Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

AC Heating: Faktory ovlivňující účinnost tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla: Cílem tohoto článku není podrobná studie a složitý popis všech fyzikálních dějů odehrávajících se v tepelném čerpadle. Jde zde o bližší seznámení s touto technologií a nastínění základních provozních procesů. K tomu je samozřejmě zapotřebí několik teoretických předpokladů.

Základní rozdělení

Foto RD Tepelná čerpadla AC Heating

Podobně jako je tomu u všech mechanických zařízení, tak i provoz tepelného čerpadla je ovlivněn řadou faktorů, způsobujících odchylku skutečných provozních stavů od těch teoretických, daných fyzikálními výpočty. Nejjednodušší rozdělení těchto faktorů může být následující:

  • Vlastní – jsou zapříčiněny nedokonalostí ve vlastní technologii tepelného čerpadla (výparník, kompresor, expanzní ventil)
  • Vnější – složitě odhadnutelné vlivy venkovního prostředí, kterým nelze předejít (teplota, vlhkost a znečištění vzduchu)
  • Nahodilé – způsobené např. chybným dimenzováním otopné soustavy

Jak fungují tepelná čerpadla vzduch–voda?

Pro popis vlastních faktorů, které ovlivňují provoz tepelného čerpadla, je třeba uvést obecný schématický nákres chladivového cyklu tepelného čerpadla:

Obr. 1. Princip tepelného čerpadla Tepelná čerpadla AC Heating
Obr. 1. Princip tepelného čerpadla
 

Koloběh chladiva v tepelném čerpadle

Proces začíná nasátím par chladiva v bodě (1). Kompresor stlačuje a kompresním teplem zahřívá páry do bodu (2). Během procesu stlačování chladiva v kompresoru dochází k tepelným ztrátám i ziskům způsobených např. přestupem tepla z chladiva do pístů kompresoru nebo naopak ziskem odpadního teplaz pohonu kompresoru. V následujícím grafu skutečného oběhu je odchylka křivky 1-2 od křivky konstantní entropie (s = konst.) způsobena právě těmito ztrátami a zisky.

Přehřáté páry vstupují do kondenzátoru (tepelný výměník pro přestup tepla z chladiva do topného média). Postupující páry se ochlazují a kondenzují na kapalinu při kondenzační teplotě TC. U skutečného oběhu dochází v závěru kondenzace k podchlazení kapalného chladiva (3). K podchlazení dochází účelně kvůli správné funkci expanzního ventilu. Podchlazení zajišťuje přítok kapalného chladiva, čímž se stabilizuje funkce expanzního ventilu, minimalizuje se kavitace a prodlužuje se jeho životnost. Z tohoto pohledu je výhodnější používat přesný elektronicky řízený expanzní ventil (EEV).

Tlak kapalného chladiva je po průchodu škrticím orgánem (EEV) prudce snížen (4). Dochází k varu a prudkému vypařování chladiva při teplotě TE. Výparné teplo je přiváděno přes teplosměnnou plochu výparníku z chlazeného prostoru. Expanzní ventil zajišťuje nezbytné přehřátí par chladiva v bodě (1). Kompresor totiž nesmí nasávat páry s podílem kapaliny, mohlo by dojít k jeho trvalému poškození.

Zobrazení chladivového okruhu v P-h diagramu

Přenesením principiálního schématu do P-h diagramu a zobrazení termodynamického cyklu můžeme porovnat rozdíly mezi ideálním tzv. Rankinovým cyklem a skutečným oběhem:

Ideální oběh chladiva Tepelná čerpadla AC HeatingSkutečný oběh chladiva Tepelná čerpadla AC HeatingObr. 2. Ideální Rankinův oběh (vlevo) a reálný oběh (vpravo)

Obrázek představuje závislost tlaku na entalpii (tzv. P-h diagram) chladivového okruhu. Entalpie vyjadřuje tepelnou energii, uloženou v jednotkovém množství látky. Křivka syté páry ohraničuje oblast, kde chladivo přechází ze stavu kapaliny na přehřátou páru. Podstatné jsou především křivky konstantních teplot, podle kterých je možné určit teploty chladiva v procesu ohřevu a chlazení. Tvar okruhu zůstává vždy zachován, mění se pouze jeho plocha, tedy umístění bodů 1-2-3-4.

Určení topného faktoru

Když známe provozní vlastnosti tepelného čerpadla, můžeme si nyní vyjádřit topný faktor COP udávající efektivitu provozu tepelného čerpadla v režimu topení a koeficient EER pro režim chlazení:

vzorce
 

kde

Q23
… energie předaná topnému médiu v kondenzátoru
Q41
… energie přijatá z okolního prostředí do chladiva ve výparníku
P12
… energie dodaná do okruhu kompresorem
 

Shrnutí vlivů ovlivňujících topný faktor tepelného čerpadla

Z takto stanovených předpokladů pak můžeme určit všechny parametry ovlivňující topný faktor tepelného čerpadla:

Teplota kondenzace chladiva

xCC Tepelná čerpadla AC Heating
xCC

Čím bude vyšší požadovaná teplota kondenzace TC, tím bude větší hodnota energie dodané kompresorem P12 a tedy bude i nižší COP. Teplota kondenzace je dána požadovanou teplotou topného média pro otopnou soustavu (radiátorová tělesa, podlahové vytápění, VZT, TUV).

V případě tepelných čerpadel AC-Heating Convert AW je výstupní teplota topné vody závislá na venkovní teplotě. Pokud tedy dojde k nárůstu venkovní teploty, sníží se výkon a hlavně příkon tepelného čerpadla, které pak pracuje s výrazně lepším COP. Díky řídicímu systému xCC je možné výkon tepelného čerpadla upravovat i ručně, např. podle zadaného časového plánu, podle venkovní teploty nebo upravovat celkový výkon od 15 do 100 %. Tyto parametry mají podstatný vliv na průměrný roční topný faktor.

Teplota odpařování

Čím vyšší bude teplota vypařování TE, tím méně energie P12 bude třeba dodat kompresorem na dosažení konstantní kondenzační teploty. COP bude tedy vyšší. Množství energie získané z okolního prostředí při vypařování chladiva závisí tedy i na vhodném dimenzování výparníku.

I zde řídicí systém xCC zajišťuje optimalizaci: části topného systému, které mají akumulační schopnost (např. TUV, bazén) lze nahřívat přes den, kdy je vyšší venkovní teplota, a tím i vyšší účinnost tepelného čerpadla.

Znečištění výparníku

V případě námrazy na výparníku tepelného čerpadla vzduch/voda nemůže chladivo přijmout takové množství energie (bude se zkracovat vzdálenost 4-1 i vzdálenost 2-3), čímž dojde opět k poklesu COP. Při provozu tepelného čerpadla během topné sezóny dochází vždy ke vzniku námrazy. Zvyšující se četnost namrzání výparníku je způsobená i vyšší vlhkostí vzduchu, případně jeho větším znečištěním.

Tepelná čerpadla Convert AW jsou vybavena automatickým řízením odtávání, díky kterému se odmrazení výparníku odehraje řádově v jednotkách minut. Rovněž dochází k redukci tvorby námrazy při předimenzovaném výparníku: tepelná čerpadla vybavená invertorem a regulací xCC umožňují pracovat s nižším výkonem v období, kdy se venkovní teplota pohybuje kolem hodnoty 0 °C. Je to logické: Výparník je pak velmi předimenzován = nižší teplotní skluz = nižší náchylnost k tvorbě námrazy = méně časté odtávání = vyšší účinnost.

Závěr

Na účinnost tepelného čerpadla má vliv hodně faktorů. Zásadním faktorem je kvalita použitých komponentů a dostatečné dimenzování, to je jasné. Důležité je však také, aby regulační systém tepelného čerpadla zajistil optimální využití technologie, a tím maximalizoval účinnost provozu. Toto je možné v momentu, kdy jsou algoritmy ideálně vyladěny a navíc je uživatel schopen správně nastavovat veškeré parametry. Uživatel není ale obvykle odborník: Proto je také velice důležité i uživatelské rozhraní, pomocí kterého se tepelné čerpadlo ovládá.