Zemní plošný kolektor a stížnost na ztrátu výkonu tepelného čerpadla

Jednu z možností využití obnovitelných zdrojů energií nabízí tepelné čerpadlo, jehož primárním zdrojem tepelné energie je zemní plošný kolektor. Realizace kolektoru je nákladově příznivější než zemní vrt a nepodléhá projednání a souhlasu od vodoprávního orgánu. Proto dodavatelé tepelných čerpadel země-voda plošný kolektor doporučují, pokud je k němu na pozemku dostatek plochy, která není zastíněna pro sluneční svit a rovněž je prostupná pro dešťovou vodu.

Podmínkou optimální součinnosti tepelného čerpadla a kolektoru je správný návrh velikosti kolektoru vzhledem ke zvolenému tepelnému čerpadlu, resp. ke skutečné spotřebě tepla daného objektu. Pokud není jejich vztah optimální, může dojít k podchlazení kolektoru. To se negativně projeví na energetické efektivitě provozu tepelného čerpadla. Pokud je podchlazení kolektoru zásadní, projeví se až omezením růstu vegetace na povrchu terénu nad kolektorem.

Příklad zde prezentovaný má ukázat, co by se mohlo stát s kolektorem a spotřebou elektřiny, kdybychom navrhovali TČ země/voda třeba jen na 50 až 60% pokrytí požadovaného výkonu zdroje tepla.

Co iniciovalo stížnost?

Řešena byla stížnost zákazníka na velmi časté spínání elektrického dotopu, který doplňoval údajně snížený výkon tepelného čerpadla země/voda. Na stížnosti je zajímavé a přitom i svým způsobem varovné to, že si předchozí 4 roky zákazník na nic takového nestěžoval. Dotop se prý dřív nikdy nezapínal. V domě měl zákazník nastavenou ekvitermní křivku s požadavkem na teplotu otopné vody 55 °C při venkovní teplotě −15 °C pro okruh otopných těles a toto nastavení neměnil. V objektu měl trvale zajištěnu vnitřní teplotu cca 20,5 °C prakticky od uvedení do provozu. Během poslední topné sezóny si však „náhle všiml“, že mu běží elektrický dotop za venkovní teploty okolo −6 °C. Přestože s vytápěním nebyl žádný problém, tak tato namátkou zjištěná aktivace dotopu jej vedla ke stížnosti, kterou bylo nutné řešit.

Odpovídá návrh plochy kolektoru potřebě?

Pro návrh TČ byla instalační firmou vypočtena tepelná ztráta domu na cca 12 kW pomocí obálkové metody. V dobré víře, že ve výpočtu tepelné ztráty je zahrnuta výrazná rezerva, bylo navrženo TČ země/voda o nominálním topném výkonu 10 kW pro podmínky 0/45 °C s tím, že pokud by spínal dotopový elektrokotel, tak jen minimálně. Takto navrženému TČ byl podle zvyklostí přiřazen plošný kolektor se dvěma smyčkami o rozloze dvakrát 250 m², celkem tedy 500 m².

Osvědčený postup

Plocha plošného kolektoru 500 m² (resp. délka potrubí kolektoru 500 m při rozteči potrubí 1 m) odpovídá běžnému návrhu pro TČ o nominálním topném výkonu 10 kW v běžné zemině pro dům s výpočtovou tepelnou ztrátou 10 až 12 kW s otopnými tělesy a přípravou teplé vody. Za tohoto předpokladu by TČ s ON/OFF kompresorem odhadem naběhalo cca 2000 až maximálně 2400 h/rok i se zahrnutím provozu přípravy teplé vody nejen během topné sezóny, ale i mimo ni.

Dodržení těchto okrajových podmínek má za cíl, aby za nejnižších venkovních teplot, respektive na konci topné sezóny, byla na výstupu z plošného kolektoru (tedy na vstupu do výparníku TČ) nemrznoucí směs o teplotě nejníž 0 °C. V běžném rodinném domě je to zcela vyhovující návrh.

Z popisu výše vyplývá zjednodušující koeficient 50 m² plošného kolektoru na 1 kW topného výkonu TČ. Pokud TČ svým výkonem kryje výpočtovou tepelnou ztrátu ze 100 % (10 kW výkon TČ versus 10 kW tepelné ztráty), jedná se v daném případě i o 50 m² plošného kolektoru na 1 kW tepelné ztráty objektu. Avšak při krytí výpočtové tepelné ztráty 12 kW (krytí výkonem TČ z cca 83 %) vychází již jen asi 42 m² plošného kolektoru na 1 kW tepelné ztráty objektu. To znamená, že kolektor bude více zatížen a bude tak logicky ve stejné zemině pracovat s nižší teplotou nemrznoucí směsi.

Jednoznačně se tak ukazuje, že návrh primárního okruhu nelze provést jen na základě výkonu TČ, ale tento výkon je potřeba navázat na celkovou potřebu tepla v objektu. A že návrh kolektoru ovlivní i předpokládaný sezonní topný faktor dle topného systému.

Pokud je reálná tepelná ztráta nižší (a tedy i roční potřeba tepla), bude nejen v největších mrazech, ale i na konci topné sezóny teplota nemrznoucí směsi na vstupu do výparníku vyšší, a také o něco klesne počet provozních hodin kompresoru.

Zjištěná skutečnost

Skutečnost u zmíněného objektu však byla zcela opačná. Do výparníku TČ z kolektoru přitékala nemrznoucí směs o teplotě −3 °C, a to ještě v období před Vánoci, kdy se na jiných strojích tou dobou teploty nemrznoucí směsi z kolektorů pohybovaly okolo 2 až 4 °C! To ukazuje na tepelné vyčerpání kolektoru ještě před nástupem nejchladnějšího období roku. Viditelně to i mírně, negativně, ovlivňovalo i terén tím, jak promrzala zemina.

Základní rozbor příčiny podchlazení kolektoru a možných důsledků

Stroj ve skutečnosti naběhal v průměru za rok asi 4200 hodin. Tedy zásadně více, než byl předpoklad, a proto se kolektor více vychladil. I přes tuto skutečnost elektrický dotop dodal odhadem méně jak 1 % z celkově dodaného tepla do domu. Z hlediska krytí potřeby tepla to byl velmi dobrý výsledek. Ale kolektor nebyl v té správné teplotní kondici a svým podchlazením snižoval topný faktor a samozřejmě i tepelný výkon stroje.

Pro představu, pokud má stroj při podmínkách 0/45 °C topný výkon 10 kW, tak při poklesu nemrznoucí směsi z teploty 0 °C na teplotu −3 °C klesne jeho topný výkon o 0,9 kW na 9,1 kW. Takže již tento parametr sám o sobě zvyšuje provozní hodiny stroje.

Topný faktor COP by z hodnoty 3,8 za provozních podmínek 0/45 °C při snížení teploty nemrznoucí směsi na −3 °C, tedy za změněných podmínkách −3/45 °C, poklesl o 6,3 % na hodnotu 3,56. S tím souvisí zvýšení spotřeby elektřiny o 6,7 %. To není zanedbatelná hodnota tím spíš, když na jiných, správně dimenzovaných kolektorech byly v danou část roku teploty na vstupu do výparníku vyšší o 5 až 7 Kelvin (stupňů) v porovnání s tímto kratším kolektorem.

Proto se zvýšení spotřeby elektřiny na této horší instalaci s poddimenzovanou plochou kolektoru v porovnání s bezvadnou instalací ve skutečnosti a pro danou fázi roku pohybovalo mezi 11 až 16 %.

Není tedy překvapující, že vlivem automatické aktivace elektrického dotopu si zákazník myslel, že TČ ztratilo výkon „samo o sobě“, a proto se dotop zapínal. Příčinu takto vzniklého stavu viděl v poruše kompresoru, a tu reklamoval.

Měření potvrdilo plnou funkčnost TČ

Ke zjištění skutečného stavu bylo provedeno měření výkonu TČ. Pomocí porovnání rozdílů teplot na kondenzátoru a rozdílů teplot na elektrokotli při stejném průtoku otopné vody bylo stanoveno, že TČ má za daných teplotních podmínek topný výkon přesně odpovídající tabulkovému pro dané provozní parametry (viz Obr. 1). Ostatně kdyby TČ nemělo odpovídající topný výkon, respektive pro kolektor chladicí výkon, tak by kolektor tak nechladilo. To samozřejmě zákazník-laik neumí posoudit, a proto bylo měření výkonu tak důležité.

Obr. 1 – Ověření topného výkonu TČ IVT EQ C10 (ukázka posouzení z jiné instalace)

Tepelná ztráta výpočtem a skutečná

Odečítáním provozních hodin kompresoru do vytápění a přípravy teplé vody a spotřeby dotopu ve stejný čas (zde v 19 h) jsme po dobu 5 dní sbírali data, ze kterých vyplynulo, že skutečná tepelná ztráta domu se pohybuje mezi 14 až 14,5 kW. Dotopový elektrokotel byl v provozu již při venkovní teplotě −3,5 °C (ale mohl být sepnut již dřív, pozorovatel nebyl u TČ ve chvíli sepnutí dotopu). V takto stanovené tepelné ztrátě není nadhodnocena tepelná ztráta větráním, je zahrnuta její skutečná hodnota, protože ztráta byla určena měřením, ne teoreticky podle obálkové metody.

Je dobré zmínit, že návrh TČ země/voda s ON/OFF kompresorem se dnes běžně provádí minimálně na 70%, ideálně však na 80 až 90% pokrytí požadovaného výkonu zdroje tepla, ve kterém se počítá s výpočtovou tepelnou ztrátou domu, která je stanovena často obálkovou metodou. Díky výpočtové rezervě ve větrání oproti následné provozní intenzitě větrání je skutečná tepelná ztráta většinou o pár kW nižší. Proto bývá pokrytí tepelné ztráty výkonem zdroje tepla vyšší a snižuje se tak i případná spotřeba dotopu.

Pokud byla podle měření určena skutečná tepelná ztráta řešeného objektu cca 14 kW, pak výpočtová tepelná ztráta (stanovená obálkovou metodou) měla vyjít větší (rezerva ve větrání, okna nová plastová). To znamená, že krytí tepelné ztráty výkonem zdroje tepla, tedy TČ, bylo nižší než zmiňovaných 70 % a je evidentní, že už jsme mimo doporučené rozmezí pro korektní návrh výkonu TČ a jeho plošného kolektoru.

Nutno dodat, že do požadovaného výkonu zdroje tepla je vždy zahrnutý i přídavek cca 0,2 kW/osobu, čili běžně 0,6 až 0,8 kW u běžného rodinného domu.

Příklady několika provozních situací

Body bivalence v grafech uvedených níže jsou pouze teoretické (vypočtené). Průběh topného výkonu TČ země/voda není konstantní v celém průběhu teplot, jak by se mohlo při prvním pohledu na grafy jevit. Výkon se mění s teplotou primární i sekundární strany TČ. Topné výkony v grafech uvažujeme pro výstupní teplotu sekundární strany 45 °C, jelikož dle [1]  Topenářská příručka 3., 2007, se pro bezpečnější návrh plošného kolektoru TČ v soustavě s výstupní teplotou 55 °C v praxi osvědčilo uvažovat chladicí výkony pro výstupní teplotu vody 45 °C (vstup nemrznoucí směsi do výparníku 0 °C). Jelikož čím nižší teplota otopné vody, tím větší je chladicí výkon TČ, tedy výkon, kterým vychlazuje kolektor. V grafech níže se u topného výkonu TČ při výstupu 45 °C uvažuje vstupní teplota nemrznoucí směsi -3 °C (Obr. 2), resp. 0 °C (obr. 3 a obr. 4). Při výstupní teplotě otopné vody 55 °C (která je potřebná při -15 °C) tak bude reálné pokrytí tepelné ztráty/požadovaného výkonu zdroje tepla ještě menší, než je v grafech!

Na Obr. 2 je graficky znázorněn topný výkon TČ 9,13 kW pro podmínky −3/45 °C s průběhem skutečné tepelné ztráty objektu na základě 5denního měření 14 kW (pro −15 °C) a navíc je doplněn extra přídavek výkonu na přípravu teplé vody 0,6 kW. Pak je krytí požadovaného výkonu zdroje tepla s TČ s podchlazeným kolektorem dokonce jen necelých 63 %. A to z dnešního pohledu, po získání mnoha zkušeností, samozřejmě svědčí o špatném návrhu TČ.

Obr. 2 – Krytí požadovaného výkonu zdroje tepla cca 63 % s podchlazeným plošným kolektorem na −3 °C na vstupu do výparníku TČ

Pokud by TČ mělo dostatečně velký kolektor, který by umožnil udržet teplotu nemrznoucí směsi na vstupu do TČ nejníž na 0 °C, topný výkon TČ by byl 10 kW, krytí požadovaného výkonu zdrojem tepla s TČ by tak sice bylo lehce pod 70 % (Obr. 3), ale situace by se samozřejmě zlepšila a bod bivalence by se posunul o 2 Kelviny níž na cca −4 °C.

Obr. 3 – Krytí požadovaného výkonu zdroje tepla cca 69 %, pokud by byl dostatečně velký plošný kolektor, který zajistí teplotu nemrznoucí směsi nejníž 0 °C na vstupu do výparníku TČ

A konečně, jestliže máme dle měření skutečnou tepelnou ztrátu 14 kW (pro −15 °C) a poskytli jsme projektantovi takového domu přesnou výkresovou dokumentaci spolu s popisem konstrukcí, měla by obálkovou metodou vyjít tepelná ztráta (na základě které se TČ běžně navrhuje) vyšší, řekněme minimálně 16 kW. Pak by krytí požadovaného výkonu zdroje tepla bylo asi jen 60 % (Obr. 4). Čili použitý výkon TČ je stále pod dnes doporučovaným minimem 70 %. Těchto 70 % je hrana, která neměla být „podkročena“, aby se zajistil jak korektní návrh TČ, tak kolektoru.

Obr. 4 – Krytí požadovaného výkonu zdroje tepla cca 60 %, pokud by byl dostatečně velký plošný kolektor, který zajistí nemrznoucí směs s teplotou nejníž 0 °C na vstupu do výparníku TČ a tepelná ztráta domu dle obálkové metody by tak byla 16 kW

Příčina je zřejmá

Z chybného výpočtu tepelné ztráty byl odvozen chybný návrh výkonu zdroje. Proto měl kompresor TČ naběháno tolik provozních hodin, a proto byl tak podchlazený plošný kolektor.

Na základě návrhu TČ, spotřeby elektrické energie dotopem a provozních hodin TČ je tedy v našem případě zřejmé, že dotop ve skutečnosti zapínal každou topnou sezonu, jak se dokonce i v nepřesném návrhu od začátku předpokládalo. Zákazník si této skutečnosti evidentně všiml až náhodou, po letech. A sám nakonec i přiznal, že TČ v minulosti vlastně moc nesledoval. Celková spotřeba elektřiny byla každý rok dost podobná a ani v rok podání stížnosti se celková spotřeba elektřiny objektu nijak od průměru nevymykala.

Pozor!

Výpočet tepelné ztráty byl prováděn poctivě na základě půdorysů a popisu konstrukcí od zákazníka. Ale zadání nebylo evidentně správné. TČ o výkonu 10 kW na dům s výpočtovou ztrátou 12 kW by bylo v pořádku. Ale výpočtová (návrhová) ztráta měla vlastně být někde okolo 16 kW a tam už stroj 10 kW s kolektorem 500 m² nemá být navržen. Po bitvě je každý generál. Člověk, který dělal tento výpočet a návrh, udělal do současnosti možná další stovky návrhů a zcela bez problémů.

Řešení

Po ověření všech skutečných provozních parametrů bylo navrženo nahradit stávající dvouokruhovou šachtu šachtou pro tři okruhy a přidat třetí smyčku plošného kolektoru se stejnou rozlohou 250 m² (délkově 250 m, rozteč potrubí 1 m), i kvůli hydraulickému vyvážení s ostatními smyčkami. Takže zvětšení stávající plochy kolektoru o 50 %. Tím se celková plocha kolektoru dostane na úroveň vyhovující domu s výpočtovou tepelnou ztrátou cca 15 až 19 kW. Topný výkon stávajícího TČ se následkem zvýšení teploty nemrznoucí směsi z kolektoru nad 0 °C i v největších mrazech nebo na konci topné sezony zvýší přibližně o 1 kW, což se vždy hodí.

Shrnutí

Zvětšení plochy kolektoru znamená, že teplota nemrznoucí směsi v kolektoru bude v čase klesat pomaleji a TČ bude pracovat s vyšší efektivitou. S vyšším výkonem i vyšším topným faktorem COP. Stav po doplnění třetí smyčky by se tak měl přiblížit stavu na grafu v Obr. 3. Ani u plošného kolektoru nelze opomenou fakt, že rychlost prostupu tepelné energie z okolní zeminy do potrubí s nemrznoucí směsí má určitou velikost danou vlastnostmi okolní zeminy. Zvětšení plochy kolektoru umožní rychlejší čerpání tepla z něj, ale i jeho rychlejší teplotní regeneraci stávající plochy kolektoru. Mírně se sníží provozní doba tepelného čerpadla, neboť TČ bude moci plně využít svůj výkon a také bude i o něco později spínat elektrický dotop.

I s původními cca 4000 až 4200 hodinami provozu za rok by instalované TČ mělo mít životnost okolo 20 let, což je ověřeno na jiných instalacích. Zlepšení podmínek pro činnost TČ tento předpoklad posiluje.

Navrhovat plochu zemního kolektoru jen podle výkonu zvoleného tepelného čerpadla (kromě typu zeminy) je v pořádku tehdy, když jistě víte, že TČ je navrženo tak, aby krylo cca 80 až 100 % požadovaného výkonu (70 % je opravdu minimum!). Stále platí, čím nižší pokrytí, tím nižší bude výstupní teplota z kolektoru.

Pokud byste kvůli tlaku na snížení ceny, například i s ohledem na důrazně deklarovaný budoucí záměr investora dům zateplit, museli navrhnout tepelné čerpadlo s nižším výkonem a jít třeba jen na 50% pokrytí současné výpočtové tepelné ztráty, je potřeba myslet na celkovou potřebu tepla takto vytápěného domu a důrazně upozornit investora na hrozbu velkého podchlazení plošného kolektoru a další možné negativní důsledky. Částečným řešením do doby zateplení domu může být návrh plošného kolektoru odpovídající nikoliv budoucí, ale stávající tepelné ztrátě domu. Tedy zjednodušeně cca 50 m² kolektoru na 1 kW výpočtové tepelné ztráty (při běžné zemině). Toto řešení sice instalaci zdraží, ale zamezí se podchlazení plošného kolektoru. Nikdy nevíte, kdy investor svůj deklarovaný záměr dům zateplit bude realizovat a i po případném zateplení bude větší kolektor provozní výhodou.

Dodatek

V praxi se často uvažuje zjednodušující pravidlo, že na pokrytí cca 90 % potřeby tepla by měl stačit zdroj tepla (TČ), jehož výkon odpovídá přibližně 50 % tepelné ztráty. Zbylých cca 10 % potřeby tepla kryje dotop, zpravidla elektrický dotop, ale může to být i plynový kotel. Toto pravidlo nelze brát doslova, záleží na charakteru zimy, ale jeho posláním je, že výkon TČ nemusí být za každou cenu navržen na 100% krytí tepelné ztráty.

Na dané akci s pokrytím tepelné ztráty výkonem zdroje tepla cca 70 % (viz graf na Obr. 3) dotop za 4 roky dodal jen cca 1400 kWh tepla z celkových cca 171 000 kWh, které dodal dotop spolu s kompresorem. To znamená, že samotný dotop dodal ani ne 1 % z celkově dodaného tepla. To je skvělý výsledek tím spíš, že podchlazený kolektor snižoval výkon TČ. Krytí potřeby tepla dotopem 1 % se v souladu s výše zmíněným zjednodušujícím pravidlem přitom čeká při cca 95% krytí tepelné ztráty. Výsledek na instalaci s poddimenzovaným kolektorem je stále mnohem lepší, než by se při návrhu čekalo. A to v posledních letech byly vlny velkých mrazů, které dávají spínání dotopu samozřejmě větší prostor. Avšak průměrné venkovní teploty samozřejmě v posledních letech mírně vzrostly.

Elektroměr jen pro TČ osazen nebyl, nicméně kompresor TČ bez jakýchkoliv pochyb pracuje s vyšší spotřebou elektřiny, díky nižším teplotám primárního okruhu, než kdyby kolektor byl navržen na stejnou zátěž, co se týče kWh/(m².rok) jako by tomu bylo při 100% krytí požadovaného výkonu zdroje tepla. Zvětšení plošného kolektoru z 500 m² na 750 m² tedy ještě více utlumí už tak relativně málo spínaný dotop, ale hlavně sníží spotřebu kompresoru a prodlouží jeho životnost.

Upozornění:

Nikoho zde nenabádáme dimenzovat TČ s ON/OFF kompresorem na 50% pokrytí požadovaného výkonu zdroje tepla. Dáváme pouze tip, jak se k takovému, z dnešního pohledu nejistých cen elektrické energie často nevhodnému, návrhu postavit ve vztahu k plošnému kolektoru, pokud jste investorem/okolnostmi extrémně tlačeni k takovému návrhu TČ.

S ohledem na dnes stále častěji používaná TČ s frekvenčním měničem kompresoru je vhodné upozornit, že u nich se mohou provozní hodiny stroje proti zde uvedenému ještě zvýšit i kdyby byl stroj výkonově navržen přesně na skutečnou tepelnou ztrátu. Jak moc se provozní hodiny kompresoru zvýší, to záleží mimo jiné i na tom, jak moc dobře umí výrobce kompresor modulovat.

Pokud byste na dům se skutečnou ztrátou 14 kW (tedy z obálkové metody výpočtově třeba okolo 16 až 17 kW) dali TČ země/voda s frekvenčním měničem o topném výkonu 10 kW při maximálních otáčkách kompresoru, čili výkonově stejně špatně jako v příkladu ON/OFF stroje, tak u takto navrženého stroje je nutno mít na paměti otázku, jak to bude s jeho životností v porovnání s kompresorem ON/OFF, jelikož frekvenčně řízené stroje zatím nemají tak dlouhou historii.

Stroje frekvenčně řízené totiž rozhodně „nevyhledávají“ dlouhodobý chod na vysokých – maximálních otáčkách. Také je dost možné, že takto výkonově navržený frekvenčně řízený stroj by měl dost možná i vyšší spotřebu elektrické energie než stroj ON/OFF o stejném topném výkonu. Můžete totiž natrefit i na frekvenčně řízené stroje, které na max. otáčkách mají při stejných teplotních podmínkách nižší COP než nějaký ON/OFF stroj – právě díky optimalizaci frekvenčně řízeného stroje pro nižší otáčky. Stroje s frekvenčním měničem jsou zkrátka navrženy s maximálním úsilím, aby poskytovaly uživateli co nejvyšší úspory díky provozu při částečném zatížení kompresoru a pokud mají sem-tam vyjet na max. výkon, není to problém a fungují skvěle, s dlouhou životností a perfektním sezonním topným faktorem. Jakmile je však nutíte na maximum běžet dlouhodobě, nemusí to dopadnout dobře. Ovšem při správném návrhu frekvenčně řízený stroj má nejlepší předpoklady dosáhnout vyšší efektivity než stroje ON/OFF.

Ani u plošných kolektorů, stejně jako u vrtů, nelze počítat s příliš velkým vlivem na jejich tepelnou regeneraci od pasivního chlazení domu s využitím částečné schopnosti kolektoru jímat teplo odváděné z objektu.

Literatura

1. Topenářská příručka 3 - Navrhování částí tepelných soustav v příkladech. ČSTZ, CTI ČR. V. Valenta a kol., 2007. Zdroje tepla - 15. Tepelná čerpadla (Michal). Blíže o publikaci zde.
2. Jak fungují plošné zemní kolektory pro tepelná čerpadla v praxi? M. Bláha. 2009. TZB-info. Dostupné zde.