Kdy lze vyměnit kotel za tepelné čerpadlo. Část 4/4. Parametry TČ neodpovídají ekvitermní křivce
Náhrada kotle tepelným čerpadlem vyžaduje ověření hydrauliky soustavy, teplotních režimů a výkonů tepelného čerpadla. Vzájemné nepřizpůsobení lze odhalit změřením teplot, prací s grafy ekvitermní křivky a podklady výrobce, zejména v případě jednodušší soustavy vytápění v rodinném domě.
Část 2/4 Nalezení ekvitermní křivky soustavy
Část 3/4 Soulad ekvitermní křivky a parametrů TČ
Po nalezení ekvitermní křivky stávající otopné soustavy můžeme zjistit, že se již při sice podnulových teplotách venkovního vzduchu, ale blízko od 0 °C dostaneme na hranici provozních teplotních mezí tepelného čerpadla vzduch-voda. Pro většinu tepelných čerpadel s chladivem R410A, případně i R32 to může být zjištění, že pro pokrytí celé otopné sezóny by byla nutná vyšší teplota otopné vody než cca 55 °C.
Obr. 11 Střední teplota pro venkovní teplotu −3 °C je hluboko pod nutnými 51 °C
Dejme tomu, že při venkovní teplotě −3 °C a teplotě v místnosti 21 °C se zjistí, že teplota otopné vody přitékající do radiátorů bude 55 °C, teplota otopné vody vracející se z radiátorů 47 °C a střední teplota tedy 51 °C. Teplota 51 °C leží pod provozním maximem vybraného tepelného čerpadla, takže se zdá, že by to mohlo vyjít.
Obr. 12 S teplotním spádem 71/48 °C tepelné čerpadlo nemůže pracovat
Namodelujeme si tuto situaci pro dané tepelné čerpadlo, u kterého se udává výkon 12 kW. Maximální možnou teplotu otopné vody při −12 °C, například 53 °C zadáme jako maximální výpočtovou teplotu přívodu a při minimálním doporučeném teplotním spádu 5 K zadáme výpočtovou teplotu zpátečky 48 °C, viz obr. 11. Je zřejmé, že pro venkovní teplotu −3 °C je střední teplota cca 42,5 °C, a to je hluboko pod potřebnou teplotou 51 °C.
Proto zvyšujeme maximální teplotu přívodu vody tak dlouho, až střední teplota otopné vody pro venkovní teplotu −3 °C dosáhne požadované hodnoty 51 °C. Tento stav nastane přibližně po zvýšení maximální teploty otopné vody na 71 °C, viz obr. 12.
Obr. 13 Střední teplota při venkovních −3 °C je přibližně na požadovaných 51 °C a výpočtový teplotní spád 8 stupňů plnící podmínku tepelného čerpadla je cca 63/55 °C
Se zjištěným teplotním spádem 71/48 °C však tepelné čerpadlo 12 kW nemůže pracovat. Proto spád upravujeme postupným snižováním maximální teploty otopné vody a souběžným zvyšováním minimální teplotu zpátečky, přitom udržujeme střední teplotu otopné vody na 51 °C. Vyhovující výpočtový teplotní spád například 8 stupňů nalezneme při výpočtovém teplotním spádu 63/55 °C, viz obr. 13.
Obr. 14
Nalezli jsme možné provozní ekvitermní otopné křivky, ale shodují se s technickými možnosti daného tepelného čerpadla?
Z předchozích částí článku víme, že zvolené tepelné čerpadlo 12 kW má maximální teplotu přívodu otopné vody 55 °C pro venkovní teploty do −10 °C a že jeho provoz je limitován teplotou −10 °C. To omezuje možnost jeho využití. Ukážeme si jak.
Pro grafické zvýraznění si v pomůcce zadáme „teplotu kondenzačního režimu“ na 55 °C (pokud už tak není) a světle modrá linka nám v grafu bude symbolizovat maximální možnou teplotu otopné vody. Pomůcka byla totiž navržena pro soustavu s plynovým kondenzačním kotlem, nám však tento údaj poslouží jinak.
Z grafu nebo z tabulky pod grafem odvodíme, že průsečíku červené ekvitermní křivky znázorňující výstupní teplotu otopné vody a modré znázorňující maximální možnou teplotu otopné vody odpovídá venkovní teplota přibližně −4 °C. Protože i v tomto bodě může pracovat tepelné čerpadlo s dostatečným teplotním spádem, cca 6 °C, je to velmi důležitý tzv. bod bivalence. Znamená, že do venkovní teploty −4 °C nám pro vytápění v dané soustavě plně postačí tepelné čerpadlo a jedině když venkovní teplota klesne pod −4 °C, bude nutná součinnost s bivalentním zdrojem, který je schopný teplotu otopné vody přiměřeně zvýšit.
Bod bivalence jsme zjistili na základě konkrétních vlastností soustavy a konkrétních vlastností tepelného čerpadla. Je nutné mít na zřeteli, že obecně neexistuje jeden univerzální bod bivalence, jak se občas tvrdí!
Pokud do grafu dokreslíme omezení teploty otopné vody a skutečnost, že dané tepelné čerpadlo není schopné provozu při venkovní teplotě nižší než −10 °C, získáme graf na obr. 14. Šedou barvou je vyplněna oblast, kterou musí pokrýt bivalentní zdroj tepla.
Není zvolené tepelné čerpadlo zbytečně výkonné?
Obr. 15 Bodu bivalence −4 °C odpovídá tepelná ztráta neboli výkon cca 6,4 kW
Potřeba vyšší teploty otopné vody omezuje využití daného tepelného čerpadla. To znamená, že i když by dané tepelné čerpadlo mělo při nižší teplotě otopné vody dostatečný výkon, ve stávající soustavě tento výkon nelze plně využít. Zkusíme si ověřit, zda by stačilo výkonově slabší tepelné čerpadlo.
Odhadem byla určena výpočtová tepelná ztráta 8,4 kW při venkovních −12 °C. Tepelná ztráta je na venkovní teplotě závislá přímo úměrně, viz obr. 15 a nalezenému bodu bivalence odpovídá tepelná ztráta cca 6,4 kW.
Z tabulky výkonů tepelného čerpadla 12 kW (viz obr. 16) při různých venkovních teplotách a při teplotním spádu 55/50 °C, který je relativně blízko k námi nalezenému vyplývá, že při −4 °C má toto tepelné čerpadlo výkon 6,4 kW s poměrně velkou rezervou. Výkon 6,4 kW, který zaručuje minimální rozsah činnosti bivalentního zdroje (přibližně vyznačeno zelenou barvou) má i při venkovní teplotě −10 °C, ale vzhledem k potřebě vyšší teploty otopné vody výkon nemůžeme plně využít.
Obr. 16 Tabulkové vyjádření tepelného výkonu tepelného čerpadla 12 kW v závislosti na venkovní teplotě a teplotním spádu otopné vody 55/50 °C
Odpověď na otázku, zda toto tepelné čerpadlo nemá zbytečně velký výkon, hledáme opět v podkladech výrobce. Protože nám jde o co nejmenší rozsah činnosti bivalentního zdroje, tak hledáme tepelné čerpadlo, které bude mít tepelný výkon minimálně 6,4 kW při venkovní teplotě −10 °C, případně až −12 °C a teplotním spádu co nejblíže našemu 55/50 °C, viz obr. 17.
Obr. 17 Tabulkové vyjádření tepelného výkonu tepelného čerpadla 10 kW v závislosti na venkovní teplotě a teplotním spádu otopné vody 55/50 °C
Z podkladů výrobce vyplývá, že se stejným efektem by bylo možné použít méně výkonné, a levnější tepelné čerpadlo.
Pokud bychom se smířili s větším rozsahem činnosti bivalentního zdroje, můžeme bod bivalence pro názornost posunout směrem k vyšší venkovní teplotě. Například na venkovní teplotu −1 °C, pro kterou potřebný výkon cca 5,5 kW můžeme odečíst z grafu na obr. 15. Pro tyto podmínky by se dalo použít tepelné čerpadlo 7 kW, viz obr. 18.
Obr. 18 Při posunutí bodu bivalence na venkovní teplotu −1 °C stačí výkon při této teplotě cca 5,5 kW a požadavek plní tepelné čerpadlo 7 kW
V případě této volby nebudeme provozovat tepelné čerpadlo při maximální možné teplotě otopné vody 55 °C. Z ekvitermních křivek soustavy, viz obr. 13 a obr. 14, vyplývá, že pro teplotní spád 5 stupňů lze odvodit nejvyšší nutnou teplotu přívodu otopné vody cca 51,5 °C. Odpověď na otázku, zda se volba tepelného čerpadla s takto nižším výkonem a nižší pořizovací cenou vyplatí, zde řešena není a závisí na poměru pořizovacích cen a ceny tepla, které musí dodat bivalentní zdroj.
Závěr
V článku byl na konkrétním případu ukázán využitelný postup pro ověřování vhodnosti stávající soustavy vytápění pro uplatnění tepelného čerpadla a jak takové čerpadlo z podkladů výrobce vybrat.
Ukázána byla možnost, jak z parametrů změřených na reálné soustavě odvodit její ekvitermní otopné křivky a jak je modifikovat pro provoz s tepelným čerpadlem. Odvozeny byly požadavky na tepelné čerpadlo tak, aby mohlo být co nejpřesněji vybráno podle podkladů výrobce.
V článku uvedený postup je orientační. Výsledky postupu v praxi budou vždy ovlivněny přesností měření teplot, skutečnými provozními podmínkami soustavy, podrobností údajů od výrobce tepelného čerpadla aj.
Přesnost nalezené ekvitermní křivky stávající soustavy zvýší měření potřebných teplot při různých klimatických poměrech a získání více bodů, kterými bude prokládána hledaná ekvitermní křivka soustavy.
Článek se jen okrajově zabývá hydraulickými poměry a neřeší potřebu akumulačního objemu, regulace atd., které spolehlivou činnost tepelného čerpadla podmiňují.
Příklad je založen na soustavě vytápění domu s částečným zateplením, který je v oblasti s výpočtovou teplotou −12 °C. Pro činnost tepelného čerpadla budou méně příznivé podmínky v chladnějších oblastech s výpočtovými teplotami −15 °C, −18 °C či ještě méně.
Popsaný postup není primárně určen projektantům, kteří by měli být schopni provést mnohem přesnější výpočty. Ukazuje však, že v případě volby tepelného čerpadla bez zvážení všech okolností se může nevhodně posunout bod bivalence do vyšších venkovních teplot, tím se sníží energetická efektivita. Nebo se zvolí tepelné čerpadlo se zbytečně velkým výkonem, zbytečně dražší, vyžadující zbytečně velký akumulační objem otopné vody a které bude velkou část provozní doby činné v méně příznivém stavu s malým výkonem aj. Nerespektování uvedených skutečností může být příčinou reklamace, přičemž spor může skončit až u soudu. Prevencí by mělo být využití odborného projektanta se zkušenostmi v oblasti návrhu otopných soustav s tepelným čerpadlem.
Zdroje
- Výpočet tepelné ztráty objektu dle ČSN 06 0210. TZB-info.
https://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/107-vypocet-tepelne-ztraty-objektu-dle-csn-06-0210 - Stanovení optimálních provozních parametrů teplovodních vytápěcích soustav. V. Valenta, TZB-info.
https://www.tzb-info.cz/2765-stanoveni-optimalnich-provoznich-parametru-teplovodnich-vytapecich-soustav - Výpočet a graf ekvitermní křivky, TZB-info.
https://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/50-vypocet-a-graf-ekvitermni-krivky - Topný faktor tepelných čerpadel (III). L. Klazar. TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/2452-jak-je-to-vlastne-s-topnym-faktorem-iii - Odhad tepelné ztráty rodinného domu dle období výstavby, TZB-info.
https://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/207-odhad-tepelne-ztraty-rodinneho-domu-dle-obdobi-vystavby - Teplotní exponent otopných těles. J. Bašta, J. Boháč. TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/otopne-plochy/23082-teplotni-exponent-otopnych-teles - Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 6.: Návrhový teplotní spád a průtok otopné vody. P. Michal, J. Hodboď. TZB-info. https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/24029-zkusenosti-s-provozem-tepelnych-cerpadel-6-navrhovy-teplotni-spad-a-prutok-otopne-vody
- Výběr tepelného čerpadla podle vstupní a výstupní teploty. J. Hodboď. TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/23695-vyber-tepelneho-cerpadla-podle-vstupni-a-vystupni-teploty - Experimentální porovnání topného faktoru tepelného čerpadla s údaji výrobce. P. Horák, M. Počinková, M. Formánek. TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/8258-experimentalni-porovnani-topneho-faktoru-tepelneho-cerpadla-s-udaji-vyrobce - Ekvitermní regulace – princip a využití v systémech regulace vytápění. V. Matz. TZB-info.
https://vytapeni.tzb-info.cz/mereni-a-regulace/6294-ekvitermni-regulace-princip-a-vyuziti-v-systemech-regulace-vytapeni - Řízení oběhových čerpadel. P. Kubal. Bakalářská práce.
https://dspace.cvut.cz/bitstream/handle/10467/79859/F2-BP-2018-Kukal-Petr-BP%20Rizeni%20obehovych%20cerpadel.pdf?sequence=-1&isAllowed=y
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.