Klimatizační jednotka jako levné tepelné čerpadlo vzduch-voda

Znamená to jen nahradit vnitřní jednotku vhodným výměníkem chladivo-voda, doplnit bezpečnostní prvky a ovládání. Použitá venkovní jednotka musí být z důvodu nutnosti odtávání námrazy schopna provozu v režimu topení i chlazení.

Možnost použití venkovní jednotky jako levného tepelného čerpadla vzduch-voda byla natolik lákavá, že jsem se rozhodl provést měření závislosti výkonu a topného faktoru (poměru tepelný výkon/elektrický příkon) na teplotě venkovního vzduchu. Pro tato měření jsem zvolil malou venkovní jednotku s rotačním kompresorem a větší jednotku s kompresorem scroll. Obě byly zapojeny jako tepelná čerpadla vzduch-voda. Výsledky měření byly zpracovány do názorných grafů.

Z čeho se skládá venkovní jednotka?

Venkovní jednotka dělené klimatizace se obvykle skládá z plechové skříně, ve které je umístěn měděný trubkový výměník, který je opatřen hliníkovými lamelami a ventilátorem či ventilátory, někdy vícerychlostními. Srdcem jednotky je kompresor, obvykle doplněný odlučovačem kapalného chladiva v sání, dále bývá osazen čtyřcestný ventil pro změnu funkce chlazení/topení a dvojice kapilár se zpětnými ventilky jako škrticí prvek kapalného chladiva. Větší jednotky mívají řízený expanzní ventil. Chladivový okruh bývá zakončen speciálními kohouty, které jsou opatřeny převlečnými maticemi pro připojení měděného spojovacího potrubí pomocí kalíškových spojů. Na fotografiích jsou detaily připojovacího kohoutu, rotačního kompresoru a čtyřcestného ventilu malé jednotky.

Detail připojovacího kohoutu pro Cu trubku 18 mm s čerpacím a plnicím ventilkem

Detail rotačního kompresoru, vlevo nahoře je čtyřcestný ventil

Dvě měděné měkké spojovací trubky v délce cca 3-5 metrů bývají součástí dodávky a na koncích mají vždy zhotoveny kalíšky pro hermeticky těsné propojení. Trubky jsou už obvykle opatřeny tepelnou izolací. Jeden z kohoutů (potrubí pro páry chladiva) má servisní ventilek pro vakuování potrubí a pro plnění chladiva. Oba kohouty jsou u dosud nezapojených jednotek uzavřeny a navíc osazeny zaslepovacími maticemi, protože v jednotce bývá základní náplň chladiva. Obvykle je to ekologický druh R407c, které je náhradou R22. Jelikož v systému není sběrač chladiva, dávkuje se chladivo "na míru" podle délky spojovacího potrubí. Základní náplň je určena pro dodanou délku trubek a v návodech se píše, o kolik se musí množství chladiva zvýšit při prodloužení potrubí. Ve vhodném místě dna skříně je otvor pro odtok zkondenzované vody, pokud jednotka pracuje v režimu topení.

Elektroinstalace jednotek bývá velmi jednoduchá. Přívody napájení kompresoru, cívky čtyřcestného ventilu a ventilátoru jsou obvykle vyvedeny na svorkovnici. Teplotní čidlo nebo čidla mívají samostatný konektor nebo svorky. Motory kompresorů malých jednotek jsou prakticky vždy jednofázové, větší jednotky mívají motory třífázové. Ve venkovní jednotce obvykle není žádná elektronika. Větší jednotky mívají osazen i stykač kompresoru, případně detektor sledu fází a podpětí sítě.

Vnitřní jednotka se skládá z plastové skříňky, ve které je trubkový lamelový kondenzátor/výparník s radiálním vícerychlostním ventilátorem s jednofázovým motorem. Pod ním je umístěna nádobka pro sběr kondenzátu a vývod pro odvod zkondenzované vody, pokud jednotka pracuje v režimu chlazení. Bývá tam i jeden nebo více malých elektrických servopohonů pro ovládání směru proudění vzduchu pomocí klapek a celá řídicí elektronika, obvykle i s možností dálkového ovládání.

V současné době je na trhu značné množství levných malých dělených klimatizací různých značek v cenách kolem 10 tisíc Kč. Příkony jejich kompresorů se pohybují v mezích 1-2 kW, udávané tepelné a chladicí výkony jsou kolem 3-4 kW. Mnoho výrobců a zejména prodejců se ani neobtěžuje udávat výkony v kW. Někteří z nich nesprávně používají jednotku btu (british thermal unit), což je jednotka energie. Správně by mělo být uváděno btu/h, ale vhodnější je udávat výkon podle našich zvyklostí v kW. Pro přepočet platí: 1.000 btu/h = 0,293 kW. Tyto levné jednotky jsou osazovány rotačními kompresory různých výrobců. Jde o firmy Sanyo, Mitsubishi, Toshiba, LG atd. Rotační kompresory mají jiný princip funkce než kompresory scroll. Kompresor scroll se skládá ze dvou spirálových těles vložených do sebe. Jedna spirála je uchycena pevně a druhá v ní krouží. Rotační kompresor se spíše podobá Wankelovu motoru, ale jeho "píst" je kruhový a pohybuje se po obvodu rovněž kruhové komůrky. Sání a výtlak jsou blízko u sebe a jsou odděleny pohyblivou přepážkou. Tyto kompresory mají menší účinnost a nepříznivě se u nich projevuje blízkost sacího a výtlačného prostoru a otvorů. Tady vzniká jakýsi "tepelný zkrat". Prostor sání a výtlaku je oddělen jen pohyblivou přepážkou a jedním místem styku pístu a komůrky, zatímco u typu scroll následuje za sebou několik spirálami utěsněných prostor s postupně se zvyšujícím tlakem.

Měřicí zařízení

Venku umístěná jednotka byla propojena tepelně izolovaným měděným potrubím o délce asi 4 m s kvalitním deskovým výměníkem o rozměrech asi 120x520 mm se 30 deskami. Tento typ byl zvolen také proto, že se počítalo s následným připojením a měřením parametrů vnější jednotky vzduch-voda s vyšším výkonem. Sekundární okruh výměníku byl osazen oběhovým čerpadlem a připojen k topnému systému tak, aby bylo možno použít stávající přístroje pro měření výkonu. Ty jsou tvořeny průtokoměrem s impulzním výstupem, teplotními čidly teplé i vratné vody, čidlem venkovní teploty a teploty výparníku. Celkový příkon měřil elektronický třífázový elektroměr rovněž s impulzním výstupem. Všechny signály zpracovávala měřicí jednotka s mikroprocesorem, která na LCD displeji zobrazovala okamžitá naměřená a vypočtená data (teploty, průtoky, elektrický příkon, tepelný výkon, topný faktor) a současně je ve zvolených intervalech 5 minut posílala na připojený počítač. Kompresor, ventilátor, cívka čtyřcestného ventilu jednotky a oběhové čerpadlo byly připojeny k vyvíjenému univerzálnímu regulátoru pro tepelné čerpadlo vzduch-voda, země-voda a voda-voda.

Na vstupu par do kondenzátoru byl připojen vysokotlaký manometr a presostat, protože tyto přístroje nejsou součástí jednotky. Pro trvalý provoz je použití presostatu velmi vhodné, protože by mohlo při omezení průtoku vody kondenzátorem dojít ke zvýšení teploty a tím i tlaku chladiva nad přípustnou mez 2,5 až 3,0 MPa.

Měření malé klimatizační jednotky ve funkci TČ vzduch-voda

Pro ověření vlastností a parametrů jednotky byl použit malý typ jednotky s rotačním kompresorem firmy Sanyo. Její součástí byl čtyřcestný ventil, odlučovač kapaliny v sání, výparník a ventilátor. Na výparník bylo umístěno teplotní čidlo PTC, pro které je konstruována elektronická řídicí jednotka. Výrobce udává tyto parametry:

Malá venkovní jednotka s rotačním kompresorem Sanyo

Měření parametrů probíhalo během února a března tohoto roku. Šlo o občasná měření v délce vždy několika hodin, protože výkon tohoto systému obvykle neodpovídal požadavkům na vytápění. Potřebné teplo zajišťovalo tepelné čerpadlo země-voda, případně sluneční kolektory. Průtok v sekundární části kondenzátoru byl škrcen kohoutem tak, aby bylo možno dosáhnout požadované teploty vody 35 °C (výkon v kW = průtok v m³/h * rozdíl teplot * 1,16). Naměřené parametry byly zapisovány v intervalech 5 minut na PC a z mnoha set hodnot vznikly níže uvedené grafy. Skutečný naměřený příkon v režimu topení byl o něco vyšší než udává výrobce, kolísal v mezích 1,3-1,6 kW. V době, kdy byly venkovní teploty blízko 0 °C a vzduch byl vlhký, docházelo k postupnému namrzání lamel výparníku, výkon klesal a bylo nutné reverzním chodem námrazu odstraňovat. To zajišťoval elektronický regulátor automaticky. Z naměřených hodnot byly zpracovány grafické závislosti výkonu a topného faktoru na venkovní teplotě.

Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu
u malého tepelného čerpadla s rotačním kompresorem

Očekával jsem, že naměřené výsledky nebudou nijak oslnivé, a domnívám se, že se na nich podepsal hlavně druh použitého kompresoru. Možná by stálo za pokus provést podobné měření takové jednotky osazené malým kompresorem scroll, ale tak malé typy nejsou běžné. Problémem je to, že cena samotného kompresoru scroll převyšuje cenu celé sestavy.

Měření velké klimatizační jednotky ve funkci TČ vzduch-voda

Následovalo měření parametrů "dospělé" jednotky. Ta je osazena značkovým kompresorem scroll firmy Copeland. Jde o typ ZR57K3E v třífázovém provedení.

Velká venkovní jednotka s kompresorem scoll Copeland

Jednotka obsahuje velký lamelový výměník s kvalitním dvourychlostním ventilátorem s 900 nebo 600 otáčkami za minutu. Kompresor je umístěn odděleně od prostoru ventilátoru a je odhlučněn. Na vstupu sání kompresoru je objemný odlučovač kapalného chladiva, na výtlaku je odlučovač oleje. Reverzní chod umožňuje čtyřcestný ventil. Chladivový okruh je opět zakončen pomocí speciálních kohoutů a je naplněn chladivem R407c, asi 3,4 kg. Přívody elektromotorů a ventilu končí na kryté svorkovnici. Součástí elektroinstalace je stykač kompresoru a detektor sledu fází a podpětí sítě. Kontakty jeho relé přivádějí na jednu svorku napětí 230 V. Původní teplotní čidlo NTC na výparníku bylo rovněž nahrazeno typem PTC, pro které je konstruována řídicí jednotka.

Vnější jednotka byla s popsaným výměníkem propojena potrubím o průměru 10 mm a 16 mm o délce asi 4 m. Max. délka spojovacího potrubí je uváděna až 35 m. Regulaci a řízení cyklů odtávání námrazy lamel výparníku zajišťoval stejný regulátor jako v případě malé jednotky.

Měření probíhala v měsíci březnu t.r. (2005), kdy se teploty v noci pohybovaly ještě kolem -5 °C. Rovněž tady vznikala při teplotách kolem 0 °C v závislosti na vlhkosti vzduchu námraza, o jejíž odstraňování se staral regulátor. Tepelné čerpadlo bylo využíváno pro vytápění celého RD, ale jeho tepelný výkon prakticky převyšoval výkon našeho TČ země-voda a požadavky na množství tepla. Proto bylo často nutné nuceně chladit akumulační nádrže přetápěním RD pomocí podlahového topení. Z mnoha set naměřených hodnot výkonu a topného faktoru byly vybrány ty body, které se nejvíce blížily zvoleným podmínkám teploty otopné vody 35 °C a vratné vody 30 °C, a byly z nich zhotoveny grafy. Bohužel nebyla možnost provést měření při nižších teplotách, takže křivky byly pro tyto teploty extrapolovány. Jejich průběh odpovídá tvaru křivek udávaných výrobcem.

Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu
u tepelného čerpadla s kompresorem scroll

Také v tomto případě byl do příkonu jednotky zahrnut jak příkon samotného kompresoru, tak i ventilátoru a oběhového čerpadla. Topný faktor byl vypočítáván ze skutečného tepelného výkonu dodávaného do systému a z celkového elektrického příkonu. Z naměřených údajů je zřejmý značný rozdíl oproti malé jednotce s rotačním kompresorem. Tyto jednotky mohou být osazeny typy kompresorů scroll Copeland ZR42, 47, 57, 61 a 72 (všechny v třífázovém provedení). Poslední dva typy mají 2 výparníky a ventilátory nad sebou. Tato výkonová řada představuje tyto výkony (opět platí pro teploty otopné vody 35 °C/30 °C):

Jaká je hlučnost měřené jednotky? Díky oddělenému umístění kompresoru od výparníku a zvukové izolaci krytů je hlučnost překvapivě nízká. Za provozu je spíše slyšet šum lopatek ventilátoru. Některé typy klimatizačních jednotek typu split (dělených), které jsou u nás prodávány jako tepelná čerpadla vzduch-voda (například řada CHP TempStar, Lennox aj.), mají kompresory nekrytě umístěné uprostřed výparníku tvaru U ve venkovní jednotce a produkují mnohem vyšší hluk. Hluk se u nich šíří zejména mezerami mezi lamelami a je problém jej snížit. To potvrdila řada návštěv.

Závěrem

Z naměřených hodnot je zřejmé, že rotační kompresory nejsou příliš vhodné pro použití v tepelných čerpadlech. Žádný z výrobců tepelných čerpadel je pro tyto účely nepoužívá. Dosahovaný topný faktor je poměrně nízký a výkon se s klesající teplotou vzduchu rychle snižuje. Rotační kompresory jsou primárně určeny pro klimatizace, kde se pracuje s poměrně menšími teplotními a tlakovými rozdíly. Vždy jde o kompromis mezi cenou a parametry a funkce topení je u nich spíš jako doplňková. O tom svědčí i fakt, že elektronické řídicí moduly těchto jednotek prakticky nepočítají s funkcí automatického odtávání venkovního výparníku v režimu topení. Také se nabízí otázka životnosti rotačních kompresorů.

Setkávám se s dotazy, zda by nebylo možné použít takový malý systém například jen pro ohřev TUV. Nepochybně to možné je, ale pro tento případ by bylo vhodnější použít jiné chladivo. S tím samozřejmě souvisejí další drobné úpravy. S chladivem R407c by byl kompresor při teplotách vody kolem 55 °C už značně namáhán. Bohužel topný faktor rychle klesá s rostoucím rozdílem vypařovací a kondenzační teploty, a tak se nedají očekávat příliš dobré parametry. I v tomto případě by bylo nutné osadit systém elektronickým regulátorem s řízeným odtáváním.

Jiná situace je u větších jednotek osazených kompresory scroll. Popsaná měřená sestava, to je venkovní jednotka doplněná deskovým výměníkem, oběhovým čerpadlem, elektronickým regulátorem a několika dalšími díly, se dá bez problému označit jako tepelné čerpadlo. Po doplnění vhodným zdrojem tepla pro období nízkých teplot (použitý regulátor jej umí ovládat) jde o plnohodnotný systém pro vytápění RD. Zřejmě nedosahuje parametrů jiných komerčních tepelných čerpadel vzduch-voda, ale má velice příznivé technicko-ekonomické parametry, zejména krátkou dobu návratnosti investice. Jaká je výše takové investice? I ta nejvýkonnější sestava uvedená v tabulce nedosáhne 100 tisíc Kč včetně všech potřebných dílů a DPH.

Pro případné využití je výhodné používat nízkoteplotní otopné systémy, ale to platí u tepelných čerpadel obecně.