Zkoušení tepelných čerpadel
Heat pumps testing
Zkoušení tepelných čerpadel navazuje na článek o zkoušení solárních kolektorů. Základní funkční princip tepelného čerpadla spočívá v tom, že odebírá teplo z okolního prostředí, a to pak převede na vyšší teplotní hladinu a předá podle způsobu použití na vytápění nebo ohřev teplé vody. Výhoda oproti kolektorům je, že funguje, i když nesvítí slunce.
Zkoušení tepelných čerpadel - tepelný výkon, topný faktor COP
Tepelné čerpadlo (TČ)
- základní funkční princip tepelného čerpadla spočívá v tom, že odebírá teplo z okolního prostředí (vzduch, voda) a to pak převede na vyšší teplotní hladinu a předá podle způsobu použití na vytápění nebo ohřev teplé vody,
- výhoda oproti kolektorům - funguje, i když nesvítí slunce,
- jeho výkon (COP faktor) je nejvíce ovlivněn teplotou média, ze kterého odebírá teplo a výstupní teplotou, na kterou musí TČ topit,
- legislativa je obdobná jako u solárních teplovodních kolektorů. Na tepelná čerpadla se vztahuje technický návod pro činnost autorizovaných osob při posuzování shody stavebních výrobků podle Nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění NV č. 312/2005 Sb. 10.05.14 (postup posuzování shody minimálně podle §7).
Technický návod vychází z evropských norem:
- ČSN EN 14511-2 (2008): Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru - Část 2: Zkušební podmínky
- ČSN EN 14511-4 (2008): Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru - Část 4: Zkušební metody
- ČSN EN 60704-2-2 Zkušební předpis pro určení hluku šířeného vzduchem, vyzařovaného elektrickými spotřebiči pro domácnost a podobné účely. Část 2: Zvláštní požadavky na topidla s nucenou konvekcí
- ČSN EN 60335-2-40 - Elektrické spotřebiče pro domácnost a podobné účely - Bezpečnost - Část 2-40: Zvláštní požadavky na elektrická tepelná čerpadla, klimatizátory vzduchu a odvlhčovače
- další normy viz. technický návod
Při uplatnění národní legislativy (Nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění NV č. 312/2005 Sb) je nutno aplikovat další technické předpisy vycházející ze "základních požadavků" např.:
- Hlučnost (NV č. 148/2006Sb.)
- Elektromagnetická kompatibilita (NV č. 616/2006 Sb.)
- Požadavek na výluh toxických látek a nežádoucích chemických látek do kontaktních médií (pitná voda) (vyhláška č. 137/1998 Sb.)
Z hlediska státní podpory je pak nutno zmínit program Ministerstva životního prostředí administrovaný Státním fondem životního prostředí ČR zaměřený na úspory energie a obnovitelné zdroje domácností v rodinných a bytových domech. Oblast podpory, označovaná jako "C" (Využití obnovitelných zdrojů energie pro vytápění a přípravu teplé vody) zahrnuje i tepelná čerpadla. Zde je podmínkou pro poskytnutí dotace minimální COP topný faktor:
- vzduch-voda: 3,0 (při zkušebních parametrech A2/W35, tj. vstupní vzduch 2 °C/výstupní voda 35 °C)
- voda-voda: 4,7 (při zkušebních parametrech W10/W35)
- země-voda: 4,1 (při zkušebních parametrech S0/W35)
Stanovení tepelného výkonu a topného faktoru tepelného čerpadla
- tepelná čerpadla jsou ze zkušebního hlediska dělena podle druhů prostředí mezi kterými probíhá přenos tepla, takto (venkovní - vnitřní):
- voda - vzduch
- voda - voda
- vzduch - voda
- u každého tohoto typu muže být určen jak tepelný, tak chladicí výkon, to závisí na možnostech TČ, tedy zda umožňuje funkci chlazení,
- nejčastěji používané typy jsou vzduch - voda, voda - voda a na ty se zaměříme dále.
Základní princip měření
První fáze - nastaví se podmínky dané normou ČSN EN 14511-2:2007, viz. tab. 2 zkušebních podmínek - standardní podmínky hodnocení. Konkrétně pro TČ vzduch - voda se jedná o vstupní teplotu suchého teploměru a vstupní teplotu vlhkého teploměru (určuje vlhkost vzduchu), na straně vnitřního výměníku vstupní teplotu. Výstupní teplota je dosažena regulací průtoku, aby bylo dosaženo teplotního rozdílu 5 °C. Po dosažení a ustálení všech těchto podmínek může začít měření. Při měření jsou monitorovány všechny hodnoty teplot, průtok, tlaková ztráta a příkon čerpadla - vše v závislosti na čase. Z těchto hodnot je dále vypočítán tepelný výkon a COP faktor.
Druhá fáze - zde se již použijí aplikační podmínky hodnocení. Jediná změna je, že se již nenastavuje teplotní rozdíl na vnitřním výměníku 5 °C, ale použije se průtok stanovený při měření za standardních podmínek hodnocení. Obdobným způsobem se zkouší i tepelný výkon u tepelného čerpadal voda-voda (tab. 3).
Vyhodnocení výsledků
Z naměřených hodnot se vypočítají následující parametry:
Okamžitý výkon tepelného čerpadla je definována vztahem:
- tepelný výkon (W)
- hmotnostní průtok teplonosné látky (kg.s-1)
cf - měrná tepelná kapacita teplonosné látky (kJ.K-1.kg-1)
Δt - teplotní rozdíl mezi vstupem a výstupem kapaliny (K)
Měřený COP topný faktor se vyjadřuje jako poměr výkonu a příkonu
Přípustná tolerance při deklaraci výsledků (deklarovaný výkon a deklarovaný COP topný faktor)
- norma ČSN EN 14511-2 definuje přípustnou toleranci při deklaraci výkonových parametrů takto:
Měřený COP ≥ 0,85 deklarovaný COP
Měřený tepelný výkon ≥ 0,88 deklarovaný tepelný výkon
Příklad měření TČ vzduch - voda
Tab. 4 ukazuje krátkou sekvenci měření tepelného čerpadla vzduch - voda při zkušebních parametrech A7/W45 (tj. vzduch 7 °C na vstupu, voda 45 °C na výstupu).
Průběh primárních dat (teplot) tepelného čerpadla vzduch - voda je zaznamenán v grafu na obr. 6 a v grafu na obr. 7 je vyhodnocení výsledků (výkon, příkon, COP).
Obr. 6. Graf - ukázka průběhu primárních dat (teplot) - tepelného
čerpadla vzduch - voda
Obr. 7. Vyhodnocení výsledků (výkon, příkon, COP)
Pravidelně se opakující pokles COP faktoru (výkonu) je v důsledku reverzního chodu tepelného čerpadla (odmrazování výparníku). To se samozřejmě projevuje i na poklesu teplot vstupní a výstupní vody.
Závěr
V textu je popsán úvod do problematiky měření dvou nejčastějších typů zdrojů alternativní energie, vhodných pro vytápění a ohřev TV. Tyto výkonové parametry patří mezi základní hodnoticí kritéria při výběru mezi různými výrobky a jsou zásadní při stanovení efektivity a návratnosti investice. Je nutno mít na zřeteli, že hodnoty tepelných výkonů jsou vzájemně porovnatelné pouze při měření za stejných zkušebních parametrů - to může být zneužito při klamavé reklamě, resp. při konkurenčním boji mezi různými výrobci nebo dodavateli. Například tepelné čerpadlo s udávaným COP 4,5 může být ve skutečnosti horší než jiné, např. s COP 3,0, pokud parametry prvního byly stanoveny při vstupní teplotě vyšší než u čerpadla druhého. Požadavek na dokumentaci autorizované osoby by neměl seriózního dodavatele zaskočit a zákazník minimalizuje rizika při poměrně vysoké počáteční investici.
Poslechněte si zvukový záznam přednášky Ing. Bořivoje Šourka TEPELNÁ ČERPADLA
(přednáška zazněla jako odborná část firemního semináře společnosti Quantum v roce 2011)
The tests on heat pumps are connected to an article on the tests of solar collectors. The basic operating principles of a heat pump is that it gathers heat from the surrounding environment and then transfers it to a higher temperature level and supplies to according the whether it will be used for heating or hot water. The advantage over collectors is that it works even if the sun is not shining.
