HPSU compact – komplexní zdroj tepla a teplé vody na bázi tepelného čerpadla

HPSU compact, kompaktní a přitom mnohostranný zdroj teplé vody a tepla pro vytápění rodinných domů uvedla jako převratnou novinku na trh v roce 2010 Německá společnost ROTEX.

Srdcem zařízení je tepelné čerpadlo s plynulou regulací výkonu využívající špičkovou japonskou invertorovou technologii společnosti Daikin a beztlaký akumulační zásobník, které jsou doplněny prvky umožňujícími využívat i další zdroje tepla jako je solární systém, plynový kotel, elektrokotel či kotel na tuhá paliva. Zařízení řeší kompletně jak vytápění, tak přípravu teplé vody, popřípadě ohřev bazénové vody a může být i zdrojem chladicí vody pro klimatizaci.

Tepelné čerpadlo HPSU compact se skládá z venkovní kompresorové jednotky o výkonu od 6 kW do 16 kW. Výkony 6, 7 a nebo 8 kW pokrývá malá venkovní jednotka s Daikin invertorem řízeným swing kompresorem. Větší výkony 11, 14 a 16 kW zajistí velká venkovní jednotka s Daikin invertorem řízeným scroll kompresorem. Na venkovní jednotky navazují vnitřní jednotky integrované do společného pláště s akumulačním zásobníkem. Vnitřní jednotka obsahuje elektroniku řídící chod tepelného čerpadla a rovněž provoz celé otopné soustavy budovy.

Akumulační nádoba unikátní konstrukce umožňuje kombinovat různé zdroje tepla tak, aby vždy upřednostnila ty nejlevnější a nejefektivnější ze všech napojených. Nádoba je vytvořena ze dvou vysoce odolných plastových nádob, které jsou vloženy do sebe a prostor mezi nimi je pod vysokým tlakem vyplněn polyuretanovou pěnou. Tato výrobní technologie zaručuje akumulační nádobě vynikající tepelně izolační vlastnosti. Při objemu 500 l má tepelnou ztrátu pouze 1,4 kWh za den při teplotě vody uvnitř 60 °C! Tedy zhruba třetinovou oproti běžnému standardu. Zásadní předností této akumulační nádoby je dokonalá stratifikace vody, tedy vrstvení vody podle její teploty. Nádoba je beztlaká (otevřená) a v těchto nádobách je stratifikace mnohem výraznější než v tlakových. Vyšší stratifikace maximalizuje využití solární energie.

Konstrukce vnitřní jednotky tepelného čerpadla HPSU

Složení vnitřní jednotky tepelného čerpadla HPSU compact je znázorněno na obrázku. Především je zde několik výměníků s různými funkcemi. Největší výměník (5) zajišťuje průtokovou přípravu teplé vody. Druhý výměník (6) je pro dobíjení nádoby, kterým tepelné čerpadlo dodává energii do akumulace. Třetí výměník (7) umožňuje předehřev otopné vody pomocí solární energie. Prostor kolem tohoto výměníku je ohraničen izolační vložkou (8) tak, abychom případným předehřevem otopné vody neubrali příliš mnoho energie připravené teplé vodě.

Příprava teplé vody – v nejvyšší hygienické kvalitě

Tepelné čerpadlo HPSU compact připravuje teplou vodu průtokem extrémně dlouhým výměníkem o délce 44 m s teplosměnnou plochou 6 m². Studená pitná voda natéká do nejspodnější části vlnovcového výměníku z nerezové oceli u dna nádoby a pak za plynulého ohřívání teče vzhůru. Extrémně velká teplosměnná plocha výměníku garantuje přípravu dostatečně velkého množství teplé vody pro celou rodinu. Například při teplotě 50 °C v akumulaci a průtoku 12 l/min se získá 272 litrů teplé vody o teplotě 40 °C bez nutnosti dobíjení energie do akumulační nádoby.

Průtoková příprava teplé vody zaručuje perfektní hygienické vlastnosti. Voda v trubce výměníku stagnuje minimální dobu, v minimálním objemu a není ji třeba přehřívat, abychom ji ochránili proti legionelle. Dokonce nevznikají žádné usazeniny. Kvalitu a hygienické vlastnosti teplé vody ROTEX garantuje svojí více jak 25letou zkušeností v oboru a rozsáhlými studiemi provedenými univerzitou v německém Tübingenu.

Perfektní stratifikace – její význam v praxi

Protože studená pitná voda prochází při jejím ohřevu výměníkem nádobou odspodu nahoru, nenarušuje vrstvení akumulační vody podle teplot. Pokud začne klesat teplota vody v akumulaci nejen dole, ale i v horních vrstvách, začne tepelné čerpadlo přes integrovaný trojcestný ventil ohřívat otopnou vodu proudící do výměníku pro dobíjení (6) nádoby. Otopná voda protéká výměníkem odshora dolů, tedy také v souladu s teplotním rozvrstvením v nádobě. Opět nedochází k narušení stratifikace akumulační vody v nádobě. Přes tento výměník se dohřívají pouze horní dvě třetiny nádoby, spodní třetinová část se udržuje co nejchladnější pro případné využití solárním systémem ROTEX Drain Back Solaris.

Solární systém ROTEX Drain Back Solaris

ROTEX Drain Back Solaris, který je doporučen pro integraci, pracuje s otopnou vodou čerpanou přímo z nejspodnější části akumulační nádoby tepelného čerpadla HPSU compact bez nutnosti použít nemrznoucí směs. Tím odpadá nutnost použít tepelný výměník pro oddělení okruhů akumulační nádoby s otopnou vodou a solárního systému s nemrznoucí směsí, který snižuje účinnost obvyklých solárních systémů. Doporučený Drain Back Solaris systém se skládá ze solárních kolektorů a z čerpadlové jednotky s regulací (G). Tato jednotka se snadno připojuje na zásobník HPSU compact i dodatečně tak, aby odebírala nejchladnější vodu z nejspodnější části akumulace přímo do solárního systému. Čerpadlová jednotka solárního systému začne čerpat vodu z dolní části akumulace do solárních kolektorů pouze tehdy, pokud je na nich zaznamenána teplota vyšší. Po změně tohoto stavu, když teplota na kolektorech poklesne, se oběhová čerpadla zastaví, otopná voda z kolektorů samospádem zteče dolů a systém se zavzdušní. Stejně tak se oběhová čerpadla zastaví, pokud je v akumulační nádobě dosažena požadovaná teplota, nádoba je nabita. Jedinou nutnou a běžně snadno splnitelnou podmínkou je, že rozvody solárního systému musí být montovány ve spádu k nádobě. Pokud není solární systém aktivní, zůstává prázdný, nemůže dojít k jeho zamrznutí, a proto není nutné používat poměrně drahou nemrznoucí směs s omezenou životností.

Řízené čerpadlo v solárním okruhu

V čerpadlové jednotce jsou dvě čerpadla, jedno standardní, neřízené a druhé s řízeným výkonem. Pokud teplota na solárních kolektorech převýší teplotu vody v akumulaci, uvedou se do provozu nejprve obě čerpadla souběžně, aby překonala výškový rozdíl mezi akumulační nádobou a solárními kolektory. Po zavodnění okruhu se neřízené čerpadlo odpojuje a běží pouze čerpadlo s řízeným proměnným průtokem. Ten je modulován na základě teploty vody, která se vrací do akumulace z kolektorů, respektive jejího teplotního rozdílu od teploty v akumulaci. Pokud rozdíl teplot roste, zvyšuje čerpadlo svůj výkon. Využitím dvou čerpadel a regulačním algoritmem podle teplot se minimalizuje spotřeba energie na pohon čerpadel, optimalizuje se ohřev akumulace a zvyšuje využití solárních kolektorů i v okrajových podmínkách.

Ohřátá voda ze solárních kolektorů nevtéká do akumulační nádoby přímo na jednom místě. Je vedena nádrží shora dolů vnitřkem koaxiální sestavy trubek ke dnu nádoby. U dna se obrací a meziprostorem mezi vnitřní přívodní trubkou a vnější perforovanou distribuční trubkou samovolně stoupá vzhůru a natéká do nádoby v místech s odpovídající teplotní úrovní. Minimální rychlostí proudění při vstupu do vrstvy vody v nádrži s podobnou teplotou nenarušuje teplotní rozvrstvení a optimalizuje podmínky pro využití solárního ohřevu. Proto má ROTEX Drain Back Solaris asi o 10 až 15 % vyšší výtěžnost ze slunečního záření než standardní systémy stejných dimenzí. Důvodem jsou:

• perfektní stratifikace, kterou se dosahují podstatně větší teplotní rozdíly mezi dolní a horní částí nádrže,
• voda z akumulace je přímo čerpána do solárních kolektorů a tento okruh není pro přenos tepla oddělen dalším výměníkem,
• voda má větší tepelnou kapacitu než nemrznoucí směs, a proto pro přenos stejného množství energie postačí menší průtok, tedy snížený výkon čerpadla. K tomu se připojuje i nižší viskozita vody. Výsledkem je menší spotřeba elektřiny.

ROTEX Drain Back systém může pracovat i v mrazivých zimních slunečných dnech. V případě, že teplota na solárních kolektorech překročí 70 °C, oběhová čerpadla sepnou a rozběhne se solární okruh. Pokud teplota na kolektorech klesne, čerpadla se odpojí, voda steče a nevzniká riziko zamrznutí vody v kolektorech a přívodním potrubí. Protože je v systému jen voda a ne nemrznoucí směs, jedná se o zcela ekologický a navíc bezúdržbový systém. Nemrznoucí směs má omezenou životnost, musí se pravidelně kontrolovat a měnit, což klade poměrně značné finanční nároky na uživatele a snižuje efektivitu využití sluneční energie.

Zásadní výhodou solárního systému ROTEX je i jeho chování v letním období. V případě, že se voda v akumulační nádobě ohřeje na maximální teplotu 85 °C, oběhová čerpadla se zastaví a systém se samospádem vypustí do akumulační nádoby. Solární kolektory jsou prázdné a nemusí se řešit, co s přebytkem tepla. U tlakových systémů v takových případech nastávají tzv. stagnační stavy, kdy se nemrznoucí směs v kolektorech odpaří a významně se zkracuje její životnost.

Konstrukční výhodou sytému je i to, že je beztlaký, tedy nevyžaduje integraci expanzní nádoby a pojistného ventilu.

Inteligentní systém – nejdřív solární energie, pak energie z tepelného čerpadla

Jak celý systém funguje? Proč je výhodné kombinovat ROTEX HPSU compact se solárním systémem ROTEX Drain Back?

Předtím, než se sepne tepelné čerpadlo, aby dodávalo energii pro vytápění, se spustí oběhové čerpadlo otopné soustavy, které protočí otopnou vodu nejprve přes výměník tepelného čerpadla HPSU compact umístěného ve středu akumulační nádoby (7). Pokud je akumulační nádoba vyhřátá sluneční energií, otopná voda se v ní předehřeje a odchází do podlahového vytápění nebo radiátorů. Z nich se vrací zpět do tepelného čerpadla. V závislosti na teplotě této vody ve zpátečce a požadované výstupní teplotě vody se spíná plynule regulovatelný invertorový kompresor. Pokud se otopná voda předehřála od sluneční energie, kompresor sníží svůj výkon a pouze ji dohřívá. V některých dnech tak může k vytápění postačit jen solární energie a tepelné čerpadlo je v záloze.

Ze schématu je zřejmé, že solární přitápění se využívá pouze tehdy, pokud je sluneční energie dostatek. Přednost má vždy příprava teplé vody. Proto je prostor kolem výměníku pro vytápění vymezen izolační vložkou (8), která sahá asi do dvou třetin velikosti nádoby. V případě, že sluneční energie ohřeje horní dvě třetiny nádoby, pak se sluníčkem začíná vyhřívat i níže umístěný prostor kolem výměníku pro přitápění.

Kompletní strojovna pro teplo i chlad

Zařízení ROTEX HPSU compact tedy není jen pouhým tepelným čerpadlem, ale jedná se o komplexní zdroj teplé vody a tepla s využitím solární soustavy, který zabírá pouze 0,62 m² podlahové plochy. Projektant, instalační firma i zákazník mají možnost si zvolit i systém, který umí vyrábět nejen teplo, ale i chladicí vodu pro klimatizování místností. Solární sy­stém lze k tepelnému čerpadlu napojit i později bez nutnosti vypouštění zásobníku – osadí se čerpadlová skupina, regulace na akumulační nádobu a potrubí k solárním kolektorům.

Tepelné čerpadlo HPSU compact dosahuje výborných provozních parametrů. Průměrný roční topný faktor SCOP (SCOP vyjadřuje poměr dodané energie ku spotřebované energii za celé otopné období v dané lokalitě, na rozdíl od COP, který je měřen jen za daných podmínek) dosahuje s nízkoteplotními otopnými soustavami (podlahové vytápění i radiátory) hodnot až 3,4. Se solárním systémem Drain Back Solaris lze dosáhnout průměrných ročních faktorů až 4,2. Kombinace tepelného čerpadla HPSU compact a solárních kolektorů se tak vyrovná tepelným čerpadlům země-voda, která jsou investičně podstatně dražší a jejich realizace mnohem složitější.

---

Distributor pro ČR a SR: ENBRA, a.s., Durďákova 5, 613 00 Brno, Ing. Štěpán Mastný, mastny@enbra.cz; tel.: 737 254 474