Topný faktor tepelných čerpadel (III)

3. Topný faktor a bivalentní zapojení TČ

Obr. 11 – Krytí potřeb tepla třemi shodnými výkonovými stupni zdroje při vnější / vnitřní výpočtové teplotě −15 / 22 °C

Sledujme jakýkoliv zdroj tepla (tedy nejen TČ) rozdělený do tří shodných (fiktivních) výkonových stupňů a určeme, jak se jednotlivé stupně podílejí na krytí potřeb tepla pro vytápění. Velice často (a zcela nesprávně – i při odborných přednáškách a v technické literatuře) se tato úloha řeší při lineárním rozložení vnějších teplot v průběhu otopné sezóny. Přes nesprávnost tohoto postupu (rozložení teplot není lineární) je podíl potřeb tepla krytý jednotlivými stupni znázorněn v obr. 11 nejprve při lineárním (nesprávném) průběhu teplot. Už z těchto údajů vyplývá, že první dva stupně (tj. 2/3 výkonu zdroje) kryjí 88,7 % potřeby tepla a na poslední třetí stupeň (tj. na 1/3 výkonu zdroje) zbývá povinnost krýt jen 11,8 % potřeby tepla.

Mnohem kontrastnější je tento „zbytek“, řešíme-li tuto úlohu při reálném průběhu vnějších teplot, tj. pomocí reálné křivky četnosti teplot v průběhu roku. Řešení je rovněž znázorněno v obr. 11. Z uvedených údajů vyplývá, že za objektivně reálné situace kryjí první dva stupně (tj. 2/3 výkonu zdroje) dokonce 96,9 % potřeby tepla a na poslední třetí stupeň (tj. na 1/3 výkonu zdroje) připadá povinnost krýt pouhých 3,1 % potřeby tepla! Uvedené poměrné hodnoty se neliší významně ani při jiných vnitřních a vnějších výpočtových teplotách, ani při použití TČ vzduch–voda, jehož výkon s klesající vnější teplotou klesá (viz obr. 9).

Označíme-li 2/3 výkonu zdroje za základní výkon zdroje (100 %), pak tento základní výkon zdroje bezpečně a s jistotou pokryje více než 90 % potřeby tepla pro vytápění. Abychom zajistili zbývajících méně než 10 % potřeby tepla, musíme výkon zdroje zvýšit na 150 %!!! To platí pro jakýkoliv zdroj (nejen pro TČ)!!!

Uvedené skutečnosti jsou blíže doloženy v tabulce 1, kde se porovnává energetický efekt bivalentního a monovalentního zapojení TČ, a vyhodnocuje vliv okrajových podmínek vytápěcího systému a zejména významný vliv přípravy TV na topný faktor vytápěcího systému. (V „živé“ EXCELové tabulce je možné sledovat vliv všech základních proměnných na energetický efekt celého vytápěcího systému).

Tabulka 1 – Porovnání energetického efektu bivalentního a monovalentního zapojení TČ
Vliv okrajových podmínek a přípravy TV na topný faktor vytápěcího systému

Tabulka je zpracována za těchto předpokladů:

Přesto, že tabulka (která může být pro leckoho dosti překvapivá) by nepotřebovala komentář, je třeba zdůraznit:

1. Přechodem z bivalentního na monovalentní řešení TČ, tj. zvětšením jmenovitého výkonu TČ na 150 % (u TČ země–voda a voda–voda, u TČ vzduch–voda by to bylo ještě více) – a tomu odpovídajícími většími investičními náklady – se úspora energie zvětší o cca 4 až 7 % (vztaženo na celkovou potřebu tepla tj. 117,4 %).
   
   Při posuzování ekonomického efektu tohoto řešení se přitom často zapomíná, že zvýšení výkonu TČ by muselo být provázeno i zvětšením výkonu zdroje NPT na 150 %, a zejména těch částí vně TČ, které odběr NPT zajišťují! U TČ země–voda zvětšením kolektoru, u TČ voda–voda zvětšením vydatnosti zdroje!
   
   Vezmeme-li v úvahu uvedené skutečnosti, v převážné většině případů vychází monovalentní řešení ekonomicky zcela neefektivní. Zvýšení pořizovacích nákladů nebývá vyváženo malým navýšením úspory energie.
   
   Přesto, že největší topné faktory můžeme dosáhnout jen při monovalentním zapojení TČ, je snaha dosáhnou maximální topný faktor touto cestou ekonomicky neefektivní.
   
   
2. Reálný topný faktor vytápěcího systému (řádky C, D, E tabulky 1) je něco zcela jiného než topný faktor TČ (řádek A tabulky 1). Bude vždy menší až výrazně menší než topný faktor TČ. Oproti topnému faktoru samotného tepelného čerpadla poklesne vždy – podle okrajových podmínek – o desítky %, až téměř o 50 %. Zvýrazněné hodnoty v tabulce odpovídající bivalentnímu řešení plně korespondují s diagramem na obr. 10.
   
   Pokles topného faktoru systému způsobují následující skutečnosti:
   
   • Bivalentní zapojení – tento pokles není na závadu, naopak je třeba ho vždy upřednostňovat, protože je ekonomicky efektivní! (řádek B tabulky 1)
   • Příprava TV – tento pokles bude nejmenší při celoroční přípravě TV tepelným čerpadlem a naopak největší, pokud se příprava TV vyřadí z povinnosti tepelného čerpadla. Ekonomický efekt zvoleného způsobu přípravy by měl být prokázán! Jednoznačně a obecně se nedá říci, že zapojení s největším topným faktorem, tj. celoroční příprava TV pomocí TČ, musí být nutně ekonomicky efektivní.
   • Nevhodně řešený systém (z pohledu otopné soustavy a rozvodů, zapojení vedoucích k degradaci teplotní úrovně topného média, velkých příkonů pro dopravu médií – zejména primárního) znehodnotí efekt sebelepšího tepelného čerpadla.
   
   Obr. 12 – Vliv topného faktoru a podílu potřeby tepla na celkové potřebě energie v objektu na úspory energie a nákladů na energie
    
3. Z tabulky i dalších souvislostí je přitom zřejmé, že:
   
   • stejný vliv (bivalentní zapojení, příprava TV, řešení systému) se na topném faktoru projeví v obou směrech tím výrazněji, čím větší bude výchozí topný faktor samotného TČ;
   • čím více bude vytápěný objekt „zateplen“, tím větší bude podíl potřeby tepla na přípravu TV ve vytápěném objektu i jeho negativní vliv na celkový topný faktor systému;
   • čím více bude vytápěný objekt „zateplen“, tím menší bude podíl potřeby tepla na celkové potřebě energie v objektu (menší k1 i k2), což negativně ovlivní celkové úspory energie a nákladů (viz obr. 12 – křivky ÚC a ÚN se více „odkloní“ od křivky ÚE).
   
   
4. Pokud se z jakýchkoliv důvodů (technických nebo ekonomických) odmítne využití TČ pro přípravu TV, výsledný topný faktor sytému bude překvapivě nízký (řádek C tabulky 1) i při (nebo lépe – právě při) vysokém topném faktoru samotného TČ, a to i při monovalentním řešení TČ.

Pokud řada dodavatelů TČ staví svou reklamu „jen“ na vysokém topném faktoru tepelného čerpadla a o topném faktoru celého vytápěcího systému mlčí (a mnohdy ještě doporučuje nezabývat se přípravou TV), pak buď „nevědí, co činí“, nebo záměrně matou potenciální zájemce o TČ.

Závěr

1. Tepelné čerpadlo je vcelku jednoduché ve svém principu, ale složité v aplikačních souvislostech. Některé důležité souvislosti se pokusilo toto pojednání analyticky prokázat. Řadu dalších – s ohledem na záměr pojednání i možný rozsah – samozřejmě ponechává stranou.
2. Podstatná úspora spotřeby energie pro výrobu tepla v objektu s TČ (řádově v desítkách % a vesměs více než 60 %) je dána už „jen“ použitím spolehlivého TČ. Z energetického hlediska je přitom prakticky rovnocenné, zda se použije TČ vzduch–voda nebo země–voda. Vliv topného faktoru vytápěcího systému na absolutní úsporu je řádově menší (jen v jednotkách % – obr. 1, 3 a 4). Jinými slovy: zatím co použití TČ v objektu přináší úsporu v nákladech na energii řádově v desítkách tisíc Kč/rok, další úpravy mohou přinést úsporu řádově jen v tisících Kč/rok (obr. 6). Toto konstatování nechce snižovat význam topného faktoru (TČ a celého vytápěcího systému!) ani dalších úprav na energetickou náročnost objektu. Chce jen důrazně upozornit na to, že můžeme-li navýšení topného faktoru a nárůst úspory spotřeby energie zajistit jen dalšími investičními náklady, musíme vždy posoudit, zda investiční vícenáklady budou vyváženy nárůstem úspory provozních nákladů. Nesmíme ale také zapomenout, že technicky je navyšování topného faktoru vždy limitováno (viz tabulka 1).
3. Ve vytápěcím systému s TČ je tepelné čerpadlo „sice podmínkou nutnou, ne však postačující“. Optimální podmínky se mohou dosáhnout jen komplexním návrhem celého systému a vyřešením vazeb v něm. Energetický efekt sám o sobě neříká nic o efektu ekonomickém. Právě tak vysoký topný faktor určitého řešení není zárukou jeho ekonomické efektivity. Pokud nechceme šetřit werichovským způsobem „ať to stojí, co to stojí“, musíme vždy prokázat, že projektovaný energetický efekt (nebo vysoký topný faktor) daného řešení přináší i efekt ekonomický. Skutečností však je, že v řadě pojednání (i v zahraničních časopisech) se hovoří jen o energetických přínosech různých řešení, aniž by se posuzoval jejich přínos ekonomický.

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