Základní zásady návrhu plošného zemního kolektoru pro tepelné čerpadlo země/voda
Jak zákazníci, tak instalační firmy stojí často před dilematem, jak správně dimenzovat a navrhovat zemní kolektorový systém pro tepelné čerpadlo typu země/voda. Rozsáhlé zkušenosti výrobce tepelných čerpadel OCHSNER Wärmepumpen GmbH potvrzují, proč je při návrhu zemního kolektoru vhodné respektovat normu VDI 4640.
Každý z výrobců k tématu volí svůj specifický přístup. V poslední době se jedná zejména o cenu instalace. Dokonce i zkušené instalační firmy sahají velmi často ke kompromisním řešením, které spočívají v redukci kolektorového systému na pouhou jednu, případně dvě kolektorové smyčky, připojené na primární stranu tepelného čerpadla. Redukci počtu větví nahrazují prodloužením potrubí, v praxi až několikanásobným, oproti správně dimenzované sestavě. Dost často se setkáváme s instalacemi se silně poddimenzovaným „primárem“, kdy je teplonosná plocha redukována pod únosnou míru.
Výsledkem obvykle bývá skutečnost, že instalace nepracuje v optimálním pracovním režimu. Zákazník za své peníze sice získá kvalitní tepelné čerpadlo, ovšem sám v praxi nedovede posoudit účinnost instalace, protože pro to nemá žádné nástroje. I v případech, kdy bylo navrženo kvalitní tepelné čerpadlo a úspora se přesunula na primární část, je výsledek častokrát sporný, nebo málo efektivní. Investice, někdy i dost vysoká, následně nepřináší očekávané úspory. Často situace vypadá tak, že instalatér za cenu okamžitých úspor a vidiny získání zakázky není ochoten klientovi objasnit správné fungování instalace. Následně klient volí kompromisní řešení a není si vědom faktu, že instalatér na něj přenáší zvýšené dlouhodobé náklady na provoz tepelného čerpadla, případně rizika spojená s omezenou funkčností systému.
Často je podobná instalace nevhodnou reklamou tepelným čerpadlům vůbec. Laická veřejnost velmi citlivě vnímá tyto trendy a začíná se dělit na dva tábory: těch, co odmítají tepelné čerpadlo a priori a na ostatní, kteří již špatnou zkušenost získali a často marně hledají firmu, která jim to „sestaví pořádně“.
Abychom správně porozuměli návrhu, popišme si jednotlivé díly zdrojové části systému tepelného čerpadla země/voda:
Provedení vyústění sběrného potrubí k tepelnému čerpadlu v kotelně. Zařízení GMSW 10 plus s příslušenstvím, zásobník na ekvitermní topnou vodu 300 l, zásobník pro TUV 300 l. Kolektorové pole 5 × 150 m DN32 s plastovou prefabrikovanou jímkou, uloženou asi 12 m od kotelny.
- Kolektorové potrubí. Tento tzv. zemní kolektor slouží pro získávání tepla ze zemského podloží v hloubce asi 1,5 m. Potrubí je plastové, v několika provedeních, od nejlevnějšího, které je nutno pískovat až po „pancéřové“, (odolné vůči trhlinám, promáčknutí a proti bodové zátěži) které je odolné i proti kamenům a dlouhodobému tlaku na malou plochu povrchu. Je obvykle rozděleno do jednotlivých větví, které jsou napojené paralelně na tzv.:
- Sběrač a rozdělovač, který slouží k sběru média a jeho distribuci do jednotlivých větví. Rozdělovač a sběrač sám o sobě tvoří dost velkou nákladovou položku instalace, protože je osazen uzavíracími armaturami a dalšími prvky. Kromě toho jsou všechny tyto díly umístěny často v zařízení, zvaném:
- Šachtice. Existuje mnoho typů šachtic, od celé řady výrobců, buďto vodotěsných, nebo vsakovacích. Triviálním příkladem šachtice může být také obyčejná betonová skruž s víkem, na jejíž stěny se namontují rozdělovač se sběračem a do které se zavedou oba konce kolektorových trubek. Dalším dílem, který přichází v úvahu je:
- Sběrné potrubí, které propojuje šachtici s primární stranou tepelného čerpadla. Potrubí bývá dimenzováno tak, aby nezvyšovalo tlakovou ztrátu celé kolektorové sestavy, tedy nejméně o jednu až dvě dimenze větší, než kolektorová trubka. Tímto také dojde k harmonizaci proudění média. Dimenze potrubí se navrhuje tak, abychom při potřebném průtoku tepelným čerpadlem dostali rychlost proudění média poblíž hranice turbulence s přihlédnutím k vhodné tlakové ztrátě celé soustavy zdroje tepla.
Výkop pro příkopové uložení, hloubka 1,8 až 2 m, šířka 80–90 cm.
Příklad podpískování – příkopová pokládka kolektorů. Instalace GMSW 7 plus pro topení s vyrovnávacím zásobníkem 200 l, kolekorové pole 4 × 120 m PE-GT v příkopovém uložení.
Jímka s rozdělovačem a sběračem.
Při návrhu plošného kolektorového systému firma OCHSNER využívá německou normu VDI 4640 – 1, která udává podmínky správné pokládky tepelného kolektoru pro využití podloží dle nejnovějších standardů. Tato norma vychází z praxe a je výsledkem dlouhodobého výzkumu a vývoje kolektorových systémů. Návrh kolektoru podle této normy funguje spolehlivě i pro podloží suchá, nebo s nízkou tepelnou kapacitou, takže nedochází k vymražení podloží, tudíž k zvýšení nákladů na vytápění ani při stoprocentním pokrytí tepelné ztráty budovy.
Klíčovým údajem pro návrh kolektorového systému se ukazuje být tzv. „extrakční kapacita půdy“, která závisí na několika faktorech. V souvislosti s počtem provozních hodin tepelného čerpadla se definuje jako počet provozních hodin zvlášť pro topení a pro topení a ohřev teplé vody dohromady.
Norma při návrhu topné soustavy počítá s maximálním počtem provozních hodin pouze pro topení ve výši 1800 h/p. a., zatímco pro topení a ohřev teplé vody maximální počet provozních hodin může dosáhnout až hodnoty 2300 h/p. a.
Pro výpočet délky kolektorů a pokládkové plochy nám poslouží údaje normy, které jsem seřadil do tabulky:
| Typ podloží | Max. specifická extrakční kapacita při 1800 prov. h/ročně | Max. specifická extrakční kapacita při 2400 prov. h/ročně |
|---|---|---|
| Suchá, nesoudržná půda | 10 W/m2 a 5 W/bm | 8 W/m2 a 4 W/bm |
| Soudržná, vlhká půda | 20–30 W/m2 a 15 W/bm | 16–24 W/m2 a 12 W/bm |
| Vodou nasycený písek/štěrk | 40 W/m2 a 20 W/bm | 32 W/m2 a 16 W/bm |
Pokud vezmeme v úvahu běžný případ soudržné a vlhké půdy jílovitého typu, dostáváme v podstatě čtyři důležité údaje – extrakční kapacitu pro plochu a pro metr pokládkového potrubí, určenou zvlášť pro topení a pro topení s teplou vodou. Již zde vidíme, že obě hodnoty se dost liší. Pokud využijeme tepelné čerpadlo pouze pro topení, pokládková plocha vyjde o něco menší, než v případě topení a ohřevu teplé vody současně.
Pro náš výpočet budeme uvažovat se střední hodnotou extrakční kapacity, tedy pro 1800 h/p. a. to bude 25 W/m2 a pro 2400 h/r to bude hodnota 20 W/m2. Tyto hodnoty vyhovují běžným typům těžších jílovo-hlinitých půd s trvale obsaženou vlhkostí.
Zkusme si dát konkrétní příklad:
Příklad výpočtu kolektorového pole
Novostavba domku o vytápěné ploše 150 m2 s tepelnou ztrátou 8 kW s podlahovým vytápěním. Domek obývají čtyři osoby. Pro ohřev vody připočtěme ke ztrátovému výkonu za každou osobu 0,25 kW, tedy celkem 1 kW.
Celková výkonová potřeba pro domek, při venkovní výpočtové teplotě −15 °C bude tedy 9 kW.
Uvedenému výkonu vyhovuje při jeho stoprocentním pokrytí například tepelné čerpadlo OCHSNER GMSW 10 plus. Zkusme prověřit, zda toto tepelné čerpadlo vyhoví i z provozního hlediska a provedeme návrh.
Potřeba tepla pro teplou vodu:
Při potřebě teplé vody 52 °C teplé v množství 50 l na osobu a den je celoroční potřeba tepla následující (Qr = množství tepla v kWh za rok, m = množství vody v m3 za rok, c = měrná tepelná kapacita vody ve kWh/m3, dT = rozdílová teplota ohřevu při vstupní teplotě vody 10 °C a výstupní teplotě 52 °C, dT = 52 − 10 = 42 K (Kelvinů):
Qr = (0,05 × 4 × 365) × 1,163 × 42
Qr = 3566 kWh
Po započtení 20% ztrát, domek bez cirkulace TUV:
Počet provozních hodin tepelného čerpadla pro ohřev teplé vody
Při výpočtu provozních hodin musíme vzít v úvahu, že hodnota teploty solanky 0 °C je pro účely výpočtu braná jako průměrná. Při dobře navrženém kolektoru je tato hodnota o něco vyšší. Nicméně budeme vycházet z průměrné hodnoty 0 °C, při níž má tepelné čerpadlo GMSW 10 plus v bodě B0/W50 výkon (Pn) kolem 9 kW. Dále je již výpočet jednoduchý:
Počet provozních hodin Tr vypočteme takto:
Tr = 4 458 : 9,0 = 495,3 hodin/r.
Již zde je vidět, že uváděná rozdílová hodnota počtu provozních hodin pro ohřev teplé vody dle normy VDI 4640, která je 600 hodin, je v tomto případě bohatě splněná.
Potřeba tepla pro topení
Pro zjednodušení práce při výpočtu kolektorové plochy využijeme potřebu tepla uvedenou v energetickém štítku, projektu topení, anebo využijeme stránky TZB-info:
Při devítikilowatové tepelné ztrátě a výpočtové teplotě −15 °C, vnitřní průměrné výpočtové teplotě 21 °C je roční spotřeba tepla domku cca 19 300 kWh.
Výkon tepelného čerpadla OCHSNER GMSW 10 plus v standardním bodě B0/W35 je dle technického listu Pn = 10,3 kW, příkon 2,25 kW, v bodě B0/W50 je tepelný výkon na výstupu tepelného čerpadla 9 kW, zatímco příkon je 2,9 kW.
Pro výpočet provozních hodin Tr tepelného čerpadla pro topení opět využijeme jednoduchý vzorec:
Tr = 19 300 : 10,3 = 1 874 hodin/r.
Výpočet pokládkové plochy a délky kolektoru
Vzhledem k tomu, že podstatná část příkonu kompresoru se mění na tepelnou energii, můžeme tuto skutečnost promítnout do výpočtu. Ze země budeme muset extrahovat pouze tu tepelnou energii, která není dodaná z kompresoru. Vypočteme ji jako rozdíl tepelného výkonu tepelného čerpadla a příkonu kompresoru v obou pracovních bodech (ztráty zanedbáme a naproti tomu zaokrouhlíme délku jednotlivých větví kolektoru na celá čísla směrem nahoru):
Qe2 = (9 − 2,9) = 6,1 kW
Přičemž hodnota Qe1 znamená okamžitý extrakční výkon ze země v režimu topení a Qe2 znamená okamžitý extrakční výkon ze země v režimu ohřevu teplé vody. Budeme se držet vyšší hodnoty, tj. 8,05 kW, na kterou kolektorové pole vypočteme, s ohledem na normovanou extrakční kapacitu dle normy VDI 4640.
Výpočet celkové pokládkové plochy
Maximální potřebný okamžitý extrakční výkon Qe1 podělíme maximální měrnou extrakční kapacitou půdy Qs pro topení a ohřev TUV a dostáváme potřebnou extrakční plochu:
S = 8 050 W : 20 W/m2 = 403 m2
Výpočet délky kolektoru
Maximální potřebný okamžitý extrakční výkon Qe1 podělíme maximální měrnou extrakční kapacitou na jeden metr délky potrubí Ql :
S = 8 050 W : 12 W/bm = 671 m
Výpočet počtu kolektorů
Při proudění nemrznoucí směsi v zemním plošném kolektoru dochází ke sdílení tepla (nucenou) konvekcí tedy prouděním (nemrznoucí směs vůči stěně trubky) a dále kondukcí tedy vedením tepla stěnou trubky a dále vedení tepla zeminou. Dle druhého termodynamického zákona platí, že tepelná energie vždy proudí směrem z teplejšího tělesa na studenější, tedy nemůže nastat stav, kdy teplo samovolně přechází z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. Problém je ale celkem komplikovaný a závisí na mnoha parametrech, např. typu proudění (závislost na viskozitě, geometrii potrubí a rychlosti proudění), součiniteli přestupu tepla, měrných tepelných vodivostech jednotlivých vrstev apod.
Celkový tepelný tok, nebo mluvme třeba o výkonu daného kolektoru ve (W) je pak závislý na všech (a ještě více) uvedených parametrech a pak samozřejmě na délce (teplosměnné ploše) samotného kolektoru a teplotním rozdílu mezi teplonosnou látkou a okolím. Pokud si řekneme, že posuzujeme dva kolektory, třeba 4 × 100 m a 1 × 400 m v celku, okrajové podmínky ponecháme pro oba systémy stejné, zjistíme že:
Kolektor 4 × 100 m pracuje tak, že průtok je rozdělen na čtyři stejné díly, které pokud budou stejné okrajové podmínky pro všechny čtyři, budou pracovat se stejným tepelným spádem nemrznoucí směsi řekněme −4 °C / 0 °C v teplonosné látce a teplota okolní zeminy třeba 5 °C. Pokud bych měl zjednodušeně vyjádřit tepelný tok, ke kterému dochází (výkon), pak to bude Q = U × L × ΔT. U je součinitel, který obsahuje všechny výše uváděné vlivy jako proudění, tepelná vodivost, geometrie potrubí apod., L je délka potrubí a ΔT je teplotní spád mezi zeminou a teplonosnou kapalinou (přesněji povrchové teploty).
Ze vzorce je patrné, že na začátku kolektoru je výkon jasně nejvyšší, protože je největší gradient teplot mezi teplonosnou látkou a okolním prostředím (zeminou) apod. Výhodou tohoto řešení je tedy to, že rozdělíme průtok do více okruhů a získáme mnohem delší úsek potrubí s vyšším teplotním rozdílem mezi zeminou a kapalinou a tím pádem také vyšší výkon.
Kolektor 1 × 400 m má svůj maximální potenciál cca v prvních 200 m, ale zbývající metry už pracují s velmi malým teplotním gradientem a tím pádem malým výkonem, který je již nedostatečný k dohřevu kapaliny na požadovanou teplotu. Tím pádem zajistíme spád na primáru jen cca 0 / −3 °C. Zbytek práce musí udělat kompresor, ovšem za cenu zvýšených nákladů na topení. Přitom cca posledních 80–100 m kolektoru se dostává již do tzv. „inertní fáze“, tudíž množství předaného tepla se téměř rovná nule.
Celá situace je dobře znázorněna na obrázcích:
Temperaturverlauf mit Verteiler
Temperaturverlauf ohne Verteiler
Levý obrázek ukazuje rozložení teplot a teplotní zisk při rozdělení kolektoru na větší počet kratších potrubí, spojených paralelně.
Pravý obrázek ukazuje jeden kolektor v maximální délce, dle výpočtu.
Vidíme, že na pravém obrázku není teplotní spád mezi půdou a kolektorem dostačující, aby odebíral teplo, tudíž od určité délky zůstává kolektor jakoby „nefunkční“.
Empirickým zkoušením se zjistilo, že nejlepší využití teplotního gradientu, a tudíž optimální délka kolektoru je 130 m. OCHSNER preferuje délku jedné větve do max. 120 m proto, aby byla celá délka trubky využita v maximálním tepelném zisku.
Jelikož není vhodné spojovat kolektorovou trubku na spojky do země z důvodu možného uvolnění spoje během doby, preferujeme pokládat trubky beze spojů a jejich konce připojovat k rozdělovači.
V praxi dostaneme koupit kolektorové trubky v různých délkách, např. 100, 150, 200 m v dimenzi DN 25 a DN 32. Vybereme si délku, která je nejbližší optimální délce 130 m. V tomto případě je to délka 150 m. Použijeme rozměr DN 32, který se v českém podloží dokáže prohřát v celém průřezu. Následně vypočteme počet kolektorových trubek, které budou použity pro konstrukci kolektorového pole:
Výpočet počtu kolektorů – korekce podle délky potrubí
Vypočtenou délku kolektoru podělíme 150 m:
Jelikož nám číslo přesáhlo celou číslici, doporučujeme zvolit číslo nejbližší vyšší, tedy 5 ks kolektorových trubek délky 150 m, což je celkem 750 m.
Zpětný propočet roztečí kolektorů při pokládce
Vypočtenou plochu pokládky 403 m2 podělíme délkou kolektoru:
Rozteč jednotlivých trubek kolektorů při pokládce kolektorového pole je 0,54 m. Trubky pokládáme do hloubky cca 0,5 m pod nezámrznou hloubku, což je 1,3–1,5 m pod povrchem půdy.
Použijeme rozdělovač a sběrač pro 5 větví, eventuelně použijeme příslušnou šachtici s potřebným počtem vývodů.
Rady a doporučení pro instalaci zemních systémů
Každý výpočet zdrojové strany tepla by měl zohlednit skutečně potřebné množství předávaného tepla. Toto množství tepla musí být přenositelné. To znamená, že:
- Délka a způsob uložení kolektorů musí být taková, aby umožnila uvedené množství tepla odebrat ze země. Zde jsou ve zdánlivé „nevýhodě“ tepelná čerpadla s vyššími topnými faktory proti tepelným čerpadlům s nižšími topnými faktory. Kvalitnější stroj produkuje méně vlastního tepla kompresoru, a tudíž musí odebrat zemi větší množství energie. To vyžaduje masivnější dimenzování kolektorového systému. Ovšem výsledkem je kvalitní instalace s minimální spotřebou elektřiny a maximální efektivitou.
- Průtoky v potrubí musí respektovat množství přenášeného tepla při daných teplotních spádech. Nastavení průtoků jak primární, tak sekundární strany musí respektovat doporučení výrobce. Při menším, než nominálním, průtoku tepelné čerpadlo nepřenáší dostatek energie, zatímco při větším průtoku má cirkulační čerpadlo zbytečně větší spotřebu elektrické energie, čímž se snižuje celková účinnost tepelného čerpadla.
- Tepelné čerpadlo musí umět toto teplo přenést ze země až do topného systému. Tady platí, že „síla řetězu se rovná síle jeho nejslabšího článku“.
- Systém distribuce tepla musí být přizpůsoben teplotním spádům, které jsou pro tepelná čerpadla přijatelné. Zejména u starších budov pořád existují systémy, které byly vypočteny na samotíž a teplotní spády 90/70 °C. Vhodnými úpravami lze snížit potřebný teplotní spád na přijatelné hodnoty pro instalaci tepelného čerpadla.
Naší snahou bylo poukázat na osvědčené metody instalace zemních kolektorových systémů a upozornit všechny zájemce o danou problematiku na to, že experimenty při návrhu se ne vždy vyplatí a mohou nést sebou velmi rizikové momenty. I když klient investuje celkem slušné peníze do kvalitního tepelného čerpadla, je ještě mnoho dalších míst, kde může vzniknout problém a od nichž se odvíjí celková reálná účinnost instalace. V praxi dost často narážíme na instalace, u kterých jsou různé tendence podcenit buďto výkon tepelného čerpadla, nebo, ještě častěji, výkon jeho kolektorového systému. Mějme však na paměti, že kvalitně provedená instalace s dobře dimenzovaným kolektorovým polem je nejenom vizitkou instalační firmy, ale vrátí se zpět ve spokojenosti zákazníka a jeho doporučení dalším klientům.
Závěrem bych chtěl poděkovat firmě GEROtop za dodání části materiálů a obrázků. Zbývající informace pocházejí z rozsáhlého know-how firmy OCHSNER Wärmepumpen, G. m. b. H. a z našich zkušeností při návrhu a instalaci kolektorových systémů.
Možnosti pokládky kolektorů a důsledky špatného návrhu kolektorového systému budou uveřejněny 14. 8. 2013 na webu www.ochsnerpartner.cz.
Premium Power s.r.o. je výhradním dodavatelem rakouských tepelných čerpadel OCHSNER na český a slovenský trh. Zajišťujeme dodávky, montáže, autorizované spuštění a také záruční a pozáruční servis dodaných zařízení.
