Posouzení realizace tepelného čerpadla vzduch-voda v rodinném domku

Instalace tepelného čerpadla bez projektové dokumentace je riskantní. Je-li však bez projektu instalována otopná soustava doplněná krbem s vložkou pro vytápění, téměř jistě se zákazník nedočká úsporného vytápění.
V článku jsou uvedena některá schémata zapojení tepelného čerpadla. Je zde popsáno několik instalačních vad, se kterými se autor článku setkal při řešení problémů souvisejících s jeho znaleckou činností.

Recenzent: Jiří Matějček

Tento článek je možné zařadit do kategorie „Chyby a omyly v topenářské technice“.

Tepelná čerpadla vzduch-voda (TČ) se nám rodí jako houby po dešti. A neplyne to jen ze statistik, přesvědčit se o tom mohou majitelé dnes tolik populárních dronů nebo dobrodruzi v koších horkovzdušných balónů. Zkrátka a dobře – vnějších jednotek TČ je na zahradách rodinných domků vidět skoro tolik, jako bazénů. Je až neuvěřitelné, že naši topenáři stíhají vršit chybu za chybou, aniž by si uvědomili alespoň tři základní schémata těchto čerpadel, která se dají jednoduše dohledat například na webu Abeceda tepelných čerpadel [1]:

Schéma č. 1

Toto je velmi oblíbené zapojení TČ. Obvykle je použit „multivalentní zásobník“, do kterého je často připojena i krbová vložka. Tímto zapojením snadno a rychle zkazíte topný faktor i u hodně dobrého TČ, které pak bude topit hůř, než nejlevnější TČ z Číny.

TČ celoročně ohřívá vodu v akumulačním zásobníku na zbytečně vysokou teplotu, například 55 °C, i když to pro otopnou soustavu není potřebné. TČ tedy pracuje 85 % času v horším provozním režimu a tudíž s vyšší spotřebou elektřiny, než by mohlo. I když je využita ekvitermní regulace pro trojcestný ventil, žádné úspory při tomto zapojení nepřináší.

Schéma č. 2

Také poměrně časté zapojení TČ. Akumulátor s výměníkem se vytápí podle ekvitermní teploty. Teplá voda v akumulátoru se předehřívá na nízké teploty a musí se pak dohřívat elektrickou energií.

Schéma č. 3

Akumulátor nemá žádný výměník a vytápí podle venkovní teploty. Mezi TČ a akumulátorem není žádný trojcestný směšovací ventil. Teplá voda je ohřívána v samostatném zásobníku, teplotně odděleném od otopné soustavy. TČ vytápí buď do otopné soustavy, nebo do zásobníku. Tím je dosaženo nejlepšího možného topného faktoru jak při vytápění, tak při přípravě teplé vody.

V podkladech dodavatelů TČ bývá obvykle několik funkčních schémat zapojení včetně upozornění v následujícím znění: „Zobrazené schéma zapojení je orientační. Schéma pro realizaci je nutné povést dle platné projektové dokumentace zpracované autorizovaným projektantem“. Schéma kolující v mysli zhotovitele se žádnému z nich nepodobá.

Ne vždy je venkovní jednotka určena pro TČ. Oblíbeným jednáním některých z našich topenářů je vydávání zařízení určených primárně pro chlazení za TČ. Taková zařízení jsou primárně dimenzovaná na chlazení a vytápění je u nich vedlejším efektem. Používají se především v jižních zemích, kde se teploty venkovního vzduchu v zimě pohybují mezi 5 až 10 °C. Se zimními podmínkami střední Evropy se to nedá srovnávat.

Zařízení venkovních jednotek, určených přímo pro vytápění, mají jmenovitý topný výkon i při venkovní teplotě –15 °C a jsou schopna vytápět až do –25 °C. Oproti tomu chladicí jednotky pro klimatizaci mají vysokou spotřebu elektrické energie a jsou výrazně hlučnější. Jednu takovou jednotku vidíme na obr. 1.

Zobrazená jednotka se již několikrát stěhovala z důvodu stížností na hluk od sousedů a není vyloučeno, že naposled. Tím se podstatně prodloužila vzdálenost potrubí s nejvyšší teplotou chladiva, a tím i s výrazně vyššími tepelnými ztrátami, než byly u předchozí lokace u stěny domu.

Čidlo venkovní teploty pro TČ a trojcestný směšovací ventil není umístěno na severní straně domu, jak je v kraji zvykem, ale na straně jižní, což zcela znemožňuje funkci regulace. Při osvitu sluncem regulace vypne přívod tepla do objektu – jak u TČ, tak i u trojcestného směšovače.

V českých zemích se výkonu TČ vzduch-voda moc nevěří. Pro mnohé je jen těžko vstřebatelné, že z ledového vzduchu se ohřeje voda do radiátorů s menší spotřebou elektrické energie, než by to dokázal elektrokotel. A nejspíš z tohoto důvodu je převážná většina instalací TČ kombinována s druhým zdrojem tepla, nejčastěji krbem s kr­bovým výměníkem, jako v tomto ­případě, nebo plynovým kotlem. Takové kombinace však mohou být ošidné. Skýtají množství předem neodhadnutelných závad a kom­plikací.

Ani kombinace klasického krbu s TČ nemusí být bez problému. V jednom případě majitelé dvojpodlažního domu léta vytápěli dřevem v krbu umístěným v kuchyni, propojené s obývacím pokojem i ložnicí. Touha po moderním bydlení přivedla vlastníky k investici do ústředního vytápění s TČ (s bezchybným zapojením).

Když však přišly mrazy, bylo majiteli domku líto přitápět elektřinou, byť v levné sazbě pro TČ. V obou podlažích přitopili krbem a TČ vypnuli s domněním, že ve venkovní jednotce přece proudí nemrznoucí směs a nemůže se tak nic stát. Stalo se. Vlivem námrazy popraskal výměník tepla.

Co lze pak v takovém případě poradit?

Vzpomněl jsem si v té souvislosti na případ zamrzlého horkovodu, který se udál ve velkém městě, velkého státu, s teplotami hluboko pod bodem mrazu. Díky malé netěsnosti byl uzavřen úsek potrubí a čekalo se, až teplota vody klesne pod 100 °C. Díky liknavosti havarijní čety (spíš roty), zahřívající se v mrazu místní lihovinou, se doba čekání protáhla do doby, kdy už se předmětný úsek potrubí vypustit nedal. Místní odborníci si s problémem nevěděli rady, proto se rozhodli povolat kolegu z Čech. Ten si prohlédl popraskaný horkovod s rampouchy a řekl jim to stejné, co jsem já mohl říct majiteli TČ. Počkejte do jara!

Jak se dalo předpokládat, na zařízení se našly i další chyby. Jaké?

1. Vzduch v otopné soustavě

Koupit si od někoho nemovitost s podlahovým vytápěním nemusí být vždy výhra v loterii. Zejména v případě, kdy jsou plastové trubky v podlaze bez kyslíkové bariéry. Díky tomu proniká kyslík trvale do otopné soustavy. Navíc bylo zjištěno nevhodné složení otopné vody. Podle dodavatele TČ musí plnicí voda odpovídat požadavkům na pitnou vodu dle vyhlášky MZ ČR č. 376/2000 Sb. [2], především pH v rozsahu 7,0–9,5. Podle provedeného rozboru vody v otopné soustavě bylo pH vody pouhých 5,3.

2. Schéma zapojení

Z počátku nebylo jasné, proč byla pro TČ o výkonu cca 7 kW přiřazena akumulační nádoba o extrémním obsahu 1000 l. Proč je u horního hrdla nádoby zaústěn jak primární okruh od deskového výměníku tepla, tak i sekundární okruh s trojcestným ventilem a vlastní otopnou soustavou.

Na uvedeném obr. 2 si lze všimnout dvou věcí. Horním hrdlem nádoby, které je určeno pro pojistný ventil a odvzdušnění, proudí otopná voda jednou shora dolů (okruh od výměníku tepla), jednou současně opačně zdola nahoru. S matematicky doloženým podkladem kolik, které vody a kterým směrem vlastně teče, jsem se nesetkal. Jen s tvrzením, že ono to někdy a nějak funguje.

Boční vývody původně určené pro TČ, byly využity pro krbovou vložku s výměníkem.

Druhou věcí, které si lze všimnout je místo napojení expanzní nádoby. Místo napojení expanze vytváří tzv. nulový bod, ve kterém je stejný tlak jak za klidu, tak i za chodu oběhových čerpadel. I když je možné napojit expanzní zařízení v kterémkoliv místě otopné soustavy, vždy by měla být snaha toto místo volit těsně před sáním oběhového čerpadla, viz obr. 3.

Vhodnějším místem napojení expanze je na sání čerpadla. V podtlaku je jen krátký úsek od nulového bodu k čerpadlu, jinak je celá otopná soustava v přetlaku.

Oběhová čerpadla pracují v sériovém chodu. Tím se zvyšuje průtok v otopné soustavě a vytváří se hydraulický hluk. Provozní bod čerpadla otopné soustavy, tedy průsečík charakteristiky čerpadla s charakteristikou potrubí sítě, se při sériovém chodu dvou čerpadel posouvá jak k vyšším tlakům, tak i vyšším průtokům. Chování otopné soustavy se stává chaotické, nejenom v závislosti na chodu prvního čerpadla, ale i vzhledem k nespolehlivému chodu směšovacího ventilu.

Při vypnutí čerpadla v prvním okruhu poklesne tlak v systému a dojde k hydraulickému rázu zejména vlivem rychlého pohybu membrány expanze.

Pokud se v nádobě ohřeje voda elektrickými patronami, pak k třícestnému ventilu (3-CV) teče jen voda o nižší teplotě z TČ. Dosažitelný výkon zařízení TČ tak není přenositelný do otopné soustavy.

Napojení potrubí do akumulační nádoby by mělo umožnit hydraulické vyrovnání dynamických tlaků čerpadel. V zobrazeném případě k vyrovnání tlaku nedochází.

Třícestný směšovací ventil může správně fungovat jen v případě, když před ním není tlaková diference. Tím, že primární čerpadlo takovou tlakovou diferenci před 3-CV vytváří, deformuje se charakteristika 3-CV ventilu až do bodu, ve kterém dojde k otočení průtoku ve směšovacím zkratu. Tím ale třícestný ventil ztrácí svoji funkci, pro kterou byl do systému instalován.

Funkce 3-CV je navíc degradována umístěním řídicího čidla venkovní teploty na jižní, místo na severní stranu objektu.

Pokud na zabudované akumulační nádobě nejsou další dvě hrdla z boku nádoby (pod izolací nejsou vidět), pak ji bude potřeba vyměnit. Výhodou výměny bude obnovení funkce zařízení, které tím získá vlastnosti obvyklé. Zmenšené nádobě, která je nyní až 6x větší, než by bylo potřeba, se i výrazně zmenší tepelné ztráty. Díky vyrovnání tlaků čerpadel v nádobě se obnoví funkce trojcestného směšovacího ventilu.

Zhotovitel patrně nepočítal s tím, že bude někdy potřeba provádět servis, utěsnění kapajících spojů nebo výměnu armatur. K armaturám ve druhé a třetí řadě se člověk dostane jen po demontáži armatur v řadě první. Odtok od pojistného ventilu je proveden klasicky chybně – gumovou hadicí DN 15 viz obr. 5.

Hadice vstupuje u podlahy do venkovní zdi, z vnější strany už není vidět. Patrně někde v zemině. Pravidelná kontrola pojistného ventilu pod stropem se nedá provést. Schůdky není kam postavit, dá se jen vyšplhat na parapet okna. Ani z tohoto místa se nedá na pojistný ventil dosáhnout.

Není účelem článku popisovat vady na zhotovení technologického zařízení TČ a krbové vložky s výměníkem. Účelem je představit čtenářům stav praktických aplikací našich topenářských podnikatelů.

Jaké je schéma zapojení krbu s krbovou vložkou v konkrétně popisovaném případě?

Krb s krbovou vložkou je zcela obezděn, jen s nahlížecími otvory cca 10 x 10 cm. Ty ale neumožňují kontrolu, zda instalované armatury odpovídají normám a zda je provoz krbové vložky možné považovat za bezpečný. Jde zejména o typ a umístění pojistného ventilu, jeho pojistného tlaku, zda je stejný nebo jiný, než má připojené TČ. Není možné kontrolovat, zda je pojistný ventil ve vzdálenosti kratší jak 20 DN připojovacího potrubí, a zda a jak je proveden odvod vody od pojistného ventilu.

Není jasné, jakým způsobem a zda vůbec je stabilizován výpočtový průtok. Nic se neví ani o výkonu krbové vložky, zda je instalována zpětná klapka za oběhovým čerpadlem, aby nedocházelo k průtoku krbovou vložkou od TČ, když je krbová vložka mimo provoz. Není možné zkontrolovat, zda mezi výstupem otopné vody z krbové vložky a uzávěrem není osazen pojistný ventil. Není jasné, zda má krbová vložka okruh pro udržování teploty zpátečky, a zda je tento okruh vybaven expanzní nádobou. Obezdění krbové vložky se dá považovat za nejlepší zametání stop po topenářské instalaci.

Jaké jsou požadavky výrobce krbových vložek?

Předně se jedná o ochranu výměníku před nízkoteplotní korozí. Pro zbránění vzniku kondenzátu na stěnách výměníku, je nutno topný okruh teplovodních krbových vložek vždy vybavit termostatickým směšovacím ventilem, který udržuje teplotu vody na vstupu do výměníku na minimální teplotě 65 °C. Ochranou proti nízkoteplotní korozi dojde ke zvýšení životnosti výměníku. Pro zlepšení fáze roztápění a hoření u soustav s čerpadlem doporučujeme pro čerpadlo instalovat spínací termostat.

Vychlazovací výměník (smyčka) i dochlazovací ventil DBV je navržen tak, aby v plném rozsahu ochránil výměník proti jeho přetopení. Předpokladem správné funkce a připojení, je nutnost přívodu studené vody se stálým min. tlakem 2 bar a teplotě do 15 °C. Jinak řečeno, zdroj studené vody musí být nezávislý na výpadku elektrické energie (nejlépe vodovodní řad). Chladicí voda z vychlazovacího výměníku se odvádí do odpadní jímky.

Pokud zhotovitel propojí dva certifikované výrobky v jeden celek, tj. například TČ, nebo plynový kotel, s krbovou vložku s výměníkem, dá se předpokládat, že v budoucnu bude muset zhotovitel doložit minimálně projekt se schématem zapojení a návodem k použití takové sestavy. To může znamenat konec nebezpečných topenářských experimentů v Čechách a na Moravě.

Vyvažovací protokol

V konečném stádiu realizace by zhotovitel měl svému zákazníkovi prokázat, že skutečný průtok jak na primární, tak i na sekundární straně TČ odpovídá výpočtovým předpokladům. Totéž se vztahuje i na oběhové čerpadlo krbové vložky. Nic na tom nemění stanovisko některých „taky odborníků“, že se měřicí protokol na rodinné domky nevztahuje. Tím možná myslel, že když chybí projekt, topenář nemá jak zjistit výpočtový průtok. Tak to ale není. Každý projektant snadno takový průtok spočítá z výkonu a teplotního spádu otopné vody. Je ale potřeba, aby byl na začátku topného okruhu instalován vyvažovací ventil příslušné dimenze, odlišné od dimenze potrubí.

Zákonem předepsané armatury na vstupu studené vody do ohřevu

Na toto téma bylo nejen v Topinu napsáno již mnoho článků, není tedy třeba jej znovu otevírat. Snad jenom schéma a konstatování, že kromě vstupního uzávěru chybí u posuzovaného TČ všechny ostatní armatury.

Dají se vyčíslit náklady na nápravu vzniklé situace?

Pouze orientačně:

• odstranění původní technologie TČ a krbové vložky včetně obezdění, včetně ekologické likvidace vybouraného materiálu v ceně cca 40 tis. Kč včetně 15 % DPH;
• instalace technologie nového TČ podle projektu zpracovaného autorizovaným projektantem v oboru v ceně cca 250 tis. Kč včetně 15 % DPH, plus cena projektu, cca 24 tis. včetně 21 % DPH;
• instalace nového krbu s krbovou vložkou 9–12 kW, dodávka 64 tis. Kč, montáž 20 tis. Kč, obezdění 12 tis. Kč včetně 15 % DPH;
• celkem min. 410 tis. Kč včetně DPH.

Co říci na závěr?

Zhotovitelem realizovaná zakázka bez projektu a funkčního schématu zapojení, bez dokumentace skutečného provedení, nerespektování vzorových schémat ani zapojení dodavatele TČ, ani vzorových funkčních schémat dohledatelných na internetu, vedlo k amatérskému sestavení zařízení se zásadními chybami a bezpečnostními hrozbami.

Snaha zhotovitele o co nejnižší cenu vedla ke kombinaci hlučné venkovní jednotky určené pro klimatizaci, ne pro vytápění, s výběhovým typem značně předimenzované akumulační nádoby bez potřebných postranních hrdel, do kterých se nedá správně napojit ani primární jednotka TČ, ani otopná soustava. To vedlo k řešení nefunkčního přímého propojení okruhu výměníku tepla s okruhem otopné soustavy.

Neznalost základních fyzikálních zákonů a principů sestavení zdroje tepla s TČ se projevila v dalších chybách, jako je více jak dvakrát předimenzovaná expanzní nádoba, chybně provedené odtoky od všech pojistných ventilů, neznalost systému potlačení hluku vnější jednotky, která musela být dodatečně přemísťována a další chyby.

Lze si jen přát, aby se ostatní uživatelé rodinných domků, kteří se pro instalaci TČ vzduch-voda rozhodnou, podobných hrubých chyb bezpečně vyvarovali.

Použitá literatura

1. Abeceda tepelných čerpadel. Dostupné z <www.abeceda-cerpadel.cz>.
2. Vyhláška č. 376/2000 Sb. ze dne 9. září 2000, kterou se stanoví požadavky na pitnou vodu a rozsah a četnost její kontroly. In Sbírka zákonů České republiky. 26. 10. 2000, částka 103, s. 4879. Dostupné z <http://aplikace. mvcr. cz/sbirka-zakonu/ViewFile.aspx?type =c&id=3491>.
3. ČSN 06 0830. Tepelné soustavy v budovách – Zabezpečovací zařízení. 2014-8 (změna Z1. 2014-11). ÚNMZ. Praha.
4. ČSN 06 0310. Tepelné soustavy v budovách – Projektování a montáž. 2014-8 (změna Z2. 2017-9). ÚNMZ. Praha.
5. ČSN 06 0320. Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. 2006-9. ČNI. Praha.
6. ČSN EN 12828+A1.Tepelné soustavy v budovách – Navrhování teplovodních otopných soustav. 2014-11. ÚNMZ. Praha.
7. ČSN EN 13240. Spotřebiče na pevná paliva k vytápění obytných prostorů – Požadavky a zkušební metody. 2002-3. ČNI. Praha (změna Z1. 2019-2. ÚNMZ. Praha.).
8. ČSN EN 13229. Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva – Požadavky a zkušební metody. 2002-3. ČNI. Praha (změna Z1. 2019-2. ÚNMZ. Praha.).

---

Assessment of air-water heat pump realization in a family house

Installing a heat pump without project documentation is risky. However, if a heating system with a fireplace insert combined with a heat exchanger is installed without the project, the customer will almost certainly not receive economical heating.

Some circuit diagrams of the heat pump are presented in the paper. There are described several installation defects that the author of the article encountered in solving problems related to his expert witness activities.

Keywords: heat pump, wiring diagram, project, fireplace stove with heat exchanger, heating system, acoustics, faults, safety, oversized storage tank