Sezónní energetická účinnost plynových tepelných čerpadel

Plynová čerpadla představují substitut ke klasickým elektrickým čerpadlům. Jejich využití přichází v úvahu především tam, kde dochází k velké spotřebě tepla a je tedy vyžadován efektivní a výkonný zdroj. Samotné plynové čerpadlo pak lze velmi dobře kombinovat s kondenzačními kotli. Touto kombinací lze výrazně zvýšit výkon zdroje, snížit investiční náklady a zároveň zachovat relativně vysokou efektivitu provozu. Plynová čerpadla tak měla historicky své opodstatnění tam, kde bylo potřeba zvýšit efektivitu stávající plynové kotelny, doplnit plynovou kotelnu o zdroj využívající obnovitelnou energii, nebo tam kde nebyla dostatečná elektrická přípojka. S ohledem na rostoucí poměr mezi cenou elektřiny a plynu mohou dnes plynová čerpadla představovat plnohodnotnou alternativu ke klasickým řešením.

Sezónní energetická účinnost zdroje, ale i celého systému vytápění, je pak považována za klíčový parametr určující vhodnost daného řešení. Využívá se nejen pro hodnocení čistě ekonomických instalací, ale i pro doložení administrativních požadavků. Těmi může být odhad úspory energie u dotačních titulů, stanovení potřeby primární energie při výpočtu PENB či jako podklad pro výpočet úspory emise skleníkových plynů. Skutečná energetická účinnost zdroje samozřejmě není v době návrhu známá. Jako náhrada se tedy používá sezónní energetická účinnost η_s, kterou definuje NK 811/2013, eventuelně faktor využití plynu, který se uvádí pro podmínky dle ČSN EN 12309. Častým dotazem z praxe však bývá, do jaké míry tyto hodnoty odpovídají skutečným výsledkům provozu. A právě této problematice se bude věnovat tento příspěvek.

Samotná práce se věnuje třem hlavním tématům, a to ověření provozních parametrů absorpčního tepelného čerpadla, ověření sezónního provozu při aplikaci v ČR a hodnocení celých systémů vytápění s absorpčními tepelnými čerpadly.

Předmětem měření bylo vzduchové plynové absorpční tepelné čerpadlo GAHP – A vyrobené firmou Robur S.p.A jakožto dominantní zástupce této technologie. Zvolené tepelné čerpadlo pracuje s chladivem na bázi NH₃ a absorbentem H₂O. Hodnota GWP je tedy 0. Energo-nositel pro práci tepelného čerpadla je zemní plyn a jeho alternativy. Čerpadlo je na obrázku 1.

Obrázek 1 Absorpční tepelné čerpadlo Robur GAHP A

Výkon čerpadla je 41 kW a faktor využití plynu GUE je 164 za podmínek A7W35. Sezónní energetická účinnost vytápění pro průměrné klimatické podmínky při středně teplotní aplikaci η_s je 113 %. Tabulka s hlavními technickými parametry je uvedena v tabulce 1.

Tabulka 1: Parametry absorpčního tepelného čerpadla Robur GAHP – A

Hodnocení bylo provedeno na základě měření energetické bilance zařízení. Byla měřena vstupní a výstupní energie tedy spotřeba plynu, spotřeba elektrické energie a okamžitý výkon a příkon zařízení. Pro měření vstupní energie byl použit membránový plynoměr pro měření spotřeby zemního plynu, digitální wattmetr pro měření spotřeby elektrické energie pomocných zařízení a ultrazvukový kalorimetr pro potřeby měření výstupní tepelné energie. Provozní parametry pak byly vyčítány z desky samotného čerpadla otevřenou sběrnicí Modbus a zaznamenána nástrojem Scada.

Pro hodnocení efektivity provozu GAHP, byly využity standardní hodnotící parametry tzn. faktor využití plynu (Gas Utilization Efficiency GUE) a faktor primární energie (Primary Energy Ratio PER). Faktor primární energie zde nahrazuje sezónní energetickou účinnosti η_s. Ty jsou vypočtené ze vztahů:

V rovnicích (1) a (2) je:

Ověření provozních parametrů plynového čerpadla

Jak plyne z dokumentace výrobců, relativní účinnost tepelných čerpadel není konstantní hodnota a může se významně měnit. Z aplikačních měření, která proběhla pro elektrická tepelná čerpadla vychází, že rozdíl mezi optimálně implementovaným a nevhodně implementovaným elektrickým tepelným čerpadlem může být až 30 % hodnoty sezónního topného faktoru (SCOP). Hlavními aspekty, které mohou ovlivnit výslednou efektivitu zařízení je žádaná teplota a četnost startů tzv. oscilace systému.

V rámci první části práce byla v reálném provozu ověřena efektivita zařízení za podmínek blízkých podmínkám deklarovaných výrobcem, tedy výkonu v závislosti na teplotách. Ty byly ověřovány pro podmínky teploty vzduchu (A) na výparníku a topné vody (W) na kondenzátoru blízké: A15/W45 (I.), A7/W45 (II.) a A15/W55 (III.). Pro uvedené provozní režimy jsou výrobcem specifikovány nominální výkony tepelných čerpadel 40,6 kW, 39,3 kW a 38,3 kW. Naměřený průměrný nominální výkon v ustáleném stavu pak byl 40,06±0,43 kW, 38,90±0,48 kW, a 37,27±0,34 kW. Faktor využití plynu pro stejné podmínky byl 1,59±0,02, 1,54±0,02 a 1,48±0,01. Výsledky měření provozních parametrů v ustáleném stavu jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2: Výsledky měření provozních parametrů v nominálním provozu

Naměřené hodnoty jsou ve shodě s hodnotami, jež jsou za daných podmínek deklarovány výrobcem. Podmínky měření byly pouze blízké deklarovaným, lze tedy tolerovat určitou odchylku. Závislost topného faktoru na venkovní teplotě a teplotě topné vody je uvedena v grafu na obrázku 2.

Obrázek 2 Závislost GUE na venkovní teplotě pro teploty vody 35 °C, 50 °C a 65 °C

Z hodnot na obrázku 2 je patrné že pouhým rozdílem mezi provozem na 35 °C a 65°C, tedy nejnižší a nejvyšší žádanou teplotou poklesne faktor využití plynu o 0,4. Žádaná teplota tak může zhoršit faktor využití plynu až o cca 25 %. V porovnání s elektrickými tepelnými čerpadly jde stále o velmi nízkou hodnotu. Těm může výkon klesnou o více než 50 % při obdobné změně provozních podmínek. I tak jde o nezanedbatelnou hodnotu.

Pro potřeby vlivu provozu, tedy tak zvané oscilace systému, byl zaveden parametr průměrná doba běhu. Ten reflektuje počet startů za určité období. Měření pak ověřuje, jak významně se průměrná doba běhu může projevit na efektivitě provozu. Z práce vyplývá, že v ideálním případě by průměrná doba běhu měla být nekonečně dlouhá. Pak by bylo dosaženo garantovaných topných faktorů. V reálném provozu však dojde vždy vlivem startu ke snížení průměrné efektivity oproti garantovaným podmínkám. V reálném provozu bylo ověřeno, že doporučená minimální doba běhu pro efektivní provoz je cca 22 minut. Od této hodnoty má již oscilace zanedbatelný efekt na efektivitu provozu. Jako kritickou hodnotu, pod kterou již není hospodárné tepelné čerpadlo provozovat, lze označit hodnotu 10 minut. Pod touto hodnotou je naopak efekt průměrné doby běhu velmi významný. Experimenty pak bylo naměřeno, že vliv oscilace může v extrémních případech zhoršit výkonové parametry až o 26 %. Jde o hodnotu, která koresponduje s výsledky elektrických čerpadel.

Měření sezónních faktorů

Sezónní měření bylo provedeno na dvanácti kotelnách s kaskádou tepelných čerpadel a kondenzačních kotlů o výkonech cca 50 kW až 500 kW a to po dobu 12 měsíců. Všechny instalace byly realizovány v mírném pásu s nadmořskou výškou 200–500 metrů a s výpočtovou venkovní teplotou −15 °C. Zdroje byly připojeny do otopné soustavy přes akumulační nádrž. Akumulační nádrže byly navrženy v dimenzi 500 l na první tepelné čerpadlo, 300 l na druhé a 200 l na každé další tepelné čerpadlo. Z akumulační nádrže voda proudila přes rozdělovač a sběrač do systému. U osmi kotelen byla žádaná teplota řízena podle venkovní teploty tedy podle ekvitermní křivky. Čerpadla GAHP byla použita pouze pro vytápění. Ohřev teplé vody byl prováděn odděleně. Zjednodušené schéma zapojení je na obrázku 3. U zbylých čtyř kotelen byla žádaná teplota nastavena na fixní hodnotu. U těchto kotelen docházelo ke společnému kombinovanému ohřevu vody pro vytápění a teplou užitkovou vodu.

Z naměřených výsledků je jasně patrné, že vliv regulace měl na hodnoty výkonových parametrů zásadní vliv. Při regulaci fixně nastavené teploty bylo dosahováno hodnoty faktoru využití plynu v intervalu 1,16–1,29 a faktoru primární energie 1,08–1,13. Při ekvitermním řízení teploty dosahovaly hodnoty faktor využití plynu hodnot 1,31–1,43 a faktor primární energie 1,19–1,29. Dále se potvrdilo, že při postupném snižování fixně nastavené teploty topné vody z 65 °C na 45 °C se zvyšovala hodnota obou hodnotících sledovaných parametrů. Průměrná doba běhu ve všech případech překonala 22 minut. Negativní vliv provozu tedy nebyl zaznamenán. Průměrné hodnoty sledovaných parametrů pro jednotlivé způsoby regulace jsou uvedeny v tabulce 3.

Tabulka 3: Průměrné hodnoty validačního ověřování

Sezónní energetická účinnost zařízení vypočtená výrobcem dle metodiky NK 811/2013 uvádí hodnotu pro zařízení Robur GAHP A v průměrných klimatických podmínkách (ČR) 1,13, v chladnějších klimatických podmínkách 1,09 a v teplejších klimatických podmínkách 1,17. Naměřená průměrná hodnota SPER je při použití fixní regulace nižší o 0,01 a při použití ekvitermní regulace vyšší o 0,12. Pro porovnání se sezónní účinností tradičního zdroje, tedy modulovaného GCB, byla použita sezónní energetická účinnost 0,9. Průměrná hodnota SPER naměřená u GAHP je při regulaci Fix. vyšší o 21,3 % a při Eqv. o 34,3 %.

Hodnocení efektivity systému vytápění s plynovým čerpadlem

Za účelem měření celkové efektivity systému byly vybrány čtyři instalace s rozdílnou strategií provozu a hydraulickým zapojením. U těch byla nad rámec výkonových parametrů tepelného čerpadla měřena i energetická bilance celé otopné soustavy. V rámci hodnocení tak nebylo sledováno jen samotné tepelné čerpadlo, ale i celkový faktor využití plynu ∑GUE a celkový poměr primární energie ∑SPER. Celkový faktor využití plynu pak udává poměr veškerého dodaného tepla do systému a veškerého spotřebovaného tepla získaného spalováním plynu. Faktor primární energie pak udává poměr celkového dodaného tepla k celkové spotřebě primární energie celého systému.

V kotelně číslo I pracovala kaskáda dvou tepelných čerpadel a jednoho kondenzačního kotle. Kaskáda zdrojů byla využita pouze pro vytápění. Schéma zapojení kotelny číslo I je na obrázku 3.

Obrázek 3 Schematické znázornění kotelny číslo I

Kotelna II pracovala s kaskádou dvou tepelných čerpadel a jednoho kondenzačního kotle. Tepelná čerpadla ohřívala vodu pouze pro vytápění. Kondenzační kotel sloužil jako doplňkový zdroj v režimu vytápění a odděleně ohříval teplou vodu. Schéma zapojení soustavy číslo II je na obrázku 4.

Obrázek 4 Schematické znázornění kotelny číslo II

Kotelna číslo III pracovala opět s kaskádou dvou tepelných čerpadel a jednoho kondenzačního kotle. Tepelné čerpadlo ohřívalo vodu pro vytápění a mohlo být použito pro předehřev teplé vody. Podmínkou pro použití předehřevu bylo, že teplota na dně zásobníku je nižší než teplota vody pro vytápění. Tepelná čerpadla nijak nereagovala na požadavek na teplou vodu. Kondenzační kotel pak byl použit jako doplňkový zdroj pro vytápění a pro dohřev teplé vody. Schéma zapojení kotelny číslo III je na obrázku 5.

Obrázek 5 Schematické znázornění kotelny číslo III

Kotelna IV pracovala s kaskádou pěti tepelných čerpadel a jednoho kotle. Tepelná čerpadla ohřívala souběžně vodu pro vytápění i teplou vodu. Kondenzační kotel plnil funkci doplňkového zdroje kaskády. Schéma zapojení kotelny číslo IV je na obrázku 6.

Obrázek 6 Schematické znázornění kotelny číslo 6

Celkový sezónní poměr primární energie (∑SPER) sledovaných kotelen se pohyboval v rozsahu 0,96–1,13. Nejlepší hodnoty bylo dosaženo v kotelně číslo I, nejhorší pak v kotelně IV. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4.

Tabulka 4: Hodnoty energetických toků

Nejlepšího hodnocení bylo dosaženo v kotelně I tedy v kotelně kde kaskáda zdrojů pracovala pouze pro vytápění. Zde mohl být optimálně využit potenciál tepelného čerpadla. V tomto zapojení byl také naměřen nejmenší rozdíl mezi hodnotícími parametry tepelného čerpadla a celé kotelny. Nejlepších výsledků pro kombinovaný ohřev (ÚT + TV) bylo dosaženo v kotelně s odděleným ohřevem teplé vody s částečným předehřevem. Tepelné čerpadlo mohlo optimálně pracovat v režimu vytápění a částečně se podílet na ohřevu teplé vody bez negativního vlivu plynoucího z navýšení žádané teploty. Nejhorších výsledků bylo dosaženo v kotelně se souběžným ohřevem tedy v kotelně IV a to i přes nejvyšší podíl tepelných čerpadel na produkci tepla. Původ lze hledat už v nízkém faktoru využití plynu (GUE) samotných čerpadel jež je způsoben trvale vysokou žádanou teplotou.

Účinnosti samotných kondenzačních kotlů se pohybovaly v hodnotách 86–89 %. Nejvyšší hodnoty 0,89 bylo dosaženo, když kondenzační kotel pracoval jako špičkový zdroj k GAHP v ekvitermním provozu pouze pro vytápění v kotelně I.

Závěr

Měřením provozních parametrů se potvrdilo, že způsob provozu může zásadním způsobem ovlivnit výslednou efektivitu. Při nominálním chodu byl ověřen výkon a faktor využití plynu, který je ve shodě s deklarací výrobce. Dále bylo ověřeno, že změnou žádané teploty může dojít ke snížení faktoru využití plynu až o 25 %. Extrémní oscilací systému pak může dojít ke snížení topného faktoru o 27 %.

V rámci ověřování sezónní efektivity bylo zjištěno, že ekvitermně řízené plynové tepelné čerpadlo má v průměru sezónní faktor využití plynu 1,38 a sezónní faktor primární energie 1,25. Téměř optimálně řízené tepelné čerpadlo pak dosáhlo hodnoty sezónního topného faktoru 1,43 a sezónního faktoru primární energie 1,29. To představuje potenciál vyšší sezónní energetické účinnosti o 36,3 % oproti kondenzačnímu kotli.

V rámci měření systému vytápění s absorpčním tepelným čerpadlem bylo ověřeno, že kotelna doplněná o tepelné čerpadlo měla vyšší faktor využití plynu o 0,42 v nejlepším případě a o 0,27 v nejhorším případě oproti systému s kondenzačními kotli. Nejlepší hodnoty využití primární energie u systému s kombinovaného ohřevem (ÚT + TV) bylo dosaženo v kotelně s odděleným ohřevem teplé vody a částečným předehřevem. Touto strategií bylo dosaženo o 34 % nižší spotřeby primární energie oproti systému s samotnými kondenzačními kotli.

Literatura:

1. MÍŠEK, Pavel, Radomír ADAMOVSKÝ a Pavel NEUBERGER, 2023. Laboratory and operational analysis of air to water gas absorption heat pump cycle. Energy & Buildings, 292. ISSN 0378-7788.
2. MÍŠEK, Pavel, 2023, Disertační práce. Hmotnostní a energetická bilance absorpčních tepelných čerpadel. Česká zemědělská universita v Praze.