Reklama

Nadřazená regulace tepelných čerpadel? Vyhodnocování pouze přes COP a úspory nákladů neříká celou pravdu

9.4.2025

Ing. Erika Langerová, ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov

Odborný

Nasazení nadřazené regulace rezidenčních tepelných čerpadel bývá většinou motivováno úsporami. Využití této regulace umožňuje optimalizovat provoz tepelného čerpadla podle aktuálních cen, provozních podmínek a případně dalších faktorů, což může přinést výrazné úspory nákladů. Ale…

Regulace musí zohledňovat kromě úspor i životnost tepelného čerpadla

V praxi se zatím v naprosté většině případů nadřazené řízení realizuje tak, že regulátor tepelného čerpadla je z nadřazené regulace ve vhodný okamžik povelován, aby spustil TČ. Jiné zásahy – jako řízení otáček kompresoru, povelování k vypnutí apod. – nejsou zpravidla z dobrých důvodů nadřazené regulaci dovoleny. Tj. jsou stále zajišťovány regulátorem tepelného čerpadla podle aktuálních podmínek na chladivovém, primárním (strana zdroje-vzduch, voda, solanka) a sekundárním (strana spotřebiče-otopný systém) okruhu tepelného čerpadla.

Jinými slovy, při nasazení nadřazené regulace není už spínání tepelného čerpadla dáno pouze požadavkem otopného systému a zóny, ale je dáno výsledkem výpočtu algoritmu nadřazené regulace, jehož účelová funkce zpravidla cílí na minimalizaci nákladů na vytápění/TV při zachování požadovaného teplotního komfortu v budově, resp. zóně.

Vyhodnocování přínosů nasazení nadřazené regulace tepelných čerpadel se v současné době v naprosté většině studií provádí přes indikátory dosaženého provozního topného faktoru tepelného čerpadla (COP) a dosažených úspor nákladů na vytápění, resp. vytápění a přípravu TV. COP je indikátor, který nám dává možnost posoudit energetickou efektivitu tepelného čerpadla po nasazení nadřazené regulace, úspora nákladů nám dává informaci o ekonomickém přínosu nasazení nadřazené regulace.

Stačí to?
Ne. Chybí indikátor dopadů nadřazeného řízení na životnost tepelného čerpadla.

Pokud do vyhodnocování nezahrneme indikátor zohledňující dopady nadřazené regulace na životnost tepelného čerpadla, potom dostáváme zcela zkreslený obrázek o dlouhodobé provozní realitě. Ono se totiž může klidně stát (a stává se to, není to jenom moje paranoia), že dosáhneme úspor i navýšení COP, ale to vše bude za cenu snížení životnosti kompresoru nadměrným cyklováním s tepelným čerpadlem.

Z dlouhodobého hlediska je nutné do ekonomické bilance zahrnovat nejen dosažené úspory, ale také náklady na údržbu a výměnu komponent tepelného čerpadla. Může se totiž stát, že nadřazené řízení bude realizováno tak nevhodně, že se v dlouhodobém výhledu dostaneme do negativní ekonomické bilance, protože náklady na častý servis nebo výměnu dílů TČ převáží veškeré dosažené úspory na energiích.

Řízení kompresoru TČ v praxi

Na úvod je potřeba zmínit, že v praxi mohou nastat dvě situace. V ideálním případě implementuje všechny základní ochrany kompresoru uvedené níže již regulátor tepelného čerpadla. V horším případě ochrany implementovány nejsou buď vůbec anebo jen částečně –typicky chybí ochrana na max. povolený počet startů.

Předpokládejme, že máme správně dimenzované tepelné čerpadlo provozované ve správně naprojektované a realizované instalaci. Taková instalace znamená, že kompresor není nucený trvale pracovat na hranách své pracovní obálky (ta představuje rozsah povolených provozních podmínek), čímž se z úvahy o životnosti eliminují faktory jako je selhání mazání dané degradací oleje za vysokých teplot nebo „usmažení“ kompresoru vysokými teplotami. Hlavní vliv na životnost má v tomto případě počet startů a dodržení minimální doby chodu.

Mezi základní ochrany na životnost kompresoru patří:

Čítač počtu startů: Maximální počet startů doporučí výrobce konkrétního typu kompresoru v jeho technických podkladech. Typicky jej doporučí v max. počtech startů za hodinu. Například u kompresorů od Emersonu pro rezidenční TČ se uvádí max. povolený rozsah 6-10 startů za hodinu v závislosti na typu a dalších parametrech kompresoru, viz třeba tady [5]. Cílem omezení počtu startů je minimalizace rizika předčasného mechanického opotřebení.
Časovač minimální doby chodu: Minimální doby chodu jsou stanoveny tak, aby se zajistilo dostatečné mazání kompresoru. Při každém startu kompresoru dochází k rychlému poklesu sacího tlaku i tlaku v olejové vaně a napěnění oleje. Výsledkem je únik části oleje z olejové vany do chladivového okruhu. Olej pak spolu s chladivem „cestuje“ v okruhu. Pokud by kompresor běžel příliš krátce, olej by neměl dostatek času na návrat zpět až do kompresoru. Při následném startu by pak mohlo být v olejové vaně méně oleje, než je optimální pro správné mazání. Nedostatečné mazání znamená vyšší tření a riziko poškození součástí. Konkrétní doporučená minimální doba chodu se opět odvíjí od výrobce, typu kompresoru a dalších jeho charakteristik, typicky bývá v rozsahu 2 až 5 minut [1].
Časovač pauzy mezi starty: – pouze pro některé kompresory, netýká se např. scroll kompresorů – Po vypnutí některých typů kompresorů je nutné, aby měl systém čas vyrovnat tlakové rozdíly mezi vysokotlakou a nízkotlakou částí chladivového okruhu. Pokud by kompresor restartoval příliš brzy, tlačil by rovnou do neoptimálních tlakových poměrů pro rozběh, tj. s vysokým rozběhovým proudem a vysokým náporem na všechny mechanické části. Netýká se scroll kompresorů, které zvládají odlehčené starty. Dobu klidu opět určí výrobce konkrétního kompresoru, minimální doporučovaná doba se typicky pohybuje okolo 4 minut. [2]

Přístupy k implementaci těchto ochran se mezi výrobci tepelných čerpadel různí, někdo je implementuje, někdo ne, někdo částečně. Pokud jsme dodavatel nadřazené regulace, tak je potřeba si trochu dávat pozor na to, s čím zrovna pracujeme.

Vždy se hlídá:

Časovač max. povolené doby překročení obálky kompresoru: V závislosti na výrobci buď vůbec není anebo je povolen určitý krátký čas (řádově jednotky minut) provozu mimo obálku kompresoru. Po překročení této max. povolené doby se kompresor z důvodu ochrany vypne a vyhlásí se alarm (s manuálním nebo automatickým resetem).

Příklad pracovní obálky kompresoru – zjednodušená, bez zónování [5]

Situace 1 – Základní ochrany jsou implementovány v regulátoru TČ

Situace 1 znamená, že nadřazené regulaci bude zabráněno spustit tepelné čerpadlo víckrát za hodinu, než dovoluje čítač max. počtu startů, a nebude jí dovoleno tepelné čerpadlo sepnout v případě, že je TČ zrovna v nuceném klidu (v minimální pauze mezi starty pro vyrovnání tlaků v chladivovém okruhu) nebo pokud je TČ v chybě. Nadřazená regulace se sice bude snažit tepelné čerpadlo povelovat, ale ono povel odmítne, resp. start odloží a spustí se, až už nebude blokováno čítačem startů, časovačem minimální doby pauzy nebo alarmem chyby. TČ si bez ohledu na nadřazené řízení samo bude hlídat svou minimální dobu chodu. Toto efektivně zajišťuje, že nadřazená regulace nebude moci s kompresorem cvičit úplně neomezeně. Může se stát maximálně to, že kompresor poběží na hraně stanovených limitů.

Situace 2 – Základní ochrany nejsou implementovány v regulátoru TČ

Druhá varianta je mnohem horší. Ochrany kompresoru v regulátoru TČ implementovány nejsou buď vůbec, nebo pouze částečně. Typicky chybí ochrana na max. povolený počet startů. Při provozu na ekvitermu to zpravidla ve správně navržené instalaci není až tak zásadní problém, protože řízení na ekvitermu není příliš dynamické. TČ může plynule reagovat na pomalé změny provozních podmínek v otopné soustavě, resp. zóně, což v naprosté většině případů koreluje i s přijatelnými počty startů.

Jiná situace je v případě, že TČ chceme povelovat z nadřazené regulace na základě dynamických cen elektřiny. Zde přináší absence ochrany na max. počet startů velké riziko nadměrného opotřebení kompresoru způsobené častým cyklováním. Toto riziko je mnohem větší než v případě provozu na ekvitermu, protože nadřazená regulace může častěji měnit požadavky na spínání tepelného čerpadla v reakci na dynamické podmínky trhu.

Dodavatel nadřazené regulace může situaci výrazně pomoci, pokud na své straně implementuje ochrany na počet startů, resp. zahrne jejich vliv do svých účelových funkcí. Ostatní ochrany, jako je minimální doba chodu, nemá zpravidla šanci ovlivnit, protože nemá zpřístupněny potřebné registry.

Na Obr. níže je příklad efektu nasazení nadřazené regulace, který se nedá indikátorem COP ani indikátorem úspory nákladů podchytit – došlo zde k navýšení počtu startů a zkrácení doby chodu (tmavě modrá výplň) oproti situaci, kdy je TČ řízeno svým regulátorem (světle modrá výplň, rule based řízení). Oproti 4 startům za den v případě výchozího rule-based řízení regulátorem TČ zde máme startů 12 za den a výrazně zkrácenou dobu chodu.

Příklad efektu nasazení nadřazené regulace – navýšení počtu startů (tmavě modrá) a zkrácení doby chodu oproti situaci, kdy je TČ řízeno svým regulátorem (světle modrá, rule based řízení) [4]

Z této a dalších studií je jasné, že určitý potenciál k vyšší frekvenci startů nadřazené řízení vykazuje a nelze ho přehlížet. Zahrnutí indikátoru počtu startů do základních hodnotících indikátorů je tedy naprosto oprávněné.

Zároveň je potřeba dodat, že pro zhodnocení skutečných dopadů na životnost by bylo potřeba provést roční simulaci a na základě toho obě varianty na počet startů porovnávat. Z jednodenního měření nebo simulace nelze dělat žádné definitivní závěry. Rozhodující je dlouhodobý trend.

Zahrnout faktor četnosti spínání kompresoru do účelové funkce nadřazené regulace může celé situaci velmi výrazně pomoci. A to i v případě, že ochranu na počet startů už implementuje samotný regulátor tepelného čerpadla.

Zahrnutí faktoru počtu startů kompresoru do účelových funkcí nadřazených regulací

Jako ukázkový příklad si můžeme vzít studii [3], která porovnávala dvě účelové funkce podle Obr. níže: jedna funkce předpokládala, že nadřazená regulace bude řídit teplotu výstupní otopné vody z TČ (tj. nadřazená regulace dává požadavek na tuto výstupní teplotu a regulátor tepelného čerpadla na základě tohoto požadavku upravuje svým interním PID regulátorem otáčky kompresoru, aby této teploty dosáhlo) a nebude brát v potaz limit na počet startů kompresoru. Druhá účelová funkce předpokládala, že nadřazená regulace bude přímo řídit otáčky kompresoru v povoleném rozsahu a zároveň zahrne vliv počtu startů.

Tady je nutné upozornit, že se jednalo o prototyp TČ, u kterého bylo možné dovolit nadřazené regulaci dávat požadavky na výstupní teplotu, resp. přímo otáčky kompresoru. V praxi většina výrobců nedovolí dodavatelům nadřazené regulace „sáhnout až takto hluboko“ do řízení tepelného čerpadla. Typicky dovolí pouze povelovat k zapnutí. V tomto ohledu je tedy studie [3] dost mimo možnosti současné reálné praxe.

Benchmark pro tyto dvě situace je řízení tepelného čerpadla jeho regulátorem na ekvitermu. Ve všech třech případech je cílem udržet v zóně komfortní teplotu.

Celý test probíhal v HiL testbedu na reálném hydraulickém okruhu s reálným tepelným čerpadlem. Pro více info o okrajových podmínkách viz [3].

Porovnání použitých účelových funkcí [3]

Graf níže zachycuje porovnání všech sledovaných variant, kde modrá varianta je nadřazená regulace + nezohledněny starty, oranžová je nadřazená regulace + zohledněny starty a šedivá je benchmark. Je patrné, že z hlediska dosažených COP se varianty příliš neliší, ale zcela zásadně se liší počtem startů. Pokud bychom indikátor počtu startů vynechali, přehlídneme zcela zásadní informaci o vlivu nadřazené regulace na provozní charakteristiky tepelného čerpadla. Je zároveň vidět, jak zásadně naroste počet startů v případě, kdy ho v účelové funkci nezohledníme.

Porovnání sledovaných variant [3]

Nadřazená regulace u domácího čerpadla může zkrátit životnost zařízení

Nasazení nadřazené regulace tepelných čerpadel může přinést výrazné ekonomické výhody díky možnosti optimalizace provozu na základě aktuálních tržních podmínek. Zároveň má potenciál ovlivnit životnost tepelného čerpadla. Typické přístupy k vyhodnocení přínosů nadřazené regulace, jako sledování hodnoty COP nebo dosažených úspor nákladů neposkytují úplný obraz o dlouhodobých dopadech nadřazené regulace na životnost TČ. Je potřeba zohlednit i počty startů kompresoru. Zanedbání faktorů ovlivňujících životnost může vést k zásadnímu podcenění bilance nákladů na servis a případnou výměnu klíčových komponent, především kompresoru, který je velmi citlivý na časté cyklování.

Nelze se tedy divit, že řada výrobců přistupuje k požadavkům na umožnění povelování tepelných čerpadel z nadřazené regulace velmi vlažně.

Tepelné čerpadlo není ani jednoduchý stroj ani levná investice a nemůžeme si dovolit s ním cyklovat stejným způsobem jako s elektrickou topnou patronou.

Z pohledu výrobce, resp. dodavatele tepelného čerpadla přináší implementace možnosti nadřazeného řízení několik velkých rizik:

Výrobce svěří spínání tepelného čerpadla dodavateli nadřazené regulace jako třetí straně
Výrobce se tak dostává do nepříjemné situace, protože tepelné čerpadlo mu řídí někdo jiný, ale veškeré záruky, včetně záruky na kompresor, pořád drží on.
Stejně tak drží servisní pohotovost, takže pokud dojde vlivem nevhodného řízení nadřazenou regulací k poruše, servisuje to pořád všechno výrobce, nikoli dodavatel nadřazené regulace.
Veškerou vinu za poruchy způsobené nevhodným provozem daným nadřazenou regulací bude koncový zákazník přenášet na servisní/reklamační pult výrobce tepelného čerpadla. To má samozřejmě potenciál silně poškodit dobré jméno výrobce.

Z výše uvedeného je patrné, proč se většina výrobců staví k nadřazenému řízení externími softwary spíše opatrně. Pokud by byla nadřazená regulace schopna zohlednit aspekt životnosti, například zahrnutím limitu počtu startů kompresoru do účelových funkcí, určitě by to přispělo ke snížení obav výrobců z nevhodného provozu tepelného čerpadla.

Ideálním stavem by bylo, kdyby počty startů při nadřazeném řízení nijak zásadně nepřevyšovaly počty startů při řízení na ekvitermu. Pokud se budou počty startů denně/pravidelně pohybovat na limitu doporučeného počtu startů, nebo budou dokonce vysoce nad tímto limitem, začne výrobce TČ celkem oprávněně uvažovat o tom, zda chce takové řízení vůbec umožnit.