Význam „atestačních“ měření tepelných čerpadel „vzduch-voda“ – 2. část

První část článku Význam „atestačních“ měření tepelných čerpadel „vzduch-voda“ – 1. část v Topenářství instalace č. 7/2012 popisuje energetický efekt TČ při určitých zkušebních podmínkách.

Úvod

Hodnoty, se kterými se v článku pracuje, platí pro nové TČ „vzduch-voda“ AWX 08 Performance firmy PZP. Byly ověřeny ve firemní zkušebně a potvrzeny v renomované zkušebně ve švýcarském Buchsu [L3]. Výsledky měření velmi přesně charakterizují vlastnosti daného TČ při zkušebních podmínkách, ale nedávají žádnou představu o faktickém energetickém efektu, tj. dosažené úspoře energie ani při těchto zkušebních podmínkách, tím méně o úspoře energie celoroční při okrajových podmínkách specifických. Mnohem lepší představu o energetickém efektu dává závislost úspory energie na rozdílu pracovních teplot, tj. závislost ÚE-Dt odvozená ze závislosti TF-Dt [L7, L8] (viz obr. 9 pro přehled zopakovaný z 1. části)

Obr. 9 • Závislosti ÚE-Dt odvozené ze závislostí TF-Dt pro oblast „s námrazou“ pro obě sledovaná měření. Závislosti ÚE-Dt odvozené ze závislostí TF-Dt s TF sníženým o DTF = 0,5. Orientační pokles DÚE reálné ÚE oproti optimální ÚE, odpovídající změřeným TF

Celoroční energetický efekt TČ – RTF (SPF) a RÚE

Posouzení celoročního energetického efektu vytápěcího sy­stému s TČ je možné jedině na základě zpracování roční energetické bilance vytápěcího systému, která zohlední v daném objektu v čase, tj. v průběhu celého roku, všechny reálné potřeby tepla (pro vytápění a přípravu teplé vody, případně další ohřevy), snížené o tepelné zisky a parametry příslušných systémů (odběrů) na jedné straně a reálné parametry zdroje, tj. TČ včetně zdroje bivalentního, na straně druhé. Bez podrobně zpracované bilance se rámcový celoroční efekt TČ dá vyjádřit ukazatelem SPF (Seasonal Performance Factor), česky můžeme říci ročním (celoročním) topným faktorem (RTF), který je definován poměrem tepla vyprodukovaného v průběhu roku a k tomu potřebné spotřeby elektrické energie. Je řada více či méně přesných a pracných metod pro vyčíslení tohoto ukazatele. Metody mají snahu využít pro výpočet hodnoty určené „atestačními“ měřeními, standardizovat ho normativně (řada norem VDI, DIN, EN) a zajistit při shodných okrajových podmínkách objektivní porovnání různých TČ. V dalším stručně popíšeme jednoduchou metodu výpočtu rámcového celoročního efektu TČ „vzduch-voda“ s využitím závislosti TF-Dt, získané „atestačními“ měřeními.

Potřeba tepla pro vytápění vychází ze známé křivky četnosti výskytu teplot vzduchu v exteriéru během roku, která se dá vyjádřit relativně složitým matematickým vztahem [L5]. Ten se může principiálně popsat takto:

tex = fce(texV, dny) = Fce(dny) [°C](1)

kde texV je vnější výpočtová teplota dané klimatické oblasti. Funkce určuje pro zvolené dny teplotu tex, která nebude po zvolený počet dnů v roce překročena. Funkce pracuje s pěti konstantami, charakteristickými pro každou výpočtovou ­oblast.

Pro dosažení optimálního energetického efektu TČ ve vytápěcím systému se pracuje s ekvitermní regulací teploty otopné vody. Výstupní ekvitermní teplota otopné vody z TČ se dá opět vyjádřit matematickým vztahem:

tw1e = fce(texV, tinV, tw1V, DtwV, Exp, texA) [°C] = Fce(dny)  (2)

kde

• tinV je vnitřní výpočtová teplota objektu
• tw1V – návrhová výstupní teplota otopné vody z TČ při teplotě texV
• DtwV – návrhové ochlazení vody v otopné soustavě při teplotě texV
• Exp – exponent charakterizující danou otopnou soustavu
• texA – aktuální vnější teplota.

Součinitel Exp je definován ve známém vztahu, popisujícím výkon otopné soustavy, respektive otopných těles:

Qos = QosV·(Dtos/DtosV)^Exp [ [kW] (A)

kde

• QosV je návrhový topný výkon při návrhových teplotách texV a tinV
• Dtos – teplotní rozdíl mezi střední teplotou otopného tělesa (otopné vody v tělese) a teplotou vzduchu ve vytápěném prostoru
• DtosV – dtto při návrhových teplotách texV a tinV

Funkce (1) a (2) můžeme znázornit v jediném diagramu v souřadnicových osách Y – t [°C], Dt [K] a X – dny [–]. Pro samotné vytápění je diagram zpracován na obr. 10 v rozsahu dnů 1 (0) až „počet dnů otopné sezóny“ (OS), pro přípravu TV je diagram zpracován na obr. 11 v rozsahu dnů 1 (0) až 365. Zde místo ekvitermní teploty otopné vody tw1e je znázorněna teplota otopné vody twTV, která je potřebná pro ohřátí TV na žádanou teplotu tTV a která je vyšší než žádaná teplota TV: twTV > tTV.

V obou diagramech je pak přímo určen, vyčíslen a znázorněn pro okrajové podmínky vztahů (1) a (2) základní argument závislosti TF-Dt, tj. teplotní rozdíl:

Dt = tw1e – tex = Fce(dny) [ [[K] (3)

Pro vynesení závislosti TF-Dt matematicky vyjádřené vztahem:

TF = fce (tw1e – tex) = Fce(dny) [–] [–] (4)

se musí vlastní funkční vztah upravit tak, aby spojitě vyjádřil hodnoty v intervalu mezi oblastmi „bez námrazy“ a „s námrazou“ a dále zohlednil skutečnosti komentované k obr. 4 i skutečnost, že TČ může a bude pracovat jen za podmínek ležících v pracovní oblasti použitého kompresoru. Vně pracovního rozsahu, kdy bude pracovat bivalentní zdroj, přiřadí funkce hodnotu TF =1.

Průběh závislosti TF současně určuje i průběh závislosti poměrné úspory energie vztahem:

ÚE = 100 – 100 / TF = Fce(dny) [%] (5)

Zjednodušíme-li problematiku bivalence, tj. nebudeme-li uvažovat s paralelní bivalencí, ale budeme uvažovat jen s alternativní bivalencí za stavu, kdy TČ musí být odstaveno proto, že pracovní podmínky leží vně pracovní oblasti kompresoru, můžeme pak pro každý den ve sledované posloupnosti dnů určit fiktivní „jednotkovou“ denní potřebu tepla pro vytápění vztahem Qv = (tin – tex) a fiktivní „jednotkovou“ spotřebu energie pro produkci tohoto tepla vztahem Nv = Qv/TF. Sumarizací obou hodnot SQv a SNv v počtu dnů otopné sezóny je pak za uvedeného předpokladu určen velice přesně roční topný faktor RTF (SPF) vztahem:

RTF = SPF = SQv / SNv [–]

Podobně jako u TF tak i u RTF dává mnohem lepší představu o energetickém efektu roční poměrná úspora energie RÚE vyjádřená vztahem:

RÚE = 100 – 100 / RTF [%]

Analogicky se pracuje s diagramem pro přípravu TV, kde celoroční potřeba tepla pro přípravu TV se uvažuje jako určitý díl (zde např. 15 %) z celkové potřeby tepla pro vytápění. Sumarizací fiktivních hodnot se pak získají hodnoty platné pro přípravu TV a následně pro celý vytápěcí systém.

Z porovnání obr. 10 a 11 je dobře patrné, že při vytápění (obr. 10) „váha“ TF, tj. jeho vliv na RTF ve směru osy X klesá, protože v tomto směru klesá i potřeba tepla pro vytápění. To pro přípravu TV neplatí (obr. 11), protože za učiněných předpokladů je potřeba tepla v průběhu roku stálá.

Přes velice stručný popis metodiky je zřejmé, že závislost TF-Dt (odvozená z atestačních měření) umožňuje všechny veličiny rozhodující o energetickém efektu TČ (definované vztahy (1) až (5)) vyjádřit při volených okrajových podmínkách jako funkce jediného parametru, tj. dnů v otopné sezóně nebo v roce. Tyto vztahy pak umožňují názorný, přesný a jednoduchý výpočet ročního efektu TČ, vyjádřeného hodnotou RTF (SPF) nebo ještě lépe hodnotou RÚE a to jak samostatně pro vytápění a přípravu TV, tak pro celý vytápěcí systém.

Jen poznamenejme, že se závislostmi (1) a (2) se běžně pracuje a závislost (4), která je v popsané metodice zcela zásadní, se může snadno odvodit popsaným způsobem pro všechna TČ, pro které jsou k dispozici „atestační“ měření TF ve smyslu tabulky na obr. 1 a obr. 4. Určení RTF i RÚE touto metodikou pro libovolně volené okrajové podmínky představuje tedy snadnou úlohu.

Na obr. 12 jsou tabelárně zrekapitulovány „atestační“ zkušební podmínky podle normy ČSN EN 14511 a podmínek EHPA a doplněny jsou tabulkou zkušebních podmínek standardě měřených ve zkušebně v Buchsu.

Hodnoty změřených TF slouží k sestavení závislosti TF-Dt znázorněné v 1. části článku na obr. 4. Pro snazší orientaci je tento obrázek zopakován a označen jako obr. 13.

Samozřejmě platí i zde co bylo řečeno již dříve. I hodnoty RTF a RÚE představují nedosažitelné optimum. Reálné hodnoty budou vždy nižší vlivem již popsaných skutečností. Pro objektivní zjištění reálných hodnot je třeba tyto skutečnosti nejen slovně popsat, ale hledat i způsoby jak je matematicky vyjádřit a zajistit tak objektivizaci úspor energie dosažených TČ.

Pro zdokumentování vlivu parametrů TČ (charakterizovaných TF) a otopné soustavy (charakterizovaných zejména, ale nejenom, návrhovou teplotou otopné vody tw1V) na celoroční energetický efekt TČ byly zpracovány hodnoty rámcového ročního energetického efektu při několika definovaných okrajových podmínkách a to pro sledované TČ (viz tabulka na obr. 14) a pro tři další „fiktivní“ TČ. První z nich má TF nižší o DTF = 0,5, druhé o DTF = 1,0 a třetí naopak vyšší o DTF = 0,5 než sledované TČ.

Snížení TF o DTF u dvou „fiktivních“ dalších TČ s nižším TF můžeme chápat tak, že buď jsou zahrnuty vlivy skutečností snižujících topný faktor ve smyslu dříve uvedeného – tím budou popsány reálné hodnoty RTF a RÚE sledovaného TČ, nebo tak, že TČ má horší parametry ve smyslu obr. 8 – tím budou popsány optimální nedosažitelné hodnoty horšího TČ. Naopak zvýšení TF o DTF u třetího „fiktivního“ TČ můžeme chápat tak, že se jedná o TČ „prognostické generace“ (viz též [L10]).

Základní ukazatel ročního energetického efektu, tj. RÚE celého vytápěcího systému v závislosti na návrhové teplotě tw1V pro všechna čtyři sledovaná TČ je graficky znázorněn na obr. 15. Je zřejmé, že při pohledu na průběh závislostí:

• ve směru osy X, kterým můžeme charakterizovat vhodnost otopné soustavy pro TČ: roční energetický efekt RÚE kteréhokoliv TČ bude tím nižší, s čím vyšší teplotou otopné vody bude pracovat otopná soustava;
• ve směru osy Y, kterým můžeme charakterizovat „historický“ vývoj TČ: stejným absolutním přírůstkům topného faktoru (zde DTF = 0,5) odpovídají snižující se přírůstky úspory energie DRÚE;
• ve směru obou os: změny úspory energie DRÚE vlivem změny TF (ať už kladné či záporné) jsou tím větší, s čím vyšší teplotou otopné vody bude pracovat otopná soustava. Nebo naopak: změny úspory energie DRÚE vlivem změny TF (ať už kladné či záporné) jsou tím menší, s čím nižší teplotou otopné vody bude pracovat otopná soustava.

Každý si snadno domyslí všechny další souvislosti např.:

• jaký přínos by mohla mít práce s ještě vyššími teplotami otopné vody;
• jaký přínos by mohlo mít další zvyšování TF;
• vycházíme-li z červeného optimálního průběhu špičkového TČ, pak fialový průběh naznačuje, kam se mohou posunout reálné hodnoty vlivem skutečností snižujících TF a modrý průběh naznačuje, kam se mohou posunout reálné hodnoty odpovídající celému objektu nebo domácnosti při respektování vlivu dalších spotřebičů v plně elektrifikované domácnosti;
• při použití „horšího“ TČ bude výchozí průběh např. fialový a další vlivy posunou reálné hodnoty ještě níže.

Zopakujme a zdůrazněme, že znázorněné průběhy ukazatele RÚE (stejně by tomu bylo při znázornění průběhů ukazatele RTF) jsou výsledkem celého postupu popsaného v předchozím, a že tedy zohledňují nejen vlastnosti TČ jako zdroje tepla ale i vlastnosti odběru tepla, tj. specifičnost každého řešeného případu. To proto, že zohledňují:

• místní klimatické podmínky 
  – teplotou texV a vztahem (1),
• požadovaný komfort ve vytápěném objektu 
  – teplotou tinV,
• vlastnosti otopné soustavy 
  – exponentem Exp a vztahem (A),
• volené teploty otopné vody 
  – návrhovou teplotou tw1V a rozdílem teplot DtwV,
• ekvitermní průběh teploty v otopné sezóně 
  – teplotou tw1e a vztahem (2),
• přípravu TV 
  – volenými teplotami tTV, twTV a poměrem SQTV/SQvyt,
• vlastnosti TČ (s popsanými podrobnostmi) 
  – závislostí TF-Dt, tj vztahem (4).

Pro každé konkrétní zadání specifikované vyjmenovanými okrajovými podmínkami, tj. texV, tinV, tw1V,DtwV, Exp, tTV, twTV a SQTV/SQvyt, se může pro volené TČ charakterizované závislostí TF-Dt vyčíslit jediná hodnota RÚE mající jednoznačnou vypovídací schopnost, která představuje limitní (a nedosažitelný) energetický efekt nejen vlastního TČ, ale celého systému specifikovaného zadáním. Realitě bude odpovídat hodnota nižší, blížící se hodnotě určené pro stejné okrajové podmínky a TF zmenšený o cca DTF = 0,5.

Jediná hodnota RÚE tedy charakterizuje energetický efekt relativně složitého vytápěcího systému a postihuje jeho dynamiku v průběhu celého roku.

Závislosti na obr. 15 můžeme také popsat tak, že pro specifikované okrajové podmínky vyjadřují parametricky závislosti RÚE na teplotě tw1V, kde parametrem jsou vlastnosti volených TČ charakterizované závislostí TF-Dt, v daném případě TČ sledovaného (parametr TF) a tří „fiktivních“ (parametry TF – 1,0, TF – 0,5, TF + 0,5). Zdůrazněme, že parametr TF, respektive TF ± DTF není konstantou (jak to ve většině parametrických závislostí bývá), ale symbolicky označenou závislostí TF-Dt daného TČ.

Přesto, že hodnota RÚE je až hodnotou sekundární – primárně se vyhodnocuje RTF, až tato hodnota má skutečnou vypovídací schopnost. Je zřejmé, že zavedením součinitelů RTF a zejména RÚE a využitím popsané metodiky, která umožňuje při jejich vyčíslení zohlednit specifika každého řešeného případu, nabývá posuzování TČ zcela odlišnou dimenzi.

Závěr

Článek chtěl poukázat na několik důležitých skutečností:

• Zkoušení a ověřování parametrů TČ jak přímo u výrobce, tak v akreditovaných zkušebnách, je důležité a zcela nezbytné. Jedině takový postup dává zákazníkovi záruku objektivnosti parametrů uváděných v průvodní dokumentaci.
• I zcela objektivní parametry uváděné v průvodní dokumentaci, zejména TF, představují nedostižné optimum. Reálné energetické parametry budou vždy horší a dosažitelná energetická úspora nižší.
• Přímá úměra mezi velkostí TF a úsporou energie neplatí.
• O úspoře energie ve vytápěcím systému s TČ nerozhoduje jen vlastní TČ, ale především řešení celého vytápěcího systému. Vytápěcí systém sestává ze zdroje, tj. TČ (většinou i bivalentního zdroje, zpravidla elektrokotle), odběrů vyprodukovaného tepla (tj. otopné soustavy, subsystému pro přípravu teplé vody případně dalších ohřevů) a řídicího systému. První dvě části musí být navrženy správně zejména z pohledu jejich vzájemné spolupráce a to proto, aby řídicí systém nemusel řešit nedostatky nesprávného návrhu.
• Energetický efekt vytápěcího systému se může objektivně posoudit dvěma ukazateli a to ročním topným faktorem RTF a mnohem názorněji poměrnou roční úsporou energie RÚE. Oba ukazatelé zohledňují všechna specifika volených okrajových podmínek a respektují nejen vlastnosti zdroje tepla (tj. TČ), ale i odběru tepla (tj. zejména otopné soustavy).
• I když nová TČ umožňují pracovat s vyššími teplotami otopné vody a mohou se tedy nasadit do stávajících otopných soustav – jak často zákazníci požadují, je třeba varovat před přílišným a neoprávněným optimismem.
• V plně elektrifikovaném objektu představuje spotřeba elektrické energie pro „další“ spotřebiče nezanedbatelnou hodnotu. Ta se nasazením TČ samozřejmě nesnižuje. Dosažená úspora energie v objektu proto bude vždy nižší (až o 10 i více %) než i reálně korigovaná úspora energie dosažená TČ. Na to se mnohdy zapomíná.
• Předchozí skutečnosti mohou vést i k tomu, že reálné výsledky budou zklamáním zejména pro ty, kteří nedocení všechny souvislosti a měli neadekvátně vysoké nároky vytvořené na základě (často záměrně) zkreslených informací a po instalaci TČ porovnali stav před a po instalaci.

Literatura

[L1] ČSN EN 14511-1 až 4:2012. Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru
[L2] EHPA Testing Regulation, Testing of Air/Water Heat Pumps, Terms, Test Conditions and Test Method based on EN 14511-1 to 14511-4, Additional requirements for granting the international quality label for heat pumps
[L3] Prüfresultate Luft / Wasser-Wärmepumpen basierend auf der EN 14511, Wärmepumpen-Testzentrum WPZ Buchs, 06.09.2012 http://www.ntb.ch/ies/kompetenzbereiche/waermepumpen-
testzentrum-wpz.html
[L4] CHYSKÝ, J.: Vlhký vzduch. Praha: SNTL, 1977.
[L5] DVOŘÁK Z., KLAZAR L., PETRÁK J.: Tepelná čerpadla. Praha: SNTL, 1987.
[L6] KLAZAR, L.: Význam „zkoušení“ při vývoji tepelných čerpadel „vzduch-voda. Topenářství instalace, 2009, roč. 43, č. 1–3.
[L7] KLAZAR, L.: Jak je to vlastně s topným faktorem (2). Topenářství instalace, 2009, roč. 43, č. 7 a 8.
[L8] KLAZAR, L.: Měření tepelných čerpadel a závislost TF-Dt. Vytápění – Větrání – Instalace, 2010, roč. 19, č. 1.
[L9] KLAZAR, L.: Co nám (ne)říkají charakteristiky chladivových kompresorů. Vytápění – Větrání – Instalace, 2011, roč. 20, č. 4.
[L10] KLAZAR, L.: Pořídit tepelné čerpadlo dnes a nebo až za pár let? ­Topenářství instalace, 2011, roč. 45, č. 6.