Topný faktor tepelného čerpadla (II)

2. Reálný topný faktor tepelných čerpadel a vytápěcích systémů

Pokud v definici topného faktoru tepelného čerpadla sledujeme jen relaci mezi produkovaným teplem (topným výkonem) a energií pro pohon kompresoru (příkonem kompresoru) a navíc předpokládáme, že veškerá energie pro pohon kompresoru se přemění ve využitelné teplo, pak se jedná o topný faktor čistě teoretický, a to jen samotného kompresoru. Reálný topný faktor TČ a především vytápěcího systému se od tohoto teoretického liší – je nižší až výrazně nižší, protože musí zohlednit řadu skutečností. Z čistě energetického hlediska zejména:

1. Na využitelné teplo se nepřemění všechna energie pro pohon kompresoru. Část (cca 5 %) představuje ztráty do okolí.
2. Do příkonu je třeba zahrnout i příkon potřebný pro dopravu nízkopotenciálního tepla do TČ (ten může v některých případech sehrát zásadní roli – viz Poznámka 6) a příkon potřebný pro dopravu využívaného tepla do místa využití, tj. pro dopravu topného média.
3. Při bivalentním zapojení je do příkonu třeba zahrnout i příkon doplňkového bivalentního zdroje.
4. Zohlednit je třeba i přípravu TV, ať už je nebo není TČ zajišťována (viz Poznámka 7)!
   
   Reálný topný faktor je ovlivněn ale i řadou dalších skutečností, zejména:
5. Provedením (typem) kompresoru a použitým chladivem.
6. Vnitřními pracovními podmínkami okruhu TČ (tj. vypařovací a kondenzační teplotou, dále pak přehřátím v sání kompresoru a podchlazením kapalného chladiva), které na daných výměnících tepla odpovídají vnějším pracovním podmínkám ad g) a h)
7. Pracovním rozdílem teplot médií na primární a sekundární straně (viz Poznámka 5)
8. Charakteristickými teplotami médií na obou stranách TČ, kterými mohou být vstupní (do TČ) nebo výstupní (z TČ) teploty těchto médií.

Zejména poslední dvě skutečnosti jsou velice důležité a je třeba je opět chápat v širších souvislostech.

Parametry tepelných čerpadel se podle [1] udávají při vstupní teplotě primárního média (nositele nízkopotenciálního tepla – NPT) a výstupní teplotě sekundárního (topného) média. Za těchto okolností (tj. při daných teplotách) bude mít dané TČ nejvyšší topný faktor při co největším průtoku na primární straně (a co nejmenším ochlazení nositele NPT) a při co nejmenším průtoku na sekundární straně (a co největším ohřátí topného média). Proto přesto, že se prakticky vesměs používá ohřátí topného média o 5 K, udávají výrobci (přímo či nepřímo) parametry při výhodnějším ohřátí např. o 10 K (což neodporuje požadavkům [1]).

Pokud se průtok musí změnit

Pro rámcové posouzení reálných topných faktorů TČ jsou zpracovány charakteristiky topného faktoru samotného kompresoru Copeland Scroll ZH 45 (řada ZH speciálně vyvinuta právě pro TČ), pracujícího s chladivem R 407C, v závislosti na vstupní teplotě primárního média a výstupní teplotě sekundárního média, při určitých okrajových podmínkách. Charakteristiky jsou znázorněny v diagramu na obr. 7.

Charakteristiky kompresoru by bylo možné dále zpřesňovat na charakteristiky TČ zahrnutím vlivu velikosti přiřazených výměníků (výparníku a kondenzátoru) na obou stranách TČ. Zjednodušeně řečeno: Podle toho, na jaké základní okrajové podmínky (charakteristické teploty médií) by byly oba výměníky navrženy, by se při jiných okrajových podmínkách chovaly buď jako předimenzované, nebo poddimenzované. Autoregulací dosažené nové rovnovážné stavy by způsobily posuny pracovních bodů charakteristik a změnu strmosti charakteristik. V bodech charakteristik odpovídajících návrhové teplotě na primární straně TČ by se charakteristiky mírně natočily ve směru menší strmosti. Vlevo od návrhové teploty by byly dosaženy topné faktory „o něco větší“ (předimenzované výměníky), vpravo „o něco menší“ (poddimenzované výměníky). Podle vzdálenosti reálné teploty od návrhové teploty by změny představovaly hodnotu několika setin, v celém rozsahu max. jedné až dvou desetin topného faktoru.

Obr. 7 – Charakteristika topného faktoru TČ s kompresorem Copeland Scroll ZH 45

• chladivo R 407C (s parametry uváděnými na pravé mezní křivce)
• rozdíl mezi vstupem primárního média a vypařovací teplotou 5 K
• ochlazení primárního média 2,5 K
• rozdíl mezi kondenzační teplotou a výstupem sekundárního média 3 K
• ohřátí sekundárního média 10 K
• podchlazení kapaliny 0 K, přehřátí par v sání 5 K

Příkon pro překonání tlakových ztrát obou výměníků není uvažován.

Analogicky by bylo možné zavádět do charakteristik další vlivy, např. výkony potřebné pro dopravu médií přes oba přiřazené výměníky (ale to by ještě nebyly výkony potřebné pro dopravu médií celým systémem!).

Obr. 8 – Vliv změn pracovního rozdílu teplot (a průtoku) médií v daných výměnících tepla na vypařovací (t_o) a kondenzační (t_k) teplotu (zjednodušeně, bez měřítka) při stálé vstupní teplotě (t_p1) primárního média a stálé výstupní teplotě (t_s2) sekundárního média

1. deklarované parametry
2. průtok kondenzátorem zvětšen o 100 %
3. průtok výparníkem zmenšen o 30 %
4. průtok kondenzátorem zvětšen o 100 %, výparníkem zmenšen o 30 %

Vliv změn deklarovaných vnějších pracovních podmínek TČ na vnitřní pracovní podmínky TČ je naznačen v diagramech na obr. 8, zpracovaných jen pro názornost a bez měřítka. Diagramy odpovídají chladivu R 407C s velkým teplotním skluzem při změnách skupenství. Změna průtoků médií provázená změnou pracovního rozdílu teplot médií vede vlivem autoregulace TČ k odpovídajícím změnám vypařovací a kondenzační teploty (kterými se ustaví nový rovnovážný stav na obou výměnících a celém TČ) a v souvislosti s tím i ke změně topného faktoru i topného výkonu. Např. snížení pracovního rozdílu teplot topného média z 10 K na standardních 5 K snižuje topný faktor o několik desetin.

Je samozřejmé, že většina výrobců a dodavatelů TČ uvádí parametry tepelných čerpadel při takových okrajových podmínkách, které dokumentují co největší topný faktor (neboť každý chce být tím – slovy reklamního sloganu, „jehož mycí prostředek umyje až o 50 % talířů více než běžný mycí prostředek“). Reálný topný faktor je pak tomuto deklarovanému vždy vzdálen až velice vzdálen.

Dalším způsobem, kterým někteří výrobci a dodavatelé TČ matou laickou veřejnost, je uvádění rozsahů topných faktorů bez dalších podrobností. Pro zdokumentování je možno uvést následující příklad: Pro určité TČ je uveden pouze rozsah topného faktoru např. od 3,0 do 5,4 bez dalších podrobností. Stačí se ale podívat do diagramu na obr. 7, abychom si uvědomili, jak je třeba tomuto rozsahu rozumět. Vysoký topný faktor 5,4 bychom dosáhli jen při vysoké teplotě NPT, např. bude-li zdrojem NPT podzemní voda s teplotou 10 °C, a nízké teplotě topného média 35 °C pro podlahové vytápění (parametry W10/W35 podle [1]). Takové realizace nejsou ale příliš četné. Bude-li ale zdrojem NPT geotermální teplo s průměrnou teplotou 0 °C a požadovaná teplota topného média bude 50 °C pro soustavu s otopnými tělesy (parametry B0/W50 podle [1]), budeme se muset spokojit s topným faktorem jen 3,0. Pokud bude zdrojem NPT geotermální teplo odebírané plošným kolektorem s teplotou např. −5 °C a požadovaná teplota topného média bude 50 °C (parametry B-5/W50 podle [1]), budeme se muset spokojit s topným faktorem dokonce jen 2,7.

Další desetiny odkrojí topnému faktoru zmenšení pracovního rozdílu teplot topného média na standardních 5 K, případně zvětšení pracovního rozdílu teplot nositele NPT např. na 3 až 4 K. Další desetiny odkrojí příkony čerpadel na primární a sekundární straně TČ, další desetiny odkrojí příkon bivalentního zdroje. Další velice důležité desetiny odkrojí příprava TV (viz Poznámka 7 a tabulka 1). V zájmu objektivity je třeba dodat, že naopak několik desetin přidá, nebo může přidat ekvitermní regulace provozu TČ.

Je samozřejmé, že v celoroční energetické bilanci se zmiňované příkony projeví jako spotřeby energie.

Obr. 9 – Energetická bilance vytápěcího systému s bivalentně zapojeným TČ vzduch–voda

Rozdíly mezi celoročním topným faktorem samotného TČ, vytápěcího systému s TČ a vytápěcího systému s TČ a doplňkovým bivalentním zdrojem jsou pro určitý konkrétní případ doloženy v bilančním diagramu na obr. 9 [3].

Všechny zmíněné skutečnosti vedou k tomu, že za standardních podmínek je možno seriózně počítat s reálným topným faktorem vytápěcích systémů v bivalentním zapojení s nejčastěji používanými TČ země–voda a vzduch–voda v rozsahu 2,5 až 3 (3,5) – viz též další díl seriálu s tabulkou 1. U TČ voda-voda může být topný faktor maximálně o jednotku větší. Připomeňme ale, že realizace energeticky nejvýhodnějších TČ voda–voda je nejméně četná, nejen pro obtíže s nalezením vhodných a dostatečně vydatných zdrojů podzemní vody, ale i pro technickou a legislativní náročnost přípravy takové realizace a nutnost realizace opatření, která znemožní narušení přírodní rovnováhy podzemních vod [5].

Obr. 10 – Výsledky sledování 112 TČ vzduch-voda a země-voda ve Švýcarsku v roce 1998

Pro doložení uvedených reálných topných faktorů TČ jsou v diagramu zpracovaném podle [2] shrnuty výsledky sledování 112 tepelných čerpadel. Sledování se uskutečnilo v roce 1998 ve Švýcarsku. Z celkem 131 sledovaných TČ byla vyřazena čerpadla voda–voda, protože diagram byl zpracován i proto, aby ukázal „rozdíl“ energetického efektu TČ vzduch–voda a země–voda. Diagram nepotřebuje další komentář.

Poznámka 3: Maximální topný faktor, který někteří výrobci a dodavatelé tepelných čerpadel uvádějí, má v podstatě stejný význam jako maximální rychlost, kterou uvádějí výrobci automobilů. Co je však uživateli platná maximální rychlost 160 nebo 180 km i více, když – ctí-li zákony – může jet v uzavřené obci rychlostí jen 50 km/hod, mimo uzavřenou obec 90 km/hod a na dálnici 130 km/hod. Maximální rychlost by mohl „legálně“ využít jen na zkušebním nebo závodním okruhu (a těch u nás i ve světě není příliš mnoho). Chceme-li pokračovat v porovnávání TČ a automobilu, musíme nejprve připomenout „inteligenci“ obou těchto technických zařízení. O automobilu můžeme říci, že je to zařízení „naprosto hloupé“, které nedokáže samo poznat, zda se pohybuje v uzavřené osadě či mimo ni, nebo na dálnici či na závodním okruhu, nezná příslušné zákony a neumí je samo dodržovat. A protože manipulovat se může především s hloupými, není problém „donutit“ automobil k tomu, aby se v uzavřené osadě pohyboval rychlostí odpovídající dálnici a mimo uzavřenou osadu rychlostí odpovídající závodnímu okruhu. Naproti tomu tepelné čerpadlo je díky autoregulaci – své „vrozené inteligenci“ – zařízení „velice chytré“, které bezpečně rozezná, „zda se pohybuje v uzavřené osadě, mimo ni, nebo dokonce na dálnici či ve velice řídkých případech na závodním okruhu“. „Na jedničku“ zná i přírodní zákony a aniž by ho k tomu nutili „policajti a radary“, tyto zákony naprosto precizně dodržuje. Nemůžeme ho proto zmanipulovat tak, aby pracovalo s lepším topným faktorem, než mu okrajové podmínky dovolují. Povést se nám může spíše opak. Jestliže ho „pozlobíme“, tj. v dané situaci mu zhoršíme podmínky pro jeho práci pod rámec obvyklých, velice ochotně a zcela v souladu s přírodními zákony se těmto podmínkám přizpůsobí a topný faktor zmenší.

Poznámka 4: Nelze se divit laikovi, který nepronikl do tajů topného faktoru, že nedokáže posoudit a zhodnotit vliv okrajových podmínek jeho konkrétního případu na hodnotu topného faktoru a vybírá tepelné čerpadlo jen podle nejvyšší hodnoty uváděného rozsahu topného faktoru. Je však s podivem, že ani osoby, které by měly být „nad jiné povolané“, se nedokáží v této problematice orientovat. V řadě nabídek, projektů nebo auditů je možno nalézt velice málo seriózní vyhodnocení přínosů TČ. Tak např. v jednom materiálu se konstatuje, že pro tepelné čerpadlo země–voda a teplotní spád otopné soustavy 50/40 °C bude dosažen průměrný roční topný faktor 4,3 a více (!). V bilanci se přitom neuvažují žádné další příkony (pro doplňkový zdroj, primární a sekundární okruh TČ a přípravu TV). Z diagramu na obr. 7 je přitom zřejmé, že pro uvedené zadání dosažitelný topný faktor samotného TČ nemůže být příliš vyšší než 3 a při zohlednění všech dalších skutečností (tabulka 1) bude výsledný topný faktor systému i značně menší než 3.

Poznámka 5: Relace mezi vstupní a výstupní teplotou teplonosného média na obou stranách TČ popisuje pracovní rozdíl teplot. U standardních TČ bývá při jmenovitých podmínkách na primární straně cca 2 až 5 K, na sekundární straně zpravidla 5 K. Tomu odpovídá dimenzování výměníků a požadovaný průtok médií, který je třeba dodržet. Při návrhu systému s TČ splňujícím tyto podmínky tedy nemůžeme prakticky teplotu, přesněji řečeno teplotní úroveň NPT ovlivnit. Ovlivnit ji můžeme při návrhu nestandardního řešení TČ. V jednom případě investor, který měl k dispozici spodní vodu „termálního“ charakteru s teplotou cca 26 °C, požadoval, aby TČ pracovalo s topným faktorem 5 a s co největším ochlazením vody na primární straně, aby se tak co nejvíce využil „energetický potenciál“ zdrojové vody. Tyto dva požadavky působí „proti sobě“. Např. zvýšením pracovního rozdílu z výchozích volených 8 K na 16 K by poklesla teplotní úroveň NPT a topný faktor TČ by se snížil cca o jednotku. Na druhé straně by se to projevilo snížením odběru vody a s tím i související čerpací práce. Je zřejmé, že v takovém případě je třeba hledat optimální topný faktor systému a ne sledovat jen topný faktor TČ. Přihlédnout se samozřejmě musí k vydatnosti zdroje.

Poznámka 6: Jako zdroj NPT pro TČ se může za určitých okolností použít i povrchová voda. Pokud tato voda není ohřívána odpadním teplem průmyslových závodů, má v zimním období teplotu zcela nevhodnou pro standardní řešení TČ. Při poklesu teploty vody přiváděné do TČ dochází vlivem autoregulace i k poklesu vypařovací teploty a při jejím snížení pod 0 °C může dojít (není-li TČ proti tomu chráněno) k zamrznutí a destrukci výparníku. Známé jsou případy, kdy tendenci k zamrznutí se „kvalifikovaně“ předchází zvýšením průtoku, respektive zvýšením výkonu čerpadla pro dopravu povrchové vody. Podle známého principu: 2× větší průtok, 4× větší tlaková ztráta, 8× větší příkon, pak takové „vodní“ čerpadlo mívá příkon větší než vlastní „tepelné“ čerpadlo a může tak zcela devastovat jeho efekt! V jisté lokalitě, kde je několik takových TČ instalováno, se pak TČ definuje jako „zařízení, které přináší největší úsporu, když stojí“ – díky nižšímu stálému měsíčnímu platu v sazbě D 55 (pro TČ) oproti sazbě D 45 nebo D 46 (pro „přímotop“).

Tato poznámka byla uvedena již v [4] a byla napsána ještě před zavedením sazby D 56. Po zavedení sazby D 56 nevykáží tato TČ úsporu, ani když budou stát.

Poznámka 7: V topném faktoru celého vytápěcího systému musí být zahrnut i vliv přípravy TV! To je velice důležité z několika hledisek:

• Pokud je u vytápěcích systémů pracujících s nízkou teplotou topného média a vysokým topným faktorem realizován předehřev TV „v době, kdy TČ pracuje pro vytápění“ jen do úrovně odpovídající této teplotě, příkon pro následný dohřev na požadovanou teplotu (cca 55 °C) musí být zahrnut do příkonu celého systému.
• Pokud je u vytápěcích systémů pracujících s nízkou teplotou topného média a vysokým topným faktorem realizován předehřev TV „v době, kdy TČ nepracuje pro vytápění“ na vyšší teplotu (např. na 45 až 50 °C), musí se v bilanci zohlednit, že příprava TV probíhá s nižším topným faktorem.
• Ve všech případech je třeba zohlednit skutečnost, že pod teplotou bivalence, při trvalém chodu TČ, není k dispozici žádné „volné“ teplo pro přípravu TV. Pod teplotou bivalence se tedy příprava TV uskutečňuje jen přímým elektroohřevem. Potřebný příkon je třeba v bilanci zohlednit.
• Pokud přípravu TV zajišťuje TČ jen v otopném období, příkon pro přímý elektroohřev vně otopného období je třeba v bilanci zohlednit.
• Negativní vliv přípravy TV na topný faktor systému bude tím větší, čím více se bude podílet příprava TV na celkové potřebě tepla. To platí především pro „dobře zateplené“ objekty.

Nezahrne-li se příprava TV do celoroční bilance vytápěného objektu tímto způsobem, nebude bilance ani topný faktor celého vytápěcího systému objektivní.

Literatura

1. ČSN EN 255-2 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla a elektricky poháněnými kompresory – Režim ohřívání. Část 2: Zkoušení a požadavky na značení jednotek prostorového vytápění.
2. Bush, Nipkow, Hennig: Feldmessungen offenbaren Schwächen, Sonne Wind & Wärme 1/2000
3. Klazar L.: Tepelná čerpadla a bivalentní zdroje tepla, Topenářství, instalace č. 3 a 4/2004
4. Klazar L.: Jak je to vlastně s topným faktorem, Chlazení, klimatizace, č. 5/2004
5. Šeda, S.: Základní právní rámec využití energetického potenciálu podzemních vod, Zpravodaj CHKT č. 11/2003