Návrh plochy podpovrchového výměníku pro tepelné čerpadlo

Datum: 20.7.2015  |  Autor: doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., UCEEB ČVUT, Buštěhrad  |  Recenzent: Ing. Bořivoj Šourek, Ph.D.

Navrhování zemních podpovrchových výměníků pro tepelná čerpadla země-voda není tolik citlivé na přesnou znalost vlastností podloží. I přesto je vhodné se držet zjednodušeného návrhu podle ČSN EN 15450 a jejích návrhových hodnot. Autor ukazuje rozšíření postupu výpočtu při podrobnější znalosti roční bilance budovy zásobované teplem.

Úvod

Tepelné čerpadlo země-voda odebírající teplo z podpovrchového plošného výměníku vyžaduje jeho správně navrženou plochu, která musí být k dispozici pro zajištění udržitelného provozu. Zemní masív v hloubkách do 2 m se na rozdíl od zemních sond není tolik různorodý jako podloží u zemních sond. Navíc je podpovrchový výměník výrazně více ovlivňován venkovní teplotou a jeho přirozená regenerační schopnost je lepší. I tak je zapotřebí mít k dispozici alespoň rámcové údaje o samotném zemském masívu, parametry uvažovaného tepelného čerpadla a o potřebě tepla budovy, do které tepelné čerpadlo teplo ze země přečerpává. V následujícím textu je zopakován zjednodušený a detailnější výpočtový postup pro stanovení potřebné plochy podpovrchového výměníku, uvedený již v předchozí části.

Zjednodušený výpočet plochy podpovrchového výměníku

Pro návrh plochy výměníku (bez ohledu na jeho konstrukci) je možné použít zjednodušeného postupu uvedeného v normě ČSN EN 15450 [1], který vychází z německé směrnice VDI 4640-2 [2]. Podobně jako u zemních sond postup návrhu je platný pro tepelná čerpadla do výkonu 30 kW. Z topného výkonu ΦTC a topného faktoru COP použitého tepelného čerpadla při jmenovitých podmínkách B0/W35 (vstup do výparníku 0 °C, výstup z kondenzátoru 35 °C) se stanoví chladicí výkon výparníku

vzorec 1 (1)
 

Norma ČSN EN 15450 v tab. A.2 v příloze uvádí měrné odběrové tepelné toky qA [W/m2] podpovrchového výměníku pro různé druhy zemního masívu a roční doby provozu tepelného čerpadla, viz tab. 1 [1]. Provozní doba tepelného čerpadla se uvažuje pro režim pouze vytápění 1800 h/rok a pro kombinaci vytápění a přípravy teplé vody 2400 h/rok. Základní hodnotou pro běžné podloží je měrný odběrový tepelný tok 25 W/m2. Z tabulky je patrné, že hodnoty se mohou v závislosti na podloží lišit od cca 10 W/m2 (suchá podloží) až do 40 W/m2 (vodou nasycené podloží). Při prodloužení doby provozu sondy o 600 h/rok se v průměru snižuje odběrový tepelný výkon u všech druhů masívu o cca 20 %.

Tab. 1 Měrné odběrové tepelné toky plošného výměníku pro vybrané druhy zemního masívu [1]
Druh zemního masívuMěrný odběrový tepelný tok
doba provozu 1 800 hdoba provozu 2 400 h
suchá, nesoudržná půda10 W/m28 W/m2
vlhká, soudržná půda20 až 30 W/m216 až 24 W/m2
vodou nasycený písek nebo štěrk40 W/m232 W/m2

Potřebná plocha zemního výměníku A [m2] se pak stanoví ze vztahu

vzorec 2 (2)
 

Vypočtená plocha se v případě potřeby rozdělí mezi více okruhů pro snížení tlakových ztrát a výhodně se stejnou délkou potrubí pro snadné hydraulické vyvážení. Rozteč se běžně uvažuje okolo 1 m. Maximální délka jedné smyčky závisí na použitém průměru potrubí. Zároveň norma uvádí, že by mělo být uváženo, zvláště pro delší doby provozu i odebrané teplo na 1 m2 plochy výměníku. Množství odebraného tepla by se mělo pohybovat mezi hodnotami 50 a 70 kWh/m2 za rok [1].

Kontrola ročního odebraného množství tepla ze zemního výměníku tepelným čerpadlem v závislosti na době provozu tepelného čerpadla během roku je velice důležitá z hlediska udržitelnosti provozu v běžných podmínkách regenerace. Podobně jako u návrhu délky zemní sondy lze navrhnout podrobnější úpravu výše uvedeného výpočtového postupu právě s ohledem na množství tepla odebraného z podloží.

Podrobný výpočtový postup

Obr. 1 – Schéma odběru tepla plošným podpovrchovým výměníkem ze zemního masívu
Obr. 1 – Schéma odběru tepla plošným podpovrchovým výměníkem ze zemního masívu

U podrobného výpočtového postupu jsou vstupní informací pro návrh roční potřeba tepla domu pro vytápění, např. v souladu s ČSN EN ISO 13790 [3] a pro přípravu teplé vody, např. v souladu s ČSN EN 15316-3-1 až 3 [4-6]. Pro stanovení ročního množství tepla odebraného z podpovrchového výměníku, je nutné znát roční provozní topný faktor COProk tepelného čerpadla. Ten lze stanovit například jednoduchým odhadem s využitím tab. A.9 až A.11 uvedených v TNI 73 0331 [7], na základě jmenovitého topného faktoru COPN konkrétního použitého tepelného čerpadla, jmenovité teploty přívodní otopné vody soustavy vytápění a požadované teploty přípravy teplé vody. Jiný složitější postup předpokládá, že projektant už ve fázi projektu provede celoroční bilanci provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle ČSN EN 15316-4-2 [8] nebo podle zjednodušené verze v TNI 73 0351 [9] pro podmínky konkrétní instalace (konkrétní tepelné čerpadlo zapojené do konkrétní tepelné soustavy v konkrétním domě). Výhodou složitějšího postupu je získání informací nejen o ročním topném faktoru tepelného čerpadla COProk, ale i informace o skutečně dodané energii tepelným čerpadlem do domu Qdel, celkové spotřebě elektrické energie celého systému Esys nebo roční provozní době tepelného čerpadla τTC.

Z ročního množství tepla dodaného tepelným čerpadlem do budovy Qdel [kWh/rok] a ročního topného faktoru COProk samotného tepelného čerpadla v dané aplikaci lze potom stanovit tepelnou energii Qex [kWh/rok] odebranou z podpovrchového výměníku výparníkem tepelného čerpadla za rok podle vztahu

vzorec 3 (3)
 

Z energie odebrané výparníkem Qex [kWh/rok] a z předpokládané doby provozu tepelného čerpadla τTC [h/rok] se stanoví průměrný roční odběrový výkon [kW] jako

vzorec 4 (4)
 

Jak již bylo uvedeno, roční dobu provozu tepelného čerpadla lze stanovit intervalovou metodou nebo lze zjednodušeně použít poměr energie dodané tepelným čerpadlem Qdel [kWh/rok] k jeho jmenovitému výkonu ΦTC

vzorec 5 (5)
 

Ve většině instalací tepelných čerpadel země-voda je tepelné čerpadlo provozováno jako monovalentní zdroj tepla a energii dodanou tepelným čerpadlem lze proto ve vztahu (3) nahradit potřebou tepla pro vytápění a přípravu teplé vody.

Roční odběrový výkon Φex se potom použije ve vztahu (2) pro výpočet potřebné plochy zemního výměníku.

Závěr

Evropská norma ČSN EN 15450 ukazuje jednoduchý a spolehlivý postup výpočtu plochy podpovrchového zemního výměníku za běžných podmínek návrhu a provozu tepelného čerpadla pro vytápění, případně pro přípravu teplé vody v rodinném domě. V případě nestandardních podmínek lze použít podrobný postup s využitím výsledků z bilancování provozu tepelného čerpadla, který více zohledňuje reálný provoz budovy a reálně odebranou energii ze zemního výměníku.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Odkazy

  • [1] ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly
  • [2] VDI 4640-2 Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, Technische Regel, 2001.
  • [3] ČSN EN ISO 13790 Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ÚNMZ, 2009.
  • [4] ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody, ÚNMZ, 2010.
  • [5] ČSN EN 15316-3-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-2: Soustavy teplé vody, rozvody, ÚNMZ, 2010.
  • [6] ČSN EN 15316-3-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-3: Soustavy teplé vody, příprava, ÚNMZ, 2010.
  • [7] TNI 73 0331 Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet, ÚNMZ, 2013.
  • [8] ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla, ÚNMZ, 2011.
  • [9] TNI 73 0351 – 730351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.
 
Komentář recenzenta
Ing. Bořivoj Šourek, Ph.D.
Autor v článku velmi přehledně popisuje popis dimenzování podpovrchového výměníku pro TČ. Zároveň jsou v článku uvedeny veškeré odkazy na související normy, tak že čtenář, který bude chtít proniknout detailně do postupů výpočtu má přehled, které normy je třeba použít. Článek může být vhodným vodítkem pro projektanty, kteří se s dimenzováním podpovrchových výměníků pro TČ setkávají poprvé nebo používají jiné postupy.
English Synopsis
Design of underground heat exchanger area for a heat pump

Text presents the simplified calculation procedure for a design of ground flat heat exchanger area for the ground source heat pumps and its extension for the case if detailed information on the annual energy balance of the building is known.

 

Hodnotit:  

Datum: 20.7.2015
Autor: doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., UCEEB ČVUT, Buštěhrad   všechny články autora
Recenzent: Ing. Bořivoj Šourek, Ph.D.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcích 


Témata 2018

Partneři - Tepelná čerpadla

logo SINCLAIR
logo VAILLANT
logo PZP
logo CARRIER
logo STIEBEL ELTRON
logo MasterTherm

Odborný garant

Ing. Tomáš Straka, Ph.D.
Asociace pro využití tepelných čerpadel

Partneři - Vytápění

logo THERMONA
logo ENBRA
logo GEMINOX
logo FV PLAST
logo DANFOSS

Doporučujeme

 
 

Aktuální články na ESTAV.czNové administrativní centrum AFI Karlín bude příkladem možností vertikálních zahradNa brněnském výstavišti dnes začínají stavební veletrhyČeský ostrovní dům: Domy budoucnosti budou jednodušší, než si myslíteFOR ARCH 2018: Digitalizace ve stavebnictví se blíží