Hybridní regulátor provozu plynového kotle a tepelného čerpadla v praxi

Přečtěte si také Hybridní systém vytápění Vaillant – odpověď na zvyšující se ceny energií Přečíst článek

Hybridní zdroj tepla se nachází v rodinném domě s vytápěnou plochou cca 140 m². Tepelná ztráta domu je 7 kW při výpočtové venkovní teplotě −15 °C. V přízemním podlaží je v domě podlahové vytápění, v nadzemním podkrovním podlaží jsou běžná desková otopná tělesa Korado. Dům trvale obývají 2 dospělí manželé a příležitostně je navštěvuje jejich dcera se svou rodinou. Dům byl v době jeho výstavby vybaven plynovým kondenzačním kotlem Vaillant typu ecoTEC plus. Vzhledem k zájmu plně využít možnosti hybridního řízení, které nabízí ekvitermní regulátor sensoCOMFORT VRC 720, se majitel domu rozhodl pro doplnění kotle o tepelné čerpadlo vzduch-voda typu Vaillant aroTHERM plus, které je s daným kotlem a tepelným čerpadlem z pohledu vzájemné komunikace kompatibilní.

Monoblokové tepelné čerpadlo aroTHERM plus pracující s chladivem R290 bylo umístěno u venkovní stěny domu, za kterou je technická místnost s kotlem. Toto umístění je z hlediska délky rozvodů ideální a vzhledem k tichému provozu jednotky a výraznému podkročení hygienického limitu na hluk nevznikl žádný problém s instalací.

Obr. 1 Toto je plynový kondenzační kotel, který původně sloužil v domě jako jediný zdroj tepla pro vytápění a přípravu teplé vody v zásobníku.

Obr. 2 Pohled do technické místnosti kombinující plynový kondenzační kotel a tepelné čerpadlo.

Při pohledu do technické místnosti (obr. 2) asi každého na první pohled zaujme velká bílá skříň v popředí vlevo. Ta má však s hybridním zdrojem tepla společného jen velmi málo. Je to úpravna pitné vody na bázi iontoměniče, kterým majitel domu snižuje zvýšenou tvrdost pitné vody dodávané z veřejného vodovodu.

Vpravo dvě stejné skříňky jsou dvě čerpadlové skupiny, jedna pro podlahové vytápění v přízemním podlaží, druhá pro desková otopná tělesa v podkroví.

Mezi úpravnou vody a skříňkami čerpadlových skupin je větší skříň, ve které je pod tepelnou izolací skryta akumulační nádoba o objemu 40 litrů. Do ní jsou zleva napojeny přívody a zpátečky otopné vody od kotle a tepelného čerpadla a zprava jsou napojeny čerpadlové skupiny otopných okruhů.

Obr. 3 Důležitým prvkem hybridního zdroje je akumulační nádoba, která pomáhá řešit rozdílnost průtoků otopné vody kotlem, tepelným čerpadlem a napojenými okruhy.

Pokud se provozovatel stávajícího plynového kotle rozhoduje o rozšíření na hybridní zdroj, tak musí zvážit, zda instalovaný zásobník teplé vody má dostatečně velký výměník tepla. Plynový kotel obvykle při ohřevu pitné vody pracuje s vyšším rozdílem teplot otopné vody mezi přívodem a zpátečkou a není pro něj problém pracovat i s vyšší teplotou otopné vody. Proto mu stačí i zásobník pro teplou vodu s menším výměníkem, zpravidla jde o trubku stočenou do spirály umístěnou ve spodní části zásobníku. Pro energetickou efektivitu tepelného čerpadla je výhodnější nižší rozdíl teplot, zpravidla 6 až 8 stupňů K i nižší teplota otopné vody a pak je zapotřebí mít zásobník s větším výměníkem i  s větším objemem.

Malá odbočka. Diskusi o tom, jakou teplotu by měla mít teplá voda, aby byla hygienicky vhodná, lze odkázat na vyhlášku č. 194/2007 Sb., kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé vody   a která doporučuje, aby teplá voda na výtoku u spotřebitele měla teplotu 45 °C až 60 °C s možností krátkodobého poklesu teploty v době špičkového odběru. Podmínkou je technicky správné řešení vnitřního vodovodu teplé vody, tzn. že je mimo jiné dodrženo pravidlo nutného odpuštění maximálně 3 litrů teplé vody, aby její teplota na výtoku, například ze směšovací baterie u vany byla vyšší, než je povolený rozsah teplot a také že zásobník je pravidelně odkalován.

Je však také možné ponechat přípravu teplé vody jen na stávajícím plynovém kotli tak, jak byla dosud, což je z hlediska nároků na investici a rozsah instalačních prací nejjednodušší. Toto řešení využil i majitel domu v popisovaném případě.

Hybridní regulátor a jeho nastavení

Nejjednodušším řešením řízení hybridního zdroje tepla složeného z plynového kotle a tepelného čerpadla by bylo stanovit jeden tzv. bivalentní bod. To je teplota venkovního vzduchu, pod kterou bude v činnosti jen plynový kotel a nad ní jen tepelné čerpadlo.

Malá odbočka. Tento jednoduchý způsob řízení činnosti dosud využívají mnohá tepelná čerpadla, ve kterých je integrován přímotopný elektrický prvek, tedy elektrické topné tyče. Pokud se bod bivalence u nich nastaví příliš nízko, tepelné čerpadlo je donuceno pracovat i s velmi nízkým topným faktorem, neekonomicky a v méně příznivých provozních podmínkách vyžadujících zvýšený tlak chladiva a s rychlejším opotřebením kompresoru. Pokud se bod bivalence nastaví příliš vysoko, což bývá s ohledem na záruku a někdy i ponechání základního nastavení od výrobce poměrně časté, tak se prodlužuje čas, kdy je v činnosti topný prvek, energetická efektivita je snížena. Výsledkem je nespokojenost s neočekávaně vyššími náklady.

Výhodnějším, ale na řízení složitějším řešením řízení hybridního zdroje tepla složeného z plynového kotle a tepelného čerpadla je stanovit bivalentní bod a bod alternativní. Při poklesu venkovní teploty pod bivalentní bod se k činnosti tepelného čerpadla přidal plynový kotel a doplní teplo, které již tepelné čerpadlo za daných podmínek nedokáže dodat, i když ale stále pracuje s přijatelně vysokým topným faktorem. A teprve tehdy, pokud venkovní teplota klesne pod alternativní bod, se tepelné čerpadlo zcela odpojí a v činnosti zůstane jen plynový kotel. Toto řešení je tradičně používáno u tepelných čerpadel Vaillant, ale jen v kombinaci s elektrickým topným prvkem.

Nejvyšším stupněm řízení hybridního zdroje tepla složeného z plynového kotle a tepelného čerpadla je do rozhodovacího procesu zahrnout i proměnlivost parametrů účinnosti plynového kotle a tepelného čerpadla a cen plynu i elektřiny. Tuto úlohu vedoucí k nejnižším provozním nákladům řeší regulátory Vaillant multiMATIC VRC 700 a VRC 720. Majitel domu má instalován regulátor VRC 700.

Ekvitermní řízení pro plynový kondenzační kotel

Pro energetickou efektivitu plynového kotle i tepelného čerpadla je základem ekvitermní regulace. To znamená regulovat výstupní teplotu otopné vody vystupující z kotle nebo tepelného čerpadla na co možná nejnižší teplotu tak, aby to stačilo napojeným otopným tělesům či podlahovému vytápění k předávání požadovaného množství tepla do místností. Co se týká plynového kondenzačního kotle s precizním řízením spalovacího procesu, tak ekvitermním řízením lze jeho účinnost, vztaženou k výhřevnosti zemního plynu, udržovat v rozmezí cca 98 až 106 % v závislosti na tom, o kolik níže se požadovaná teplota otopné vody pohybuje pod 60 °C.

Ekvitermní řízení pro tepelné čerpadlo

Zatímco u plynového kondenzačního kotle, pokud se zvolí vhodná střední účinnost, jsou při změnách teploty otopné vody odchylky od zvolené účinnosti velmi malé v jednotkách procent, tak u tepelného čerpadla jde o změny energetické efektivity v desítkách procent. Zvláště v případě majoritně instalovaných tepelných čerpadel vzduch-voda. Jejich účinnost nezávisí jen na teplotě otopné vody ekvitermně odvozené od teploty venkovního vzduchu, ale i na teplotě vzduchu jako takové. Čím je vzduch chladnější, tím méně efektivně z něj teplo získávají. Například tepelné čerpadlo aroTHERM plus VWL 55/6 pracuje při teplotě venkovního vzduchu −7 °C a teplotě otopné vody 35 °C s topným faktorem 2,6 a z vložené 1 kWh elektrické energie tedy vyrobí 2,6 kWh tepla. Při stejné teplotě otopné vody, ale při vyšší teplotě vzduchu 2 °C pracuje již s tepelným faktorem 3,9 a z 1 kWh elektrické energie vyrobí 3,9 kWh tepla. Pokud chceme nákladově úsporný potenciál hybridního zdroje složeného z plynového kotle a tepelného čerpadla maximálně využít, musíme do výpočtu rozhodujícího o tom, zda poběží kotel nebo tepelné čerpadlo, zahrnout funkci, která popisuje závislost topného faktoru u konkrétního tepelného čerpadla na aktuálních provozních podmínkách. A právě toto provádí hybridní ekvitermní regulátory Vaillant multiMATIC VRC 700 a VRC 720 a funkce je pojmenována triVAI.

Majitel domu zvolil tepelné čerpadlo pracující s chladivem R290, a proto je možné, aby jeho pracovní rozsah pro velmi často v Česku používanou venkovní výpočtovou teplotu −15 °C sahal až k teplotě otopné vody 60 °C bez elektrického přímotopného prvku. A to je v případě hybridního zdroje více než dostatečné a zásadní.

Nastavení hybridního regulátoru s funkcí triVAI^©

Vyzkoušel jsem si složitost nastavení hybridního regulátoru a nutno konstatovat, že je mimořádně jednoduché. Protože vše o stávajícím kotli a k němu přidanému tepelnému čerpadlu do regulátoru nastavil servisní technik při uvádění do provozu. Servisní technik zvolil základní nastavení ekvitermní křivky s ohledem na vlastnosti napojené otopné soustavy. V daném případě musel zohlednit určitý rozdíl mezi schopnostmi otopných tělesa a podlahového vytápění do místností dodávat teplo.

Protože jsem chtěl zapnout funkci regulátoru jako manažera pro řízení hybridního zdroje tepla, bylo nutné nejprve v menu v nabídce Systém zvolit položku Hybridní manažer a potvrdit položkou Změnit.

Obr. 4 Úvodní krok k nastavení hybridního regulátoru

Samozřejmě že všechny změny, které provádí provozovatel a které jsem vyzkoušel, probíhají v rámci volby Základní nastavení, protože do Úrovně pro instalatéry provozovatel přístup nemá.

Obr. 5 Základní nastavení

V základní nastavení se vybere položka náklady.

Obr. 6 Pro zadání cen elektřiny a zemního plynu se zvolí Náklady.

V položce náklady jsou přednastaveny číselné hodnoty, které se musí upravit. Vzhledem k tomu, že rozhodovací funkce triVAI pracuje s matematickým podílem nákladů, tak nezávisí na tom, v jaké měně by byly zadány. Cenu je však možné zadat jen celým číslem. Například po dohodě s provozovatelem domu bych cenu pro elektřinu potřeboval zadat jako 8,00 Kč, ale protože to tak nejde, tak je třeba zadat hodnotu 80. Je nutné si uvědomit, že tato cena zahrnuje nejen cenu silové elektřiny, ale i všechny zbývající položky. Je to tedy předpokládaná, průměrná cena pro odhadovanou spotřebu celého domu. Vzhledem k aktuálním podmínkám sazby pro domácnosti D57d pro provoz tepelného čerpadla a praktického sjednocení cen ve vysokém VT a nízkém tarifu NT nemá cenu zadávat pro nízký a vysoký tarif cenu odlišnou. Jako desetinásobek se pak v zadání nákladů upraví i cena zemního plynu. Na obrázku je zachycena aktuálně neplatná přednastavená hodnota 13 u zemního plynu, kterou by se aktuálně měla pohybovat okolo 38 až 40, tedy 3,80 až 4,00 Kč/kWh.

Obr. 7 Nastavení nákladů za energie

Potvrzením upravených hodnot reprezentujících ceny energií je celý proces nastavení hybridního regulátoru, jak ho provádí provozovatel, ukončen.

Závěr

Co víc si může provozovatel hybridního zdroje složeného z plynového kotle a tepelného čerpadla v rodinném domě přát? Změny cen plynu nebo elektřiny zadá v den, kdy nabudou platnosti podle sdělení jejich dodavatele. Pokud to nestihne přesně, až tak moc se vzhledem k délce otopné sezony nestane. Běžně se ceny měnily jednou za rok. Nyní k tomu dochází dvakrát, možná třikrát do roka, ale mnozí odběratelé si ceny fixují i na dva až tři roky dopředu. Tudíž potřeba přenastavit ceny v regulátoru není častá. Ale hlavně, výběr aktuálně levnějšího zdroje tepla probíhá každou hodinu, jak se mění denní podmínky, a je plně automatický.

Důležitou podmínkou je získat výhodnější sazbu D57d na odběr elektrické energie pro tepelné čerpadlo i všechny ostatní elektrické spotřebiče v domácnosti. Splnění podmínek k získání této sazby, které pro všechny distributory jednotně určuje Energetický regulační úřad, prokáže energetický specialista zpracováním energetického průkazu domu i v případě, kdy tepelné čerpadlo bude mít zhruba až jen poloviční výkon oproti potřebnému k pokrytí výpočtové tepelné ztráty domu.

Pochopitelně, uvedený regulátor není vhodný pro domácnosti, které si nasmlouvají dodávku energií podle vývoje na burze a ceny se jim mění každou hodinu.