Přerušované vytápění tepelným čerpadlem – ano či ne?
Vytápění tepelným čerpadlem může být přerušované s útlumem teploty v noční a pracovní době nebo na konstantní teplotu po celý den. Analýza zahrnuje i vliv bivalence a prokazuje významně zvýšené náklady při provozu s útlumem.
Tak jak svět světem stojí, v našem případě tak jak svět topí, tak se dělí topenářská obec na dvě skupiny – jedna z nich upřednostňuje přerušované vytápění s poklesem teploty v noční a pracovní době, zatímco druhá skupina preferuje topení s konstantní teplotou po celý den. Avšak jak tato situace vypadá v případě vytápění objektu tepelným čerpadlem?
Obě skupiny mají své argumenty, samozřejmě argumenty jedné či druhé skupiny jsou silnější dle typu vytápěného objektu – budova s vyšší či nižší akumulací, velikost tepelných ztrát, typ topné soustavy či typu topného zdroje.
Avšak jak tato situace vypadá v případě vytápění objektu tepelným čerpadlem? Zde bude situace ještě výrazněji ovlivněna promněnlivou hodnotou topného faktoru či poměrem vytápění pomocí kompresoru a pomocí přídavné topné elektrospirály.
Pro posouzení jednotlivých variant jsem zvolil dva příklady:
- Objekt s tepelnou ztrátou 7 kW při −15 °C okolní teploty, podlahové vytápění s topnou vodou 45/40 °C a poklesem teploty při přerušeném vytápění 0,1 °C/hod při 0 °C okolní teploty. Pro vytápění objektu je zvolena jednotka Carrier 38AW/80AWH 090 s pomocným dotopem 6 kW
- Objekt s tepelnou ztrátou 10 kW při −15 °C okolní teploty, vytápění radiátory s topnou vodou 60/55 °C a poklesem teploty při přerušovaném vytápění 0,4 °C/hod při 0 °C okolní teploty. Pro vytápění objektu je zvolena jedotka Carrier 38AW/80AWH 115 s pomocným dotopem 9 kW
Dále byly zvoleny následující podmínky pro porovnání jednotlivých variant:
- U obou variant je zvoleno vytápění dle ekvitermní křivky – viz obr. 1 a v následujících topných křivkách byl stanoven bod bivalence – viz obr. 2 – tj. venkovní teplota, kdy je nutné připojit pomocný elektrodotop pro zajištění požadované teploty v objektu. Topný výkon byl navýšen o 10 % vzhledm k době vytápění 22 hodin vyplývající z podmínek tarifu tepelných čerpadel.
- Pro zjednodušení byla zvolena vnitřní teplota na 20 °C a pro zvyšování teploty byla zvolena hodnota 0,5 °C/hod. bez ohledu na venkovní teplotu.
- Maximální doba provozu vytápění byla stanovena na 22 hodin ze 24.
- Noční pokles byl stanoven na dobu 20:00 až 4:00 a 6:00 až 14:00 – předpokládám dvouhodinový „předstih“ před skutečnou požadovanou dobou poklesu teploty či požadavku na „komfortní“ teplotu. Dobu vysokého tarifu jsem zvolil dle časů v mnou obývaném objektu – 0:00–1:00 a 11:00–12:00. Samozřejmě můžeme zde diskutovat o vyšší prodlevě podlahového vytápění oproti radiátorům, avšak pro reálné posouzení je nutné určité zjednodušení.
- Pro zjednodušení výpočtu uvažuji při nepřetržitém vytápění s konstantní teplotou v objektu 20 °C bez poklesů při přerušení vytápění.
- Okolní teplota byla zvolena 0 °C – což je teplota sice mírně nižší než průměrné teploty v topném období (v České republice cca +3 až +4 °C), avšak je jednodušší pro odečet parametrů z grafů a je to víceméně nejběžnější teplota v topném období.
Obr. 1
Pro objekt č. 1 vychází při nepřerušovaném provozu teplota bivalence −9 °C a pro objekt č. 2 vychází tento bod na hodnotu −6 °C . Tři výkonové křivky jsou hodnotami topného výkonu včetně odtávání při maximální, nominální a minimální frekvenci kopresoru – jednotky jsou vybaveny kompresory s frekvenčními měniči.
Obr. 2
Obr. 3 Průběh vnitřní teploty objekt č. 1
Na následujících grafech je průběh vnitřní teploty v objektu č. 1 – viz obr. 3, kdy i při odstávce vytápění po dobu 8 hodin dojde k poklesu teploty na 19,2 °C, což je akceptovatelné.
U objektu č. 2 pokud začneme v 6:00 hod a 20 °C a dle časové tabulky bude docházet k odstavení topení v nočních hodinách a době, kdy jsou obyvatelé objektu v zaměstnání či škole, tak při stanovených podmínkách (hlavně rychlost ohřevu vnitřního prostoru 0,5 °C/hod) dojde k situaci, že druhý den v 6:00 nejsme schopni dosáhnout požadovanou teplotu 20 °C a pokles vniřní teploty bude až na hodnotu 16,8 °C což je neakceptovatené – viz obr. 4. Zde jsou dvě možnosti úpravy topného režimu:
- První možností je omezit pokles teploty pouze na 18 °C
- Druhou možností je zvýšení předstihu začátku topení z 2 hodin na 4 hodiny
Na obrázku č. 5 je provedena úprava jak minimální teploty v objektu 18 °C, tak úprava předstihu začátku topení ze 2 na 4 hodiny – tj. začátek „komfortní“ teploty je posunut ze 4:00 na 2:00 a ze 14:00 na 12:00.
Obr. 4 Průběh vnitřní teploty objekt č. 2
Obr. 5 Průběh vnitřní teploty po úpravě objekt č. 2
Pro vlastní porovnání budou použity varianty s konstantní vnitřní teplotou a pro objekt č. 1 simulace dle obr. 3 a pro objekt č. 2 upravená simulace dle obr. 5.
Pro jednotlivé varianty je spočtena tepelná energie nutná pro vytápění objektu po dobu 24 hodin, dále spotřeba elekrické energie za 24 hodin a jako poslední parametr procentuelní rozdíl spotřeby elektrické energie.
| Typ objektu | Č. 1 trvalé | Č. 2 trvalé | Č. 1 přerušované | Č. 2 přerušované |
|---|---|---|---|---|
| Tepelná ztráta [kW] | 7 | 10 | 7 | 10 |
| Průměrná teplota [°C] | 20 | 20 | 19,67 | 19,08 |
| Tep.ztráta pro 0 °C [kW] | 4 | 5,7 | 3,93 | 5,45 |
| Tepel.energie za 24 hodin [kWh] | 96 | 136,8 | 94,4 | 130,8 |
| Úspora tepelné energie [%] | 1,7 | 4,4 | ||
| Doba vytápění [hod] | 24 | 24 | 8 | 14 |
| Odpočet doby VT [hod] | −2 | −2 | 0 | −1 |
| Skut.doba vytápění [hod] | 22 | 22 | 8 | 13 |
| Průměrný topný výkon [kW] | 4,36 | 6,22 | 11,8 | 10,06 |
| Topná voda [°C] | 37 | 46 | 53 | 55 |
| Topný výkon/COP [] | 5,25N-/3,25 | 7,0N-/2,6 | 7,7M/2,3 | 9,9M/2,23 |
| Tep.energie TČ [kWh] | 96 | 136,8 | 61,6 | 128,7 |
| Nutno dotopit el.spirálou [kWh] | 0 | 0 | 32,8 | 2,1 |
| El.energie kompresor [kWh] | 29,54 | 52,62 | 26,78 | 57,71 |
| Celkem spotřeba el.energie [kWh] | 29,54 | 52,62 | 59,58 | 59,81 |
| Rozdíl [%] | 201,7 | 113,7 |
- Tepelná ztráta – tepelná ztráta objektu při okolní teplotě −15 °C
- Průměrná teplota – průmérná teplota daná ve třetí a čtvrté variantě útlumem v nočních a pracovních hodinách – viz obr. 3 a 5
- Tep. ztráta pro 0 °C – přepočtená tepelná ztráta pro okloní teplotu 0 °C
- Tepel. energie za 24 hodin – tepelná energie nutná pro udržení požadované teploty dle požadované teploty při 0 °C okolní teploty
- Úspora tepelné energie – snížení množství tepelné energie z důvodu snížení průměrné vnitřní teploty v % oproti nepřetržitému vytápění
- Doba vytápění – celková doba vytápění – u nepřerušovaného provozu je uvažováno 24 hodin, u přerušovaného provozu viz obr. 3 a 5
- Odpočet doby VT – odpočet doby vytápění z důvodu vysokého tarifu
- Skut. doba vytápění – celková doba snížená o odpočet doby vysokého tarifu
- Průměrný topný výkon – tepelná energie za 24 hodin podělená skutečnou dobou vytápění
- Topná voda – z průměrného topného výkonu a ekvitermní křivky byla stanovena teplota topné náběhové vody pro zabezpečení vyššího pžadavku na topný výkon z důvodu snížení doby vytápění
- Topný výkon/COP – z křivek výkonu a COP byly stanoveny max. topné výkony tepelného čerpadla – značka M za topným výkonem, u prvních dvou variant je dostačující topný výkon nižší než nominální –značka N- za topným výkonem a pro dané podmínky topný faktor – COP – viz obr. 6 pro variantu č. 2 bez přerušení
- Tep. energie TČ – tepelná energie dodaná kompresorem tepelného čerpadla za skutečnou dobu vytápění
- Nutno dotopit el. spirálou – rozdíl mezi celkovou tepelnou energií za 24 hodin a tepelnou energií dodanou kompresorem tepelného čerpadla. Tuto energii je nutné dodat elekrospirálou tepelného čerpadla
- El.energie kompresor – tepelná energie tepelného čerpadla dělená topným faktorem – tj. elektrická energie kompresoru zaznamenaná elektroměrem
- Celkem spotřeba el.energie – součet spotřeby el.energie pro kompresor a elektrospirálu, tj. celková spotřeba el. energie zaznamenaná elekroměrem
- Rozdíl v procentech – rozdíl ve spotřebě el. energie zaznamenané elektroměrem vztažený na variantu bez útlumu teploty či přerušované topení
Obr. 6 Topný výkon a COP pro var. 2 bez přerušení vytápění
Co z dané simulace vyplynulo?
- Přerušovaným provozem při cca 0 °C dochází k nárůstu nákladů na topení o 14 % až na dvojnásobek. Dalším negativním jevem je zvýšení požadované teploty topné vody z důvodu zvýšení průměrného topného výkonu ve zkrácené skutečné době vytápění, a tím ke zhoršení topného faktoru a snížení topného výkonu tepelného čerpadla. Zde se můžeme při nižších okolních teplotách dostat až na teplotní limit otopné soustavy (limitní teplota podlahového topení) nebo nad provozní limit tepelného čerpadla. Ve variantě dle obr. 4 a následně 5 bylo dokonce nutné upravit časový provoz (omezením doby odstávky) a dále omezit nejnižší teplotu v době odstávky topení dalším omezením této odstávky, čímž jsme se částečně přiblížili k původní variantě bez odstávek. Výsledkem tohoto provozu je tak nutnost použití přídavné elektrospirály i při teplotě nad bodem bivalence pro nepřetržitý provoz (nepovažuji za přerušované topení vypínání TČ při VT) s topným faktorem 1 místo topení kompresorem s několikrát vyšším topným faktorem.
- V některých bodech bylo provedeno zjednodušení – např. při chodu dle obr. 5 jsem uvažoval v redukované době pro vytápění chod TČ na plný výkon i při teplotě 18 °C, zatímco v reálu by v tuto dobu „jel“ kompresor na nižší než maximální frekvenci a v dalším období by byly vyšší nároky na dotápění elektrospirálou, tj. rozdíl by byl ještě mírně vyšší.
- U objektu č. 1 s dobrou izolací a větší akumulací nebude docházet k tak výraznému kolísání teploty (večer se ženské osazenstvo nebude tolik bouřit), a tudíž nebude nutno zasahovat tolik do přerušovaného vytápění, a přesto nárůst spotřeby el. energie se dostane na dvojnásobek. Ale uživatel ze začátku provozování nemá s čím porovnávat.
- U objektu č. 2 mne objektivní příčiny – tj. vyšší pokles teploty nutí omezovat přerušované vytápění, a tudíž uživatel takto nevědomky zlepšuje provozní podmínky otopného systému. Ale děje se tak na základě diskomfortu, ale nikoliv na základě snahy ušetřit provozní náklady. Tento efekt tak získá jako bonus zvýšení doby provozu, a tím přiblížení se nepřerušovanému vytápění. A tak zatímco úspora z důvodu poklesu vnitřní teploty dosahuje 1,7 až 4,4 %, tak na provozu a spotřebě tepelného čerpadla s el. dotopem je nárůst o 14 až 102 %. A to bylo hlavním cílem ukázat, že při snaze uspořit jednotlivá procenta může dojít ke ztrátě ve výši desítek procent.
Na základě diskuze nad výše uvedeným článkem vznikly dotazy, které jsem následně doplnil do závěru článku.
Proč je i při přerušovaném vytápění použita ekvitermní regulace?
Ekvitermní křivku, či regulaci, jsem použil z toho důvodu, že pro tepelná čerpadla jako topný zdroj má z jeho principu vyšší efektivitu než např u plynového kotle, kde nedochází k takové změně účinnosti topného zdroje (samozřejmě vyjma kondenzačního kotle, kde opět ekvitermní regulace má výrazný vliv na jeho účinnost). Pro přerušovaný provoz jsem použil vyšší teplotu náběhové vody, která odpovídá vyššímu požadavku na okamžitý topný výkon – viz hodnotu „Topná voda“ v závěrečné tabulce, kdy pro objekt č. 1 došlo k navýšení této teploty o 16 °C a pro druhý objekt o 9 °C. Samozřejmě, pokud by některý uživatel chtěl použít systém s přerušovaným vytápěním a doba odstávky je každý den prakticky shodná (kromě víkendů), tak je nutné ekvitermní křivku posunout směrem k vyšším teplotám.
V modelu je uvažováno i s prostorovým termostatem. K čemu je potom ekvitermní regulace? V tomto případě je samozřejmě možno použít prostorový ON/OFF termostat a to i s ekvitermní křivkou. Byla zde též možnost použít konstantní teplotu (předpokládám maximální limitní teplotu zařízení). Pokud bych tuto variantu použil, rozdíl ve spotřebě el. energie a potažmo nákladech by ještě vzrostl a „moje“ logika zadání by byla napadnutelná, že jsem záměrně tuto variantu znevýhodnil, aby mi výsledek vyšel tak jak potřebuji a toto nebylo záměrem modelování situace.
Proč nemůže noční útlum začít později a skončit dřív, aby nebylo nutné tolik dotápět elektrospirálou?
Běžný uživatel spirálu nezapíná manuálně, ta je spínána automaticky dle řídícího algoritmu a pokud uživatel ve své snaze ušetřit provede úpravu časového programu a tím aktivuje přerušované vytápění, tak výsledkem je vyšší účet za elektřinu, což dost často zjistí až nad fakturou při ročním vyúčtování.
Proč jsou doby útlumu takto zvoleny a není provedena jejich úprava, když uživatel by si po vyhodnocení spotřeby dobu útlumu zkracoval?
Samozřejmě pokud bude uživatel omezovat dobu útlumu na základě vyhodnocení spotřeby, nebude mít s čím porovnávat a postupně se dostane na nepřerušované vytápění, a tudíž budeme porovnávat původní variantu s upravenou variantou, která se však stala variantou původní, což nemá logiku. Souhlasím, že opodstatnění má i trend „útlum začít později a skončit dřív“, avšak uživatel má většinou argument – „pokud spím nebo jsem mimo objekt, tak je nesmysl, abych jej vytápěl“ a z této logiky jsem v daném článku vycházel.
Společnost AHI Carrier je součástí koncernu UTC CCS Carrier HVAC Europe, která zabývá se výrobou, dodávkami, pronájmem a servisem chladicí, klimatizační a tepelné techniky pro nejrůznější aplikace.