Spotřeby elektrické energie tepelného čerpadla a elektrokotle v bivalentním systému

Autoři se zabývají problematikou vazby průběhu rozdílu teplot t_i – t_e na elektrický příkon tepelného čerpadla a bivalentního zdroje, kterým je vestavěný elektrokotel.

Z obrázku 4 jasně vyplývá fyzikální závislost, že čím je větší rozdíl teplot t_i – t_e, tím je menší tepelný výkon tepelného čerpadla, a tím i při téměř konstantním příkonu, topný faktor. Z údajů o spotřebě elektrické energie tepelného čerpadla vestavěného elektrokotle, a zároveň z uvedeného bivalentního bodu okolo 0 °C, však jednoznačně vyplývá, že tepelné čerpadlo je oproti obvyklé praxi poddimenzované. Proto je spotřeba elektrického proudu příliš vysoká, a tím i celkové provozní náklady přesahují obvyklou mez. Za pozornost stojí i netradiční uplatnění přednosti vytápění před přípravou teplé vody, které umožňuje akumulační zásobník teplé vody.

Recenzent: Richard Valoušek

Úvod

Efektivnost aplikace tepelného čerpadla bývá hodnocena topným faktorem, specifikovaným českou technickou normou ČSN EN 14511-1 (2009) jako poměr topného výkonu k efektivnímu příkonu jednotky. Hodnota topného faktoru je vedle výkonu a příkonu ovlivněna provozními teplotami, teplotou nízkoteplotního zdroje tepla a teplotou teplonosné látky (vody, vzduchu) a provozováním systému.

Za efektivní příkon jednotky je považován celkový příkon, který tvoří příkon motoru pro pohon kompresoru (respektive jiného zařízení nahrazující kompresi), příkony oběhových čerpadel teplonosných látek jednotky, příkony ventilátorů vzduchu přiváděného na výparník jednotky, případně příkony rozvaděče regulace jednotky. Dominantní je vždy příkon motoru kompresoru, který tvoří více než 90 % celkového příkonu.

V klimatických podmínkách České republiky jsou v obytných objektech často realizovány otopné soustavy s bivalentními zdroji tepla tvořenými tepelným čerpadlem s elektricky poháněným kompresorem a elektrokotlem sloužícím jako špičkový zdroj tepla při poklesu venkovní teploty pod teplotu bivalence. I při snížené ceně za elektrickou energii při sazbě D56d tvoří spotřeba elektrické energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla a spotřeba elektrické energie elektrokotle dominantní podíl provozních nákladů otopné soustavy.

Cílem našich ověřování proto bylo stanovit a analyzovat reálnou spotřebu elektrické energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla a elektrokotle v závislosti na rozdílu průměrných denních vnitřních a venkovních teplot vzduchu v daném úseku topného období.

Metody měření

Ověřování se uskutečnilo v cihlovém, zatepleném rodinném domě, který sdílí jednu obvodovou stěnu se sousedním domem. Objekt se nachází na katastrálním území města Lysá nad Labem v místě s nadmořskou výškou 185 m. Rodinný dům je dvoupodlažní o celkové obytné ploše 210 m² a je částečně podsklepen (16 m²). V prvním podlaží je obývací pokoj, kuchyně, koupelna, spíž a šatna, která je spojena s přistavěnou dvougaráží a dílnou. Druhé podlaží tvoří ložnice, dětský pokoj, pracovna a koupelna. Střecha objektu je kryta kanadskými šindeli. Celková návrhová tepelná ztráta podle ČSN EN 12831 (2005) činí 10,6 kW. Objekt je vytápěn tepelným čerpadlem typu vzduch-voda. Výrobce udává, při teplotě vzduchu přiváděného na výparník 2 °C a teplotě otopné vody 50 °C je tepelný výkon na kondenzátoru 7,5 kW a příkon kompresoru tepelného čerpadla 2,9 kW. Bivalentní zdroj o výkonu 9 kW (3 × 3 kW) spíná ve třech stupních. Jednotka pracuje s kompresorem typu Scroll a je vybavena ekvitermní regulací teploty otopné vody a regulací výkonu ventilátoru s příkonem 0,15 kW. Oběhové čerpadlo stejně jako elektrokotel jsou součástí jednotky. Tepelné čerpadlo pracuje s chladivem R 404A. Schéma připojení tepelného čerpadla k otopné soustavě je uvedené na obr. 1.

V otopné soustavě nebyla instalována akumulace tepelné energie z tepelného čerpadla ani elektrokotle. Celkový odebíraný proud při provozu kompresoru, dvou stupňů elektrokotle, ventilátoru, sekundárního oběhového čerpadla, oběhového čerpadla otopné soustavy a řídicích obvodů tepelného čerpadla je podle projekčních podkladů výrobce 17,1 A. Hlavní přívod elektrické energie je osazen jističem 3 × 20 A s vypínací charakteristikou C. Rodinný dům je ­trvale obýván třemi osobami, čemuž odpovídá i velikost zásobníku pro přípravu teplé vody o objemu 198 litrů. K ohřevu zásobníku je rovněž využíváno tepelné čerpadlo. Regulace byla nastavena tak, že před přípravou teplé vody mělo přednost vytápění, což není obvyklé. Otopná soustava s deskovými otopnými tělesy je dimenzována na teplotní spád 50/40 °C. Měření probíhalo v období od 1. 12. 2010 do 16. 2. 2011, tedy celkem 78 dní a přibližně 35 % topné sezóny.

Interiérové teploty vzduchu byly měřeny záznamníkem teplot v 7:00, 14:00 a 21:00 hodin. Hodnoty venkovních teplot v 7:00, 14:00 a 21:00 hodin byly převzaty z amatérské meteorologické stanice lokalizované nedaleko ověřovaného objektu. Průměrná denní teplota venkovního vzduchu byla vypočtena podle metody uvedené v publikaci ­Tolasz et al. (2007), rovněž tak průměrná denní teplota vnitřního vzduchu.

Instalace 2 samostatných elektroměrů umožnila měřit spotřebu elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla a spotřebu elektrické energie topných spirál elektrokotle. Stav elektroměrů byl odečítán a zaznamenáván denně.

Výsledky sledování a diskuze

V tab. 1 jsou uvedeny extrémní a průměrné hodnoty venkovních t_e a vnitřních t_i teplot naměřené v průběhu ověřování. Z průměrných hodnot vnitřních teplot vyplývá, že výrazně přesahují výpočtovou vnitřní teplotu q_int.i = 20 °C danou ČSN EN 12831 (2005). Venkovní teploty nevykázaly významné rozdíly oproti průměrným teplotám ve sledovaném období.

Z obr. 2 vyplývá, že průběh závislosti denní spotřeby elektrické energie Q_TČ pro pohon kompresoru tepelného čerpadla, částečně i elektrokotle Q_E, má přímou souvislost s rozdílem teplot t_{i – te}. Maximálnímu rozdílu průměrných denních teplot t_{i – te} = 33,3 K (t_i = 22,9 °C, t_e = –10,4 °C) odpovídá maximální denní spotřeba elektrické energie Q_TČ = 45,2 kWh. Naopak minimálnímu rozdílu průměrných denních teplot t_{i – te} = 15,0 K (t_i = 23,6 °C, t_e = 8,6 °C) odpovídá denní spotřeba Q_TČ = 21,4 kWh. Průměrná denní spotřeba elektrické energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla byla 35,93 kWh. Hodnoty spotřeby elektrické energie elektrokotle jsou více ovlivněny přípravou teplé vody, akumulací tepla ve stavebních konstrukcích i kaskádovým zapínáním topných spirál elektrokotle. Proto extrémní hodnoty denní spotřeby elektrické energie Q_E zcela neodpovídají extrémním rozdílům průměrných denních teplot t_{i – te}. Maximální Q_E = 79,6 kWh odpovídá t_{i – te} = 30,5 K (t_i = 23,1 °C, t_e = –7,4 °C). Minimální Q_E = 0 odpovídá 9 rozdílům t_i – t_e v rozsahu od 15,0 K (t_i = 23,6 °C, t_e = 8,6 °C) do 24,8 K (t_i = 23,4 °C, t_e = –1,4 °C). Průměrná denní spotřeba elektrické energie elektrokotle byla 37,29 kWh. Maximální celková denní spotřeba elektrické energie Q_C = 121,5 kWh byla naměřena při t_{i – te} = 33,3 K (t_i = 22,9 °C, t_e = –10,4 °C), minimální Q_C = 22,9 kWh při t_{i – te} = 14,7 K (t_i = 23,5 °C, t_e = 8,8 °C). Průměrná denní celková spotřeba elektrické energie byla 73,22 kWh.

Při ověřování nebylo možné rozlišit denní spotřebu elektrické energie pro vytápění a přípravu teplé vody. Aby je bylo možné porovnat, vypočetli jsme spotřebu energie pro přípravu teplé vody podle ČSN EN 15316-3-1 (2010). Vycházeli jsme z metody výpočtu potřeby energie pro přípravu teplé vody podle požadovaného objemu v jednogeneračních rodinných obydlích. Dále pak z předpokladu, že teplá voda je tepelným čerpadlem a elektrickým kotlem ohřívána na teplotu 50 °C. Při vypočtené denní spotřebě teplé vody ve výši 120 litrů činí denní spotřeba energie pro ohřev vody 5,13 kWh. Spotřeba elektrické energie pro přípravu teplé vody tedy tvoří 4,22 % maximální, 22,4 % minimální a 7 % střední celkové denní spotřeby elektrické energie.

Závislost denní spotřeby elektrické energie Q_TČ pro pohon tepelného čerpadla a elektrokotle Q_E na rozdílu teplot t_i – t_e je znázorněna na obr. 3.

Obr. 3 • Závislost spotřeby elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla a elektrokotle na rozdílu průměrných venkovních (te) a vnitřních (ti) teplot
QTČ = 0,002 Dti,e3 – 0,214 Dti,e2 + 5,958 Dti,e – 24,17 (R2 = 0,750)
QE = –0,025 Dti,e3 + 1,832 Dti,e2 – 38,29 Dti,e + 249,7 (R2 = 0,656)

Hodnota spolehlivosti spojnice trendu R není přes patrnou závislost vysoká, zejména u rovnice Q_{E = f(ti – te)}. Velký rozptyl spotřeby elektrické energie elektrokotle při prakticky stejném teplotním rozdílu t_i – t_e je opět dán využitím elektrokotle pro přípravu teplé vody, kaskádovým spínáním stupňů elektrokotle a akumulací energie ve zděných obvodových stěnách. Z výsledků ověřování vyplývá, že do t_i – t_e = 20 K je elektrokotel využíván minimálně. Při vyšších rozdílech teplot se četnost využití elektrokotle jako špičkového zdroje zvyšuje. Z diagramu na obr. 3 je patrné, že přibližně při t_i – t_e = 24 K je Q_{TČ = QE}. Vezmeme-li v úvahu, že průměrná interiérová teplota v období sledování byla 23 až 24 °C, tak teplota bivalence se pohybovala v rozmezí 0 až –1 °C. Při rozdílech teplot t_{i – te} > 24 K je převážně spotřeba elektrické energie elektrokotle vyšší než spotřeba pro pohon kompresoru tepelného čerpadla.

Výkon dodávaný tepelným čerpadlem otopné soustavě jsme neměřili. Proto jsme stanovili výkon tepelného čerpadla na kondenzátoru a příkon kompresoru na základě podkladů výrobce. Hodnoty výkonu tepelného čerpadla na kondenzátoru, příkonu tepelného čerpadla a COP jsou uvedeny v tab. 2

Na základě znalosti této závislosti jsme stanovili průměrné denní topné výkony a příkony kompresoru tepelného čerpadla uvedené na obr. 4.

Z ověřování a výpočtů vyplývá, že podíl tepelného výkonu na kondenzátoru k příkonu kompresoru se pohybuje v rozmezí od 2,0 do 2,8, což odpovídá údajům výrobce týkajících se topného faktoru COP. Podílu rovnému 2 odpovídají průměrné denní teploty venkovního vzduchu –9,9 °C až –10,4 °C a rozdíl t_{i – te} = 32,9 K až 33,3 K. Podílu 2,8 bylo dosaženo při t_e = 7,7 °C až 9,5 °C a t_{i – te} = 14,6 K až 16,2 K. Hodnota tohoto podílu je negativně ovlivněna vysokou teplotou otopné vody (50 °C) požadovanou klasickými otopnými tělesy.

Celková spotřeba elektrické energie za sledované období činila 5 711 kWh. Z toho spotřeba pro pohon kompresoru tepelného čerpadla 2 802,3 kWh a spotřeba bivalentního zdroje, elektrokotle 2 908,70 kWh. Sledovaný objekt odebíral elektrickou energii v sazbě specifikované pro tepelná čerpadla D56d. V průběhu dne je 22 hodin uplatněn nízký tarif a další 2 hodiny vysoký tarif. Odběr elektrické energie tepelným čerpadlem i elektrokotlem je blokován tak, že pracuje pouze v nízkém tarifu. Členění spotřeby elektrické energie a jednotlivé náklady jsou uvedeny v tab. 3.

Výsledky ukazují, že ve sledovaném období byla spotřeba elektrokotle vyšší než spotřeba elektrické energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla. Sledovaný úsek topného období 1. 12. 2010 až 16. 2. 2011 lze však z hlediska spotřeby energie považovat za nejnáročnější. Z tab. 2 vyplývá, že pouze v prosinci byla spotřeba elektrické energie elektrokotle vyšší než spotřeba pro pohon kompresoru. V dalších obdobích sledování tomu bylo naopak. Je tedy reálné předpokládat, že ve spotřebě elektrické energie za celé topné období bude převládat spotřeba pro pohon kompresoru tepelného čerpadla.

Zapojení i provozování ověřovaného bivalentního systému není standardní. Systém není provozován s akumulací tepelné energie, vzhledem k zvolené velikosti otopných těles je požadována vysoká teplota otopné vody, přednost před přípravou teplé vody má vytápění, požadované interiérové teploty výrazně přesahují hodnoty doporučované. Proto celková spotřeba elektrické energie dosahuje tak vysokých hodnot.

Bivalentní systém by pracoval výrazně efektivněji při nižší teplotě otopné vody. A to jak z hlediska hodnoty topného faktoru, tak i z hlediska spotřeby elektrické energie v bivalentním zdroji. Vzhledem k hodnotě návrhové tepelné ztráty 10,6 kW lze uvažovat i o systému monovalentním s tepelným čerpadlem s invertorově řízeným kompresorem, respektive i s přímým vstřikováním chladiva. Ke snížení spotřeby energie by vedlo snížení interiérových teplot na doporučené hodnoty, ale to by zřejmě narazilo na tepelné požadavky uživatelů domu.

Literatura

1) ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu. Český normalizační institut, Praha, 2005, 76 s.
2) ČSN EN 14511-1 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Část 1: Termíny a definice. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2009, 16 s.
3) ČSN EN 14511-3 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Část 3: Zkušební metody. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2008, 40 s.
4) ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody). Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2010, 20 s.
5) Tolasz et al.: Climate Atlas of Czechia. Czech Hydrometeorological Institute, Prague, 2007, 255 p. ISBN 978-80-86690-26-1.

---

Consumption of electricity heat pumps and electric boilers in a bivalent system

The article deals with the monitoring and analysis of daily consumption of electric energy to drive the compressor of air/water heat pump and electric boiler operated as a peak source for heating system. Daily consumption of electric energy, depending on the difference of average daily temperature of indoor and outdoor airis evaluated also.

Keywords: electric energy consumption, heat pump, compressor, electric boiler