Projektuj tepelná čerpadla 2. díl – volba výkonu zdroje tepla
Aplikace „Projektuj tepelná čerpadla“ společnosti GT Energy řeší výběr tepelného čerpadla, návrh přípravy teplé vody, aktivní nebo pasivní chlazení, otázky hluku, schéma zapojení a prezentuje časté chyby. Pracuje s 21 typy elektrických a plynových TČ. Článek se zaměřuje na určení výkonu.
Obr. Příklad kombinace druhů tepelných čerpadel, objekt Wellness & Spa. Tři tepelná čerpadla IVT Air X, která zajišťují teplo pro vytápění (podlahové), ohřev vody v bazénu a VZT a pro přípravu teplé vody vysokoteplotní tepelné čerpadlo Q-ton.
Přesně navržený výkon zdroje tepla bez zbytečných rezerv výrazně snižuje pořizovací cenu zdroje tepla, a tedy tepelných čerpadel a zvyšuje návratnost investice. Přitom je zásadní se vyhnout i nevhodnému poddimenzování. Hlavním úkolem tepelných čerpadel je zajistit dodávku tepla co nejlevněji, aby se investice do nich vrátila. Proto může být v některých případech vhodná i kombinace tepelných čerpadel různých výkonů a provozních parametrů, případně s jinými zdroji tepla. Měrná cena instalovaného výkonu u tepelných čerpadel je výrazně vyšší než u jiných zdrojů tepla. Tuto nevýhodu tepelná čerpadla kompenzují provozními úsporami.
Potřebný výkon = investované peníze
U plynového kotle jsou pořizovací náklady, například v rozsahu výkonů pro rodinný dům okolo 12 až 24 kW, téměř totožné a rovněž rozdíl v paušálech za plynovou přípojku bude minimální. U tepelných čerpadel závisí pořizovací cena na výkonu velmi silně, za každý 1 kW výkonu se musí připlácet a rovněž je velký rozdíl v paušálu za rezervovaný výkon, tedy elektrický jistič. Pro investiční náklady orientačně platí:
50 kW u plynové kotelny = 150 000 Kč
50 kW u tepelného čerpadla vzduch/voda = 650 000 Kč
50 kW u tepelného čerpadla země/voda = 1 100 000 Kč až 1 500 000 Kč
Graf: Orientační měrné investiční náklady na 1 kW instalovaného výkonu
Tepelná ztráta budovy
Tepelná ztráta budovy je základním údajem pro návrh výkonu TČ, a tedy určuje jeho pořizovací cenu. Tepelná ztráta se určuje výpočtem. Při přebírání údaje o tepelné ztrátě je zásadní požadovat podrobný postup výpočtu, neboť nemusel být vypočten s přesností vyžadovanou pro TČ. Pro základní ověření správnosti stačí rychlý přepočet úniku tepla z domu ve W/m2 vytápěné plochy nebo rychlý výpočet tepelné ztráty budovy obálkovou metodou. Čas věnovaný kontrole tepelné ztráty může výrazně snížit investiční náklady.
Větrání
Tepelný výkon pokrývající potřeby větrání budovy, respektive dohřevu studeného vzduchu přiváděného do budovy z venkovního prostředí, bývá součástí výpočtu tepelné ztráty. I proto je zásadní mít k dispozici podrobný výpočet tepelné ztráty, aby bylo možné ověřit, kde je potřeba tepelného výkonu pro větrání zahrnuta a zda není omylem započtena ve vytápění a rovněž ve větrání, tedy dvakrát.
Ve starších nemodernizovaných budovách je většinou nutné počítat s větráním přirozeným. Projektanti obvykle s potřebou se jistit používají intenzitu větrání 0,5 h-1. U kotlů to vzhledem k nízké měrné investiční ceně za 1 kW není problém. S tepelnými čerpadly lze vlivem nesoučasnosti větrání všech místností okny (nikdy nebudou otevřena všechna naráz v době s potřebou vytápění, a navíc jejich otevírání je minimalizováno omezením přetápění v důsledku použití vhodné regulace) pro návrh zdroje tepla počítat se sníženou intenzitou větrání 0,3 h-1, která více odpovídá reálnému provozu obytných budov, a navíc je doporučena jako hygienicky přípustná.
Rovněž pro výpočet tepelné ztráty z nuceného větráním obytných budov lze využít sníženou intenzitou větrání 0,3 h-1. Velikost této ztráty však snižuje použití rekuperace, tj. zpětného získávání tepla.
Provoz rodinného domu má s ohledem na potřebu tepelného výkonu pro větrání poměrně stabilní charakter. Odlišný charakter mají nebytové budovy, kde je nutné provést přesnou analýzu potřebu větrání. Například větrání skladů a podobných prostor může být při mrazivých dnech vypnuto, nebo omezeno. Dveřní clony mají velký požadavek na dodávaný výkon, ale celkové množství odebraného tepla za den je nízké. V některých případech může být výhodnější zvolit akumulaci tepla vyrobeného TČ místo navýšení jeho výkonu.
Příprava teplé vody
Příprava teplé vody pro obytné budovy vyžaduje během roku prakticky trvale stejné množství tepla. Závisí na počtu obyvatel, jejich zvyklostech, úrovní vybavení domácností kuchyňskými dřezy, vanami, sprchami, teplou vodou na mytí rukou na toaletách, teplou vodu mohou spotřebovávat i některé typy myček na nádobí a praček. S tepelnými čerpadly je vždy nutné využívat zásobníků teplé vody, neboť snižují potřebný špičkový výkon. V případě rodinných domů lze uvažovat i energeticky výhodné snížení teploty teplé vody připravované v zásobníku, které však ve větších budovách není z hygienických důvodů a někdy ani provozních možné.
Ostatní potřeby tepla
Pokud investor požaduje vytápění bazénu, zimní zahrady, skleníku aj., tak je zásadní zvážit, zda půjde o celoročně trvalý provoz nebo jen časově omezený. S TČ země-voda může dojít k rychlému vyčerpání potenciálu zemního vrtu, pokud je z něj teplo odváděno celoročně bez možnosti tepelného zotavení vrtu přes léto a tento fakt je nutné při návrhu vrtu zohlednit.
Akumulační (taktovací) nádoba
Tepelné čerpadlo vzhledem ke své specifické konstrukci vyžaduje co nejtrvalejší odběr tepla bez přerušování chodu. A to někdy znamená použít akumulační (taktovací) nádobu, neboť moderní otopné soustavy mívají malý vodní objem. Objem otopné vody v akumulační nádobě má vliv nejen na četnost spínání kompresoru tepelného čerpadla, ale i na rychlost reakce topného systému na změny venkovní teploty. Objem proto nesmí být příliš malý, ale ani příliš velký.
Je nutné si uvědomit, že v akumulační nádobě tepelného čerpadla je stejná teplota otopné vody, jako je právě potřebná pro otopnou soustavu. Nezvyšuje tedy množství tepla zvýšením teploty, ale pouze zvětšením objemu. Přesnější název je proto vyrovnávací nebo taktovací nádoba. Akumulační (taktovací) nádobu používejte jen v těch případech, kdy je z technických důvodů opravdu potřebná:
- Tepelné čerpadlo s On/Off kompresorem a malým objemem otopné vody, kde taktovací nádoba snižuje počet startů kompresoru.
- Otopná soustava s regulací, která může způsobovat skokové změny průtoku otopné vody tepelným čerpadlem nebo dokonce i uzavřít najednou všechny otopné okruhy.
- Otopná soustava s velmi malým objemem otopné vody (konvektory, vzduchotechnické výměníky, fan-coily aj.).
- Otopná soustava s velmi malým objemem otopné vody připojená k tepelnému čerpadlu vzduch/voda (i s plynulým řízením výkonu). Pro toto TČ musí být zajištěn dostatek tepla v otopné vodě, tedy její dostatečný objem, aby TČ toto teplo mohlo využít v režimu odtávání výparníku.
| Doporučený objem akumulační nádrže | Minimální objem |
|---|---|
| Země-voda s ON/OFF kompresory | 10 l/kW výkonu TČ |
| Vzduch-voda s ON/OFF kompresory | 20 l/kW 100 % výkonu |
| Vzduch-voda s řízením výkonu | 20 l/kW 40 % výkonu |
Výkon tepelného čerpadla je ale značně proměnlivý, proto uvažujte při výpočtu s těmito výkony tepelných čerpadel:
- U ON/OFF tepelných čerpadel vzduch/voda s výkonem při podmínkách 7/35 °C.
- U frekvenčně řízených tepelných čerpadel vzduch/voda s výkonem při podmínkách 7/35 °C (obvykle je zde udáván výkon při otáčkách kompresoru 20 až 40 %).
- U ON/OFF tepelných čerpadel země/voda s výkonem při podmínkách 0/35 °C.
- U frekvenčně řízených tepelných čerpadel země/voda s nejnižším výkonem uvedeným ve výkonovém rozsahu.
- U kaskád více tepelných čerpadel, počítejte s výkonem jen jednoho výkonového stupně (jednoho tepelného čerpadla), ne celé sestavy.
Většina tepelných čerpadel má v projektové dokumentaci uvedené minimální množství otopné vody, které musí otopná soustava obsahovat. Týká se to především tepelných čerpadel vzduch/voda, která potřebují v režimu odtávání odebírat teplo z otopné soustavy a nedodržení minimálního množství topné vody může vést až k jejich poruše, zamrznutí a zničení kondenzátoru. Jedná se o množství vody, které musí být trvale k dispozici pro oběh do TČ a nesmí tedy být omezeno regulačním zásahem (např. uzavřením regulačního ventilu na rozdělovači).
https://www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz/cz/spravny-potrebny-vykon-zdroje-tepla
https://www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz/cz/akumulacni-taktovaci-nadoba-pro-tepelne-cerpadlo
V příštím díle více o přípravě teplé vody.
Společnost GT ENERGY s.r.o. se zabývá zpracováním energetických koncepcí a dále návrhem a dodávkami úsporných technologií pro vytápění, ohřev teplé vody, chlazení a zpětné využití odpadního tepla. Pro nové budovy zabezpečuje návrhy energetické koncepce ...
