MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2007 JIŘÍ KOPECKÝ

2 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Topný faktor tepelných čerpadel v provozních podmínkách Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D. Vypracoval: Jiří Kopecký Brno 2007

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Topný faktor tepelných čerpadel v provozních podmínkách vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis diplomanta.

5 D kuji touto cestou mému vedoucímu diplomové práce panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D. za odborné i metodické vedení, cenné rady, nám ty a p ipomínky, které mi pomohly p i zpracování této diplomové práce. Rovněž chci poděkovat panu Ing. Tomáši Vítězi, Ph.D. za poskytnutí dat naměřených při provozu tepelných čerpadel a za pomoc při získávání potřebných informací.

6 Abstrakt Tato práce se soustředí na hodnocení provozu a zvláště pak provozního topného faktoru tepelných čerpadel. Základem je vyhodnocování a porovnání provozu dvou zařízení systému vzduch-voda. Ta jsou namontována v odlišných topných systémech, v různých klimatických podmínkách naší republiky. Hlavními parametry pro hodnocení je topný faktor a teplota vzduchu okolního prostředí. Výsledky odhalí do jaké míry je topný faktor závislý na teplotě nízkoteplotního zdroje a jak jej ovlivňují další faktory. Annotation This work concentrates on a classification of heat pumps and especially on coefficient of performance of a heat pump. The evaluation and comparison of two airwater systems arrangement operation is the basis of this work. These are installed in two different heating systems and in diverse climatic conditions of the Czech Republic. The main parameters are coefficient of performance and temperature of ambient air. The results show how much the coefficient of performance depends on temperature of a low-temperature source and how it s influenced by other outer factors.

7 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE TEORIE TEPELNÝCH ČERPADEL ZÁKLADNÍ PRINCIP TEPELNÉHO ČERPADLA SYSTÉMY TEPELNÝCH ČERPADEL Zdrojem energie vzduch Systém vzduch voda Systém vzduch vzduch Zdrojem energie půda Systém země voda (zemní plošný kolektor) Systém země voda (hloubkové vrty) Zdrojem energie voda Spodní voda Povrchová voda (rybník, řeka) BIVALENTNÍ, MONOVALENTNÍ TEPELNÁ ČERPADLA Bivalentní provoz tepelného čerpadla Monovalentní provoz tepelného čerpadla ENERGETICKÁ BILANCE TEPELNÝCH ČERPADEL Hnací energie tepelných čerpadel Energie z primárního okruhu tepelného čerpadla ENERGETICKÁ EFEKTIVNOST A TOPNÝ FAKTOR TEPELNÝCH ČERPADEL VÝKON TEPELNÉHO ČERPADLA TEPELNÉ ČERPADLO Z POHLEDU TERMOMECHANIKY PROVOZNÍ PODMÍNKY OVLIVŇUJÍCÍ TOPNÝ FAKTOR Způsob provedení otopného systému a teplotní spád soustavy Vlastnosti nízkoteplotního zdroje Teplota zdroje během topné sezóny, v průběhu jednoho dne Klimatické podmínky Vlhkost vzduchu a způsob odtávání... 28

8 4 METODIKA SLEDOVÁNÍ PROVOZNÍCH PARAMETRŮ TEPELNÉHO ČERPADLA MĚŘENÍ TOPNÉHO FAKTORU Spotřeba energie pro provoz tepelného čerpadla Teplo dodané tepelným čerpadlem do topného systému MĚŘENÍ KLIMATICKÝCH PODMÍNEK MĚŘENÍ A VYHODNOCOVÁNÍ PROVOZU TČ RODINNÝ DŮM BRNO Popis objektu Popis topné soustavy Způsob měření provozních parametrů systému Vyhodnocení provozního topného faktoru Ekonomické zhodnocení provozu tepelného čerpadla REKREAČNÍ STŘEDISKO KRKONOŠE Popis objektu Popis topné soustavy Způsob měření provozních parametrů systému Vyhodnocení provozního topného faktoru Ekonomické zhodnocení provozu tepelného čerpadla POROVNÁNÍ DVOU TEPELNÝCH ČERPADEL ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ PŘÍLOHY... 56

9 1 ÚVOD Cena všech energií v České republice i v celé Evropě stále stoupá a tím podstatně stoupají i náklady na provoz většiny nebytových a zvláště pak obytných prostor. V běžné domácnosti se na spotřebě energie podílí 80% ohřev teplé užitkové vody a vytápění objektu. Z těchto důvodů je zapotřebí řešit, jakým způsobem je možné snížit náklady na provoz obytných nemovitostí. V zásadě nejvhodnějším způsobem pro všechny druhy vytápění je snížení spotřeby energie. Lze snížit energetické ztráty prostupem tepla, ale také větráním. Prostup tepla můžeme snížit vhodným zateplením objektu a použitím oken a dveří s větším tepelným odporem. Výměna vzduchu se dnes často provádí přes rekuperační výměník, ve kterém odvětrávaný vzduch předává tepelnou energii vzduchu čerstvému. Snížení nákladů lze také docílit vhodným zdrojem tepla, případně vhodnou kombinací několika zdrojů. Zde bych vyzdvihl především získávání energie z okolního prostředí (slunce, vzduch, půda, voda), využití odpadního tepla z průmyslových a zemědělských provozů. U těchto způsobů získávání energie vznikají pouze malé provozní náklady, při poměrně velké účinnosti zařízení. Již dnes jsou rozšířeny sluneční kolektory, které čerpají tepelnou energii ze Slunce. Ve velkém rozmachu jsou v poslední době též montáže tepelných čerpadel. Systém, který je znám již od roku 1852, byl do praktického provozu poprvé uveden až v roce 1924 ve Švýcarsku. U nás se začalo toto zařízení v menším rozsahu používat již v padesátých letech dvacátého století. Ve větším počtu se začala tepelná čerpadla montovat v roce 1991 a však největšího rozmachu dosahují až od roku Tento vývoj je zakreslen v následujícím grafu (obr. 1). Dnes je v České republice nainstalováno kolem těchto užitečných zařízení. Obr. 1 Počet nainstalovaných tepelných čerpadel od roku

10 Jiné země, jako např. Švédsko (přibližně 500 tis. TČ), Švýcarsko (přibližně 120 tis. TČ), Francie (přibližně 300 tis. TČ) apod., mají před námi velký náskok. V těchto zemích, kde se tepelná čerpadla v praxi používají desítky let a prošla úspěšným vývojem, mají bohaté zkušenosti. Většímu rozšíření tepelných čerpadel u nás donedávna bránily poměrně nízké ceny energií, které prodlužovaly ekonomickou návratnost vyšších pořizovacích nákladů. Nutná počáteční investice ve výši tisíc Kč je následně vyvážena velmi nízkými provozními náklady. Pro provoz tepelných čerpadel je speciální sazba odběru elektrické energie. Jde o dvoutarifovou sazbu D 56 s operativním řízením doby platnosti nízkého tarifu po dobu 22 hodin (cena kwh: NT - 1,2 Kč, VT - 4 Kč). Vzhledem k tomu, že dodavatelé elektřiny u rodinných domů s tepelným čerpadlem nemontují dva elektroměry (jeden pro tepelné čerpadlo a druhý pro ostatní spotřebu elektrické energie v domě), můžeme díky výhodnému tarifu ušetřit i na běžném provozu domácnosti. Např. pokud je dům vytápěn jinak než elektřinou, je veškerá spotřeba pouze ve vysokém tarifu. Spotřeba běžné domácnosti se pohybuje od 3 do 5 tis. kwh. Cena jedné kwh v nízkém tarifu u sazby D56 je 1,2 Kč kwh -1, ovšem u běžné sazby pro domácnost je cena jedné kwh cca 3,6 Kč kwh -1. Je zřejmé, že při použití tepelného čerpadla mohou náklady na domácnost klesnout i o několik tisíc Kč. V zemědělství je možné tepelná čerpadla využít nejen k ohřevu TUV (případně v kombinaci s chlazením mléka) a k topení v administrativních budovách, ale také k vyhřívání skleníků, k sušení zrna a krmiv a k vysoušení vzduchu v objektech živočišné výroby. 9

11 2 CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je vyjádřit, jaké lze u tepelných čerpadel sledovat provozní parametry, a které z nich jsou nejdůležitější pro vyhodnocování provozu jednotlivých zařízení či pro porovnání několika systémů. Také je třeba formulovat na jakých provozních parametrech a vnějších vlivech je závislá velikost a průběh topného faktoru tepelných čerpadel při jejich provozu. Dalším úkolem je na základě teoretických znalostí a praktického provozního měření vyhodnotit činnost dvou tepelných čerpadel systému vzduch-voda tak, aby bylo možné zjistit jaké provozní parametry a jakým způsobem ovlivňují jejich chod. Nejprve je zapotřebí zhodnotit provoz každého jednotlivého zařízení a poté provést jejich porovnání. Vyjádřit, které parametry tato zařízení nejvíce odlišují a proč tomu tak je. K vyhodnocení těchto dvou systémů bude použito především topného faktoru, který bude vyjádřen v různých závislostech. Závěrem práce je, na základě praktického vyhodnocení provozních parametrů, všeobecně vyjádřit, které vnější vlivy a provozní parametry nejvíce ovlivňují činnost tepelných čerpadel, zejména jejich topný faktor. 10

12 3 TEORIE TEPELNÝCH ČERPADEL 3.1 Základní princip tepelného čerpadla Základem systému tepelného čerpadla je získávání nízkoteplotní energie na jedné straně a předávání tohoto tepla na straně druhé. Tepelné čerpadlo není kotel, ve kterém získáváme tepelnou energii spalováním. Jeho základem je agregát kompresor, který stlačuje chladicí látku-chladivo, druhý základ funkce tepelného čerpala. Při stlačení se poruší stavový zákon a z chladiva se uvolní tepelná energie, která je výměníkem - kondenzátorem předána do topné soustavy. Při expanzi je to naopak. Tepelná energie chladivu chybí a je odebírána ve výměníku - výparníku z nízkopotenciálního zdroje. Princip funkce je také patrný z obr. 2. Obr. 2 Princip funkce tepelného čerpadla 3.2 Systémy tepelných čerpadel Zdrojem energie vzduch Nejjednodušším způsobem odběru nízkoteplotní energie je odběr tepla z okolního vzduch, jelikož je ho všude dostatek (obr. 3). Nevýhodou tohoto systému je, že v době největší potřeby tepla má vzduch nízkou teplotu a tepelné čerpadlo pracuje s nízkým topným faktorem. Při nízkých venkovních teplotách vzduchu je vhodná kombinace s jiným zdrojem tepla, který buď pomáhá tepelnému čerpadlu, nebo pokrývá 11

13 celou tepelnou ztrátu objektu. Tepelná čerpadla vzduch-voda s pístovými kompresory používanými dříve byla prakticky použitelná do venkovních teplot těsně pod 0 C, což úzce souvisí s jejich ekonomickou efektivností. Nové generace kompresorů s označením Scroll, zcela změnily provozní charakteristiky tohoto systému tepelných čerpadel a posunuly jejich provozní schopnost až do venkovních teplot -20 C, to jsou teploty, které se v našich klimatických podmínkách vyskytují jen mimořádně a když, tak pouze krátkodobě. Venkovní průměrná teplota v topném období se u nás na převážné většině území pohybuje v rozmezí +3 až +4 C. Při těchto teplotách kvalitní tepelné čerpadlo vzduch-voda s podlahovým vytápěcím systémem dosahuje topného faktoru 3,3 až 3,4. Tepelná čerpadla odebírající nízkopotenciální energii ze vzduchu nevyžadují prakticky žádné stavební práce jako jsou studny, hlubinné vrty nebo zemní rýhy pro pokládku kolektorů. Jejich instalace je velmi snadná, ničím nepodmíněná a tedy levná. Obr. 3 Jímání nízkoteplotní energie z okolního vzduchu Systém vzduch voda U tohoto systému je energie získaná ze vzduchu předána topnému systému budovy, nejčastěji soustavě s podlahovým topením. Lze jej také využít k ohřevu bazénu či předehřevu TUV. Tepelné čerpadlo vzduch-voda se dodává v těchto provedeních: a) Samostatná venkovní a vnitřní jednotka Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, ve kterém proudí chladivo. Venkovní jednotka je relativně malá a lze ji postavit na zem nebo na střechu, případně umístit na venkovní stěnu (závisí na 12

14 provedení a výrobci). Vzdálenost venkovní a vnitřní části je omezena většinou na 10 m. Vnitřní jednotka je připojena na topnou soustavu stejně jako kotel. b) Kompaktní provedení venkovní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Propojení s vnitřní topnou soustavou se provede izolovaným potrubím, ve kterém proudí topná voda. Výhodou je, že zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a nezatěžuje ho hlukem. c) Kompaktní provedení vnitřní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. K čerpadlu musí být z venkovního prostoru přiveden vzduch a ochlazený vzduch odváděn zpět do venkovního prostoru (průměr sacího i výfukového potrubí se odvíjí od výkonu tepelného čerpadla, tzn. asi 400 mm do 600 mm). Aby mezi nasávaným a vyfukovaným vzduchem nedocházelo k promíchání a tím snížení účinnosti, musí být sací a výfukový otvor v dostatečné vzdálenosti od sebe. Vnitřní provedení je levnější než venkovní, ale zabírá podstatně více vnitřního prostoru (zejména díky rozměrnému vzduchovému potrubí) Systém vzduch vzduch Tento systém předává teplo získané z venkovního vzduchu přímo vzduchu vnitřnímu. Ve většině případů je používán v systémech s klimatizací Zdrojem energie půda Další systémem tepelných čerpadel u nás požívaných je země-voda, někdy také označovaný solanka-voda (obr. 4). Obr. 4 Odběr tepla ze zemních kolektorů a z vrtu 13

15 Zde, zpravidla v plastovém potrubí, proudí voda s přísadami, které z ní dělají nemrznoucí kapalinu. Délka těchto potrubí je závislá na tom, jak a kam se budou ukládat. Teplo ze země lze v zásadě získávat dvěma způsoby a sice z plošných kolektorů, anebo z hlubinných vrtů Systém země voda (zemní plošný kolektor) Při horizontálním ukládání pod nezámrznou hloubku je nutný pozemek, který je tímto prakticky znehodnocen pro případnou další výstavbu. Zemní kolektor (plastová trubka, kterou proudí nemrznoucí kapalina) se ukládá s roztečí kolem 1 m což znamená, že 1 m hadice odpovídá 1 m 2 plochy kolektoru, hloubka uložení je minimálně 1 m. Délka jedné smyčky je omezena z důvodu tlakových ztrát na 350 m. Při použití více smyček je vhodné, aby smyčky měly stejnou délku. Schopnost země předávat teplo závisí na kvalitě půdy a pohybuje se mezi W/m 2. Teplota zeminy v hloubce 1 m kolísá v průběhu roku od 3 C (leden) až do 18 C (srpen) a proto lze pro dimenzování kolektoru uvažovat se vstupní teplotou do tepelného čerpadla okolo 0 C. Pokud nejsou k dispozici podrobnější údaje o vlastnostech povrchové vrstvy zeminy, je možné uvažovat s průměrnými tepelnými toky uvedenými v následující tabulce. Tab. 1 Výkon půdních kolektorů při odběru tepla ze země Výkon půdních kolektorů q z [W/m 2 ] suché nesoudržné půdy vlhké soudržné půdy velmi vlhké soudržné půdy půdy obsahující vodu půdy s výskytem spodní vody Systém země voda (hloubkové vrty) Tepelné čerpadlo využívá odběru tepla z hloubkových vrtů. Do vrtů se uloží plastová trubka, ve které proudí nemrznoucí kapalina. Pro tepelné čerpadlo o výkonu 10 kw je třeba přibližně m vrtů. Jednotlivé vrty mohou být hluboké až 150 m. Vrty musí být umístěny nejméně 10 m od sebe. Vrty se po založení kolektorů zaplní, aby došlo k trvalému a stabilnímu spojení zemního kolektoru s okolní horninou. Hloubka a počet vrtů závisí především na geologických podmínkách, zejména pak na 14

16 proudění spodní vody, tepelné vodivosti zeminy a použité technologii vrtání. Obvyklé hloubky vrtů se pohybují od 50 do 120 m. Při větším počtu vrtů se celková délka rozdělí do více vrtů stejné délky. Pokud geologické podmínky, nebo technologie vrtání neumožní dosáhnout hloubky 50 m, je vhodné zvětšit celkovou délku vrtů o 10 %. Průměrná teplota zeminy v hloubce 2 m je během roku +10 C a směrem do hloubky roste o 3 C na každých 100 m hloubky. Lze tedy při dimenzování používat spolehlivě střední teplotu směsi okolo 0 C na vstupu do tepelného čerpadla. Není-li k dispozici podrobný geologický průzkum o podloží v okolí vrtu, lze vrt předběžně dimenzovat na tyto hodnoty měrných tepelných toků: Tab. 2 Výkon vrtu při odběru tepla ze země Výkon vrtu q z [W/m] hornina s velkým výskytem spodní vody 100 pevná hornina s vysokou tepelnou vodivostí 80 normální pevná hornina 55 suchá zemina s nízkou tepelnou vodivostí 30 Tepelná čerpadla země voda se dodávají ve dvou provedení: a) Zemní výměník je naplněn solankou U tohoto provedení je výparníkem deskový výměník, ve kterém se předává teplo solanky chladivu v okruhu tepelného čerpadla. b) Zemní výměník je naplněn chladivem V tomto systému je zemní kolektor přímou součástí okruhu tepelného čerpadla a plní funkci výparníku Zdrojem energie voda Spodní voda Odběr tepla ze spodní vody patří k nejproblematičtějším systémům. Na jedné straně nabízí zdroj tepla o relativně vysoké teplotě 7-12 C (průměrně se uvažuje 10 C na vstupu do čerpadla), což znamená po celý rok příznivý topný faktor čerpadla, na druhé straně je toto řešení spojeno s některými riziky. Voda se čerpá z čerpací studny, a po ochlazení ve výparníku se vrací do vsakovací studny (obr. 5). Musí jí být k dispozici dostatek, asi 180 l h -1 na 1 kw výkonu tepelného čerpadla. Toto množství je 15

17 třeba mít k dispozici trvale, hlavně v období, kdy venku nejvíce mrzne a zemské vláhy je minimum. Dostatečné množství spodní vody bývá tím hlavním problémem, který limituje použitelnost tohoto, jinak energeticky velmi výhodného, systému. Použití spodní vody musí být povoleno příslušným vodohospodářským úřadem. Druhou podmínkou je čistota vody, aby nedocházelo k zanášení výměníku, případně filtru. Vždy je nutné provést rozbor spodní vody a zvážit výhodnost tohoto systému. V neposlední řadě je zde riziko zamrzání vody na výparníku tepelného čerpadla při poruše vodního čerpadla ve studni, to je však řešitelné vložením hlídače průtoku, který při snížení průtoku vody tepelné čerpadlo včas vypne. Systém voda-voda, ať je svou energetickou povahou nejvýhodnější asi v našich podmínkách nebude mít příliš širokého uplatnění. Obr. 5 Jímání tepla ze spodní vody Povrchová voda (rybník, řeka) Při využití vody z rybníka nebo řeky se většinou na dno pokládá kolektor vytvořený z plastových trubek, kterým proudí nemrznoucí teplonosná látka. V některých případech lze vodu přivádět přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou ji vypouštět zpět do řeky (obdobně jako při využití spodní vody). Problémem je ale znečištění vody a nutnost platit za odběr vody. Řeka: Z důvodu nízké teploty vody v zimním období nemůže být voda přímo čerpána pro potřebu tepelného čerpadla, jelikož by při ochlazení zamrzala. Jednoduchým způsobem odběru tepla, u objektů s náhonem, je umístit na dno či stěny náhonu výměník z trubek. 16

18 Jezero, rybník: Nesmí dojít k dlouhodobému vypuštění, pak je možno položit plošný kolektor s hadic na dno s roztečí okolo jednoho metru. 3.3 Bivalentní, monovalentní tepelná čerpadla Bivalentní provoz tepelného čerpadla Potřeba výkonu pro vytápění se během roku mění. Dimenzovat tepelné čerpadlo pro maximální výkon je obvykle neekonomické, protože je nutno pořídit nejen dražší tepelné čerpadlo, ale zejména nízkoteplotní zdroj (např. vrty). Výkonnější tepelné čerpadlo a delší vrty či větší zemní kolektor výrazně zvyšují pořizovací náklady. Proto se systém doplňuje dalším, tzv. špičkovým zdrojem tepla, obvykle elektrokotlem. Zásadní nevýhoda tohoto řešení spočívá v tom, že elektrokotel zvyšuje potřebnou kapacitu elektrické přípojky. Obr. 6 Obvyklý způsob bivalentního chodu tepelného čerpadla Při navrhování bivalentního zdroje je zapotřebí stanovit teplotu, při které bude spouštěn. Tato teplota se nazývá "bivalentní bod" a je závislá zejména na výkonu tepelného čerpadla a teplotě topného média, kterou topný systém vyžaduje. V principu může tepelné čerpadlo spolupracovat s libovolným tepelným zdrojem. Problémem je však zajistit, aby regulace obou zdrojů spolupracovaly. Mnoho tepelných čerpadel na našem trhu je vybaveno pouze poměrně jednoduchou regulací, která neumí spolupracovat s dalším (nadřazeným) regulátorem. 17

19 Jako bivalentní a záložní zdroj mohou ovšem sloužit i interiérová kamna či krb, která nejsou napojena na tepelnou soustavu. Topí-li se v těchto kamnech, může vytápěcí systém dodávat nižší výkon Monovalentní provoz tepelného čerpadla U moderních, dobře izolovaných, rodinných domů se tepelná ztráta pohybuje do 10 kw. V takovém případě lze uvažovat i o monovalentním provozu tepelného čerpadla. Zvýšení investičních nákladů už není tak výrazné. Výhodou je to, že systém nemusí spolupracovat s dalším zdrojem. Mírné předimenzování zdroje v tomto případě není na závadu, naopak zvyšuje jeho spolehlivost. Monovalentní provoz tepelného čerpadla není samozřejmě možný u typu vzduch voda, jelikož okamžitý výkon těchto tepelných čerpadel klesá s venkovní teplotou, takže pro monovalentní provoz bychom potřebovali výrazně větší tepelné čerpadlo než pro provoz bivalentní. 3.4 Energetická bilance tepelných čerpadel Hnací energie tepelných čerpadel K provozu tepelného čerpadla je zapotřebí hnací energie, nejčastěji energie elektrické. Elektrická energie je zapotřebí pro činnost kompresoru tepelného čerpadla, ale také pro pohon oběhového čerpadla v zemním kolektoru či vrtu (u systému zeměvoda), nebo k pohonu ventilátoru výparníku TČ (u systému vzduch-voda). Obr. 7 Závislost příkonu tepelného čerpadla na teplotě nízkoteplotního zdroje - vzduchu u TČ Dimplex LA 11 AS 18

20 Tepelné čerpadlo umožňuje využívat výhody nízkého tarifu. V sazbě pro tepelná čerpadla (D 55, D 56) má spotřebitel k dispozici levnější proud po dobu 22 hodin denně. To znamená, že většina spotřeby domácnosti připadá na dobu nízkého tarifu. U ostatních elektrických vytápění je doba nízkého tarifu kratší, tím roste i podíl ostatní spotřeby v domě. Jak lze vyčíst z obr. 7, příkon tepelného čerpadla je znatelně vyšší při vyšším teplotním spádu topné soustavy a klesá s klesající teplotou nízkopotenciálního zdroje Energie z primárního okruhu tepelného čerpadla Primární energie je u tepelných čerpadel získávána přes výměník z nízkopotenciálních zdrojů (vzduch, voda, země) a po transformaci na vyšší teplotní úroveň je využívána v topné soustavě. Tvoří většinový podíl z celkového množství energie vystupující z tepelného čerpadla. Množství energie získané z primárního okruhu je závislé především na teplotě nízkopotenciálního média. Stejné množství energie např. získáme při ochlazení vzduchu ve výparníku z 10 C na 5 C, jako při ochlazení z -5 C na -10 C. Ovšem při nižších teplotách je mnohem problematičtější potřebnou energii získat. Pro nízkoteplotní vytápěcí systémy v domech požadujeme teplotu C. Zdroje tepla pro tepelná čerpadla mají různé teploty. Aby byl rozdíl hladin co nejmenší, je tedy žádoucí ochlazovat co nejteplejší látku. Teoreticky můžeme ochlazovat cokoli až k absolutní nule (-273 C). Pro běžnou praxi se teploty ochlazovaných látek pohybují kolem 0 C. 3.5 Energetická efektivnost a topný faktor tepelných čerpadel Energetickou efektivitu většiny zařízení posuzujeme podle jejich účinnosti. To je poměr mezi energií přivedenou (např. ve formě paliva) a energií získanou (např. ve formě tepla dodaného do topného systému). Každý stroj má určité ztráty, proto je účinnost vždy nižší než 1 (resp. 100%). U tepelného čerpadla se efektivita vyjadřuje topným faktorem ε T (značí se také COP, z anglického Coefficient of Performance, popř. SPF Seasonal Performance Factor). Udává spotřebu vstupní energie (elektřiny pro pohon kompresoru) k množství získané tepelné energie. Topný faktor je jedním z nejdůležitějších parametrů tepelného čerpadla a je vyjádřen rovnicí: 19

21 ε = Q T E Q Teplo dodané do vytápění E Energie pro pohon tepelného čerpadla Teplo získané z okolí se neuvažuje, takže topný faktor je vždy větší než 1 (obvykle 2-5). Ačkoli z pohledu fyziky tomu tak není, s nadsázkou lze říci, že účinnost tepelného čerpadla je vyšší než 100%. Pokud bychom chtěli zjistit skutečnou účinnost tepelného čerpadla, museli bychom do vstupní energie zahrnout i teplo odebrané z okolního prostředí, takto stanovená účinnost by byla nižší než 1 (resp. 100%). Pro porovnání dvou tepelných čerpadel podle topného faktoru je vždy nutné znát podmínky, za kterých je uvedený topný faktor dosažen, tedy teplotu vstupního média v primárním okruhu a teplotu média vystupujícího z tepelného zdroje soustavy. Tepelné čerpadlo spotřebovává více energie při velkém rozdílu teplotních hladin. Teplota zdroje (vzduch, půda, voda) během roku kolísá, taktéž může mírně kolísat i výstupní teplota z tepelného čerpadla. Obr. 8 Porovnání energetické efektivnosti spalovacího kotle a tepelného čerpadla Při hodnocení efektivity je třeba si uvědomit, že se obvykle porovnávají různé druhy energií. Elektřina je universální energie, nenahraditelná pro provoz mnoha spotřebičů a strojů. Naproti tomu teplo lze získat mnoha různými způsoby, zejména spalováním dřeva či fosilních paliv. Tepelné čerpadlo je tedy plně srovnatelné jen s elektrickým vytápěním. Při srovnání tepelného čerpadla a tepla ze zemního plynu, je 20

22 třeba zvážit nejen prostou úsporu energie (kwh), ale i produkci emisí, nebo jiné zatížení životního prostřední. 3.6 Výkon tepelného čerpadla Výkon tepelného čerpadla má podobný průběh jako topný faktor. S klesající teplotou nízkoteplotního zdroje klesá i výkon tepelného čerpadla (obr. 9). Pro stanovení požadovaného výkonu zařízení a jeho kompresoru je třeba znát celkovou spotřebu energie pro vytápění objektu při nízkých venkovních teplotách. U tepelných čerpadel je zvláštností, že se jejich výkon většinou nedimenzuje na 100% tepelných zdrát, ale používá se doplňkového, převážně elektrického, zdroje. Je běžnou praxí, že tepelná čerpadla vzduch-voda jsou dimenzována na 70-80% tepelných ztrát objektu. Jako určující se uvádí výkon tepelného čerpadla při venkovní teplotě kolem 0 C. Tepelné čerpadlo země-voda nebo voda-voda je možno navrhnout tak, aby svým výkonem pokrylo celou potřebu tepla a bylo tzv. monovalentní. V praxi se však z ekonomických důvodů často dimenzují na 50-60% tepelných ztrát. Obr. 9 Závislost výkonu na venkovní teplotě vzduchu u TČ Dimplex LA 11 AS Jelikož teplota nízkoteplotního zdroje, zvláště pak u tepelného čerpadla vzduchvoda, je během provozu často nižší než 0 C, klesá též výkon zařízení. Např. vzduchové tepelné čerpadlo, v topném systému s podlahovým vytápěním o výkonu 11 kw (při 5 C) má při teplotě -10 C výkon 6,5 kw a při teplotě -15 C výkon pouze 5,5 kw (obr. 9). 21

23 3.7 Tepelné čerpadlo z pohledu termomechaniky Teoreticky jsou tepelná čerpadla nejčastěji popisována obráceným Carnotovým oběhem. Tento ideální obrácený Carnotův oběh je vhodný jako porovnávací oběh pro tepelná čerpadla. Carnotův oběh (obr. 10) tvoří isoentropická komprese par (1-2), na níž navazuje isotermická kondenzace par (2-3) při teplotě T k. Do vnějšího okolí je uvolněno teplo (q k ) jeho velikost je dána součtem tepla odebraného ve výparníku (q 0 ) s kompresní prací kompresoru (a). V expanzním ventilu kapalná pracovní látka (chladivo) isoentropicky expanduje do plynného stavu, resp. do stavu mokré páry (3-4). Teplota poklesne z T k na T v. Ve výparníku pak dochází k isotermickému vypařování pracovní látky při stálé teplotě T v a stálém tlaku p v (4-1). Teplo (q 0 ) potřebné k vypařování pracovní látky je odebíráno z vnějšího prostředí. Obr. 10 Obrácený Carnotův oběh v T-s diagramu U obráceného Carnotova oběhu lze topný faktor určit z T-s diagramu. Je dán rovnicí: q S + S k 1 2 K ε c = = = [-] a S2 Tk Tv T q k je teplo přivedené do kondenzátoru q k = q 0 + a [J] q 0 je teplo přivedené do výparníku [J] a kompresní práce [J] T k teplota kondenzace [K] T v teplota vypařování [K] 22

24 Obrácený Carnotův oběh, jak již bylo řečeno, je oběh ideální, který nelze uplatnit u skutečného zařízení. Aby bylo možno co nejsnáze provádět tepelné výpočty chladících oběhů, tedy i tepelných čerpadel, využívá se zidealizovaného Rankinova levotočivého oběhu (obr. 11). V něm jsou na rozdíl od skutečného oběhu TČ zanedbány tepelné i hydraulické ztráty. I přesto jsou odchylky obráceného Rankinova oběhu od skutečného oběhu TČ minimální a tudíž se při technických výpočtech zanedbávají. V levotočivém Rankinově oběhu probíhají tyto změny stavu, isoentropická komprese (1-2 ) do stavu přehřáté páry, ta pak za stálého tlaku (isobaricky) kondenzuje (2-2-3). Následně probíhá isoentalpická expanze (3-4 ) na níž navazuje isotermické vypařování (4-1 ). Obr. 11 Teoretický oběh tepelného čerpadla - obrácený Rankinův oběh v T-s diagramu Topný faktor obráceného Rankinova oběhu lze vypočítat z rovnice: q k ε = r a [-] Teplo odvedené ve výparníku (q 0 ) je dáno plochou 1 4 ab1 a kompresní práce (a) plochou dle obr. 11. Stupeň Carnotizace skutečného tepelného čerpadla se vyjadřuje poměrem jeho topného faktoru (ε) k topnému faktoru obráceného Carnotova oběhu (ε c ) jakožto porovnávacímu oběhu: ε η= [-] ε c 23

25 3.8 Provozní podmínky ovlivňující topný faktor V provozu není topný faktor závislý jen na typu zařízení, ale především na provozních podmínkách tepelného čerpadla. Na provoz zařízení působí především otopná soustava, vlastnosti nízkoteplotního zdroje a klimatické podmínky Způsob provedení otopného systému a teplotní spád soustavy Zvláště při montáži tepelného čerpadla do starších budov, které mají topný systém s teplotním spádem 70/90 (teplota vody vstupující do topného zařízení/teplota vody vystupující) je třeba zvážit zda použít tohoto stávajícího systému, nebo jej upravit na soustavu s nižším teplotním spádem. U tepelných čerpadel je výhodnější, když je výstupní teplota topné vody maximálně okolo 50 C. Důvodů je několik. V porovnání s tepelným čerpadlem, u kterého je teplota výstupní vody kolem 90 C, má takové zařízení vzhledem k vypařovací a kondenzační teplotě lepší topný faktor a může pracovat při nižších teplotách nízkoteplotního zdroje. Z toho vyplývá, že čím je větší rozdíl mezi kondenzační teplotou (teplotou vstupující do topného systému) a teplotou vypařovací (teplotou nízkoteplotního zdroje), tím nižší je topný faktor tepelného čerpadla. U zařízení, která pracují při vyšším teplotním spádu soustavy, jsou tedy větší provozní náklady, ale také vyšší pořizovací cena. Proto se dnes s výhodou u nových montáží tepelných čerpadel využívá velkoplošného nízkoteplotního vytápění, především podlahového topení Vlastnosti nízkoteplotního zdroje Pro dosažení co největšího topného faktoru musí být dodrženo několik základních parametrů nízkoteplotního zdroje. - co nejvyšší teplotní úroveň nízkoteplotního zdroje - co nejmenší teplotní rozdíl mezi požadovaným tepelným tokem z kondenzátoru tepelného čerpadla a nízkoteplotním zdrojem energie - dostupnost zdroje energie v libovolném čase (v průběhu potřeby tepelného výkonu) při jeho nejvyšší teplotě - co nejmenší energetická náročnost dopravy hmotnostního toku zdroje nízkoteplotní energie do systému tepelného čerpadla - co nejmenší fyzikální a mechanické účinky zdroje na výměníky tepla v systému tepelného čerpadla (koroze, zamrzání) 24

26 - co nejmenší další investice na získání zdroje energie - co nejmenší závislost zdroje na geografických podmínkách, podnebí a klimatických podmínkách V podstatě neexistuje zdroj nízkoteplotní energie pro tepelná čerpadla, který by optimálně splňoval všechny uvedené podmínky. Některé z uvedených podmínek jsou vzájemně neslučitelné a je zřejmé, že je obtížné najít ideální zdroj energie pro výparník tepelného čerpadla, resp. označit některý za nejvýhodnější Teplota zdroje během topné sezóny, v průběhu jednoho dne Změna teploty zdroje je závislá především na jeho druhu. V tomto případě lze rozdělit zdroje do dvou skupin. Do první skupiny zdrojů patří půda a podzemní voda, u nichž je teplota během sezóny téměř neměnná. Tyto zdroje jsou jen velmi málo ovlivňovány klimatickými podmínkami. Jedinou měřitelnou změnou teploty může být její mírný pokles s blížícím se koncem topné sezóny způsobený odběrem tepelné energie. Pokud teplota takového zdroje během sezóny rychle klesá, může to být způsobeno poddimenzováním kolektoru. 25 průměrná venkovní teplota [ C] c -5 srpen listopad prosinec leden měsíc v roce duben Průměr Obr. 12 Průměrné měsíční teploty a průměr měsíčních teplot v průběhu topné sezóny 25

27 a) letní den b) zimní den Obr. 13 Typický průběh teploty vzduchu během letního a zimního dne Do druhé skupiny zdrojů patří vzduch a povrchová voda, jejichž teplota se během topné sezóny (obr. 12) i v průběhu 24 hodin (obr. 13) výrazně mění, v závislosti na klimatických podmínkách. Pro optimální dimenzování tepelných čerpadel systému vzduch-voda nestačí určit nejnižší možnou venkovní teplotu, nebo průměr teplot během topné sezóny. Je třeba zjistit četnost průměrných denních teplot v průběhu roku (obr. 14), resp. topné sezóny, vyjádřenu počtem dní trvání určité průměrné teploty pro danou lokalitu. Obr. 14 Četnost teplot vzduchu pro některá města v ČR Nevýhodou kompresorových tepelných čerpadel je závislost tepelného výkonu na výparné teplotě. Při použití tepelných čerpadel systému vzduch-voda pro topné účely potřeba tepelného výkonu stoupá se snižováním venkovní teploty. Zároveň klesá 26

28 tepelný výkon, topný faktor a zhoršují se parametry technicko-ekonomické efektivnosti celého systému Klimatické podmínky Jsou neovlivnitelné vnější podmínky působící výrazně na provoz tepelných čerpadel. Mezi nejdůležitější patří: - Nadmořská výška - s nárůstem nadmořské výšky o 100 m poklesne teplota vnějšího vzduchu zhruba o 0,5 C. - Orientace výparníku ke světovým stranám - důležitý je především směr svahu, na jižně orientované svahy dopadá v zimě o 10 až 30 % globálního slunečního záření více než na svahy severní. Zejména v podzimním období mohou mlhy snížit solární zisky. - Tvar terénu - teploty vzduchu jsou v údolích a na vrcholech kopců nižší než v chráněných polohách a na jižních svazích. V údolních oblastech se mohou hlavně v noci vytvářet tzv. jezera studeného vzduchu vlivem jeho klesání do nižších poloh. Údolí a kotliny se oproti úbočím a svahům vyznačují výraznými denními teplotními výkyvy. Obr. 15 Tepelné ztráty budovy (v %) a teplota okolního vzduchu v závislosti na jejím umístění v terénu - Povětrnostní poměry - zatížení větrem ovlivňuje spotřebu tepla na vytápění v zimním období. Proudění vzduchu výrazně ovlivňuje hodnotu součinitele přestupu tepla na vnější straně výparníku. Vhodnou orientací lze negativní vliv větru eliminovat. Přesné zjištění povětrnostních poměrů v dané lokalitě vyžaduje dlouhodobé pozorování i získávání informací např. od starousedlíků. 27

29 Obr. 16 Rozložení působení větru v závislosti na morfologii terénu 1 preferovaná poloha na osídlení, 2 údolní vítr, 3 zóna silného větru, 4 zóna větrné eroze, 5 zóna silného větru, 6 větrné maximum, 7 větrný pokles, 8 závětrná chráněná zóna, 9 zóna větrného zlomu, 10 větrný úbytek - Hustota okolní zástavby - v hustě zastavěných lokalitách může být teplota vnějšího vzduchu o 5 až 10 C vyšší než ve volné krajině. - Hustota a druh okolní vegetace - zalesněné plochy zadržují vláhu a tím ovlivňují vlhkost a teplotu okolního vzduchu a vytváří přirozenou ochranu před větrem. Cílenou výsadbou zeleně lze i částečně usměrňovat a odvádět studený vzduch. - Vodní toky a plochy - vzhledem k vysoké tepelně akumulační schopnosti vody mohou zmírňovat teplotní výkyvy ve svém okolí Vlhkost vzduchu a způsob odtávání Jednou z nevýhod používání venkovního vzduchu jako zdroje nízkoteplotní energie pro tepelná čerpadla je možnost vytváření námrazy na výparníku. Kondenzace vody na výparníku zlepšuje přestup tepla (o 50 až 100% podle obsahu vlhkosti ve vzduchu), pokud povrchová teplota výměníku je větší než 0 C. Při poklesu pod bod mrazu vzniká námraza, která výrazně snižuje přestup tepla a zvyšuje průtokové odpory vzduchu přes výměník. Při dlouhé provozní periodě a vysokém obsahu vodních par ve vzduchu může výparník kompletně zamrznout. Při teplotách venkovního vzduchu nad 2 C možno počítat s přirozeným rozmrzáním vzniklé námrazy v čase, kdy tepelné čerpadlo není v provozu při zapnutém ventilátoru venkovního výměníku vzduchu. Studený zimní vzduch teploty pod -8 C při relativní vlhkosti 70% obsahuje tak málo vodních par, že vytváření námrazy je zanedbatelné i po několika dnech. Pro vytváření 28

30 námrazy je kritické tepelné rozmezí mezi +2 C a -8 C, kdy je zároveň vysoká absolutní vlhkost vzduchu. Odtávací cyklus v oběhu tepelného čerpadla je potřebný podle množství námrazy i několikrát za hodinu. V tomto čase tepelné čerpadlo nedodává tepelný výkon. K odtávání výparníku se používá několika způsobů. Nejběžnější bývá odtávání elektrickými topnými tyčemi, které jsou instalovány přímo ve výparníku (obr. 17). Tento systém je jednoduchý, ale poměrně nevýhodný, jelikož vzniká další nemalý odběr elektrické energie. Obr. 17 Odtávání výparníku elektrickými topnými tyčemi Druhou možností je tzv. reverzace chodu. Jednoduše řečeno, výparník a kondenzátor si pomocí přepnutí čtyřcestného ventilu vymění své funkce. Provedení čtyřcestného ventilu je znázorněno na obr. 18. Obr. 18 Princip čtyřcestného ventilu výtlak a sání je označení potrubí, která vedou ke kompresoru 29

31 Nevýhodou je odběr tepla ze zásobníku vody pro ústřední topení a tím zhoršený průměrný topný faktor. Další nevýhodou je zvýšení pořizovací ceny tepelného čerpadla. Výhodou je, že při odtávání nevzniká tak znatelný nárůst spotřeby elektrické energie jako při použití topných tyčí. Novinkou poslední doby je nový systém odtávání od firmy Tepelná čerpadla Mach, označený zkratkou VHM. Tento patentovaný systém využívá pro odtávání výparníku zbytkového tepla v jednoduchém chladivovém okruhu. Technické řešení spočívá v použití dvou výparníků, z nichž každý má dva nezávislé chladivové okruhy (obr. 19). Jeden chladivový okruh slouží pro vypařování chladiva a druhý pro odtávání vzniklé námrazy kapalným chladivem. K odtátí se využívá zbytkového tepla kapalného chladiva v chladícím okruhu, které proudí od kondenzátoru ohřívače vody a prochází jedním výparníkem před tím, než vstupuje do vstřikovacího ventilu druhého výparníku. Systém správného směrování toku chladiva je ovládán trojicí elektromagnetických ventilů. Pro funkci dvou výparníků jsou uzavřena potrubí kapalného chladiva v okruhu každého výparníku. Kapalné chladivo je přivedeno pomocí třetího elektromagnetického ventilu, který umožní přímý vstup na oba vstřikovací ventily. V případě, kdy dochází ke zvýšené námraze, dojde za provozu k uzavření příslušného směru kapalného chladiva a následně dochází k otevření patřičného elektromagnetického ventilu. Ten zajistí přívod kapalného chladiva přes namrzlý výparník ke vstřikovacímu ventilu druhého výparníku. Při tomto zapojení dochází k pozvolnému odtávání výparníku s námrazou. Vzhledem k tomu, že zbytkového tepla není mnoho, je každý výparník dimenzován na 100% chladícího výkonu. Minimální doba chodu jednoho výparníku je 80 minut. Výsledný čas potřebný pro odtátí výparníku při kondenzační teplotě +28 C je cca 24 minut. Po odtátí dochází k přesměrování průtoku chladiva na druhý výparník (totožně obrácená funkce). Po odtávání druhého výparníku jsou v činnost zapojeny opět dva výparníky - tedy 200% chladící plochy. Toto řešení má za následek výrazné zvýšení celkového topného faktoru. Tímto řešením, je docíleno : 1. stálého topného výkonu ( nejsou výpadky topného výkonu při odtávání ) 2. celkové zvýšení topného faktoru samotného tepelného čerpadla 3. celkové zvýšení provozního topného faktoru při vytápění 4. zvýšení životnosti 5. snížení provozních nákladů 30

32 Tento systém odtávání má sice větší nároky na pořizovací cenu zařízení, avšak provozní náklady nikterak nevzrostou a navíc má tento systém i další výhody, jak již bylo popsáno. Obr. 19 Funkční schéma systému MACH VHM 1. kompresor, 2. první stupeň kondenzace, 3. deskový kondenzátor, 4. sběrač kapalného chladiva, 5. dehydrátor, 6. průhledítko, 7. výparník, 8. odlučovač kapaliny 31

33 4 METODIKA SLEDOVÁNÍ PROVOZNÍCH PARAMETRŮ TEPELNÉHO ČERPADLA Při provozu tepelného čerpadla je zapotřebí sledovat především množství vstupní a výstupní energie a parametry vnějšího prostření ovlivňující jeho provoz. Pro přesné vyhodnocování provozu je vhodné provádět měření v intervalech kratších než jeden den, nejlépe každou hodinu. Pro tento způsob měření není možné provádět osobní odečet hodnot z jednotlivých měřidel, ale je zapotřebí nainstalovat softwarový systém, který bude provádět měření samočinně v pravidelných intervalech. Pokud bude měření prováděno pouze pro vlastní potřeby (pro zhodnocení ekonomiky provozu) je možné hodnoty odečítat z jednotlivých měřidel pouze jednou denně. Tato data pak nelze považovat za zcela přesná a prokazatelná pro vyhodnocování samotného provozu tepelného čerpadla v závislosti na vnějších vlivech. 4.1 Měření topného faktoru Měření provozního topného faktoru tepelného čerpadla vychází ze vztahu pro jeho výpočet. Základními parametry jsou spotřeba energie pro pohon zařízení a množství tepla dodaného tepelným čerpadlem do topného systému Spotřeba energie pro provoz tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo je ve většině případů poháněno elektrickým proudem. Množství odebrané elektrické energie lze změřit pomocí elektroměru, běžně používaného dodavatelskými firmami pro měření odběru elektrické energie z veřejné sítě. Pokud bude elektroměr zabudován do systému řízeného softwarem, musí být použit takový typ zařízení, který má vhodný datový výstup pro zapojení do tohoto systému. Elektroměrem je měřena spotřeba energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla a pro pohon oběhového čerpadla primárního okruhu (při odebírání nízkoteplotní energie z vody nebo z půdy) nebo pro pohon ventilátoru (u systému využívajícího jako nízkoteplotní zdroj vzduch). V průběhu měření je vždy zaznamenáváno množství elektrické energie spotřebované za určitý měřící interval (např. za hodinu provozu tepelného čerpadla). 32

34 4.1.2 Teplo dodané tepelným čerpadlem do topného systému Pro měření energie získané tepelným čerpadlem v okruhu topné vody je nejvhodnější využít sestavy měřidel skládající se ze dvou spárovaných odporových teploměrů a vodoměru (popř. průtokoměru) s impulsním snímačem pro možnost centrálního měření provozních parametrů. Při výběru a umisťování jednotlivých komponentů do soustavy je zapotřebí dbát několika pravidel. Odporové teploměry musí být zabudovány ve stejném okruhu jako vodoměr, v místě dokonalého promíchání vody. Ve výstupním potrubí z tepelného čerpadla se teploměry montují za oběhové čerpadlo ve vratném potrubí za vodoměr. Doporučuje se oba teploměry zaizolovat tak, aby rozdíl teplot na měřícím odporu a v místě uchycení teploměru do potrubí byl co nejmenší. Optimální podmínky pro měření topné vody jsou dány správnou volbou velikosti a typu vodoměru. Kritériem pro dimenzování vodoměru je průtočné množství vody Q max a Q min, tlaková ztráta, provozní tlak a teplota topné vody. Při určování měřícího rozsahu vodoměru musí být dodrženy zásady: a) nejvyšší možné průtočné množství vody v systému musí být stejné nebo lépe menší než jmenovitý průtok Q n b) nejmenší možné průtočné množství vody v systému musí být větší než spodní hranice měřícího rozsahu Q min, nebo lépe věší než spodní hranice horního měřícího rozsahu Q t. Doporučuje se volit měřící rozsah tak, aby mezní průtoky byly mezi Q n a Q t. Tlaková ztráta na vodoměru by měla být co nejmenší. Je vhodné vybrat rozsah vodoměru tak, aby ani při maximálním zatížení nebyla překročena tlaková ztráta 10 kpa (0,1 bar). Teploměry a průtokoměr musí být zapojeny do měřícího zařízení, které bude hodnoty transformovat na množství tepelné energie, popř. na výkon. Pro jednoduchý odečet provozních parametrů stačí tato měřidla zapojit do vyhodnocovacího členu. Tato sestava se často nazývá kalorimetr. Při měření tepelné energie dodané tepelným čerpadlem je zapotřebí, podobně jako u měření spotřebované elektrické energie, zaznamenávat množství transformované energie za daný měřící interval. 33

35 4.2 Měření klimatických podmínek Provoz tepelného čerpadla je ovlivňován mnoha faktory, jak již bylo popsáno v předchozích kapitolách, ale v provozu jsou měřitelné jen některé z nich. Především jde o klimatické podmínky, které u systému vzduch-voda podstatně ovlivňují provozní parametry. Měření daných klimatických vlivů jako je teplota, vlhkost vzduchu a intenzita větru lze provádět jednotlivými čidly určenými pro měření daného parametru. Tato čidla musí být umístěna na stejnou světovou stranu budovy jako je výparník, popř. sací potrubí tepelného čerpadla tak, aby nebyla nadměrně ovlivňována okolním prostředím budovami, okolním porostem apod. Hodnoty jsou kontinuálně zaznamenávány softwarovou řídící jednotkou, poté jsou zprůměrovány pro jednotlivé měřící intervaly. 34

36 5 MĚŘENÍ A VYHODNOCOVÁNÍ PROVOZU TČ 5.1 Rodinný dům Brno Popis objektu Objekt (rodinný dům), se nachází na jižní Moravě v městě Brně v nadmořské výšce 223 m.n.m. Rodinný dům je řešen jako podsklepená dvoupodlažní budova s jednoplášťovou šikmou střechou pokrytou pálenými taškami. Objekt je z cihelného zdiva o tloušťce 440 mm. Zateplení fasády je řešeno pomocí desek pěnového polystyrénu tloušťky 100 mm. Střecha je dřevěná šikmá jednoplášťová s tepelnou izolací. V objektu jsou použita typizovaná okna a dveře. Výpočet potřeby tepla objektu byl proveden dle příslušných ČSN. Činí celkem 27 kw Popis topné soustavy Vytápěcí soustava je rozdělena do dvou větví. První je radiátorová s teplotním spádem 55/45 C. Druhá je podlahové topení s teplotním spádem 35/25 C. Pro tento okruh se provádí úprava topné vody mixováním přes solenoid. Oba topné okruhy jsou elektronicky řízeny. Zdrojem tepla je tepelné čerpadlo o celkovém výkonu 25 kw (A5 C/W45 C). Jako bivalentní zdroj je do systému zapojen elektrický kotel o výkonu 12 kw. Ohřátá topná voda je uchovávána v akumulační nádrži o objemu 200 l. Desková topná tělesa byla vybavena termostatickými ventily s hlavicí, což by mělo vést ke snížení spotřeby energie na vytápění. Tepelné čerpadlo též zajišťuje ohřev teplé užitkové vody, která je v akumulační nádrži dohřívána elektrickým bivalentním zdrojem, a ohřev bazénu přes bazénový výměník. Tepelné čerpadlo využívající jako zdroje nízkopotenciálního tepla vzduch. Je navrženo tak, že svým výkonem pokrývá 80 % tepelných ztrát objektu. V extrémních podmínkách je systém zásoben teplem z bivalentního zdroje energie, kterým jsou elektrická topná tělesa. Celkový tepelný výkon tepelného čerpadla je 25 kw (při podmínkách 5 C na výparníku tepelného čerpadla a průměrné výstupní teplotě vody 45 C). Odpovídající příkon kompresorů při těchto podmínkách činí 7,5 kw. Tepelné čerpadlo je jednokompresorové, jako pracovní látka je použito chladivo R 507c. 35

37 5.1.3 Způsob měření provozních parametrů systému Provozní parametry tohoto zařízení byly měřeny převážně jedenkrát denně, ve většině případů okolo hod. Z jednotlivých měřících zařízení byla odečítána teplota venkovního vzduchu, jakožto nízkopotenciálního zdroje energie pro tepelné čerpadlo, elektrická energie potřebná pro provoz tepelného čerpadla a energie dodaná do topného systému. Obr. 20 Zařízení pro měření energie dodané tepelným čerpadlem do systému - kalorimetr Obr. 21 Odporová teplotní čidla zapojená do topného systému tepelného čerpadla Venkovní teplota je měřena běžným trubičkovým teploměrem a elektrická energie odečítána z elektroměru používaného pro měření odběru elektřiny z veřejné sítě. Energie dodaná tepelným čerpadlem byla měřena pomocí kalorimetru (obr. 20), který 36

38 zpracovává výstupní hodnoty ze dvou odporových teploměrů (obr. 21) a průtokoměru. Tato čidla jsou nezbytnou součástí měřícího systému kalorimetru a musí být namontována na topném okruhu v blízkosti samotného topného zařízení. Měření provozních parametrů bylo prováděno v hlavní topné sezóně, přesněji od 21. listopadu 2002 do 24. dubna Vyhodnocení provozního topného faktoru Měření bylo prováděno v Brně v rodinném domě na systému s tepelným čerpadlem typu vzduch-voda. Vzhledem k typu systému a parametrům naměřených dat (příloha č. 1) jsme zvolili pro vyhodnocování provozu jako nejvhodnější závislost topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu (nízkoteplotního zdroje) a také na průběhu topné sezóny. 3,5 3,0 y = 0,0493x + 2,2872 R 2 = 0,5042 topný faktor [-] 2,5 2,0 1,5 1, venkovní teplota [ C] Obr. 22 Závislost topného faktoru na venkovní teplotě (všechna naměřená data) Při zjišťování závislosti topného faktoru na venkovní teplotě jsme dospěli ke grafické závislosti (obr. 22), ze které je na první pohled zřejmé, že průkaznost regresní přímky není příliš významná, jelikož koeficient determinace pro danou lineární regresní rovnici, který by se měl blížit 1, je pouze R 2 =0,5042. Hodnoty, které se příliš odchylovaly od očekávaného průběhu závislosti, lze považovat za chybná měření nebo za odchylky způsobené jiným vnějším vlivem než je 37

39 venkovní teplota. Proto jsme se pokusili data očistit od extrémních vlivů s cílem zjistit, zda tyto extrémní hodnoty nejsou zdrojem nespolehlivosti výsledku. Ani po této úpravě jsme, při proložení hodnot regresní přímkou nedosáhli dostatečné průkaznosti. Koeficient determinace dosahuje hodnoty R 2 = 0,7412. Pro další statistické vyhodnocování jsme použili korelační poměr. Ten se používá pro hodnocení závislosti dvou proměnných, bez potřeby proložení hodnot regresní křivkou. Při výpočtu korelačního poměru z očištěných dat, jsme dosáhli lepšího výsledku než při proložení hodnot regresní přímkou. Korelační poměr, který by se měl co nejvíce blížit 1, je v tomto případě 0,78. Jelikož závislost topného faktoru na teplotě nízkoteplotního zdroje není dostatečně průkazná, zkoumali jsme též závislost na průběhu topné sezóny. Při použití všech naměřených dat jsme dospěli ke grafické závislosti (obr. 23), v níž je zřejmý propad topného faktoru v průběhu sezóny, který lze u tepelného čerpadla typu vzduchvoda očekávat. 3,5 3,0 y = 0,0001x 2-8,7669x R 2 = 0,4746 topný faktor [-] 2,5 2,0 1,5 1,0 listopad prosinec leden únor březen duben květen topná sezóna Obr. 23 Závislost topného faktoru na průběhu topné sezóny (všechna naměřená data) Je evidentní, že největších topných faktorů je dosahováno na začátku a konci topné sezóny. Tento jev je způsoben především průběhem teploty nízkoteplotního média. Její obvyklý průběh je znázorněn v grafu obr. 12. Koeficient determinace regresního polynomu druhého stupně je pouze R 2 =0,