoročně vytápěn akumulátor tepla vyšší teplotou otopné vody z důvodu zajištění komfortu teplé vody.

Sezonní topný faktor, respektive skutečný průměrný roční topný faktor, v takových případech klesá až na hodnoty blízké k hodnotě 2 a nižší. Mimo jiné se tímto zapojením a z něj vyplývajícím provozem zkracuje i životnost kompresoru TČ, neboť musí trvale překonávat vyšší tlakové rozdíly!

Za omluvu nelze považovat to, že na instalaci není dostatek místa, že je zásobník nahříván elektrickou topnou tyčí z fotovoltaiky, nebo že je občas i kompresor napájen energií z fotovoltaiky a tak „běží zadarmo“. V nákladech na servis to takový stroj provozovateli nepříjemně vrátí!

Toto řešení by nemělo být podporováno. Určitou výjimkou může být použití zásobníku s co nejdokonalejším teplotním rozvrstvením, stratifikací, zpravidla podporovaným speciální vodorovnou přepážkou, kdy dolní část zásobníku se ohřívá jedním výměníkem na nižší teplotu pro vytápění a horní část druhým výměníkem na vyšší teplotu pro přípravu teplé vody, přitom přepážka umožňuje přiměřené vyrovnávání průtoků mezi okruhy TČ a otopné soustavy. Mezi oběma částmi zásobníku tak může vzniknout teplotní rozdíl až cca 30 K, pokud horní část pro přípravu teplé vody bude plně nahřátá na teplotu 60 °C a ve spodní pro vytápění bude postačovat 30 °C.

V případě, že půjde o TČ s reverzací provozu, tedy schopného i chladit, by v zásobníku mohl vzniknout teplotní rozdíl až cca 45 K, tedy nahoře 60 °C a dole cca 15 °C. V tomto případě, i přes poměrně nízkou tepelnou vodivost vody, by docházelo k určité degradaci vyrobeného „chladu“. Přitom vyrobit 1 kWh „chladu“ (chladicí faktor SPF cca 2) je energeticky náročnější než 1 kWh tepla (topný faktor cca 3). K degradaci by přispívalo i řešení, pokud by zásobník sloužil pro vyrovnávání průtoků mezi okruhy TČ a otopné, v daném případě chladicí soustavy. Je evidentní, že v takovém případě není vhodné zásobník používat pro potřeby přípravy teplé vody, vytápění i chlazení.

4.2 Rozdělení provozu

V některých případech může být výhodné nejen rozdělení provozu TČ na vytápění a přípravu teplé vody, ale i rozdělení na provoz mezi dvěma napojenými otopnými okruhy vyžadujícími významně různé teploty otopné vody. Tzn. že TČ pak po určitou zvolenou dobu preferuje přípravu teplé vody s požadavkem na nejvyšší teplotu otopné vody, následně provoz s nižší teplotou pro okruh vytápění například s otopnými tělesy původně navrženými na vyšší teplotní spád a pak i pro okruh s nejnižší výstupní teplotou, například okruh s později doplněnými otopnými tělesy umožňujícími nízkoteplotní provoz. Tepelně akumulační vlastnosti domů zpravidla takový provoz umožňují. Jednoznačným důkazem této možnosti je řízení doby platnosti nízkého tarifu na odběr elektrické energie v obvyklé dvoutarifové sazbě, tedy doby blokování odběru elektrické vytápění. Vyžaduje však složitější způsob řízení činnosti TČ a možnost hydraulického přepínání mezi třemi různými okruhy napojenými na TČ. Přitom však musí být splněna podmínka možnosti cirkulace potřebného minimálního objemu otopné vody přes kondenzátor TČ a také podmínka dostatečného množství tepla v otopné vodě pro případné odtávání výparníku u TČ vzduch-voda.

5. Závěr

V článku byly naznačeny základní principy řešení hydrauliky propojení tepelného čerpadla a otopné soustavy, které jednak podmiňují bezporuchovou činnost tepelného čerpadla a jednak ovlivňují výsledný průměrný topný faktor za rok. Ať již pozitivně, tak i negativně. Aktuální dostupné systémy řízení jak činnosti kompresoru, tak oběhových čerpadel včetně regulačních armatur dokážou leccos. Otázkou je, jak dalece se jejich případné uplatnění projeví na ceně celého systému, jak dalece umí s takovými systémy zacházet širší síť servisních techniků, a jak náročná = drahá je jejich případná oprava. Vzhledem k narůstající složitosti systémů se stále větší část prací spojených s detekcí případných provozních chyb přenáší na vzdálenou správu, kdy jsou všechny provozní informace konkrétního tepelného čerpadla prostřednictvím internetu přenášeny buď na datové úložiště instalační firmy nebo přímo výrobce. Díky tomu se řešení problémů může věnovat odborník s velkou zkušeností, jehož výjezd ke každému i banálnímu zásahu by byl zbytečně časově i finančně náročný. V každém případě platí, že prevence instalačních chyb, a tedy i chyb v hydraulickém řešení, je vždy nejlepší.