Dimenzování a volba tepelného čerpadla podle roční energetické bilance a optimálního proběhu

Příspěvek se zabývá dimenzováním a volbou tepelného čerpadla podle roční energetické bilance a optimálního proběhu. Popisuje i návaznosti na nízko­energetické a pasivní domy. Návazně také pojednává o dimenzování vrtů u sy­stému země-voda.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Se stoupajícími cenami zdrojů energie vystupuje do popředí mj. i maximální využití její primární formy pro provoz zdroje s tepelným čerpadlem. Cena tepelné energie z tepelného čerpadla je kolem 0,90 Kč/ kWh, cena z plynu kolem 1,50 Kč/ kWh a cena elektřiny pro přímotopné vytápění cca 2,50 Kč/ kWh.

Tím stoupá požadavek na roční provozní využití tepelného čerpadla, což je proces žádoucí. Přitom však majitel tepelného čerpadla často klade otázku, jak se zvyšováním počtu provozních hodin ovlivňuje životnost kompresoru.

Při masivním uvedení kompresorů scroll na trh před cca 10 lety odpovídali výrobci tepelných čerpadel, že životnost kompresorů bude nejméně 30 000 provozních hodin. Víme, že na řadě instalací byla tato hodnota již překročena a tepelná čerpadla fungují bez problémů dále. Simulované zátěžové zkoušky, které jsme prováděli v laboratoři po dobu 6 let, ukázaly menší opotřebení, než byl původní odhad.

Domníváme se proto, že dobře instalované a provozované tepelné čerpadlo může mít životnost 50 000 provozních hodin i vyšší. Samozřejmě, nesmí být trvale zatěžováno na maximální parametry. O optimální provoz tepelného čerpadla a kotelny se stará jeho ekvitermní regulátor, který však nesmíme nutit do extrémů.

Součástí instalace tepelného čerpadla systému země-voda je soustava vrtů nebo zemního kolektoru a pro jeho dimenzování je nutno stanovit mj. i roční proběh.

V tomto článku si také popíšeme podobný, tj. navazující postup pro návrh tepelného čerpadla.

Návrh zdroje s tepelným čerpadlem země-voda

Návrh soustavy vrtů nebo plošného kolektoru

Porovnejme si současně doposud obvyklý způsob stanovení tepelného výkonu vrtů procentem z výkonu čerpadla a podle roční energetické bilance.

Doposud obvyklá prvotní úvaha vycházela z průměrného topného faktoru a říkala, že výkon vrtů musí být cca 65 až 70 % z vypočtené tepelné ztráty. Hodnota 65 až 70 % je empirická a koresponduje s topným faktorem tepelného čerpadla. Zbytek energie dodává kompresor.

Uveďme si příklad:

vypočtená tepelná ztráta Q_n ... 7,2 kW
potřebný výkon vrtů Q_ch ... 0,65·Q_n = 4,7 kW
měrný výkon půdy q_E ... 55 W/m
Q_ch : q_E = 4700 W : 55 W/m = 85,45 m

Výsledek: 1 vrt o délce 85 m

Využijme nyní metodiku podle [1] a stanovme roční proběh vrtů na 2200 provozních hodin.

Výběr této hodnoty není náhodný, protože právě k tomuto ročnímu proběhu jsou v literatuře stanoveny měrné výkony půdy ve W/m délky vrtu nebo W/m² plochy plošného kolektoru, takže máme k dispozici spolehlivé údaje.

Musíme tedy především vypočítat roční potřebu tepla.

Pro tepelnou ztrátu domu 7,2 kW nechť je to 15 600 kWh/rok. Uvažujme dále průměrný roční topný faktor n = 4,0. Práce kompresoru tedy bude:
15 600 : 4,0 = 3900 kWh/rok

Vrty tedy musí dodat:
15600–3900 = 11700 kW/rok

Požadovaný proběh jsme stanovili na 2200 h/ročně, průměrný výkon vrtů tedy bude:
11700 : 2200 = 5,32 kW/h

Při předpokládaném průměrném měrném výkonu 55 W/m, jako u předchozího příkladu délka vrtů vychází:
5320 W : 55 W/m = 96,7 m

Výsledek je tedy 1 vrt o délce 97 metrů.

Bilanční metodou jsme tedy dospěli k vrtům o cca 13 % až 15 % delším a tuto hodnotu považujme za správnou. Opírá se totiž především o fyzikální, tj. tepelně-technické vlastnosti domu a vrtů.

Dimenzování tepelného čerpadla země-voda

Pokračujme ve stejném duchu při volbě tepelného čerpadla země-voda.

Musíme především respektovat roční proběh 2200 hodin, neboť musí být shodný s proběhem vrtů.

Roční potřeba tepla je opět 15 600 kWh/ rok, průměrný výkon tepelného čerpadla tepelného čerpadla tedy bude:
15600 kWh : 2200 h = 7,09 kW.

Tepelné čerpadlo nyní musíme zvolit podle správného parametru. Pro jeho výběr zvolíme výkon v bodě B0/W35. Tento parametr uvádí každý výrobce a nejlépe vystihuje průměr topné sezóny ve smíšené soustavě radiátory + podlahové topení, tj. výstupní teplotu topné vody 35 °C a kapaliny z vrtů o teplotě 0 °C, což odpovídá spíš horšímu stavu vrtů nebo plošného kolektoru na konci topné sezóny. Výběr tepelného čerpadla můžeme takovýmto přibližným přiřazením ukončit.

Správnější je však přiřazení konkrétního tepelného čerpadla podle provozních hodin. K tomu potřebujeme výpočtový program, např. podle [2]. Tepelné čerpadlo pak volíme tak, abychom se co nejvíce přiblížili požadovanému proběhu. Přitom mimoděk zjistíme, že takto zvolené tepelné čerpadlo pokryje nejméně 95 % roční potřeby tepla prací kompresoru a maximálně 5 % tepelné energie tedy zbývá na doplňkový zdroj, například elektrokotel.

A to je další žádoucí výsledek: minimalizovat dodávku tepla z doplňkového zdroje.

Příklad:
proběh tepelného čerpadla pro tepelnou ztrátu 20 kW při –12 °C

Ukažme si vztah výkonu tepelného a ročního proběhu na grafu. Zde zvolíme tepelnou ztrátu 20 kW při –12 °C, abychom se tak s požadovaným výkonem dostali doprostřed výkonové řady tepelných čerpadel a vyjádření bylo výstižnější.

Je vidět, že optimálního proběhu i minimální spotřeby energie z bivalentního zdroje dosahujeme pro výkon 21,5 kW tepelného čerpadla dané řady.

Výchozí data

Vyjádřeno graficky:

Shrnutí

V systému země-voda volíme tepelné čerpadlo, jehož výkon v bodě B0/W35 odpovídá tepelné ztrátě při výpočtové venkovní teplotě.

Dimenzování tepelného čerpadla vzduch-voda

Při použití tepelného čerpadla vzduch-voda postupujeme na počátku stejně, tzn. nejprve vypočítáme průměrný výkon tepelného čerpadla z požadovaného ročního proběhu.

Vycházejme opět z výkonu 20 kW. Roční potřeba tepla je tedy 46 300 kWh/rok, průměrný výkon tepelného čerpadla bude:
46 300 : 2200 = 21,0 kW

Poněkud jiný je postup přiřazování.

Jako vztažný bod volíme hodnotu A2/W35, tzn. venkovní teplota +2 °C, výstupní teplota 35 °C. Tepelná čerpadla vzduch-voda jsou v průběhu sezóny velmi závislá na teplotě venkovního vzduchu. Proto v dané výkonové řadě volíme tepelné čerpadlo nejméně o jeden stupeň větší, než odpovídá tepelné ztrátě při oblastní výpočtové teplotě. Přesněji provedeme přiřazení pomocí výpočtového programu, např. podle [2].

Shrnutí

Použití tepelných čerpadel vzduch-voda, zejména pro nízké oblastní výpočtové teploty (–15 °C až –19 °C) o jeden až dva stupně vyšší, je jednak logické a dále jen minimálně zvyšuje investici ve vztahu k celému zdroji tepla a otopné soustavě. Ostatní příslušenství je stejné a rozdíl v ceně tepelného čerpadla o vyšším výkonu v rámci typové řady je obvykle v tisícikorunách. Velikost zdroje primární energie, tj. tepla ze vzduchu, je neomezená a je zdarma.

Zejména důležité je minimalizovat dotop bivalentním zdrojem pod 5 % ročně a i zde je volba většího tepelného čerpadla synergickým řešením.

Návaznosti v rámci zdroje s tepelným čerpadlem

Akumulace tepla u tepelného čerpadla vzduch-voda

Zejména tepelná čerpadla vzduch-voda vyžadují pro svůj optimální provoz vyrovnávací akumulační zásobník. Pro stanovení objemu zásobníku je vhodné se za výše uvedené volby výkonu přidržet výkonu tepelného čerpadla a poměru cca 20 litrů na 1 kW výkonu. Tzn. pro tepelné čerpadlo o výkonu 19,2 kW zvolíme zásobník nejméně 400 l. Objem otopné soustavy je pro optimální provoz tepelného čerpadla méně významný, protože je obvykle oddělen regulačními armaturami.

Zajištění optimálního průtoku tepelným čerpadlem

Uvedená metoda přiřazuje otopné soustavě poměrně velký výkon tepelného čerpadla. Do popředí tedy vystupuje i správné dimenzování potrubí a armatur v kotelně, protože pro správné provozní podmínky potřebuje tepelné čerpadlo, jakožto nízkoteplotní zdroj, velký průtok, který musí zajistit optimální teplotní spád Dt = 5 K.

Pro porovnání se podívejme na potřebné průtoky tepelným čerpadlem s Dt = 5 K a plynovou kotelnou, které odpovídá například teplotní spád Dt = 15 K.

Dimenze potrubí a přenášený výkon pro různé teplotní spády Dt .

Je vidět, že na propojení tepelného čerpadla s otopnou soustavou je nutno při stejném výkonu používat potrubí s dimenzí o 2 stupně vyšší než u plynové kotelny.

Návaznosti v nízkoenergetických a pasivních domech

Při dimenzování zdroje s tepelným čerpadlem je v domech s velmi nízkou tepelnou ztrátou třeba mít na mysli požadovaný průtok do otopné soustavy daný okamžitou tepelnou ztrátou.

Tepelné čerpadlo bude mít takovýto technologický požadavek na průtok při požadovaném teplotním spádu Dt  = 5 K:

Zatímco otopná soustava pracující se spádem Dt  = 15 K při venkovní teplotě +2 °C potřebuje průtok:

Shrnutí

Je zřejmé, že průtoky se násobně liší. Jediným možným řešením, jak průtoky vyrovnat, je použití vyrovnávacího akumulačního zásobníku nebo zásadně jiné řešení otopné soustavy.

Závěr

Se stoupajícími cenami energie je po­užití tepelných čerpadel výhodnější. Je třeba maximálně využívat práci kompresoru a dbát, aby podíl na roční bilanci energie z doplňkového bivalentního zdroje byl nižší než 5 %. V tomto článku jsme si ukázali, že tím současně i optimalizujeme proběh kompresoru kolem optimální hodnoty 2200 hodin ročně a zajistíme tak životnost tepelného čerpadla delší jak 15 až 20 let.

Literatura

[1] SVAČINKA, Marek, Metodika pro návrh tepelného čerpadla země-voda. Metodický materiál Asociace pro využití tepelných čerpadel, únor 2012, dostupný na www.avtc.cz
[2] ŠAFRÁNEK, David, HELEBRANT, Václav, Výpočet návratností.xls. Výpočtový systém pro výběr a porovnávání zdroje s tepelným čerpadlem s jinými tepelnými zdroji. Podklad Stiebel Eltron, dostupný na firemním DVD.
[3] NOVOHRADSKÝ, Ivo, Metodika pro návrh tepelného čerpadla vzduch-voda. Metodický materiál Asociace pro využití tepelných čerpadel, duben 2012, dostupný na www.avtc.cz.

---

Sizing and selection of the heat pump according to the annual energy balance and optimal operation time

This paper deals with the dimensioning and selection of the heat pump parameters. Included are examples of the calculation. The relationship between heat pump sizing and low-energy building parameters is explained.

Keywords: heat pump, heat pump sizing, heat pump operation