Overenie sezónneho výkonnostneho faktoru SPF tepelného čerpadla vo vykurovacom režime
V článku je hodnotená spolupráca tepelného čerpadla vzduch/voda s veľkoplošnými vykurovacími systémami a sú stanovené sezónne výkonnostne faktory SPF. Meraním boli zistené SPF mierne lepšie ako udáva výrobca.
1. Úvod
Príspevok sa zaoberá experimentálnym meraním prevádzky tepelného čerpadla vzduch/voda v spojitosti s troma veľkoplošnými sálavými systémami v režime vykurovania v reálnych priestoroch laboratória v budove STU SvF na Trnávke v Bratislave. Meranie bolo uskutočnené pre overenie teoretických tvrdení o účinnosti, ktoré udáva výrobca na základe hodnoty COP a SCOP podľa normy STN EN 14511 a STN EN 14825. Pre meranie bolo vytipované obdobie od 5. 1. do 15. 1. 2024. Cieľom experimentálnych meraní je vyhodnotenie reálneho čísla efektívnosti SPF po jednotlivých dňoch a vyhodnotenie účinnosti tepelného čerpadla.
V súčasnej dobe, kedy dochádza k navyšovaniu cien energií a zároveň sa kladie dôraz na znižovanie závislosti na spotrebe primárnych zdrojov energií (napr. zemný plyn), môže byť tepelné čerpadlo vhodnou alternatívou zdroja tepla/chladu, využívajúci energiu okolitého prostredia (Obnoviteľný zdroj energie – OZE). Aj vzhľadom na túto skutočnosť je tento príspevok zameraný na vyhodnotenie efektívnosti tepelného čerpadla spolu s nízkoteplotnými veľkoplošnými sálavými systémami v režime vykurovania a to tzv. výkonnostným faktorom (SPF – Seasonal Performance Factor). Experimentálne meranie bolo teda postavené na nízkoteplotných veľkoplošných sálavých odovzdávacích systémoch v spojitosti so tepelným čerpadlom, ktoré predstavovalo zdroj tepla/chladu.
Využili sa 3 samostatné miestnosti, kde v prvej miestnosti bolo podlahové vykurovanie, v druhej miestnosti stropné vykurovanie a v tretej miestnosti stenové vykurovanie. Tieto systémy sú súčasťou laboratória, ktoré sa nachádza v priestoroch STU SvF na Trnávke v Bratislave. Systémy vo všetkých priestoroch sú na báze takzvaného suchého systému, kde roznášaciu sálavú plochu pri sálavom podlahovom systéme tvoria tzv. BRIO dosky a pri stropnom a stenovom sálavom systéme tvoria sadrokartónové dosky.
Každý systém mal svoj merač tepla osadený pri rozdeľovačoch každého systému. Zber dát, regulácia tepelného čerpadla, rozvodná podružná skriňa elektrického rozvádzača boli osadené v samostatnej miestnosti – technická miestnosť.
Tepelné čerpadlo sa zvolilo typu vzduch/voda s menovitým výkonom 6 kW, ktoré bolo umiestnené na streche objektu, cca 5 m od technickej miestnosti. Pre meranie spotreby elektrickej energie bol zapojený k tepelnému čerpadlu certifikovaný impulzný typ elektromeru LE-01d MID od firmy Firn elektro s. r. o.
Pre merané obdobie sa zvolil automatický režim regulácie tepelného čerpadla, ktorý využíval ekvitermickú krivku pre výpočet požadovanej prívodnej teploty teplonosnej pracovnej látky. Treba podotknúť, že objekt, v ktorom sa uskutočnili merania, nebol zateplený a v okolitých vnútorných priestoroch nebolo aktívne vykurovanie a teplota vzduchu v týchto priestoroch sa v danom období pohybovala okolo 7 až 9 °C, tým boli zvýšené nároky na výkon nízkoteplotných veľkoplošných sálavých systémov.
2. Tepelné čerpadlo
Obr. 1 Tepelné čerpadlo vzduch/voda typ F2040-6
Tepelné čerpadlo, ktoré je súčasťou systému so sálavými systémami, bolo pre experimentálne merania navrhnuté typu vzduch/voda od firmy NIBE (viď obr. 1, tepelné čerpadlo typ F2040-6, ďalej len TČ). Jedná sa o inverterovo riadenú jednotku. Pracovný rozsah TČ je od −20 do 43 °C s maximálnou výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 58 °C. V letných mesiacoch je TČ možné využiť aj na chladenie pomocou reverzného chodu TČ.
V tab. 1 sú konkrétne technické údaje o tepelnom čerpadle ako rozsah výkonu, prevádzkové napätie, maximálny chladiaci výkon atď.
| Rozsah výkonu A7/W35 [kW] podľa EN 14511 | 1,5–7 |
| Rozsah výkonu A7/W45 [kW] podľa EN 14511 | 1,2–4,6 |
| SCOP priemerné klimatické pásmo 35/55 °C podľa EN 14825 | 4,8 / 3,46 |
| Max. chladiaci výkon pri A27/W7 [kW] | 5,87 |
| Max. chladiaci výkon pri A27/W18 [kW] | 7,98 |
| Max. chladiaci výkon pri A35/W7 [kW] | 4,86 |
| Max. chladiaci výkon pri A35/W18 [kW] | 7,03 |
| Prevádzkové napätie | 230 V / 50 Hz |
| Kompresor | Dvojitý rotačný |
Súčasťou TČ F2040-6 sú snímače ako vonkajší snímač teploty vzduchu, snímač teploty na výtlaku kompresora, snímač teploty na výparníku, snímač teploty prívodnej teploty teplonosnej pracovnej látky za kondenzátorom, snímač teploty na vratnom potrubí, snímač teploty za kondenzátorom, vysokotlakový snímač.
3. Experiementálne meranie prevádzky tepelného čerpadla so sálavými systémami vo vykurovacom režime
Experimentálne meranie prebiehalo v laboratórnych podmienkach stavebnej fakulty STU v Bratislave na Trnávke. Meranie prebehlo v období od 05.01.2024 do 15.01.2024. Predmetnom experimentálneho merania bolo skúmať efektívnosť tepelného čerpadla s nízkoteplotnými veľkoplošnými sálavými systémami v režime vykurovania. Meraná bola spotreba elektrickej energie tepelným čerpadlom impulzným elektromerom LE-01d MID od firmy Firn elektro s.r.o. a spotreba tepelnej energie dodanej do nízkoteplotných veľkoplošných sálavých systémov. Spotrebovaná tepelná energia bola jednotlivo meraná pre každý nízkoteplotný veľkoplošný sálavý systém zvlášť, a to ultrazvukovými meračmi tepla ULTRTAHEAT/ULTRACOLD T330. Meraná bola i teplota vonkajšieho vzduchu, a to snímačom teploty umiestneným na tepelnom čerpadle (viď obr. 2 a obr. 1 – vonkajší snímač teploty – BT 28 (Tho-A)). Následne bola vypočítaná hodnota SPF – Seasonal performance factor, ktorá pojednáva o efektívnosti tepelného čerpadla. Táto vypočítaná hodnota bola porovnaná s hodnotou COP, ktorú udáva výrobca.
3.1 Sálavé vykurovacie systémy v spojitosti s tepelným čerpadlom
Obr. 2
Meraná bola prevádzka sálavých systémov v spojitosti s tepelným čerpadlom v režime vykurovania. Meraná bola spotreba tepelnej energie sálavých systémov (podlahový, stropný a stenový), z ktorých každý bol navrhnutý do samostatnej miestnosti. Každá miestnosť mala rovnaké dispozičné riešenie a rovnakú podlahovú plochu. Orientácia miestností je východná. V prvej kancelárskej miestnosti bol inštalovaný suchý veľkoplošný sálavý podlahový systém Siccus v dvoch okruhoch s rozstupom rúrok 150 mm, s rúrkami Comfort Pipe PLUS Φ 14 × 2,0 mm, so sálavou plochou 15 m2. V druhej miestnosti bol nainštalovaný systém veľkoplošného suchého sálavého stropu Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Φ 9,9 × 1,1 mm s 8 panelmi Uponor Renovis 2000 × 625 mm so sálavou plochou 10 m2. V tretej miestnosti bol nainštalovaný veľkoplošný stenový sálavý systém Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Φ 9,9 × 1,1 mm s 8 panelmi Uponor Renovis 2000 × 625 mm a sálavou plochou 10 m2, obr. 2.
3.2 Priebeh teploty vody v prívodnom a vratnom potrubí a exteriérovej teploty
Experimentálne meranie bolo spustené 05.01.2024 o 12:00 hod a cez riadiacu jednotku tepelného čerpadla SMO S40 bola nastavená ekvitermická krivka číslo 5, pri ktorej tepelné čerpadlo malo zabezpečiť pri vonkajšej teplote −11 °C teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia o teplote 38 °C. Počiatočný návrhový teplotný spád predstavoval 38/33 °C. V stredu 10.01.2024 o 9:00 hod bola nastavená krivka č. 7, pri ktorej tepelné čerpadlo malo zabezpečiť pri vonkajšej teplote −11 °C, teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia o 45 °C. Návrhový teplotný spád od tohto momentu predstavoval 45/40 °C viď obr. 3.
Obr. 3 Priebeh teploty teplonosnej látky v prívodnom a vratnom potrubí a vonkajšej teploty
Na obr. 3 vidieť na grafe na primárnej osi priebeh exteriérovej teploty. Priemerná teplota vonkajšieho vzduchu počas meraného obdobia predstavovala hodnotu −0,67 °C. Zároveň na obr. 3 na grafe taktiež na primárnej osi vidieť priebeh teploty teplonosnej pracovnej látky v prívodnom a vratnom potrubí. Je vidieť že ekvitermická regulácia pekne reagovala na zmenu vonkajšej teploty, kedy pri poklese teploty vonkajšieho vzduchu tepelné čerpadlo v spolupráci s riadiacou jednotkou SMO 20 zvýšilo teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia a zároveň pri poklese teploty vonkajšieho vzduchu znížila teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia.
Na obr. 3 tiež vidieť zvislou čiarou predelený graf, ktorá oddeľuje obdobie od 05.01.2024 od 12:00 hod do 10.01.2024 do 9:00 hod kedy bola v riadiacej jednotke SMO 20 tepelného čerpadla nastavená ekvitermická krivka na č. 5. Priemerná teplota teplonosnej pracovnej látky v tomto období predstavovala hodnotu 31,27 °C. Od 10.01.2024 o 9:00 hod do konca merania 15.01.2024 12:00 hod bola nastavená krivka č. 7 a priemerná teplota teplonosnej pracovnej látky v tomto období predstavovala hodnotu 37,77 °C.
Za celé merané obdobie priemerná teplota teplonosnej pracovnej látky predstavovala hodnotu 34,61 °C. Zároveň na obr. 3 na grafe na sekundárnej osi vidieť priebeh vypočítaného výkonového čísla SPF tepelného čerpadla. Vidieť, že keď teplota vonkajšieho vzduchu predstavovala kladné hodnoty, toto výkonové číslo bolo vyššie, zároveň keď sa teplota vonkajšieho vzduchu dostávala na záporné hodnoty toto výkonové číslo klesalo.
3.3 Priebeh spotreby elektrickej energie tepelným čerpadlom a spotreba tepelnej energie sálavými systémami v režime vykurovania
Z výsledkov experimentálnych meraní v sledovanom období od 05.01.2024 do 15.01.2024 boli vyhotovené grafické výstupy zobrazené na obr. 4. Na obr. 4 vidieť na grafe na primárnej osi priebeh spotreby tepelnej energie troma nízkoteplotnými veľkoplošnými sálavými systémami (sálavá podlaha, strop, stena), kde modrá krivka predstavuje priebeh spotreby tepelnej energie stenovým sálavým systémom, oranžová krivka predstavuje priebeh spotreby tepelnej energie stropným sálavým systémom a sivá krivka predstavuje priebeh spotreby tepelnej energie podlahovým sálavým systémom. Na grafe tiež vidieť na sekundárnej osi priebeh spotreby elektrickej energie tepelným čerpadlom počas meraného obdobia. Za celé merané obdobie sálavý stenový systém spotreboval 211 kWh, stropný sálavý systém 240 kWh a podlahový sálavý systém 223 kWh, spolu nízkoteplotné veľkoplošné sálavé systémy spotrebovali 674 kWh tepelnej energie. Za celé merané obdobie tepelné čerpadlo spotrebovalo 243 kWh elektrickej energie.
Obr. 4 Priebeh spotreby tepelnej energie nízkoteplotných veľkoplošných sálavých systémov v režime vykurovania a spotreba elektrickej energie tepelného čerpadla
Na obr. 4 je taktiež vidieť zmeny v priebehoch spotreby elektrickej energie tepelného čerpadla počas meraného obdobia. Tieto zmeny nastali v dôsledku ekvitermickej regulácie teploty teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia, ktorá reagovala na zmeny teploty vonkajšieho vzduchu. Pri poklese vonkajšej teploty vzduchu bola krivka priebehu spotreby elektrickej energie strmšia. Je vidieť zmeny priebehu spotreby elektrickej energie aj v dôsledku zmeny v nastavení ekvitermickej krivky z č. 5 na č. 7, táto zmena nastala 10.01.20204 o 9:00.
3.4 Výpočet výkonového čísla SPF (Seasonal Performance Factor) a výkonové číslo COP (Coefficient of performance) tepelného čerpadla so sálavými systémami v režime vykurovania
Na stanovenie efektívnosti tepelného čerpadla bolo potrebné poznať jednak údaj o spotrebovanej tepelnej energii troma veľkoplošnými sálavými systémami a údaj o spotrebovanej elektrickej energii tepelným čerpadlom (viď podkapitolu 3.3).
Výkonnosť tepelného čerpadla počas celej doby prevádzky v roku je nazývaná ako sezónne výkonnostný faktor (SPF – Seasonal Performance Factor), je definovaný ako pomer množstva dodaného tepla tepelným čerpadlom počas celej doby prevádzky v kalendárnom roku a celkového množstva spotrebovanej pohonnej energie kompresora a ďalších prídavných zariadení obehu [5]. Je definovaný vzťahom:
(3.1)
[–]
Energetická efektívnosť systémov pracujúcich na báze termodynamického chladiaceho obehu (chladiace a klimatizačné zariadenia a tepelné čerpadlá) hodnotená tzv. výkonovým číslom (COP – z anglického Coefficient of Performance), je možné pre kompresorové tepelné čerpadlo vyjadriť nasledovne [5]:
(3.2)
[–]
![Obr. 5 Výkonové číslo TČ F2040-6 pri rôznych výstupných teplotách teplonosnej pracovnej látky [3]](/docu/clanky/0268/026829o11.png)
Obr. 5 Výkonové číslo TČ F2040-6 pri rôznych výstupných teplotách teplonosnej pracovnej látky [3]
Z obr. 5 je možné odčítať hodnotu tohto výkonového čísla COP deklarované výrobcom NIBE s. r. o.
Túto hodnotu je možne odčítať z obr. 5 ako priesečník príslušnej teploty vonkajšieho vzduchu a príslušnej krivky zodpovedajúcej teplote teplonosnej pracovnej látky v prívodnom potrubí. Počas meraného obdobia priemerná vonkajšia teplota vzduchu predstavovala hodnotu −0,67 °C. Priemerná teplota teplonosnej pracovnej látky počas meraného obdobia predstavovala hodnotu 34,61 °C. Na základe vyššie uvedeného obr. 5 je možne z krivky pre 35 °C teplotu teplonosnej látky odčítať hodnotu 2,6 COP.
| Dátum Rok 2024 | 05.01 | 06.01. | 07.01. | 08.01. | 09.01. | 10.1. | 11.1. | 12.01. | 13.01. | 14.01. | 15.01. |
| SPF | 5,8 | 5 | 3,2 | 2,4 | 2,5 | 2,3 | 2,4 | 3 | 2,7 | 3 | 2,9 |
| COP (45 °C) | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 |
| COP (35 °C) | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 |
Na základe vyššie uvedeného vzťahu (3.1) sme vypočítali výkonové číslo SPF pre každý deň meraného obdobia samostatne. Vypočítali sme výkonové číslo SPF tepelného čerpadla v období od piatka 05.01.2024 12:00 hod do stredy 10.01.2024 do 9:00 hod, kedy bola ekvitermická krivka nastavená na č. 5, táto hodnota SPF predstavovala 2,89. Od stredy 10.01.2024 od 9:00 hod do pondelka 15.01.2024 do 12:00 hod, kedy bola ekvitermická krivka nastavená na č. 7 hodnota SPF predstavovala 2,7. Za celé merané obdobia hodnota SPF predstavovala 2,77. Z uvedeného se dá konštatovať, že hodnota COP = 2,6 deklarovaná výrobcom zodpovedá vypočítanej hodnote SPF 2,77, dokonca ju mierne prevyšuje. Vypočítané hodnoty SPF sú znázornené v tab. 2. V tab. 2 je znázornená hodnota COP = 2,3, ktorá zodpovedá teplote teplonosnej látky 45 °C pri teplote vonkajšieho vzduchu −0,67 °C. V tab. 2 je taktiež znázornená hodnota COP = 2,6, ktorá zodpovedá teplote teplonosnej látky 35 °C pri teplote vonkajšieho vzduchu −0,67 °C.
4. Záver
Využívanie obnoviteľných zdrojov energie v našom prípade vonkajšieho vzduchu prostredníctvom tepelného čerpadla a aplikácia nízkoteplotných veľkoplošných sálavých odovzdávacích systémov je cesta k náhrade tradičných fosílnych energetických zdrojov ako je napr. zemný plyn. Súčasne sa zníži tvorba skleníkových plynov a využívajú sa OZE na zabezpečenie tepelnej pohody vo vnútornom životnom prostredí.
Záverom tohto príspevku by sa dalo konštatovať, že tepelné čerpadlo ako zdroj tepla i chladu je vhodné kombinovať s nízkoteplotnými veľkoplošnými sálavými systémami, vzhľadom na vypočítané hodnoty SPF, ktoré sú veľmi podobné s deklarovanými hodnotami COP výrobcom. Ďalším pozitívnym zistením je, že nízkoteplotné veľkoplošné sálavé systémy sú prevádzkované vo vykurovacom režime spoľahlivo čoho dôkazom je fakt, že tepelné čerpadlo v spolupráci s ekvitermickou reguláciou riadiacej jednotky SMO 20 pomerne pružne reaguje na zmenu vonkajšej teploty a dodáva požadovanú teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia systému.
Na základe nameraných údajov spotreby elektrickej energie tepelným čerpadlom a vypočítaných hodnôt SPF je možné konštatovať, že tepelné čerpadlo predstavuje vhodnú alternatívu zdroja tepla/chladu, využívajúci energiu okolitého prostredia (OZE) a je vhodné ho kombinovať s využitím nízkoteplotných veľkoplošných sálavých systémov.
V budúcnosti by bolo vhodné toto meranie zopakovať pre dlhšie časové obdobie ale nielen v režime vykurovania ale i chladenia. Zaujímavé by bolo zistiť, či hodnoty SPF budú také priaznivé i v letnom období.
Poďakovanie
Tento výskum podporila Slovenská agentúra pre výskum a vývoj na základe zmluvy č. APVV-21-0144. Ďakujeme spoločnostiam NIBE s. r. o., UPONOR, s.r.o., PAVJAN, s.r.o., EPITREND, s.r.o., SAMDO, s.r.o. a spoločnosti FLEXIM, s.r.o. za podporu.
Literatúra
- STN EN 15316 4-2 Vykurovacie sústavy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Časť 4-2: Priestorové systémy výroby tepla, systémy tepelného čerpadla. 2017.
- STN EN 378-1 Chladiace systémy a tepelné čerpadlá. Požiadavky na bezpečnosť a ochranu životného prostredia. Časť 1: Základné požiadavky, definície, klasifikácia a kritériá výberu. 2019.
- STN EN 14825 Klimatizačné jednotky, jednotky na chladenie kvapalín a tepelné čerpadlá s elektricky poháňanými kompresormi na vykurovanie a chladenie. Skúšanie a hodnotenie pri podmienkach čiastočnej záťaže a výpočet sezónnej účinnosti, 2014.
- STN EN 15450 Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie vykurovacích systémov s tepelnými čerpadlami, 2007.
- PETRÁŠ D. A KOLEKTÍV, Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy, 1. vyd. Bratislava: JAGA GROUP, s.r.o., 2009. ISBN 978-80-8076-075-5.
- Podklady firmy NIBE – zdroj https://www.nibe.eu/sk/sk/.
The article evaluates the cooperation of the air/water heat pump with large-scale heating systems and determines the seasonal heating factors. The measurements revealed SPF slightly better than the manufacturer's.