Pořídit tepelné čerpadlo dnes a nebo až za pár let?

Článek, jako reakce na dotaz uvedený v jeho názvu, se v první části podrobně zabývá vazbou mezi pracovními teplotami, topným faktorem tepelného čerpadla a úsporou energie při vytápění. Ve vztahu k použitému chladivu a typu kompresoru vymezuje pracovní oblast tepelného čerpadla systému vzduch-voda a konfrontuje ji s použitou otopnou soustavou. Odpověď na položenou otázku je možné nalézt v pojednání o směrech dalšího vývoje tepelných čerpadel a z příkladu „fiktivního“ navýšení topného faktoru o 20 % proti současnému stavu.

Recenzent: Jiří Petrák

Úvod

Na Školení topenářů a odborníků TZB 2011, pořádaném redakcí časopisu ­Topenářství instalace, se šéfredaktor Ing. Hodboď zmínil, že majitelé rodinných domů, provozovatelé penzionů, menších, ale i větších objektů si občas kladou následující otázku:

Má smysl tepelné čerpadlo (TČ) koupit dnes, nebo je lepší ještě pár let počkat. Pokud by byl vývoj TČ podobně rychlý jako vývoj elektronických zařízení, respektive informačních technologií, např. mobilních telefonů, počítačů, televizorů atp., bylo by zřejmě lepší počkat. Dobré TČ má životnost minimálně 20 až 25 let, a tak odložením nákupu by bylo možné zajistit si později podstatně větší úsporu energie pro vytápění, než kterou nabízí současná TČ.

Je zřejmé, že tato otázka má smysl a je plně oprávněná. Iniciovala proto pokus o hledání objektivní odpovědi a stručné shrnutí základních výsledků hledání vedlo k sepsání tohoto článku.

1. Topný faktor a úspora energie

Kvalita TČ se posuzuje jeho topným faktorem (TF), což je poměr jím vyprodukovaného tepla a vynaložené „hnací“, zpravidla elektrické energie. Úspora energie dosažená TČ není ale úměrná jeho topnému faktoru, jak se často předpokládá.

Pro poměrnou spotřebu energie (SE) pro krytí 100 % potřeby tepla tepelným čerpadlem platí vztah:

SE = 100/TF [%]                       (1)

Pro poměrnou úsporu energie (ÚE) pak platí vztah:

ÚE = 100 – 100/TF [%]              (2)

Obě tyto závislosti jsou znázorněny v diagramu na obr. 1, do kterého je dále vynesena bodová závislost, charakterizující nárůst poměrné úspory energie DÚE při zvyšování TF z hodnoty TF = 1 („přímotop“) skokově o DTF = 1.

Z diagramu je zřejmé, že nárůst TF je významný především u malých TF. Význam nárůstu je tím větší čím menší je výchozí TF a s rostoucím TF rychle klesá! Diagram dokresleme následujícím: Předpokládejme, že vypočteme (z celoroční energetické bilance vytápěného objektu, která respektuje proměnnost venkovní teploty a ekvitermně řízené teploty otopného média v otopné sezóně i celoroční přípravu TV a s tím související proměnnost topného výkonu a topného faktoru TČ), že ve stávajícím objektu se stávající „radiátorovou“ otopnou soustavou by TČ pracovalo s (průměrným celoročním) topným faktorem 2,5. Stejným způsobem pak vypočteme, že podlahovým vytápěním by se mohl zvýšit topný faktor o 50 % tj. na 3,75. Změnou otopné soustavy bychom pak zvýšili úsporu energie ze 60 % na 73 %, tj. jen o cca 13 %. Náklady na elektrickou energii by se snížily ještě méně (viz odstavec 4). Je pak otázkou nejen ekonomickou, ale i technickou zvážit, zda by taková – z pohledu realizace v zabydleném domu – jistě velice „drsná“ rekonstrukce otopné soustavy byla opravdu přínosem.

2. Topný faktor a úspora energie jako funkce pracovních teplot

Parametry TČ, a tedy i jeho TF, se normativně udávají v závislosti na určujících (atestačních) pracovních teplotách. Pro TČ vzduch-voda, která jsou dnes v popředí zájmu, a která budou v dalším sledována, se zapisují ve tvaru např. A2/W35 (L1), kde A2 značí teplotu média, které je zdrojem nízkopotenciálního tepla, tj. vzduchu (Air) 2 °C a W35 značí teplotu ohřívaného média, tj. otopné vody (Water) 35 °C. Topný faktor (a následně úspora energie) reálného TČ (RTČ) se může s dostatečnou přesností vyjádřit závislostí TF–Dt, která určuje TF jak funkcí teplotního rozdílu mezi teplotou otopného média tW a teplotou zdroje nízkopotenciálního tepla tA (L3 a L4). Platí:

TF RTČ = fce(tW – tA) = fce(Dt(ex))               (3)

V okruhu TČ je Dt(ex) = tW – tA tzv. teplotní rozdíl „vnějšího“ děje. Ten je vždy menší než teplotní rozdíl Dt(in) = tk – to, což je tzv. teplotní rozdíl „vnitřního“ děje, který je dán rozdílem charakteristických teplot pracovní látky, respektive chladiva (teploty kondenzační tk a vypařovací to), se kterým pracuje reálný kompresor (RK), jako „hnací“ prvek TČ. Platí:

TF RK = fce(tk – to) = fce(Dt(in))                  (4)

Teplotní rozdíl „vnitřního“ děje je větší než „vnějšího“ děje, protože převod tepla mezi oběma ději, který je podmínkou funkce TČ, se uskutečňuje ve výměnících tepla, které nemohou pracovat bez teplotního rozdílu. Kondenzátor pracuje s teplotním rozdílem DK = tk – tW, výparník s teplotním rozdílem DtV = tA – to. a okruh TČ pak s celkovým teplotním rozdílem DtC = Dtk + DtV.

Pro projektanta a uživatele je samozřejmě důležitý jen „vnější“ děj. Pro vývojáře a konstruktéra TČ jsou důležité oba děje a právě dosažné relace mezi „vnějším“ a „vnitřním“ dějem rozhodují o kvalitě TČ.

Obr. 2 • Průběhy závislostí TF–Dt průměrného topného faktoru reálných TČ, reálných TČ pracujících s chladivem R404A, reálného kompresoru a fiktivního TČ s TF zvětšeným o 20 % oproti reálným TČ; znázorněny jsou i fiktivní posuvy DtC, DTF, DtX závislosti RK do RTČ

Pro vysvětlení důležitých souvislostí jsou v diagramu na obr. 2 znázorněny čtyři různé závislosti TF-Dt. Jsou vyjádřeny následujícími funkcemi:

• TF RTČ (2011) = fce(Dtex) – funkce určená z průměru 27 měření podle EN 14 511 (L2);
• TF RTČ (R404A) = fce Dt(ex) – funkce určená z průměru měření TČ s chladivem R404A ve výše uvedeném souhrnu měření (blíže k tomu v odstavci 3);
• TF RK = fce(Dt(in)) – funkce platná pro volený „ekvivalentní“ reálný kompresor;
• TF FTČ = fce(Dt(ex) – funkce fiktivně navyšující hodnoty TF RTČ (2011) o 20 %.

Protože všechny závislosti jsou vztaženy na shodný teplotní rozdíl Dt je rozdíl mezi závislostmi TF RK a TF RTČ markantní. Tento rozdíl je způsoben vlivem:

• A) zmíněných teplotních rozdílů na výměnících tepelného čerpadla, tj. Dk na kondenzátoru a DtV na výparníku;
• B) energetické náročnosti na dopravu otopné vody a média, které je zdrojem nízkopotenciálního tepla a energetické náročnosti dalších funkcí potřebných pro provoz TČ (např. řídicí systém);
• C) energetické náročnosti odtávání při vnějších teplotách, kdy na výparníku vzniká námraza.

Závislost TF RTČ vychází ze závislosti TF RK a principiálně je dána dvojím posuvem závislosti TF RK:

• nejprve doleva o hodnotu DtC, která respektuje vliv ad A);
• pak dolů o hodnotu DTF, která respektuje vliv ad B) a C).

Tento dvojí posuv můžeme nahradit jediným posuvem, a to doleva, o hodnotu DtC + DtX, kde hodnota teplotního posuvu DtX vyjadřuje geometricky ekvivalentním způsobem hodnotu posuvu DF. Uvedené posuvy jsou v grafu na obr. 2 také znázorněny (blíže k tomu v odstavci 5).

V odstavci 5 ukážeme, že popsanou závislost TF–Dt můžeme využít k prognostickým úvahám.

Obr. 3 • Průběhy závislosti úspory energie na teplotním rozdílu Dt (ex) = tW – tA platné pro TČ specifikovaná a sledovaná v obr. 2. Závislosti DÚE vyjadřují:
– vliv chladiva na ÚE, DÚE (CH) = ÚE RTČ (2011) – ÚE RTČ (R404A);
– vliv navýšení TF o 20 % na ÚE, DÚE (TF) = ÚE FTČ – ÚE RTČ(2011);
– vliv Dt (ex) na ÚE, určuje takový pokles Dt (ex), který přinese stejný efekt jako navýšení TF o 20 %
(znázorněno pro 3 body)

Ze závislostí TF RTČ byly odvozeny ­závislosti úspory energie ÚE RTČ = fce(Dt(ex)), znázorněné v grafu na obr. 3. Z grafu je patrné, že navýšení TF o 20 % (reálnost tohoto navýšení posoudíme v odstavci 5) se v úspoře energie projeví podstatně méně (cca 3 až 9 %), ale tím více, čím vyšší je Dt(ex). To je zcela v souladu s odstavcem 1, protože TF ve směru zvyšujícího se Dt(ex) klesá a navýšení TF se tudíž projeví markantněji.

Z obou grafů je zřejmé, že ve vytápěcím systému, respektive ve vytápěném objektu ovlivňuje TF a úsporu energie především řešení otopné soustavy. Při dané teplotě tA ovlivňuje hodnotu Dt(ex) pouze žádaná teplota tW, která určuje rozdíl Dt(ex) = tW – tA. V grafu je dále doloženo, že snížením teploty tW, respektive hodnoty Dt(ex) v průměru o cca 8 K, se dosáhne stejný efekt, jako při navýšení TF o 20 %!!!

3. Pracovní oblast (rozsah) tepelného čerpadla

Tomuto důležitému pojmu není zpravidla věnována dostatečná pozornost, a to nezřídka ani v podkladech dodavatelů TČ. Pracovní oblast TČ vychází z pracovní oblasti kompresoru, se kterým TČ pracuje. Pracovní oblast kompresoru je vymezena kombinací přípustných vypařovacích (to) a kondenzačních (tk) teplot, při kterých výrobci garantují spolehlivost a maximální životnost kompresoru. Pracovní oblast je v souřadných tk, to ohraničena „kruhovou“ funkcí tk = fce(to) vymezující plochu oblasti! U daného kompresoru závisí na použitém chladivu! Přihlédneme-li k potřebným teplotním rozdílům na výměnících TČ, a tedy k relaci mezi Dt(in) a Dt(ex), můžeme k pracovní oblasti kompresoru přiřadit následně pracovní oblast TČ, která je ohraničena funkcí tW(max) = fce (tA) definující lomenou hraniční čáru! Hraniční čára určuje nejnižší teplotu tA(Min) se kterou může TČ ještě pracovat, respektive pod kterou již TČ nemůže pracovat, musí být odstaveno a musí se použit alternativní zdroj. Zejména pak ke každé teplotě tA nad tA(Min) přiřazuje maximální teplotu tW(max), se kterou může TČ pracovat. Proměnnou teplotu tW(max) musíme odlišovat od konstantní teploty tW(Max), která je dána maximální teplotou otopné vody, se kterou může TČ pracovat. Práce za hranicí pracovní oblasti je buď zcela vyloučena (a musí být zamezena jisticími prvky TČ) – týká se vodorovné a šikmé části hraniční čáry, nebo snižuje spolehlivost a životnost kompresoru a tedy i TČ – týká se svislé části hraniční čáry (jejíž podkročení není vždy správně sledováno).

Hranice pracovní oblasti TČ jsou určeny a jejich nepřekročitelnost je dána limitními parametry „vnitřního“ děje, se kterými může kompresor pracovat a to:

• nejvyšším přípustným výtlačným tlakem u vodorovné části hraniční čáry;
• nejvyšší přípustnou výtlačnou teplotou u šikmé části hraniční čáry.

Pracovní oblast rozšiřují kompresory se systémem EVI (Evaporated Vapour Injection), respektive okruhy s kompresory umožňujícími „vstřik“ přehřátých par chladiva.

Pro ilustraci jsou pro tři různé reálné kompresory, pracující s různými chladivy, obě pracovní oblasti znázorněny na obr. 4. Diagramy zobrazují závislost teplot ts na sekundární straně TČ na teplotách tp na primární straně TČ. Pro kompresory s chladivem R407C a R410A je naznačeno i rozšíření pracovní oblasti dosažené systémem EVI. Do grafu na obr. 5 jsou pro porovnání vyneseny jen závislosti tW(max) = fce(tA).

Pro doložení důležitosti pracovní oblasti jsou do grafu na obr. 5 dále zakresleny průběhy žádaných teplot otopné vody při ekvitermní regulaci pro výpočtovou vnější teplotu tA(v) = –15 °C a pro tři výpočtové teploty otopné vody tW(v) = 35, 50 a 65 °C. Diagram průkazně dokládá, že nejvyšší teploty tW(Max) dosažitelné TČ nemají pro vytápění u standardně navržených otopných soustav pro TČ (OS (35), OS(50)) uplatnění. Omezené uplatnění mají pro přípravu TV a nestandardní otopné soustavy (OS(65)). Pro OS(65) je pak pro všechna tři chladiva při teplotě tA(ab) = cca –7 °C dosažen mezní stav, kdy ještě může TČ pracovat. Pod touto teplotou (tzv. teplotou alternativní bivalence) musí být TČ odstaveno a v provozu může být jen alternativní zdroj.

Na tomto místě je důležité poznamenat, že chladiva, se kterými TČ (a obecně všechna chladicí zařízení) pracují jsou charakterizována:

• jednak termodynamickými vlastnostmi, které vymezují jejich použitelnost pro různé účely nebo oblasti;
• jednak stupněm tzv. termodynamické dokonalosti který určuje, jak se reálné energetické parametry (tedy i TF) mohou přiblížit teoretickému ideálu (viz odstavec 5).

Jak v přírodě zpravidla bývá, vlastnosti požadované pro určitý účel (např. TČ pro vytápění) a odpovídající dokonalost nejsou vždy zcela v souladu. To je možno zdokumentovat porovnáním obr. 2 a 5.

Z obr. 5 (který platí pro sledované kompresory) je zřejmé, že TČ s chladivem R404A může spolehlivě pracovat do vnější teploty až cca –32 °C, s chladivy R407C a R410A a kompresory EVI jen do vnější teploty cca –17 °C. Se standardními kompresory by to bylo u těchto chladiv možné jen do vnější teploty cca –12 °C. Naproti tomu z obr. 2 je zřejmé, že TČ s chladivem R404A mají topný faktor nižší než průměrný. To je dáno právě tím, že ač chladivo R404A je z hlediska termodynamických vlastností ovlivňujících pracovní oblast velice příznivé, z hlediska termodynamické dokonalosti ovlivňující energetický efekt je tomu právě naopak, ze všech sledovaných chladiv je nejméně dokonalé. V chladnějších oblastech je ale poněkud nižší TF (který je z pohledu úspory energie nepodstatný – viz obr. 3) vyvážen skutečností, že TČ není řídicím systémem odstavováno při nízkých vnějších teplotách. Právě toto tzv. „nízkoteplotní“ chladivo spolu s „nízkoteplotními“ spirálovými kompresory nastartovalo před cca 15 lety prudký rozvoj TČ vzduch-voda.

Z popsaných skutečností vyplývá, že při výběru TČ bychom měli vzít v úvahu i teplotní oblast, pro kterou je určeno a zajímat se o jeho pracovní oblast!

V širším slova smyslu charakterizuje pracovní oblast TČ i závislost TF–Dt a to rozsahem možných hodnot Dt. Je zřejmé, že rozšiřování pracovní oblasti zvětšuje i rozsah možných hodnot Dt a to ale v oblasti nízkých TF!

4. Úspora energie a úspora nákladů za energii

U rodinných domů je TČ výhodné zejména v plně elektrifikované domácnosti, protože cena za odběr pro ostatní spotřebiče (vaření, praní, myčka, chladnička, audiovizuální technika, počítače atd.) je zvýhodněna stejně jako cena za odběr pro TČ a představuje jen cca 55 % ze standardní ceny pro domácnost.

Celkové náklady za energii (NE(C)) se pak skládají ze stálých měsíčních platů (SMP), nákladů za odběr energie pro vytápění a přípravu TV (NE(V)) a nákladů za odběr energie pro ostatní spotřebiče (NE(OS)):

NE(C) = SMP + NE(V) + NE(OS)            (5)

Vzhledem k zanedbatelnému rozdílu jednotkových cen dílčích složek při vytápění přímotopem (PT) a TČ byl pro jeden sledovaný objekt proveden zjednodušený výpočet a zpracován graf na obr. 6. Graf platí pro výchozí hodnoty platné pro PT a to NE(C) = 100 %, SMP = 5 % a NE(OS) = 10 %.

V grafu se sleduje závislost poměrné úspory energie (ÚE) stejně jako na obr. 1, ale i úspory nákladů (ÚN) na topném faktoru výchozím a souběžně na topném faktoru navýšeném o 20 %. Vyhodnocen je přírůstek úspory energie (DE) a nákladů (DÚN) při zmíněném navýšení topného faktoru. Ve sledovaném objektu díky TČ s chladivem R404A (na kterém byla „prototypově“ ověřována některá opatření uvedená v odstavci 5) nedošlo, ani jednou za 13 let provozu i při extrémních mrazech, k odstavení TČ. V objektu s „dobře dimenzovaným“ podlahovým vytápěním se dosahuje průměrný TF > 3,5. Současné výchozí náklady při PT by představovaly cca 100 000 Kč/rok. Při TF = 3,5 a úspoře energie pro vytápění více než 70 % se dosahuje úspora nákladů více něž 60 %, tj. více než 60 000 Kč/rok.

Fiktivní, a jak ukážeme v odstavci 5, jen stěží dosažitelné budoucí navýšení TF o 20 % tj. na průměrný TF = 4,2 by zvýšilo úsporu nákladů o cca 4 %, tj. o cca 4 000 Kč/rok. Je na každém aby zvážil, zda odklad realizace systému s TČ v očekávání nereálného navýšení se mu vyplatí.

Poznámka:
Jen pro zajímavost je dobré porovnat si (bez dalšího komentáře) náklady za energie, případně uvedenou úsporu jednak s náklady za informační technologie (telefon, mobilní telefon, rozhlas, televize, denní tisk, internet, případně zabezpečení objektu), jednak s náklady na provoz dopravních prostředků (motorka, auto, případně další).

V uvedených nákladech není sledována další položka a to náklady na servis TČ a celého vytápěcího systému a principiálně i náklady na servis ostatních spotřebičů. Je třeba říci, že náklady na energie mohou být spolehlivostí spotřebičů a zejména TČ výrazně ovlivněny! Nízké náklady jsou proto podmíněny vysokou spolehlivostí TČ! Malá připomínka k tomu v závěru odstavce 5.

5. Vývoj tepelných čerpadel a informačních technologií

Informační technologie jsou obor velice „mladý“. Je postaven na fyzikálních a nových matematických principech, které se stále vyvíjejí. Naproti tomu obor chladicí techniky, jehož součástí je i obor tepelných čerpadel, je obor „starý“ již 150 let (první průmyslová chladicí zařízení se začala stavět v roce 1860, první TČ bylo pak realizováno v roce 1927 a k širokému rozmachu TČ došlo již za II. světové války ve Švýcarsku) a po celou dobu své existence je soustavně zdokonalován, nejen z pohledu TČ, ale především z pohledu mnohem důležitějších a rozšířenějších chladicích zařízení. Je postaven na fyzikálních, respektive mechanických (termodynamických), dlouhodobě ověřených principech. Ty určují pro energetické parametry TČ, tedy i jeho TF, jednoznačné hranice.

Největší teoreticky známé nedostatky, snižující dosažitelné hranice, byly v posledních cca třech desetiletích vývojem konstrukce a především výrobních technologií komponentů postupně odstraňovány. Až vývoj výrobních technologií umožnil např. zavedení výroby vysoce efektivních spirálových kompresorů dnes prakticky u všech TČ používaných (jejichž princip byl patentován již v roce 1905), ale i efektivních teplo­směnných ploch a výměníků tepla.

Jakým směrem se vývoj TČ v posledních letech ubíral a jak by měl pokračovat se může snadno vyčíst ze závislosti TF–Dt, tj. z grafu na obr. 2. Z grafu jednoznačně vyplývá, že zlepšení efektu TČ se dá dosáhnout

• (buď) zlepšením vlastností použitého kompresoru, tj. posuvem závislosti TF RK = fce(Dt(in)) doprava;
• a (nebo) zmenšením posuvu závislosti TF RK = fce(Dt(in)) doleva o hodnotu DtC + DtX tj. jednak snížením hodnoty DtC, jednak snížením hodnoty DTF.

S přihlédnutí ke grafům na obr. 4 a 5 je pak zřejmé, že vývoj pokračoval a nadále byl měl pokračovat i ve směru rozšiřování pracovního rozsahu.

V souladu s tím se vývoj TČ ubírá v zásadě třemi směry.

První směr představuje další vývoj kompresorů:

• a) nasazovány jsou kompresory s plynulou regulací výkonu (zdvihového objemu) ať už změnou otáček (nejen ve směru 100 % a níže, ale i ve směru 100 % a výše), nebo periodicky přerušovaným (impulzním) vyřazováním funkce činné části; regulace výkonu ve svém důsledku ovlivňuje hodnotu DtC;
• b) zkoušen je dokonalejší systém EVI, respektive okruhy s kompresory umožňujícími „vstřik“ mokrých par chladiva, toto řešení by mělo dále rozšířit pracovní oblast kompresorů a TČ.

Druhý směr představuje další vývoj vlastních TČ, ten má za cíl k danému kompresoru nalézt a realizovat v okruhu TČ taková opatření, která sníží hodnoty DtC a DTF. K těmto opatřením lze uvést např.:

• c) nasazovány jsou sofistikované řídicí systémy a jimi umožněná spojitá regulace výkonu kompresoru a TČ a optimalizace režimu odtávání;.
• d) zvětšuje se plocha výměníků tepla, protože ta je jedním za základních předpokladů snížení hodnoty DtC (miniaturizace „za každou cenu“ zde není namístě);
• e) hledány jsou vhodné úpravy konstrukce výměníků tepla a souvisejících prvků; které zajistí odstranění „mrtvých“ koutů a plné využití teplosměnné plochy;
• f) zkoušeny jsou výrobní technologie výměníků tepla zajišťující takovou úpravu povrchů, která intenzifikuje přestup tepla na obou stranách teplosměnné plochy, případně usnadňuje průběh odtávání;
• g) zvažováno je racionální využití jednotlivých složek produkovaného tepla; známý přínos podchlazování se ale projeví markantněji jen tehdy, může-li se získané teplo využít na teplotní úrovni nižší, než je potřeba pro vytápění; to zvyšuje složitost zapojení;
• h) zkoušena jsou opatření, intenzifikující průběh odtávání;
• i) zvyšovány jsou energetické účinnosti komponentů zajišťujících dopravu médií potřebných pro funkci TČ a zejména TČ malých výkonů (ventilátory, čerpadla).

Řešení prvního i druhého směru zlepšují nebo mohou zlepšit TF řádově v procentech a úsporu energie a nákladů za energie tomu odpovídajícím způsobem. Důležité je uvědomit si i to, že uvedená řešení zlepšují efekt TČ tím více, čím nižší je TF, tj. čím vyšší je Dt(ex) (viz obr. 3) a mají tedy význam především ve vytápěcích systémech pro TČ nestandardních, tj. např. u stávajících, z pohledu TČ nevhodně dimenzovaných otopných soustav. Pro nově realizované objekty, respektive otopné soustavy kvalifikovaně navrhované již pro vytápěcí systém s TČ je jejich přínos minimální!

Třetí směr – v současnosti již využívaný – představuje použití složitějších zapojení okruhu TČ, jejichž cílem je eliminovat nedostatky standardních jednoduchých zapojení. Až třetí směr přináší nebo může přinést mnohem větší navýšení efektu TČ než směry předchozí. Do tohoto směru v podstatě patří i kompresory, respektive okruhy se systémem EVI. Ty sice také zvyšují složitost okruhu, ale nepřinášejí takové navýšení efektu, jako dále popsaná řešení. Hlavní výhodou systému EVI je rozšíření pracovní oblasti. V řešeních třetího směru se mohou samozřejmě využívat prostředky uvedené u směru druhého.

Významnější zvýšení TF, tj. zvýšení větší než deset procent umožňují např.:

• j) dvouokruhová TČ se dvěma kompresory a různými chladivy v jednom kompletu nebo dělená, která zvyšují efekt TČ tím, že při potřebě tepla na dvou teplotních úrovních (např. jedna část objektu s podlahovým vytápěním, druhá část objektu s velkoplošnými otopnými tělesy nebo jedna teplotní úroveň pro vytápění, druhá teplotní úroveň pro přípravu TV) se teplo neprodukuje na jediné vyšší teplotní úrovni a pro nižší se nezískává směšováním jako u standardních TČ, ale obě tepla se produkují na skutečně potřebných teplotních úrovních;
• k) TČ s dvouokruhovým výparníkem, která výrazně snižují energetickou náročnost odtávání tím, že i pro odtávání používají stejný zdroj nízkopotenciálního tepla jako při standardním režimu a ne teplo vypro­dukované TČ, jak je tomu u TČ se standardním jednookruhovým výparníkem.
• Významné rozšíření pracovní oblasti umožňují např.:
• l) TČ se dvěma kompresory ve dvoustupňovém kaskádním zapojení, u kterého musí být ale ve funkci vždy současně oba stupně, protože kondenzátor prvního stupně je výparníkem druhého stupně;
• m) TČ se dvěma kompresory ve standardním dvoustupňovém zapojení, u kterého první stupeň může pracovat nezávisle na druhém stupni, a které pak pracuje tak, že při menším teplotním rozdílu Dt(ex) je ve funkci jen první stupeň s ohřevem otopné vody na nižší teplotní úroveň a při zvýšení teplotního rozdílu Dt(ex) se přiřadí i druhý stupeň, který zajistí ohřev otopné vody na vyšší teplotní úroveň. Převod tepla mezi kondenzátorem prvního stupně a výparníkem druhého stupně pak zajišťuje vložený okruh, který může pracovat s otopnou vodou.

Obě popsaná zapojení rozšiřují pracovní oblast z podhledu dosažitelného Dt(ex) i o několik desítek stupňů a umožňují použít TČ – i když při nízkém TF ! – v oblastech dříve pro TČ nedostupných (např. v otopných soustavách s výpočtovou teplotou otopné vody 70 °C i více).

Čtyři uvedené možnosti se mohou uplatnit zejména pro větší výkony, kdy zvýšené pořizovací náklady dané větší složitostí systému se vyplatí díky absolutně vyšší úspoře energie a nákladů na energie na jedné straně a snižujícím se pořizovacím cenám za jednotkový instalovaný výkon s rostoucím výkonem na straně druhé. Přicházejí tedy v úvahu pro provozovatele větších objektů, nebo velkých rodinných domů.

Závislost TF–Dt znázorněná grafem na obr. 3 názorně ukazuje, jaká opatření by mohla zvýšit TF o 20 %, tj. závislost TF RTČ (2011) posunout na závislost TF FTČ. V prvním mezním případě (při zachování DtC) by se musela zcela anulovat hodnota DTF, tj. musely by se zcela vyloučit vlivy ad B) a C), ve druhém mezním případě (při zachování DTF) by se musel snížit výchozí DtC na méně než 30 %. Realizovatelnost takového řešení je jen stěží možná. Přitom úspora energie by se snížila jen o méně než 9 %. Graf rovněž dokumentuje, že opatřením ad k), které výrazně zmenšuje hodnotu DTF je možno zvýšit efekt TČ o více než 10 %.

Posoudíme-li z energetického hlediska všechny fáze změny stavu chladiva v okruhu TČ zjistíme, že zcela nevhodné je přepouštění kapalného chladiva z kondenzátoru do výparníku. A to proto, že se nevyužívá energetický potenciál přepouštění, tj. disponibilní expanzní práce mezi kondenzačním a vypařovacím tlakem. Tento potenciál se u stávajících řešení degraduje bez jakéhokoliv energetického efektu. Jeho využití by mohlo způsobit zásadní navýšení efektu TČ (tj. TF, ÚE i ÚN). Možné řešení, které spadá rovněž do třetího směru vývoje, je dnes ve stadiu pokusů. S ohledem na značnou principiální i výrobní náročnost potřebného zařízení není jeho praktické využití v nejbližší době reálné. Řešení by značně přiblížilo efekt TČ k teoreticky nejlepší transformaci mechanické energie na energii tepelnou, definované tzv. Carnotovým cyklem, kdy topný faktor je určen (bez bližšího vysvětlení) vztahem:

S ohledem na výše uvedené je objevení dalších zcela nových principů, které by podstatně zvýšily energetický efekt TČ stěží očekávatelné. I objevení nových termodynamicky dokonalejších chladiv není příliš pravděpodobné.

Je samozřejmé, že prudký vývoj informačních technologií zasahuje i do vývoje TČ a to rovněž ve třech směrech.

Již delší dobu se používají elektronické řídicí systémy, které rozšiřují jejich možnosti (řídicí systém TČ se stává i řídicím systémem celého vytápěcího systému, případně i dalších funkcí ve vytápěném objektu) a zvyšují přesnost řízení, což může ve svém důsledku vést i ke zvýšení energetického efektu TČ (např. již uvedená spojitá regulace výkonu, optimalizace režimu odtávání). Nahrazovány jsou prvky řízené mechanicky prvky řízenými elektronicky (typicky expanzní ventily) a to i tehdy, když náhrada není provázena znatelným energetickým efektem.

Druhý směr představuje dlouhodobé monitorování důležitých provozních údajů řídicím systémem TČ, které se využívají při servisu TČ a umožňují ověřit, zda TČ pracuje „bezchybně“ a při zjištění anomálií nebo poruchy usnadňují zjištění příčin.

Třetí směr představuje „vzdálený přístup“ k řídicímu systému TČ pomocí Internetu (a tedy i mobilního telefonu). Ten umožňuje uživateli sledovat a ovlivňovat funkci TČ (a celého vytápěcího systému, nebo celého vytápěného objektu) a servisní organizaci detailně sledovat provoz systému a při zajištění anomálie (způsobné např. nesprávným „nastavením“ řídicího systému) provést „vzdáleně“ potřebné zásahy, případně zjistit příčinu eventuální poruchy ještě před zásahem na místě instalace. Pro „vzdálený přístup“ mají jednotliví klienti vymezena „přístupová práva“ tak, aby např. uživatel nemohl provést v systému nekvalifikovaný zásah, případně aby „nežádoucí klient“ nemohl provést „destruktivní zásah“. Zejména „vzdálený přístup“ servisní organizace může příznivě ovlivnit náklady na servis, i když lze očekávat, že servisní organizace budou v budoucnu účtovat za „dálkový preventivní servis“ poplatky, které se v nákladech za energie promítnou do stálých měsíčních plateb (SMP).

Při výběru TČ mohou být popsané schopnosti řídicího systému – charakterizující „uživatelský komfort“ – jedním z rozhodovacích kriterií.

Lze předpokládat, že monitoring, respektive ukládaní měřených údajů, se stane základem pro další perspektivní vývoj řídicích systémů TČ. Údaje by se mohly využít pro následnou analýzu optimálnosti a efektivity vytápěcího systému a výsledky analýzy k adaptaci parametrů řídicího systému tak, aby odpovídaly reálným parametrům otopné soustavy a vytápěného objektu, které se vždy mohou, respektive budou, lišit od návrhových. Jak následná analýza, tak odpovídající adaptace se budou provádět opět „vzdáleným přístupem“ a budou zřejmě další službou, kterou nabídnou servisní organizace.

Závěr

Přes snahu nalézt jen stručnou odpověď na v úvodu položenou otázku je zřejmé, že při hledání odpovědi se musí vycházet z velice širokých souvislostí. Ne všechny bylo možno podrobně analyzovat a především obšírněji popsat a proto informace v tomto článku nejsou zdaleka vyčerpávající. Pro názorné vysvětlení perspektivních možností zvyšování efektu TČ byla s výhodou použita závislost TF–DDt.

Závěrem lze shrnout:

• stávající TČ renomovaných výrobců pracují blízko současných hranic technických možností i uživatelského komfortu, které budou v nejbližší budoucnosti jen stěží výrazně posunuty;
• složitější řešení okruhu TČ, která se dají efektivně uplatnit především u TČ větších výkonů umožňuje
• buď zajímavé zvýšení jejich efektu (TF o více než 10 %);
• nebo jejich použití (i když při relativně nízkých TF) v oblastech dříve pro TČ nedostupných (např. v otopných soustavách s výpočtovou teplotou otopné vody 70 °C i více);
• o úspoře energie a nákladů za energie v objektu vytápěném TČ rozhoduje vlastní TČ až sekundárně (pomineme-li jeho spolehlivost), primárně o tom rozhoduje a vždy bude rozhodovat otopná soustava!; to je dáno principem TČ (neboť zcela analogicky platí: stěhování klavíru do druhého poschodí je mnohem náročnější než do poschodí prvního).

Literatura

[L1] ČSN EN 14511-1 až 4. Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru. Český normalizační institut, 2008.
[L2] Wärmepumpen-Testzentrum Buchs, WPZ – Bulletin, Ausgabe 01-2011, www.wpz.ch
[L3] Klazar, L.: Jak je to vlastně s topným faktorem (2), Topenářství instalace, č. 1 a 2 / 2010
[L4] Klazar, L.: Měření tepelných čerpadel a závislost TF-Dt, Vytápění – Větrání – Instalace“, č. 1/2010
[L5] Tesař, J.: Nové výměníky tepla výjimečných vlastností, Zpravodaj Svazu chladicí a klimatizační techniky č. 6/2011

Poznámka autora po napsání článku

Šéfredaktor Ing. Hodboď, který dal impulz k sepsání příspěvku Pořídit tepelné čerpadlo dnes a nebo až za pár let?, mě po odevzdání rukopisu upozornil na článek [L5], který avizuje možnost zvýšení topného faktoru TČ vzduch-voda z 3,9 na 5,5 (tj. o více než 40 %!) použitím nového provedení kondenzátoru „výjimečných vlastností“. Uvedené navýšení TF se má docílit tím, že nové provedení kondenzátoru – volně citováno – sníží teplotní spád na kondenzátoru z 10 °C na 0,1 °C. Tato informace si zaslouží být uvedena alespoň stručně na pravou míru. Prostředky popsanými a vysvětlenými ve výše uvedeném příspěvku, prokážeme jednoduše naprostou nereálnost takové možnosti.

Zopakujeme: Ze závislosti TF–Dt (obr. 2) vyplývá, že TF reálného TČ je nižší než TF reálného kompresoru. Snížení je způsobeno

• jednak teplotním rozdílem
  DC = DtK + DtV = (tk – tW) + (tA – to), který je dán součtem teplotního rozdílu na obou výměnících tepla, tj. kondenzátoru DtK a výparníku DtV;
• jednak dalšími faktory, popsanými hodnotou DTF.

U standardních TČ vzduch-voda, s deskovým výměníkem tepla jako kondenzátorem, nabývá podle druhu chladiva a vytížení výměníků v průběhu otopné sezóny teplotní rozdíl na kondenzátoru hodnotu (ověřenou měřeními) DtK = cca 1 až 4 K (menší u chladiv bez teplotního skluzu, např. v článku zmiňovaném R410A, větší u chladiv s teplotním skluzem např. R407C) s tím, že celkový teplotní rozdíl se pohybuje kolem DtC = cca 10 K. Podotkněme, že z pohledu TČ není důležitý (v článku ani blíže nedefinovaný) teplotní spád, ale právě jen teplotní rozdíl DK = tk – tW. V článku se uvažuje, že nabývá hodnotu 10 K (jak vyplývá z číselných údajů), což neplatí ani u těch nejhorších TČ. I kdybychom připustili, že kondenzátorem „výjimečných vlastností“ bychom tento rozdíl zcela anulovali, snížil by se pracovní teplotní rozdíl Dt pro závislost TF–Dt o oněch DtK = cca 1 až 4 K, což při výchozím TF = 3,9 (aniž bychom hledali, jak se k této hodnotě v článku došlo) by vedlo k navýšení TF na TF = cca 4 až 4,3.

Abychom nezanedbali další souvislosti, uveďme z [L3] konstatování neuvedené v tomto materiálu, které je pro komplexní posouzení problému důležité: Závislost TF–Dt platí pro ty hodnoty přehřátí v sání kompresoru Dts a podchlazení kapalného chladiva Dtd, pro které je určena charakteristika kompresoru, z níž je odvozena. Změna hodnot Dts a zejména Dtd vede ke změně závislosti TF–Dt.

Mezi cestami dalšího vývoje TČ je v tomto materiálu zmíněn i známý přínos podchlazování kapalného chladiva. Posuďme proto jaký efekt by se dosáhl, pokud by se v novém kondenzátoru docílilo podchlazení kapalného chladiva až na teplotu odpovídající vstupní teplotě otopného média (a ponechme stranou, že docílitelné podchlazení není jen věcí výměníku tepla). Při ohřátí otopného média v kondenzátoru o DtW = 5 K, by se tedy docílilo podchlazení Dtd = 5 K. Z charakteristik kompresorů se dá výpočtově odvodit, že při podchlazení o Dtd = 5 K se TF zvýší o cca 5 %, tj závislost TF–Dt na obr. 2, která je zpracována pro Dtd = 0 K, se posune směrem nahoru o uvedenou hodnotu. TF zvýšený úplnou eliminací teplotního rozdílu Dtk se tak podchlazením dále navýší na teoreticky maximální, prakticky nedosažitelnou hodnotu TF = 4,2 až 4,5, tedy o maximálně 15 %!

Závislost TF–Dt rozšířená ve smyslu [L3] tedy nereálnost tvrzení v článku [L5] velice jednoznačně prokazuje.

Z pohledu tohoto materiálu samozřejmě jakékoliv řešení výměníků snižující sledovaný celkový teplotní rozdíl DtC, případně řešení zajišťující vysoké podchlazení kapalného chladiva je zcela v souladu s vývojovým směry TČ. Takové řešení chce zřejmě představit i zmíněný článek [L5] a nelze mít proto proti němu námitky. Jeho krajní efekt je ale uveden výše.

Námitky je třeba mít k povrchnímu posouzení dosaženého efektu, které vyplynulo z velice zjednodušeného výpočtu. Nepodložený popis efektu řešení, který uvádí nejen znalého technika, ale především laickou veřejnost v omyl, je v neprospěch každého, byť sebelepšího řešení a v daném případě i v neprospěch tepelných čerpadel.

---

Buy heat pump today or later?

Author tries explaining influence of heat pump parameters on energy savings. Coefficient of performance can be increased but influence on energy savings is not so significant. Details important parameters of heat pumps are described and explained. Future heat pump development is insinuated.

Keywords: heat pump, energy savings, heat pump installation