Experimentální porovnání topného faktoru tepelného čerpadla s údaji výrobce
Článek popisuje metodiku experimentálního způsobu ověření výkonu tepelného čerpadla v provozním stavu. Konkrétně jde o typ tepelného čerpadla (TČ) vzduch-voda. TČ bylo sledováno v extrémních klimatických podmínkách a výsledné naměřené a vypočtené parametry byly porovnány s udávanými parametry výrobce.
Úvod
Tepelná čerpadla zažívají v současnosti konjunkturu, mimo jiné také díky dotační politice České republiky, např. v rámci programu „Zelená úsporám“ [1]. Tato skutečnost způsobila, že se k nám do země dováží TČ mnoha značek. Existuje také hodně tuzemských výrobců, jejichž výrobky pokrývají celé spektrum kvality. Laická veřejnost většinou nemá fundovaný přehled o parametrech tepelných čerpadel a může se stát, že uvěří ne zcela serioznímu prodejci, který udává již i na první pohled podezřele výborné parametry dodávaných TČ. Může se stát, že po zakoupení takovéhoto produktu, jeho uvedení do provozu a následně prvním vyúčtování spotřeby elektrické energie, investoři procitnou a zjistí, že si zakoupili výrobek pracující za určitých podmínek s účinností blížící se elektrokotli. Je třeba na tomto místě také říci, že na našem trhu máme také mnoho kvalitních TČ od renomovaných výrobců. Uvedený příklad ověření daného TČ není možné brát jako typický, ale je spíše výjimkou.
Obr. 1 Pohled do vnitřní jednotky posuzovaného TČ
Popis ověřovaného tepelného čerpadla
Posuzované tepelné čerpadlo uvedené na obrázcích 1 a 2 slouží jako hlavní zdroj tepla pro soustavu se stěnovým a podlahovým vytápěním v rekreačním objektu na jižní Moravě. Tepelné čerpadlo je umístěno v sklepních prostorách objektu (vnitřní provedení) a jeho výparník je umístěn v exteriéru. Otopná soustava s tepelným čerpadlem je doplněna akumulační nádobou o objemu 1000 l a elektrickým bivalentním zdrojem s výkonem 6 kW, který je uveden do provozu při nedostatečném pokrytí tepelné ztráty objektu tepelným čerpadlem. Hlavním úkolem tohoto experimentu bylo provést změření vybraných veličin a následně vypočítat výkonnostní parametry (topný faktor) zadaného tepelného čerpadla. Zjištěné veličiny byly porovnány s hodnotami uváděnými výrobcem (graf 1) daného tepelného čerpadla.
Obr. 2 Vnitřní jednotka a vnější jednotka TČ
Graf. 1 Výkonové parametry TČ udávané výrobcem
Metodika experimentálního měření tepelného čerpadla
Přesnou metodiku měření a zkoušení tepelných čerpadel udává ČSN EN 14511 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru. Tato norma, která má celkem čtyři svazky, detailně popisuje přesné laboratorní měřící metody a požadavky kladené na tepelná čerpadla [2]. V praxi se může objevit požadavek na jednodušší metodiku ověření výkonu tepelného čerpadla bez přerušení provozu zdroje a jakýchkoliv montážních a demontážních zásahů, která nám zajistí alespoň orientační přehled výkonnostních parametrů.
Fyzikální model
Schéma použitého fyzikálního modelu měření je uvedeno na obrázku 3. Tepelné čerpadlo pracující s chladivem R 407C je umístěno v sklepních prostorách objektu a jeho výparník je osazen v exteriéru. Pro měření bylo použito mobilních měřících přístrojů, přesný seznam je uveden níže. Bylo nutné zajistit přístup pro čidla přístrojů, z tohoto důvodů bylo zapotřebí odstranit menší množství tepelné izolace z potrubí, jinak bylo vlastní měření vcelku neinvazivní.
Obr. 3 Schéma fyzikálního modelu
Pro měření byly použity tyto přístroje:
- měřící stanice ALMENO 2890-9 – měření teplot
- měřící stanice TransPort PT878 – měření průtoku
- měřící stanice UNI-T UT 231 – elektro měření
- teplotní čidla ALMENO NiCr-Ni typ K
- průtokové ultrazvukové čidlo UTXDR 2 MHz
- tlakoměr ShineYear – měření tlaku chladiva
Postup měření
V rámci měření byly sledovány tyto veličiny:
- s
- – čas [min]
- te
- – teplota vzduchu v exteriéru [°C]
- t1
- – teplota vody na výstupu z TČ [°C]
- t2
- – teplota vody na vstupu do TČ [°C]
- m
- – hmotnostní průtok vody [lmin−1]
- w
- – rychlost proudění vody [ms−1]
- I
- – elektrický proud [A]
- P1
- – elektrický činný příkon [W]
- cosφ
- – elektrický účiník [-]
- p
- – tlak chladiva na sání [kPa]
- P2
- – elektrický zdánlivý příkon [VA]
Při měření se odečítaly tyto hodnoty: te, t1, t2, m, I, P1, P2 a cosφ. Hodnoty byly ukládány do paměti přístrojů po 2 minutách a v případě elektrického měření byly zaznamenávány ručně po 15 minutách. Měření hodnot elektrických veličin se nemohlo realizovat přímo na tepelném čerpadle (kompresoru), z důvodu porušení ochranné izolace kompresoru a nedostatku místa. Sledování proudu, příkonu a účiník bylo prováděno na jističi. Celkem bylo provedeno 6 měření uvedených elektrických veličin v daném rozmezí 15 minut.
Použité výpočty
Dalším krokem ověření TČ je výpočtová část. Byly použity následující vztahy[3]:
Q = m ‧ c ‧ (t1 − t2)(1)
ε = QPTČ (2)
kde
- Q
- – tepelný výkon TČ [W]
- c
- – měrná tepelná kapacita vody = 4,2 [kJ/kg−1K−1]
- PTČ
- – skutečná naměřená hodnota příkonu TČ [W, VA]
- ε
- – topný faktor TČ [-]
Graf. 2 Průběh teplot vzduchu a vody
Výsledky
Průběhy naměřených teplot jsou v grafu 2, přičemž v čase mezi 8:30 až 8:57 probíhalo odtávání kondenzátoru. Po odtání kondenzátoru je patrné mírné zvýšení výstupní teploty. V grafu 3 je zaznamená výsledný topný faktor pro činný a zdánlivý příkon.
Graf. 3 Zjištěný topný faktor
Závěr
Vypočtený topný faktor se pohybuje v intervalu 1,29–1,93 pro činný elektrický příkon P1 a v intervalu 0,97–1,17 pro zdánlivý elektrický příkon P2. Záměrně jsou uvedeny topné faktory pro oba příkony, protože starší typy elektroměrů měřily zdánlivý příkon. Současné elektroměry montované do domácností měří činný příkon. Hodnoty vypočtených topných faktorů byly vypočteny pro teplotu vzduchu v čase měření v exteriéru v intervalu −8,4 až −9,1 °C. Pro porovnání s hodnotami topného faktoru udávanými výrobcem jsou v grafu 3 uvedeny naměřené topné faktory v intervalu 15 minut. Ačkoliv naměřená teplota výstupní vody dosahovala cca 34 °C a topný faktor byl porovnán s charakteristikou výrobce pro teplotu výstupní vody 40 °C, nebylo dosaženo hodnot deklarovaných výrobcem. Pro porovnání je v grafu 3 uvedena ještě jedna charakteristika TČ vzduch-voda odpovídajícího výkonu, ale jiného výrobce. Tato charakteristika má naměřeným hodnotám mnohem blíže a více odpovídá realitě.
Literatura
- [1] SLOVÁČEK, J. Historie a vývoj tepelných čerpadel v ČR a EU, TZB Haustechnik, 2009, roč. 2, čís. 4, str. 12–14.
- [2] ČSN EN 14511 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru, 2009.
- [3] RECKNAGEL, H.,SPRENGER E.,SCHRAMEK R., Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenburg Industrieverlag, München, ISBN 3-486-26450-8, 2001.
The article describes the methodology of experimental verifying of the performance of heat pump in real conditions. Namely the air-water type of heat pump was evaluated. Heat pump has been observed in extreme climatic conditions and the resulting measured and calculated parameters were compared with the parameters specified by its manufacturer.