Instalace tepelného čerpadla jako náhrady zdroje tepla v době vysokého růstu cen energií

Článek upozorňuje na četné chyby před instalací a při uvádění tepelných čerpadel do provozu. Jde vesměs o zásadní chyby, které nebývají způsobeny použitím potřebných komponentů, ale nedostatečnou přípravou, někdy až příliš sebevědomých firem, které volí často „ošizená" řešení.
Technické okolnosti (nejen schémata) pro instalaci tepelných čerpadel je nutné předem posoudit, aby tepelná čerpadla pracovala s nejvyšší možnou účinností, a aby regulace dokázala také reagovat na připojovanou otopnou soustavu, jednoduše řečeno regulovat potřebné parametry otopné soustavy.
Nemalé škody na lidském soužití také vznikají při nevhodném umístění tepelného čerpadla, jehož akustické působení do blízkého okolí může zcela narušit poklidné sousedské vztahy a následné nápravy bývají zpravidla dražší, než kdyby byla zvolena důkladná příprava k instalaci tepelného čerpadla.

Recenzent: Vladimír Galád

V současnosti vzniká celá řada projektů tzv. náhrady původních zdrojů tepla, u kterých v roce 2022 výrazně narostla cena paliva, za tepelná čerpadla vzduch-voda. Příspěvek ukazuje, jaké problémy může způsobit neodborná instalace takového tepelného čerpadla do stávající soustavy vytápění, a to jednak z pohledu neschopnosti dodávky tepelné energie, ale také z pohledu nárůstu hlukové zátěže od tepelného čerpadla.

Hydraulické zapojení tepelného čerpadla s akumulační nádrží

Tepelný akumulátor (v našem případě akumulační nádrž mezi tepelným čerpadlem – TČ a připojovanou otopnou soustavou) se používá k vyrovnávání nesoučasnosti výroby a spotřeby tepelné energie. Tepelný akumulátor umožní, aby zdroj tepla pracoval vždy v oblasti optimální účinnosti, bez ohledu na okamžitou spotřebu energie.

Ve vodním tepelném akumulátoru se využívá přirozeného rozvrstvení teplé a studené vody. Připojení akumulátoru do soustavy by mělo umožnit vytvoření teplotního gradientu mezi teplou a studenou vodou.

Teplotní gradient nesmí být násilně narušován. Přívodní a zpětné potrubí na straně tepelného zdroje i na straně otopné soustavy musí být opatřeno regulační i uzavírací armaturou. Průtočné množství zdrojového i spotřebního tepelného okruhu musí být omezeno podle potřeb zdroje tepla i otopné soustavy. V praxi se bohužel setkáváme s celou řadou atypických připojení akumulátoru = akumulační nádrže, které pak v provozu nefungují nebo výrazně omezují schopnost dodávky tepelné energie do soustavy vytápění. Příklad takového často používaného atypického schématu zapojení je na obr. 1.

Popis funkce tak jak je prezentován k tomuto schématu, je následující:

1. Oběhové čerpadlo zdroje tepla je v činnosti, oběhové čerpadlo otopné soustavy je vypnuto – část tepla jde do akumulační nádrže a část tepla jde do otopné soustavy, obsah akumulační nádoby je promícháván, akumulační nádrž se nabíjí.
2. Oběhové čerpadlo otopné soustavy je v činnosti, oběhové čerpadlo zdroje tepla je vypnuto – část tepla se odebírá z akumulační nádrže, část tepla jde přes TČ, obsah akumulační nádrže je promícháván.
3. Oběhové čerpadlo zdroje tepla i čerpadlo topného okruhu jsou v činnosti – část tepla jde ze zdroje přímo do otopné soustavy a část tepla ohřívá (nabíjí) akumulační nádrž, obsah akumulační nádrže je promícháván.

Průtok vody akumulační nádrží však není ničím regulován, ani omezen. Obsah vody je promícháván a teplotní gradient je rozrušován. Zapojení akumulační nádrže podle obr. 1 je proto hydraulicky i teplotně nestabilní. Akumulační nádrž nemůže plnit svoji funkci a takto zapojenou soustavu TČ a akumulační nádrže pro otopnou soustavu lze jen obtížně řídit a ekonomicky provozovat. A v určitých případech může být toto schéma zapojení bohužel zcela nefunkční.

Schéma podle obr. 1 nijak neurčuje zatékání teplé výstupní vody z TČ do akumulační nádrže a její využití v rámci otopné soustavy. V případě současného chodu oběhového čerpadla zdroje tepla (na vratné primární větvi TČ) a oběhového čerpadla na přívodu do otopné soustavy, není zajištěna hydraulická stabilita takto navržené soustavy. Pokud by regulace upřednostnila samostatný chod oběhových čerpadel, tj. pokud běží oběhové čerpadlo pro otopnou soustavu, nemůže současně běžet oběhové čerpadlo pro vratnou větev TČ a naopak. A to proto, že na potrubí v T-kusu – obr. 1 –označe-no symbolem „?“ mezi akumulační nádrží, primární větví TČ a otopnou soustavou není žádný regulační prvek, který definoval podmínky nabíjení či vybíjení akumulační nádrže.

Takto provedené napojení potrubí v T-kusu je hydraulicky neurčité a průtoky do jednotlivých větví budou závislé pouze na použitých dimenzích, nikoli na požadavku regulace. Navíc toto zapojení současně výrazně ovlivňuje chod TČ pro tzv. „rozmrazovací“ cyklus. Akumulační nádrž by měla sloužit nejen k akumulaci energie pro otopnou soustavu, ale také jako akumulace pro reverzní chod TČ. Po celou dobu rozmrazovacího cyklu je nutná alespoň částečná akumulace tepla pro otopnou soustavu i pro tepelné čerpadlo. S ohledem na maximální využití potenciálu alternativního zdroje a jeho ekonomický provoz a řízení je také velmi nevhodně instalován záložní (bivalentní) zdroj tepla – obr. 1 – označeno symbolem „!“. Takto umístěný bivalentní zdroj v kombinaci s nevhodným hydraulickým zapojením akumulační nádrže může podpořit teplotu přívodní vody do otopné soustavy dle požadované hodnoty regulace, ale nemůže stejně jako TČ splnit požadavek na nabíjení akumulační nádrže.

Pro doplnění obr. 2 ukazuje standardní schéma zapojení systému TČ a akumulační nádrže pro podporu soustavy vytápění včetně naznačení vazby na systém MaR (Měření a Regulace). Jedná se o tzv. čtyřbodové zapojení akumulační nádrže a jde o obecné schéma, které popisuje základní principy a funkce systému TČ a akumulační nádrže pro podporu soustavy vytápění. Takto zapojená akumulační nádrž (obr. 2) dokáže mnohem lépe využívat akumulační nádrž i pro reverzní chod TČ právě při rozmrazovacím cyklu.

Je důležité připomenout, že žádné schéma zapojení nenahrazuje povinnost projektanta provést hydraulický výpočet připojovaných potrubí a armatur, včetně hydraulického návrhu nabíjecích oběhových čerpadel jak primárního systému TČ, tak i sekundárního pro vytápění, či jinou technologii např. přípravu teplé vody apod.

Posouzení hlukové zátěže dodatečné instalace tepelného čerpadla v původní zástavbě

Dalším faktorem při instalaci TČ je posouzení venkovní hlukové zátěže. Hlavním zdrojem hluku venkovní jednotky TČ je axiální ventilátor a kompresor. Zdrojem hluku ventilátoru TČ je turbulentní prou- dění vzduchu ventilátorovým kolem. Axiální ventilátory jsou u takových zařízení používány pro zajištění dostatečného množství vzduchu pro výměník kondenzátoru a výparníku za cenu malého doprav ního tlaku, oproti radiálním ventilátorům. Z pohledu frekvenčního spektra je axiální ventilátor zastoupen zejména ve středních a vyšších frekvencích.

Problém u axiálních ventilátorů je ten, že nesnesou dodatečnou tlakovou ztrátu ve formě tlumičů hluku. Veškeré úpravy pro snížení vyzařovaného hluku se proto provádí tvarováním lopatek, např. ve formě zoubků na hraně lopatek, které deformují vírové struktury vznikající za obtékaným předmětem.

Dalšími úpravami jsou často také užívané mřížkové konstrukce na výdechové straně axiálního ventilátoru, které rozbijí vírové struktury na menší, čímž dokáží účinně tlumit hluk zařízení, zejména snížením tónové složky ve spektru hluku, často zapříčiněné právě lopatkovou frekvencí zařízení. Dle použitých komponent, materiálů a zejména tvarů ventilátorových kol se liší vyzařo- vaný hluk z těchto technických zařízení různých výrobců. Nositelem emitovaného hluku točivých strojů jsou zejména otáčky zařízení. Hluk zařízení závisí přibližně na 5. mocnině otáček, tedy z pohledu generovaného hluku to znamená, že hladina akustického výkonu při zdvojnásobení otáček vzroste o 15 dB. Pokud nejsou k dispozici technické podklady od výrobce (dodavatele) TČ, lze pro posouzení vlivu hlukové zátěže instalovaného TČ ve venkovním prostředí použít informace z měření přímo na konkrétním typu TČ v provozním režimu. Zvukoměrem se měří hladiny akustického tlaku v určité vzdálenosti od TČ.

Měření se typicky provádí ve vzdálenosti 1 m od pláště TČ, v měřicích bodech (dle ČSN EN ISO 3746), tak aby mohla být stanovena hladina akustického výkonu TČ, která je dále použita pro výpočet šíření zvuku od zdroje zvuku do chráněných venkovních prostorů okolních staveb. Hladina akustického výkonu je základní parametr, který popisuje hluk, který je generován daným zařízením do jeho okolí a právě tento parametr je dopočítáván na základě měření hladin akustického tlaku v kontrolních bodech v určité vzdálenosti od zdroje.
Hladina akustického výkonu je tedy vlastnost zdroje a je dána jeho provozním stavem a konstrukčním řešením, kdežto hladina akustického tlaku určuje stav prostředí v daném místě a závisí na vzdálenosti od zdroje a na cestě šíření zvuku. Na obr. 3 je uveden příklad naměřených hladin akustického tlaku ve vzdálenosti 1 m od pláště TČ v třetinooktávovém pásmu.

Na obr. 3 je patrná výrazná tónová složka v nižších frekvencích (žlutá křivka bod M2). Výskyt tónové složky ve spektru zdroje zvuku, podle Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. [1], vede ke zpřísnění příslušného hygienického limitu o 5 dB. V takovém případě, pak např. pro chráněný venkovní stavby, rodinný dům, kde je pro noční dobu hygienický limit ekvivalentní hladiny akustického tlaku A 40 dB, je tato hodnota snížena na 35 dB. Podrobnější rozbor problematiky šíření hluku od TČ lze nalézt v [2], [3], [4], [5].

Pokud jsou dostupné technické podklady, nebo je provedeno měření hladin akustického tlaku na konkrétním typu TČ, je možné zpracovat hlukovou studii, která posoudí, zda je možné TČ instalovat v chráněném venkovním prostoru staveb dle definice Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. Ve smyslu splnění platných hygienických limitů. Jednou z možností je sestavení např. výpočtového modelu. Příklady zpracování takového modelu ukazují obr. 4 a obr. 5.

Výsledky modelu jsou znázorněny v tab. 1 a byly vybrány základní tři posuzované varianty řešení. První a druhá varianta byla navržena ze strany projektanta po stížnostech od sousedů. Varianta č. 3 je pak navržené řešení po podrobném rozboru situace a změřených parametrech použitého TČ (obr. 3). Jednotlivé varianty lze popsat takto:

• Varianta č. 1 – původní řešení dle projektu TČ, před TČ byl umístěn betonový plný plot délky 4,2 m a výšky 2,1 m nad terén.
• Varianta č. 2 – stejné jako varianta č. 1, ale TČ je pootočené o 90° tak, že saje ze severu a vydechuje směrem na jih, betonový plný plot délky 4,2 m a výšky 2,1 m nad terén.
• Varianta č. 3 – TČ je umístěné u severní fasády přístavku u SV rohu objektu, axiální ventilátory TČ jsou orientovány směrem na severovýchod.

Ve výše uvedených variantách je vyhovující hygienickým limitům hluku L_Aeq,1h = 40 dB pro nejhlučnější hodinu v noci pouze varianta č. 3, tj. TČ umístěné u severní fasády vedle přístavku u SZ rohu  s axiálními ventilátory orientovanými směr SV. Pokud by se brala v úvahu i tónová složka ve spektru hluku TČ (obr. 3), pak žádná z uvažovaných variant nesplňuje hygienický limit L_Aeq,1h = 35 dB pro nejhlučnější hodinu v noci. Celkové grafické vyjádření hladin ekvivalentní hladiny akustického tlaku pro řešenou oblast ukazuje obr. 6.

Při volbě umístění TČ je třeba brát v úvahu, že v okolí se nachází další okolní stavby, pro které platí stejné hygienické limity dané výše uvedeným nařízením. Spolehlivé snížení hluku posuzovaného TČ pod úroveň hygienických limitů daných Nařízením vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací (v platném znění), bez zásahu do zdroje samotného spočívá v návrhu akustického zákrytu TČ. U kvalitně provedeného akustického zákrytu je možné očekávat snížení hlučnosti v chráněných venkovních prostorách staveb pod hodnoty hygienických limitů. Při uvažování návrhu takového zákrytu by měl být přizván odborník z oboru akustiky, který provede potřebné výpočty a potvrdí splnění limitů svým návrhem. Jinou možností je výměna stávajícího TČ za jiný typ s nižší hladinou akustického výkonu vyzařovaného do okolí. Tomu však musí předcházet akustické výpočty resp. akustická studie, která prokáže splnění hygienických limitů.

Závěr

Cílem příspěvku bylo upozornit na problémy při instalaci systémů TČ. Prvním hlediskem je hydraulické řešení připojení TČ na stávající otopnou soustavu. Ne zřídka při realizaci není vypracován žádný projekt, který by toto řešil a spousta instalací je udělána tzv. „na slepo“ nebo se slovy „my to umíme“. Druhé hledisko je pak zvýšení hlukové zátěže okolí instalace a bohužel tyto problémy se většinou řeší až po instalaci, resp. instalační firma nepřipouští možné hlukové problémy a po spuštění TČ pak dochází k sousedským sporům.

Literatura

[1] Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací, ve znění novely 217/2016 Sb.
[2] KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., LANGEROVÁ, E.: Hluk kompresoru tepelného čerpadla vzduch-voda. Vytápění, Větrání, Instalace, 2021, roč. 30, č. 5, s. 266–275. ISSN 1210–1389.
[3] LANGEROVÁ, E., KRÁLÍČEK, J., KUČERA, M.: Hluk ventilátoru tepelného čerpadla vzduch-voda. Vytápění, Větrání, Instalace, 2021, roč. 31, č. 1, s. 30–38. ISSN 1210–1389.
[4] KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., LANGEROVÁ, E.: Hluk tepelného čerpadla vzduch-voda. Vytápění, Větrání, Instalace, 2022, roč. 31, č. 3, s. 102–108. ISSN 1210–1389.
[5] KUČERA, M., KRÁLÍČEK, J., NOSEK, K.: Provoz tepelného čerpadla rodinného domu z pohledu potenciálního zdroje hluku ve venkovním prostoru. Vytápění, Větrání, Instalace, 2020, roč. 29, č. 4, s. 228–231. ISSN 1210–1389.

---

Installation of a heat pump as a heat source replacement in times of energy crisis

The article draws attention to numerous errors before installation and during heat pumps commissioning. These are mostly fundamental mistakes that are not caused by the use of the necessary components, but by insufficient preparation, sometimes by overconfident companies that often choose "cheated" solutions.

The technical circumstances (not only diagrams) for heat pump installation must be assessed in advance so that the heat pump works with the highest possible efficiency and that the regulation can also respond to the connected heating system – simply put, it must effectively regulate the necessary parameters of the heating system.

Substantial damage to human coexistence is also caused by the inappropriate heat pump placement, whose acoustic impact on the immediate surroundings can completely disrupt peaceful neighborly relations, and subsequent repairs are usually more expensive than if thorough preparation for the HP installation had been chosen.

Keywords: heat pump, heating costs, errors, installation, malfunctioning connection diagram, regulation, heating system, acoustics, noise limit, tonal component.

❏ ❏ ❏