Kdy lze vyměnit kotel za tepelné čerpadlo. Část 1/4. Parametry oběhového čerpadla
Náhrada kotle tepelným čerpadlem vyžaduje ověření hydrauliky soustavy, teplotních režimů a výkonů tepelného čerpadla. Vzájemné nepřizpůsobení lze orientačně odhalit změřením teplot, prací s grafy ekvitermní křivky a podklady výrobce, zejména v případě jednodušší soustavy vytápění v rodinném domě.
Článek je určen pro širokou veřejnost, a proto jsou termíny používané v příspěvku voleny s ohledem na jejich všeobecnou pochopitelnost.
Úvod
V článku Ověřte si: Mohu instalovat tepelné čerpadlo ke stávajícím radiátorům? bylo řečeno, jak laicky a velmi orientačně ověřit vhodnost stávající soustavy vytápění s radiátory pro spolupráci s tepelnými čerpadly. Pokud lze při trvalém vytápění místností (bez útlumů, ideálně při zatažené obloze) při nižších podnulových teplotách venkovního vzduchu okolo −4 °C až −6 °C udržet ruku (bez popálení!) na vrchní části radiátoru několik sekund, lze předpokládat vhodné teplotní provozní podmínky pro činnost tepelného čerpadla.
Laický pokus může být prvním krokem pro ty, kteří provozují kotle na jakýkoliv druh paliv včetně kotlů elektrických a přitom nehodlají investovat do výměny otopných těles.
Odborník i poučený laik by měl postupovat mnohem přesněji. Mezi laickým ověřením teploty radiátoru sáhnutím rukou a detailním propočtem možnosti spolupráce tepelného čerpadla se stávající soustavou s radiátory, i s využitím komplexního software, existuje středně náročná cesta. K jejímu využití je nutné:
- použít běžný teploměr, kterým se bude měřit teplota v místnosti a venkovní teplota. Jde o orientační měření, proto lze využít i dnes v domácnostech využívané meteostanice, pokud obsahují i dostatečně přesné měření venkovní teploty, když teplotní čidlo je umístěno na severní, od slunce dostatečně zastíněné, straně domu.
- pro měření teploty otopné vody použít teploměr schopný měřit teploty do cca +100 °C, neboť s vyšší teplotou otopné vody při vytápění nemusíme počítat. V případě kotlů s teploměrem nebo digitálním displejem lze výstupní teplotu otopné vody odečíst přímo na kotli. Měření teplot otopné vody by bylo nejpřesnější provést v jímce vložené do potrubí, ale tato možnost většinou nebude k dispozici. Orientačně lze využít měření teploty na povrchu potrubí. K tomu bude nutné teploměr zastrčit pod tepelnou izolaci na potrubí, kterým otopná voda vstupuje do soustavy a kterým se vrací. Tedy až za troj, či čtyřcestný ventil, pokud by za kotlem byl.
- používat on-line výpočetní pomůcku na TZB-info Výpočet a graf ekvitermní křivky. Postup práce s pomůckou bude vysvětlen a ukázán krok po kroku.
- umět spočítat rozdíl dvou čísel a aritmetický průměr ze dvou čísel
- chápat, že hodnota součinu dvou čísel se nezmění, když se jedno číslo například zdvojnásobí a druhé dvakrát zmenší.
Postup ověření parametrů stávající soustavy a schopnosti tepelného čerpadla je akceptovat je rozdělen do čtyř částí:
- ověření hydraulických parametrů, tedy průtoků otopné vody soustavou
- nalezení ekvitermní křivky soustavy
- ověření souladu parametrů soustavy a tepelného čerpadla
- řešení případného nesouladu parametrů
Ověření hydraulických parametrů stávající soustavy s radiátory
Teplotní spád
Je rozdíl mezi kotlem a tepelným čerpadlem. V soustavě s kotlem není problém pracovat s teplotním spádem 20 až 30 °C, pokud tak velký teplotní rozdíl, respektive jím způsobené mechanické namáhání vyvolané teplotní roztažností snese konstrukce teplovodního výměníku kotle. Teplotní spád je rozdíl mezi teplotou otopné vody, která vstupuje do otopné soustavy a teplotou otopné vody, která se ze soustavy vrací poté, co část tepla předala radiátorům a ty ho předaly dále do vytápěné místnosti. Fyzikálně správně by se měl rozdíl teplot uvádět ve stupních Kelvina, ale číselně je to stejné.
V případě tepelného čerpadla se jako optimální doporučuje teplotní spád 5 až 8 °C. Je to dáno potřebou rychlé reakce bezpečnostních okruhů v tepelném čerpadle na snížení odběru tepla. Malý teplotní spád a větší průtok otopné vody vytváří větší a stabilnější prostor pro udržení pracovního okruhu tepelného čerpadla s chladivem v přípustných provozních podmínkách. Pokud se zachová střední teplota určená z většího teplotního spádu, lze teplotní spád zmenšit. Na jedné straně se tím zvedne teplota zpátečky. Na druhé straně však klesne teplota otopné vody přiváděné do otopné soustavy, a to je žádoucí s ohledem na topný faktor, tedy energetickou efektivitu tepelného čerpadla.
Teplotní spád a průtok
Obr. 1 Charakteristiky oběhového čerpadla. Pro plné otáčky n = 100 % (zelená křivka) by šlo o čerpadlo neřízené. Níže položené křivky zobrazují charakteristiky čerpadla s možností řízení výkonu čerpadla stupňovitou změnou otáček.
Množství tepla, které soustava do domu za určitý čas dodá, je přímo úměrné součinu teplotního spádu a objemu otopné vody, který soustavou za daný čas proteče. Pokud se vymění kotel za tepelné čerpadlo, přitom se nijak neupravují rozvodná potrubí, radiátory a teplotní spád se pro tepelné čerpadlo zmenší například dvakrát, pak se dvakrát musí zvýšit průtok otopné vody soustavou, aby do domu bylo dodáno stejné množství tepla. Je nutné zvýšit rychlost proudění otopné vody. S vyšší rychlostí proudění otopné vody vzroste hydraulický odpor soustavy. A proto musí mít teplovodní oběhové čerpadlo takový výkon, aby změnu podmínek zvládlo.
Čerpací výkon každého oběhového čerpadla popisuje jeho charakteristika, příklad viz obr. 1. To je závislost mezi čerpaným objemem otopné vody Q a tlakem, t.j. hydraulickým odporem H, který musí čerpadlo překonávat. V teplovodních soustavách se zprvu používala čerpadla bez možnosti regulace. I dnes je možné se s takovým čerpadlem setkat. U těchto čerpadel nebylo možné nastavit jejich výkon, tedy otáčky čerpadla, a proto čerpadlo vždy pracovalo na plný výkon. Tomuto provozu na obr. 1 odpovídá zelená křivka n = 100, tedy se 100 % otáček čerpadla, jmenovitými otáčkami. Křivka ukazuje, jak s růstem průtočného množství Q od 0 do 100 % klesá schopnost čerpadla překonávat hydraulický odpor soustavy H.
Odpor H určují světlosti potrubí, armatur i vlastnosti radiátorů. V pracovní charakteristice čerpadla na obr. 1 je silnou černou křivkou vyznačen příklad hydraulické charakteristiky soustavy. Odpor začíná v nule, neboť když soustavou nic neteče, nemá žádný odpor. S růstem průtoku hydraulický odpor roste nelineárně, tedy po křivce. Tam, kde se charakteristika čerpadla protne s charakteristikou soustavy (bod B), tam se vzájemně vyrovná schopnost čerpadla překonávat hydraulický odpor soustavy a její odpor při daném průtoku. Poměry se ustálí a takto vznikne základní pracovní bod soustavy s oběhovým čerpadlem.
Příklad
Předpokládejme, že v soustavě s původním kotlem je čerpadlo s charakteristikou v obr. 1 znázorněnou žlutou křivkou, která byla nastavena úpravou otáček tak, aby pracovní bod A vznikl při 40 % jmenovitého průtoku čerpadla. Po výměně kotle za tepelné čerpadlo by mohlo být žádoucí snížit teplotní spád například 2,5krát. To znamená recipročně zvýšit 2,5krát průtok, tedy ze 40 % na 100 % jmenovitého výkonu. Toto čerpadlo to dokáže. Dokáže to však i čerpadlo v reálné situaci? A nevznikne tím nějaký problém?
Může vzniknout. Doporučené rychlosti proudění v otopných soustavách jsou do max. 1,5 m/s. Takže záleží na tom, s jakými rychlostmi proudění pracovala soustava s kotlem a zda po přechodu na snížený teplotní spád nebude tento limit překročen. Při vysokých rychlostech vzhledem k trvalému proudění otopné vody při vytápění roste riziko urychlení degradace potrubí, například se projeví ztrátou těsnosti v tvarovkách a může se objevit i hluk.
Hluk
Jak bylo výše uvedeno, tak se zvýšeným průtokem beze změny konstrukčních prvků soustavy je spojen růst rychlosti proudění. Při vysokých rychlostech je slyšet šumění vznikající třením o stěny potrubí. Vysoké rychlosti proudění zesilují pravděpodobnost vzniku hluku, pokud je v otopné vodě nepřiměřeně vysoký obsah rozpuštěných plynů, vzduchu a začnou se tvořit mikrobublinky.
Šíření hluku do místností podporují velké plochy, které mohou vibrovat, a tím rozkmitávat vzduch v jejich okolí, podobně jako membrána v reproduktorech. To může být případ plechových deskových otopných těles.
Hluk může vznikat i v regulačních armaturách včetně termostatických ventilů. S růstem rychlostí proudění se zesiluje nežádoucí víření vody tam, kde se rychle mění směr proudění vody, a to může být příčnou zesílení emisí hluku vznikajícího na sedlech ventilů atp. Zatímco s kotlem žádné šumění atp. z radiátorů slyšet nebylo, po instalaci tepelného čerpadla slyšet být může.
Bude schopné čerpadlo zajistit potřebný, násobně větší průtok?
S výměnou kotle za tepelné čerpadlo je spojena i výměna oběhového čerpadla, které je zpravidla součástí jejich konstrukce. Abychom mohli předem posoudit, zda nové oběhové čerpadlo svou úlohu zvládne, museli bychom předem znát pracovní bod stávajícího oběhového čerpadla, hydraulickou charakteristiku soustavy a charakteristiky nového čerpadla. V případě rodinného domu se v praxi vhodnost čerpadla většinou neověřuje, neboť se spoléhá na to, že stávající soustava včetně kotle byly navrženy s rezervou. V mnoha případech soustava s kotlem ve skutečnosti ani nepracuje s teplotním spádem 20 °C, případně až 30 °C, ale 15 °C i menším. Je také skutečností, že moderní elektronicky řízená čerpadla mohou pracovat v poměrně širokém rozmezí výkonů s malou spotřebou elektřiny a jejich přijatelné výkonové předimenzování je obvyklé.
- K přesnému ověření a získání výchozího pracovního bodu čerpadla by bylo nutné na vstupu nebo výstupu otopné soustavy instalovat průtokoměr a měřit rozdíl tlaků mezi výstupem a zpátečkou. A to není jednoduchá a snadno proveditelná úloha.
- Některá elektronicky řízená čerpadla mají displej, který zobrazí parametry aktuálního pracovního bodu, ale to s velkou pravděpodobností nebude případ čerpadla ve starší otopné soustavě.
- Ve spolupráci se servisním technikem stávajícího kotle by mohlo být v některých případech možné změnit nastavení výkonu čerpadla na plný výkon, zmenšit teplotní spád a alespoň orientačně si prověřit budoucí stav, i když rychlost proudění otopné vody se takto ověřit nedá.
- Je-li použito třístupňové oběhové čerpadlo, které je nastaveno na první nebo druhý stupeň, je možné ho přepnout na třetí stupeň.
- U elektronicky řízených oběhových čerpadel je nutné změnit parametry v software, pokud umožňuje vybrat jinou pracovní charakteristiku čerpadla.
Doufejme tedy, že oběhové čerpadlo dodané s tepelným čerpadlem svou úlohu zajistit násobně větší průtok otopné vody, než jaký byl dříve s kotlem, zvládne. Případně bude možné je vyměnit za výkonnější. A že se zvýšený průtok, tedy zvýšená rychlost proudění, neprojeví hlukem a zhoršenou činností termostatických ventilů, která by mohla být rovněž ovlivněna zvýšenou rychlostí průtoku otopné vody do radiátoru.
Replacing the boiler with a heat pump requires verification of the system's hydraulics, temperature regimes and heat pump performance. Mutual incompatibility can be detected by measuring temperatures, working with equithermal curve graphs and manufacturer's documents, especially in the case of a simpler heating system in a family home.