Postup při návrhu tepelných čerpadel
Postup dimenzování tepelných čerpadel, návrh na přibližně 70 % tepelných ztrát. Vliv proměnlivosti topného výkonu a příkonu, výkonové křivky a nutnost pracovat s topným výkonem při maximální tepelné ztrátě.
Obr. 1
V článku je popsán postup pro dimenzování tepelných čerpadel. Tato zařízení se často z ekonomických důvodů dimenzují pouze na přibližně 70 % tepelných ztrát objektu. Proměnlivost topného výkonu a příkonu je patrno z výkonových křivek. Jmenovitý výkon tepelných čerpadel se udává při parametrech daných normou ČSN EN 14511. Pro potřeby dimenzování je třeba pracovat s topným výkonem při maximální tepelné ztrátě.
Hlavním důvodem pro instalaci tepelného čerpadla je snížení plateb za vytápění a přípravu teplé vody. Tato zařízení mají sice vyšší pořizovací náklady, dokáží však přinést nemalé úspory provozních nákladů. Z těchto důvodů vyplývá také přístup k návrhu zdroje tepla s tepelným čerpadlem. Dimenzování zdroje závisí na typu tepelného čerpadla a způsobu využití. Pokud je nízkopotencionální zdroj tepla (země, voda a vzduch) o vysoké teplotě a potřebném množství, kde není třeba velkých drahých výměníků, vyplatí se zdroj dimenzovat na 100 % tepelného výkonu. Také pro instalace, kde je přibližně konstantní odběr tepla v zimě i na podzim, je návrh na 100 % potřebného výkonu opodstatněný. Pro vytápění objektů, kde jsou maximální tepelné ztráty dosahovány cca 10 dní v roce, je hospodárnější navrhnout zdroj na přibližně 70 % tepelných ztrát objektu. Úspora, kterou bychom dosáhli při 100% výkonu tepelného čerpadla, nezaplatí navýšení ceny za větší tepelné čerpadlo a také například u typu země/voda za hlubší vrt. Tato zařízení se tedy navrhují nejčastěji v bivalentním zapojení, kde v nejchladnějším období roku připíná elektrická topná patrona nebo elektrokotel. Další možností je přitápění v kotli na tuhá paliva nebo v krbu. Četnost maximální tepelné ztráty je patrna na obr. 1.
U tepelných čerpadel závisí topný výkon, elektrický příkon a tedy i topný faktor COP na vstupní teplotě na primární straně (teplota venkovního vzduchu, teplota nemrznoucí směsi z vrtu, teplota vody ze studny) a na sekundární straně (teplota vody z podlahového vytápění, otopných těles, akumulační nádoby, atd.). Proměnlivost topného výkonu a elektrického příkonu je patrna z výkonových křivek na následujících grafech (obr. 2, 3).
Obr. 2
Obr. 3
Obr. 4
Jmenovitý výkon tepelných čerpadel se udává při parametrech daných normou ČSN EN 14511. Pro potřeby dimenzování je třeba pracovat s topným výkonem při maximální tepelné ztrátě. Pro TČ typu vzduch/voda to znamená při venkovní teplotě vzduchu −12 až −21 °C dle lokality v ČR. Také teplota z vrtu u TČ země/voda je proměnná, uvažovaná teplota se v tomto případě pohybuje od −2 do 2 °C dle podloží, délky vrtu a provozních hodin. Průběh teplot z vrtu je vidět na následujícím grafu (obr. 4).
Obr. 5
Jak je třeba dimenzovat tepelné čerpadlo pro monovaletní (A), paralelně bivalentní (B), alternativně bivalentní (C) a bivalentně částečně paralelní (D) provoz je patrno z následujícího obrázku 5. Monovalentní zdroj kryje celou tepelnou ztrátu objektu. Paralelně bivalentní zdroj připíná při nedostatečném výkonu tepelného čerpadla. Alternativně bivalentní zdroj nahrazuje celým výkon tepelného čerpadla v období, kdy již není schopné pracovat například z důvodu nízkých teplot. A bivalentně částečně paralelní je kombinací stavů (B) a (C)
Na diagramech uvedených výše je patrný průsečík křivek tepelné ztráty objektu a topného výkonu tepelného čerpadla. Tento průsečík, ve kterém již není tepelné čerpadlo schopno plně pokrýt tepelnou ztrátu objektu, se nazývá bod bivalence. Na horizontální ose venkovní teploty vzduchu je označena teplota bivalence tb, při které připíná dodatkový zdroj tepla.
Pro rodinné domy je navýšení výkonu tepelného čerpadla pro zahrnutí přípravy teplé vody poměrně malé. Zvýšení topného výkonu se pohybuje mezi 0,5 až 2 kW.
U velkých objektů, kde je více zdrojů tepla a více odběrných míst, závisí volba výkonu na zkušenostech projektanta a není pro tato řešení jednoduchý universální návod. V těchto případech se výkon tepelného čerpadla často volí s ohledem na ekonomicky nejvhodnější řešení. Pro speciální aplikace je v této době rozumné využít matematické simulace. Časově náročné modelování objektu a zdroje tepla je samozřejmě i finančně náročnější. Může ovšem uspořit několikanásobně více investiční i provozních nákladů, než stojí zpracování potřebné studie.
Autor v článku popisuje základní přístup k dimenzování tepelných čerpadel pro rodinné domy, jak přistupovat k návrhu výkonu tepelného čerpadla u jednotlivých typů a jaké provozní stavy při provozu TČ mohou nastat.
The article describes a procedure for sizing of heat pumps. These devices are often dimensioned for economic reasons only approximately 70 % of the heating load of the building. Variability of heating capacity and power input can be seen from the heating capacity performance curves. Declared heating capacity of heat pumps is given in the parameters of the standard EN 14511. For the purposes of sizing is necessary to work with a heating capacity at maximum heating load.
