Efektívnosť tepelného čerpadla pri zásobovaní rodinného domu teplom

Najmodernejším zdrojom tepla, ktorý sa v súčasnosti dostáva v oblasti zásobovania obytných budov teplom čoraz viac do popredia, je tepelné čerpadlo. Toto zariadenie, využívajúce podľa potreby rôzne druhy energie prostredia, zaznamenáva veľký boom najmä v oblasti malých a stredne veľkých objektov,  ktoré vo veľkej miere zastupujú predovšetkým rodinné domy.

Výrobcovia tepelných čerpadiel aktuálne stále preukazujú veľkú efektívnosť týchto zariadení, čo je však, samozrejme, v určitých prípadoch nadmieru zidealizované pre normou stanovené okrajové podmienky a štandardné aplikácie. Tie však pri reálnom používaní a množstve variantov, ktoré vznikajú pri konkrétnych inštaláciách, len málokedy odrážajú reálne hodnoty efektívnosti tepelných čerpadiel v súvislosti s nárokmi, ktoré sa kladú na dosahovanie požadovanej tepelnej pohody daného objektu a jeho priestorov v reálne daných klimatických podmienkach.

Vykonané experimentálne merania boli zamerané na určenie energetickej, ekologickej a ekonomickej efektívnosti tepelného čerpadla typu voda – voda, ktoré sa technicky považuje za jedno z najefektívnejších typov spomedzi systémov tepelných čerpadiel. Experimentálnym meraním reálne prevádzkovaného tepelného čerpadla zásobujúceho teplom rodinný dom sa stanovili dosahovaná energetická efektívnosť a vplyv jednotlivých faktorov na túto hodnotu, a to pri rôznych prevádzkových režimoch. Zároveň sa posúdilo zabezpečenie stavu tepelnej pohody vo vykurovanom objekte.

Objekt a vykurovací systém
Na objekte rodinného domu v okrese Trnava sa počas vykurovacej sezóny 2010/2011 realizovalo experimentálne meranie pomocou inštalovaných meracích zariadení na zdroji tepla – tepelnom čerpadle (_TČ) – a vo vybraných referenčných obytných priestoroch objektu. Cieľom bolo stanoviť reálne hodnoty efektívnosti tepelného čerpadla ako zdroja tepla určeného na vykurovanie a prípravu teplej vody daného rodinného domu.

Objekt rodinného domu (realizovaný v roku 2008) má jedno nadzemné podlažie s úžitkovou plochou 151 m² a nie je podpivničený. V rodinnom dome žije 6 osôb – 2 dospelé osoby a 4 deti vo veku od 6 do 12 rokov. Výpočtová tepelná strata objektu je 8,7 kW. V rodinnom dome je ako monovalentný zdroj tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody inštalované tepelné čerpadlo typu voda – voda s celkovým vykurovacím výkonom 11 kW. Tepelné čerpadlo je zásobované podzemnou vodou systémom dvoch studní – čerpacej a vsakovacej studne s hĺbkou oboch studní 20 m. Tepelné čerpadlo je v činnosti už tretiu vykurovaciu sezónu. Vykurovací systém vo všetkých miestnostiach rodinného domu tvorí nízkoteplotné podlahové vykurovanie regulované ekvitermnou reguláciou na zdroji tepla. Zapojenie tepelného čerpadla do vykurovacieho systému je cez akumulačný zásobník vykurovacej vody (AZ) s objemom 1 000 litrov, ktorý je napojený cez rýchlomontážnu súpravu s trojcestným zmiešavacím ventilom na okruh rozdeľovača a zberača podlahového vykurovania. Príprava teplej vody sa realizuje prostredníctvom zásobníkového ohrievača vody (ZO) s objemom 500 litrov, ktorý je napojený cez trojcestný prepínací ventil na okruh tepelného čerpadla. Schéma zapojenia zdroja tepla a vykurovacieho systému s prípravou teplej vody, ako aj meracie body a merané fyzikálne veličiny sú schematicky znázornené na obr. 1.

Obr. 1 Schéma zapojenia meracích prístrojov a meracie miesta na zdroji tepla

Experimentálne meranie COP tepelného čerpadla
Metodika experimentálneho merania COP tepelného čerpadla
Experimentálnym meraním sa malo zistiť množstvo tepelnej energie vyprodukovanej tepelným čerpadlom a množstvo spotrebovanej primárnej elektrickej energie potrebnej na pohon tepelného čerpadla. Cieľom bolo stanoviť:

• COP_TČ tepelného čerpadla – bez zohľadnenia spotreby primárnej (elektrickej) energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom,
• COPTČ1 tepelného čerpadla – so zohľadnením spotreby primárnej (elektrickej) energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom.

Stanovenie COPTČ
Toto stanovenie nezohľadňuje spotrebu elektrickej energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom. 

Hodnoty COP tepelného čerpadla sa stanovili meraním pre jednotlivé prevádzkové režimy:

• vykurovania – COP_TČ = 3,9,
• prípravy teplej vody – COP_TČ = 4,6,
• celkovo bez zohľadnenia prevádzkového režimu – COP_TČ = 4,0.

Na grafe priebehu teplôt vykurovacej vody pri jednotlivých prevádzkových režimoch sa preukázal výrazný vplyv teploty a teplotného spádu vykurovacej vody na dosahovanú hodnotu výkonového čísla COP_TČ. Analyzovaním výsledkov sa zistilo a potvrdilo, že pri vyššej teplote vykurovacej vody je vhodnejší väčší teplotný spád na dosiahnutie vyššieho výkonového čísla (pri teplotnom spáde 48,6/38,7 °C bolo COP_TČ = 4,6 a pri teplotnom spáde 48,6/43,2 °C bolo COP_TČ = 2,7). Dôvodom je množstvo vyprodukovaného tepla tepelným čerpadlom, ktoré je pri väčšom teplotnom spáde väčšie a v lepšom pomere k spotrebovanej elektrickej energii než pri vyššej teplote a nižšom teplotnom spáde vykurovacej vody.

Stanovenie COPTČ1
Toto stanovenie zohľadňuje spotrebu elektrickej energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom.

Stanovením výkonového čísla dvoch rôzne zadefinovaných hraníc podsystému výroby tepla sa preukázal výrazný vplyv započítania celej spotreby elektrickej energie na výslednú hodnotu výkonového čísla podsystému výroby tepla COP_TČ1 = 2,7, ktorá je z hľadiska stanovenia efektívnosti zariadenia tepelného čerpadla ako zdroja tepla pre objekt rodinného domu rozhodujúca. Jednoznačne to demonštruje rozdiel v stanovených výkonových číslach pri hraniciach podsystému COP_TČ = 4,0 a COP_TČ1 = 2,7, čo predstavuje pokles výkonového čísla, a teda efektívnosti daného systému o 32 %. Namerané a stanovené hodnoty COP_TČ a COP_TČ1 sa výrazne odlišujú aj od hodnoty COP = 5,5, ktorú udáva výrobca tepelného čerpadla ako hodnotu stanovenú podľa EN 14511 (pri teplote podzemnej vody 10 °C a výstupnej teplote vykurovacej vody 35 °C, pri teplotnom rozdiele vykurovacej vody 5 K). Pri porovnaní s hodnotou COP_TČ možno odlišnosť prisudzovať čiastočne rozdielnym reálnym prevádzkovým podmienkam oproti ideálne stanoveným normovým podmienkam pri výkonových testoch v laboratóriách podľa uvedenej normy. Najväčší vplyv na rozdielnosť porovnávaných výkonových čísel má však fakt, že podľa normy EN 14511 normové testovanie tepelného výkonu a COP neberie do úvahy celú pomocnú vstupnú energiu potrebnú na prevádzku podsystému výroby tepla.

Prínosy experimentálneho merania
Experimentálnym meraním na tepelnom čerpadle typu voda – voda inštalovanom v rodinnom dome sa zistili reálne dosahované hodnoty výkonového čísla COP pri rôzne stanovených hraniciach podsystému výroby tepla a zároveň pri jednotlivých prevádzkových režimoch tepelného čerpadla. Tieto hodnoty sa porovnali s hodnotou výkonového čísla, ktorú udáva výrobca laboratórnym testovaním podľa normy EN 14511. Hodnoty COP dosahované pri prevádzke tepelného čerpadla v reálnych podmienkach sa výrazne odlišovali od hodnôt COP tepelného čerpadla udávaných podľa normy EN 14511 testovaním v laboratórnych podmienkach, čo je spôsobené práve odlišnými okrajovými (prevádzkovými) parametrami. Preukázaním tejto výraznej odlišnosti vo výkonových číslach COP vzniká priestor na hlbšiu analýzu – najmä vykonaním väčšieho počtu meraní s cieľom zadefinovať okrajové podmienky tak, aby sa stanovili čo najbližšie k reálne sa vyskytujúcim podmienkam, a zapracovať do stanovenia konečnej hodnoty COP aj návrhovú toleranciou zohľadňujúcu skutočnú aplikáciu tepelného čerpadla v danom systéme.

Odporúčania pre prax
Tepelnotechnické vlastnosti objektu
Analýzou priebehu teploty vonkajšieho vzduchu a zmeny hodnoty výkonového čísla sa stanovil nepriamy vplyv teploty vonkajšieho vzduchu na výkonové číslo COP_TČ tepelného čerpadla typu voda – voda. Vyplýva to najmä z tepelnotechnického správania objektu a vykurovacej sústavy, ktoré sú ovplyvnené vonkajšou teplotou priamo. Potvrdilo sa teda, že je dôležité navrhovať tepelné čerpadlá výlučne do objektov s dobrými tepelnotechnickými vlastnosťami, nízkou tepelnou stratou a potrebou tepla minimálne na hranici požiadaviek nízkoenergetických objektov.

Návrh zariadení
Touto analýzou sa poukázalo na skutočnosť, že treba klásť veľký dôraz na odborný a presný návrh všetkých zariadení (vrátane tepelného čerpadla), ktoré budú inštalované a budú tvoriť daný podsystém výroby tepla. Treba zabrániť predimenzovaniu, ktoré má výrazný negatívny vplyv na dosahované výkonové číslo COP tepelného čerpadla, a teda spôsobuje komplexné zhoršenie energetickej efektívnosti celého podsystému výroby tepla. Len presný návrh zariadenia a dimenzovanie primárneho okruhu tepelných čerpadiel vedie k ekonomicky a energeticky optimálnemu výsledku. Je preto nevyhnutné dbať na korektne správny návrh najmä primárneho obehového čerpadla.

Obr. 2 Výkonové číslo COP_TČ stanovené bez zohľadnenia spotreby elektrickej energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom

Obr. 3 Výkonové číslo COP_TČ1 stanovené so zohľadnením spotreby elektrickej energie zariadení podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom

Obr. 4 Grafické znázornenie nameraných a stanovených hodnôt v rámci experimentálneho merania COP tepelného čerpadla

Regulácia
Experimentálnym meraním sa potvrdilo, že výstupnú teplotu vykurovacej vody tepelného čerpadla treba z pohľadu dosahovania čo najvyššej efektívnosti tepelného čerpadla (COP) voliť čo najnižšiu a teplotný spád prívodnej a vratnej vykurovacej vody tepelného čerpadla treba voliť najlepšie s teplotným rozdielom ∆θ rovnajúcim sa 10 K. Preto treba dbať na správny a presný návrh regulácie a takisto na prednastavenie regulačných členov systému na dosiahnutie čo najlepšej energetickej efektívnosti.

Záver
Záverom možno konštatovať, že tepelné čerpadlo je energetickým strojovým zariadením (alternatívnym obnoviteľným zdrojom energie), ktoré dokáže pracovať energeticky, ekologicky a ekonomicky efektívne. To všetko však platí len vtedy, ak je komplexne navrhnuté v dokonalej súčinnosti jednotlivých zariadení, ktoré tvoria celý systém vykurovania a prípravy teplej vody, čiže v súčinnosti systému výroby tepla, distribúcie a akumulácie tepla, systému regulácie a odovzdávania tepla.

Ing. Martin Boledovič
Obrázky: archív autora
Ilustračné foto: Vaillant

Autor pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Literatúra
1.    Havelský, V. – Füri, B.: Chladiaca technika – Základy techniky chladenia a tepelných čerpadiel. Bratislava: STU Bratislava, 2006. 168 s.
2.    Kunz, P. a kol.: Handbuch Wärmepumpen: Planung, Optimierung, Betrieb, Wartung. Bern: Bundesamt für Energie, 2008. 83 s.
3.    Markus, E. – Hubacher, P. – Ehrbar, M.: Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996 – 2003. Schlussbericht. Bern: Bundesamt für Energie, 2004.
4.    Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA GROUP, 2009. 224 s.
5.    Tomlein, P.: Tepelné čerpadlá sa presadzujú energetickou efektívnosťou. In: Vykurovanie 2008: Energetická efektívnosť zásobovania teplom. Tatranské Matliare: SSTP, 2008. s. 249 – 252.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.