Regulace tepelných čerpadel v otopných soustavách
Autor se zabývá různými možnostmi a výzkumnými koncepcemi regulace tepelných čerpadel pracujících v otopné soustavě. Uvádí způsoby regulace tepelného výkonu otopných soustav s tepelnými čerpadly a v závěru i doporučení nejvhodnějšího řešení.
1. Úvod
V posledních letech se pro vytápění budov široce používají kompresorová tepelná čerpadla (TČ) země/voda, vzduch/voda či vzduch/vzduch. Rozhodnutí použít tepelné čerpadlo pro vytápění budov je obecně učiněno ze dvou důvodů. Jeho aplikací se očekávají úspory energie a nákladů ve srovnání se standardním systémem vytápění např. s plynovým kotlem. Kromě toho je tepelné čerpadlo považováno za ekologické, protože obvykle lze při jeho využití snížit emise oxidu uhličitého v důsledku úspor energie.
Dnes však není v centru pozornosti majitelů domů pouze energetická účinnost. Uživatelé budov stále častěji požadují individuální a poptávkovou regulaci, která zajistí tepelnou pohodu ve vytápěném prostoru a která zároveň přináší úspory energie. Tyto požadavky mohou splnit modely řízení nikoli pouze samotného TČ, ale TČ společně s otopnou soustavou a koncovými prvky otopné soustavy. Využitelná je zde práce s akčními členy v podobě elektrických pohonů u regulačních ventilů jak jednotlivých zón otopné soustavy, tak pohonů u termostatických ventilů otopných těles, snadná programovatelnost a vzdálený přístup. Tyto akční členy však nejsou běžně inteligentně propojeny s řízením zdroje tepla (tedy TČ) a úspory energie jsou pak zbytečně omezené.
Účinnost TČ silně závisí na teplotních parametrech. Při použití v otopných soustavách je mnohdy náročné provozovat tepelná čerpadla efektivně, protože jsou pro otopnou soustavu vyžadovány i poměrně vysoké teploty přívodní vody. Proto, aby bylo možné efektivně provozovat TČ, je potřeba analyzovat a užívat pokročilé řídicí koncepce pro otopné soustavy s TČ, které přizpůsobují teplotu přívodní vody přímo či nepřímo okamžité potřebě tepelného výkonu. Tepelný výkon otopných ploch je ovlivnitelný především hmotnostním průtokem a střední teplotou vody, resp. teplotou přívodní otopné vody. Dnes se pro řízení teploty přívodní vody obvykle používá pouze teplota venkovního vzduchu (lépe geometrická venkovní teplota). Existují však kontrolní, řídicí, regulační strategie, které berou v úvahu další poruchové veličiny.
Tvorba těchto strategií vychází zajedno z měření dat na již realizovaných dílech a poté rovněž z matematického modelování. Ověřené modely a existující komponenty modelu mohou tvořit model celkového systému, tj. nejen otopné soustavy s TČ, či dokonce jen TČ, ale celkového systému včetně modelu např. rodinného domu s jeho tepelně technickými a dynamickými vlastnostmi a v něm tepelného čerpadla a odpovídajícího druhu otopné soustavy.
Modelovány jsou většinou tři strategie regulace. První je regulátor založený na jednoduchých pravidlech, který upravuje nastavovanou hodnotu teploty po krocích. Druhým přístupem může být modelový prediktivní regulátor, který vypočítává optimální teplotu přívodní vody pro každou vytápěnou zónu, a třetí koncepcí pak kontinuálně pracující regulátor, který využívá kromě teploty venkovního vzduchu ještě integrovaný prvek, který reguluje vstupní teplotu vody v závislosti na teplotě vzduchu ve vytápěném prostoru a průběhu využívání (obsazenosti) prostoru. Na základě výsledků matematického modelování, tj. simulací pak autoři studií vyhodnocují výhody a nevýhody každé strategie. Dosažené úspory energie však rovněž závisí na typu stavební konstrukce a uživatelských vlivech, resp. chování uživatelů. Úspory energie pak v reálných budovách mohou přesáhnout či výrazně nedosahovat ty simulované pomocí ideálně parametrizovaných systémů.
2. Možnosti řízení výkonu otopných soustav jako takových
V rámci řízení tepelného výkonu otopných soustav a otopných ploch rozeznáváme dva základní přístupy. Tzv. kvalitativní regulaci, kde se mění teplota přívodní vody a kvantitativní regulaci, kde se mění průtok. První vychází z promítnutí prostupové rovnice u otopné plochy do schématu řízení a druhá z promítnutí kalorimetrické rovnice. Pokud je tepelný výkon zajišťován TČ, mohou další úspory plynout z vyšší účinnosti tepelného čerpadla získané prostřednictvím nižších nutných výstupních teplot vody.
Teplota výstupní vody je ve standardních otopných soustavách s TČ řízena v závislosti na teplotě venkovního vzduchu (ekviterm). Jiné vlivy na tepelnou zátěž, než je teplota venkovního vzduchu, se při regulaci teploty přívodní vody (nebo zpátečky) obvykle neberou v úvahu, ale místo toho termostatické ventily řídí hmotnostní průtok do otopného tělesa.
Jak již bylo uvedeno, u teplovodních otopných soustav lze využít dvou možností řízení tepelného výkonu. Typické je, že se u otopných soustav používají oba způsoby regulace. Teplota přívodní vody je řízena centrálně v závislosti na teplotě venkovního vzduchu (otopná křivka). Tímto způsobem je zohledňován hlavní vliv v rámci tepelných ztrát budov (viz obrázek). Individuální, lépe místní regulace tepelného výkonu zohledňující tepelné zisky a požadavky uživatele, je pak realizována pouze termostatickými regulačními ventily s nějakým typem regulátoru (termostatická hlavice, elektronická hlavice, termopohon či servopohon s P nebo PI regulátorem) kvantitativně.
Obr. 1 Charakteristiky otopného tělesa při změně teploty a průtoku
a) Závislost tepelného výkonu na hmotnostním průtoku, b) Výsledné charakteristiky
tw1 – teplota přívodní vody, tw2 – teplota vratné vody, ti – vnitřní výpočtová teplota, Q – tepelný výkon, m – hmotnostní průtok, no – jako index značí jmenovitou hodnotu (nominal value), Δt1 = tw1 − ti , Δtw2 = tw2 − ti
Za předpokladu konstantní vnitřní výpočtové teploty a hmotnostního průtoku lze vypočítat otopnou křivku s použitím závislosti teploty přívodní vody na ostatních parametrech a hlavně teploty venkovního vzduchu [1].
,
kde
,
,
.
Symboly v rovnicích značí:
- tw1
- teplota přívodní vody,
- tw2
- teplota vratné vody,
- ti,no
- vnitřní výpočtová teplota,
- te
- teplota venkovního vzduchu,
- n
- teplotní exponent otopných ploch,
- no
- jako index značí jmenovitou hodnotu
Obr. 2 Otopné křivky pro danou vnitřní teplotu a různý požadovaný výkon
tw1 – teplota přívodní vody, tw2 – teplota vratné vody, ti – vnitřní výpočtová teplota, Q – tepelný výkon, m – hmotnostní průtok, no – jako index je jmenovitá hodnota
Otopná křivka se často vypočítá jednodušším způsobem pomocí aritmetiky určeného rozdílu teplot místo logaritmického teplotního rozdílu, nebo dokonce pomocí náhradních zjednodušujících rovnic nerespektujících prohnutí otopné křivky podle odpovídajícího teplotního exponentu převažujících otopných ploch. Toto zjednodušení však nevede k možným dosažitelným úsporám. Základem dosažení úspor je správně nastavená, tj. tzv. odladěná otopná křivka [1]. Otopnou křivku lze vypočítat obdobně i pro teplotu zpátečky.
Tepelnou ztrátu budovy ovlivňují kromě teploty venkovního vzduchu i vnitřní tepelné zisky a tepelné zisky od oslunění. Proto se na úrovni místnosti používají jako regulátory termostatické ventily. Termostatické ventily přizpůsobují hmotnostní průtok, a tím i tepelný výkon, v okruhu každého otopného tělesa.
Obr. 3 Charakteristika termostatického ventilu
xp – pásmo proporcionality, h – zdvih ventilu, hno – jmenovitý zdvih ventilu, m – hmotnostní průtok, mno – jmenovitý hmotnostní průtok, ti – teplota vzduchu ve vytápěném prostoru, ti,set – žádaná (nastavovaná) hodnota teploty vzduchu ve vytápěném prostoru
Poloha ventilu h je definována jako zdvih ventilu. Při poloze ventilu h = 0 je ventil zcela uzavřen, při maximálním zdvihu ventilu h = 1 je ventil zcela otevřen. Obrázek 3 ukazuje typickou regulační charakteristiku termostatického ventilu. Při požadované teplotě vzduchu ve vytápěném prostoru by měla být poloha ventilu nejlépe hno = 0,5, což umožňuje jmenovitému hmotnostnímu průtoku protékat ventilem. Nad a blízko polohy 0,5 je charakteristika lineární. Pásmo proporcionality xp (jeho převrácená hodnota je K zesílení) je dáno rozdílem teplot vzduchu ve vytápěném prostoru mezi polohou h = 0 a jmenovitou polohou hno = 0,5 a obvykle použitelná hodnota je xp = 2 K.
Typické řízení otopné soustavy s otopnými tělesy je schematicky znázorněno na obrázku 4. Pro zjednodušení je zobrazen pouze jednozónový okruh. Jsou zde znázorněny dvě regulační smyčky: Řízení teploty přívodní vody je realizováno ekvitermním řízením zdroje tepla. To je většinou implementováno s dostatečnou hysterezí, aby se zabránilo silnému cyklickému chování (v případě zdroje tepla s regulací zapnuto/vypnuto). Hmotnostní průtok otopným tělesem je řízen přímočinným proporcionálním regulátorem, tj. termostatickou hlavicí na ventilu.
Obr. 4 Schéma uzavřeného obvodu ekvitermního řízení s termostatickými ventily s regulátorem (zjednodušeně s jednou vytápěnou zónou)
h – zdvih regulačního ventilu, Δp – dopravní tlak čerpadla, m – hmotnostní průtok otopné vody, ti – teplota vzduchu ve vytápěném prostoru, tw1,set – žádaná hodnota teploty přívodní vody, te – teplota venkovního vzduchu, tw1 – teplota přívodní vody, QOP – tepelný výkon otopné plochy, Qz – tepelné zisky či ztráty, z – poruchové veličiny (sol – tepelné zisky od oslunění, Qi – od vnitřních tepelných zisků, te – změnou venkovní teploty, č – změnou otáček čerpadla, wind – změnou rychlosti větru)
3. Přístupy k řízení tepelných čerpadel v otopných soustavách z pohledu MaR
Různé regulační koncepce mají umožnit řízení teploty přívodní vody na základě potřeby a zvýšení účinnosti tepelného čerpadla. Aby bylo možné provádět parametrické studie otopných soustav s tepelným čerpadlem a vyvíjet a vyhodnocovat koncepty řízení, je třeba vytvořit matematický model. Ten musí být schopen počítat více vytápěných zón budovy, postihnout správný hydraulický systém a zdroj tepla v podobě TČ. Kromě toho je třeba věnovat zvláštní pozornost možnosti implementace různých druhů řízení především v dalších částech otopné soustavy.
Běžnou metodou pro hodnocení systému TČ je dynamická simulace, zejména pro zkoumání regulačních strategií. Zatímco dříve se na velmi základní úrovni implementovaly specifické zjednodušené matematické modely, v posledních letech se staly populární systémové simulace s modelovacím prostředím TRNSYS.
Dynamická simulace systémů TČ se obvykle používá ve výzkumu [2], avšak pro návrhové výpočty nebo predikci potřeby energie se běžně používají statické výpočtové metody. Velmi jednoduchý způsob je uveden ve VDI 4650-1 (2009). Poskytuje hrubý odhad sezónního topného faktoru a potřebuje pouze několik vstupních proměnných. Je to tedy velmi jednoduchý nástroj pro každého projektanta. Pokud bychom však chtěli přistoupit k již podstatně složitější metodě, pak Wemhöner and Afjei [3] podávají přehled o metodách statického výpočtu pro systémy vytápění s TČ a porovnávají jejich výsledky. Rovněž navrhli podrobnou metodu výpočtu. Podrobné metody pracují s jakýmisi přihrádkami, které představují provozní body, které jsou váženy podle jejich frekvence a korigovány tak, aby zohledňovaly specifické funkce systému. Tento druh postupu je popsán v Eskola et al. [4] a použit v normě DIN EN 15316 (2008).
Lze definovat různé úrovně regulace otopných soustav s TČ, resp. TČ jako takových. Řízení okruhu pracovní tekutiny – chladiva v TČ nastavuje hranice pro řízení samotného TČ, které spolupracuje s regulovanou otopnou soustavou.
3.1 Regulovatelnost tepelných čerpadel
TČ bez regulovatelného tepelného výkonu produkuje při provozu vytápění s částečnou zátěží přebytečný tepelný výkon. Správná volba regulace výkonu TČ je specifikována výrobcem TČ a zohledněna při dimenzování a návrhu jak TČ, tak otopné soustavy. Z hlediska regulovatelnosti pouze TČ můžeme sledovat dva přístupy. Prvním je regulace tepelného výkonu v určitém výkonovém rozpětí přímo na TČ jednotlivými zásahy přímo do chodu TČ. Druhým přístupem je pouhé vypínání a zapínání TČ a ve vztahu k nestacionárnímu odběru tepla otopnou soustavou je pak třeba využít akumulační nádobu. Nejdříve tedy vyjmenujme jednotlivé možnosti a pak se jimi stručně zabývejme.
Přímá regulace výkonu TČ
- obtok horkého plynu, nebo škrcení sání,
- odstavení ventilu kompresoru,
- regulace otáček kompresoru.
Regulace výkonu TČ ON/OFF (zapnuto/vypnuto)
- ON/OFF regulace s využitím akumulační nádoby,
- využití regulovaných veličin pro řízení ON/OFF provozu TČ.
Regulace výkonu TČ přes proporcionálně řízený obtok horkého plynu nebo sací ventil/klapku je bezpředmětná, protože v obou případech nevede snížení tepelného výkonu ani přibližně k ekvivalentnímu snížení spotřebované energie. Regulace sacího ventilu/klapky způsobuje velmi nízké roční topné faktory.
U příslušně vybavených víceválcových pístových kompresorů lze jednotlivé válce aktivovat nebo deaktivovat postupně. Toho je dosaženo odstavením sacích ventilů u válců, které mají být deaktivovány (např. elektrohydraulickými prostředky). Tento typ regulace výkonu TČ však není příliš energeticky účinný, protože při provozu se sníženým výkonem dochází ke značným ztrátám třením a stále musí být překonávána setrvačnost neaktivních pístů. Odstavování ventilů kompresoru proto vede k relativně nízkému ročnímu topnému faktoru.
Regulace otáček kompresoru je optimálním přístupem. Regulace výkonu TČ pomocí vícestupňové (krokový spínač působící na třífázový vícerychlostní motor) nebo plynulé (frekvenční měnič modulující třífázový motor) regulace otáček poskytuje téměř optimální využití energie.
Zřejmě nejčastěji používaným řízením TČ je ON/OFF regulace s nezbytným zařazením akumulační nádoby do soustavy. TČ s instalovaným zatížením pohonu do cca 40 kW jsou dnes běžně řízena regulací ON/OFF, protože dříve uvedené způsoby regulace výkonu neposkytují optimální využití energie nebo vedou k vysokým investičním nákladům. U tohoto typu řízení je třeba buďto zapomenout na to, že časté spínání tepelných čerpadel snižuje životnost mechanických částí, zvyšuje ztráty při stání a způsobuje časté kolísání elektrické sítě v důsledku vysokých startovacích proudů, nebo vždy projektovat akumulační nádobu. Aby nedocházelo k příliš častému spínání, musí mít otopná soustava napojená na TČ dostatečnou kapacitu akumulace tepla, která dokáže dočasně uchovat přebytečné teplo vyrobené TČ a také dočasně pokrýt potřebu tepla otopné soustavy, když je tepelné čerpadlo vypnuté. K tomu slouží u konvekčních otopných soustav správně navržená akumulační nádoba nebo je pak vhodné projektovat otopné soustavy s vyšší vlastní akumulací, jako je např. podlahové či stropní vytápění.
TČ by mělo být spínáno se zpožděním, aby nebyl překročen maximální přípustný počet zapnutí za hodinu (např. max. 3 spuštění za hodinu). Přípustná frekvence spouštění může zohledňovat i využití elektrické sítě.
Pro spouštění tepelného čerpadla se běžně používají následující regulované veličiny:
- V otopných soustavách s TČ a akumulační nádobou se TČ spustí při poklesu teploty v akumulační nádobě pod spodní nastavenou hodnotu (spodní spínací mez).
- V systémech podlahového a stropního vytápění bez přídavné akumulační nádrže se tepelné čerpadlo spustí, když teplota vratné otopné vody klesne pod nastavenou hodnotu.
V obou případech může být nastavená hodnota pro tyto spínací teploty funkcí venkovní teploty vzduchu. To vede ke zlepšení ročního topného faktoru a v případě systémů podlahového a stropního vytápění k jakési úpravě naakumulovaného tepla v otopné ploše podle skutečné potřeby tepelného výkonu.
Tepelné čerpadlo se vypíná, když stoupne vstupní teplota otopné vody proudící do kondenzátoru (tato teplota podmiňuje provozní limit kondenzačního tlaku – viz p-h či T-s diagram chladiva). V případě velmi proměnlivých teplot primárního přívodu tepla, (tj. např. TČ vzduch/voda s měnící se teplotou vzduchu = proměnný tepelný výkon kondenzátoru) je žádoucí, aby nastavená hodnota pro vypnutí byla rovněž funkcí teploty otopné vody.
Pro stanovení maximální přípustné teploty zpátečky otopné vody tw2,TC,max musí být známy následující údaje:
- průběh teploty přívodní a vratné otopné vody tw1, tw2,
- maximální výstupní teplota otopné vody z kondenzátoru tw1,max dosažitelná za normálních provozních podmínek (např. 50 °C s použitím R407C),
- maximální ohřátí otopné vody Δtvyt při průtoku přes kondenzátor pro různé venkovní teploty nebo s různými zdroji tepla pro TČ (zem, vzduch, voda),
- tw2,max = tw1,max − Δtohřev.
Obr. 5 Zjednodušené schéma hydraulického napojení TČ a akumulační nádrže na otopnou soustavu
tw2,TC – vstupní teplota otopné vody do kondenzátoru, tw1,TC – výstupní teplota otopné vody z kondenzátoru, tw1 – teplota přívodní otopné vody, tw2 – teplota zpátečky, Q – tepelný výkon kondenzátoru, m1 – hmotnostní průtok přes kondenzátor, m2 – hmotnostní průtok do otopné soustavy, OS – otopná soustava, AN – akumulační nádoba, TČ – tepelné čerpadlo
V zásadě je třeba zvážit chování kondenzátoru pro následující dva případy tepelného výkonu:
- Q je konstantní (např. zdrojem tepla pro TČ je vrt), což znamená konstantní teplotní rozdíl na kondenzátoru, a tedy konstantní maximální teplotu.
- Q je proměnný (např. TČ vzduch-voda, teplota venkovního vzduchu se mění), to znamená, že teplotní rozdíl na kondenzátoru se zvyšuje s rostoucí venkovní teplotou (a konstantním průtokem vody). Maximální teplota je nižší, než vyžaduje návrhový bod.
V rámci běžně používaného řízení pracovního cyklu tepelného čerpadla je rozhodující řízení otáček kompresoru nebo ON/OFF regulace. V posledních letech se intenzivně studovalo řízení výkonu kompresoru u TČ. Choi et al. [5] implementují fuzzy řízení pro řízení otáček kompresoru, které funguje lépe než typické PI (proporcionálně-integrační) řízení.
Obr. 6 Stanovení maximální přípustné teploty na vstupu do kondenzátoru (tw2,max) zařízení s TČ a monovalentním provozem a s proměnnými a konstantními zdroji tepla pro TČ
a) – maximální přípustná teplota na vstupu do kondenzátoru (tw2,max) s proměnným zdrojem tepla Qvar ,
b) – maximální přípustná teplota na vstupu do kondenzátoru (tw2,max) s konstantním zdrojem tepla Qcon ,
c) – maximální možná výstupní teplota vody z kondenzátoru tw1,max ,
tw1 – teplota přívodní otopné vody, tw2 – teplota zpátečky, te – teplota venkovního vzduchu, Qvar – tepelný výkon TČ s proměnným zdrojem tepla (např. venkovní vzduch), Qcon – tepelný výkon TČ s konstantním zdrojem tepla (např. vrt), Q – požadovaný tepelný výkon (potřeba tepla otopné soustavy), NB – návrhový bod, VL – limit pro vytápění
V okruhu pracovní kapaliny, tj. chladiva je dalším akčním členem expanzní ventil. Používají se buď termostatické, nebo elektronicky řízené ventily. Provedením exergetické analýzy zjistili Gasser et al. [6], že elektronicky řízené expanzní ventily zlepšují cyklus pracovní tekutiny nastavením přesného přehřátí ve výparníku. Küpper [7] pak uvádí možnost samopřizpůsobivého řízení přehřátí.
4. Snahy o pokročilé řízení otopné soustavy s tepelným čerpadlem
Zatímco standardní regulační koncepce jsou popsány jen zřídka, literatura poskytuje několik studií o pokročilých regulačních koncepcích otopných soustav s tepelným čerpadlem. Jen zřídka jsou studie založeny na konkrétním měření a vyhodnocení získaných dat, ale i takové jsou. V mnoha studiích jsou však regulátory testovány především v rámci simulačních matematických modelů. Model budovy má obvykle významně redukovaný počet vytápěných zón napojených na zdroj tepla v podobě TČ a jako měřená veličina se používá pokojová teplota pouze jedné referenční místnosti (Bianchi [8]; Hube [9]; Thron [10]). Problém více vytápěných zón s různými charakteristikami odběru tepla zmiňuje Thron [10], který se však tímto problémem dále v dostatečné hloubce nezabývá.
Podle Zogga [11] je pro systémy řízení tepelného výkonu TČ navrženo modelové prediktivní řízení. Je zajímavé, že tento autor celkem kategoricky preferuje poměrně drahou formu prediktivního řízení pro všechny otopné soustavy s TČ před ekvitermním řízením podle otopné křivky. Bianchi [8] ve své práci navrhuje prediktivní regulátor pro řízení TČ, který vypočítává provozní cykly ON/OFF řízení se schématem pulzně-šířkové modulace. Model použitý pro řízení je samoparametrizující jednouzlový model domu, který bere v úvahu nejen tepelnou kapacitu místnosti, ale také kapacitu otopné soustavy. Regulátor je testován v simulačním prostředí s dvouzónovým modelem domu, kde jako měřená veličina slouží pokojová teplota jedné z místností.
Verhelst et al. [12] studovali různé modely TČ a formulace nákladových funkcí pro modelové prediktivní řízení otopné soustavy s podlahovým vytápěním a porovnávali je se standardní regulací přes otopné křivky. Zjistili, že pokročilé řídicí strategie mají za následek téměř stejnou spotřebu energie a tepelný komfort jako standardní. Při zvažování variabilních sazeb za elektřinu však lze dosáhnout úspor nákladů na vytápění pouze pomocí pokročilého řízení. Zde by si měl čtenář uvědomit, že se jednalo o podlahovou otopnou plochu s odpovídající akumulační schopností a zároveň, jak to vypadá s jednotlivými variabilními sazbami za elektřinu v dnešní neutěšené době.
Mnoho zdrojů zabývajících se pokročilým řízením TČ řeší řízení podle tarifů elektřiny. Přesunutím nejvyšší možné zátěže do období mimo špičku s nízkými cenami elektřiny se snižují náklady na energii a TČ se nepřímo využívají pro řízení zátěže na úrovni elektrické sítě. Rink a kol. [13] přistupují zjednodušeně k tomuto tématu tak, že předpokládají období nízké ceny pouze v noci. Při použití principu maxima jsou poté nalezeny optimální provozní plány pro systém TČ pro různé venkovní teploty vzduchu. Knapp a Wagner [14] navrhují přednostní použití prediktivního řízení pro tento druh řízení zátěže. Ginsburg [15] se ve své práci zabýval vývojem řízení TČ pomocí teorie fuzzy logiky zahrnující předpověď počasí a tzv. OFF-time.
Nejhodnotnější článek v rámci českých autorů poskytnul Cigler [16]. Ten shrnul poznatky spojené s implementací algoritmů prediktivního řízení hybridního GEOTABS systému s časově proměnnou cenou silové energie. Na reálném případě ukázal, že metoda přímého řízení výkonu tepelného čerpadla podle dynamické ceny dokáže přinést finanční úsporu. Upozornil na skutečnost, že pro plné využití potenciálu je nutné zajistit dostatečnou akumulaci u všech typů odběrů energie. U systémů aktivace betonu, tj. systémů TABS (Thermo Active Building Systems) nalezneme z principu velkou akumulační schopnost. Autor však upozorňuje na skutečnost, že problém s akumulací vyvstává rovněž u systémů se vzduchotechnickými jednotkami či při přípravě a odběru teplé vody (TV). Toto konstatování je velice důležité, neboť u ostatních autorů jak českých, tak zahraničních o problematice akumulace v rámci vzduchotechniky či přípravy TV nenajdeme jedinou zmínku.
5. Závěr
Článek vznikl ve snaze pouze přehledově shrnout dva přístupy k řízení tepelného výkonu vyžadovaného otopnými soustavami, ve kterých je jako zdroje tepla použito tepelné čerpadlo. První přístup je přístupem projektanta vytápění (viz kap. 2). Druhý přístup, zabývající se víceméně pouze řízením tepelného výkonu TČ je tzv. čistě „regulovčický“ (viz kap. 3). V rámci tohoto druhého přístupu byla provedena kritická literární rešerše (viz kap. 4), kde si čtenář může udělat obrázek o přístupu a počinech jednotlivých výzkumníků, ale hlavně o trendech, kam výzkum v této oblasti směřuje.
Zdroj tepla pro TČ (vzduch, zem, voda) a teplota otopné vody vracející se do kondenzátoru TČ z otopné soustavy přímo ovlivňují teplotní nárůst, který musí tepelné čerpadlo zajistit. Výkon otopných soustav s TČ však závisí na mnoha dalších parametrech. Ty byly zkoumány mnohými autory, ale v řadě případů nebyla nalezena a uvedena jednoznačná korelace. V jiných studiích autoři pracovali s naměřenými daty, ta však v naprosté většině nebyla dostatečná pro konkrétní zobecňující závěry.
Obecně lze na základě prostudovaných pramenů konstatovat následující. Regulátor MPC (Model based Predictive Control) lze vyladit pro zvýšení úspor energie nebo zvýšení komfortu, ale vyžaduje velmi podrobné programování a vysoké výpočetní výkony. Jednoduchá ekvitermní regulace založená na pravidlech, kde se postupně přizpůsobuje nastavená teplota přívodní otopné vody dané otopné křivce, přináší pouze nízké úspory elektrické energie při změnách žádané teploty vzduchu v místnosti. U TČ řízených pouze ON/OFF způsobem je nezbytné instalovat akumulační nádobu, nebo mít otopnou plochu s dostatečnou vlastní akumulační schopností (podlaha, strop). A pak se zaměřit např. na PI regulaci teploty přívodní otopné vody s vazbou na vnitřní teplotu vzduchu a řízení elektrických pohonů u regulačních ventilů otopných těles. To může být nejlepším kompromisem z hlediska úspor energie, tepelného komfortu a proveditelnosti (s ohledem na výpočetní a parametrizační náročnost).
Literatura
- Bašta, J. (2014). Regulace v technice prostředí staveb. Česká technika – nakladatelství ČVUT. Praha 2014, 194 s., ISBN 978-80-01-05455-0.
- Brugmann, J. (2006). Planung von Luft/Wasser-Wärmepumpen für Altbauten. KI Klima - Kälte - Heizung, 05:192–197.
- Wemhöner, C. and Afjei, T. (2003). Seasonal performance calculation for residential heat pumps with combined space heating and hot water production. Technical report, Institute of Energy, University of Applied Sciences Basel.
- Eskola, L., Jokisalo, J., and Siren, K. (2011). Seasonal performance of heat pumps in cold climate. In The 12th International Conference on Air Distribution in Rooms, Roomvent 2011.
- Choi, J., Lee, G., and Kim, M. S. (2011). Capacity control of a heat pump system applying a fuzzy control method. Applied Thermal Engineering, 31:2332–2339.
- Gasser, L., Welling, B., and Hilfiker, K. (2008). Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von Luft-Wasser-Wärmepumpen. Technical report, Hochschule Luzern, Technik und Architektur, Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik.
- Küpper, H. D. (2010). Effiziente elektronische Uberhitzungsregelung fur Kalte- und Wärmepumpenanlagen. In DKV-TagungMagdeburg, 2010.
- Bianchi, M. (2006). Adaptive modellbasierte prädiktive Regelung einer Kleinwärmepumpenanlage. Ph.D. thesis, Eidgenossische technische Hochschule Zurich.
- Hube, W. (2004). Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude mit neuartigen Verschattungs- und Speichersystemen. Ph.D. thesis, University of Kaiserslautern.
- Thron, U. (2001). Vorausschauende selbstadaptierende Heizungsregelung für Solarhäuser. PhD thesis, FachbereichMaschinenbau der Universitat Hannover.
- Zogg, M. (2000). Effizientere Warmepumpenheizungen durch Optimieren des Gesamtsystems. In Vorschau zur 7. UAW-Tagung des Bundesamtes für Energie (BFE) vom 9. Mai 2000.
- Verhelst, C., Logist, F., Van Impe, J., and Helsen, L. (2012). Study of the optimal control problem formulation for modulating air-to-water heat pumps connected to a residential floor heating system. Energy and Buildings, 45:43–53.
- Rink, R. E., Gourishankar, V., and Zaheeruddin, M. (1988). Optimal control of heat-pump/heatstorage systems with time-of-day energy price incentive. Journal of optimization theory and applications, 58(1):93–108.
- Knapp, T. and Wagner, A. (2012). Strom-Lastverschiebung mit Warmepumpe und pradiktiver Regelung. HLH Lüftung/Klima - Heizung/Sanitär - Gebäudetechnik, 63(1):43–47.
- Ginsburg, S. T. (1999). Hierarchische Wärmepumpenregelung mit Fuzzy Control und Robust Control. PhD thesis, Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, Switzerland.
- Cigler, J. (2. 7. 2018). Zkušenosti s řízením výkonu tepelného čerpadla podle dynamické ceny energie.
vytapeni.tzb-info.cz/elektricke-vytapeni/17594-zkusenosti-s-rizenim-vykonu-tepelneho-cerpadla-podle-dynamicke-ceny-energie
The article deals with various possibilities and research concepts of controlling heat pumps operating in heating systems. It also presents methods for controlling the thermal performance of heating systems with heat pumps and concludes with recommendations for the most suitable solution.
