Prevádzkovanie tepelného čerpadla v reálnych podmienkach v režime vykurovania

Niekoľkoročné experimentálne merania uskutočnené v reálnych prevádzkových podmienkach v mestečku Pinkafeld­ v susednom Rakúsku pomohli objasniť zásadné skutočnosti o prevádzkovaní tepelného čerpadla typu nemrznúca zmes – voda na vykurovanie rodinného domu a ich vplyv na efektívnosť prevádzky zariadenia. Základné údaje o objekte, meraniach a výsledkoch sme už priniesli, teraz prinášame (popri stručnom zhrnutí) podrobnejšiu analýzu výsledkov. 

Stavebný objekt a systém tepelného čerpadla
Stavebný objekt (rodinný dom), v ktorom sa na zabezpečenie tepelnej pohody inštalovalo tepelné čerpadlo, pozostáva z jedného podzemného a dvoch nadzemných podlaží. Budova je umiestnená v otvorenom krajinnom teréne s orientáciou pozdĺžnej osi v smere východ – západ. Pri návrhu objektu sa uvažovalo o umiestnení jednotlivých fasád a zasklených častí tak, aby sa umožnilo optimálne využívať slnečné žiarenie počas celého roka. Čistá vykurovaná plocha objektu predstavuje približne 150 m², pričom sa vykurujú len podlažia prízemia a prvého poschodia. Stavebnú konštrukciu budovy tvorí masívna dierovaná tehla s hrúbkou 25 cm s tepelnou izoláciou vonkajšej fasády s hrúbkou 10 cm.

Hodnoty súčiniteľov prechodu tepla U jednotlivých stavebných konštrukcií a prvkov sme podrobne uviedli v úvodnom článku. Z týchto hodnôt vyplývajúce tepelné straty budovy pri normovanej vonkajšej výpočtovej teplote vzduchu danej oblasti –13 °C a strednej vnútornej teplote vzduchu 20 °C predstavujú približne 10 kW.

Celoročná potreba tepla na vykurovanie prvého a druhého nadzemného podlažia vypočítaná podľa normy OIB sa rovná hodnote 11 274 kWh/a, čo zodpovedá špecifickej potrebe tepla 56 kWh/(m² . a).

Inštalované tepelné čerpadlo je typu nemrznúca zmes – voda s inštalovaným tepelným výkonom 7,1 kW. V samotnom chladiacom okruhu sa nachádza 1,7 kg chladiva typu R404A, ktorého obeh sa zabezpečuje skrol kompresorom. Na pokrytie špičkových potrieb tepla sa v tepelnom čerpadle inštaloval dodatočný elektrický ohrev. Z toho vyplýva, že tepelné čerpadlo sa prevádzkuje v tzv. monoenergetickom režime.

Energia prostredia potrebná na vyparenie chladiva vo výparníku sa získava zo zeme pomocou nemrznúcej zmesi, ktorá cirkuluje v okruhu zemných kolektorov. Systém zemných kolektorov pozostáva z 2 × 200 m dlhých okruhov rúrkových hadov (materiál rúrok je PLT, svetlosti DN 32, PN 4). Rúrkové hady sú umiestnené v hĺbke 1,3 m pod povrchom zeme v rozstupoch 60 cm. Tomu zodpovedá plocha pod kolektormi s veľkosťou 344 m².

Podľa údajov predajcu dosahuje tepelné čerpadlo pri prevádzkových teplotách nemrznúca zmes 0 °C/voda 35 °C v režime vykurovania výkonové číslo COP = 4,4. Na oboch podlažiach sa ako vykurovací systém odovzdávajúci teplo do vykurovaných priestorov použil veľkoplošný systém podlahového vykurovania. Na zabezpečenie nízkej teplotnej hladiny prevádzky tepelného čerpadla vo vykurovacom režime sa systém podlahového vykurovania pri jeho nominálnych prevádzkových podmienkach navrhol tak, aby maximálna výstupná teplota nepresiahla počas prevádzky teplotu 35 °C.

Odovzdávanie tepla do vykurovaných priestorov podlahovým systémom sa uskutočňuje reguláciou výstupnej teploty z tepelného čerpadla na základe vybranej vykurovacej krivky. Dodatočne možno pomocou centrálneho priestorového termostatu nastaviť požadovanú hodnotu vnútornej teploty vykurovaného priestoru. Vďaka použitiu špeciálneho spôsobu regulácie tepelného čerpadla nie je na prevádzku tepelného čerpadla potrebný dodatočný zásobník vyrovnávania tepelnej záťaže.

Vyhodnotenie
Aby bolo možné uskutočniť hodnotenie energetickej prevádzky tepelného čerpadla, inštalovalo sa do systému 25 meracích miest, 20 teplotných snímačov, 3 merače prietoku a jeden merač na meranie spotreby elektrickej energie tepelného čerpadla. Signály z meracích miest sa každých 5 sekúnd zaznamenávali do PC, pričom na zber údajov sa použil program Labview. Ročne tak bolo na vyhodnotenie experimentu k dispozícii približne 6,3 milióna nameraných údajov.

V tabuľke je uvedené vyhodnotenie údajov od roku 2005 do roku 2007 počas prevádzky zariadenia výlučne v režime vykurovania, pričom namerané údaje vždy reprezentujú časový úsek od 1. januára do 31. decembra. V prvom roku sa namerala spotreba energie na vykurovanie v hodnote 11 481 kWh. Elektrická energia spotrebovaná na pohon kompresora dosahovala 2 662 kWh, pričom táto elektrická energia v sebe nezahŕňala energiu na pohon obehových čerpadiel vo vykurovacom okruhu, ani okruh zemných kolektorov a reguláciu. Bez zohľadnenia týchto spotrieb energií dosahovalo sezónne výkonové číslo tepelného čerpadla v roku 2005 hodnotu 4,31.

Sumarizovanie výsledkov pre vykurovanie od roku 2005 do 2007

V nasledujúcom roku sa systém podlahového vykurovania nanovo hydraulicky vyreguloval a dvojcestné motorické ventily pre rozdeľovače vykurovacích okruhov sa odstránili, pričom objemový prietok vykurovacej vody cez kondenzátor zostal konštantný. Ďalej sa vymenili aj obehové čerpadlá vykurovacích okruhov, čím sa na obidvoch stranách zvýšil objemový prietok. V dôsledku týchto opatrení sa znížila frekvencia zapínania tepelného čerpadla z 2 086-krát na 1 733-krát za rok, pričom sa zachoval takmer rovnaký prevádzkový čas.

Sezónne výkonové číslo vzrástlo na hodnotu 4,38. Keďže sa v rokoch 2005 a 2006 namerali približne rovnaké priemerné ročné teploty vzduchu, resp. priemerné minimálne teploty vzduchu, dokladá sa tým zlepšenie spôsobu prevádzky tepelného čerpadla na základe hydraulického vyregulovania a udržiavania konštantného objemového prietoku.

V roku 2007 vzrástlo výkonové číslo na hodnotu 4,53. Ako vidno na obr. 2, vyplýva to z miernejšej zimy na prelome rokov 2006 a 2007. Mierne teploty spôsobili to, že sa pôda začala regenerovať približne o jeden a pol mesiaca skôr, než v roku 2006. Pritom teplota nemrznúcej zmesi dosahovala už začiatkom marca také hodnoty, aké sa v predchádzajúcom roku namerali až v strede apríla.

Obr. 2: Priebeh vonkajšej teploty vzduchu, teploty nemrznúcej zmesi v okruhu zemného kolektora a výkonového čísla od roku 2005 do roku 2007

Vyhodnotenie rokov 2005 až 2007 ukazuje priebeh výkonového čísla tepelného čerpadla, ktorý zodpovedá priebehu vonkajšej teploty vzduchu. V zimných mesiacoch však nevzniká výrazný pokles, ako nastáva pri vonkajšej teplote vzduchu. V tomto časovom úseku ostáva výkonové číslo približne konštantné. Dôvodom tohto javu je teplota nemrznúcej zmesi na prívode.

Na obr. 3 je znázornený priebeh teploty nemrznúcej zmesi na prívode v závislosti od ročného obdobia. Prezentované merané body zodpovedajú časovému úseku troch rokov. Jasne možno rozpoznať, že koncom decembra dosahujú teploty svoje minimum. Od tohto časového bodu ostáva teplota nemrznúcej zmesi – aj napriek ďalšiemu odoberaniu energie – pri hodnote –1 °C. Tento približne konštantný priebeh teploty počas troch mesiacov spôsobilo vytvorenie ľadového prstenca okolo potrubia nemrznúcej zmesi. Zmenou skupenstva vody, ktorá je obsiahnutá v pôde, z kvapalného stavu na tuhý, možno odobrať zo zeme dodatočné teplo bez toho, aby sa zmenila teplota.

Obr. 3: Teplota nemrznúcej zmesi na prívode v závislosti od ročného obdobia

Pri poddimenzovanom zemnom kolektore nadobúda priebeh teploty nemrznúcej zmesi svoje minimum, ktoré je podstatne nižšie ako –1 °C. V týchto prípadoch by sa ľadový prstenec okolo potrubia natoľko rozšíril, že plynulá vrstva námrazy by s najväčšou pravdepodobnosťou prerástla medzi prívodným a spiatočným potrubím zemného kolektora. To by spôsobilo, že sa zníži tepelný tok z hlbších vrstiev zeme ku kolektoru a takisto aj to, že povrchová voda by nemohla prenikať do hlbších vrstiev zeme, čím by sa spomaľoval čas regenerácie zeme.

Priebeh výkonového čísla COP na obr. 4 zobrazuje približne lineárny pokles s rastúcim teplotným rozdielom medzi teplotou prívodu vykurovania a nemrznúcej zmesi. Pokles výkonového čísla COP až po teplotný rozdiel 28 K nastal výlučne vplyvom klesajúcej teploty nemrznúcej zmesi. Od rozdielu 29 K sa menila teplota nemrznúcej zmesi len veľmi nepatrne. Príčinu tohto javu sme už spomenuli. Od tohto teplotného rozdielu stúpalo minimum teploty na prívode vykurovania z 27 °C až na 35 °C.

Obr. 4: Priebeh výkonového čísla COP v závislosti od teplotného rozdielu vykurovania a nemrznúcej zmesi

Záver
Používanie tepelného čerpadla ako jediného systému prípravy tepla pre rodinné domy zaznamenáva v Rakúsku neustály nárast. K dôvodom patria nielen vysoké náklady na vykurovanie pri systémoch s extra ľahkým vykurovacím olejom, podstatnú úlohu hrá aj uvedomovanie si ochrany životného prostredia.
Prezentovaný systém tepelného čerpadla v rodinnom dome ukazuje, že pri správnom návrhu a realizácii tepelnej ochrany budovy, systému rozvodu tepla a systému odovzdávania tepla možno bez problémov dosiahnuť sezónne výkonové číslo, ktoré výrazne presahuje hodnotu 4. Inými slovami, systém tepelného čerpadla sa začína pri energii prostredia a končí sa na povrchu podlahy (teplovýmenná plocha vykurovacieho systému), resp. na obvodovom plášti budovy.

Namerané údaje získané počas troch rokov ukazujú kontinuálny priebeh denných výkonových čísiel, ktorý sa mení podľa vonkajšej teploty vzduchu. Výkonové čísla sa pohybujú medzi hodnotami 6,5 a 4 (tesne pod hodnotou 4). Hodnoty pod 4 na začiatku roka 2005 nastali v dôsledku hydraulicky nevyregulovaného podlahového vykurovania a tiež menšieho objemového prietoku v okruhu nemrznúcej zmesi a vykurovacieho okruhu. V nasledujúcich rokoch bolo potom možné dosiahnuť vyššie výkonové čísla.

Namerané teploty na prívode okruhu nemrznúcej zmesi jasne dokazujú, že zemný kolektor je dostatočne nadimenzovaný. Ak by sa navrhla kratšia dĺžka kolektorových hadov, teplota nemrznúcej zmesi by bola v zimných mesiacoch podstatne nižšia.

Najväčší vplyv na výkonové číslo tepelného čerpadla má rozdiel teplôt medzi médiami na výparníku a kondenzátore. Zníženie teplotného rozdielu o 1 K spôsobí zvýšenie výkonového čísla približne o hodnotu 0,13.

Pri návrhu tepelného čerpadla sa však nesmie zabudnúť na jednu vec: Prevádzka tepelného čerpadla vyžaduje elektrickú energiu, ktorá sa získava z rozličných zdrojov primárnej energie. Aby sa udržal čo najnižší možný počet novovznikajúcich elektrární, zákonodarcovia by mali pre všetky systémy tepelných čerpadiel (bez ohľadu na zdroj energie prostredia) predpísať minimálnu hodnotu sezónneho výkonového čísla 4 pre režim vykurovania a táto hodnota by sa mala pri náhodne vybraných aplikáciách aj preverovať.

DI (FH) Erich Draxler, Ing. Peter Matej
Recenzoval: Ing. Belo Füri, PhD.
Foto a obrázky: archív autorov

E. Draxler pôsobí na HTL (Höhere Technische Lehranstalten) Burgenland (Rakúsko) ako lektor, P. Matej pracuje v spoločnosti Dalkia , a. s., v Bratislave.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.