Vlastnosti směsi voda-líh při návrhu zemních okruhů tepelných čerpadel
Množství elektrické energie, spotřebované pro pohon oběhových čerpadel v primárních okruzích tepelných čerpadel, tvoří nezanedbatelnou část provozních nákladů. Čerpací práce do značné míry závisí na vlastnostech kapaliny. Nejdůležitějšími parametry, závislými na teplotě kapaliny, jsou zejména: složení směsi, měrná hustota, měrné teplo, tepelná vodivost, dynamická viskozita, kinematická viskozita, Prandtlovo číslo. Průběhy těchto veličin na teplotě nejsou lineární. Proto je obtížné správně dimenzovat oběhové čerpadlo primárních okruhů. Autoři článku uvádějí cenné výsledky složitých výpočtů, použitelné v praxi.
Recenzent: Jiří Matějček
Na počátku tohoto příspěvku stála otázka, jak technicky odůvodněně a přesně dimenzovat oběhová čerpadla primárních okruhů tepelných čerpadel země-voda. Tato tepelná čerpadla (dále TČ) odebírají teplo nejčastěji z vrtu, případně ze zemního kolektoru. Ve vrtu nebo v kolektoru je uložena jedna nebo více smyček z plastového potrubí, kterými protéká nemrznoucí směs a přenáší teplo mezi zemí a TČ. Podle potřeby se provádí jeden nebo více vrtů o hloubce 70 až 130 m. Zemní kolektor vyžaduje mít k dispozici dostatečně velkou, zpravidla zatravněnou, plochu umožňující vsakování dešťových vod, což příznivě přispívá k tepelné bilanci kolektoru. TČ s vrty mají nejnižší nároky na prostor uvnitř i vně domu, rovněž odpadá zátěž okolí hlukem při chodu venkovní jednotky. Výhodou vrtů je rovněž to, že je lze většinou využít i pro chlazení objektu v letním období. V režimu chlazení pak dochází k tzv. regeneraci vrtů. Dodávkou tepla do horniny v okolí vrtu stoupá její teplota, částečně se může vytvořit i zásoba tepla na zimu, takže TČ je pak minimálně na začátku topného období provozováno s příznivějšími teplotními parametry zvyšujícími jeho topný faktor.
Při sledování efektivity provozu TČ hraje zásadní roli topný faktor, respektive průměrný sezónní topný faktor za celý rok. Na straně položek, které jej snižují, stojí i spotřeba elektrické energie čerpadla, které zajišťuje cirkulaci teplonosné látky. V našem případě jde o nemrznoucí směs v primárním okruhu TČ. Provozní spotřeba elektrické energie, a též i investiční náklad na pořízení primárního čerpadla, se odvíjí od toho, jak přesně je toto oběhové čerpadlo navrženo. Návrh je jednoduchý jen zdánlivě. V odborné literatuře, vztahující se k návrhu čerpadla, v podkladech výrobců a dodavatelů TČ, lze obecně nalézt jen doporučení, a to vyprojektovat čerpadlo tak, jako kdyby v okruhu cirkulovala voda a pak v závislosti na konkrétním výrobci či dodavateli zvýšit dopravní výšku o 20 až 40 %. V době, kdy si při výpočtu energetické náročnosti budov musíme všímat doslova každého zbytečného wattu, jsem údaj s výše uvedeným rozptylem považoval za nedostatečný. Společně s kolegy Ing. Pavlem Rybkou a Ing. Ladislavem Roubínkem jsme shromáždili dostupné údaje, které se k problematice vážou a pokusili se najít řešení exaktní, s přiměřenou přesností.
Jako náplň primárních okruhů TČ typu země-voda se převážně využívá směs voda-ethanol (etylalkohol-líh). Prodejní název je např. Termofrost L, kde ethanol (líh) tvoří více jak 90 % objemu. Doporučené ředění pro primární okruhy TČ je 1 díl Termofrostu L a 2 díly vody.
Z hlediska topenáře je nejdůležitějším parametrem výkon přenášený primárním okruhem. Pokud je známa měrná tepelná kapacita směsi, její viskozita, teplotní rozdíl a parametry potrubí, mělo by být již poměrně jednoduché se dopracovat k hodnotě hmotnostního průtoku a potřebné tlakové diference. Na základě těchto vstupních údajů lze pak provést správné nadimenzování oběhového čerpadla primárního okruhu TČ.
Protože získání termofyzikálních parametrů teplonosných látek není tak snadné, jak by mělo být, pokusili jsme se nalezené a vypočtené parametry zpřístupnit i ostatním v závěru tohoto příspěvku.
Jelikož nejpřehlednějšía nejlépe sdělující je vždy srovnání na základě příkladu spočteného pro konkrétní hodnoty, nepostupovali jsme ani v tomto případě jinak. Pro potřeby srovnání byl proveden výpočet konkrétní smyčky primárního okruhu TČ, a to v prvním kroku pro teoretický případ, kdy by náplň tvořila pouze voda o různých teplotách, ale vždy při stejném teplotním spádu. Toto srovnání je nesmírně důležité a jeho výsledek si dovolím okomentovat v závěru příspěvku. Výsledky viz tab. 1.
Jako druhý krok byl proveden výpočet té samé smyčky primárního okruhu TČ s tím, že bylo počítáno s různou koncentrací směsi Termofrostu L a vody při teplotním spádu 10/6 °C a 5/1 °C. Tyto vypočtené hodnoty byly porovnány s hodnotami z tab. 1, a to s výpočtem provedeným pro běžně užívanou střední teplotu 60 °C a dále pro shodné střední teploty 8 °C a 3 °C. Výsledky provedených výpočtů a jejich porovnání si opět dovolím okomentovat v závěru příspěvku. Výsledky viz tab. 2.
Příklad
Proveďte výpočet průtoku a tlakové ztráty smyčky primárního okruhu TČ. Přenášený výkon je 3,3 kW, potrubí plastové 32 × 3,0 mm, délka smyčky je 130 m. Teplotní spád uvažujte 4 K. Výpočet proveďte pro vodu o různé střední teplotě a dále pro směs Termofrost L a voda pro teplotní spád 10/6 °C a 5/1 °C.
V tab. 1, respektive ve výpočtech seřazených v této tabulce, jsou zajímavé dva údaje. V rozmezí běžně používaných středních teplot se hmotnostní průtok liší pouze nepatrně. Tlaková ztráta však, zvláště pro nízké teploty, díky výrazné změně viskozity zásadně roste. Zde se musím přiznat k tomu, že nebýt takovéhoto srovnání provedeného v tab. 1, tak bych si zřejmě ani neuvědomil, že teplota vody má tak zásadní vliv na výslednou tlakovou ztrátu. Pravdou je však i to, že pro aplikace ve vytápění nemají nízké střední teploty žádný praktický význam, takže projektant ústředního vytápění běžně takovou změnu tlakové ztráty ani zaznamenat nemůže, zvláště pokud provádí výpočet pro konkrétní teploty otopné vody, které se nemění.
V tab. 2 jsou výpočty provedeny pro různé koncentrace směsi Termofrost L a vody a pro střední teplotu 8 °C a 3 °C. Jak bylo výše již uvedeno, nejběžnější koncentrace směsi je 1 : 2. Při této koncentraci je změna hmotnostního průtoku proti vodě nepatrná, takže pokud bychom brali pro dimenzování oběhového čerpadla pouze hodnotu průtoku, žádné zásadní chyby bychom se nedopustili.
Naprosto odlišná je však hodnota tlakové diference, a tím i stanovení potřebné dopravní výšky navrhovaného oběhového čerpadla. Pokud bychom bez znalosti věci provedli hydraulický výpočet smyčky primárního okruhu pro střední teplotu 60 °C, a na takto stanovenou hodnotu tlakové diference navrhli oběhové čerpadlo, dopustili bychom se chyby ve výši cca 82 % a soustava by v žádném případě nebyla schopna pracovat s potřebnými parametry.
Pokud bychom výpočet tlakové ztráty na vodě provedli pro shodnou střední teplotu 3 °C, pak bychom se dopustili nepřesnosti či chyby v určení dopravní výšky pro směs v koncentraci 1 : 2 ve výši cca 30 %. Hodnoty nepřesností, resp. chyby v procentech lze pro jiné koncentrace v tab. 2 snadno dohledat.
Doporučení některých výrobců vyprojektovat čerpadlo tak, jako kdyby v okruhu cirkulovala voda, a pak zvýšit dopravní výšku o 20 až 40 %, bylo tedy výpočtem více méně potvrzeno (osobně preferuji hodnotu minimálně 30 %). Toto však platí pouze za předpokladu, že výpočet s vodou bude proveden pro shodnou střední teplotu, jaká je uvažovaná pro náplň primárního okruhu. Při odlišných středních teplotách může být vzniklá chyba naprosto zásadní a oběhové čerpadlo pak bude navrženo zcela chybně.
Bohužel přesný výpočet jsem nenalezl v žádném obvykle dostupném výpočetním softwaru. Pro ty, kteří mají zájem si výpočet provést přesněji, jsou dále uvedeny tabulky směsí Thermofrost L – voda.
Tabulky vlastností směsi Thermofrost L – voda pro různé poměry směsi a teploty
Koncentrace Thermofrost L(etanol): voda – 1 : 1
Koncentrace Thermofrost L(etanol): voda – 1 : 1,5
Koncentrace Thermofrost L(etanol): voda – 1 : 2
Koncentrace Thermofrost L(etanol): voda – 1 : 3
Properties of water-alcohol mixture in the calculation of heat pumps earth circuits
The amount of electric power consumed for driving the circulation pump in the primary circuits of heat pumps constitute a considerable part of the operating costs. Largely depends on the properties of the liquid. The authors give the properties of the mixture of water and alcohol in the range of usual operating temperatures.