Kdy lze vyměnit kotel za tepelné čerpadlo. Část 2/4. Nalezení ekvitermní křivky soustavy
Náhrada kotle tepelným čerpadlem vyžaduje ověření hydrauliky soustavy, teplotních režimů a výkonů tepelného čerpadla. Vzájemné nepřizpůsobení lze odhalit změřením teplot, prací s grafy ekvitermní křivky a podklady výrobce, zejména v případě jednodušší soustavy vytápění v rodinném domě.
Význam ekvitermní křivky pro tepelné čerpadlo
Ekvitermní regulace spočívá v nastavování teploty otopné vody vstupující do otopné soustavy na základě změn venkovní teploty tak, aby byla udržována rovnováha mezi dodávaným teplem a tepelnými ztrátami domu, které se mění podle venkovní teploty. Přitom vnitřní teplota v domě zůstává konstantní bez potřeby regulovat dodávku tepla regulačními armaturami, průtokem.
Množství tepla, které soustava do domu za určitý čas dodá, je přímo úměrné součinu teplotního spádu a průtoku, respektive objemu otopné vody, který soustavou za daný čas proteče. Pro tepelné čerpadlo je ideální udržovat v podstatě konstantní teplotní spád, přičemž množství tepla dodávaného pro vytápění se řídí ekvitermní změnou teploty otopné vody.
Teplotní spád je dán teplotou otopné vody na přívodu do soustavy a teplotou zpátečky. Mezi nimi leží střední teplota. Je-li například teplota vstupující otopné vody 55 °C a teplota vracející se vody 48 °C, pak teplotní spád je 7 stupňů a střední teplota je 51,5 °C. Pro další postup má tato střední teplota zásadní význam. Střední teplota určuje výkon radiátorů. Pokud nalezneme ekvitermní křivku střední teploty pro danou soustavu, můžeme ověřovat, jak se v soustavě projeví snížení teplotního spádu a zda je možný soulad s parametry tepelného čerpadla. Případně kde soulad končí, kde leží tzv. bod bivalence a kde se k tepelnému čerpadlu musí připojit bivalentní zdroj tepla.
Čím nižší je rozdíl mezi teplotou otopné vody, která z tepelného čerpadla musí vstupovat do soustavy a teplotou venkovního vzduchu (nebo země), odkud tepelné čerpadlo jímá tepelnou energii, tím lepší provozní podmínky tepelné čerpadlo má, může mít vyšší topný faktor a nižší náklady za elektřinu.
Proto se při návrhu nové soustavy s tepelným čerpadlem navrhují otopné plochy, a je primárně lhostejné, zda je tvoří strop, stěny, podlaha, otopná tělesa či konvektory s ventilátorem, tak, aby vyžadovaly co nejnižší možnou maximální teplotu otopné vody. Může to být cca 50 až 55 °C, s podlahovým vytápěním obvykle jen okolo 35 °C, i vzhledem k nutnosti nepřekročit zdravotní limit pro povrchovou teplotu podlahy. Vzhledem k technickému pokroku a využití nových chladiv, především R290 (propan), sice již není návrh nebo provoz na velmi nízké teploty otopné vody u některých tepelných čerpadel nutný, nicméně přínosný je vždy.
Ekvitermní otopné křivky – základní informace
Příklad základního tvaru ekvitermní křivky, respektive topných křivek, pro případ soustavy s radiátory a kotlem je na obr. 2. Domovní teplovodní vytápěcí soustava byla v tomto případě navržena na výpočtové teploty přívodní otopné vody do radiátorů (červená křivka) a zpětné vody vracející se z radiátorů (modrá křivka) 90/70 °C při výpočtové vnitřní teplotě 20 °C a výpočtové vnější teplotě −12 °C. To, že nejde o přímky, ale o křivky, je dáno fyzikálními vlastnostmi a pro různé otopné plochy, radiátory, podlahové vytápění aj. budou mít křivky mírně odlišný tvar.
![Obr. 2 Základní otopné křivky pro ekvitermní regulaci, návrhové podmínky 90/70/20/−20 °C [1]](/docu/clanky/0249/024958o1.png)
Obr. 2 Základní otopné křivky pro ekvitermní regulaci, návrhové podmínky 90/70/20/−20 °C [1]
Obr. 3 On-line pomůcka na TZB-info Výpočet a graf ekvitermní křivky ve výchozím stavu po jejím otevření
Při venkovní teplotě −12 °C musí do soustavy vstupovat otopná voda o teplotě 90 °C a otopná tělesa a průtok otopné vody jsou navrženy tak, že se otopná voda ze soustavy vrací s teplotou 70 °C. Z pohledu tepelného výkonu radiátorů, jak bylo uvedeno již výše, je zásadní střední teplota, v daném případě 80 °C.
Pro nalezení ekvitermní křivky stávající soustavy je dále využívána on-line výpočetní a grafická pomůcka na TZB-info „Výpočet a graf ekvitermní křivky“ viz obr. 3.
Mimo teplot lze v zadávacích polích pomůcky změnit i velmi důležitý teplotní exponent otopné soustavy. Pro stávající soustavu s radiátory lze využít předvolený 1,3. Více informací k exponentu viz např. [4].
Zmenšením teplotního spádu se však sníží teplota otopné vody vstupující do radiátoru.
![Obr. 4 Příklad otopných, ekvitermních křivek při střední teplotě 80 °C a výpočtovém spádu 83/77 °C při zachování stejného výkonu jako při spádu 90/70 °C, vytvořeno v on-line pomůcce [2]](/docu/clanky/0249/024958o5.png)
Obr. 4 Příklad otopných, ekvitermních křivek při střední teplotě 80 °C a výpočtovém spádu 83/77 °C při zachování stejného výkonu jako při spádu 90/70 °C, vytvořeno v on-line pomůcce [2]
Teplotní spád 90/70 °C, tedy 20 °C, není vhodný pro tepelné čerpadlo, a proto ho při stejné střední teplotě zkusíme upravit například na přijatelných 6 °C tím, že v pomůcce zadáme přívodní teplotu 83 °C a pro zpátečku 77 °C. Výsledné křivky jsou na obr. 4. Bohužel, ani zmenšením teplotního spádu nebyly vytvořeny ideální podmínky pro činnost tepelného čerpadla. Takové parametry teploty vody v otopné soustavě jsou mimo možnosti běžných, jednostupňových tepelných čerpadel nabízených na trhu. Splnění těchto podmínek je možné jen s využitím doplňkového bivalentního zdroje s dostatečnou teplotou otopné vody.
Nalezení ekvitermních otopných křivek stávající soustavy
Pro přibližné nalezení ekvitermní otopné křivky stávající soustavy musíme předem zjistit určité teploty. Ideálně během zimní noci nebo ráno či večer, kdy nesvítí Slunce, v místnostech nevznikají tepelné zisky z provozu spotřebičů, přípravy jídel atp. a vytápění je ustálené, není v útlumu nebo naopak v zátopu.
Dejme tomu, že měřením v referenční místnosti (té největší a nejvíce využívané) zjistíme teplotu vzduchu v místnosti 22 °C a stejný tepelný komfort chceme mít trvale. Dále zjistíme teplotu otopné vody přitékající do radiátorů 50 °C, teplotu otopné vody vracející se z radiátorů 40 °C a venkovní teplota je −3 °C.
Ve výpočtech ekvitermní křivky se používá tzv. výpočtová vnitřní teplota. Tuto teplotu nezměříme jednoduchým teploměrem, protože se na ní podílí i tepelné sálání okolních povrchů a výpočtová teplota je obvykle o něco nižší, než teplota vzduchu. S vědomím určité nepřesností se proto dále bude pro zjištěný stav pracovat s výpočtovou teplotou 21 °C.
Za popsaných podmínek při spádu 50/40 °C je střední teplota 45 °C. Pro tuto střední teplotu při venkovní teplotě −3 °C budeme v pomůcce postupnými kroky hledat odpovídající otopné křivky. Z nich pak uvidíme potřebnou maximální a minimální teplotu otopné vody při výpočtové teplotě například −12 °C v oblasti, kde se dům nachází.
Zkusmo si odhadneme, že by mohla stačit výpočtová maximální teplota otopné vody například 65 °C, minimální 45 °C a ty zadáme do pomůcky. Protože budeme pracovat s grafem při venkovní teplotě −3 °C, můžeme si tuto teplotu v grafu zvýraznit zadáním této hodnoty do zadávacího pole uživatelské venkovní výpočtové teploty a vygeneruje se graf, viz obr. 5.
Obr. 5
Obr. 6 Nalezené ekvitermní otopné křivky stávající soustavy s kotlem
Jak z grafu viz obr. 5, tak případně i z číselné tabulky pod grafem v pomůcce je vidět, že jsme se při -3 °C trefili, co se týká teploty zpátečky, ale jsme při této teplotě mírně nad se střední i vstupní teplotou. Proto maximální výpočtovou teplotu 65 °C snižujeme a nejpřesnější přiblížení nastane při teplotě 58 °C.
V případě, že by byla mimo i teplota zpátečky, tak ji samozřejmě budeme muset vhodně analogicky upravovat.
Tím jsme ze změřených teplot odvodili skutečné, reálné otopné ekvitermní křivky stávající soustavy a její výpočtový teplotní spád 58/40 °C při výpočtové vnitřní teplotě 21 °C a výpočtové venkovní teplotě −12 °C, viz obr. 6.
Je nutné si uvědomit, že šlo jen o jedno měření, které mohlo být zatíženo menší či větší nepřesností. V praxi by se mělo takových měření provést více při stejné vnitřní teplotě, ale při různých venkovních teplotách. Z nich si odvodit více středních teplot a pak hledat ekvitermní křivku střední teploty pro danou otpnou soustavu, která těmto bodům bude co nejblíže.
Replacing the boiler with a heat pump requires verification of the system's hydraulics, temperature regimes and heat pump performance. Mutual incompatibility can be detected by measuring temperatures, working with equithermal curve graphs and manufacturer's documents, especially in the case of a simpler heating system in a family home.
