Dimenzování tepelného čerpadla vzduch-voda, bivalentní/záložní zdroj
Vzhledem ke stále častějším otázkám našich klientů a někdy také mylným informacím, které mají, se vrátíme k dimenzování tepelných čerpadel a funkci záložního/bivalentního zdroje. Tepelná čerpadla se dimenzují v závislosti na jejich konstrukci. Konvenční zařízení, u nichž jsou použity kompresory scroll a nemají regulovatelný výkon, se obvykle dimenzují na 80 % tepelné ztráty, tedy zcela jinak než moderní invertorová tepelná čerpadla.
Tepelné ztráty
Tepelné čerpadlo se jako každý jiný topný zdroj dimenzuje tak, aby pokrylo tepelné ztráty daného objektu. Tepelné ztráty se počítají dle stanovených kritérií pro určitou venkovní teplotu. Venkovní teplota pro výpočet tepelných ztrát je v ČR -12 °C až -21 °C, podle lokality. Pro většinu území se jedná o teplotu -12 °C nebo -15 °C. Jednotlivé lokality se mezi sebou liší ještě počtem dnů topné sezony.
Výkon tepelného čerpadla
Podle evropského standardu Eurovent udávají výrobci tepelných čerpadel výkon jednotlivých zařízení při 7 °C venkovní teploty a 35 °C teploty topné vody (A7/W35). U některých systémů je také možné najít výkon udávaný dle normy EN 14 511, obvykle pro A2/W35.
S klesající venkovní teplotou klesá u tepelných čerpadel vzduch-voda výkon a také topný faktor (COP). Tento pokles je u každého zařízení jiný. Nejsou zde však výrazné rozdíly. Existují také systémy, u kterých se prezentuje neklesající výkon. U těchto zařízení však výrazně klesá topný faktor. To znamená, že s klesající venkovní teplotou dochází ke zvyšování příkonu elektrické energie mnohem více než u tepelných čerpadel, u kterých je přiznáván pokles výkonu.
Dimenzování tepelného čerpadla
Dimenzování tepelných čerpadel závisí na jejich konstrukci. Konvenční tepelná čerpadla, u nichž jsou použity kompresory scroll a nemají regulovatelný výkon, se obvykle dimenzují na 80 % tepelné ztráty. Důvodem je, aby nedocházelo při venkovních teplotách, při kterých je tepelná ztráta menší než výkon tepelného čerpadla, k vypínání a zapínání tepelného čerpadla v rychlém sledu, tzv. cyklování (taktování). Tento stav je nežádoucí, protože snižuje životnost zařízení. Částečně se tomuto jevu předchází zařazením taktovací nádoby do topného systému. Díky ní se prodlouží doba, po kterou tepelné čerpadlo pracuje. Často jsou tyto nádoby – ať úmyslně, nebo ne – nazývány nesprávně jako akumulační. Nádobu o objemu 200–500 l, kde je topná voda ohřátá na 55 °C, nelze považovat za akumulační, protože tepelná energie v ní uložená (akumulovaná) je vyčerpaná velmi rychle.
Na rozdíl od konvenčních tepelných čerpadel umožňují tepelná čerpadla s invertorovou technologií (frekvenčním měničem) plynulou regulaci výkonu. Obvykle je možné výkon regulovat v rozmezí 30–100 %. Proto je možné tyto systémy dimenzovat na plnou tepelnou ztrátu při výpočtové teplotě. V tomto případě se hovoří o tzv. předimenzování vzhledem k udávanému výkonu podle standardu Eurovent. Regulaci výkonu umožňují použité kompresory – buď dvojité rotační nebo digital scroll, které se na trhu objevily v posledních letech. Vzhledem k výrobě a používání dvojitých rotačních kompresorů korporací Toshiba-Carrier již desítky let, jsou tyto kompresory velmi spolehlivé a účinné a jsou považovány za špičku mezi kompresory, u kterých je možné regulovat výkon.
Monovalentní provoz
Je-li požadován monovalentní provoz tepelného čerpadla, tj. provoz bez bivalentního/záložního zdroje, je nutné výkon tepelného čerpadla zvolit takový, aby při výpočtové teplotě pokryl plně tepelnou ztrátu. Při dimenzování je pak nutné brát v úvahu určitou rezervu výkonu, který se spotřebuje pro odtávání a na pokrytí doby, kdy tepelné čerpadlo nepracuje. Pro tepelné čerpadlo je distribuční sazba elektrické energie D56d, která zahrnuje nízký tarif (NT) po dobu 22 hodin a vysoký tarif (VT) po dobu 2 hodin. Při vysokém tarifu tepelné čerpadlo nepracuje, prostřednictvím signálu HDO (dálkové přepínání tarifů) je odstaveno. Existují však systémy, které umožňují ignorovat signál HDO, pak může tepelné čerpadlo pracovat 24 hodin denně. Toto umožňuje například regulace xCC, standardně dodávaná k tepelným čerpadlům Convert AW, která využívají technologii Toshiba-Carrier. U této regulace má zákazník možnost si funkci aktivovat, pokud chce tepelné čerpadlo využívat 24 hodin denně.
Bivalentní provoz
Tepelná čerpadla dimenzovaná na plnou tepelnou ztrátu však vychází poměrně draho a jejich plný výkon je využíván velmi zřídka. Proto se ve většině případů volí kombinace tepelného čerpadla a bivalentního/záložního zdroje. Toto spojení umožňuje do určité venkovní teploty využívat pouze tepelné čerpadlo a v případech, kdy je výkon tepelného čerpadla nedostačující, připojit bivalentní zdroj, který dodá chybějící tepelnou energii. Na základě našich dlouholetých zkušeností s provozem tepelných čerpadel můžeme říci, že bod bivalence (venkovní teplota, do které tepelnou ztrátu plně pokrývá energie dodaná tepelným čerpadlem) by měl být v rozmezí teplot -7 °C až -10 °C. Jedná se o teploty, které se trvale v topné sezoně nevyskytují dlouhodobě, ale nejsou ani výjimečné.
Topné soustavy
Předpokladem správné funkce tepelného čerpadla je vhodná otopná soustava s tepelným spádem maximálně 55/45 °C a nižším. Tento předpoklad splňují nově zhotovené otopné soustavy, popřípadě soustavy u objektů, které byly zatepleny. Zateplením klesla výrazně tepelná ztráta a výkon stávající topné soustavy, původně navržené na vyšší teplotní spád, se stal dostačující při nižší teplotě topné vody. Tepelné čerpadlo lze však instalovat i v objektech, kde není teplotní spád otopné soustavy ideální pro nízkoteplotní zdroj – tepelné čerpadlo. Existují systémy s ekvitermním řízením, které jsou schopny přejít do alternativního provozu, je-li třeba ohřívat topnou vodu na teplotu vyšší než 55 °C, tj. na maximum, na které je tepelné čerpadlo schopno vodu ohřát. To znamená, že dojde k odpojení tepelného čerpadla a provozu pouze bivalentního/záložního zdroje. Záložní zdroj, který musí být pro tento případ dimenzovaný na plné tepelné ztráty, zajistí ohřev topné vody na požadovanou teplotu vyšší než 55 °C. Pro tento účel jsou vhodné systémy, které umožňují nastavení ekvitermní křivky ve více bodech. Systémy využívající regulaci xCC umožňují nastavení ve dvanácti bodech.
Bivalentní/záložní zdroj
Nyní k bivalentním/záložním zdrojům. Jejich funkci a využití jsem již popsal. Jak se však podílejí na celkových nákladech na vytápění? Pokud je nevhodně dimenzované tepelné čerpadlo, může být podíl bivalentního/záložního zdroje poměrně vysoký a efektivita provozu topného zdroje s tepelným čerpadlem značně poklesne. Provoz tepelného čerpadla, přestože výrobce udává vysoký topný faktor, se tak stává drahým.
Dalším aspektem, který ovlivňuje podíl bivalentního/záložního zdroje, je možnost ovlivnit v nastavení systému jeho spínání, popřípadě zakázat jeho provoz. U většiny konvenčních tepelných čerpadel i čerpadel s plynulou regulací výkonu dochází k automatickému spínání vždy, když tepelné čerpadlo má nedostatečný výkon. Uživatel o tomto stavu obvykle neví a ani nemá možnost jej ovlivnit.
Kvalitnější systémy umožňují nastavit v regulaci hodnotu venkovní teploty, při které dojde k sepnutí bivalentního/záložního zdroje, popřípadě zakázat jeho provoz.
Systémy se sofistikovanou regulací pak kromě zakázání provozu umožňují nastavení několika podmínek pro zapojení bivalentního/záložního zdroje. K jeho provozu dojde až po splnění těchto podmínek. Například regulace xCC, kterou jsou standardně vybaveny systémy tepelných čerpadel Convert AW, umožňuje kromě dalších nastavení zadat hodnotu, o kterou je možné podkročit ekvitermní teplotu – hystereze k venkovní teplotě, při požadavku systému na připojení bivalentního/záložního zdroje, aniž by došlo k jeho připojení, teplotní interval pro opětovné spínání zdroje (teplotu o kterou je možné podkročit ekvitermní teplotu bez připojení zdroje při stálém požadavku na jeho připojení) – hystereze spínání a čas pro vyloučení náhodných stavů – doba k sepnutí bivalence, které by měly za následek předčasné nežádoucí sepnutí zdroje (systém po nastavenou dobu ověřuje, že požadavek na připojení zdroje je trvalý, ne náhodný). Využitím všech popsaných možností se výrazně omezí provoz bivalentního/záložního zdroje a zefektivní tak provoz celého topného zdroje.
Za tým AC Heating
Ing. Jiří Honzík
info@ac-heating.cz
731 071 599
Společnost KUFI INT je česká firma, která vyrábí a instaluje tepelná čerpadla AC Heating Convert AW. Naše tepelná čerpadla vytápí rodinné domy, bytové domy, školy, školky, administrativní budovy a průmyslové haly. Máme za sebou stovky instalací tepelných ...