Energetická efektívnosť tepelných čerpadiel

Celková energetická efektívnosť podsystému výroby tepla je výsledkom súčinnosti jednotlivých podsystémov a ich komponentov. Z tohto dôvodu by sa malo projektované a následne realizované riešenie vykurovacieho systému koordinovať s čiastkovými návrhmi systému výroby tepla, distribučného systému a systému odovzdávania tepla.

 Životný štandard je v súčasnosti postavený na spotrebe rôznych komodít. V prípade ich deficitu či vysokej ceny sa niektorých z nich vieme zriecť, nahradiť ich inou, dostupnejšou alternatívou, v prípade tepelnej energie to však nie je také jednoduché. Na území SR sa výroba tepla prostredníctvom spaľovania fosílnych palív nahrádza predovšetkým spaľovaním biomasy, ktoré sa však uplatňuje zväčša regionálne. Kapacitné možnosti rôznych spôsobov výroby elektrickej energie s celoplošným pokrytím distribučnej siete nás nabádajú používať zariadenia s vyšším stupňom využitia primárnej energie – a práve medzi zariadenia s vysokým stupňom využitia tejto energie patria jednoznačne tepelné čerpadlá.

Vysoká energetická efektívnosť, s ktorou sa tieto zariadenia všeobecne spájajú, je však v porovnaní s inými zdrojmi tepla veľmi citlivá na tepelnotechnické parametre vykurovaného objektu, návrh odovzdávacieho systému vykurovania, zvolený typ tepelného čerpadla, spôsob prevádzky a v neposlednom rade klimatické podmienky danej inštalácie. Nevhodným použitím a nedodržaním optimálnych prevádzkových podmienok na primárnej alebo sekundárnej strane, prípadne neodbornou inštaláciou sa prevádzka tepelného čerpadla môže stať, naopak, mimoriadne neefektívnou – teda bez dosiahnutia očakávaných výsledkov v podobe nízkych prevádzkových nákladov.

Hodnotenie energetickej efektívnosti pomocou COP
Energetická efektívnosť hodnotená prostredníctvom výkonového čísla COP patrí v súčasnosti medzi štandardné technické údaje udávané výrobcami tepelných čerpadiel. Aby sa umožnilo vzájomné porovnanie energetickej efektívnosti jednotlivých výrobcov a typových vyhotovení tepelných čerpadiel (vzduch – voda, zem – voda, voda – voda), je nevyhnutné stanoviť hodnoty výkonových čísiel COP v identických prevádzkových podmienkach.

Stanovenie charakteristických prevádzkových podmienok testovania tepelných čerpadiel je predmetom normy EN 14 511 [2]. Renomovaní výrobcovia tepelných čerpadiel uvádzajú vo svojich technických údajoch hodnoty výkonových čísiel COP stanovené v zmysle normy [2], čím deklarujú energetickú efektívnosť svojich strojných zariadení v špecifických prevádzkových podmienkach (A2/W35*1, teplotný rozdiel 5 K (*A2 = vstupná teplota vzduchu, W35 = výstupná teplota vykurovacej vody)).

Uvedené prevádzkové podmienky sa však počas reálnej prevádzky tepelného čerpadla neustále menia a na energetickú efektívnosť tepelného čerpadla ponímaného ako systém výroby tepla na účely vykurovania a prípravy teplej vody vplývajú výrazným spôsobom aj ďalšie faktory, ktoré predmetná norma vo svojom hodnotení nezohľadňuje.

Energetické hodnotenie podľa EN 15 316-4-2
Podľa normy [2] sa hodnotí tepelné čerpadlo ako samostatné zariadenie, nie podsystém výroby tepla ako celok. Do podsystému výroby tepla pritom nespadá len množstvo tepelnej energie vyrobenej tepelným čerpadlom na vykurovanie a ohrev pitnej vody, patria sem aj tepelné straty zásobníka teplej vody a akumulačnej nádrže, spotreba prídavnej energie regulácie tepelného čerpadla, obehových čerpadiel, záložných elektrických ohrevných vložiek, ako aj elektrický ohrev kompresorového mazacieho oleja (najmä v prípade tepelných čerpadiel vzduch – voda). Jedine započítaním všetkých týchto faktorov vieme určiť pomer medzi vyrobenou tepelnou a spotrebovanou elektrickou energiou, ktorý definuje skutočnú hodnotu COP podsystému výroby tepla s tepelným čerpadlom.

Hodnotenie s presnejšou výpovednou hodnotou predstavuje norma EN 15 316-4-2, ktorá berie do úvahy aj kumulatívnu početnosť teploty vonkajšieho vzduchu v mieste inštalácie tepelného čerpadla, typ vykurovacej sústavy, teplotný spád a podobne. Na základe analýzy tejto normy možno konštatovať, že síce ide o presnejší, určite však zložitejší, a najmä zdĺhavejší spôsob určovania energetickej efektívnosti tepelných čerpadiel, ktorého výsledok závisí navyše od kvality spracovania zatiaľ neexistujúcich národných príloh alebo hodnovernosti vstupných podkladov, ktoré sa so skutočne použitými zariadeniami, armatúrami a materiálmi zhodujú len zriedka.

<sup>Legenda
1. Primárna strana tepelného čerpadla – vrty, 2. Obehové čerpadlo primárneho okruhu tepelného čerpadla, 3. Tepelné čerpadlo zem –  voda,
4. Obehové čerpadlo pre zásobníkový ohrievač teplej vody, 5. Zásobníkový ohrievač teplej vody, 6. Záložný zdroj tepla pre zásobníkový ohrievač teplej vody, 7. Obehové čerpadlo pre akumulačnú nádrž vykurovania, 8. Výstup zo zásobníkového ohrievača – OPV,
9. Akumulačná nádrž vykurovacej vody, 10. Záložný zdroj tepla pre akumulačnú nádrž vykurovania, 11. Obehové čerpadlo odovzdávacieho systému vykurovania, 12. Odovzdávací systém vykurovania, 13. Vstup do zásobníkového ohrievača – studená voda</sup>
Obr. 1  Hranice podsystému výroby tepla, tepelné čerpadlo zem – voda [3]

Obr. 3  Rodinný dom v Liptovskej Štiavnici [1]

<sup>Legenda
1. Tepelné čerpadlo vzduch – voda, 2. Zásobník ohriatej pitnej vody (OPV), 3. Akumulačný zásobník vykurovania,
4. Nabíjacie čerpadlo zásobníka OPV, 5. Nabíjacie čerpadlo akumulačnej nádrže vykurovania, 6. Elektrická špirála na OPV,
7. Elektrická špirála na vykurovanie, 8. Obehové čerpadlo vykurovacej sústavy, 9. Vykurovacia sústava</sup>

t – snímač teploty (príložný), ti – snímač teploty vnútorného vzduchu, te – snímač teploty vonkajšieho vzduchu, q – prietokomer s impulzným výstupom, E – elektromer s impulzným výstupom
Obr. 4  Všeobecná schéma zapojenia meracích bodov [1]

Experimentálne merania
Jediné reálne hodnotenie efektívnosti (energetickej účinnosti) tepelného čerpadla predstavuje experimentálne meranie, ktoré zohľadňuje účinnosti komponentov nachádzajúcich sa v rámci hraníc podsystému výroby tepla (obr. 1).

Experimentálne merania uvádzané v tomto článku sa uskutočnili ako časť dizertačnej práce [1], ktorá bola súčasťou výskumnej úlohy VEGA č. 1/1052/11 [4]. V tejto práci sa navrhli a zrealizovali príslušné experimentálne merania, v ktorých prebiehalo hodnotenie tepelného čerpadla v rámci uvedených hraníc podsystému výroby tepla.

V tomto ponímaní sa hodnoteniu podsystému výroby tepla podobá najviac metodika v zmysle normy EN 15 316-4-2. Na základe hraníc podsystému výroby tepla (obr. 1) sa navrhla schéma zapojenia tepelného čerpadla s definovaním príslušných meracích bodov (obr. 4). Experimentálne merania sa v uvedenom rozsahu vykonali na dvoch objektoch rodinných domov (obr. 2 a 3) s rôznymi typmi inštalácií tepelných čerpadiel s týmito charakteristikami:

• rodinný dom v obci Revišné (okres Dolný Kubín): novostavba, vonkajšie vyhotovenie tepelného čerpadla Stiebel Eltron WPL 18, typ vzduch – voda, uvedené do prevádzky v roku 2010, nízkoteplotný systém podlahového vykurovania;
• rodinný dom v obci Liptovská Štiavnica (okres Ružomberok): novostavba, tepelné čerpadlo Viessmann Vitocal 300 (typ BW110 CD 80), typ zem – voda (3× hĺbková zemná sonda s dĺžkou 80 m), uvedené do prevádzky v roku 2008, nízkoteplotný systém podlahového vykurovania.

Metodika merania predstavuje z hľadiska meracích bodov typológiu rozmiestnenia týchto bodov v rámci hraníc podsystému výroby tepla.

Prvú skupinu zastupuje samostatné meranie množstva tepelnej energie dodávanej tepelným čerpadlom na potreby vykurovania (akumulačná nádrž) a ohrevu pitnej vody (zásobník teplej vody). Keďže cieľom experimentálnych meraní bolo hodnotenie celku podsystému výroby tepla, vykonali sa aj samostatné merania energetických tokov vystupujúcich z akumulačnej nádrže vykurovania a zo zásobníka teplej vody.

Druhú skupinu zastupuje meranie spotreby elektrickej energie samotného tepelného čerpadla, vstavaného elektrokotla vonkajšej jednotky tepelného čerpadla a spoločné meranie spotreby prídavnej energie, ktorá je nevyhnutná na chod obehových čerpadiel, regulácie atď.

Tretiu skupinu zastupujú snímače teploty, ktorých údaje charakterizujú podmienky (teplota vonkajšieho vzduchu, výstupná teplota z tepelného čerpadla, zásobníka ohriatej pitnej vody (OPV), akumulačnej nádrže vykurovania a podobne), pri ktorých dochádzalo k nameranej produkcii tepelnej energie a spotrebe elektrickej energie.

Z hľadiska prevádzky pokrýva podsystém výroby tepla tepelného čerpadla tri základné prevádzkové režimy:

• režim vykurovania,
• režim ohrevu pitnej vody,
• kombinovanú prevádzku.

Navrhnutá meracia schéma a inštalované meracie prístroje umožňujú prostredníctvom výstupov z meracej ústredne podrobný náhľad na čiastkové energetické toky a priebehy teplôt jednotlivých prevádzkových režimov.

Zásobníková príprava teplej vody
Priebeh nameraných energetických tokov a skutočnú spotrebu teplej vody domácnosti počas letnej prevádzky znázorňuje graf na obr. 5. Na jeho trendovej čiare (tenká biela prerušovaná čiara) možno odčítať skutočnú priemernú dennú spotrebu teplej vody, ktorá predstavuje približne 60 l/deň.

Spotrebované množstvo teplej vody (biela plná čiara) reflektuje množstvo tepelnej energie (modrá prerušovaná čiara), ktorá sa zo zásobníka odobrala vo forme ohriatej pitnej vody. Z grafického znázornenia je zrejmá aj reakcia regulácie tepelného čerpadla v podobe opätovného „nabíjania“ zásobníkového ohrievača (červená prerušovaná čiara), ktorá vizuálne korešponduje s príslušnými odbermi teplej vody.

Obr. 5  Energetické toky a spotreba teplej vody zásobníkového ohrievača Stiebel Eltron SBB 302 WP s objemom 300 l [1]

Obr. 6  Vplyv využitia disponibilnej energie zásobníkového ohrievača teplej vody na hodnoty COP tepelného čerpadla vzduch – voda (zásobníkový ohrievač Stiebel Eltron SBB 302 WP s objemom 300 l) [1]

Obr. 7  Priebehy energetických tokov akumulačnej nádrže vykurovania v závislosti od vývoja teploty vonkajšieho vzduchu (Stiebel Eltron SBP 400-E s objemom 400 l); tepelné čerpadlo vzduch – voda [1]

Obr. 8 Priebeh výkonového čísla COP v súvislosti s energetickými tokmi akumulačnej nádrže vykurovania a zásobníka teplej vody vrátane priebehu teploty vonkajšieho vzduchu; tepelné čerpadlo vzduch – voda [1]

COPdisponibilné a COPpodsystému
Podiel množstva tepelnej energie vyprodukovanej tepelným čerpadlom (a záložným zdrojom tepla) na akumuláciu vykurovacej vody a zásobníkového ohrevu k celkovému súčtu spotreby elektrickej energie tepelného čerpadla, záložného zdroja tepla a obehových čerpadiel predstavuje hodnotu COPdisponibilné.
Skutočné výkonové číslo podsystému výroby tepla tepelného čerpadla musí zohľadňovať vplyv využitia disponibilnej tepelnej energie (akumulačnej nádrže vykurovania a zásobníka teplej vody) s následným označením COPpodsystému.

Výrazný pokles hodnôt COPpodsystému (v porovnaní s COPdisponibilné), ktorý nastáva v dôsledku nízkeho využitia celkovej disponibilnej tepelnej energie podsystému výroby tepla, znázorňuje graf na obr. 6.

Akumulácia vykurovacej vody
Na grafe na obr. 7 môžeme vidieť, že postupným poklesom teploty vonkajšieho vzduchu nastáva takzvané prebíjanie akumulačnej nádrže, ktoré možno pripísať strmému nastaveniu ekvitermnej krivky v užívateľskom nastavení regulácie tepelného čerpadla.

Optimalizácia nastavenia strmosti ekvitermnej krivky je citlivá záležitosť, pretože v prípade nastavenia nízkej strmosti nastáva v akumulačnej nádrži vykurovacej vody deficit tepelnej energie, ktorý sa prejaví nežiaducim teplotným diskomfortom vykurovaných miestností.

Nastavenie strmosti ekvitermnej krivky možno najjednoduchšie vykonať na základe porovnania energetických tokov akumulačnej nádrže, ktoré máme k dispozícii z výsledkov experimentálnych meraní. V praxi je však optimálne nastavenie ekvitermnej krivky problémom nielen pri tepelných čerpadlách, ale aj pri iných zdrojoch tepla. Strmé nastavenie krivky zaisťuje tepelnú pohodu, ktorá však býva často zabezpečená za cenu vysokých tepelných strát, o ktorých užívateľ nemá zvyčajne reálnu predstavu.

Vonkajšia jednotka tepelného čerpadla vzduch – voda, ktorá bola predmetom experimentálneho merania, disponuje integrovaným záložným zdrojom v podobe elektrokotla s výkonom 8,8 kW. Jeho spustenie a priebeh spotreby elektrickej energie (žltá plná čiara) môžeme počas dní s nízkou teplotou vonkajšieho vzduchu sledovať na grafe na obr. 8.

Vysoký podiel spotreby elektrickej energie záložného zdroja tepla naznačuje výkonové poddimenzovanie danej aplikácie tepelného čerpadla, ktoré sa prejaví znížením energetic­kej efektívnosti samotného tepelného čerpadla (vrátane hodnoty COP) a z toho vyplývajúcim nárastom prevádzkových nákladov.

Obr. 9  Graf podielu vyrobenej a spotrebovanej tepelnej energie; tepelné čerpadlo vzduch – voda [1]

Zhodnotenie
Akumulačné zásobníky vykurovacej vody spolu so zásobníkovými ohrievačmi teplej vody patria medzi štandardné zariadenia podsystému výroby tepla s tepelným čerpadlom. Podiel využitia disponibilnej energie akumulačnej nádrže vykurovania a zásobníka teplej vody znázorňuje obr. 9.

Prevádzkový režim prípravy teplej vody znázornený na obr. 6 je sprevádzaný výrazným poklesom hodnôt COPpodsystému, ktorý je popri požiadavke okamžitého výkonu s vysokou výstupnou teplotou vykurovacej vody sprevádzaný najmä nízkym stupňom využitia disponibilnej energie zásobníka (obr. 9). Nízky stupeň využitia disponibilnej tepelnej energie v sebe zahŕňa nielen pohotovostnú stratu, ale aj výrazný vplyv cirkulácie teplej vody, ktorá v konečnom dôsledku neustále chladí vnútorný objem zásobníka. Uvedené údaje poukazujú na energetický význam cirkulácie pri bežne používaných zásobníkoch teplej vody, ktorých projekčnej a realizačnej fáze sa vo väčšine prípadov nevenuje náležitá pozornosť.

V prípade kombinovanej prevádzky vykurovania a OPV znázor­nenej na obr. 8 nedochádza k výraznému poklesu hodnôt COPpodsystému (v porovnaní s hodnotami COPdisponibilné), pretože podiel dodanej tepelnej energie ohriatej pitnej vody (v rozpätí od 5 do 10 kWh/deň) je v porovnaní s množstvom tepelnej energie dodanej do akumulačnej nádrže vykurovania počas dní s nízkou teplotou vonkajšieho vzduchu takmer zanedbateľný (od 40 do 180 kWh/deň). Znižovanie hodnôt COPpodsystému vplyvom zásobníkového ohrevu nastáva pri poklese množstva tepelnej energie, ktorá je vyrobená na účely vykurovania (napríklad vykurovacie obdobie s kladnými vonkajšími teplotami). Z uvedeného vyplýva, že znižovanie hodnôt COPpodsystému vplyvom zásobníkového ohrevu bude zohrávať najväčšiu úlohu v objektoch, v ktorých sa množstvo tepla potrebného na vykurovanie približuje množstvu tepla potrebného na ohrev pitnej vody (napríklad nízkoenergetické alebo pasívne domy).

Záver
Celková energetická efektívnosť podsystému výroby tepla je výsledkom súčinnosti jednotlivých podsystémov a ich komponentov. Z tohto dôvodu by sa malo projektované a následne realizované riešenie vykurovacieho systému koordinovať s čiastkovými návrhmi systému výroby tepla, distribučného systému a systému odovzdávania tepla. Verím, že počet projektantov a montážnych firiem uvedomujúcich si váhu spomínaných faktorov, ktoré ovplyvňujú energetickú efektívnosť tepelných čerpadiel, bude rásť a následná spokojnosť zákazníkov rozšíri využívanie týchto energeticky efektívnych zdrojov tepla.

Ing. Dušan Orgoník
Recenzoval: prof. Ing. Václav Havelský, PhD.
Foto a obrázky: autor

Autor je doktorandom na Katedre technických zariadení budov SVF STU.
Venuje sa projekčnej činnosti a zároveň pôsobí ako konateľ slovenského zastúpenia rakúskej firmy UNIVERSA (UNIVERSA SK, s. r. o.).

Literatúra
1.    Orgoník, D.: Energetické požiadavky a účinnosti tepelných čerpadiel. Dizertačná práca. Bratislava: STU, Stavebná fakulta, 2013, 111 s.
2.    STN EN 14511-1, 2, 3, 4 Klimatizátory, jednotky na chladenie kvapaliny a tepelné čerpadlá s elektricky poháňanými kompresormi na vykurovanie a chladenie priestoru.
3.    EN 15316-4-2 Heating systems in buildings — Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies — Part 4-2: Space heating generationsystems, heat pump systems.
4.    Výskumná úloha VEGA č. 1/1052/11: Energeticky efektívne systémy techniky prostredia využívajúce obnoviteľné zdroje energie a uplatňujúce automatizačnú techniku pre inteligentné budovy. Zodpovedný riešiteľ: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.